La ubicación acústica es un método para determinar la posición de un objeto o fuente de sonido mediante el uso de ondas sonoras . La localización puede tener lugar en gases (como la atmósfera), líquidos (como el agua) y sólidos (como la tierra).
La localización se puede realizar de forma activa o pasiva:
Ambas técnicas, cuando se utilizan en el agua, se conocen como sonar ; Tanto el sonar pasivo como el sonar activo se utilizan ampliamente.
Los espejos y platos acústicos , cuando se utilizan micrófonos, son un medio de localización acústica pasiva, pero cuando se utilizan altavoces son un medio de localización activa. Normalmente, se utiliza más de un dispositivo y luego se triangula la ubicación entre los distintos dispositivos.
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 aviones enemigos captando el ruido de sus motores. Quedó obsoleto 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" en las esquinas y encima de las colinas, debido a la difracción del sonido .
Los usos civiles incluyen la localización de vida silvestre [2] y la localización de la posición de disparo de un arma de fuego. [3]
La localización de fuentes acústicas [4] es la tarea de localizar una fuente de sonido dadas las mediciones del campo sonoro. El campo sonoro se puede describir utilizando cantidades físicas como la presión del sonido y la velocidad de las partículas. Midiendo estas propiedades es (indirectamente) posible obtener la dirección de la fuente.
Tradicionalmente, la presión sonora se mide mediante micrófonos. Los micrófonos tienen 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 determinada dirección. Sin embargo, esto todavía no es una solución para el problema de la localización del sonido, ya que se intenta determinar una dirección exacta o un punto de origen. Además de considerar micrófonos que miden la presión del sonido, 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 cantidad relacionada con las ondas acústicas ; sin embargo, a diferencia de la presión del sonido, la velocidad de las partículas es un vector . Al medir la velocidad de las partículas se obtiene directamente la dirección de la fuente. También son posibles otros métodos más complicados que utilizan múltiples sensores. Muchos de estos métodos utilizan la técnica de diferencia horaria de llegada (TDOA).
Algunos han denominado la localización de la fuente acústica como un " problema inverso " en el sentido de que el campo sonoro medido se traslada a la posición de la fuente sonora.
Son posibles diferentes métodos para obtener la dirección o la ubicación de la fuente.
El método tradicional para obtener la dirección de la fuente es utilizar el método de diferencia horaria de llegada (TDOA). Este método se puede utilizar con micrófonos de presión y con sondas de velocidad de partículas.
Con un conjunto de sensores (por ejemplo, un conjunto 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
que define el nivel de correlación entre las salidas de dos sensores y . En general, un nivel más alto de correlación significa que el argumento está relativamente cerca de la diferencia horaria real de llegada . Para dos sensores uno al lado del otro, el TDOA viene dado por
¿Dónde está la velocidad del sonido en el medio que rodea los sensores y la fuente?
Un ejemplo bien conocido de TDOA es la diferencia horaria 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 está dada por
dónde
En trigonometría y geometría , la triangulación es el proceso de determinar la ubicación de un punto midiendo ángulos hacia él desde puntos conocidos en cada extremo de una línea de base fija, en lugar de medir distancias al punto directamente ( trilateración ). Luego, el punto se puede fijar como el tercer punto de un triángulo con un lado conocido y dos ángulos conocidos.
Para la localización acústica, esto significa que si la dirección de la fuente se mide en dos o más ubicaciones en el espacio, es posible triangular su ubicación.
