Акустическая камера

Акустическая камера (или шумовая камера ) — это устройство формирования изображений, используемое для определения местоположения источников звука и их характеристики. Он состоит из группы микрофонов, также называемой микрофонной решеткой , сигналы от которой одновременно собираются и обрабатываются для формирования представления о местоположении источников звука.

Терминология

Термин «акустическая камера» впервые появился в конце XIX века: физиолог Дж. Р. Эвальд, ^[1] исследовал функцию внутреннего уха и провел аналогию с пластинками Хладни (область, ныне называемая киматика ), устройством, позволяющим пользователям визуально видеть режимы вибрации пластинки. Он назвал это устройство акустической камерой. Этот термин затем широко использовался в 20 веке. ^[2]^[3]^[4] для обозначения различных типов акустических устройств, например систем подводной локализации ^[5] или активные системы, используемые в медицине. ^[6] В настоящее время он обозначает любую матрицу преобразователей, используемую для локализации источников звука (средой обычно является воздух), особенно в сочетании с оптической камерой .

Технология

Общие принципы

Акустическая камера обычно состоит из микрофонной решетки и, при необходимости, оптической камеры . Микрофоны – аналоговые или цифровые – подключаются одновременно или с известными относительными задержками по времени, чтобы иметь возможность использовать разность фаз между сигналами. Поскольку звук распространяется в среде (воздух, вода...) с конечной известной скоростью, источник звука воспринимается микрофонами в разные моменты времени и с различной интенсивностью звука, которая зависит как от местоположения источника звука, так и от местоположения микрофона. .Одним из популярных методов получения акустического изображения в результате измерения микрофона является использование формирования луча : путем относительной задержки каждого сигнала микрофона и их сложения, сигнал, поступающий с определенного направления. $\left(\theta _{0},\phi _{0}\right)$ усиливается, а сигналы, поступающие с других направлений, подавляются. Затем рассчитывается мощность этого результирующего сигнала и отображается на карте мощности в пикселе, соответствующем направлению $\left(\theta _{0},\phi _{0}\right)$ . Процесс повторяется в каждом направлении, где необходимо вычислить мощность.

Хотя этот метод имеет множество преимуществ – надежность, простоту понимания, высокую степень распараллеливания , поскольку каждое направление можно вычислить независимо, универсальность (существует множество типов формирователей луча, включающих различные типы гипотез), относительно быстрый – у него также есть некоторые недостатки: получаемые результаты акустическая карта содержит артефакты (также называемые боковыми лепестками или источниками призраков) и не моделирует правильно коррелированные источники звука. Для уменьшения артефактов были введены различные методы, такие как DAMAS. ^[7] или принять во внимание коррелирующие источники, такие как CLEAN-SC, ^[8] и то, и другое ценой более высоких вычислительных затрат.

Когда источники звука находятся рядом с акустической камерой, относительная интенсивность, воспринимаемая различными микрофонами, а также волны, которые акустическая камера больше не воспринимает как плоские, а как сферические, добавляют новую информацию по сравнению со случаем источников, находящихся далеко от камеры. . Это позволяет использовать более эффективные методы, такие как акустическая голография .

Репроекция

Результаты формирования луча в дальней зоне можно перепроецировать на плоские или неплоские поверхности.

Двумерный

Некоторые акустические камеры используют двумерное акустическое картографирование, в котором используется однонаправленная микрофонная решетка (например, прямоугольник микрофонов, обращенных в одном направлении). Двумерное акустическое картирование работает лучше всего, когда исследуемая поверхность плоская и акустическая камера может быть установлена перпендикулярно поверхности. Однако поверхности реальных объектов не всегда бывают плоскими, и не всегда удается оптимально расположить акустическую камеру. ^[9]

Кроме того, двумерный метод акустического картирования вносит погрешность в расчеты интенсивности звука в точке. Двумерное картографирование приближает трехмерные поверхности к плоскости, что позволяет относительно легко рассчитать расстояние между каждым микрофоном и точкой фокусировки. Однако это приближение игнорирует разницу расстояний, вызванную поверхностями, имеющими разную глубину в разных точках. В большинстве применений акустической камеры эта ошибка достаточно мала, чтобы ее можно было игнорировать; однако в ограниченном пространстве погрешность становится существенной. ^[9]

