Emplacement acoustique - Acoustic location

Soldats suédois opérant un localisateur acoustique en 1940

L'emplacement acoustique est l'utilisation du son pour déterminer la distance et la direction de sa source ou de son réflecteur. La localisation peut être effectuée de manière active ou passive et peut avoir lieu dans des gaz (tels que l'atmosphère), des liquides (tels que l'eau) et des solides (tels que la terre).

  • La localisation acoustique active implique la création d'un son afin de produire un écho, qui est ensuite analysé pour déterminer la localisation de l'objet en question.
  • La localisation acoustique passive implique la détection du son ou des vibrations créés par l'objet détecté, qui est ensuite analysée pour déterminer l'emplacement de l'objet en question.

Ces deux techniques, lorsqu'elles sont utilisées dans l'eau, sont connues sous le nom de sonar ; le sonar passif et le sonar actif sont tous deux largement utilisés.

Les miroirs et les paraboles acoustiques , lors de l'utilisation de microphones, sont un moyen de localisation acoustique passive, mais lors de l'utilisation de haut-parleurs, ils sont un moyen de localisation active. En règle générale, plusieurs appareils sont utilisés et l'emplacement est ensuite triangulé entre les différents appareils.

En tant qu'outil de défense aérienne militaire , la localisation acoustique passive a été utilisée du milieu de la Première Guerre mondiale aux premières années de la Seconde Guerre mondiale pour détecter les avions ennemis en captant le bruit de leurs moteurs. Il a été rendu obsolète avant et pendant la Seconde Guerre mondiale par l'introduction du radar , qui était beaucoup plus efficace (mais interceptable). Les techniques acoustiques avaient l'avantage de pouvoir «voir» dans les coins et sur les collines, en raison de la diffraction du son .

Les utilisations civiles comprennent la localisation de la faune et la localisation de la position de tir d'une arme à feu.

Aperçu

La localisation de la source acoustique consiste à localiser une source sonore en fonction des mesures du champ sonore. Le champ sonore peut être décrit à l'aide de grandeurs physiques telles que la pression acoustique et la vitesse des particules. En mesurant ces propriétés, il est (indirectement) possible d'obtenir une direction de source.

Traditionnellement, la pression acoustique est mesurée à l'aide de microphones. Les microphones ont un diagramme polaire décrivant leur sensibilité en fonction de la direction du son incident. De nombreux microphones ont un diagramme polaire omnidirectionnel, ce qui signifie que leur sensibilité est indépendante de la direction du son incident. Il existe des microphones avec d'autres diagrammes polaires qui sont plus sensibles dans une certaine direction. Cependant, ce n'est toujours pas une solution pour le problème de localisation du son car on essaie de déterminer soit une direction exacte, soit un point d'origine. En plus de considérer les microphones qui mesurent la pression acoustique, il est également possible d'utiliser une sonde de vitesse des particules pour mesurer directement la vitesse des particules acoustiques . La vitesse des particules est une autre grandeur liée aux ondes acoustiques, mais contrairement à la pression acoustique, la vitesse des particules est un vecteur . En mesurant la vitesse des particules, on obtient directement une direction de source. D'autres méthodes plus compliquées utilisant plusieurs capteurs sont également possibles. Beaucoup de ces méthodes utilisent la technique du décalage horaire d'arrivée (TDOA).

Certains ont qualifié la localisation de la source acoustique de " problème inverse " en ce que le champ sonore mesuré est traduit vers la position de la source sonore.

Méthodes

Différentes méthodes pour obtenir la direction de la source ou l'emplacement de la source sont possibles.

Vecteur de vitesse ou d'intensité des particules

La méthode la plus simple mais encore relativement nouvelle consiste à mesurer la vitesse acoustique des particules à l'aide d'une sonde de vitesse des particules . La vitesse des particules est un vecteur et contient donc également des informations directionnelles.

