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Articulo de referencia

Localización acústica

Soldados suecos utilizando un localizador acústico en 1940. La localización acústica es un método para determinar la posición de un objeto o fuente sonora mediante ondas sonoras...

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Soldados suecos utilizando un localizador acústico en 1940.

La localización acústica es un método para determinar la posición de un objeto o fuente sonora mediante ondas sonoras . La localización puede realizarse en gases (como la atmósfera), líquidos (como el agua) y sólidos (como la tierra).

La localización se puede realizar de forma activa o pasiva:

  • La localización acústica activa implica la creación de sonido para producir un eco, que luego se analiza para determinar la ubicación del objeto en cuestión.
  • La localización acústica pasiva implica la detección del sonido o la vibración que produce el objeto que se está detectando, el cual se analiza para determinar la ubicación del objeto en cuestión.

Ambas técnicas, cuando se utilizan en el agua, se conocen como sonar ; tanto el sonar pasivo como el sonar activo son ampliamente utilizados.

Los espejos y antenas acústicas , al usar micrófonos, constituyen un método de localización acústica pasiva, mientras que al usar altavoces se convierten en un método de localización activa. Normalmente, se utiliza más de un dispositivo, y la ubicación se triangula entre ellos.

Como herramienta de defensa aérea militar , la localización acústica pasiva se utilizó desde mediados de la Primera Guerra Mundial [ 1 ] hasta los primeros años de la Segunda Guerra Mundial para detectar aeronaves enemigas captando el ruido de sus motores. Quedó obsoleta antes y durante la Segunda Guerra Mundial con la introducción del radar , que era mucho más eficaz (pero interceptable). Las técnicas acústicas tenían la ventaja de que podían "ver" alrededor de esquinas y por encima de colinas, debido a la difracción del sonido .

Entre los usos civiles se incluyen la localización de fauna silvestre [ 2 ] y la localización de la posición de disparo de un arma de fuego. [ 3 ]

Resumen

La localización de fuentes acústicas [ 4 ] consiste en ubicar una fuente sonora a partir de mediciones del campo sonoro. Este campo puede describirse mediante magnitudes físicas como la presión sonora y la velocidad de las partículas. Al medir estas propiedades, es posible obtener (indirectamente) la dirección de la fuente.

Tradicionalmente, la presión sonora se mide con micrófonos. Estos micrófonos poseen un patrón polar que describe su sensibilidad en función de la dirección del sonido incidente. Muchos micrófonos tienen un patrón polar omnidireccional, lo que significa que su sensibilidad es independiente de la dirección del sonido incidente. Existen micrófonos con otros patrones polares que son más sensibles en una dirección específica. Sin embargo, esto no resuelve el problema de la localización del sonido, ya que se intenta determinar una dirección exacta o un punto de origen. Además de considerar los micrófonos que miden la presión sonora, también es posible utilizar una sonda de velocidad de partículas para medir directamente la velocidad de las partículas acústicas . La velocidad de las partículas es otra magnitud relacionada con las ondas acústicas; sin embargo, a diferencia de la presión sonora, es un vector . Al medir la velocidad de las partículas, se obtiene directamente la dirección de la fuente. También son posibles otros métodos más complejos que utilizan múltiples sensores. Muchos de estos métodos emplean la técnica de diferencia de tiempo de llegada (TDOA).

Algunos han denominado a la localización de fuentes acústicas un " problema inverso ", ya que el campo sonoro medido se traduce a la posición de la fuente sonora.

Métodos

Existen diferentes métodos para obtener la dirección o la ubicación de la fuente.

Diferencia horaria de llegada

El método tradicional para determinar la dirección de la fuente es el de diferencia de tiempo de llegada (TDOA). Este método se puede utilizar tanto con micrófonos de presión como con sondas de velocidad de partículas.

