ध्वनिक स्थान

स्वीडन के सैनिक 1940 में ध्वनिक लोकेटर का संचालन करते हैं

ध्वनिक स्थान स्रोत या परावर्तक की दूरी और दिशा निर्धारित करने के लिए ध्वनि का उपयोग किया जाता है। स्थान सक्रिय या निष्क्रिय रूप से किया जा सकता है, जो गैसों (जैसे वायुमंडल), तरल पदार्थ (जैसे पानी), और ठोस पदार्थों (जैसे पृथ्वी में) में हो सकता है।

सक्रिय ध्वनिक स्थान में प्रतिध्वनि उत्पन्न करने के लिए ध्वनि का निर्माण सम्मिलित है, जिसका विश्लेषण वस्तु के स्थान को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।
निष्क्रिय ध्वनिक स्थान में वस्तु द्वारा उत्पन्न ध्वनि या कंपन को ज्ञात करना सम्मिलित होता है, जिसका विश्लेषण वस्तु के स्थान को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।

इन दोनों तकनीकों का उपयोग जब पानी में किया जाता है, तो उन्हें सोनार के रूप में जाना जाता है। निष्क्रिय सोनार और सक्रिय सोनार दोनों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

माइक्रोफोन का उपयोग करते समय ध्वनिक दर्पण निष्क्रिय ध्वनिक स्थानीयकरण के साधन होते हैं, किन्तु स्पीकर का उपयोग करते समय सक्रिय स्थानीयकरण के साधन होते हैं। विशिष्ट रूप से, अधिक उपकरणों का उपयोग किया जाता है और तत्पश्चात स्थान को विभिन्न उपकरणों के त्रिकोणित किया जाता है।

सैन्य वायु रक्षा उपकरण के रूप में, प्रथम विश्व युद्ध से^[1] द्वितीय विश्व युद्ध के प्रारंभिक वर्षों तक शत्रु के विमानों को ज्ञात करने के लिए निष्क्रिय ध्वनिक स्थान का उपयोग किया गया था। द्वितीय विश्व युद्ध से पूर्व राडार के प्रारम्भ के कारण यह अप्रचलित हो गया था, जो अधिक प्रभावी (किन्तु अवरोधन योग्य) था। ध्वनिक तकनीकों का लाभ यह था कि ध्वनि विवर्तन के कारण शीर्षों और पहाड़ियों के निकट देखा जा सकता था।

नागरिक उपयोगों में वन्य जीवन^[2] और आग्नेयास्त्र की शूटिंग स्थिति को ज्ञात करना सम्मिलित है।^[3]

अवलोकन

ध्वनिक स्रोत स्थानीयकरण^[4] द्वारा ध्वनि का स्रोत ज्ञात किया जाता है। ध्वनि क्षेत्र को ध्वनि दबाव और कण वेग जैसी भौतिक मात्राओं का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है। इन गुणों को मापने से स्रोत दिशा प्राप्त करना (अप्रत्यक्ष रूप से) संभव होता है।

स्वाभाविक रूप से ध्वनि दाब को माइक्रोफोन का उपयोग करके मापा जाता है। माइक्रोफोन में ध्रुवीय पैटर्न होता है जो घटना ध्वनि की दिशा के कार्य के रूप में उनकी संवेदनशीलता का वर्णन करता है। विभिन्न माइक्रोफोन में सर्वदिशात्मक ध्रुवीय पैटर्न होते हैं, जिसका अर्थ है कि उनकी संवेदनशीलता घटना ध्वनि की दिशा से स्वतंत्र होती है। अन्य ध्रुवीय पैटर्न के माइक्रोफोन उपस्थित हैं जो निश्चित दिशा में अधिक संवेदनशील होते हैं। चूँकि अभी भी ध्वनि स्थानीयकरण समस्या का कोई समाधान नहीं है क्योंकि यह त्रुटिहीन दिशा या मूल बिंदु निर्धारित करने का प्रयास करता है। ध्वनि के दबाव को मापने वाले माइक्रोफोन पर विचार करने के अतिरिक्त ध्वनिक कण वेग को मापने के लिए कण वेग अन्वेषण का उपयोग करना भी संभव है। कण वेग ध्वनिक तरंगों से संबंधित अन्य मात्रा है, चूँकि ध्वनि के दबाव के विपरीत, कण वेग यूक्लिडियन वेक्टर होता है। कण वेग को मापने से स्रोत की दिशा प्राप्त होती है। विभिन्न सेंसरों का उपयोग करने वाली अन्य जटिल विधियाँ भी संभव हैं। विभिन्न विधियाँ टाइम डिफरेंस ऑफ़ अराइवल (टीडीओए) तकनीक का उपयोग करती हैं।

