الموقع الصوتي

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 15 صور
الموسوعة الحرة
جنود سويديون يستخدمون جهاز تحديد المواقع الصوتي عام 1940

تحديد الموقع الصوتي هو أسلوب لتحديد موقع جسم أو مصدر صوت باستخدام الموجات الصوتية . ويمكن أن يتم تحديد الموقع في الغازات (مثل الغلاف الجوي)، والسوائل (مثل الماء)، والمواد الصلبة (مثل باطن الأرض).

يمكن تحديد الموقع بشكل فعال أو غير فعال:

  • يتضمن تحديد الموقع الصوتي النشط إنشاء صوت من أجل إنتاج صدى، والذي يتم تحليله بعد ذلك لتحديد موقع الجسم المعني.
  • يتضمن تحديد الموقع الصوتي السلبي الكشف عن الصوت أو الاهتزاز الناتج عن الجسم المراد اكتشافه، والذي يتم تحليله بعد ذلك لتحديد موقع الجسم المعني.

تُعرف كلتا هاتين التقنيتين، عند استخدامهما في الماء، باسم السونار ؛ ويُستخدم كل من السونار السلبي والسونار النشط على نطاق واسع.

تُعدّ المرايا والأطباق الصوتية ، عند استخدام الميكروفونات، وسيلةً لتحديد الموقع الصوتي السلبي، بينما تُعدّ وسيلةً لتحديد الموقع النشط عند استخدام مكبرات الصوت. عادةً ما يُستخدم أكثر من جهاز، ثم يُحدّد الموقع بدقة باستخدام تقنية التثليث بين هذه الأجهزة.

استُخدمت تقنية تحديد المواقع الصوتية السلبية كأداة للدفاع الجوي العسكري منذ منتصف الحرب العالمية الأولى [ 1 ] وحتى السنوات الأولى من الحرب العالمية الثانية لكشف طائرات العدو عن طريق التقاط ضجيج محركاتها. وقد أصبحت هذه التقنية متقادمة قبل وأثناء الحرب العالمية الثانية مع ظهور الرادار ، الذي كان أكثر فعالية بكثير (وإن كان قابلاً للاعتراض). تميزت التقنيات الصوتية بقدرتها على "الرؤية" خلف الزوايا وفوق التلال، بفضل حيود الصوت .

تشمل الاستخدامات المدنية تحديد مواقع الحياة البرية [ 2 ] وتحديد موقع إطلاق النار بالسلاح الناري. [ 3 ]

ملخص

تحديد موقع المصدر الصوتي [ 4 ] هو مهمة تحديد موقع مصدر الصوت بناءً على قياسات المجال الصوتي. يمكن وصف المجال الصوتي باستخدام كميات فيزيائية مثل ضغط الصوت وسرعة الجسيمات. ومن خلال قياس هذه الخصائص، يُمكن (بشكل غير مباشر) تحديد اتجاه المصدر.

تقليديًا، يُقاس ضغط الصوت باستخدام الميكروفونات. تتميز الميكروفونات بنمط قطبي يصف حساسيتها تبعًا لاتجاه الصوت الساقط. تمتلك العديد من الميكروفونات نمطًا قطبيًا شامل الاتجاهات، ما يعني أن حساسيتها مستقلة عن اتجاه الصوت الساقط. توجد ميكروفونات أخرى ذات أنماط قطبية أكثر حساسية في اتجاه معين. مع ذلك، لا يزال هذا غير كافٍ لحل مشكلة تحديد موقع الصوت، إذ يتطلب الأمر تحديد اتجاه دقيق أو نقطة انطلاق. إلى جانب الميكروفونات التي تقيس ضغط الصوت، يُمكن أيضًا استخدام مسبار سرعة الجسيمات لقياس سرعة الجسيمات الصوتية مباشرةً. سرعة الجسيمات كمية أخرى مرتبطة بالموجات الصوتية ، ولكنها، على عكس ضغط الصوت، كمية متجهة . بقياس سرعة الجسيمات، يُمكن الحصول على اتجاه المصدر مباشرةً. توجد أيضًا طرق أخرى أكثر تعقيدًا باستخدام مستشعرات متعددة. يعتمد العديد من هذه الطرق على تقنية فرق وقت الوصول (TDOA).

