Акустическое расположение

Использование отраженных звуковых волн для определения местоположения объектов

Шведские солдаты используют акустический локатор, 1940 год.

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

Локализация может осуществляться активно или пассивно:

• Активная акустическая локация подразумевает создание звука с целью получения эха, которое затем анализируется для определения местоположения интересующего объекта.
• Пассивная акустическая локация заключается в обнаружении звука или вибрации, создаваемых обнаруживаемым объектом, которые затем анализируются для определения местоположения рассматриваемого объекта.

Оба эти метода, применяемые в воде, известны как гидролокаторы ; широко используются как пассивные, так и активные гидролокаторы.

Акустические зеркала и тарелки при использовании микрофонов являются средствами пассивной акустической локализации, но при использовании динамиков являются средствами активной локализации. Обычно используется более одного устройства, и местоположение затем триангулируется между несколькими устройствами.

Как военный инструмент ПВО , пассивная акустическая локация использовалась с середины Первой мировой войны ^[1] до первых лет Второй мировой войны для обнаружения вражеских самолетов путем улавливания шума их двигателей. Она устарела до и во время Второй мировой войны из-за появления радара , который был гораздо более эффективным (но перехватываемым). Акустические методы имели преимущество в том, что они могли «видеть» за углами и над холмами из-за дифракции звука .

Гражданское применение включает обнаружение диких животных ^[2] и обнаружение огневой позиции огнестрельного оружия ^{[3] .}

Краткое содержание

Локализация акустического источника ^[4] — это задача локализации 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) получить направление источника.

Традиционно звуковое давление измеряется с помощью микрофонов. Микрофоны имеют диаграмму направленности , описывающую их чувствительность как функцию направления падающего звука. Многие микрофоны имеют всенаправленную диаграмму направленности, что означает, что их чувствительность не зависит от направления падающего звука. Существуют микрофоны с другими диаграммами направленности, которые более чувствительны в определенном направлении. Однако это все еще не решение проблемы локализации звука, поскольку пытаются определить либо точное направление, либо точку происхождения. Помимо рассмотрения микрофонов, измеряющих звуковое давление, также можно использовать датчик скорости частиц для непосредственного измерения скорости акустических частиц . Скорость частиц — это еще одна величина, связанная с акустическими волнами , однако, в отличие от звукового давления, скорость частиц является вектором . Измеряя скорость частиц, можно напрямую получить 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 акустического источника « обратной задачей », в которой измеренное звуковое поле переносится в положение источника звука.

Методы

Возможны различные методы определения направления или местоположения источника.

Разница во времени прибытия

Традиционный метод определения направления источника — метод разницы во времени прибытия (TDOA). Этот метод может использоваться как с микрофонами давления, так и с зондами скорости частиц.

С помощью сенсорной решетки (например, микрофонной решетки ), состоящей как минимум из двух зондов, можно получить направление источника, используя функцию взаимной корреляции между сигналами 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 случае 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 как ${\displaystyle x_{1}}$ ${\displaystyle x_{2}}$ ${\displaystyle \tau }$

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

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

Известным примером TDOA является интерауральная разница во времени . Интерауральная разница во времени — это разница во времени прибытия звука между двумя ушами. Интерауральная разница во времени определяется как

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

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 из известных точек на обоих концах фиксированной базовой линии, а не путем измерения расстояний до точки напрямую ( трилатерация ). Затем точка может быть зафиксирована как третья точка треугольника с одной известной стороной и двумя известными углами.

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

Косвенные методы

Методы управляемой мощности отклика (SRP) представляют собой класс методов непрямой локализации акустического источника. Вместо оценки набора разностей во времени прибытия (TDOA) между парами микрофонов и объединения полученных оценок для поиска местоположения источника, косвенные методы ищут потенциальное местоположение источника по сетке пространственных точек. В этом контексте такие методы, как управляемая мощность отклика с фазовым преобразованием (SRP-PHAT) ^[5], обычно интерпретируются как поиск потенциального местоположения, которое максимизирует выход формирователя луча с задержкой и суммой. Было показано, что 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), сделанная до Второй мировой войны, на которой он осматривает военные акустические локаторы, установленные на четырехколесных повозках.

