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Articulo de referencia

Cámara acústica

Visualización sonora de una cámara acústica que captaba sonidos de dos elefantes africanos . Una cámara acústica (o cámara de ruido ) es un dispositivo de imagen que se utiliza ...

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Visualización sonora de una cámara acústica que captaba sonidos de dos elefantes africanos .

Una cámara acústica (o cámara de ruido ) es un dispositivo de imagen que se utiliza para localizar y caracterizar fuentes de sonido. Consta de un conjunto de micrófonos, también llamado matriz de micrófonos , cuyas señales se recogen y procesan simultáneamente para obtener 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 campo que hoy se denomina cimática ), un dispositivo que permite a los usuarios ver visualmente los modos de vibración de una placa. Llamó a este dispositivo cámara acústica. El término se ha utilizado ampliamente durante el siglo XX [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] para designar varios tipos de dispositivos acústicos, como sistemas de localización subacuática [ 5 ] o sistemas activos utilizados en medicina. [ 6 ] Actualmente designa 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 finita conocida, una fuente de sonido es percibida por los micrófonos 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 : al retrasar cada señal de micrófono relativamente y sumarlas, la señal proveniente de una dirección específica(θ0,ϕ0){\displaystyle \left(\theta _{0},\phi _{0}\right)}se amplifica mientras que las señales provenientes de otras direcciones se cancelan. La potencia de esta señal resultante se calcula y se informa en un mapa de potencia en un píxel correspondiente a la dirección.(θ0,ϕ0){\displaystyle \left(\theta _{0},\phi _{0}\right)}El proceso se repite en cada dirección donde se necesita calcular la potencia.

Este método presenta numerosas ventajas: es robusto, fácil de comprender, altamente paralelizable (ya que cada dirección puede calcularse de forma independiente), versátil (existen muchos tipos de formadores de haces) y relativamente rápido. Sin embargo, tiene algunos inconvenientes: no modela correctamente las fuentes de sonido correlacionadas y el mapa acústico resultante presenta artefactos (también llamados lóbulos laterales o fuentes fantasma). Se han introducido diversos métodos para reducir estos artefactos, como DAMAS [ 7 ] , o para tener en cuenta las fuentes correlacionadas, como CLEAN-SC [ 8 ], ambos a costa de un mayor coste computacional.

Cuando las fuentes sonoras se encuentran cerca de la cámara acústica, la intensidad relativa percibida por los diferentes micrófonos, así como el hecho de que la cámara ya no perciba las ondas como planas sino como esféricas, aportan información nueva en comparación con el caso en que las fuentes están lejos de la cámara. Esto permite utilizar métodos más eficaces, como la holografía acústica .

Reproyección

Los resultados de la formación de haces en campo lejano pueden reproyectarse sobre superficies planas o no planas.

Bidimensional

Algunas cámaras acústicas utilizan mapeo acústico bidimensional, que emplea una matriz de micrófonos unidireccionales (por ejemplo, un rectángulo de micrófonos, todos orientados en la misma dirección). El mapeo acústico bidimensional funciona mejor cuando la superficie a examinar es plana y la cámara acústica se puede colocar perpendicularmente a ella. Sin embargo, las superficies de los objetos del mundo real no suelen ser planas, y no siempre es posible posicionar la cámara acústica de forma 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 a un plano, lo que permite calcular con relativa facilidad la distancia entre cada micrófono y el punto focal. Sin embargo, esta aproximación ignora las diferencias de distancia causadas por superficies con diferentes profundidades en distintos puntos. En la mayoría de las aplicaciones de la cámara acústica, este error es lo suficientemente pequeño como para ignorarse; sin embargo, en espacios confinados, el error se vuelve significativo. [ 9 ]

Tridimensional

Las cámaras acústicas tridimensionales corrigen los errores de las cámaras bidimensionales al tener en cuenta la profundidad de la superficie y, por lo tanto, al medir correctamente las distancias entre el micrófono y cada punto espacial. Estas cámaras producen una imagen más precisa, pero requieren un modelo 3D del objeto o espacio que se analiza. Además, si la cámara acústica capta sonido de un punto en el espacio que no forma parte del modelo, el sonido puede asignarse a un espacio aleatorio en el modelo o no aparecer en absoluto. Las cámaras acústicas 3D también se pueden usar para analizar espacios confinados, como interiores de habitaciones; sin embargo, para ello, se requiere una matriz de micrófonos 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

Un conjunto de cámaras acústicas en Taichung, Taiwán.

