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:
Оба эти метода, используемые 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] .
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.
Возможны различные методы определения направления или местоположения источника.
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
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
где - скорость звука в среде, окружающей датчики и источник.
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
где
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.
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]
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]
Средства 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]
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 предоставляли информацию, чтобы указать 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 локаторы имеют некое устройство генерации сигнала, в дополнение к прослушивающему устройству. Эти два устройства не обязательно должны быть расположены вместе.
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.
Дельфины , киты и летучие мыши используют эхолокацию для обнаружения добычи и избегания препятствий.
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 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.
Поскольку стоимость соответствующих датчиков и электроники снижается, использование технологии звуковой локации становится доступным для других целей, например, для обнаружения диких животных. [18]