Военные применения включали обнаружение подводных лодок ^[7] и самолетов. ^[8] Первое использование этого типа оборудования было заявлено командиром Альфредом Роулинсоном из Королевского военно-морского добровольческого резерва , который осенью 1916 года командовал мобильной зенитной батареей на восточном побережье Англии. Ему нужно было средство обнаружения цеппелинов в облачную погоду, и он смастерил аппарат из пары граммофонных рупоров, установленных на вращающемся шесте. Несколько из этих устройств могли дать довольно точное определение приближающихся дирижаблей, позволяя направлять на них орудия, несмотря на то, что они находились вне поля зрения. ^[9] Хотя этим методом не было получено ни одного попадания, Роулинсон утверждал, что однажды заставил цеппелин сбросить свои бомбы. ^[10]

Инструменты противовоздушной обороны обычно состояли из больших рупоров или микрофонов, соединенных с ушами операторов с помощью трубок, что было похоже на очень большой стетоскоп . ^{[11] [12]}

Оборудование для определения местоположения звука в Германии, 1939 год. Оно состоит из четырех акустических рупоров, горизонтальной пары и вертикальной пары, соединенных резиновыми трубками с наушниками-стетоскопами, которые носили 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 Meetgebouw в Нидерландах, показало недостатки. Фундаментальные исследования показали, что человеческое ухо лучше, чем было изучено в 20-е и 30-е годы. Были разработаны новые прослушивающие устройства, расположенные ближе к ушам и имеющие герметичные соединения. Более того, механическое оборудование для прогнозирования, учитывая низкую скорость звука по сравнению с более быстрыми самолетами, и поправки на высоту, предоставляло информацию, указывающую операторам прожекторов и зенитчикам, где летит обнаруженный самолет. Прожекторы и орудия должны были находиться на расстоянии от прослушивающего устройства. Поэтому были разработаны электрические указатели направления. ^[13]

Большая часть работы по зенитной звуковой локации была проделана британцами. Они разработали обширную сеть звуковых зеркал , которые использовались с Первой по Вторую мировую войну. ^{[14] [15]} Звуковые зеркала обычно работают с использованием подвижных микрофонов, чтобы найти угол, который максимизирует амплитуду полученного звука, который 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.

С приближением Второй мировой войны радар стал надежной альтернативой звуковой локации самолетов. Для типичных скоростей самолетов того времени звуковая локация давала предупреждение только за несколько минут. ^[8] Акустические локационные станции были оставлены в эксплуатации в качестве резерва радара, как это было показано во время битвы за Британию . ^[16] Сегодня заброшенные объекты все еще существуют и легкодоступны. ^{[14] [ нерабочая ссылка ]}

После Второй мировой войны звуковая локация больше не играла никакой роли в операциях ПВО. ^{[ необходима цитата ]}

Активные/пассивные локаторы

Активные локаторы имеют некое устройство генерации сигнала, в дополнение к прослушивающему устройству. Эти два устройства не обязательно должны быть расположены вместе.

Сонар

Сонар (звуковая навигация и определение дальности) — это метод, который использует распространение звука под водой (или иногда в воздухе) для навигации, связи или обнаружения других судов. Существует два вида сонаров — активный и пассивный. Один активный сонар может локализовать по дальности и пеленгу, а также измерять радиальную скорость. Однако один пассивный сонар может локализовать только по пеленгу напрямую, хотя анализ движения цели может использоваться для локализации по дальности с учетом времени. Несколько пассивных сонаров могут использоваться для локализации по дальности путем триангуляции или корреляции напрямую.

Биологическая эхолокация

Дельфины , киты и летучие мыши используют эхолокацию для обнаружения добычи и избегания препятствий.

Локализация времени прибытия

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

Сейсмические исследования

Трехмерное эхолотное изображение каньона на дне Красного моря, полученное исследовательским судном HMS Enterprise.

Сейсмические исследования включают в себя генерацию звуковых волн для измерения подземных структур. Источниковые волны обычно создаются ударными механизмами, расположенными вблизи поверхности земли или воды, обычно падающими грузами, вибросейсмическими тележками или взрывчатыми веществами. Данные собираются с помощью геофонов, затем сохраняются и обрабатываются компьютером. Современные технологии позволяют создавать 3D-изображения подземных скальных структур с использованием такого оборудования.