Трехмерный

Трехмерные акустические камеры исправляют ошибки двухмерных камер, учитывая глубину поверхности и, следовательно, правильно измеряя расстояния между микрофоном и каждой пространственной точкой. Эти камеры дают более точное изображение, но требуют трехмерной модели анализируемого объекта или пространства. Кроме того, если акустическая камера улавливает звук из точки пространства, которая не является частью модели, звук может быть сопоставлен со случайным пространством модели или звук может вообще не отображаться. Трехмерные акустические камеры также можно использовать для анализа замкнутых пространств, например интерьеров комнат; однако для этого требуется всенаправленная микрофонная решетка (например, сфера микрофонов, каждый из которых обращен в разное направление). Это в дополнение к первому требованию наличия 3D-модели. ^[9]

Приложения

Существует множество применений акустической камеры, большинство из которых сосредоточено на снижении шума. Камера часто применяется для снижения уровня шума транспортных средств (например, автомобилей, самолетов). ^[10]), поезда, конструкции, такие как ветряные турбины ^[11] и операции тяжелого машиностроения, такие как горнодобывающая промышленность ^[12] или сверление.

Акустические камеры используются не только для измерения внешних выбросов продуктов, но и для повышения комфорта внутри салонов автомобилей. ^[9] поезд или самолет. В этом типе приложений предпочтительны сферические акустические камеры, поскольку трехмерное размещение микрофона позволяет локализовать источники звука во всех направлениях.

Устранение неисправностей, возникающих в машинах и механических деталях, можно выполнить с помощью акустической камеры. Чтобы определить, в чем заключается проблема, можно сравнить звуковую карту правильно функционирующей машины со звуковой картой неисправной машины.

Подобная установка акустической камеры может быть использована для исследования шума внутри пассажирских вагонов во время движения поезда. Альтернативно, камеру можно установить снаружи, рядом с железнодорожными путями, чтобы наблюдать за проходящим поездом. Это может дать другой взгляд на шум, который может быть слышен внутри поезда. Кроме того, можно использовать внешнюю установку для проверки визга колес поезда, вызванного поворотом путей.

Акустическая камера может быть полезна для обеспечения законного контроля за шумом, создаваемым людьми или автотранспортными средствами. Эпидемиолог Эрика Уокер заявила, что это «ленивое» решение проблемы шума, и выразила обеспокоенность тем, что акустические камеры могут использоваться для чрезмерного контроля полиции в кварталах, где проживают этнические меньшинства. ^[13]

Проблемы

Динамический диапазон

Эффективный динамический диапазон в плоскости изображения можно интерпретировать как максимальный контраст, достижимый в пределах целевой области. Основная проблема, связанная с динамическим диапазоном акустических камер, заключается в его зависимости от длины волны звука и размера массива. Эти физические ограничения создают трудности для акустических камер дальнего поля, стремящихся распознавать несколько низкочастотных источников. Поскольку размер апертуры должен быть значительно большим для решения проблем с низкими частотами, это часто приводит к неубедительным или менее точным результатам в этом диапазоне частот. Это подчеркивает уникальные проблемы, с которыми приходится сталкиваться при расширении динамического диапазона акустических камер, особенно в приложениях, связанных с низкочастотными звуками.

