Акустическая локация - Acoustic location

Эта статья посвящена локализации звука механическими или электрическими средствами. Для биологического процесса см. звуковая локализация.

Шведский солдаты с акустическим локатором в 1940 году

Акустическая локация использование звук для определения расстояния и направления его источника или отражателя. Определение местоположения может осуществляться активно или пассивно и может происходить в газах (например, в атмосфере), жидкостях (например, в воде) и в твердых телах (например, в земле).

• Активный Акустическая локация включает создание звука для создания эха, которое затем анализируется для определения местоположения рассматриваемого объекта.
• Пассивный Акустическая локация включает в себя обнаружение звука или вибрации, создаваемых обнаруживаемым объектом, которые затем анализируются для определения местоположения рассматриваемого объекта.

Оба эти метода при использовании в воде известны как сонар; как пассивный, так и активный гидролокаторы широко используются.

Акустические зеркала и посуда при использовании микрофонов являются средством пассивной акустической локализации, а при использовании динамиков - средством активной локализации. Обычно используется более одного устройства, и затем местоположение этих нескольких устройств триангулируется.

Как военный ПВО инструмент, пассивная акустическая локация использовалась с середины Первой мировой войны^[1] в первые годы Второй мировой войны обнаруживать вражеские самолеты по шуму их двигателей. Он был устаревшим до и во время Второй мировой войны с появлением радар, что было гораздо более эффективным (но перехватываемым). Акустические методы имели то преимущество, что они могли "видеть" за углами и холмами благодаря звуку. дифракция.

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

Обзор

Локализация источника звука^[4] это задача поиска звук источник данных 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 полярный узор описывая 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 другой диаграммой направленности, которые более чувствительны в определенном направлении. Однако это все еще не решение проблемы локализации звука, так как каждый пытается определить либо точное направление, либо точку происхождения. Помимо микрофонов, измеряющих звуковое давление, также можно использовать зонд скорости частиц измерить акустический скорость частицы прямо. Скорость частицы - еще одна величина, связанная с акустические волны однако, в отличие от звукового давления, скорость частиц вектор. Измеряя скорость частицы, можно напрямую получить направление источника. Также возможны другие более сложные методы с использованием нескольких датчиков. Многие из этих методов используют разница во времени прибытия (TDOA) техника.

Некоторые назвали акустический локализация источника "обратная задача "в том, что измеренное звуковое поле переводится в положение источника звука.

Методы

Возможны различные методы определения направления или местоположения источника.

Вектор скорости или интенсивности частиц

Самый простой, но все же относительно новый метод - это измерение скорости акустической частицы с помощью зонд скорости частиц. Скорость частицы равна вектор и, таким образом, также содержит информацию о направлении.

Разница во времени прибытия

Традиционный метод получения направления источника - использование метода разницы во времени прибытия (TDOA). Этот метод может использоваться с микрофонами давления, а также с датчиками скорости частиц.

С массивом датчиков (например, микрофонная решетка ) состоящий как минимум из двух зондов, можно получить направление источника, используя взаимная корреляция функция между сигналами каждого зонда. В взаимная корреляция функция между двумя микрофонами определяется как

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

что определяет уровень корреляция между выходами двух датчиков ${displaystyle x_{1}}$ и ${displaystyle x_{2}}$. В целом более высокий уровень корреляции означает, что аргумент ${displaystyle au }$ относительно близко к реальному разница во времени прибытия. Для двух датчиков рядом друг с другом TDOA определяется как

${displaystyle au _{ ext{true}}={frac {d_{ ext{spacing}}}{c}}}$

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

Хорошо известным примером TDOA является межуральная разница во времени. Межуральная разница во времени - это разница во времени прихода звука между двумя ушами. Межуральная разница во времени определяется выражением

${displaystyle Delta t={frac {xcos heta }{c}}}$

где

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

${displaystyle x}$ расстояние между двумя датчиками (ушками) в метрах,

${displaystyle heta }$ - угол между базовой линией датчиков (ушей) и падающим звуком в градусах.

Триангуляция

Основная статья: Триангуляция

В тригонометрия и геометрия, триангуляция - это процесс определения местоположения точки путем измерения углы к ней от известных точек на любом конце фиксированной базовой линии, вместо того, чтобы измерять расстояния 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 в пространстве, его местоположение можно определить триангуляцией.