وقد وصف البعض تحديد موقع المصدر الصوتي بأنه " مشكلة عكسية " حيث يتم ترجمة مجال الصوت المقاس إلى موضع مصدر الصوت.

طُرق

توجد طرق مختلفة للحصول على اتجاه المصدر أو موقعه.

فرق التوقيت للوصول

تعتمد الطريقة التقليدية لتحديد اتجاه المصدر على استخدام طريقة فرق وقت الوصول (TDOA). ويمكن استخدام هذه الطريقة مع ميكروفونات الضغط وكذلك مع مجسات سرعة الجسيمات.

باستخدام مصفوفة من المجسات (مثل مصفوفة الميكروفونات ) تتكون من مجسين على الأقل، يمكن تحديد اتجاه المصدر باستخدام دالة الارتباط المتبادل بين إشارات كل مجس. تُعرَّف دالة الارتباط المتبادل بين ميكروفونين على النحو التالي:

Rx1،x2(τ)=∑ن=-∞∞x1(ن)x2(ن+τ){\displaystyle R_{x_{1},x_{2}}(\tau )=\sum _{n=-\infty }^{\infty }x_{1}(n)x_{2}(n+\tau )}

والذي يحدد مستوى الارتباط بين مخرجات جهازي استشعارx1{\displaystyle x_{1}}وx2{\displaystyle x_{2}}بشكل عام، يعني ارتفاع مستوى الارتباط أن الحجةτ{\displaystyle \tau }وهي قريبة نسبيًا من فرق وقت الوصول الفعلي . بالنسبة لجهازَي استشعار متجاورَين، يُعطى فرق وقت الوصول بالمعادلة التالية:

τحقيقي=دالتباعدج{\displaystyle \tau _{\text{true}}={\frac {d_{\text{spacing}}}{c}}}

أينج{\displaystyle c}هي سرعة الصوت في الوسط المحيط بالمستشعرات والمصدر.

من الأمثلة المعروفة على فرق وقت الوصول الزمني (TDOA) هو فرق الوقت بين الأذنين . يُعرَّف فرق الوقت بين الأذنين بأنه الفرق في وقت وصول الصوت بين الأذنين. ويُعطى فرق الوقت بين الأذنين بالعلاقة التالية:

Δت=xكوس⁡θج{\displaystyle \Delta t={\frac {x\cos \theta }{c}}}

أين

Δت{\displaystyle \Delta t}الفرق الزمني بالثواني،
x{\displaystyle x}المسافة بين المستشعرين (الأذنين) بالمتر،
θ{\displaystyle \theta }هي الزاوية بين خط الأساس لأجهزة الاستشعار (الأذنين) والصوت الساقط، بالدرجات.

التثليث

في علم المثلثات والهندسة ، يُعرف التثليث بأنه عملية تحديد موقع نقطة ما عن طريق قياس الزوايا بينها وبين نقاط معلومة على طرفي خط أساس ثابت، بدلاً من قياس المسافات إلى النقطة مباشرةً ( التثليث الجانبي ). وبذلك ، يمكن تحديد النقطة كنقطة ثالثة في مثلث معلوم أحد أضلاعه وزاويتين معلومتين.

بالنسبة لتحديد الموقع الصوتي، هذا يعني أنه إذا تم قياس اتجاه المصدر في موقعين أو أكثر في الفضاء، فمن الممكن تحديد موقعه عن طريق التثليث.

الأساليب غير المباشرة

تُعدّ طرق القدرة المُوجَّهة للاستجابة (SRP) فئةً من طرق تحديد موقع المصدر الصوتي غير المباشرة. فبدلاً من تقدير مجموعة من فروق أوقات الوصول (TDOAs) بين أزواج من الميكروفونات ودمج التقديرات المُكتسبة لتحديد موقع المصدر، تبحث الطرق غير المباشرة عن موقع مُحتمل للمصدر ضمن شبكة من النقاط المكانية. في هذا السياق، تُفسَّر طرق مثل القدرة المُوجَّهة للاستجابة مع تحويل الطور (SRP-PHAT) [ 5 ] عادةً على أنها إيجاد الموقع المُحتمل الذي يُعظِّم مُخرَج مُشكِّل الحزمة ذي التأخير والجمع. وقد أثبتت هذه الطريقة متانتها العالية في مواجهة الضوضاء والصدى، مما حفّز تطوير مناهج مُعدَّلة تهدف إلى تحسين أدائها في تطبيقات المعالجة الصوتية الآنية. [ 6 ]

