Акустическая локация

Использование отраженных звуковых волн для определения местоположения объектов

Шведские солдаты работают с акустическим локатором, 1940 год.

Акустическая локация — это метод определения положения объекта или источника звука с помощью звуковых волн. Местоположение может происходить в газах (например, в атмосфере), жидкостях (например, в воде) и в твердых телах (например, в земле).

Локацию можно делать активно или пассивно:

• Активная акустическая локация предполагает создание звука для создания эха, которое затем анализируется для определения местоположения рассматриваемого объекта.
• Пассивная акустическая локация предполагает обнаружение звука или вибрации, создаваемой обнаруживаемым объектом, который затем анализируется для определения местоположения рассматриваемого объекта.

Оба этих метода при использовании в воде известны как гидролокатор ; Пассивный гидролокатор и активный гидролокатор широко используются.

Акустические зеркала и тарелки при использовании микрофонов являются средством пассивной акустической локализации, а при использовании громкоговорителей — средством активной локализации. Обычно используется более одного устройства, а затем местоположение определяется триангулировано между несколькими устройствами.

В качестве инструмента военной противовоздушной обороны пассивная акустическая локация использовалась с середины Первой мировой войны ^[1] до первых лет Второй мировой войны для обнаружения самолетов противника по шуму их двигателей. Он устарел до и во время Второй мировой войны из-за внедрения радара , который был гораздо более эффективным (но перехватываемым). Преимущество акустических методов заключалось в том, что они могли «видеть» за углами и холмами благодаря дифракции звука .

Гражданское использование включает обнаружение дикой природы ^[2] и определение места стрельбы из огнестрельного оружия. ^[3]

Краткое содержание

Локализация акустического источника ^[4] — это задача определения местоположения источника звука по данным измерений звукового поля. Звуковое поле можно описать с помощью физических величин, таких как звуковое давление и скорость частиц. Измеряя эти свойства, можно (косвенно) определить направление источника.

Традиционно звуковое давление измеряется с помощью микрофонов. Микрофоны имеют диаграмму направленности, описывающую их чувствительность в зависимости от направления падающего звука. Многие микрофоны имеют всенаправленную диаграмму направленности, что означает, что их чувствительность не зависит от направления падающего звука. Существуют микрофоны с другой диаграммой направленности, более чувствительные в определенном направлении. Однако это по-прежнему не является решением проблемы локализации звука, поскольку человек пытается определить либо точное направление, либо точку происхождения. Помимо использования микрофонов, измеряющих звуковое давление, также можно использовать датчик скорости частиц для непосредственного измерения скорости акустических частиц . Скорость частицы — еще одна величина, связанная с акустическими волнами , однако, в отличие от звукового давления, скорость частицы является вектором . Измеряя скорость частицы, можно напрямую определить направление источника. Возможны и другие, более сложные методы с использованием нескольких датчиков. Многие из этих методов используют метод разницы во времени прибытия (TDOA).

Некоторые называют локализацию источника звука « обратной задачей », поскольку измеряемое звуковое поле преобразуется в положение источника звука.

Методы

Возможны различные методы определения направления или местоположения источника.

Разница во времени прибытия

Традиционный метод определения направления источника — использование метода разницы во времени прибытия (TDOA). Этот метод можно использовать с микрофонами давления, а также с датчиками скорости частиц.

С помощью массива датчиков (например, массива микрофонов ), состоящего как минимум из двух зондов, можно получить направление источника, используя функцию взаимной корреляции между сигналом каждого зонда. Функция взаимной корреляции между двумя микрофонами определяется как

${\displaystyle R_{x_{1},x_{2}}(\tau )=\sum _{n=-\infty }^{\infty }x_{1}(n)x_{2}(n+\tau )}$

который определяет уровень корреляции между выходами двух датчиков и . В общем, более высокий уровень корреляции означает, что аргумент относительно близок к фактической разнице во времени прибытия . Для двух датчиков, расположенных рядом друг с другом, TDOA определяется выражением ${\displaystyle x_{1}}$ ${\displaystyle x_{2}}$ ${\displaystyle \tau }$