Другой

Поскольку стоимость соответствующих датчиков и электроники снижается, использование технологии звуковой локации становится доступным для других целей, например, для обнаружения диких животных. ^[18]

Смотрите также

• Акустическая камера
• 3D реконструкция звука
• 3D локализация звука
• Локализация звука
• Бумеранг
• Мультилатерация
• Акустическое зеркало
• Акустическая ориентация , практика использования слуховых сигналов и звуковых маркеров для навигации в помещениях и на открытом воздухе.
• Эхолокация у 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 гидролокации.
• Локатор стрельбы
• Человеческая эхолокация , использование эхолокации слепыми людьми
• Человеческий прилов
• Медицинская ультрасонография , использование ультразвуковых эхограмм для исследования внутренних органов.
• Сенсорная замена

Ссылки

1. Как далеко находится эта немецкая пушка? Как 63 немецких пушки были обнаружены только по звуковым волнам за один день , Popular Science month, декабрь 1918 г., стр. 39, отсканировано Google Books: https://books.google.com/books?id=EikDAAAAMBAJ&pg=PA39 ^{[ постоянная нерабочая ссылка ]}
2. "Избранные проекты". Greenridge Sciences Inc. Получено 16.05.2006 .
3. Лоррейн Грин Мазеролл и др. (декабрь 1999 г.). «Проблемы случайной стрельбы и системы обнаружения выстрелов» (PDF) . Краткий обзор исследований Национального института юстиции .
4. "Локализация акустического источника на основе анализа независимых компонентов". LMS. Архивировано из оригинала 2018-01-08 . Получено 2018-01-07 .
5. DiBiase, JH (2000). Высокоточный метод с малой задержкой для локализации говорящего в реверберирующих средах с использованием микрофонных решеток (PDF) (Ph.D.). Brown Univ.
6. Кобос, М.; Марти, А.; Лопес, Дж. Дж. (2011). «Модифицированный функционал SRP-PHAT для надежной локализации источника звука в реальном времени с масштабируемой пространственной выборкой». IEEE Signal Processing Letters . 18 (1): 71–74. Bibcode : 2011ISPL...18...71C. doi : 10.1109/LSP.2010.2091502. hdl : 10251/55953 . S2CID  18207534.
7. Кристиан Йоханссан и др. «Отслеживание подводных лодок с использованием слияния нескольких датчиков и реактивного планирования для позиционирования пассивных гидроакустических буев» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2009-03-27 . Получено 2006-05-16 .
8. W.Richmond (2003). "Before RADAR – Acoustic Detection of Aircraft". Архивировано из оригинала 2007-09-28 . Получено 2013-01-06 .
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 2011-01-12 . Получено 2006-06-01 .
12. Джим Маллиган. "Фото звукового локатора". Архивировано из оригинала 2006-10-02 . Получено 2006-05-15 .
13. История акустики воздуха в музее Ваальсдорпа
14. Фил Хайд (январь 2002). "Звуковые зеркала на южном побережье". Архивировано из оригинала 2009-05-02 . Получено 2006-05-13 .
15. Эндрю Грэнтем (8 ноября 2005 г.). «Звуковые зеркала раннего оповещения».
16. Ли Бриммикомб Вудс (7 декабря 2005 г.). «The Burning Blue: The Battle of Britain 1940» (PDF) . GMT Games LLC.
17. Чан, YT; Цуй, WY; Со, HC; Чинг, PC (2006). «Локализация на основе времени прибытия в условиях NLOS». IEEE Trans. Транспортные технологии . 55 (1): 17–24. doi :10.1109/TVT.2005.861207. ISSN  0018-9545. S2CID  6697621.
18. Джон Л. Списбергер (июнь 2001 г.). «Гиперболические ошибки определения местоположения из-за недостаточного количества приемников». Журнал Акустического общества Америки . 109 (6): 3076–3079. Bibcode : 2001ASAJ..109.3076S. doi : 10.1121/1.1373442. PMID  11425152.

Внешние ссылки

• «Огромное ухо обнаруживает самолеты и определяет их скорость». Popular Mechanics, статья за декабрь 1930 г. о французском детекторе звука самолетов с фотографией.
• Множество ссылок можно найти в разделе «Ссылки по формированию луча».
• Эмпирическое исследование совместной локализации акустического источника