ITUD20090183A1

ITUD20090183A1 - PROBE FOR VECTOR UNDERWATER MEASUREMENTS OF SOUND FIELD

Info

Publication number: ITUD20090183A1
Application number: IT000183A
Authority: IT
Inventors: Enrico Armelloni; Angelo Farina; Christian Varani
Original assignee: Advanced Ind Design In Acous Tic Srl
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2011-04-15

Description

Descrizione del trovato avente per titolo: Description of the invention having as title:

"SONDA PER MISURAZIONI SUBACQUEE VETTORIALI DEL CAMPO SONORO" "PROBE FOR VECTORIAL UNDERWATER SOUND FIELD MEASUREMENTS"

CAMPO DI APPLICAZIONE FIELD OF APPLICATION

Forma oggetto del presente trovato una sonda per misurazioni acustiche subacquee di tipo vettoriale del campo sonoro. The present invention relates to a probe for vector-type underwater acoustic measurements of the sound field.

Più precisamente, forma oggetto del presente trovato una sonda idrofonica per effettuare misure vettoriali, anche complesse, con o senza successiva elaborazione, in ambiente subacqueo, sia esso marino, laghi, fiumi, ecc... nel campo di frequenze sonore ed anche in altri campi di frequenza. More precisely, the present invention relates to a hydrophonic probe for carrying out vector measurements, even complex ones, with or without subsequent processing, in an underwater environment, be it marine, lakes, rivers, etc ... in the range of sound frequencies and also in others frequency ranges.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Sono note sonde per le misurazioni di cui al presente trovato in ambiente aereo. Probes are known for the measurements of the present invention in an aerial environment.

Queste sonde non sono però idonee ad essere utilizzate in ambiente subacqueo. However, these probes are not suitable for use in an underwater environment.

I microfoni, che costituiscono i trasduttori impiegati nelle suddette sonde per ambiente aereo, differiscono costruttivamente dai trasduttori acustici impiegabili in ambiente subacqueo. The microphones, which constitute the transducers used in the aforementioned probes for airborne environments, differ constructively from the acoustic transducers that can be used in an underwater environment.

Infatti, le sonde per misurazioni in ambiente aereo non sono idonee ad un utilizzo in ambiente subacqueo, in quanto i trasduttori, oltre a potersi danneggiare, non sono comunque predisposti a captare un segnale adeguato, essendo dimensionati per accoppiarsi ad un campo sonoro in aria, che ha una impedenza del mezzo migliaia di volte inferiore rispetto all'impedenza dell'acqua. In fact, the probes for measurements in an aerial environment are not suitable for use in an underwater environment, as the transducers, in addition to being damaged, are in any case not predisposed to pick up an adequate signal, being sized to couple to a sound field in the air. which has an impedance of half a thousand times lower than the impedance of water.

Peraltro, i microfoni impiegati per le sonde in ambiente aereo utilizzano un diaframma esposto su entrambi i lati al campo sonoro, il che rende la risposta direzionale intrinsecamente non omnidirezionale. È proprio impiegando un adeguato numero di trasduttori direttivi che le sonde microfoniche vettoriali per uso aereo forniscono informazioni vettoriali atte a descrivere la distribuzione spaziale del campo sonoro che incide sulla sonda stessa. Moreover, the microphones used for airborne probes use a diaphragm exposed on both sides to the sound field, which makes the directional response inherently not omnidirectional. It is precisely by employing an adequate number of directional transducers that vector microphone probes for aerial use provide vector information capable of describing the spatial distribution of the sound field that affects the probe itself.

E' uno scopo del presente trovato realizzare una sonda per misurazioni subacquee definendo disposizioni geometriche dei trasduttori atte ad ottenere un sensibile miglioramento delle prestazioni rispetto alle corrispondenti sonde ad uso aereo. It is an object of the present invention to provide a probe for underwater measurements by defining geometric arrangements of the transducers suitable for obtaining a significant improvement in performance with respect to the corresponding probes for aerial use.

E' pure uno scopo del presente trovato realizzare una sonda per misurazioni subacquee che concretizza disposizioni geometriche dei trasduttori efficaci nel campo di frequenze tipiche da analizzare. It is also an object of the present invention to provide a probe for underwater measurements which embodies geometric arrangements of the transducers effective in the range of typical frequencies to be analyzed.