La cámara acústica tiene numerosas aplicaciones, la mayoría centradas en la reducción de ruido. Se utiliza frecuentemente para mejorar la emisión de ruido de vehículos (como automóviles y aviones [ 10 ] ), trenes, estructuras (como aerogeneradores [ 11 ]) y maquinaria pesada (como la minería [ 12 ] o la perforación).

Las cámaras acústicas no solo se utilizan para medir la emisión externa de productos, sino también para mejorar el confort en el interior de los habitáculos de automóviles, [ 9 ] trenes o aviones. En este tipo de aplicaciones, se prefieren las cámaras acústicas esféricas porque la disposición tridimensional del micrófono permite localizar las fuentes de sonido en todas las direcciones.

Las cámaras acústicas se han adoptado cada vez más para la detección de fugas en sistemas de aire comprimido, gasoductos e instalaciones de vacío. Al localizar la señal ultrasónica de alta frecuencia emitida por las fugas presurizadas, estas cámaras pueden identificar rápidamente las áreas problemáticas. Los dispositivos básicos pueden ser especialmente adecuados para el mantenimiento rutinario de las instalaciones o en programas de eficiencia energética donde se prioriza la detección rápida sobre el análisis detallado. [ 13 ] [ 14 ]

La detección y solución de problemas en máquinas y componentes mecánicos puede realizarse con una cámara acústica. Para identificar la causa del problema, se puede comparar el mapeo sonoro de una máquina que funciona correctamente con el de una máquina averiada.

Se puede utilizar una cámara acústica con una configuración similar para estudiar el ruido dentro de los vagones durante la circulación del tren. Otra opción es instalarla en el exterior, cerca de las vías, para observar el tren a su paso. Esto ofrece una perspectiva diferente del ruido que se escucha en el interior. Además, una instalación exterior permite analizar el chirrido de las ruedas al pasar por una curva en las vías.

Las cámaras acústicas pueden utilizarse para facilitar la aplicación de la ley en casos de contaminación acústica causada por personas o vehículos. La epidemióloga Erica Walker ha afirmado que esta es una solución "fácil" al problema del ruido y ha expresado su preocupación de que las cámaras acústicas puedan utilizarse para una vigilancia policial excesiva en barrios de minorías étnicas. [ 15 ]

En el diagnóstico eléctrico, la imagen acústica se puede aplicar para detectar descargas parciales (DP) en equipos de alta tensión, como aparamenta , transformadores y aisladores. Estas descargas suelen emitir señales acústicas de banda ancha antes de convertirse en fallas más graves. Equipadas con procesamiento de señal avanzado , las cámaras acústicas pueden detectar y localizar eventos de DP en tiempo real. Para entornos críticos o flujos de trabajo de mantenimiento predictivo , un sistema más avanzado con mayor sensibilidad y clasificación inteligente de patrones de descarga puede ser más adecuado para la caracterización y documentación exhaustiva de fallas.

Desafíos

Rango dinámico

El rango dinámico efectivo en el plano de imagen puede interpretarse como el contraste máximo alcanzable dentro del área objetivo. Un desafío inherente al rango dinámico de las cámaras acústicas radica en su dependencia de la longitud de onda del sonido y el tamaño del conjunto de sensores. Estas limitaciones físicas dificultan el uso de cámaras acústicas de campo lejano que buscan detectar múltiples fuentes de baja frecuencia. Dado que el tamaño de la apertura debe ser considerablemente grande para abordar problemas de baja frecuencia, a menudo se obtienen resultados poco concluyentes o menos definitivos en este rango de frecuencias. Esto pone de manifiesto los desafíos únicos que implica mejorar el rango dinámico de las cámaras acústicas, especialmente en aplicaciones que involucran sonidos de baja frecuencia.

Bajas frecuencias en el campo lejano

La frecuencia más baja que se puede localizar con una cámara acústica de campo lejano está determinada principalmente por el tamaño de la apertura del conjunto (su dimensión mayor). Surgen dificultades al abordar problemas de baja frecuencia, especialmente aquellos por debajo de 300  Hz, ya que requieren conjuntos de gran tamaño para una localización eficaz de la fuente sonora. Como alternativa, existen diversas soluciones eficaces, como los sensores vectoriales acústicos, ya sean independientes o en configuración de conjunto, o las cámaras acústicas de campo cercano; ambas pueden ser herramientas valiosas para abordar problemas no estacionarios. Por otro lado, los métodos que emplean el mapeo directo del sonido mediante sondas de intensidad sonora y/o sondas de velocidad de partículas ofrecen alternativas robustas para identificar y visualizar fuentes sonoras estacionarias en el tiempo. [ 16 ]

