Una cámara acústica es un dispositivo de imágenes que se utiliza para localizar fuentes de sonido y caracterizarlas. Consiste en un grupo de micrófonos, también llamado matriz de micrófonos , del cual las señales se recolectan y procesan simultáneamente para formar una representación de la ubicación de las fuentes de sonido.
Terminología
El término cámara acústica apareció por primera vez a finales del siglo XIX: un fisiólogo, JR Ewald, [1] estaba investigando la función del oído interno e introdujo una analogía con las placas de Chladni (un dominio hoy en día llamado Cymatics ), un dispositivo permitiendo ver visualmente los modos de vibración de una placa. Llamó a este dispositivo una cámara acústica. El término ha sido ampliamente utilizado durante el siglo XX [2] [3] [4] para designar varios tipos de dispositivos acústicos, como los sistemas de localización submarina [5] o los sistemas activos utilizados en medicina. [6] Designa hoy en día cualquier conjunto de transductores utilizado para localizar fuentes de sonido (el medio suele ser el aire), especialmente cuando se combina con una cámara óptica .
Tecnología
Principios generales
Una cámara acústica generalmente consta de una matriz de micrófonos y, opcionalmente, una cámara óptica . Los micrófonos - analógicos o digitales - se adquieren simultáneamente o con retardos de tiempo relativos conocidos para poder utilizar la diferencia de fase entre las señales. A medida que el sonido se propaga en el medio (aire, agua ...) a una velocidad conocida finita, los micrófonos perciben una fuente de sonido en diferentes instantes de tiempo y con diferentes intensidades de sonido que dependen tanto de la ubicación de la fuente de sonido como de la ubicación del micrófono. . Un método popular para obtener una imagen acústica a partir de la medición del micrófono es utilizar la formación de haces : retrasando relativamente cada señal de micrófono y añadiéndolas, la señal procedente de una dirección específicase amplifica mientras se cancelan las señales procedentes de otras direcciones. La potencia de esta señal resultante se calcula y se informa en un mapa de potencia en un píxel correspondiente a la dirección. El proceso se repite en cada dirección donde se necesita calcular la potencia.
Si bien este método tiene muchas ventajas: robustez, fácil de entender, altamente paralelizable porque cada dirección se puede calcular de forma independiente, versátil (existen muchos tipos de formadores de haz para incluir varios tipos de hipótesis), relativamente rápido, también tiene algunos inconvenientes: El mapa acústico tiene artefactos (también llamados lóbulos laterales o fuentes fantasma) y no modela fuentes de sonido correlacionadas correctamente. Se han introducido varios métodos para reducir los artefactos como DAMAS [7] o para tener en cuenta fuentes correlacionadas como CLEAN-SC, [8] ambos al precio de un mayor coste computacional.
Cuando las fuentes de sonido están cerca de la cámara acústica, la intensidad relativa percibida por los diferentes micrófonos así como las ondas que ya no son vistas como planas sino esféricas por la cámara acústica añaden nueva información en comparación con el caso de fuentes alejadas de la cámara. . Permite utilizar métodos más eficaces como la holografía acústica .
Reproyección
Los resultados de la formación de haces de campo lejano se pueden reproyectar en superficies planas o no planas.
Bidimensional
Algunas cámaras acústicas utilizan un mapeo acústico bidimensional, que utiliza una matriz de micrófonos unidireccionales (por ejemplo, un rectángulo de micrófonos, todos en la misma dirección). El mapeo acústico bidimensional funciona mejor cuando la superficie que se va a examinar es plana y la cámara acústica se puede configurar mirando hacia la superficie perpendicularmente. Sin embargo, las superficies de los objetos del mundo real no suelen ser planas y no siempre es posible colocar la cámara acústica de manera óptima. [9]
Además, el método bidimensional de mapeo acústico introduce errores en los cálculos de la intensidad del sonido en un punto. El mapeo bidimensional aproxima las superficies tridimensionales en un plano, lo que permite que la distancia entre cada micrófono y el punto de enfoque se calcule con relativa facilidad. Sin embargo, esta aproximación ignora las diferencias de distancia causadas por superficies que tienen diferentes profundidades en diferentes puntos. En la mayoría de las aplicaciones de la cámara acústica, este error es lo suficientemente pequeño como para ignorarlo; sin embargo, en espacios reducidos, el error se vuelve significativo. [9]
Tridimensional
Las cámaras acústicas tridimensionales corrigen los errores de las cámaras bidimensionales teniendo en cuenta las profundidades de la superficie y, por lo tanto, midiendo correctamente las distancias entre el micrófono y cada punto espacial. Estas cámaras producen una imagen más precisa, pero requieren un modelo tridimensional del objeto o espacio que se analiza. Además, si la cámara acústica capta el sonido de un punto en el espacio que no es parte del modelo, el sonido puede asignarse a un espacio aleatorio en el modelo o el sonido puede no aparecer en absoluto. Las cámaras acústicas 3-D también se pueden utilizar para analizar espacios reducidos, como interiores de habitaciones; sin embargo, para hacer esto, se requiere una matriz de micrófonos que sea omnidireccional (por ejemplo, una esfera de micrófonos, cada uno orientado en una dirección diferente). Esto se suma al primer requisito de tener un modelo 3D. [9]
Aplicaciones
Hay muchas aplicaciones de la cámara acústica, la mayoría de las cuales se enfoca en la reducción de ruido. La cámara se aplica con frecuencia para mejorar la emisión de ruido de vehículos (como automóviles, aviones [10] ) y trenes, estructuras, como turbinas eólicas. [11]
Las cámaras acústicas no solo se utilizan para medir la emisión exterior de productos, sino también para mejorar el confort dentro de las cabinas de los coches, [9] trenes o aviones. Se prefieren las cámaras acústicas esféricas en este tipo de aplicación porque la ubicación tridimensional del micrófono permite localizar fuentes de sonido en todas las direcciones.
