Akustische Lage - Acoustic location

Schwedische Soldaten, die 1940 einen akustischen Ortungsgerät betrieben

Akustischer Ort ist die Verwendung von Schall , um den Abstand und die Richtung seiner Quelle oder seines Reflektors zu bestimmen. Die Lokalisierung kann aktiv oder passiv erfolgen und in Gasen (wie der Atmosphäre), Flüssigkeiten (wie Wasser) und Feststoffen (wie in der Erde) erfolgen.

• Bei der aktiven akustischen Lokalisierung wird Schall erzeugt, um ein Echo zu erzeugen, das dann analysiert wird, um die Position des betreffenden Objekts zu bestimmen.
• Bei der passiven akustischen Lokalisierung werden Geräusche oder Vibrationen erfasst, die von dem zu erfassenden Objekt erzeugt werden. Diese werden dann analysiert, um den Standort des betreffenden Objekts zu bestimmen.

Beide Techniken werden, wenn sie in Wasser verwendet werden, als Sonar bezeichnet . passives Sonar und aktives Sonar sind weit verbreitet.

Akustische Spiegel und Geschirr sind bei Verwendung von Mikrofonen ein Mittel zur passiven akustischen Lokalisierung, bei Verwendung von Lautsprechern jedoch ein Mittel zur aktiven Lokalisierung. In der Regel wird mehr als ein Gerät verwendet, und der Standort wird dann zwischen den verschiedenen Geräten trianguliert.

Als militärisches Luftverteidigungsinstrument wurde die passive akustische Ortung von der Mitte des Ersten Weltkriegs bis in die frühen Jahre des Zweiten Weltkriegs verwendet, um feindliche Flugzeuge zu erkennen, indem das Geräusch ihrer Triebwerke aufgenommen wurde. Es wurde vor und während des Zweiten Weltkriegs durch die Einführung von Radar überholt , das weitaus effektiver (aber abfangbar) war. Akustische Techniken hatten den Vorteil , dass sie können ‚sehen‘ , um Ecken und über Hügel, durch Schallbeugung .

Die zivilen Anwendungen umfassen das Auffinden von Wildtieren und das Auffinden der Schussposition einer Schusswaffe.

Überblick

Die Lokalisierung von Schallquellen ist die Aufgabe, eine Schallquelle bei Messungen des Schallfelds zu lokalisieren . Das Schallfeld kann mit physikalischen Größen wie Schalldruck und Partikelgeschwindigkeit beschrieben werden. Durch Messung dieser Eigenschaften ist es (indirekt) möglich, eine Quellenrichtung zu erhalten.

Traditionell wird der Schalldruck mit Mikrofonen gemessen. Mikrofone haben ein polares Muster , das ihre Empfindlichkeit als Funktion der Richtung des einfallenden Schalls beschreibt. Viele Mikrofone haben ein omnidirektionales Richtcharakteristikmuster, was bedeutet, dass ihre Empfindlichkeit unabhängig von der Richtung des einfallenden Schalls ist. Es gibt Mikrofone mit anderen Richtcharakteristiken, die in einer bestimmten Richtung empfindlicher sind. Dies ist jedoch immer noch keine Lösung für das Problem der Schalllokalisierung, da versucht wird, entweder eine genaue Richtung oder einen Ursprungspunkt zu bestimmen. Neben der Berücksichtigung von Mikrofonen, die den Schalldruck messen, ist es auch möglich, eine Partikelgeschwindigkeitssonde zu verwenden, um die akustische Partikelgeschwindigkeit direkt zu messen . Die Teilchengeschwindigkeit ist eine andere Größe, die sich auf Schallwellen bezieht. Im Gegensatz zum Schalldruck ist die Teilchengeschwindigkeit jedoch ein Vektor . Durch Messen der Teilchengeschwindigkeit erhält man direkt eine Quellenrichtung. Andere kompliziertere Methoden mit mehreren Sensoren sind ebenfalls möglich. Viele dieser Methoden verwenden die TDOA-Technik ( Time Difference of Arrival).

Einige haben genannt akustische Quellenlokalisierung ein „ inverses Problem “, dass das gemessene Schallfeld in die Position der Schallquelle übersetzt.

Methoden

Verschiedene Methoden zum Erhalten der Quellrichtung oder des Quellorts sind möglich.

Partikelgeschwindigkeit oder Intensitätsvektor

Die einfachste, aber noch relativ neue Methode besteht darin, die akustische Partikelgeschwindigkeit mit einer Partikelgeschwindigkeitssonde zu messen . Die Teilchengeschwindigkeit ist ein Vektor und enthält somit auch Richtungsinformationen.

Zeitunterschied der Ankunft

Die traditionelle Methode zum Erhalten der Quellrichtung verwendet die TDOA-Methode (Time Difference of Arrival). Diese Methode kann sowohl mit Druckmikrofonen als auch mit Partikelgeschwindigkeitssonden verwendet werden.