Con una matriz de sensores (por ejemplo, una matriz de micrófonos ) que consta de al menos dos sondas, es posible obtener la dirección de la fuente utilizando la función de correlación cruzada entre la señal de cada sonda. La función de correlación cruzada entre dos micrófonos se define como

Rincógnita1,incógnita2(τ)=∑norte=−∞∞incógnita1(norte)incógnita2(norte+τ){\displaystyle R_{x_{1},x_{2}}(\tau )=\sum _{n=-\infty }^{\infty }x_{1}(n)x_{2}(n+\tau )}

que define el nivel de correlación entre las salidas de dos sensoresincógnita1{\displaystyle x_{1}}yincógnita2{\displaystyle x_{2}}En general, un mayor nivel de correlación significa que el argumentoτ{\displaystyle \tau }es relativamente cercano a la diferencia de tiempo de llegada real . Para dos sensores uno al lado del otro, la TDOA viene dada por

τverdadero=despaciadodo{\displaystyle \tau _{\text{verdadero}}={\frac {d_{\text{espaciado}}}{c}}}

dóndedo{\displaystyle c}es la velocidad del sonido en el medio que rodea a los sensores y a la fuente.

Un ejemplo bien conocido de TDOA es la diferencia de tiempo interaural . La diferencia de tiempo interaural es la diferencia en el tiempo de llegada de un sonido entre dos oídos. La diferencia de tiempo interaural viene dada por

Δt=incógnitaporque⁡θdo{\displaystyle \Delta t={\frac {x\cos \theta }{c}}}

dónde

Δt{\displaystyle \Delta t}es la diferencia de tiempo en segundos,
incógnita{\displaystyle x}es la distancia entre los dos sensores (orejas) en metros,
θ{\displaystyle \theta }es el ángulo entre la línea base de los sensores (oídos) y el sonido incidente, en grados.

Triangulación

En trigonometría y geometría , la triangulación es el proceso de determinar la ubicación de un punto midiendo los ángulos que lo unen a puntos conocidos en los extremos de una línea base fija, en lugar de medir directamente las distancias al punto ( trilateración ). El punto se puede entonces fijar como el tercer vértice de un triángulo con un lado conocido y dos ángulos conocidos.

En el ámbito de la localización acústica, esto significa que si se mide la dirección de la fuente en dos o más ubicaciones en el espacio, es posible triangular su ubicación.

Métodos indirectos

Los métodos de potencia de respuesta dirigida (SRP) constituyen una clase de métodos indirectos de localización de fuentes acústicas. En lugar de estimar un conjunto de diferencias de tiempo de llegada (TDOA) entre pares de micrófonos y combinar las estimaciones obtenidas para encontrar la ubicación de la fuente, los métodos indirectos buscan una ubicación candidata sobre una cuadrícula de puntos espaciales. En este contexto, métodos como la potencia de respuesta dirigida con transformación de fase (SRP-PHAT) [ 5 ] se interpretan generalmente como la búsqueda de la ubicación candidata que maximiza la salida de un conformador de haces de retardo y suma. Se ha demostrado que el método es muy robusto frente al ruido y la reverberación, lo que ha motivado el desarrollo de enfoques modificados destinados a aumentar su rendimiento en aplicaciones de procesamiento acústico en tiempo real. [ 6 ]

Uso militar

Localizador de sonido T3 1927
Fotografía anterior a la Segunda Guerra Mundial del emperador japonés Shōwa (Hirohito) inspeccionando localizadores acústicos militares montados sobre carros de cuatro ruedas.

Entre los usos militares se incluyen la localización de submarinos [ 7 ] y aeronaves. [ 8 ] El primer uso de este tipo de equipo fue reivindicado por el comandante Alfred Rawlinson de la Reserva Voluntaria Naval Real , quien en el otoño de 1916 comandaba una batería antiaérea móvil en la costa este de Inglaterra. Necesitaba un medio para localizar zepelines en condiciones nubosas e improvisó un aparato con un par de bocinas de gramófono montadas en un poste giratorio. Varios de estos equipos pudieron determinar con bastante precisión la posición de los dirigibles que se aproximaban, lo que permitió apuntarles los cañones a pesar de estar fuera de la vista. [ 9 ] Aunque no se obtuvieron impactos con este método, Rawlinson afirmó haber obligado a un zepelín a lanzar sus bombas en una ocasión. [ 10 ]

Los instrumentos de defensa antiaérea generalmente consistían en grandes bocinas o micrófonos conectados a los oídos de los operadores mediante tubos, muy parecidos a un estetoscopio muy grande . [ 11 ] [ 12 ]

Equipo de localización acústica en Alemania, 1939. Consta de cuatro bocinas acústicas, un par horizontal y un par vertical, conectadas mediante tubos de goma a auriculares tipo estetoscopio que llevaban los dos técnicos, uno a la izquierda y otro a la derecha. Los auriculares estéreo permitían a un técnico determinar la dirección y al otro la altitud de la aeronave.