La solución de fallas que ocurren en máquinas y partes mecánicas se puede lograr con una cámara acústica. Para encontrar dónde radica el problema, el mapeo de sonido de una máquina que funciona correctamente se puede comparar con uno de una máquina disfuncional.
Se puede utilizar una configuración similar de la cámara acústica para estudiar el ruido dentro de los carros de pasajeros durante la operación del tren. Alternativamente, la cámara se puede instalar en el exterior, en un área cercana a las vías del tren, para observar el paso del tren. Esto puede dar otra perspectiva del ruido que podría escucharse dentro del tren. Además, se puede utilizar una configuración exterior para examinar el chirrido de las ruedas del tren causado por una curva en las vías.
Desafíos
Gama dinámica
Bajas frecuencias en el campo lejano
Potencia de cálculo
El procesamiento de la señal que requiere la cámara acústica es muy intensivo y necesita un hardware potente y una gran cantidad de memoria. Debido a esto, el procesamiento de la señal se realiza con frecuencia después de la grabación de datos, lo que puede dificultar o impedir el uso de la cámara en el análisis de sonidos que solo ocurren ocasionalmente o en diferentes ubicaciones. Las cámaras que realizan procesamiento de señales en tiempo real tienden a ser grandes y costosas. Las mejoras en el procesamiento de señales y hardware pueden ayudar a superar estas dificultades. Las optimizaciones del procesamiento de señales a menudo se centran en la reducción de la complejidad computacional, los requisitos de almacenamiento y el ancho de banda de la memoria (tasa de consumo de datos). [12]
Referencias
- ^ Ewald, JR (1898). Wiener klinische Wochenschrift . 11 : 721.CS1 maint: publicación periódica sin título ( enlace )
- ^ Whitman, RL; Ahmed, M .; Korpel, A. (1972). "Un informe de progreso de la cámara acústica escaneada con láser". Holografía acústica . Springer EE. UU. 20 : 11–32. doi : 10.1007 / 978-1-4615-8213-7_2 . ISBN 978-1-4615-8215-1.
- ^ Patente estadounidense 3895340 , "Aparato de cámara acústica"
- ^ Hansen, Rolf Kahrs; Andersen, Poul Arndt (1993). "Cámara acústica 3D para imágenes subacuáticas". Imágenes acústicas . Springer EE. UU. 20 : 723–727. doi : 10.1007 / 978-1-4615-2958-3_98 . ISBN 978-1-4613-6286-9.
- ^ Haslett, RWG; Pearce, G .; Galés, AW; Hussey, K. (1966). "La cámara acústica subacuática". Acta Acustica United con Acustica . S. Hirzel Verlag. 17, 4 : 187-203.
- ^ Maginness, MG; Plummer, JD; Meindl, JD (1974). "Un sensor de imagen acústica que utiliza una matriz de transmisión-recepción". Holografía acústica . Springer US: 619–631. doi : 10.1007 / 978-1-4757-0827-1_36 . ISBN 978-1-4757-0829-5.
- ^ Brooks, Thomas F .; Humphreys, William M. (2004). "Enfoque de deconvolución para el mapeo de fuentes acústicas". Divulgación de la invención de la NASA . Investigación Langley de la NASA. LAR-16907-1.
- ^ Sijtsma, P. (2007). "LIMPIO basado en la coherencia de la fuente espacial". Revista Internacional de Aeroacústica . 6 (4): 357–374. doi : 10.1260 / 147547207783359459 . S2CID 122396368 .
- ^ a b c d Meyer, Andy y Döbler, Dirk. "Localización de fuentes de ruido en el interior de un automóvil mediante matrices de micrófonos 3D". Actas de la BeBeC (2006).
- ^ Leon, Brusniak; Underbrink, James R .; Stoker, Robert W. (2006). "Imagen acústica de fuentes de ruido de aeronaves utilizando arreglos en fase de gran apertura". Conferencia Aeroacústica AIAA / CEAS . 12 .
- ^ Gwang-Se, Lee; Cheong, Cheolung; Shin, Su-Hyun; Jung, Sung-Soo (2012). "Un caso de estudio de localización e identificación de fuentes de ruido de una cancha y un aerogenerador regulado en pérdida". Acústica aplicada . 73 8 : 817–827.
- ^ Zimmermann, B .; Studer, C., "Prototipo de cámara acústica en tiempo real basado en FPGA", Circuits and Systems (ISCAS), Actas del Simposio Internacional IEEE de 2010, vol., No., Págs. 1419, 1419, 30 de mayo de 2010 al 2 de junio 2010
enlaces externos
- http://blog.prosig.com/2010/03/15/comparison-between-sound-intensity-probes-and-acoustic-cameras/
Enlaces de fabricantes
- https://www.sorama.eu/
- https://www.acoustic-camera.com/
- https://www.cae-systems.de/en/
- https://www.distran.ch/
- https://www.fluke.com/en-us/product/industrial-imaging/sonic-industrial-imager-ii900
- https://nlacoustics.com/
- https://web2.norsonic.com/product-cat/acoustic-camera/
- https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/products/simcenter/simcenter-sound-camera.html
- http://www.signalinterface.com/index.html
- http://smins.co.kr/en/
- https://www.microflown.com/