Los métodos de potencia de respuesta dirigida (SRP) son 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 adquiridas para encontrar la ubicación de la fuente, los métodos indirectos buscan una ubicación de la fuente candidata sobre una cuadrícula de puntos espaciales. En este contexto, métodos como la potencia de respuesta dirigida con transformación de fase (SRP-PHAT) [5] generalmente se interpretan como encontrar la ubicación candidata que maximiza la salida de un formador de haz de retardo y suma. Se ha demostrado que el método es muy robusto al ruido y la reverberación, lo que motiva el desarrollo de enfoques modificados destinados a aumentar su rendimiento en aplicaciones de procesamiento acústico en tiempo real. [6]
Los usos militares han incluido la localización de submarinos [7] y aviones. [8] El primer uso de este tipo de equipo fue reivindicado por el comandante Alfred Rawlinson de la Reserva Real de Voluntarios Navales , quien en el otoño de 1916 estaba al mando de una batería antiaérea móvil en la costa este de Inglaterra. Necesitaba un medio para localizar zepelines en condiciones de nubosidad e improvisó un aparato a partir de un par de bocinas de gramófono montadas en un poste giratorio. Varios de estos equipos pudieron dar una localización bastante precisa de las aeronaves que se acercaban, permitiendo que los cañones se dirigieran hacia ellas a pesar de estar fuera de la vista. [9] Aunque no se obtuvieron impactos con este método, Rawlinson afirmó haber obligado a un Zeppelin a arrojar sus bombas en una ocasión. [10]
Los instrumentos de defensa aérea generalmente consistían en grandes cuernos o micrófonos conectados a los oídos de los operadores mediante tubos, muy parecidos a un estetoscopio muy grande . [11] [12]
A finales de la década de 1920, una comparación operativa de varios grandes dispositivos acústicos de diferentes países realizada por Meetgebouw en los Países Bajos mostró inconvenientes. La investigación fundamental demostró que el oído humano es mejor que el que se conocía en los años 20 y 30. Se desarrollaron nuevos dispositivos de escucha más cercanos a los oídos y con conexiones herméticas. Además, los equipos mecánicos de predicción, dada la baja velocidad del sonido en comparación con los aviones más rápidos, y las correcciones de altura proporcionaron información para señalar a los operadores de los reflectores y a los artilleros antiaéreos hacia donde vuela el avión detectado. Los reflectores y las armas debían estar alejados del dispositivo de escucha. Por lo tanto, se desarrollaron dispositivos indicadores de dirección eléctricos. [13]
La mayor parte del trabajo sobre el alcance del sonido antiaéreo fue realizado por los británicos. Desarrollaron una extensa red de espejos de sonido que se utilizaron desde la Primera Guerra Mundial hasta la Segunda Guerra Mundial. [14] [15] Los espejos de sonido normalmente funcionan mediante el uso de micrófonos móviles para encontrar el ángulo que maximiza la amplitud del sonido recibido, que también es el ángulo de orientación hacia el objetivo. Dos espejos de sonido en diferentes posiciones generarán dos rumbos diferentes, lo que permite el uso de triangulación para determinar la posición de una fuente de sonido.
A medida que se acercaba la Segunda Guerra Mundial, el radar comenzó a convertirse en una alternativa creíble a la localización sonora de los aviones. Para las velocidades típicas de los aviones de esa época, la ubicación del sonido solo daba unos minutos de advertencia. [8] Las estaciones de localización acústica se dejaron en funcionamiento como respaldo del radar, como se ejemplificó durante la Batalla de Gran Bretaña . [16] Hoy en día, los sitios abandonados todavía existen y son fácilmente accesibles. [14] [ enlace muerto ]
Después de la Segunda Guerra Mundial, el alcance del sonido dejó de desempeñar un papel en las operaciones antiaéreas. [ cita necesaria ]
Los localizadores activos cuentan con algún tipo de dispositivo de generación de señal, además de un dispositivo de escucha. No es necesario que los dos dispositivos estén ubicados juntos.
El sonar (navegación y alcance por sonido) es una técnica que utiliza la propagación del sonido bajo el agua (u ocasionalmente en el aire) para navegar, comunicarse o detectar otras embarcaciones. Hay dos tipos de sonar: activo y pasivo. Un solo sonar activo puede localizar el alcance y el rumbo, así como medir la velocidad radial. Sin embargo, un único sonar pasivo solo puede localizar el rumbo directamente, aunque el análisis de movimiento del objetivo se puede utilizar para localizar el alcance, en un momento dado. Se pueden utilizar múltiples sonares pasivos para la localización del alcance mediante triangulación o correlación, directamente.
Los delfines , ballenas y murciélagos utilizan la ecolocalización para detectar presas y evitar obstáculos.
Al tener altavoces/ transmisores ultrasónicos que emiten sonido en posiciones y tiempos conocidos, la posición de un objetivo equipado con un micrófono/receptor ultrasónico se puede estimar en función del tiempo de llegada del sonido. La precisión suele ser deficiente en condiciones sin línea de visión , donde hay bloqueos entre los transmisores y los receptores. [17]
Los estudios sísmicos implican la generación de ondas sonoras para medir estructuras subterráneas. Las ondas fuente generalmente se crean mediante mecanismos de percusión ubicados cerca del suelo o la superficie del agua, generalmente pesas caídas, camiones vibroseis o explosivos. Los datos se recopilan con geófonos, luego se almacenan y procesan por computadora. La tecnología actual permite la generación de imágenes en 3D de estructuras rocosas subterráneas utilizando dichos equipos.
Debido a que el costo de los sensores y la electrónica asociados está disminuyendo, el uso de la tecnología de medición del sonido se está volviendo accesible para otros usos, como por ejemplo para localizar la vida silvestre. [18]