الاستخدام العسكري

جهاز تحديد موقع الصوت T3 1927
صورة فوتوغرافية تعود لما قبل الحرب العالمية الثانية للإمبراطور الياباني شووا (هيروهيتو) وهو يتفقد أجهزة تحديد المواقع الصوتية العسكرية المثبتة على عربات ذات أربع عجلات.

شملت الاستخدامات العسكرية تحديد مواقع الغواصات [ 7 ] والطائرات. [ 8 ] يُنسب أول استخدام لهذا النوع من المعدات إلى القائد ألفريد راولينسون من الاحتياط البحري الملكي المتطوع ، الذي كان يقود في خريف عام 1916 بطارية متنقلة مضادة للطائرات على الساحل الشرقي لإنجلترا. احتاج راولينسون إلى وسيلة لتحديد مواقع المناطيد في ظروف جوية غائمة، فقام بصنع جهاز مرتجل من زوج من أبواق الغراموفون مثبتة على عمود دوار. تمكنت عدة أجهزة من هذه المعدات من تحديد مواقع المناطيد المقتربة بدقة معقولة، مما سمح بتوجيه المدافع نحوها رغم كونها خارج نطاق الرؤية. [ 9 ] على الرغم من عدم تحقيق أي إصابات بهذه الطريقة، ادعى راولينسون أنه أجبر منطادًا على إلقاء قنابله في إحدى المرات. [ 10 ]

كانت أجهزة الدفاع الجوي تتألف عادةً من أبواق أو ميكروفونات كبيرة متصلة بآذان المشغلين باستخدام أنابيب، تشبه إلى حد كبير سماعة الطبيب الكبيرة جدًا . [ 11 ] [ 12 ]

جهاز تحديد موقع الصوت في ألمانيا، عام ١٩٣٩. يتكون من أربعة أبواق صوتية، زوج أفقي وزوج رأسي، موصولة بأنابيب مطاطية بسماعات أذن تشبه سماعات الطبيب، يرتديها فنيان على اليمين واليسار. مكّنت سماعات الأذن المجسمة أحد الفنيين من تحديد اتجاه الطائرة، والآخر من تحديد ارتفاعها.

في أواخر عشرينيات القرن العشرين، كشفت مقارنة تشغيلية أجرتها شركة "ميتجيباو" في هولندا بين عدة أجهزة استماع صوتية كبيرة من دول مختلفة عن عيوبها. وأظهرت الأبحاث الأساسية أن حاسة السمع البشرية أفضل مما كان يُعتقد في عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين. فتم تطوير أجهزة استماع جديدة أقرب إلى الأذنين وذات وصلات محكمة الإغلاق. علاوة على ذلك، وفرت معدات التنبؤ الميكانيكية، نظرًا لبطء سرعة الصوت مقارنةً بالطائرات الأسرع، وتصحيحات الارتفاع، معلوماتٍ لتوجيه مشغلي كشافات الإضاءة ومدفعيي الدفاع الجوي إلى مسار الطائرة المكتشفة. ونظرًا لضرورة وضع كشافات الإضاءة والمدافع على مسافة من جهاز الاستماع، تم تطوير أجهزة تحديد الاتجاه الكهربائية. [ 13 ]

أُنجز معظم العمل على تحديد مدى الصوت المضاد للطائرات على يد البريطانيين. فقد طوروا شبكة واسعة من المرايا الصوتية التي استُخدمت من الحرب العالمية الأولى إلى الحرب العالمية الثانية. [ 14 ] [ 15 ] تعمل المرايا الصوتية عادةً باستخدام ميكروفونات متحركة لإيجاد الزاوية التي تُعظّم سعة الصوت المُستقبل، وهي نفسها زاوية اتجاه الهدف. تُولّد مرآتان صوتيتان في موقعين مختلفين اتجاهين مختلفين، مما يسمح باستخدام التثليث لتحديد موقع مصدر الصوت.