Mit einem Sensorarray (zum Beispiel einem Mikrofonarray ), das aus mindestens zwei Sonden besteht, ist es möglich, die Quellenrichtung unter Verwendung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem Signal jeder Sonde zu erhalten. Die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen zwei Mikrofonen ist definiert als

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

Dies definiert den Grad der Korrelation zwischen den Ausgängen von zwei Sensoren und . Im Allgemeinen bedeutet ein höheres Korrelationsniveau, dass das Argument relativ nahe an der tatsächlichen Zeitdifferenz der Ankunft liegt . Für zwei Sensoren nebeneinander ist der TDOA gegeben durch ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle \ tau}$

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

Wo ist die Schallgeschwindigkeit in dem Medium, das die Sensoren und die Quelle umgibt? ${\ displaystyle c}$

Ein bekanntes Beispiel für TDOA ist der interaurale Zeitunterschied . Der interaurale Zeitunterschied ist der Unterschied in der Ankunftszeit eines Tons zwischen zwei Ohren. Die interaurale Zeitdifferenz ist gegeben durch

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

wo

${\ displaystyle \ Delta t}$ ist der Zeitunterschied in Sekunden,

${\ displaystyle x}$ ist der Abstand zwischen den beiden Sensoren (Ohren) in Metern,

${\ displaystyle \ theta}$ ist der Winkel zwischen der Grundlinie der Sensoren (Ohren) und dem einfallenden Schall in Grad.

Triangulation

In der Trigonometrie und Geometrie ist Triangulation der Prozess der Bestimmung der Position eines Punktes durch Messen von Winkeln zu bekannten Punkten an bekannten Enden an beiden Enden einer festen Grundlinie, anstatt Entfernungen zum Punkt direkt zu messen ( Trilateration ). Der Punkt kann dann als dritter Punkt eines Dreiecks mit einer bekannten Seite und zwei bekannten Winkeln festgelegt werden.

Für die akustische Lokalisierung bedeutet dies, dass es möglich ist, ihre Position zu triangulieren, wenn die Quellenrichtung an zwei oder mehr Stellen im Raum gemessen wird.

Indirekte Methoden

SRP-Methoden (Steered Response Power) sind eine Klasse von Lokalisierungsmethoden für indirekte Schallquellen. Anstatt eine Reihe von Zeitunterschieden der Ankunft (TDOAs) zwischen Mikrofonpaaren zu schätzen und die erfassten Schätzungen zu kombinieren, um den Quellort zu finden, suchen indirekte Methoden über einen Raster von räumlichen Punkten nach einem Kandidatenquellort. In diesem Zusammenhang werden Methoden wie die Steered-Response-Leistungsphasentransformation (SRP-PHAT) normalerweise so interpretiert, dass sie den Kandidatenort finden, der die Leistung eines Verzögerungs- und Summenstrahlformers maximiert. Es hat sich gezeigt, dass das Verfahren sehr robust gegenüber Rauschen und Nachhall ist, was die Entwicklung modifizierter Ansätze zur Steigerung seiner Leistung in akustischen Echtzeitverarbeitungsanwendungen motiviert.

Militärische Verwendung

T3 Sound Locator 1927

Vor dem Zweiten Weltkrieg Fotografie des japanischen Kaiser Shōwa (Hirohito) Inspektion militärischen akustischen Locators montiert auf 4-Rad - Wagen

Zu den militärischen Einsätzen gehörte das Auffinden von U-Booten und Flugzeugen. Die erste Verwendung dieser Art von Ausrüstung wurde von Commander Alfred Rawlinson vom Royal Naval Volunteer Reserve in Anspruch genommen , der im Herbst 1916 eine mobile Flugabwehrbatterie an der Ostküste Englands befehligte. Er brauchte ein Mittel, um Zeppeline bei bewölkten Bedingungen zu lokalisieren , und improvisierte einen Apparat aus einem Paar Grammophonhörnern, die auf einer rotierenden Stange montiert waren. Einige dieser Ausrüstungen waren in der Lage, die sich nähernden Luftschiffe ziemlich genau zu reparieren, so dass die Kanonen auf sie gerichtet werden konnten, obwohl sie außer Sicht waren. Obwohl mit dieser Methode keine Treffer erzielt wurden, behauptete Rawlinson, einen Zeppelin einmal gezwungen zu haben, seine Bomben abzuwerfen.

Die Luftverteidigungsinstrumente bestanden normalerweise aus großen Hörnern oder Mikrofonen, die mit Schläuchen an die Ohren des Bedieners angeschlossen waren, ähnlich wie bei einem sehr großen Stethoskop .

Sound Location Equipment in Deutschland, 1939. Es besteht aus vier akustischen Hörnern, einem horizontalen und einem vertikalen Paar, die über Gummischläuche mit Kopfhörern vom Stethoskop-Typ verbunden sind, die von den beiden Technikern links und rechts getragen werden. Mit den Stereo-Kopfhörern konnte ein Techniker die Richtung und der andere die Höhe des Flugzeugs bestimmen.

