ES2343931B1 - SYSTEM FOR THE MEASUREMENT OF NOISE AND LOCATION OF A MOBILE SOURCE ENPRESENCIA OF NOISE OF FUND. - Google Patents
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Abstract
Sistema para la medida de ruido y localización de una fuente móvil en presencia de ruido de fondo.System for measuring noise and location from a mobile source in the presence of background noise.
Sistema de medida de ruido que consigue eliminar del registro sonoro cualquier ruido distinto al generado por la fuente, incluso si ambos se han producido simultáneamente, además proporciona las tres coordenadas de posición necesarias para situar la fuente en cada instante mientras su ruido es audible.Noise measurement system that eliminates of the sound record any noise other than that generated by the source, even if both have occurred simultaneously, in addition provides the three position coordinates necessary to position the source at every moment while its noise is audible.
El sistema consta de un conjunto de micrófonos no inferior a 7 esparcidos alrededor de la trayectoria de la fuente. Las señales son adquiridas con el objetivo de eliminar las componentes de ruido no comunes y aislar la componente común que es el ruido de la fuente. La componente no común es el ruido de fondo presente en el sitio de medida, que se supone distinto para cada micrófono. La componente común está afectada de distinta manera por el efecto Doppler en función de la posición de cada receptor respecto la fuente; estas diferencias permiten establecer la posición de la fuente en cada instante.The system consists of a set of microphones not less than 7 scattered around the source path. The signals are acquired in order to eliminate the uncommon noise components and isolate the common component that is Source noise The uncommon component is background noise present at the measurement site, which is assumed different for each microphone. The common component is affected differently by the Doppler effect depending on the position of each receiver respect the source; these differences allow to establish the source position at each instant.
Description
Sistema para la medida de ruido y localización de una fuente móvil en presencia de ruido de fondo.System for measuring noise and location from a mobile source in the presence of background noise.
El sistema permite obtener el registro sonoro de una fuente móvil sin influencia del resto de fuentes sonoras que contribuyan al campo acústico del lugar de la medida. Al mismo tiempo es capaz de determinar la posición en el espacio de dicha fuente móvil. Actualmente esto es también posible mediante el uso antenas de micrófonos tridimensionales. El sistema que se presenta es alternativo a este puesto que en algunas aplicaciones ofrece mejores prestaciones.The system allows to obtain the sound record of a mobile source without influence from other sound sources that contribute to the acoustic field of the measurement site. The same time is able to determine the position in the space of said mobile source Currently this is also possible by using three-dimensional microphone antennas. The system that is presented it is an alternative to this position that in some applications offers better performance
Medida de la emisión acústica de fuentes móviles de trayectoria desconocida en presencia de ruido de fondo.Measurement of acoustic emission from mobile sources of unknown trajectory in the presence of background noise.
El desarrollo de técnicas para medir la emisión acústica de una fuente móvil de trayectoria desconocida en presencia de ruido de fondo nace básicamente de la necesidad de medir la emisión acústica de las aeronaves en sobrevuelo en los alrededores de los aeropuertos. A este fin, los aeropuertos disponen de una red de receptores acústicos no vigilados que miden continuamente el registro de ruido de su emplazamiento. Conocer la trayectoria de la fuente permite saber automáticamente durante qué intervalo de tiempo ha sobrevolado el receptor, con lo cual se sabrá en que parte del registro temporal sonoro se encuentra su contribución. Muchas veces, aunque los aeropuertos dispongan de radar, los datos sobre la trayectoria exacta de cada avión están protegidos por motivos de seguridad y si se proporcionan, es al cabo de días. En caso de no tener acceso a los datos sobre la trayectoria de la aeronave, hay distintas técnicas en desarrollo para reconocer en que momento un receptor está siendo sobrevolado por un avión:The development of techniques to measure emission acoustics of a mobile source of unknown trajectory in presence background noise arises basically from the need to measure the acoustic emission of aircraft flying over the surrounding area from the airports. To this end, airports have a network of unmonitored acoustic receivers that continuously measure the noise record of your location. Know the trajectory of the source lets you know automatically during what time interval the receiver has flown over, which will know where in the Temporary sound record is your contribution. Many times, although airports have radar, data on the exact trajectory of each plane are protected for reasons of security and if they are provided, it is after days. In case of no have access to the data on the trajectory of the aircraft, there are different techniques in development to recognize when receiver is being flown by a plane:
Estos métodos intentan imitar los procedimientos que sigue un ser humano para reconocer la fuente que está causando un ruido concreto, a través del uso de redes neuronales (inteligencia artificial). Se trata de construir una extensa base de datos con registros sonoros de aviones de distintos modelos y en distintos tipos de operación (despegue, aterrizaje y sobrevuelo) parametrizados. Los parámetros de interés son, la características de la huella del paso de avión en el registro sonoro (longitud, forma...), contenido frecuencial (espectro de frecuencia, existencia de componentes tonales...), variación temporal del espectro frecuencial (efecto Doppler). Dichos parámetros son comparados con los del registro sonoro proporcionado por los micrófonos para concluir si el ruido registrado pertenece, o no, al paso de un avión.These methods try to imitate the procedures that follows a human being to recognize the source that is causing a specific noise, through the use of neural networks (artificial intelligence). It's about building an extensive base of data with sound records of airplanes of different models and in different types of operation (takeoff, landing and overflight) parameterized. The parameters of interest are, the characteristics of the footprint of the airplane passage in the sound record (length, form ...), frequency content (frequency spectrum, existence of tonal components ...), temporal variation of the spectrum frequency (Doppler effect). These parameters are compared with those of the sound record provided by the microphones for conclude whether or not the recorded noise belongs to the passage of a airplane.
