Акустическая камера - Acoustic camera

An акустическая камера представляет собой устройство обработки изображений, используемое для обнаружения источников звука и их описания. Он состоит из группы микрофонов, также называемой микрофонная решетка, из которых сигналы одновременно собираются и обрабатываются, чтобы сформировать представление о местонахождении источников звука.

Терминология

Период, термин акустическая камера впервые появился в конце XIX века: физиолог Дж. Р. Эвальд,[1] исследовал функцию внутреннего уха и ввел аналогию с Хладни плиты (домен в настоящее время называется Киматика ), устройство, позволяющее визуально видеть режимы колебаний пластины. 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 определения местоположения источников звука (средой обычно является воздух), особенно в сочетании с оптическая камера.

Технологии

Общие принципы

Акустическая камера обычно состоит из микрофонная решетка и, возможно, оптическая камера. Микрофоны - аналоговые или цифровые - собираются одновременно или с известной относительной временной задержкой, чтобы можно было 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 разной интенсивностью звука, которая зависит как от расположения источника звука, так и от расположения микрофона. .Один популярный метод получения акустического изображения на основе измерения микрофона - использовать формирование луча: Задерживая каждый сигнал микрофона относительно и добавляя их, сигнал поступает с определенного направления усиливается, а сигналы, поступающие с других направлений, отменяются. Затем мощность этого результирующего сигнала вычисляется и отображается на карте мощности в пикселе, соответствующем направлению . Процесс повторяется в каждом направлении, где необходимо вычислить мощность.

Хотя у этого метода есть много преимуществ - надежность, простота понимания, высокая распараллеливаемый поскольку каждое направление может быть вычислено независимо, универсально (существует много типов формирователей луча, включающих различные типы гипотез), относительно быстро - оно также имеет некоторые недостатки: полученная акустическая карта имеет артефакты (также называемые боковыми лепестками или призрачными источниками) и не моделирует правильно коррелированные источники звука. Были введены различные методы для уменьшения артефактов, такие как DAMAS[7] или принять во внимание коррелированные источники, такие как CLEAN-SC,[8] и то и другое за счет более высоких вычислительных затрат.

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

Перепроецирование

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

Двумерный

В некоторых акустических камерах используется двухмерное акустическое картирование, в котором используется однонаправленная микрофонная решетка (например, прямоугольник микрофонов, обращенных в одном направлении). Двумерное акустическое картирование работает лучше всего, когда исследуемая поверхность плоская, а акустическая камера может быть установлена ​​лицом к поверхности перпендикулярно. Однако поверхности реальных объектов не часто бывают плоскими, и не всегда можно оптимально расположить акустическую камеру.[9]

Кроме того, двумерный метод акустического картирования вносит ошибку в расчеты интенсивности звука в точке. Двумерное отображение приближает трехмерные поверхности к плоскости, позволяя 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 ошибка становится значительной.[9]

Трехмерный

Трехмерные акустические камеры исправляют ошибки двумерных камер, принимая во внимание 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 с произвольным пространством в модели или звук может не отображаться вообще. Трехмерные акустические камеры также можно использовать для анализа замкнутых пространств, например интерьеров комнат; однако для этого требуется массив микрофонов, который является всенаправленным (например, сфера из микрофонов, каждый из которых обращен в разном направлении). Это в дополнение к первому требованию наличия трехмерной модели.[9]

Приложения

Существует множество применений акустической камеры, большинство из которых сосредоточено на шумоподавлении. Камера часто применяется для снижения уровня шума транспортных средств (например, автомобилей, самолетов[10]) и поезда, конструкции, такие как ветряные турбины.[11]

Акустические камеры используются не только для измерения внешнего излучения продуктов, но и для повышения комфорта внутри кабины автомобилей,[9] поезд или самолеты. Сферические акустические камеры являются предпочтительными в этом типе приложений, поскольку трехмерное размещение микрофона позволяет локализовать источники звука во всех направлениях.

Устранение неисправностей, возникающих в машинах и механических частях, может выполняться с помощью акустической камеры. Чтобы найти причину проблемы, звуковое отображение правильно работающей машины можно сравнить с неисправной машиной.