Низкие частоты в дальнем поле

Самая низкая частота, которую можно локализовать с помощью акустической камеры дальнего поля, в первую очередь определяется размером апертуры решетки (ее наибольшим размером). Проблемы возникают при решении проблем с низкими частотами, особенно с частотами ниже 300 Гц, поскольку они требуют больших размеров массива для эффективной локализации источника звука.В качестве альтернативы существует ряд эффективных решений, таких как датчики акустического вектора, как автономные, так и в конфигурации массива, или акустические камеры ближнего поля; оба могут служить ценными инструментами для решения нестационарных проблем. С другой стороны, методы, использующие прямое звуковое картирование с использованием датчиков интенсивности звука и/или датчиков скорости частиц, предлагают надежные альтернативы для идентификации и визуализации стационарных во времени источников звука. ^[14]

Вычислительная мощность

Обработка сигнала, необходимая акустической камере, очень интенсивна и требует мощного оборудования и большого объема памяти. По этой причине обработка сигнала часто выполняется после записи данных, что может затруднить или предотвратить использование камеры для анализа звуков, которые возникают время от времени или в разных местах. Камеры, которые выполняют обработку сигнала в реальном времени, обычно большие и дорогие. Улучшения аппаратного обеспечения и обработки сигналов могут помочь преодолеть эти трудности. Оптимизация обработки сигналов часто направлена на снижение вычислительной сложности, требований к хранению и пропускной способности памяти (скорости потребления данных). ^[15]

Ссылки

^ Эвальд, младший (1898). Венский клинический еженедельник . 11 :721. {{cite journal}}: CS1 maint: периодическое издание без названия ( ссылка )
^ Уитмен, РЛ; Ахмед, М.; Корпель, А. (1972). «Отчет о ходе работы над акустической камерой с лазерным сканированием». Акустическая голография . 20 . Спрингер США: 11–32. дои : 10.1007/978-1-4615-8213-7_2 . ISBN 978-1-4615-8215-1 .
^ Патент США 3895340 «Акустическая камера».
^ Хансен, Рольф Карс; Андерсен, Пол Арндт (1993). «3D-акустическая камера для подводной съемки». Акустическая визуализация . 20 . Спрингер США: 723–727. дои : 10.1007/978-1-4615-2958-3_98 . ISBN 978-1-4613-6286-9 .
^ Хаслетт, RWG; Пирс, Г.; Валлийский, AW; Хасси, К. (1966). «Подводная акустическая камера». Acta Acustica объединилась с Acustica . 17, 4 . С. Хирзель Верлаг: 187–203.
^ Магиннесс, МГ; Пламмер, доктор юридических наук; Мейндл, JD (1974). «Акустический датчик изображения, использующий передающую-приемную решетку». Акустическая голография . Спрингер США: 619–631. дои : 10.1007/978-1-4757-0827-1_36 . ISBN 978-1-4757-0829-5 .
^ Брукс, Томас Ф.; Хамфрис, Уильям М. (2004). «Подход деконволюции для картирования источников звука». Раскрытие изобретения НАСА . ЛАР-16907-1. Исследования НАСА в Лэнгли.
^ Сийтсма, П. (2007). «ЧИСТЫЙ, основанный на пространственной когерентности источников». Международный журнал аэроакустики . 6 (4): 357–374. дои : 10.1260/147547207783359459 . S2CID 122396368 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Мейер, Энди, и Дёблер, Дирк. «Локализация источника шума в салоне автомобиля с помощью массивов 3D-микрофонов». Труды BeBeC (2006).
^ Леон, Брусняк; Андербринк, Джеймс Р.; Стокер, Роберт В. (2006). «Акустическая визуализация источников авиационного шума с использованием фазированных решеток с большой апертурой». Конференция AIAA/CEAS по аэроакустике . 12 .
^ Кван-Се, Ли; Чонг, Чолунг; Шин, Су Хён; Юнг, Сон Су (2012). «Пример локализации и идентификации источников шума от ветряной турбины с регулируемым наклоном и свалом». Прикладная акустика . 73 8 : 817–827.
^ Оберхолстер, Абри Дж. «Решение проблем в горнодобывающей промышленности» . Программное обеспечение Siemens для цифровой промышленности . Университет Претории . Проверено 12 ноября 2021 г.
^ Демопулос А (4 октября 2023 г.). «Ха-ха! Могут ли шумовые камеры уменьшить «потенциально смертельное» звуковое загрязнение?» . Хранитель .
^ Решения для локализации источника звука
^ Циммерманн, Б.; Студер, К., «Прототип акустической камеры реального времени на основе FPGA», «Схемы и системы (ISCAS), Труды Международного симпозиума IEEE 2010 г., том, №, стр. 1419, 1419, 30 мая 2010 г. - 2 июня 2010 год

Дальнейшее чтение

Абри Дж., Оберхольстер. « Эффективная локализация источника звука », Статья 2021 Университета Претории.