A finales de la década de 1920, una comparación operativa de varios dispositivos acústicos de escucha de gran tamaño procedentes de diferentes países, realizada por el Meetgebouw de los Países Bajos, reveló sus inconvenientes. La investigación fundamental demostró que el oído humano es más sensible de lo que se creía en las décadas de 1920 y 1930. Se desarrollaron nuevos dispositivos de escucha más cercanos a los oídos y con conexiones herméticas. Además, los equipos de predicción mecánica, dada la baja velocidad del sonido en comparación con la velocidad de los aviones, y las correcciones de altitud proporcionaron información para orientar a los operadores de reflectores y a los artilleros antiaéreos hacia la trayectoria de la aeronave detectada. Los reflectores y las armas debían mantenerse a cierta distancia del dispositivo de escucha. Por lo tanto, se desarrollaron dispositivos eléctricos indicadores de dirección. [ 13 ]

La mayor parte del trabajo sobre la localización acústica antiaérea fue realizado por los británicos. Desarrollaron una extensa red de espejos acústicos que se utilizaron desde la Primera Guerra Mundial hasta la Segunda Guerra Mundial. [ 14 ] [ 15 ] Los espejos acústicos normalmente funcionan mediante micrófonos móviles para encontrar el ángulo que maximiza la amplitud del sonido recibido, que también es el ángulo de rumbo hacia el objetivo. Dos espejos acústicos en posiciones diferentes generarán dos rumbos diferentes, lo que permite utilizar la triangulación para determinar la posición de una fuente sonora.

A medida que se acercaba la Segunda Guerra Mundial, el radar comenzó a convertirse en una alternativa creíble a la localización acústica de aeronaves. Para las velocidades típicas de las aeronaves de la época, la localización acústica solo proporcionaba unos minutos de aviso. [ 8 ] Las estaciones de localización acústica se mantuvieron en funcionamiento como respaldo del radar, como se ejemplificó durante la Batalla de Inglaterra . [ 16 ] Hoy en día, los sitios abandonados aún existen y son fácilmente accesibles. [ 14 ]

Tras la Segunda Guerra Mundial, la localización por sonido dejó de desempeñar un papel importante en las operaciones antiaéreas.

Localizadores activos/pasivos

Los localizadores activos cuentan con algún tipo de dispositivo generador de señal, además de un dispositivo de escucha. No es necesario que ambos dispositivos estén ubicados simultáneamente.

Sonar

El sonar (navegación y localización por sonido) es una técnica que utiliza la propagación del sonido bajo el agua (o en ocasiones en el aire) para navegar, comunicarse o detectar otras embarcaciones. Existen dos tipos de sonar: activo y pasivo. Un sonar activo puede determinar la distancia y la dirección, además de medir la velocidad radial. Sin embargo, un sonar pasivo solo puede determinar la dirección directamente, aunque el análisis del movimiento del objetivo permite determinar la distancia en un tiempo determinado. Se pueden utilizar varios sonares pasivos para la localización de distancia mediante triangulación o correlación directa.

Localización por eco biológica

Los delfines , las ballenas y los murciélagos utilizan la ecolocalización para detectar a sus presas y evitar obstáculos.

Localización por hora de llegada

Al disponer de altavoces/ transmisores ultrasónicos que emiten sonido en posiciones y momentos conocidos, la posición de un objetivo equipado con un micrófono/receptor ultrasónico puede estimarse en función del tiempo de llegada del sonido. La precisión suele ser baja en condiciones sin línea de visión , donde existen obstrucciones entre los transmisores y los receptores. [ 17 ]

Estudios sísmicos

Representación tridimensional mediante ecosonda de un cañón submarino del Mar Rojo, obtenida por el buque de investigación HMS Enterprise.

Los estudios sísmicos implican la generación de ondas sonoras para medir estructuras subterráneas. Estas ondas se generan generalmente mediante mecanismos de percusión ubicados cerca de la superficie del suelo o del agua, como por ejemplo, la caída de pesas, camiones vibradores o explosivos. Los datos se recogen con geófonos, se almacenan y se procesan mediante ordenador. La tecnología actual permite generar imágenes 3D de estructuras rocosas subterráneas utilizando este tipo de equipos.