Este método implica la medida no de la presión sonora en el punto de medida, sino de la intensidad. La ventaja reside en el hecho que la intensidad es una magnitud vectorial, de manera que indica módulo, dirección i sentido del flujo neto de energía por unidad de área. De este modo, cuando un avión sea la fuente sonora predominante, el vector intensidad apuntará en dirección al cielo, aunque no exactamente hacia dónde esté el avión si hay ruido de fondo presente, puesto que la intensidad total será la suma de los vectores intensidad del avión, que este sí que apuntará hacia el avión, y el vector de ruido urbano, que apuntará hacia la fuente de ruido urbano.This method involves not measuring the pressure sound at the point of measurement, but of the intensity. The advantage lies in the fact that intensity is a vector magnitude, of way that indicates module, direction and direction of the net flow of energy per unit area. Thus, when an airplane is the predominant sound source, the intensity vector will point at direction to heaven, although not exactly where the plane is if there is background noise present, since the total intensity will be the sum of the intensity vectors of the plane, that this yes that it will point towards the plane, and the urban noise vector, which will point Towards the source of urban noise.
La dirección del vector intensidad puede utilizarse, entonces, para discernir si el receptor está siendo sobrevolado por un avión o no.The intensity vector direction can be used, then, to discern if the receiver is being flown over a plane or not.
A pesar de que métodos como los descritos sirvan para identificar un determinado evento sonoro como provocado por el paso de un avión o no, puede ocurrir que otras fuente de ruido presentes en el lugar de la medida estén contribuyendo simultáneamente al registro temporal sonoro. Los sistemas anteriores atribuyen a las aeronaves el global del ruido medido durante el periodo de sobrevuelo, con lo que su emisión acústica puede estar sobreestimada. En consecuencia, aparece la necesidad de separar el ruido provocado por las aeronaves del ruido de fondo del lugar de la medida.Although methods such as those described serve to identify a particular sound event as caused by the passage of an airplane or not, it may happen that other noise sources present at the place of measurement are contributing simultaneously to the temporary sound record. Previous systems attributed to the aircraft the overall noise measured during the overflight period, so that its acoustic emission may be overestimated Consequently, the need to separate the noise caused by aircraft from the background noise of the place of the measure.