कुछ व्यक्तियों ने ध्वनिक स्रोत स्थानीयकरण को प्रतिकूल समस्या बताया है जिसके अंतर्गत मापा ध्वनि क्षेत्र ध्वनि स्रोत की स्थिति में अनुवादित होता है।

विधि

स्रोत दिशा अथवा स्रोत स्थान प्राप्त करने के लिए विभिन्न विधियाँ संभव हैं।

कण वेग अथवा तीव्रता वेक्टर

बड़े कंप्रेसर का 3डी ध्वनि स्थानीयकरण^[5]

कण वेग अन्वेषण का उपयोग करके ध्वनिक कण वेग को मापना सरल एवं नई विधि है। कण वेग सदिश राशि है और इस प्रकार इसमें दिशात्मक ज्ञान भी सम्मिलित होता है। विभिन्न उत्पादों के ध्वनिक प्रदर्शन का मूल्यांकन करने और व्यक्तिपरक ध्वनि आकलन का समर्थन करने के लिए वस्तुनिष्ठ डेटा प्रदान करने सहित ध्वनि के अभिप्राय को प्रमाणित करने और हल करने सहित अनुप्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला में ध्वनिक स्रोतों को स्थानीय बनाने के लिए इस प्रकार के अन्वेषण को मापने वाली प्रणालियों और समाधानों की विस्तृत विविधता है।^[6]

टाइम डिफरेंस ऑफ़ अराइवल

स्रोत दिशा प्राप्त करने की पारंपरिक विधि टाइम डिफरेंस ऑफ़ अराइवल (टीडीओए) का उपयोग कर रही है। माइक्रोफोन और कण वेग अन्वेषण के साथ इस पद्धति का उपयोग किया जा सकता है।

सेंसर सरणी (उदाहरण के लिए माइक्रोफोन सरणी) के साथ प्रत्येक अन्वेषण के सिग्नल के मध्य क्रॉस-सहसंबंध फ़ंक्शन का उपयोग करके स्रोत दिशा प्राप्त करना संभव है। दो माइक्रोफ़ोन के मध्य क्रॉस-सहसंबंध फ़ंक्शन को इस रूप में परिभाषित किया गया है-

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

जो दो सेंसर $x_{1}$ और $x_{2}$ के आउटपुट के मध्य सहसंबंध के स्तर को परिभाषित करता है। सामान्यतः, उच्च स्तर के सहसंबंध का अर्थ है कि विवेचना $\tau$ आगमन की वास्तविक समय-भिन्नता के अपेक्षाकृत निकट है। दो सेंसर के लिए टीडीओए दिया जाता है-

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

जहाँ $c$ सेंसर और स्रोत के माध्यम में ध्वनि की गति है।

टीडीओए का प्रसिद्ध उदाहरण अंतराल समय भिन्नता है। समय भिन्नता के निम्नलिखित सूत्र द्वारा प्राप्त किया जा सकता है-