Décalage horaire d'arrivée

La méthode traditionnelle pour obtenir la direction de la source utilise la méthode du décalage horaire d'arrivée (TDOA). Cette méthode peut être utilisée avec des microphones de pression ainsi qu'avec des sondes de vitesse de particules.

Avec un réseau de capteurs (par exemple un réseau de microphones ) constitué d'au moins deux sondes, il est possible d'obtenir la direction de la source en utilisant la fonction d' intercorrélation entre le signal de chaque sonde. La fonction de corrélation croisée entre deux microphones est définie comme

qui définit le niveau de corrélation entre les sorties de deux capteurs et . En général, un niveau de corrélation plus élevé signifie que l'argument est relativement proche de la différence de temps réelle d'arrivée . Pour deux capteurs côte à côte, le TDOA est donné par

où est la vitesse du son dans le milieu entourant les capteurs et la source.

Un exemple bien connu de TDOA est le décalage horaire interaural . La différence de temps interaural est la différence de temps d'arrivée d'un son entre deux oreilles. Le décalage horaire interaural est donné par

est le décalage horaire en secondes,
est la distance entre les deux capteurs (oreilles) en mètres,
est l'angle entre la ligne de base des capteurs (oreilles) et le son incident, en degrés.

Triangulation

En trigonométrie et en géométrie , la triangulation est le processus de détermination de l'emplacement d'un point en mesurant les angles de celui-ci à partir de points connus à chaque extrémité d'une ligne de base fixe, plutôt que de mesurer directement les distances au point ( trilatération ). Le point peut alors être fixé comme le troisième point d'un triangle avec un côté connu et deux angles connus.

Pour la localisation acoustique, cela signifie que si la direction de la source est mesurée à deux ou plusieurs emplacements dans l'espace, il est possible de trianguler son emplacement.

Méthodes indirectes

Les méthodes de puissance de réponse dirigée (SRP) sont une classe de méthodes de localisation de sources acoustiques indirectes. Au lieu d'estimer un ensemble de différences de temps d'arrivée (TDOA) entre des paires de microphones et de combiner les estimations acquises pour trouver l'emplacement source, les méthodes indirectes recherchent un emplacement source candidat sur une grille de points spatiaux. Dans ce contexte, des méthodes telles que la transformation de phase de puissance à réponse dirigée (SRP-PHAT) sont généralement interprétées comme la recherche de l'emplacement candidat qui maximise la sortie d'un formateur de faisceau à retard et somme. La méthode s'est avérée très robuste au bruit et à la réverbération, ce qui a motivé le développement d'approches modifiées visant à augmenter ses performances dans les applications de traitement acoustique en temps réel.

Utilisation militaire

Localisateur de son T3 1927
Photographie d' avant la Seconde Guerre mondiale de l' empereur japonais Shōwa (Hirohito) inspectant des localisateurs acoustiques militaires montés sur des voitures à 4 roues

Les utilisations militaires comprennent la localisation de sous-marins et d'aéronefs. La première utilisation de ce type d'équipement a été revendiquée par le commandant Alfred Rawlinson de la Royal Naval Volunteer Reserve , qui à l'automne 1916 commandait une batterie antiaérienne mobile sur la côte est de l'Angleterre. Il avait besoin d'un moyen de localiser les Zeppelins dans des conditions nuageuses et a improvisé un appareil à partir d'une paire de cornes de gramophone montées sur un poteau rotatif. Plusieurs de ces équipements ont été en mesure de donner une position assez précise sur les dirigeables en approche, permettant aux canons d'être dirigés vers eux même s'ils étaient hors de vue. Bien qu'aucun coup n'ait été obtenu par cette méthode, Rawlinson a affirmé avoir forcé un Zeppelin à larguer ses bombes à une occasion.

Les instruments de défense aérienne se composaient généralement de grandes cornes ou de microphones connectés aux oreilles des opérateurs à l'aide de tubes, un peu comme un très grand stéthoscope .