Una matriz de micrófonos consta de un conjunto de micrófonos que muestrean el campo acústico simultáneamente en distintas posiciones del espacio. En contraposición a los sistemas que usan un solo micrófono, tienen la capacidad de determinar la cantidad de energía sonora que llega de una posición concreta del espacio, de una dirección determinada, o que incide con un ángulo determinado, en función de si la matriz es 3D, 2D o 1D respectivamente. El principio básico de funcionamiento es que la señal recibida en los micrófonos es la misma pero desfasada un cierto intervalo de tiempo, dicho desfase temporal está relacionado con el ángulo de incidencia de las ondas sonoras. Así, si el desfase temporal es medido en tres direcciones perpendiculares del espacio, la posición de la fuente queda determinada. Las matrices de micrófonos se utilizan cuando es preciso medir la aportación sonora de las distintas fuentes que contribuyen al campo sonoro desde distintas posiciones del espacio. Así pues, en el caso de aplicar esta técnica a la monitorización de aeropuertos usando un número elevado de micrófonos, basta con una matriz lineal de micrófonos que integre la presión del ruido que incide con ángulos por encima de la horizontal de referencia (que pasa por el micrófono más alto de la antena), i que corresponderá a ruido de aviones. De esta manera, cuando se mide ruido procedente de ángulos por encima de la horizontal es que se está produciendo el sobrevuelo, y el ruido medido es únicamente causado por las aeronaves.An array of microphones consists of a set of microphones that sample the acoustic field simultaneously in Different positions of space. In contrast to the systems that use a single microphone, have the ability to determine the amount of sound energy that arrives from a specific position of the space, of a certain direction, or that affects an angle determined, depending on whether the matrix is 3D, 2D or 1D respectively. The basic principle of operation is that the signal received in the microphones is the same but outdated a certain time interval, said time lag is related with the angle of incidence of the sound waves. So, if the lag temporal is measured in three perpendicular directions of space, The position of the source is determined. The matrices of Microphones are used when it is necessary to measure the sound input of the different sources that contribute to the sound field since Different positions of space. Thus, in the case of applying this technique to airport monitoring using a number high microphones, just a linear array of microphones that integrate the noise pressure that hits angles above the horizontal reference (passing through the highest microphone of the antenna), which corresponds to aircraft noise. In this way, when measuring noise from angles above the horizontal is that overflight is occurring, and noise Measured is only caused by aircraft.
Hay también desarrollos de matrices de micrófonos con bajo número de receptores que consiguen el mismo efecto añadiendo modificaciones al procesado de señal convencionalmente utilizado.There are also matrix developments of microphones with low number of receivers that get the same effect adding modifications to signal processing conventionally used
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El sistema consta de 7 o más micrófonos esparcidos alrededor de la trayectoria de la fuente que registran la señal acústica simultáneamente. Dicha señal es la suma del ruido de fondo del sitio de medida (distinto para cada micrófono), y el ruido del avión. El ruido del avión es distinto para cada micrófono en frecuencia (debido al Efecto Doppler), y en amplitud (debido a la diferencia de distancia entre la fuente y cada receptor, y en consecuencia a la atenuación atmosférica y geométrica).The system consists of 7 or more microphones scattered around the path of the source that record the acoustic signal simultaneously. This signal is the sum of the noise of background of the measurement site (different for each microphone), and noise of the airplane. Airplane noise is different for each microphone in frequency (due to the Doppler Effect), and in amplitude (due to the difference in distance between the source and each receiver, and in consequence of atmospheric and geometric attenuation).
Para poder localizar la fuente se ha desarrollado una función matemática que permite encontrar el cual es el corrimiento frecuencial entre dos espectros, con lo que se puede conocer el corrimiento frecuencial relativo entre dos micrófonos. Geométricamente se puede establecer la ecuación que relaciona dicho corrimiento frecuencial relativo, y la posición y velocidad de la fuente. Planteando esta ecuación entre un micrófono de referencia y un mínimo de 6 otros micrófonos, se consigue un sistema de 6 ecuaciones no lineales con 6 incógnitas (las tres componentes de la posición, y las tres componentes de la velocidad).In order to locate the source, developed a mathematical function that allows to find which is the frequency shift between two spectra, with which you can Know the relative frequency shift between two microphones. Geometrically you can establish the equation that relates this relative frequency shift, and the position and speed of the source. Posing this equation between a reference microphone and a minimum of 6 other microphones, a system of 6 is achieved nonlinear equations with 6 unknowns (the three components of the position, and the three components of speed).
Una vez ha sido localizada la fuente puede calcular-se el corrimiento frecuencial absoluto que afecta la señal de cada micrófono debido al Efecto Doppler, y corregirlo. De esta manera se obtiene un conjunto de 7 señales (una por micrófono) que contienen el ruido emitido por el avión con distinta amplitud en función de la distancia entre cada receptor y la fuente, más una señal de ruido distinta para cada receptor.Once it has been located the source can calculate the absolute frequency shift that affects the signal of each microphone due to the Doppler Effect, and correct it. In this way a set of 7 signals is obtained (one per microphone) containing the noise emitted by the plane with different amplitude depending on the distance between each receiver and the source, plus a different noise signal for each receiver.
