Акустическое самонаведение

Акустическое наведение — это процесс, в котором система использует звук или акустические сигналы цели или пункта назначения для направления движущегося объекта. Существует два типа акустического самонаведения: пассивное акустическое самонаведение и активное акустическое самонаведение. Объекты, использующие пассивное акустическое самонаведение, полагаются на обнаружение акустического излучения , создаваемого целью. И наоборот, объекты, использующие активное акустическое самонаведение, используют гидролокатор для излучения сигнала и обнаружения его отражения от цели. Обнаруженный сигнал затем обрабатывается системой для определения правильной реакции на объект. Акустическое наведение полезно в тех случаях, когда другие формы навигации и слежения могут оказаться неэффективными. Он обычно используется в средах, где радио- или GPS-сигналы не могут быть обнаружены, например, под водой.

История

Идея использования звука для навигации и самонаведения возникла много веков назад и развивалась с течением времени, поэтому концепцию акустического самонаведения нельзя отнести к одному человеку.

Некоторые животные всегда использовали звуковую навигацию, чтобы выжить. И летучие мыши, и дельфины используют эхолокацию для обнаружения добычи. Эти животные издают звуковые сигналы и прислушиваются к эху в целях навигации и охоты.

Одним из самых ранних зарегистрированных случаев использования человеком звука для подводной навигации было использование зондирующего поводка . ^[1] Моряки спускали утяжеленную веревку, к концу которой был прикреплен свинцовый груз. Прислушиваясь к звуку, который он издавал при ударе о морское дно, они смогли оценить глубину воды и характер морского дна.

В 18 веке туманные горны ^[2] были разработаны для облегчения навигации судов в условиях плохой видимости из-за тумана. Туманные горны издавали громкие и низкочастотные звуки, которые распространялись на большие расстояния. Звуки помогли лодкам идентифицировать маяки и другие места, а также избежать опасностей .

В начале 19 века ученые и изобретатели, такие как Чарльз Бэббидж, ^[3] и Сэмюэл Морс ^[4] экспериментировал с подводными сигнальными системами. Эти эксперименты включали использование колокольчиков и других звуковых сигналов для связи с объектами, погруженными под воду. основа современной подводной акустики Благодаря этим усилиям была заложена и гидроакустических технологий.

В начале 20 века канадский изобретатель Реджинальд Фессенден. ^[5] разработал то, что многие считают первой практической системой подводной акустической связи. Он использовал звуковые волны для передачи сообщений под водой.

Во время Второй мировой войны акустическое самонаведение использовалось как ВМС США, так и немцами для разработки акустических торпед. ^[6] для борьбы с подводными лодками противника . Ранние версии использовали гидрофоны для обнаружения и навигации торпеды по шуму подводной лодки.

В середине 20 века гидроакустические буи ^[7] были разработаны для противолодочной борьбы . Гидроакустические буи представляли собой небольшие плавучие устройства, сбрасываемые с самолетов, которые обнаруживали подводные звуки и передавали информацию обратно отправителю.

Метод

Иллюстрация рулевого управления на основе громкости звука.

Объект может быть оборудован двумя и более акустическими преобразователями , выполняющими функции динамиков и микрофонов . Если датчик принимает звук более громкий, чем тот, который принимает другой датчик, объект поворачивается в направлении датчика. Если объекту предстоит маневрировать в трехмерном пространстве, необходимо более двух преобразователей. Обычно используется более трех преобразователей, а массивы из более чем 100 не являются неизвестными. Большое количество датчиков позволяет обеспечить более точное рулевое управление.

Принципы

Ниже приведен упрощенный метод процесса акустического самонаведения:

Источник звука: объект, излучающий акустические сигналы, например маяк. ^[8] или передатчик генерирует звуковые волны. Звуковые волны распространяются через окружающую среду, например воздух или воду.
Приемник: устройство или система оборудованы акустическими приемниками, такими как микрофоны или гидрофоны, предназначенными для обнаружения акустических сигналов в окружающей среде.
Обнаружение : Акустические приемники улавливают или «находятся» на источнике звука. Звуковые сигналы преобразуются в электрические сигналы для обработки.
Обработка сигнала : ^[9] Методы обработки сигналов используются для анализа преобразованных электрических сигналов. Это включает в себя:
1. Анализ временной задержки : используется для расчета направления и угла относительно источника.
2. Анализ мощности сигнала : используется для определения близости источника. Более сильные сигналы предполагают более близкую близость, тогда как более слабые сигналы предполагают более близкую близость.
3. Частотный анализ: используется для идентификации источника.
4. Анализ направления : на основе анализа временной задержки и других характеристик звуковых сигналов система определяет направление источника звука.
Механизм управления : устройство, использующее акустическую систему самонаведения, часто оснащено механизмами управления, помогающими ему направляться к источнику звука или от него.
Навигация: система определяет правильную реакцию и направляет устройство к источнику звука или от него.

Активное и пассивное акустическое самонаведение

Активное акустическое самонаведение

Определение: Активное акустическое самонаведение — это метод наведения, при котором система излучает собственные акустические сигналы и принимает отраженные эхо-сигналы для обнаружения и отслеживания указанной цели. Система активно передает звуковые волны и принимает эхо-сигналы от цели, которые затем обрабатывает.

Метод обнаружения: в активных акустических системах самонаведения используются преобразователи или гидрофоны, которые действуют как передатчики и приемники звука. Преобразователи/гидрофоны излучают звуковые волны, а датчики преобразователей/гидрофонов улавливают эхо-сигналы от цели.

Сильные стороны: Активное акустическое самонаведение эффективно при идентификации и сопровождении целей, когда цель реагирует на активные акустические сигналы. Он обеспечивает точность отслеживания и определения местоположения целей.

Ограничения: активные акустические сигналы могут быть обнаружены целью, что потенциально может выдать положение системы самонаведения. Он также восприимчив к контрмерам, таким как создатели шума и приманки.

Применение: Активное акустическое самонаведение обычно используется в противолодочной войне, где оно используется для обнаружения и поражения подводных лодок путем подачи им звуковых сигналов.

Пассивное акустическое самонаведение

Определение: Пассивное акустическое самонаведение — это метод наведения, который не излучает акустические сигналы активно, а основан на обнаружении акустического излучения цели. Он прислушивается к акустическим звукам, которые естественным образом генерируются целью.

Метод обнаружения: пассивные акустические системы самонаведения используют гидрофоны или микрофоны для обнаружения и анализа звуков, излучаемых целью. Он может быть предназначен для прослушивания определенных типов звуков, исключая другие.

Сильные стороны: Пассивное акустическое самонаведение не излучает собственных сигналов и поэтому менее заметно для цели. Он эффективен при отслеживании акустических целей, издающих звук, даже в шумной обстановке.

Ограничения: Пассивное акустическое самонаведение может иметь трудности с обнаружением бесшумных целей или целей, использующих стелс-технологию для снижения акустического излучения. Это также может снизить точность в сложных условиях.

Применение: Пассивное акустическое самонаведение обычно используется в подводном наблюдении и морских исследованиях.

Приложения

Акустическое самонаведение можно использовать в:

Гидролокационные системы. Акустическое самонаведение используется во многих подводных гидролокаторах, например, на подводных лодках, кораблях и в эхолотах. Эти системы используют звуковые волны для обнаружения подводных объектов, а также измерения расстояния до объекта и определения относительного положения объекта.

Управляемые ракеты: некоторые управляемые ракеты, такие как акустические торпеды, используют акустическое самонаведение для обнаружения и наведения на звук, создаваемый определенной целью, например двигателем самолета или гребными винтами корабля. ^[10]

Поиск и спасение: акустическое самонаведение иногда используется в поисково-спасательных операциях. ^[11] для обнаружения сигналов бедствия. Некоторые примеры этого

К сигналам бедствия относятся аварийные маяки и устройства, которые несут люди, оказавшиеся в море или в отдаленных районах.

Навигация автомобиля: ^[12] Многие автономные подводные аппараты (АНПА) и подводные дроны используют акустическое самонаведение для навигации, а также определения подводных объектов или путевых точек. Автономные надводные транспортные средства (ASV) также могут использовать акустическое самонаведение для навигации.

Отслеживание дикой природы: ученые используют акустическое самонаведение для мониторинга и изучения дикой природы в естественной среде обитания. Это делается путем прикрепления к животным акустических передатчиков, а затем использования приемников для наблюдения за их движениями и поведением.