مع اقتراب الحرب العالمية الثانية، بدأ الرادار يُصبح بديلاً موثوقاً لتحديد موقع الطائرات بالصوت. ففي ظل سرعات الطائرات المعتادة آنذاك، لم يكن تحديد الموقع بالصوت يُوفر سوى بضع دقائق من الإنذار. [ 8 ] وقد تُركت محطات تحديد الموقع الصوتي قيد التشغيل كنسخة احتياطية للرادار، كما تجلى ذلك خلال معركة بريطانيا . [ 16 ] واليوم، لا تزال هذه المواقع المهجورة قائمة ويمكن الوصول إليها بسهولة. [ 14 ]

بعد الحرب العالمية الثانية، لم يعد لتحديد المدى الصوتي أي دور في عمليات الدفاع الجوي.

محددات المواقع النشطة / السلبية

تحتوي أجهزة تحديد المواقع النشطة على نوع من أجهزة توليد الإشارات، بالإضافة إلى جهاز استماع. ولا يشترط أن يكون الجهازان موجودين في نفس الموقع.

السونار

السونار (الملاحة الصوتية وتحديد المدى) تقنية تستخدم انتشار الصوت تحت الماء (أو أحيانًا في الهواء) للملاحة والتواصل واكتشاف السفن الأخرى. يوجد نوعان من السونار: النشط والسلبي. يمكن لجهاز سونار نشط واحد تحديد الموقع بدقة في المدى والاتجاه، بالإضافة إلى قياس السرعة الشعاعية. أما جهاز سونار سلبي واحد، فيمكنه تحديد الموقع في الاتجاه فقط، مع إمكانية استخدام تحليل حركة الهدف لتحديد الموقع بدقة في المدى، مع مراعاة الوقت. ويمكن استخدام عدة أجهزة سونار سلبية لتحديد الموقع بدقة في المدى عن طريق التثليث أو الارتباط، بشكل مباشر.

تحديد الموقع بالصدى البيولوجي

تستخدم الدلافين والحيتان والخفافيش تحديد الموقع بالصدى لاكتشاف الفرائس وتجنب العوائق.

تحديد الموقع حسب وقت الوصول

بوجود مكبرات صوت/ أجهزة إرسال فوق صوتية تُصدر الصوت في مواقع وأوقات محددة، يمكن تقدير موقع هدف مزود بميكروفون/جهاز استقبال فوق صوتي بناءً على وقت وصول الصوت. عادةً ما تكون الدقة ضعيفة في ظروف عدم وجود خط رؤية مباشر ، حيث توجد عوائق بين أجهزة الإرسال وأجهزة الاستقبال. [ 17 ]

المسوحات الزلزالية

تمثيل ثلاثي الأبعاد لوادي تحت البحر الأحمر باستخدام تقنية صدى الصوت، بواسطة سفينة المسح إتش إم إس إنتربرايز

تتضمن المسوحات الزلزالية توليد موجات صوتية لقياس التراكيب تحت الأرض. وتُنتج هذه الموجات عادةً بواسطة آليات قرعية تقع بالقرب من سطح الأرض أو الماء، كالأوزان الساقطة أو شاحنات الاهتزاز الزلزالي أو المتفجرات. تُجمع البيانات باستخدام أجهزة الجيوفون، ثم تُخزن وتُعالج بواسطة الحاسوب. وتتيح التقنيات الحديثة توليد صور ثلاثية الأبعاد للتراكيب الصخرية تحت الأرض باستخدام هذه المعدات.