Como la posición de la fuente es conocida, también lo es la distancia entre esta y cada receptor, de manera que puede compensarse también el efecto de la atenuación geométrica y atmosférica para obtener un conjunto de 7 señales que contienen el ruido emitido por el avión (la misma en todos los casos), más una señal de ruido distinta para cada micrófono. La señal de ruido puede ser eliminada calculando el espectro cruzado entre las distintas señales, y promediándolos. De esta forma se obtiene la potencia acústica de la fuente móvil.As the position of the source is known, so is the distance between this and each receiver, so that the effect of geometric attenuation can also be compensated for and atmospheric to obtain a set of 7 signals that contain the noise emitted by the plane (the same in all cases), plus a Different noise signal for each microphone. The noise signal can be eliminated by calculating the cross spectrum between the different signs, and averaging them. In this way the power is obtained Acoustic mobile source.
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Los datos de entrada son las señales de los 7 micrófonos; cada una de ellas está compuesta por el ruido procedente de la aeronave más el ruido de fondo. El ruido de la aeronave está afectado de diferente manera por el efecto Doppler en cada receptor, y tiene distinta amplitud debido a la diferencia en los caminos de propagación.The input data are the signals of the 7 microphones; each of them is composed of the noise coming of the aircraft plus background noise. The noise of the aircraft is affected differently by the Doppler effect on each receptor, and has different amplitude due to the difference in the paths of propagation.
En el método expuesto en esta patente, se ha desarrollado una función matemática que permite determinar el efecto Doppler relativo entre dos señales a pesar de que estén mezcladas con ruido. Sean x^{r}_{n}(t) la señal medida en el receptor n, y x^{r}_{m}(t) la señal medida en el receptor m (ambas incluyen tanto el ruido que llega desde el avión como el ruido de fondo en el sitio de la medida), la Función de Correlación por Producto se expresa como:In the method set forth in this patent, a mathematical function has been developed that allows determining the relative Doppler effect between two signals even though they are mixed with noise. Let x <r n (t) be the signal measured at the receiver n , and x r m (t) the signal measured at the receiver m (both include both the noise coming from the receiver airplane as background noise at the measurement site), the Product Correlation Function is expressed as:
donde:where:
X^{r}_{n}(f) es el valor para la frecuencia f de la Transformada de Fourier de la señal x^{r}_{n}(t).X r n (f) is the value for the Frequency f of the Fourier Transform of the signal x r n (t).
X^{r}_{m}(f . \deltaf) es el valor para la frecuencia f . \deltaf de la Transformada de Fourier de la señal x^{r}_{m}(t).X rm (f. \ Deltaf) is the value for the frequency f. δ of the Fourier Transform of the signal x r m (t).
El valor \deltaf para el que la función PR_{X_{n}^{r}}_{X_{m}^{r}} (\deltaf) tiene su máximo coincidirá con \deltaf_{nm} que representa el corrimiento frecuencial relativo entre las señales x^{r}_{n}(t) y x^{r}_{m}(t).The \ deltaf value for which the function PR_ {X_ {n} ^ {r}} _ {X_ {m} ^ {r}} (\ deltaf) has its maximum will match \ deltaf_ {nm} representing the shift relative frequency between the signals x r n (t) and x r m (t).
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La relación geométrica existente entre el corrimiento frecuencial relativo entre dos micrófonos y la posición de la fuente es la siguiente:The geometric relationship between the relative frequency shift between two microphones and position The source is as follows:
donde:where:
v_{a} es el vector velocidad de la fuente móvil.v_ {a} is the velocity vector of the source mobile.
r_{m}p es el vector entre la fuente y el receptor m.r_ {m} p is the vector between the source and the receiver
r_{n}p es el vector entre la fuente y el receptor m.r_ {n} p is the vector between the source and the receiver
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Las posiciones de los receptores m y n son conocidas, de manera que la anterior ecuación escalar tiene como incógnitas las tres componentes de la velocidad de la fuente móvil, i las tres componentes de su posición. De esta manera, escribiendo esta ecuación entre un micrófono de referencia y seis otros micrófonos, se obtiene un sistema de ecuaciones lineales determinado que, al resolverlo, proporciona la posición y velocidad de la fuente móvil.The positions of the m and n receptors are known, so that the previous scalar equation has as The three components of the mobile source speed are unknown, and the three components of its position. This way, writing this equation between a reference microphone and six others microphones, you get a system of linear equations which, when resolved, provides the position and speed of the source mobile.