Обнаружение мин: ^[13] Акустическое самонаведение можно использовать для обнаружения и обхода заглубленных противотанковых мин во время войны.

Мины: в некоторых подводных минах также используется акустическое самонаведение, при котором мины срабатывают и взрываются после обнаружения проходящих кораблей или подводных лодок.

См. также

Ссылки

^ Олесон, Джон Питер (январь 2000 г.). «Древние гири: вклад в историю средиземноморского мореплавания» . Журнал римской археологии . 13 : 293–310. дои : 10.1017/S1047759400018948 . ISSN 1047-7594 . S2CID 162843932 .
^ Де Вайр, Элинор (8 июля 2010 г.). «Голоса в тумане» . По погоде . 44 (5): 16–21. дои : 10.1080/00431672.1991.9929387 .
^ Бэббидж, Чарльз (18 мая 1989 г.). Наука и реформа: Избранные произведения Чарльза Бэббиджа . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-34311-4 .
^ Морс, Сэмюэл Финли Бриз (28 августа 2014 г.). Сэмюэл Ф.Б. Морс . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-108-07439-1 .
^ Белроуз, Дж. С. (2002). «Реджинальд Обри Фессенден и рождение беспроводной телефонии» . Журнал IEEE «Антенны и распространение» . 44 (2): 38. Бибкод : 2002IAPM...44...38B . дои : 10.1109/MAP.2002.1003633 . S2CID 771931 . Проверено 9 ноября 2023 г.
^ Гарднер, Марк Б. (1 октября 1974 г.). «Мина Марк 24: акустическая торпеда времен Второй мировой войны» . Журнал Общества аудиоинженеров . 22 (8): 614–626.
^ Э. Доссо, Стэн; Э.Б. Коллисон, Николь (6 мая 2002 г.). «Акустическое слежение за свободно дрейфующим полем гидроакустического буя» . Журнал Акустического общества Америки . 111 (5, ч. 1): 2166–2177. Бибкод : 2002ASAJ..111.2166D . дои : 10.1121/1.1466867 . ПМИД 12051436 . Проверено 24 октября 2023 г.
^ Ваганай, Дж.; Бакку, П.; Жувенсель, Б. (2000). «Наведение по акустической дальности до одного маяка» . ОКЕАНЫ 2000 Конференция и выставка MTS/IEEE. Материалы конференции (кат. № 00CH37158) . Том. 2. ИИЭР. стр. 1457–1462. дои : 10.1109/OCEANS.2000.881809 . ISBN 978-0-7803-6551-3 . S2CID 109881736 .
^ Шортер, Пи Джей; Лэнгли, RS (6 декабря 2005 г.). «Виброакустический анализ сложных систем» . Журнал звука и вибрации . Неопределенность в структурной динамике. 288 (3): 669–699. Бибкод : 2005JSV...288..669S . дои : 10.1016/j.jsv.2005.07.010 . ISSN 0022-460X .
^ Кошик, Балакришнан; Нэнси, Дон; Ахуджа, Криш (23 мая 2005 г.). Обзор роли акустических датчиков на современном поле боя . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2005-2997 . ISBN 978-1-62410-052-9 .
^ Зимроз, Пол; Трибала, Павел; Врублевский, Адам; Горальчик, Матеуш; Шрек, Ярослав; Войчик, Агнешка; Зимроз, Радослав (январь 2021 г.). «Применение БПЛА при поисково-спасательных действиях в подземных шахтах – специфическое обнаружение звука в зашумленном акустическом сигнале» . Энергии . 14 (13): 3725. doi : 10.3390/en14133725 . ISSN 1996-1073 .
^ Физор, доктор медицины; Йейтс Соррелл, Ф.; Бланкиншип, PR; Беллингем, Дж. Г. (2001). «Автономное наведение/стыковка подводного аппарата с помощью электромагнитного наведения» . Журнал IEEE океанической инженерии . 26 (4): 515–521. Бибкод : 2001IJOE...26..515F . дои : 10.1109/48.972086 . Проверено 24 октября 2023 г.
^ Сабатье, Ж.М.; Сян, Нин (2001). «Исследование акусто-сейсмической связи для обнаружения закопанных противотанковых мин» . Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 39 (6): 1146. Бибкод : 2001ITGRS..39.1146S . дои : 10.1109/36.927429 . Проверено 9 ноября 2023 г.