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

जहाँ,

\Delta t

समय अंतराल है,

x

दो सेंसरों के मध्य की दूरी है,

\theta

सेंसर की आधार रेखा और आपतित ध्वनि के मध्य का कोण डिग्री में है।

त्रिकोणासन

त्रिकोणमिति और ज्यामिति में, त्रिकोणासन बिंदु की दूरी को मापने के अतिरिक्त निश्चित आधार रेखा के दोनों शीर्षों पर ज्ञात बिंदुओं से कोणों को मापकर बिंदु स्थान निर्धारित करने की प्रक्रिया (ट्रायलिटिरेशन) है। तब बिंदु को त्रिभुज के तृतीय बिंदु के रूप में ज्ञात पक्ष और दो ज्ञात कोणों के साथ निश्चित किया जा सकता है।

ध्वनिक स्थानीयकरण के लिए इसका अर्थ यह है कि यदि स्रोत दिशा को अंतरिक्ष में दो या दो से अधिक स्थानों पर मापा जाता है तो इसके स्थान को त्रिकोणित करना संभव होता है।

अप्रत्यक्ष विधि

स्टीयर रिस्पांस पावर (SRP) विधियाँ अप्रत्यक्ष ध्वनिक स्रोत स्थानीयकरण विधियों का वर्ग है। माइक्रोफ़ोन के जोड़े के मध्य टाइम डिफरेंस ऑफ़ अराइवल (TDOAs) के सेट का अनुमान लगाने और स्रोत स्थान के शोध के लिए अधिग्रहीत अनुमानों के संयोजन के अतिरिक्त, अप्रत्यक्ष विधि स्थानिक बिंदुओं के ग्रिड पर स्रोत स्थान का अन्वेषण करते हैं। इस संदर्भ में, स्टीयर-रिस्पांस पावर फेज ट्रांसफॉर्म (SRP-PHAT) जैसी विधियों^[7] की व्याख्या सामान्यतः स्थान के शोधन के रूप में की जाती है जो विलंब-और-सम बीमफॉर्मर के आउटपुट को बढ़ाता है। विधि को ध्वनि और प्रतिध्वनि के लिए स्थिर प्रदर्शित किया गया है, जो ध्वनिक प्रसंस्करण अनुप्रयोगों में इसके प्रदर्शन को बढ़ाने के उद्देश्य से संशोधित दृष्टिकोणों के विकास को प्रेरित करता है।^[8]

सैन्य उपयोग

T3 साउंड लोकेटर 1927

जापानी सम्राट शोवा (हिरोहितो) का द्वितीय विश्व युद्ध से पूर्व का चित्र, जो 4-पहिया वाहनों पर लगे सैन्य ध्वनिक लोकेटर का निरीक्षण कर रहा है।

सैन्य उपयोग में पनडुब्बियों और विमानों^[9] को ज्ञात करना सम्मिलित है^[10] इस प्रकार के उपकरणों के प्रथम उपयोग का आशय रॉयल नेवल वालंटियर रिजर्व के तृतीय बैरोनेट कमांडर सर अल्फ्रेड रॉलिन्सन ने किया था, जो 1916 में इंग्लैंड के पूर्वी तट पर मोबाइल एंटी-एयरक्राफ्ट बैटरी के उत्तरदायित्व को नियंत्रित कर रहे थे। ज़ेपेलिन्स को ज्ञात करने के लिए उन्हें साधन की आवश्यकता थी और घूमने वाले पोल पर लगे ग्रामोफ़ोन हॉर्न की जोड़ी से उन्होंने उपकरण में सुधार किया था। इनमें से कई उपकरण निकट आने वाले वायुयान पर पर्याप्त त्रुटिहीन फिक्स देने में सक्षम थे, जिससे दृष्टि से ओझल होने पर भी बंदूकों को उनकी ओर निर्देशित किया जा सकता था। रेफरी> रॉलिन्सन, अल्फ्रेड (1923), रॉलिन्सन, द डिफेंस ऑफ लंदन, एंड्रयू मेलरोज़, लंदन और न्यूयॉर्क, पीपी। 110-114 {{webarchive |url=https://web.archive.org/web/20160505212617/https://archive.org/stream/defenceoflondon100rawluoft#page/110/mode/2up |date=May 5, 2016 }</ref> चूँकि इस विधि से कोई हिट प्राप्त नहीं हुई थी। रॉलिन्सन का दृंढकथन यह था कि उसने अवसर पर ज़ेपेल्लिन को बम गिराने के लिए विवश किया था। रेफरी>रॉलिन्सन, पीपी. 118–119</ref>