Внешние ссылки

http://blog.prosig.com/2010/03/15/comparison-between-sound-intensity-probes-and-acoustic-cameras/

Ссылки на производителя

[first_acoustic_camera-1] Эвальд, младший (1898). Венский клинический еженедельник . 11 :721. {{cite journal}}: CS1 maint: периодическое издание без названия ( ссылка )

[laser_scanned_ac-2] Уитмен, РЛ; Ахмед, М.; Корпель, А. (1972). «Отчет о ходе работы над акустической камерой с лазерным сканированием». Акустическая голография . 20 . Спрингер США: 11–32. дои : 10.1007/978-1-4615-8213-7_2 . ISBN 978-1-4615-8215-1 .

[pat_us_ac-3] Патент США 3895340 «Акустическая камера».

[Underwater-4] Хансен, Рольф Карс; Андерсен, Пол Арндт (1993). «3D-акустическая камера для подводной съемки». Акустическая визуализация . 20 . Спрингер США: 723–727. дои : 10.1007/978-1-4615-2958-3_98 . ISBN 978-1-4613-6286-9 .

[underwater_ac_first-5] Хаслетт, RWG; Пирс, Г.; Валлийский, AW; Хасси, К. (1966). «Подводная акустическая камера». Acta Acustica объединилась с Acustica . 17, 4 . С. Хирзель Верлаг: 187–203.

[active_ac-6] Магиннесс, МГ; Пламмер, доктор юридических наук; Мейндл, JD (1974). «Акустический датчик изображения, использующий передающую-приемную решетку». Акустическая голография . Спрингер США: 619–631. дои : 10.1007/978-1-4757-0827-1_36 . ISBN 978-1-4757-0829-5 .

[DAMAS-7] Брукс, Томас Ф.; Хамфрис, Уильям М. (2004). «Подход деконволюции для картирования источников звука». Раскрытие изобретения НАСА . ЛАР-16907-1. Исследования НАСА в Лэнгли.

[CLEAN-SC-8] Сийтсма, П. (2007). «ЧИСТЫЙ, основанный на пространственной когерентности источников». Международный журнал аэроакустики . 6 (4): 357–374. дои : 10.1260/147547207783359459 . S2CID 122396368 .

[Car-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Мейер, Энди, и Дёблер, Дирк. «Локализация источника шума в салоне автомобиля с помощью массивов 3D-микрофонов». Труды BeBeC (2006).

[aircraft_imaging-10] Леон, Брусняк; Андербринк, Джеймс Р.; Стокер, Роберт В. (2006). «Акустическая визуализация источников авиационного шума с использованием фазированных решеток с большой апертурой». Конференция AIAA/CEAS по аэроакустике . 12 .

[wind_turbine-11] Кван-Се, Ли; Чонг, Чолунг; Шин, Су Хён; Юнг, Сон Су (2012). «Пример локализации и идентификации источников шума от ветряной турбины с регулируемым наклоном и свалом». Прикладная акустика . 73 8 : 817–827.

[Solving_issues_in_the_mining_industry-12] Оберхолстер, Абри Дж. «Решение проблем в горнодобывающей промышленности» . Программное обеспечение Siemens для цифровой промышленности . Университет Претории . Проверено 12 ноября 2021 г.

[13] Демопулос А (4 октября 2023 г.). «Ха-ха! Могут ли шумовые камеры уменьшить «потенциально смертельное» звуковое загрязнение?» . Хранитель .

[14] Решения для локализации источника звука

[FPGA-15] Циммерманн, Б.; Студер, К., «Прототип акустической камеры реального времени на основе FPGA», «Схемы и системы (ISCAS), Труды Международного симпозиума IEEE 2010 г., том, №, стр. 1419, 1419, 30 мая 2010 г. - 2 июня 2010 год

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]