Косвенные методы

Основная статья: Косвенный метод

Методы управляемой мощности отклика (SRP) - это класс методов косвенной локализации акустических источников. Вместо оценки набора разницы во времени прибытия (TDOA) между парами микрофонов и объединения полученных оценок для поиска местоположения источника косвенные методы ищут местоположение кандидата-источника по сетке пространственных точек. В этом контексте такие методы, как Преобразование фазы мощности с управляемым откликом (SRP-PHAT)^[5] обычно интерпретируются как поиск возможного местоположения, которое максимизирует выход формирователя диаграммы направленности с задержкой и суммированием. Было показано, что метод очень устойчив к шуму и реверберации, что послужило стимулом для разработки модифицированных подходов, направленных на повышение его производительности в приложениях для обработки акустических сигналов в реальном времени.^[6]

Военное использование

Смотрите также: Звуковая дальность артиллерии

Звуковой локатор Т3 1927 г.

ПредварительноВторая Мировая Война фотография японца Император Сёва (Хирохито) осмотр военных акустических локаторов, установленных на четырехколесных вагонах

Военное использование включало обнаружение подводных лодок.^[7] и самолет.^[8] Первое использование этого типа оборудования было заявлено командиром. Альфред Роулинсон из Королевский военно-морской добровольческий резерв, который осенью 1916 года командовал мобильной зенитной батареей на восточном побережье Англии. Ему нужно было найти Цеппелины в пасмурную погоду и самодельный аппарат из пары граммофон рожки, установленные на вращающейся опоре. Некоторые из этих устройств могли довольно точно определять приближающиеся дирижабли, позволяя наводить на них орудия, несмотря на то, что они находились вне поля зрения.^[9] Хотя этим методом не было получено никаких попаданий, Роулинсон утверждал, что однажды заставил Цеппелин сбросить свои бомбы.^[10]

Инструменты противовоздушной обороны обычно состояли из больших рожков или микрофонов, подключенных к ушам оператора с помощью трубок, очень похожих на очень большие 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 стетоскопического типа, которые носили два техника слева и справа. Стереонаушники позволяли одному технику определять направление, а другому - высоту самолета.

Большая часть работ по зенитной локации была проделана англичанами. Они создали обширную сеть звуковые зеркала которые использовались от Первой мировой войны до Второй мировой войны.^[13][14] Звуковые зеркала обычно работают с использованием подвижных микрофонов, чтобы найти угол, который максимизирует амплитуду принимаемого звука, который также является углом пеленга к цели. Два звуковых зеркала в разных положениях будут генерировать два разных подшипника, что позволяет использовать триангуляция для определения положения источника звука.

По мере приближения Второй мировой войны радар стал надежной альтернативой звуковой локации самолетов. Для типичных скоростей самолетов того времени звуковое местоположение предупредило всего несколько минут.^[8] Станции акустической локации были оставлены в работе в качестве резервных для радаров, как это было продемонстрировано во время Битва за Британию.^[15] Сегодня заброшенные места все еще существуют и легко доступны.^{[13][мертвая ссылка ]}

После Второй мировой войны звуковая дальность перестала играть роль в зенитных операциях.^{[нужна цитата ]}

Активные / пассивные локаторы

У активных локаторов есть какое-то устройство генерации сигналов в дополнение к устройству прослушивания. Два устройства не обязательно размещать вместе.

Сонар

SONAR или сонар (звуковая навигация и определение расстояния) - это метод, использующий распространение звука под водой (или иногда в воздухе) для навигации, связи или обнаружения других судов. Есть два вида гидролокаторов - активные и пассивные. Один активный гидролокатор может определять дальность и азимут, а также измерять радиальную скорость. Однако одиночный пассивный гидролокатор может определять местоположение только по пеленгу напрямую, хотя Анализ движения цели может использоваться для локализации в пределах заданного времени. Несколько пассивных сонаров могут использоваться для определения местоположения дальности напрямую путем триангуляции или корреляции.

Местоположение биологического эхо

Дельфины, киты и летучие мыши использовать эхолокация для обнаружения добычи и обхода препятствий.

Локализация времени прибытия

Наличие спикеров /ультразвуковой передатчики, излучающие звук в известных положениях и времени, положение цели, оснащенной микрофоном / ультразвуковым приемником, может быть оценено на основе время прибытия звука. Точность обычно низкая при вне прямой видимости условия, при которых есть засорения между передатчиками и приемниками.^[16]

Сейсмические исследования

Трехмерное эхолотное изображение каньона под красное море на исследовательском судне HMS Enterprise

Сейсмические исследования включают генерацию звуковых волн для измерения подземных сооружений. Волны источника обычно создаются ударными механизмами, расположенными у земли или воды, обычно падающими грузами, вибросейс грузовики или взрывчатые вещества. Данные собираются геофонами, затем сохраняются и обрабатываются компьютером. Современные технологии позволяют с помощью такого оборудования создавать трехмерные изображения подземных горных структур.