वायु-रक्षा उपकरणों में सामान्यतः अधिक बड़े परिश्रावक की भाँति टयूबिंग का उपयोग करके ऑपरेटरों से जुड़े बड़े माइक्रोफोन सम्मिलित होते हैं। रेफ नाम = बड़ा कान >Douglas Self. "ध्वनिक स्थान और ध्वनि दर्पण". Archived from the original on 2011-01-12. Retrieved 2006-06-01.</ref>^[11]

जर्मनी 1939 में ध्वनि स्थान उपकरण। जिसमें चार ध्वनिक हॉर्न, क्षैतिज जोड़ी और लंबवत जोड़ी होती है, जो रबर ट्यूब द्वारा स्टेथोस्कोप प्रकार के इयरफ़ोन से जुड़ी होती है, जिसे दो तकनीकज्ञ बाएँ और दाएँ पहनते हैं। स्टीरियो इयरफ़ोन ने तकनीकज्ञ को विमान की दिशा और ऊंचाई निर्धारित करने में सक्षम बनाया।

विमान साउंड रेंजिंग पर अधिकांश कार्य अंग्रेजों ने किया था। उन्होंने ध्वनि दर्पणों का व्यापक नेटवर्क विकसित किया जिसका उपयोग प्रथम विश्व युद्ध से द्वितीय विश्व युद्ध के समय किया गया था।^[12]^[13] ध्वनि दर्पण सामान्य रूप से माइक्रोफोन का उपयोग करके उस कोण के अन्वेषण के लिए कार्य करते हैं जो प्राप्त ध्वनि के आयाम को अधिक करता है। भिन्न-भिन्न स्थिति में दो ध्वनि दर्पण दो भिन्न-भिन्न बीयरिंग उत्पन्न करते हैं, जो ध्वनि स्रोत की स्थिति निर्धारित करने के लिए त्रिकोणासन के उपयोग की अनुमति प्रदान करता है।

द्वितीय विश्व युद्ध के निकट रडार विमान के ध्वनि स्थान के लिए विश्वसनीय विकल्प विकसित होने लगा था। उस समय के विशिष्ट विमान गति के लिए ध्वनि स्थान मात्र कुछ क्षणों की चेतावनी देता था।^[9]ब्रिटेन के युद्ध के समय ध्वनिक स्थान स्टेशनों को रडार के बैकअप के रूप में संचालन को त्याग दिया गया था।^[14] वर्तमान में, परित्यक्त स्थल अस्तित्व में हैं और सरलता से सुलभ हैं।^[12]^{[dead link]}

द्वितीय विश्व युद्ध के पश्चात, ध्वनि रेंजिंग ने विमान-रोधी अभियानों में कोई भूमिका नहीं निभाई थी।^{[citation needed]}

सक्रिय / निष्क्रिय लोकेटर

सक्रिय लोकेटर में श्रवण यंत्र के अतिरिक्त अन्य प्रकार के सिग्नल जनरेशन डिवाइस होते हैं। दो उपकरणों को स्थिर होने की आवश्यकता नहीं होती है।

सोनार

सोनार ऐसी तकनीक है जो नेविगेट करने और संचार करने के लिए जलमग्न ध्वनि प्रसार का उपयोग करती है। सोनार दो प्रकार के होते हैं - सक्रिय और निष्क्रिय। मध्यल सक्रिय सोनार रेडियल गति को मापने के साथ सीमा में स्थानीयकरण कर सकता है। चूँकि, मध्यल निष्क्रिय सोनार धारक में स्थानीयकरण कर सकता है, यद्यपि लक्ष्य गति विश्लेषण का उपयोग समय सीमा में स्थानीयकरण के लिए किया जा सकता है। मध्याधिक निष्क्रिय सोनार त्रिभुज या सहसंबंध द्वारा सीमा स्थानीयकरण के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