Otro

Debido a que el costo de los sensores y la electrónica asociados está disminuyendo, el uso de la tecnología de localización por sonido se está volviendo accesible para otros usos, como la localización de fauna silvestre. [ 18 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ ¿ A qué distancia está ese cañón alemán? Cómo se localizaron 63 cañones alemanes solo con ondas sonoras en un solo día , Popular Science mensual, diciembre de 1918, página 39, escaneado por Google Books: https://books.google.com/books?id=EikDAAAAMBAJ&pg=PA39
  2. ↑ "Proyectos seleccionados" . Greenridge Sciences Inc. Consultado el 16 de mayo de 2006 .
  3. ↑ Lorraine Green Mazerolle; et al. (diciembre de 1999). "Problemas de disparos aleatorios y sistemas de detección de disparos" (PDF) . Informe de investigación del Instituto Nacional de Justicia . 
  4. ↑ "Localización de fuentes acústicas basada en análisis de componentes independientes" . LMS. Archivado del original el 8 de enero de 2018. Consultado el 7 de enero de 2018 .
  5. ↑ DiBiase, JH (2000). Una técnica de alta precisión y baja latencia para la localización de hablantes en entornos reverberantes mediante matrices de micrófonos (PDF) (Ph.D.). Brown Univ.
  6. ↑ Cobos, M.; Marti, A.; Lopez, JJ (2011). "Una función SRP-PHAT modificada para la localización robusta de fuentes sonoras en tiempo real con muestreo espacial escalable". IEEE Signal Processing Letters . 18 (1): 71– 74. Bibcode : 2011ISPL...18...71C . doi : 10.1109/LSP.2010.2091502 . hdl : 10251/55953 . S2CID 18207534 . 
  7. ↑ Kristian Johanssan; et al. "Seguimiento de submarinos mediante fusión multisensor y planificación reactiva para el posicionamiento de sonoboyas pasivas" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 27 de marzo de 2009. Consultado el 16 de mayo de 2006 . 
  8. 1 2 W. Richmond (2003). "Antes del RADAR: Detección acústica de aeronaves" . Archivado del original el 28 de septiembre de 2007. Recuperado el 6 de enero de 2013 .
  9. ↑ Rawlinson, Alfred (1923), Rawlinson, La defensa de Londres , Andrew Melrose, Londres y Nueva York, págs. 110-114. Archivado el 5 de mayo de 2016 en Wayback Machine .
  10. ↑ Rawlinson, págs. 118–119
  11. ↑ Douglas Self. "Acoustic Location and Sound Mirrors" . Archivado del original el 12 de enero de 2011. Consultado el 1 de junio de 2006 .
  12. ↑ Jim Mulligan. "Foto del localizador de sonido" . Archivado del original el 2 de octubre de 2006. Consultado el 15 de mayo de 2006 .
  13. ↑ Historia de la acústica aérea en el Museo de Waalsdorp
  14. 1 2 Phil Hide (enero de 2002). "Espejos acústicos en la costa sur" . Archivado del original el 2 de mayo de 2009. Recuperado el 13 de mayo de 2006 .
  15. ↑ Andrew Grantham (8 de noviembre de 2005). "Espejos sonoros de alerta temprana" .
  16. ↑ Lee Brimmicombe Woods (7 de diciembre de 2005). "The Burning Blue: The Battle of Britain 1940" (PDF) . GMT Games LLC.
  17. ↑ Chan, YT; Tsui, WY; So, HC; Ching, PC (2006). "Localización basada en el tiempo de llegada en condiciones NLOS". IEEE Transactions on Vehicular Technology . 55 (1): 17– 24. Bibcode : 2006ITVT...55...17C . doi : 10.1109/TVT.2005.861207 . ISSN 0018-9545 . S2CID 6697621 .  
  18. ↑ John L. Spiesberger (junio de 2001). "Errores de localización hiperbólicos debidos a un número insuficiente de receptores". The Journal of the Acoustical Society of America . 109 (6): 3076– 3079. Bibcode : 2001ASAJ..109.3076S . doi : 10.1121/1.1373442 . PMID 11425152 . 
  • "Un enorme detector de sonido para aviones localiza aeronaves y determina su velocidad". Artículo de la revista Popular Mechanics , diciembre de 1930, sobre un detector de sonido francés para aeronaves, con fotografía.
  • Se pueden encontrar muchas referencias en Referencias de formación de haces.
  • Un estudio empírico de la localización colaborativa de fuentes acústicas