音響的位置

音響による位置特定は、音波を使用して物体または音源の位置を特定する方法です。位置特定は、気体（大気など）、液体（水など）、固体（地球など）内で行うことができます。

位置情報の取得は能動的にも受動的にも行うことができます。

• 能動的な音響位置特定では、音を発生させてエコーを発生させ、それを分析して対象物体の位置を特定します。
• パッシブ音響位置特定では、検出対象の物体によって生成された音または振動を検出し、それを分析して対象の物体の位置を特定します。

水中で使用されるこれらの技術は両方ともソナーと呼ばれ、パッシブソナーとアクティブソナーの両方が広く使用されています。

音響ミラーや音響皿は、マイクを使用する場合は受動的な音響位置特定手段ですが、スピーカーを使用する場合は能動的な位置特定手段となります。通常は、複数のデバイスが使用され、複数のデバイス間で位置が三角測量されます。

受動音響位置特定法は、軍の防空手段として、第一次世界大戦中期^[1]から第二次世界大戦初期にかけて、敵機のエンジン音を拾って敵機を探知するために使用されました。第二次世界大戦前と戦中には、はるかに効果的（ただし傍受可能）なレーダーの導入により、この方法は時代遅れとなりました。音響技術には、音の回折により、角を曲がった先や丘の向こうも「見える」という利点がありました。

民間での使用には、野生動物の位置特定^[2]や銃器の射撃位置の特定^{[3]などがある。}

音源定位^{[4]は、音場の測定値に基づいて}音源の位置を特定する作業です。音場は、音圧や粒子速度などの物理量を使用して記述できます。これらの特性を測定することで、（間接的に）音源方向を取得することができます。

従来、音圧はマイクロフォンを使用して測定されます。マイクロフォンには、入射音の方向の関数として感度を表す極性パターンがあります。多くのマイクロフォンは全方向性極性パターンを備えているため、感度は入射音の方向に依存しません。特定の方向に感度が高い他の極性パターンを持つマイクロフォンも存在します。ただし、正確な方向または発生点を特定しようとするため、これはまだ音源定位の問題に対する解決策にはなりません。音圧を測定するマイクロフォンを検討する以外に、粒子速度プローブを使用して音響粒子速度を直接測定することも可能です。粒子速度は音波に関連する別の量ですが、音圧とは異なり、粒子速度はベクトルです。粒子速度を測定することにより、音源方向を直接取得します。複数のセンサーを使用する他のより複雑な方法も可能です。これらの方法の多くは、到着時間差(TDOA) 技術を使用します。

測定された音場が音源の位置に変換されるという点で、音源の位置特定を「逆問題」 と呼ぶ人もいます。

ソースの方向またはソースの位置を取得するには、さまざまな方法が可能です。

音源方向を取得する従来の方法は、到達時間差 (TDOA) 法を使用することです。この方法は、圧力マイクロフォンと粒子速度プローブの両方で使用できます。

少なくとも2つのプローブからなるセンサアレイ（例えば、マイクロフォンアレイ）では、各プローブの信号間の相互相関関数を使用して音源方向を取得することができます。2つのマイクロフォン間の相互相関関数は次のように定義されます。

${\displaystyle R_{x_{1},x_{2}}(\tau )=\sum _{n=-\infty }^{\infty }x_{1}(n)x_{2}(n+\tau )}$

これは、 2つのセンサーの出力との間の相関レベルを定義します。一般に、相関レベルが高いほど、引数が実際の到着時間差に比較的近いことを意味します。互いに隣接する2つのセンサーの場合、TDOAは次のように表されます。 ${\displaystyle x_{1}}$${\displaystyle x_{2}}$${\displaystyle \tau}$

${\displaystyle \tau _{\text{true}}={\frac {d_{\text{間隔}}}{c}}}$

センサーと音源を囲む媒体内の音速は どこでしょうか。${\displaystyle c}$

TDOAのよく知られた例としては、両耳間時間差があります。両耳間時間差とは、2つの耳の間で音が到達する時間の差です。両耳間時間差は次のように表されます。

${\displaystyle \Delta t={\frac {x\cos \theta }{c}}}$

どこ

${\displaystyle \Delta t}$秒単位の時間差です。

${\displaystyle x}$2つのセンサー（耳）間の距離（メートル）

${\displaystyle \theta}$センサー（耳）のベースラインと入射音の間の角度（度）です。

三角法と幾何学において、三角測量とは、点までの距離を直接測定するのではなく (三辺測量)、固定された基線の両端にある既知の点からの角度を測定することで点の位置を決定するプロセスです。これにより、1 つの辺と 2 つの角度が既知の三角形の 3 番目の点として点を固定できます。

音響による位置特定の場合、音源の方向が空間内の 2 つ以上の場所で測定されると、その位置を三角測量することが可能になります。

ステアードレスポンスパワー（SRP）法は、間接的な音響音源定位法の一種です。マイクロフォンのペア間の到着時間差（TDOA）のセットを推定し、取得した推定値を組み合わせて音源の位置を見つける代わりに、間接的な方法では、空間点のグリッド上で候補音源の位置を検索します。この文脈では、ステアードレスポンスパワーと位相変換（SRP-PHAT）^[5]などの方法は、通常、遅延和ビームフォーマーの出力を最大化する候補位置を見つけるものと解釈されます。この方法は、ノイズや残響に対して非常に堅牢であることが示されており、リアルタイム音響処理アプリケーションでのパフォーマンスを向上させることを目的とした修正されたアプローチの開発を促進しています。^[6]