जैविक ध्वनि स्थान

डॉल्फिन, व्हेल और चमगादड़ आखेट को ज्ञात करने और बाधाओं से बचने के लिए पशु इकोलोकेशन का उपयोग करते हैं।

टाइम-ऑफ़-अराइवल स्थानीयकरण

ज्ञात स्थिति और समय पर ध्वनि उत्सर्जित करने वाले स्पीकर/अल्ट्रासाउंड ट्रांसमीटर होने से ध्वनि के टाइम-ऑफ़-अराइवल के आधार पर माइक्रोफोन/अल्ट्रासोनिक रिसीवर से लैस लक्ष्य की स्थिति का अनुमान लगाया जा सकता है। सामान्यतः एनएलओएस स्थितियों के अंतर्गत ट्रांसमीटर और रिसीवर के अवरोध होते हैं।^[15]

भूकंपीय सर्वेक्षण

एचएमएस एंटरप्राइज (एच88) द्वारा लाल सागर के नीचे घाटी का त्रि-आयामी गूंज-ध्वनि प्रतिनिधित्व

भूकंपीय सर्वेक्षण में भूमिगत संरचनाओं को मापने के लिए ध्वनि तरंगों का उत्पादन सम्मिलित है। स्रोत तरंगें सामान्यतः भूमि अथवा जल की सतह के निकट स्थित आघात यंत्रावली द्वारा निर्मित की जाती हैं। डेटा को जियोफ़ोन के साथ एकत्र किया जाता है, और कंप्यूटर द्वारा संग्रहीत और संसाधित किया जाता है। वर्तमान तकनीक ऐसे उपकरणों का उपयोग करके भूमिगत रॉक संरचनाओं की 3डी छवियों के निर्माण की अनुमति प्रदान करती है।

अन्य

चूंकि संबद्ध सेंसर और इलेक्ट्रॉनिक्स का व्यय कम हो रहा है, ध्वनि रेंजिंग तकनीक का उपयोग अन्य उपयोगों जैसे वन्यजीवों के अन्वेषण के लिए सुलभ हो रहा है।^[16]

यह भी देखें

ध्वनिक कैमरा
3 डी ध्वनि पुनर्निर्माण
3डी ध्वनि स्थानीयकरण
ध्वनि स्थानीयकरण
बूमरैंग (मोबाइल शूटर डिटेक्शन सिस्टम)
बहुविकल्पी
ध्वनिक दर्पण
ध्वनिक वेफाइंडिंग, श्रवण संकेतों और ध्वनि मार्करों का उपयोग अन्तर्वासी और बाह्य स्थानों को नेविगेट करने के लिए करने का अभ्यास है।
एनिमल इकोलोकेशन, वस्तुओं को ज्ञात या नेविगेट करने के लिए पशुओं की ध्वनि उत्सर्जित करते हैं और प्रतिध्वनि सुनते हैं।
इको साउंडिंग , ध्वनि स्पंदों की गूंज को सुनने के लिए समुद्र के तल तक की दूरी को मापने के लिए सोनार की विशेष स्तिथि है।
गनफायर लोकेटर
मानव इकोलोकेशन, नेत्रहीन व्यक्तियों द्वारा इकोलोकेशन का उपयोग करता है।
मानव बायकैच
मेडिकल अल्ट्रासोनोग्राफी, अल्ट्रासाउंड का उपयोग शरीर के अंदर देखने के लिए प्रतिध्वनित होता है।
संवेदी प्रतिस्थापन

संदर्भ

↑ How Far Off Is That German Gun? How 63 German guns were located by sound waves alone in a single day, Popular Science monthly, December 1918, page 39, Scanned by Google Books: https://books.google.com/books?id=EikDAAAAMBAJ&pg=PA39^{[permanent dead link]}
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बाहरी संबंध

"Huge Ear Locates Planes and Tells Their Speed" Popular Mechanics, December 1930 article on French aircraft sound detector with photo.
Many references can be found in Beamforming References
An Empirical Study of Collaborative Acoustic Source Localization

[1] How Far Off Is That German Gun? How 63 German guns were located by sound waves alone in a single day, Popular Science monthly, December 1918, page 39, Scanned by Google Books: https://books.google.com/books?id=EikDAAAAMBAJ&pg=PA39^{[permanent dead link]}

[wildlife-2] "Selected Projects". Greenridge Sciences Inc. Retrieved 2006-05-16.