${\displaystyle \tau _{\text{true}}={\frac {d_{\text{spacing}}}{c}}}$

где – скорость звука в среде, окружающей датчики и источник. ${\displaystyle c}$

Хорошо известным примером TDOA является межушная разница во времени . Межушная разница во времени — это разница во времени прихода звука между двумя ушами. Межушная разница во времени определяется выражением

${\displaystyle \Delta t={\frac {x\cos \theta }{c}}}$

где

${\displaystyle \Delta t}$разница во времени в секундах,

${\displaystyle x}$— расстояние между двумя датчиками (ушами) в метрах,

${\displaystyle \theta }$— угол между базовой линией датчиков (ушей) и падающим звуком, в градусах.

Триангуляция

В тригонометрии и геометрии триангуляция — это процесс определения местоположения точки путем измерения углов к ней от известных точек на обоих концах фиксированной базовой линии, а не непосредственного измерения расстояний до точки ( трилатерация ). Затем эту точку можно зафиксировать как третью точку треугольника с одной известной стороной и двумя известными углами.

Для акустической локализации это означает, что если направление источника измерено в двух или более точках пространства, можно триангулировать его местоположение.

Косвенные методы

Методы управляемой мощности отклика (SRP) представляют собой класс косвенных методов локализации акустического источника. Вместо оценки набора разностей времени прибытия (TDOA) между парами микрофонов и объединения полученных оценок для определения местоположения источника, косвенные методы ищут возможное местоположение источника по сетке пространственных точек. В этом контексте такие методы, как определение мощности управляемого отклика с фазовым преобразованием (SRP-PHAT) ^[5], обычно интерпретируются как поиск потенциального местоположения, которое максимизирует выходную мощность формирователя луча с задержкой и суммированием. Было показано, что этот метод очень устойчив к шуму и реверберации, что мотивирует разработку модифицированных подходов, направленных на повышение его производительности в приложениях акустической обработки в реальном времени. ^[6]

Военное использование

Звуковой локатор Т3 1927 г.

Фотография японского императора Сёва (Хирохито) до Второй мировой войны , осматривающего военные акустические локаторы, установленные на четырехколесных повозках.

Военные применения включали обнаружение подводных лодок ^[7] и самолетов. ^[8] О первом использовании этого типа техники заявил командир Королевского военно-морского добровольческого резерва Альфред Роулинсон , который осенью 1916 года командовал мобильной зенитной батареей на восточном побережье Англии. Ему требовалось средство обнаружения дирижаблей в пасмурную погоду, и он смастерил аппарат из пары граммофонных рупоров, закрепленных на вращающейся стойке. Некоторые из этих устройств могли довольно точно определять приближающиеся дирижабли, позволяя направлять на них орудия, несмотря на то, что они находились вне поля зрения. ^[9] Хотя этим методом не было достигнуто ни одного попадания, Роулинсон утверждал, что однажды заставил дирижабль сбросить бомбы. ^[10]

Инструменты противовоздушной обороны обычно состояли из больших рупоров или микрофонов, подсоединенных к ушам операторов с помощью трубок, очень похожих на очень большой стетоскоп . ^{[11] [12]}

Оборудование для звуковой локации в Германии, 1939 год. Оно состоит из четырех акустических рупоров, горизонтальной пары и вертикальной пары, соединенных резиновыми трубками с наушниками типа стетоскопа, которые носят два техника слева и справа. Стереонаушники позволяли одному технику определять направление, а другому — высоту самолета.