Matériel de localisation sonore en Allemagne, 1939. Il se compose de quatre cornes acoustiques, une paire horizontale et une paire verticale, reliées par des tubes en caoutchouc à des écouteurs de type stéthoscope portés par les deux techniciens gauche et droit. Les écouteurs stéréo ont permis à un technicien de déterminer la direction et à l'autre l'élévation de l'avion.

La plupart des travaux sur la télémétrie antiaérienne ont été effectués par les Britanniques. Ils ont développé un vaste réseau de miroirs sonores qui ont été utilisés de la Première Guerre mondiale à la Seconde Guerre mondiale. Les miroirs sonores fonctionnent normalement en utilisant des microphones mobiles pour trouver l'angle qui maximise l'amplitude du son reçu, qui est également l'angle de relèvement par rapport à la cible. Deux miroirs sonores à des positions différentes généreront deux roulements différents, ce qui permet l'utilisation de la triangulation pour déterminer la position d'une source sonore.

À l'approche de la Seconde Guerre mondiale, le radar a commencé à devenir une alternative crédible à la localisation sonore des avions. Pour les vitesses d'aéronef typiques de cette époque, la localisation sonore n'a donné que quelques minutes d'avertissement. Les stations de localisation acoustiques ont été laissées en fonctionnement comme une sauvegarde au radar, comme illustré lors de la bataille d'Angleterre . Aujourd'hui, les sites abandonnés existent toujours et sont facilement accessibles.

Après la Seconde Guerre mondiale, la télémétrie ne joua plus aucun rôle dans les opérations antiaériennes.

Localisateurs actifs / passifs

Les localisateurs actifs ont une sorte de dispositif de génération de signal, en plus d'un dispositif d'écoute. Les deux appareils ne doivent pas être placés ensemble.

Sonar

SONAR ou sonar (navigation et télémétrie sonores) est une technique qui utilise la propagation du son sous l'eau (ou parfois dans les airs) pour naviguer, communiquer ou détecter d'autres navires. Il existe deux types de sonars: actifs et passifs. Un seul sonar actif peut localiser en distance et en relèvement ainsi que mesurer la vitesse radiale. Cependant, un seul sonar passif ne peut se localiser que par relèvement direct, bien que l' analyse de mouvement de la cible puisse être utilisée pour localiser à distance, en fonction du temps. Plusieurs sonars passifs peuvent être utilisés pour la localisation de distance par triangulation ou corrélation, directement.

Localisation de l'écho biologique

Les dauphins , les baleines et les chauves - souris utilisent l' écholocalisation pour détecter les proies et éviter les obstacles.

Localisation de l'heure d'arrivée

Ayant des haut-parleurs / émetteurs à ultrasons émettant un son à des positions et à un moment connus, la position d'une cible équipée d'un microphone / récepteur à ultrasons peut être estimée sur la base de l' heure d'arrivée du son. La précision est généralement médiocre dans des conditions de non-visibilité , où il y a des blocages entre les émetteurs et les récepteurs.

Levés sismiques

Une représentation tridimensionnelle en écho-sondage d'un canyon sous la mer Rouge par le navire d'enquête HMS Enterprise

Les levés sismiques impliquent la génération d'ondes sonores pour mesurer les structures souterraines. Les ondes sources sont généralement créées par des mécanismes de percussion situés près du sol ou de la surface de l'eau, généralement des poids lâchés, des camions vibrosés ou des explosifs. Les données sont collectées avec des géophones, puis stockées et traitées par ordinateur. La technologie actuelle permet la génération d'images 3D de structures rocheuses souterraines à l'aide d'un tel équipement.

Autre

Étant donné que le coût des capteurs et de l'électronique associés est en baisse, l'utilisation de la technologie de télémétrie sonore devient accessible pour d'autres utilisations, comme la localisation de la faune.

Voir également

Les références

Liens externes