Die meisten Arbeiten zur Flugabwehr wurden von den Briten durchgeführt. Sie entwickelten ein umfangreiches Netzwerk von Schallspiegeln , die vom Ersten bis zum Zweiten Weltkrieg eingesetzt wurden. Schallspiegel arbeiten normalerweise mit beweglichen Mikrofonen, um den Winkel zu ermitteln, der die Amplitude des empfangenen Schalls maximiert. Dies ist auch der Peilwinkel zum Ziel. Zwei Schallspiegel an unterschiedlichen Positionen erzeugen zwei unterschiedliche Peilungen, wodurch die Position einer Schallquelle mithilfe der Triangulation bestimmt werden kann.

Als der Zweite Weltkrieg näher rückte, wurde Radar zu einer glaubwürdigen Alternative zum Schallort von Flugzeugen. Bei typischen Flugzeuggeschwindigkeiten dieser Zeit warnte der Schallort nur wenige Minuten. Die akustischen Ortungsstationen wurden als Radarunterstützung in Betrieb gelassen, wie dies während der Luftschlacht um England veranschaulicht wurde . Die verlassenen Standorte existieren noch heute und sind leicht zugänglich.

Nach dem Zweiten Weltkrieg spielte die Schallentfernung im Flugabwehrbetrieb keine weitere Rolle mehr.

Aktiv / Passiv-Locators

Aktive Locators verfügen zusätzlich zu einem Abhörgerät über eine Art Signalerzeugungsgerät. Die beiden Geräte müssen nicht zusammen angeordnet sein.

Sonar

SONAR oder Sonar (Schallnavigation und -entfernung) ist eine Technik, bei der die Schallausbreitung unter Wasser (oder gelegentlich in der Luft) zum Navigieren, Kommunizieren oder Erkennen anderer Schiffe verwendet wird. Es gibt zwei Arten von Sonar - aktiv und passiv. Ein einzelnes aktives Sonar kann sowohl Reichweite und Peilung lokalisieren als auch die Radialgeschwindigkeit messen. Ein einzelnes passives Sonar kann jedoch nur direkt in der Peilung lokalisiert werden, obwohl die Zielbewegungsanalyse verwendet werden kann, um die Reichweite zu gegebener Zeit zu lokalisieren. Mehrere passive Sonare können zur direkten Lokalisierung des Bereichs durch Triangulation oder Korrelation verwendet werden.

Biologischer Echoort

Delfine , Wale und Fledermäuse verwenden die Echolokalisierung , um Beute zu erkennen und Hindernissen auszuweichen.

Lokalisierung der Ankunftszeit

Wenn Lautsprecher / Ultraschallsender an bekannten Positionen und zu bekannter Zeit Schall aussenden, kann die Position eines Ziels, das mit einem Mikrofon / Ultraschallempfänger ausgestattet ist, basierend auf der Ankunftszeit des Schalls geschätzt werden . Die Genauigkeit ist normalerweise unter Bedingungen ohne Sichtverbindung schlecht , wenn zwischen den Sendern und den Empfängern Blockaden bestehen.

Seismische Untersuchungen

Eine dreidimensionale echo-klingende Darstellung einer Schlucht unter dem Roten Meer durch das Vermessungsschiff HMS Enterprise

Bei seismischen Untersuchungen werden Schallwellen erzeugt, um unterirdische Strukturen zu messen. Quellwellen werden im Allgemeinen durch Schlagmechanismen erzeugt, die sich in Boden- oder Wasseroberfläche befinden, typischerweise durch fallende Gewichte, Vibroseis- Lastwagen oder Sprengstoffe. Daten werden mit Geophonen gesammelt, dann gespeichert und vom Computer verarbeitet. Die derzeitige Technologie ermöglicht die Erzeugung von 3D-Bildern von unterirdischen Gesteinsstrukturen mit solchen Geräten.

Andere

Da die Kosten für die zugehörigen Sensoren und die Elektronik sinken, wird der Einsatz von Schallentfernungstechnologie für andere Zwecke zugänglich, beispielsweise zum Auffinden von Wildtieren.

Siehe auch

• Akustische Kamera
• 3D-Klangrekonstruktion
• 3D-Soundlokalisierung
• Soundlokalisierung
• Boomerang
• Multilateration
• Akustischer Spiegel
• Akustische Wegfindung , die Praxis der Verwendung von akustischen Hinweisen und Klangmarkierungen zur Navigation in Innen- und Außenräumen
• Echolokalisierung von Tieren, Tiere, die Geräusche abgeben und auf das Echo hören, um Objekte zu lokalisieren oder zu navigieren
• Echo ertönt und lauscht dem Echo von Schallimpulsen, um die Entfernung zum Meeresboden zu messen, ein Sonderfall von Sonar
• Gunfire Locator
• Menschliche Echoortung , Verwendung der Echoortung durch Blinde
• Menschlicher Beifang
• Medizinische Sonographie, die Verwendung von Ultraschallechos, um in den Körper zu schauen
• Sensorische Substitution

Verweise

Externe Links

• "Riesiges Ohr lokalisiert Flugzeuge und sagt ihre Geschwindigkeit" Popular Mechanics , Artikel vom Dezember 1930 über einen französischen Flugzeugschalldetektor mit Foto.
• Viele Referenzen finden Sie unter Beamforming-Referenzen
• Eine empirische Studie zur kollaborativen Lokalisierung akustischer Quellen