В конце 1920-х годов оперативное сравнение нескольких больших акустических прослушивающих устройств из разных стран, проведенное Метгебау в Нидерландах, выявило недостатки. Фундаментальные исследования показали, что человеческое ухо лучше, чем то, которое понимали в 20-е и 30-е годы. Были разработаны новые подслушивающие устройства, расположенные ближе к ушам и с герметичными соединениями. Более того, механическое оборудование прогнозирования, учитывая низкую скорость звука по сравнению с более быстрыми самолетами, и коррекция высоты предоставили информацию, позволяющую операторам прожекторов и зенитчикам указать, куда летит обнаруженный самолет. Прожекторы и пушки должны были находиться на расстоянии от подслушивающего устройства. Поэтому были разработаны электрические указатели поворота. ^[13]

Большую часть работ по зенитной радиолокации выполнили англичане. Они разработали обширную сеть звуковых зеркал , которые использовались с Первой по Вторую мировые войны. ^{[14] [15]} Звуковые зеркала обычно работают с использованием подвижных микрофонов, чтобы найти угол, который максимизирует амплитуду принимаемого звука, что также является углом направления на цель. Два звуковых зеркала в разных положениях будут генерировать два разных пеленга, что позволяет использовать триангуляцию для определения положения источника звука.

По мере приближения Второй мировой войны радар начал становиться надежной альтернативой звуковому определению местоположения самолетов. При типичных для того времени скоростях самолетов звуковая локация предупреждала всего за несколько минут. ^[8] Станции акустической локации были оставлены в работе в качестве резервной копии радаров, как это было показано во время битвы за Британию . ^[16] Сегодня заброшенные места все еще существуют и легко доступны. ^{[14] [ неработающая ссылка ]}

После Второй мировой войны звуковая дальность больше не играла роли в зенитных операциях. ^{[ нужна цитата ]}

Активные/пассивные локаторы

Активные локаторы помимо подслушивающего устройства имеют какое-то устройство генерации сигнала. Два устройства не обязательно должны располагаться вместе.

Сонар

Сонар (звуковая навигация и определение дальности) — это метод, использующий распространение звука под водой (а иногда и в воздухе) для навигации, связи или обнаружения других судов. Существует два типа эхолота – активный и пассивный. Один активный гидролокатор может определять дальность и пеленг, а также измерять радиальную скорость. Однако одиночный пассивный гидролокатор может определять только прямую локализацию по пеленгу, хотя анализ движения цели можно использовать для локализации по дальности с заданным временем. Несколько пассивных гидролокаторов можно использовать для определения дальности непосредственно путем триангуляции или корреляции.

Местоположение биологического эха

Дельфины , киты и летучие мыши используют эхолокацию , чтобы обнаружить добычу и избежать препятствий.

Локализация времени прибытия

Имея динамики/ ультразвуковые передатчики, излучающие звук в известных местах и ​​времени, положение цели, оснащенной микрофоном/ультразвуковым приемником, можно оценить на основе времени прихода звука. Точность обычно низкая в условиях отсутствия прямой видимости , когда между передатчиками и приемниками имеются препятствия.^[17]

Сейсмические исследования

Трехмерное эхолотное изображение каньона под Красным морем , сделанное исследовательским судном HMS Enterprise.

Сейсмические исследования включают генерацию звуковых волн для измерения подземных сооружений. Исходные волны обычно создаются ударными механизмами, расположенными вблизи поверхности земли или воды, обычно это падающие грузы, вибросейсмические грузовики или взрывчатые вещества. Данные собираются с помощью геофонов, затем сохраняются и обрабатываются на компьютере. Современные технологии позволяют создавать трехмерные изображения подземных горных структур с использованием такого оборудования.

Другой

Поскольку стоимость соответствующих датчиков и электроники падает, использование технологии звуковой дальности становится доступным для других целей, например, для обнаружения дикой природы. ^[18]

Смотрите также

• Акустическая камера
• 3D реконструкция звука
• 3D-локализация звука
• Звуковая локализация
• Бумеранг
• Мультилатерация
• Акустическое зеркало
• Акустическое нахождение пути , практика использования слуховых сигналов и звуковых маркеров для навигации в помещении и на открытом воздухе.
• Эхолокация животных : животные издают звук и слушают эхо, чтобы находить объекты или ориентироваться.
• Эхолотирование , прослушивание эха звуковых импульсов для измерения расстояния до дна моря, частный случай гидролокатора
• Локатор стрельбы
• Эхолокация человека , использование эхолокации слепыми людьми.
• Прилов человека
• Медицинское УЗИ , использование ультразвукового эха для исследования внутренних органов.
• Сенсорное замещение