Аналогичную установку акустической камеры можно использовать для изучения шума внутри пассажирских вагонов во время движения поезда. В качестве альтернативы камеру можно установить снаружи, в районе железнодорожных путей, чтобы наблюдать за поездом, который проезжает мимо. Это может дать другую картину шума, который может быть слышен внутри поезда. Кроме того, внешняя установка может использоваться для изучения визга колес поезда, вызванного изгибом путей.

Вызовы

Динамический диапазон

Низкие частоты в дальней зоне

Вычислительная мощность

Обработка сигнала, требуемая акустической камерой, очень интенсивна и требует мощного оборудования и большого объема памяти. Из-за этого обработка сигнала часто выполняется после записи данных, что может затруднять или препятствовать использованию камеры при анализе звуков, которые возникают только изредка или в разных местах. Камеры, которые обрабатывают сигнал в реальном времени, обычно бывают большими и дорогими. Усовершенствования оборудования и обработки сигналов могут помочь преодолеть эти трудности. Оптимизация обработки сигналов часто направлена ​​на снижение вычислительной сложности, требований к хранилищу и пропускной способности памяти (скорости потребления данных).[12]

Рекомендации

  1. ^ Эвальд, Дж. Р. (1898 г.). Венская клинише Воченшрифт. 11: 721.CS1 maint: журнал без названия (связь)
  2. ^ Whitman, R.L .; Ахмед, М .; Корпель, А. (1972). «Отчет о проделанной работе по акустической камере с лазерным сканированием». Акустическая голография. Springer США. 20: 11–32. Дои:10.1007/978-1-4615-8213-7_2. ISBN  978-1-4615-8215-1.
  3. ^ Патент США 3895340, «Акустический фотоаппарат» 
  4. ^ Хансен, Рольф Карс; Андерсен, Пол Арндт (1993). «3D акустическая камера для подводной съемки». Акустическая визуализация. Springer США. 20: 723–727. Дои:10.1007/978-1-4615-2958-3_98. ISBN  978-1-4613-6286-9.
  5. ^ Haslett, R. W. G .; Pearce, G .; Welsh, A.W .; Хасси, К. (1966). «Подводная акустическая камера». Acta Acustica вместе с Acustica. S. Hirzel Verlag. 17, 4: 187–203.
  6. ^ Maginness, M. G .; Plummer, J.D .; Майндл, Дж. Д. (1974). «Датчик акустического изображения, использующий передающую-приемную матрицу». Акустическая голография. Springer US: 619–631. Дои:10.1007/978-1-4757-0827-1_36. ISBN  978-1-4757-0829-5.
  7. ^ Брукс, Томас Ф .; Хамфрис, Уильям М. (2004). "Подход деконволюции для картирования акустических источников". Раскрытие изобретения НАСА. NASA Langley Research. LAR-16907-1.
  8. ^ Сийцма, П. (2007). «ЧИСТЫЙ, основанный на пространственной когерентности источника». Международный журнал аэроакустики. 6 (4): 357–374. Дои:10.1260/147547207783359459. S2CID  122396368.
  9. ^ а б c d Мейер, Энди и Дёблер, Дирк. «Локализация источника шума в салоне автомобиля с помощью массивов 3D-микрофонов». Труды BeBeC (2006).
  10. ^ Леон, Брусняк; Underbrink, Джеймс Р .; Стокер, Роберт В. (2006). «Акустическая визуализация источников авиационного шума с использованием фазированных решеток с большой апертурой». Конференция AIAA / CEAS по аэроакустике. 12.
  11. ^ Гван-Се, Ли; Cheong, Cheolung; Шин, Су-Хён; Чон, Сон-Су (2012). «Практический пример локализации и идентификации источников шума от ветряной турбины с регулируемым шагом и стойлом». Прикладная акустика. 73 8: 817–827.
  12. ^ Циммерманн, В .; Студер, К., "Прототип акустической камеры реального времени на основе FPGA", Circuits and Systems (ISCAS), Proceedings of the 2010 IEEE International Symposium on, vol., No., Pp. 1419,1419, 30 мая 2010 г. - 2 июня 2010 г.

внешняя ссылка

Ссылки производителя