La localización acústica es un método para determinar la posición de un objeto o una fuente de sonido 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:
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 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, a continuación, 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 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" detrás de las esquinas y sobre 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 una fuente acústica [4] es la tarea de localizar una fuente de sonido a partir de mediciones del campo sonoro. El campo sonoro se puede describir utilizando 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 utilizando 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 dirección determinada. 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 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 cantidad relacionada con las ondas acústicas ; sin embargo, a diferencia de la presión sonora, 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 de tiempo de llegada (TDOA).
Algunos han denominado la localización de la fuente acústica un " problema inverso " en el 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 el método de diferencia de tiempo 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 de correlación más alto significa que el argumento está relativamente cerca de la diferencia de tiempo de llegada real . 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 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
dónde
En trigonometría y geometría , la triangulación es el proceso de determinar la ubicación de un punto midiendo ángulos que forman puntos conocidos en cada extremo de una línea base fija, en lugar de medir distancias al punto directamente ( trilateración ). El punto puede entonces fijarse 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 fuente candidata en una cuadrícula de puntos espaciales. En este contexto, métodos como la potencia de respuesta dirigida con transformada de fase (SRP-PHAT) [5] se interpretan generalmente como la búsqueda de la ubicación candidata que maximiza la salida de un conformador 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 de Voluntarios de la Marina Real , que 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 durante condiciones nubladas e improvisó un aparato a partir de un par de bocinas de gramófono montadas en un mástil giratorio. Varios de estos equipos pudieron dar una localización bastante precisa de los dirigibles que se acercaban, lo que permitió que los cañones se dirigieran hacia ellos 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 deshacerse de sus bombas en una ocasión. [10]
Los instrumentos de defensa aérea generalmente consistían en grandes bocinas o micrófonos conectados a los oídos de los operadores mediante tubos, de forma muy similar a un estetoscopio de gran tamaño . [11] [12]
A finales de los años 1920, una comparación operativa de múltiples dispositivos de escucha acústica de gran tamaño de diferentes naciones realizada por el Meetgebouw en los Países Bajos mostró desventajas. La investigación fundamental demostró que el oído humano es mejor que el que se entendía en los años 20 y 30. Se desarrollaron nuevos dispositivos de escucha más cercanos a los oídos y con conexiones herméticas. Además, el equipo de predicción mecánica, 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 reflectores y a los artilleros antiaéreos hacia dónde volaba el avión detectado. Los reflectores y los cañones debían estar a cierta distancia del dispositivo de escucha. Por lo tanto, se desarrollaron dispositivos indicadores de dirección eléctricos. [13]
La mayor parte del trabajo sobre medición de 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 orientaciones diferentes, lo que permite el uso de la 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 por sonido de las aeronaves. Para las velocidades típicas de las aeronaves de esa época, la localización por sonido solo daba unos pocos minutos de advertencia. [8] Las estaciones de localización acústica se dejaron en funcionamiento como respaldo del radar, como se ejemplificó durante la Batalla de Inglaterra . [16] Hoy en día, los sitios abandonados todavía existen y son fácilmente accesibles. [14] [ enlace muerto ]
Después de la Segunda Guerra Mundial, la medición del sonido ya no desempeñó ningún papel en las operaciones antiaéreas. [ cita requerida ]
Los localizadores activos cuentan con algún tipo de dispositivo generador de señales, además de un dispositivo de escucha. No es necesario que ambos dispositivos estén ubicados juntos.
El sonar (navegación y medición de distancia por sonido) es una técnica que utiliza la propagación del sonido bajo el agua (o, ocasionalmente, en el aire) para navegar, comunicarse o detectar otras embarcaciones. Hay dos tipos de sonar: activo y pasivo. Un único sonar activo puede localizar en distancia y rumbo, así como medir la velocidad radial. Sin embargo, un único sonar pasivo solo puede localizar en rumbo directamente, aunque el análisis del movimiento del objetivo se puede utilizar para localizar en distancia, en un momento dado. Se pueden utilizar varios sonares pasivos para la localización de distancia por triangulación o correlación, directamente.
Los delfines , las ballenas y los murciélagos utilizan la ecolocalización para detectar presas y evitar obstáculos.
Si se dispone de altavoces o transmisores ultrasónicos que emiten sonido en posiciones y momentos conocidos, se puede estimar la posición de un objetivo equipado con un micrófono o receptor ultrasónico 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 sonoras son generalmente creadas por mecanismos de percusión ubicados cerca del suelo o de la superficie del agua, típicamente pesos lanzados, camiones vibroseis o explosivos. Los datos se recogen con geófonos y luego se almacenan y procesan por computadora. La tecnología actual permite la generación de imágenes 3D de estructuras rocosas subterráneas utilizando este tipo de equipos.
Debido a que el costo de los sensores y la electrónica asociados está disminuyendo, el uso de la tecnología de medición por sonido se está volviendo accesible para otros usos, como la localización de vida silvestre. [18]