آخر

نظراً لانخفاض تكلفة أجهزة الاستشعار والإلكترونيات المرتبطة بها، أصبح استخدام تقنية تحديد المدى الصوتي متاحاً لأغراض أخرى، مثل تحديد مواقع الحياة البرية. [ 18 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ما مدى بُعد ذلك المدفع الألماني؟ كيف تم تحديد مواقع 63 مدفعًا ألمانيًا باستخدام الموجات الصوتية فقط في يوم واحد ، مجلة العلوم الشعبية الشهرية، ديسمبر 1918، صفحة 39، تم مسحها ضوئيًا بواسطة كتب جوجل: https://books.google.com/books?id=EikDAAAAMBAJ&pg=PA39
  2. ↑ "مشاريع مختارة" . شركة غرينريدج ساينسز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16-05-2006 .
  3. ↑ لورين غرين مازيرول وآخرون (ديسمبر 1999). "مشاكل إطلاق النار العشوائي وأنظمة الكشف عن إطلاق النار" (ملف PDF) . موجز بحثي للمعهد الوطني للعدالة . 
  4. ↑ "تحديد موقع المصدر الصوتي بناءً على تحليل المكونات المستقلة" . LMS. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2018-01-08 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2018-01-07 .
  5. ↑ ديبياسي، جيه إتش (2000). تقنية عالية الدقة ومنخفضة زمن الاستجابة لتحديد موقع المتحدث في البيئات ذات الصدى باستخدام مصفوفات الميكروفونات (ملف PDF) (أطروحة دكتوراه). جامعة براون.
  6. ↑ كوبوس، م.؛ مارتي، أ.؛ لوبيز، ج. ج. (2011). "دالة SRP-PHAT مُعدّلة لتحديد موقع مصدر الصوت في الوقت الحقيقي بدقة عالية مع أخذ عينات مكانية قابلة للتوسع". رسائل معالجة الإشارات IEEE . 18 (1): 71-74 . Bibcode : 2011ISPL...18...71C . doi : 10.1109/LSP.2010.2091502 . hdl : 10251/55953 . S2CID 18207534 . 
  7. ↑ كريستيان يوهانسان وآخرون . "تتبع الغواصات باستخدام دمج البيانات من أجهزة استشعار متعددة والتخطيط التفاعلي لتحديد مواقع عوامات السونار السلبية" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 27 مارس 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 مايو 2006 . 
  8. 1 2 دبليو. ريتشموند (2003). "قبل الرادار - الكشف الصوتي عن الطائرات" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28-09-2007 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 06-01-2013 .
  9. ↑ راولينسون، ألفريد (1923)، راولينسون، الدفاع عن لندن ، أندرو ميلروز، لندن ونيويورك، الصفحات 110-114. مؤرشف في 5 مايو 2016، في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
  10. ↑ راولينسون، الصفحات 118-119
  11. ↑ دوغلاس سيلف. "الموقع الصوتي ومرايا الصوت" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 12 يناير 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 يونيو 2006 .
  12. ↑ جيم موليجان. "صورة لجهاز تحديد موقع الصوت" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 2006-10-02 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2006-05-15 .
  13. ↑ تاريخ الصوتيات الهوائية في متحف فالسدورب
  14. 1 2 فيل هايد (يناير 2002). "مرايا الصوت على الساحل الجنوبي" . مؤرشف من الأصل في 2 مايو 2009. تم الاطلاع عليه في 13 مايو 2006 .
  15. ↑ أندرو غرانثام (8 نوفمبر 2005). "مرايا صوت الإنذار المبكر" .
  16. ↑ لي بريميكومب وودز (7 ديسمبر 2005). "الأزرق المحترق: معركة بريطانيا 1940" (ملف PDF) . شركة جي إم تي جيمز ذ.م.م.
  17. ↑ تشان، واي تي؛ تسوي، دبليو واي؛ سو، إتش سي؛ تشينغ، بي سي (2006). "تحديد الموقع بناءً على وقت الوصول في ظروف عدم وجود خط رؤية مباشر". معاملات IEEE في تكنولوجيا المركبات . 55 (1): 17-24 . رمز Bibcode : 2006ITVT...55...17C . doi : 10.1109/TVT.2005.861207 . ISSN 0018-9545 . S2CID 6697621 .  
  18. ↑ جون ل. سبيسبرغر (يونيو 2001). "أخطاء تحديد الموقع الزائدية الناتجة عن عدم كفاية عدد أجهزة الاستقبال". مجلة الجمعية الصوتية الأمريكية . 109 (6): 3076-3079 . Bibcode : 2001ASAJ..109.3076S . doi : 10.1121/1.1373442 . PMID 11425152 .