Inicialmente se tiene un conjunto de 7 señales (X^{r}_{n}[f] donde n=1,2...7) integradas por el ruido de la fuente en la posición del receptor (X^{s}_{n}[f]), y el ruido de fondo presente en la localización de dicho receptor (N^{r}_{n}[f]):Initially there is a set of 7 signals (X r {n} [f] where n = 1.2 ... 7) integrated by the source noise at the receiver position (X s) n [f]), and the background noise present at the location of said receiver (N r n [f]):
Una vez la posición y la velocidad de la fuente móvil son conocidas, puede calcularse la influencia absoluta del Efecto Doppler en la señal de cada micrófono, y puede corregirse. Una vez efectuada dicha corrección, se tiene un conjunto de siete señales (X^{r,d}_{n}[f] donde n=1,2...7) que contiene la señal de ruido de la fuente móvil corregida de manera que las componentes tonales aparecen en la frecuencia en que fueron originalmente emitidas (X^{s,d}_{n}[f]), y una señal de ruido distinta para cada micrófono (N^{r,d}_{n}[f]):Once the position and speed of the mobile source are known, the absolute influence of the Doppler Effect on the signal of each microphone can be calculated, and can be corrected. Once this correction has been made, there is a set of seven signals (X r, d} n [f] where n = 1.2 ... 7) containing the corrected mobile source noise signal so that the tonal components appear at the frequency at which they were originally emitted (X s, d n [f]), and a different noise signal for each microphone (N r, d} _ {n} [f]):
La componentes X^{s,d}_{n}[f] difieren de un micrófono a otro sólo por lo que respecta a su amplitud puesto que la atenuación geométrica y atmosférica sufrida por esta componente es función del camino de propagación. Conociendo la posición de la fuente puede compensarse los efectos de dichas atenuaciones, de manera que se obtienen 7 señales que contienen una componente común debida al ruido del avión (X^{s,u}[f]), y una componente de ruido distinta para cada señal (N^{r,u}_{n}[f]):The components X s, d n [f] differ from one microphone to another just as regards its amplitude put that the geometric and atmospheric attenuation suffered by this component is a function of the propagation path. Knowing the source position can compensate for the effects of such attenuations, so that you get 7 signals that contain a common component due to airplane noise (X s, u [f]), and a different noise component for each signal (N r, u n [f]):
Finalmente, se calcula la media entre los espectros cruzados de todas las señales apareadas para eliminar el ruido de las señales y conseguir el espectro de potencia del ruido de la fuente móvil:Finally, the average between the crossed spectra of all paired signals to eliminate the signal noise and get the noise power spectrum From mobile source:
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Para la aplicación del sistema de medida descrito en la presente patente es necesario contar con, al menos, 7 micrófonos distribuidos alrededor de la trayectoria de la fuente.For the application of the measurement system described in this patent it is necessary to have at least 7 microphones distributed around the trajectory of the source.
Es necesario que el ruido de la fuente sea audible en todos los micrófonos durante todo el tramo de trayectoria que se quiera monitorizar. Si el tramo monitorizar es muy largo, se pueden incorporar nuevos micrófonos en posiciones más avanzadas, y dejar de considerar los micrófonos en los que, por quedar lejos de la fuente cuando esta avanza, deja de oírse su ruido.It is necessary that the source noise be audible on all microphones throughout the entire path You want to monitor. If the monitoring section is very long, they can incorporate new microphones in more advanced positions, and stop considering the microphones in which, for being far from the source when it advances, stops hearing its noise.
Debe evitarse que la fuente pase por delante del micrófono de referencia escogido para plantear las ecuaciones escogiendo, cuando esto vaya a suceder, otro micrófono distinto como referencia.The source must be prevented from passing in front of the reference microphone chosen to pose the equations choosing, when this is going to happen, another microphone like reference.
El tiempo de integración para el cálculo del espectro frecuencial de las señales debe ser suficientemente largo para obtener una resolución frecuencial adecuada, pero suficientemente corto para que la variación del Efecto Doppler que se produce durante el mismo no afecte los resultados.The integration time for the calculation of frequency spectrum of the signals must be sufficiently long to obtain an adequate frequency resolution, but short enough for the variation of the Doppler Effect that It occurs during the same does not affect the results.
Se debe contar con un equipo de adquisición de datos que permita la medida simultánea en los distintos micrófonos, si estos están muy distanciados es necesario un equipo de telemetría, o que cada receptor tenga la capacidad de almacenaje suficiente y que todos estén sincronizados entre sí.You must have an acquisition team of data that allows simultaneous measurement in the different microphones, if these are very distant, a team of telemetry, or that each receiver has the storage capacity enough and that everyone is synchronized with each other.
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|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100812 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2343931 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20110620 |