軍事用途としては、潜水艦^[7]や航空機の位置特定などがある。^[8]このタイプの装置が初めて使用されたのは、1916年秋にイギリス東海岸で移動式対空砲台を指揮していた王立海軍予備隊のアルフレッド・ローリンソン司令官である。彼は曇天時にツェッペリン飛行船の位置を特定する手段を必要とし、回転する棒に2つの蓄音機ホーンを取り付けて即席の装置を作った。これらの装置のいくつかは、接近する飛行船をかなり正確に特定することができ、視界外であっても銃を向けることができた。^[9]この方法で命中は得られなかったが、ローリンソンは一度、ツェッペリン飛行船に爆弾を投下させたと主張している。^[10]

防空機器は通常、非常に大きな聴診器のように、チューブを使用してオペレーターの耳に接続された大きなホーンまたはマイクで構成されていました。^{[11] [12]}

1920年代末、オランダのミートヘボウが各国の大型音響盗聴装置を運用比較したところ、欠点が明らかになった。基礎研究により、人間の耳は20年代や30年代に考えられていたよりも優れていることがわかった。耳に近く、気密性のある接続の新しい盗聴装置が開発された。さらに、機械予測装置では、音速が飛行機に比べて遅いことと、高度補正により、探知した飛行機の飛行場所をサーチライト操作員と対空砲手に指示する情報が提供された。探知灯と砲は盗聴装置から離れた場所に設置する必要があった。そのため、電気方向指示装置が開発された。^[13]

対空音響測距に関する研究のほとんどはイギリスによって行われました。イギリスは第一次世界大戦から第二次世界大戦まで使用された音響鏡の広範なネットワークを開発しました。 ^{[14] [15]}音響鏡は通常、可動式マイクを使用して、受信した音の振幅を最大化する角度、つまり目標に対する方位角を検出します。異なる位置にある 2 つの音響鏡は 2 つの異なる方位を生成するため、三角測量を使用して音源の位置を特定できます。

第二次世界大戦が近づくにつれ、レーダーは航空機の位置を音で確認する代わりの信頼できる手段となり始めた。当時の航空機の典型的な速度では、音で確認できるのはほんの数分の警告に過ぎなかった。^{[8]音響位置確認ステーションは、}バトル・オブ・ブリテンで例示されたように、レーダーのバックアップとして運用されたままだった。^[16]今日、放棄された施設はまだ存在しており、簡単にアクセスすることができる。^{[14] [ dead link ‍ ]}

第二次世界大戦後、音響測距は対空作戦においてそれ以上の役割を果たさなくなった。^[要出典]

アクティブ ロケーターには、リスニング デバイスに加えて、何らかの信号生成デバイスがあります。2 つのデバイスを一緒に配置する必要はありません。

ソナー(音響航法と測距) は、水中 (または場合によっては空中) での音響伝播を利用して航行、通信、または他の船舶の検出を行う技術です。ソナーには、アクティブとパッシブの 2 種類があります。1 つのアクティブ ソナーで、距離と方位を特定できるほか、半径速度も測定できます。ただし、1 つのパッシブ ソナーでは、方位を直接特定することしかできません。ただし、ターゲット モーション分析を使用すると、時間を指定して距離を特定できます。複数のパッシブ ソナーを使用すると、三角測量または相関によって距離を直接特定できます。

イルカ、クジラ、コウモリはエコーロケーションを利用して獲物を探知し、障害物を回避します。

スピーカー/超音波送信機が既知の位置と時間に音を発すると、マイク/超音波受信機を備えたターゲットの位置は、音の到着時間に基づいて推定できます。送信機と受信機の間に障害物がある 非視線条件下では、通常、精度は低くなります。 ^[17]

地震調査では、地下構造を測定するために音波を発生させます。音源波は一般に、地面または水面付近に設置された打撃機構によって生成されます。通常は、落とされた重り、振動トラック、または爆発物です。データは受振器で収集され、コンピューターで保存および処理されます。現在の技術では、このような装置を使用して地下の岩石構造の 3D 画像を生成することができます。

関連するセンサーや電子機器のコストが低下しているため、音響測距技術は野生動物の位置特定など他の用途にも利用され始めています。^[18]

• 音響カメラ
• 3Dサウンド再構築
• 3Dサウンド定位
• 音の定位
• ブーメラン
• マルチラテレーション
• 音響ミラー
• 音響による道案内、聴覚の手がかりと音のマーカーを使って屋内外の空間を移動する行為
• 動物のエコーロケーション、動物は音を発し、その反響を聞いて物体の位置を特定したり、方向を定めたりする。
• エコーサウンディングは、音波の反響を聞いて海底までの距離を測定するソナーの特殊な例です。
• 銃撃探知機
• 人間のエコーロケーション、視覚障害者によるエコーロケーションの使用
• 人間の混獲
• 医療用超音波検査、超音波エコーを使用して体内を観察する
• 感覚代替

• 「巨大な耳が飛行機の位置を特定し、その速度を告げる」ポピュラーメカニクス、1930 年 12 月号、写真付きフランスの航空機音響検出器に関する記事。
• ビームフォーミングの参考文献には多くの参考文献があります。
• 協調的音源定位に関する実証的研究