Введение

Использование отраженных звуковых волн для определения местоположения объектов. Локализация звука механическими или электрическими средствами.

Акустическая локация – это метод определения положения объекта или источника звука с помощью звуковых волн. Локация может осуществляться в газах (например, в атмосфере), жидкостях (например, в воде) и в твердых телах (например, в земле). Локация может быть активной или пассивной:

Активная акустическая локация предполагает создание звука для получения эхосигнала, который затем анализируется для определения местоположения объекта. Пассивная акустическая локация предполагает обнаружение звука или вибрации, издаваемой определяемым объектом, с последующим анализом для определения его местоположения. Оба этих метода, применяемые в воде, известны как гидролокация (сонар); широко используются как пассивный, так и активный гидролокатор. Акустические зеркала и параболические антенны, при использовании с микрофонами, служат средством пассивной акустической локации, а при использовании с динамиками – средством активной локации. Как правило, используется несколько устройств, и местоположение определяется путем триангуляции между ними. В качестве средства военной противовоздушной обороны пассивная акустическая локация применялась с середины Первой мировой войны до начала Второй мировой войны для обнаружения вражеских самолетов по шуму их двигателей. Она устарела до и во время Второй мировой войны с появлением радиолокации, которая была гораздо эффективнее (но могла быть перехвачена). Акустические методы имели преимущество в том, что могли "видеть" за препятствиями и через возвышенности благодаря дифракции звука. В гражданских целях акустическая локация используется для определения местоположения диких животных и обнаружения позиции стреляющего огнестрельного оружия.

Резюме

Локализация акустического источника – это задача определения местоположения источника звука на основе измерений звукового поля. Звуковое поле можно описать физическими величинами, такими как звуковое давление и скорость частиц. Измеряя эти свойства, можно (косвенно) получить направление на источник. Традиционно звуковое давление измеряется с помощью микрофонов. Микрофоны характеризуются диаграммой направленности, описывающей 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 другими диаграммами направленности, которые более чувствительны в определенном направлении. Однако это все еще не решает проблему локализации звука, поскольку требуется определить либо точное направление, либо точку источника. Помимо использования микрофонов для измерения звукового давления, можно также использовать датчик скорости частиц для непосредственного измерения скорости акустических частиц. Скорость частиц – это еще одна величина, связанная с акустическими волнами, но, в отличие от звукового давления, скорость частиц является векторной величиной. Измеряя скорость частиц, можно напрямую определить направление на источник. Возможны и другие, более сложные методы, использующие несколько датчиков. Многие из этих методов основаны на технике разности времени прихода (TDOA). Некоторые называют локализацию акустического источника «обратной задачей», поскольку измеренное звуковое поле преобразуется в положение источника звука.

Методы

Различные методы определения направления на источник или его местоположения возможны.

Триангуляция

В тригонометрии и геометрии триангуляция — это процесс определения местоположения точки путем измерения углов к ней из известных точек на концах фиксированной базовой линии, а не измерения расстояний до этой точки напрямую (трилатерация). Затем точка может быть определена как третья вершина треугольника с одной известной стороной и двумя известными углами. Для акустической локации это означает, что если направление на источник звука измеряется в двух или более точках в пространстве, можно определить его местоположение методом триангуляции.

Косвенные методы

Методы направленной мощности отклика (SRP) представляют собой класс косвенных методов локализации акустических источников. Вместо оценки набора разностей времен прихода (TDOA) между парами микрофонов и объединения полученных оценок для определения местоположения источника, косвенные методы осуществляют поиск местоположения источника-кандидата по сетке пространственных точек. В этом контексте методы, такие как направленная мощность отклика с фазовой трансформацией (SRP PHAT), обычно интерпретируются как поиск местоположения-кандидата, максимизирующего выход формирователя луча с задержкой и суммированием. Метод продемонстрировал высокую устойчивость к шуму и реверберации, что послужило стимулом для разработки модифицированных подходов, направленных на повышение его эффективности в приложениях акустической обработки в реальном времени.

Военное применение

Военное применение включало обнаружение подводных лодок и самолетов. Первым, кто заявил об использовании этого типа оборудования, был коммандер Альфред Роулинсон из Королевского военно-морского резерва добровольцев, который осенью 1916 года командовал мобильной зенитной батареей на восточном побережье Англии. Ему требовалось средство обнаружения цеппелинов в облачную погоду, и он соорудил аппарат из пары рупоров граммофона, установленных на вращающемся шесте. Несколько таких устройств могли достаточно точно определять местоположение приближающихся дирижаблей, позволяя наводить на них орудия, даже если они находились вне поля зрения. Хотя этим методом не было нанесено ни одного попадания, Роулинсон утверждал, что однажды заставил цеппелин сбросить бомбы. Приборы ПВО обычно состояли из больших рупоров или микрофонов, подключенных к ушам операторов трубками, напоминая очень большой стетоскоп. В конце 1920-х годов оперативное сравнение нескольких крупных акустических устройств обнаружения из разных стран, проведенное в Нидерландах в Meetgebouw, выявило недостатки. Фундаментальные исследования показали, что возможности человеческого уха были недооценены в 20-е и 30-е годы. Были разработаны новые устройства прослушивания, более плотно прилегающие к ушам и обеспечивающие герметичное соединение. Кроме того, механические устройства прогнозирования, учитывая медленную скорость звука по сравнению с более быстрыми самолетами, и поправки на высоту предоставляли информацию для наведения операторов прожекторов и зенитных артиллеристов на траекторию полета обнаруженного самолета. Прожекторы и орудия должны были располагаться на расстоянии от устройства прослушивания. Поэтому были разработаны электрические указатели направления. Большая часть работы по акустической локации зенитной артиллерии была выполнена британцами. Они создали обширную сеть звуковых зеркал, которые использовались с Первой мировой войны по Вторую мировую войну. Звуковые зеркала обычно работают, используя подвижные микрофоны для определения угла, при котором достигается максимальная амплитуда принимаемого звука, что соответствует азимуту на цель. Два звуковых зеркала, расположенные в разных точках, генерируют два разных азимута, что позволяет использовать триангуляцию для определения местоположения источника звука. К началу Второй мировой войны радар стал надежной альтернативой акустической локации самолетов. При типичных скоростях самолетов того времени акустическая локация давала лишь несколько минут предупреждения. Сегодня эти заброшенные объекты все еще существуют и легко доступны для посещения.

Сейсмические исследования

Сейсмические исследования включают в себя генерацию звуковых волн для изучения подземных структур. Источниковые волны обычно создаются ударными механизмами, расположенными вблизи земной или водной поверхности, такими как падающие грузы, вибросейсмические установки или взрывчатые вещества. Данные собираются геофонами, затем сохраняются и обрабатываются с помощью компьютера. Современные технологии позволяют получать трехмерные изображения подземных горных пород с использованием подобного оборудования.

Другое

Поскольку стоимость сопутствующих датчиков и электроники снижается, технология определения местоположения по звуку становится доступной для других применений, например, для отслеживания диких животных.