[DOJ-3] Lorraine Green Mazerolle; et al. (December 1999). "रैंडम गनफायर समस्याएं और गनशॉट डिटेक्शन सिस्टम" (PDF). National Institute of Justice Research Brief.

[Acoustic_Source_Localization-4] "Acoustic Source Localization based on independent component analysis". LMS.

[5] "Reducing noise emissions from Lontra's LP2 compressor".

[6] "कण वेग का उपयोग कर ध्वनि स्थानीयकरण प्रणाली".

[DiBiase-7] DiBiase, J. H. (2000). माइक्रोफ़ोन व्यूहों का उपयोग करके रेवरबेरेंट वातावरण में बात करने वाले के स्थानीयकरण के लिए एक उच्च सटीकता, कम-विलंबता तकनीक (PDF) (Ph.D.). Brown Univ.

[Cobos-8] Cobos, M.; Marti, A.; Lopez, J. J. (2011). "स्केलेबल स्थानिक नमूनाकरण के साथ मजबूत रीयल-टाइम ध्वनि स्रोत स्थानीयकरण के लिए एक संशोधित एसआरपी-पीएटी कार्यात्मक". IEEE Signal Processing Letters. 18 (1): 71–74. Bibcode:2011ISPL...18...71C. doi:10.1109/LSP.2010.2091502. hdl:10251/55953. S2CID 18207534.

[brit_ops-9] 9.0 ^9.1 {{cite news|url=http://www.design-technology.info/inventors/page29.htm%7Cauthor=W.Richmond%7Cyear=2003%7Ctitle=राडार से पहले - विमान का ध्वनिक पता लगाना|access-date=2013-01-06|archive-url=https://web.archive.org/web/20070928191551/http://www.design-technology.info/inventors/page29.htm%7Carchive-date=2007-09-28%7Curl-status=dead}

[submarine-10] Kristian Johanssan; et al. "पैसिव सोनोबॉयस की स्थिति के लिए मल्टी-सेंसर फ्यूजन और रिएक्टिव प्लानिंग का उपयोग करते हुए सबमरीन ट्रैकिंग" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2009-03-27. Retrieved 2006-05-16.

[photo-11] Jim Mulligan. "ध्वनि लोकेटर का फोटो". Retrieved 2006-05-15.

[World_War_I_AA-12] 12.0 ^12.1 Phil Hide (January 2002). "दक्षिण तट पर ध्वनि दर्पण". Archived from the original on 2009-05-02. Retrieved 2006-05-13.

[between_wars-13] {{cite news|url=http://www.andrewgrantham.co.uk/soundmirrors/ |author=Andrew Grantham|date=November 8, 2005|title=पूर्व चेतावनी ध्वनि दर्पण}

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[15] Chan, Y.T; Tsui, W. Y.; So, H. C.; Ching, P. C. (2006). "एनएलओएस शर्तों के तहत आगमन का समय आधारित स्थानीयकरण". IEEE Trans. Vehicular Technology. 55 (1): 17–24. doi:10.1109/TVT.2005.861207. ISSN 0018-9545. S2CID 6697621.

[error-16] John L. Spiesberger (June 2001). "रिसीवर्स की अपर्याप्त संख्या के कारण अतिशयोक्तिपूर्ण स्थान त्रुटियां". The Journal of the Acoustical Society of America. 109 (6): 3076–3079. Bibcode:2001ASAJ..109.3076S. doi:10.1121/1.1373442. PMID 11425152.

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