[1] Олесон, Джон Питер (январь 2000 г.). «Древние гири: вклад в историю средиземноморского мореплавания» . Журнал римской археологии . 13 : 293–310. дои : 10.1017/S1047759400018948 . ISSN 1047-7594 . S2CID 162843932 .

[2] Де Вайр, Элинор (8 июля 2010 г.). «Голоса в тумане» . По погоде . 44 (5): 16–21. дои : 10.1080/00431672.1991.9929387 .

[3] Бэббидж, Чарльз (18 мая 1989 г.). Наука и реформа: Избранные произведения Чарльза Бэббиджа . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-34311-4 .

[4] Морс, Сэмюэл Финли Бриз (28 августа 2014 г.). Сэмюэл Ф.Б. Морс . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-108-07439-1 .

[5] Белроуз, Дж. С. (2002). «Реджинальд Обри Фессенден и рождение беспроводной телефонии» . Журнал IEEE «Антенны и распространение» . 44 (2): 38. Бибкод : 2002IAPM...44...38B . дои : 10.1109/MAP.2002.1003633 . S2CID 771931 . Проверено 9 ноября 2023 г.

[6] Гарднер, Марк Б. (1 октября 1974 г.). «Мина Марк 24: акустическая торпеда времен Второй мировой войны» . Журнал Общества аудиоинженеров . 22 (8): 614–626.

[7] Э. Доссо, Стэн; Э.Б. Коллисон, Николь (6 мая 2002 г.). «Акустическое слежение за свободно дрейфующим полем гидроакустического буя» . Журнал Акустического общества Америки . 111 (5, ч. 1): 2166–2177. Бибкод : 2002ASAJ..111.2166D . дои : 10.1121/1.1466867 . ПМИД 12051436 . Проверено 24 октября 2023 г.

[8] Ваганай, Дж.; Бакку, П.; Жувенсель, Б. (2000). «Наведение по акустической дальности до одного маяка» . ОКЕАНЫ 2000 Конференция и выставка MTS/IEEE. Материалы конференции (кат. № 00CH37158) . Том. 2. ИИЭР. стр. 1457–1462. дои : 10.1109/OCEANS.2000.881809 . ISBN 978-0-7803-6551-3 . S2CID 109881736 .

[9] Шортер, Пи Джей; Лэнгли, RS (6 декабря 2005 г.). «Виброакустический анализ сложных систем» . Журнал звука и вибрации . Неопределенность в структурной динамике. 288 (3): 669–699. Бибкод : 2005JSV...288..669S . дои : 10.1016/j.jsv.2005.07.010 . ISSN 0022-460X .

[10] Кошик, Балакришнан; Нэнси, Дон; Ахуджа, Криш (23 мая 2005 г.). Обзор роли акустических датчиков на современном поле боя . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2005-2997 . ISBN 978-1-62410-052-9 .

[11] Зимроз, Пол; Трибала, Павел; Врублевский, Адам; Горальчик, Матеуш; Шрек, Ярослав; Войчик, Агнешка; Зимроз, Радослав (январь 2021 г.). «Применение БПЛА при поисково-спасательных действиях в подземных шахтах – специфическое обнаружение звука в зашумленном акустическом сигнале» . Энергии . 14 (13): 3725. doi : 10.3390/en14133725 . ISSN 1996-1073 .

[12] Физор, доктор медицины; Йейтс Соррелл, Ф.; Бланкиншип, PR; Беллингем, Дж. Г. (2001). «Автономное наведение/стыковка подводного аппарата с помощью электромагнитного наведения» . Журнал IEEE океанической инженерии . 26 (4): 515–521. Бибкод : 2001IJOE...26..515F . дои : 10.1109/48.972086 . Проверено 24 октября 2023 г.

[13] Сабатье, Ж.М.; Сян, Нин (2001). «Исследование акусто-сейсмической связи для обнаружения закопанных противотанковых мин» . Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 39 (6): 1146. Бибкод : 2001ITGRS..39.1146S . дои : 10.1109/36.927429 . Проверено 9 ноября 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]