Poder computacional

El procesamiento de señales requerido por la cámara acústica es relativamente intensivo en términos computacionales. Por ello, el procesamiento de señales se realiza con frecuencia después de la grabación de datos, lo que puede dificultar o impedir el uso de la cámara para analizar sonidos que solo ocurren ocasionalmente o en ubicaciones variables. Las cámaras que realizan el procesamiento de señales en tiempo real suelen ser grandes y costar decenas o cientos de miles de dólares, aunque recientemente pueden costar unos pocos miles. Las mejoras en el hardware y el procesamiento de señales han ayudado a superar estas barreras de costo. 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). [ 17 ]

Referencias

  1. ^ Ewald, JR (1898). Wiener klinische Wochenschrift . 11 : 721.{{cite journal}}: CS1 maint: publicación periódica sin título ( enlace )
  2. ↑ Whitman, RL; Ahmed, M.; Korpel, A. (1972). «Informe de progreso sobre la cámara acústica de escaneo láser». Holografía acústica . 20. Springer US: 11–32 . doi : 10.1007/978-1-4615-8213-7_2 . ISBN 978-1-4615-8215-1.
  3. ↑ Patente estadounidense 3895340 , "Aparato de cámara acústica" 
  4. ↑ Hansen, Rolf Kahrs; Andersen, Poul Arndt (1993). "Cámara acústica 3D para imágenes subacuáticas". Acoustical Imaging . 20. Springer US: 723–727 . doi : 10.1007/978-1-4615-2958-3_98 . ISBN 978-1-4613-6286-9.
  5. ↑ Haslett, RWG; Pearce, G.; Welsh, AW; Hussey, K. (1966). "La cámara acústica subacuática". Acta Acustica United with Acustica . 17, 4. S. Hirzel Verlag: 187–203 .
  6. ↑ 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.
  7. ↑ Brooks, Thomas F.; Humphreys, William M. (2004). "Enfoque de deconvolución para el mapeo de fuentes acústicas". Divulgación de invención de la NASA . LAR-16907-1. Investigación Langley de la NASA.
  8. ↑ Sijtsma, P. (2007). "CLEAN basado en la coherencia de la fuente espacial". International Journal of Aeroacoustics . 6 (4): 357– 374. doi : 10.1260/147547207783359459 . S2CID 122396368 . 
  9. 1 2 3 4 Meyer, Andy y Döbler, Dirk. "Localización de fuentes de ruido dentro del interior de un automóvil mediante matrices de micrófonos 3D". Actas del BeBeC (2006).
  10. ↑ Leon, Brusniak; Underbrink, James R.; Stoker, Robert W. (2006). "Imágenes acústicas de fuentes de ruido de aeronaves utilizando arreglos de fase de gran apertura". Conferencia de Aeroacústica AIAA/CEAS . 12 .
  11. ↑ Gwang-Se, Lee; Cheong, Cheolung; Shin, Su-Hyun; Jung, Sung-Soo (2012). "Estudio de caso sobre la localización e identificación de fuentes de ruido en una turbina eólica con regulación de paso y pérdida". Acústica Aplicada . 73 8 : 817– 827.
  12. ↑ Oberholster, Abrie J. "Resolución de problemas en la industria minera" . Siemens Digital Industries Software . Universidad de Pretoria . Consultado el 12 de noviembre de 2021 .
  13. ↑ "Cámara acústica ultrasónica inteligente para la detección de fugas de aire comprimido | FOTRIC TD2" . FOTRIC . Consultado el 20 de agosto de 2025 .
  14. ↑ "acousticvisualizer.com - Visualización de sonido asequible o localizador / cámara acústica" . acousticvisualizer.com . Consultado el 14 de octubre de 2025 .
  15. ↑ Demopoulos A (4 de octubre de 2023). "¡Claxon, claxon! ¿Pueden las cámaras de ruido reducir la contaminación acústica 'potencialmente fatal'?" . The Guardian .
  16. ↑ Soluciones de localización de fuentes de sonido
  17. ↑ Zimmermann, B.; Studer, C., "Prototipo de cámara acústica en tiempo real basado en FPGA", Circuitos y Sistemas (ISCAS), Actas del Simposio Internacional IEEE de 2010, vol., n.º, págs. 1419, 1419, 30 de mayo de 2010 - 2 de junio de 2010

Lecturas adicionales

  • Abrie J., Oberholster. " Localización eficiente de la fuente del sonido ", Artículo de la Universidad de Pretoria, 2021.