Смотрите также: Отражательная сейсмология

Другой

Поскольку стоимость соответствующих датчиков и электроники снижается, технология определения дальности звука становится доступной для других целей, например, для определения местонахождения дикой природы.^[17]

Смотрите также

• Акустическая камера
• Реконструкция 3D звука
• Звуковая локализация
• Бумеранг
• Мультилатерация
• Акустическое зеркало
• Акустическая навигация, практика использования слуховых сигналов и звуковых маркеров для навигации в помещениях и на открытом воздухе
• Эхолокация животных, животные, издающие звук и слушающие эхо, чтобы находить объекты или перемещаться
• Эхо, слушая эхо звуковых импульсов для измерения расстояния до морского дна, частный случай гидролокатора
• Локатор стрельбы
• Эхолокация человека, использование эхолокации слепыми
• Прилов человека
• Медицинское УЗИ, использование ультразвукового эхосигнала, чтобы заглянуть внутрь тела
• Сенсорная замена

использованная литература

1. Как далеко это немецкое ружье? Как 63 немецких орудия были обнаружены только по звуковым волнам за один день, Популярная наука ежемесячно, декабрь 1918 г., стр. 39, сканировано Google Книгами: https://books.google.com/books?id=EikDAAAAMBAJ&pg=PA39^{[постоянная мертвая ссылка ]}
2. «Избранные проекты». Greenridge Sciences Inc. Получено 2006-05-16.
3. Лоррейн Грин Мазероль; и другие. (Декабрь 1999 г.). «Случайные проблемы стрельбы и системы обнаружения выстрелов» (PDF). Краткий обзор исследований Национального института правосудия.
4. «Локализация источника звука на основе независимого компонентного анализа». LMS.
5. ДиБиасе, Дж. Х. (2000). Техника высокой точности и малой задержки для локализации говорящего в реверберационной среде с использованием массивов микрофонов (PDF) (Кандидат наук.). Brown Univ.
6. Cobos, M .; Марти, А .; Лопес, Дж. Дж. (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. Bibcode: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 объединения и реактивного планирования для позиционирования пассивных гидроакустических буев» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-03-27. Получено 2006-05-16.
8. В. Ричмонд (2003). «До РАДАРА - Акустическое обнаружение самолетов». Архивировано из оригинал на 2007-09-28. Получено 2013-01-06.
9. Роулинсон, Альфред (1923), Роулинсон, Защита Лондона, Эндрю Мелроуз, Лондон и Нью-Йорк, стр. 110–114. В архиве 5 мая 2016 г. Wayback Machine
10. Роулинсон, стр. 118–119.
11. Дуглас Селф. «Акустическая локация и звуковые зеркала». Архивировано из оригинал на 2011-01-12. Получено 2006-06-01.
12. Джим Маллиган. «Фото звукового локатора». Получено 2006-05-15.
13. Фил Хайд (январь 2002 г.). «Звуковые зеркала на Южном побережье». Архивировано из оригинал на 2009-05-02. Получено 2006-05-13.
14. Эндрю Грэнтэм (8 ноября 2005 г.). «Зеркала раннего предупреждения».
15. Ли Бриммикомб Вудс (7 декабря 2005 г.). "Пылающая синь: Битва за Британию 1940" (PDF). GMT Games LLC.
16. Чан, Ю.Т; Tsui, W. Y .; Итак, H.C .; Чинг, П. С. (2006). «Локализация на основе времени прибытия в условиях NLOS». IEEE Trans. Автомобильная техника. 55 (1): 17–24. Дои:10.1109 / TVT.2005.861207. ISSN  0018-9545. S2CID  6697621.
17. Джон Л. Списбергер (июнь 2001 г.). «Гиперболические ошибки местоположения из-за недостаточного количества приемников». Журнал акустического общества Америки. 109 (6): 3076–3079. Bibcode:2001ASAJ..109.3076S. Дои:10.1121/1.1373442. PMID  11425152.

внешние ссылки

• «Огромное ухо определяет местонахождение самолетов и сообщает их скорость» Популярная механика, Декабрь 1930 г. статья о детекторе звука французского самолета с фото.
• Многие ссылки можно найти в Ссылки на формирование луча
• Эмпирическое исследование совместной локализации источника звука