Рекомендации

1. Как далеко это немецкое ружье? Как 63 немецких орудия были обнаружены только с помощью звуковых волн за один день , Ежемесячник Popular Science , декабрь 1918 г., стр. 39, отсканировано Google Books: https://books.google.com/books?id=EikDAAAAMBAJ&pg=PA39 ^{[ навсегда мертвы связь ]}
2. «Избранные проекты». Greenridge Sciences Inc. Проверено 16 мая 2006 г.
3. Лоррейн Грин Мазероль; и другие. (декабрь 1999 г.). «Проблемы случайной стрельбы и системы обнаружения выстрелов» (PDF) . Краткий обзор исследования Национального института юстиции .
4. «Локализация акустического источника на основе независимого анализа компонентов» . ЛМС. Архивировано из оригинала 08 января 2018 г. Проверено 7 января 2018 г.
5. ДиБиасе, Дж. Х. (2000). Метод высокой точности и малой задержки для локализации говорящего в реверберирующей среде с использованием микрофонных решеток (PDF) (доктор философии). Брауновский университет.
6. Кобос, М.; Марти, А.; Лопес, Джей Джей (2011). «Модифицированный функционал SRP-PHAT для надежной локализации источника звука в реальном времени с масштабируемой пространственной дискретизацией». Письма об обработке сигналов IEEE . 18 (1): 71–74. Бибкод : 2011ISPL...18...71C. дои :10.1109/LSP.2010.2091502. hdl : 10251/55953 . S2CID  18207534.
7. Кристиан Йоханссан; и другие. «Отслеживание подводных лодок с использованием мультисенсорного слияния и реактивного планирования позиционирования пассивных гидроакустических буев» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2009 г. Проверено 16 мая 2006 г.
8. В.Ричмонд (2003). «До РАДАРА – акустическое обнаружение самолетов». Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г. Проверено 6 января 2013 г.
9. Роулинсон, Альфред (1923), Роулинсон, Защита Лондона, Эндрю Мелроуз, Лондон и Нью-Йорк, стр. 110–114. Архивировано 5 мая 2016 г., в Wayback Machine.
10. Роулинсон, стр. 118–119.
11. Дуглас Селф. «Акустическая локация и звуковые зеркала». Архивировано из оригинала 12 января 2011 г. Проверено 1 июня 2006 г.
12. Джим Маллиган. «Фото Звукового Локатора». Архивировано из оригинала 2 октября 2006 г. Проверено 15 мая 2006 г.
13. История воздушной акустики в музее Ваальсдорпа.
14. Фил Хайд (январь 2002 г.). «Звуковые зеркала на Южном берегу». Архивировано из оригинала 2 мая 2009 г. Проверено 13 мая 2006 г.
15. Эндрю Грэнтэм (8 ноября 2005 г.). «Звуковые зеркала раннего предупреждения».
16. Ли Бриммикомб Вудс (7 декабря 2005 г.). «Горящая синева: Битва за Британию 1940» (PDF) . ООО «ГМТ Геймс».
17. Чан, Ю.Т.; Цуй, Вайоминг; Итак, ХК; Чинг, ПК (2006). «Локализация по времени прибытия в условиях NLOS». IEEE Транс. Автомобильные технологии . 55 (1): 17–24. дои : 10.1109/TVT.2005.861207. ISSN  0018-9545. S2CID  6697621.
18. Джон Л. Спайсбергер (июнь 2001 г.). «Гиперболические ошибки определения местоположения из-за недостаточного количества приемников». Журнал Акустического общества Америки . 109 (6): 3076–3079. Бибкод : 2001ASAJ..109.3076S. дои : 10.1121/1.1373442. ПМИД  11425152.

Внешние ссылки

• «Огромное ухо обнаруживает самолеты и определяет их скорость», «Популярная механика», декабрь 1930 г., статья о детекторе звука французского самолета с фотографией.
• Многие ссылки можно найти в разделе «Справочники по формированию луча».
• Эмпирическое исследование совместной локализации акустического источника