E' pure uno scopo del presente trovato realizzare una sonda per misurazioni subacquee atta ad analizzare suoni provenienti da una o più direzioni specifiche, oppure, in una diversa variante, suoni provenienti da tutte le direzioni. Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato. It is also an object of the present invention to provide a probe for underwater measurements able to analyze sounds coming from one or more specific directions, or, in a different variant, sounds coming from all directions. In order to obviate the drawbacks of the known art and to obtain these and further objects and advantages, the Applicant has studied, tested and implemented the present invention.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO EXPOSURE OF THE FOUND

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione indipendente. The present invention is expressed and characterized in the independent claim.

Le relative rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato, o varianti dell'idea di soluzione principale. The related dependent claims disclose other characteristics of the present invention, or variants of the main solution idea.

Secondo un aspetto del trovato, una sonda per misurazioni acustiche subacquee di tipo vettoriale del campo sonoro comprende una pluralità di trasduttori subacquei del suono, o idrofoni, in numero predeterminato, o predeterminabile. La disposizione spaziale e/o la distanza dei trasduttori subacquei rispetto ad un centro acustico della sonda è correlata alle direzioni di provenienza e/o alle frequenze acustiche del campo sonoro. According to one aspect of the invention, a probe for underwater vectorial acoustic measurements of the sound field comprises a plurality of underwater sound transducers, or hydrophones, in a predetermined or predeterminable number. The spatial arrangement and / or distance of the underwater transducers with respect to an acoustic center of the probe is related to the directions of origin and / or the acoustic frequencies of the sound field.

Secondo una variante, i trasduttori subacquei sono disposti ai vertici di un poliedro regolare. In questo modo la sonda secondo il trovato funziona in maniera efficace nella maggior parte delle direzioni di provenienza del suono, ciò comportando una elaborazione semplice dei segnali prodotti da ciascun trasduttore. According to a variant, the underwater transducers are arranged at the vertices of a regular polyhedron. In this way the probe according to the invention works effectively in most of the directions of origin of the sound, this entailing a simple processing of the signals produced by each transducer.

Secondo una prima soluzione, il poliedro è un tetraedro. According to a first solution, the polyhedron is a tetrahedron.

Secondo una variante, il poliedro è una qualunque figura geometrica tridimensionale più complessa, quale un cubo, un dodecaedro, un icosaedro, e così via . According to a variant, the polyhedron is any more complex three-dimensional geometric figure, such as a cube, a dodecahedron, an icosahedron, and so on.

Secondo una variante del trovato, i trasduttori sono disposti ai vertici di due o più poliedri reciprocamente intersecati. According to a variant of the invention, the transducers are arranged at the vertices of two or more mutually intersected polyhedra.

Secondo una variante del presente trovato, gli idrofoni, o trasduttori subacquei del suono, sono disposti in modo pseudo casuale. In questo modo, è possibile ottimizzare la sonda secondo il trovato, in modo da acquisire in maniera piu ' efficace il suono proveniente da alcune specifiche direzioni . Oppure è possibile ottimizzare la sonda in modo da evitare la perdita di segnale sonoro a predeterminate e singole frequenze e/o predeterminate e singole direzioni di provenienza, come può ' invece accadere nel caso in cui i trasduttori sono disposti con regolarità . Ciò comporta, però , una elaborazione più complessa dei segnali dei trasduttori , al fine di estrarre le componenti vettoriali del campo sonoro . According to a variant of the present invention, the hydrophones, or underwater sound transducers, are arranged in a pseudo-random manner. In this way, it is possible to optimize the probe according to the invention, so as to acquire more effectively the sound coming from some specific directions. Or it is possible to optimize the probe in order to avoid the loss of the sound signal at predetermined and single frequencies and / or predetermined and single directions of origin, as can happen instead in the case in which the transducers are arranged regularly. However, this involves a more complex processing of the transducer signals, in order to extract the vector components of the sound field.

Costituisce variante del presente trovato il prevedere che la sonda sia provvista di mezzi di registrazione a più canali , ciascuno di detti canali essendo associato ad un corrispondente trasduttore . A variant of the present invention is provided that the probe is provided with recording means with several channels, each of said channels being associated with a corresponding transducer.

Rientra nello spirito del presente trovato il prevedere una variante in cui la sonda è provvista di mezzi di elaborazione atti sia a registrare i segnali acquisiti da detti trasduttori che ad effettuare predeterminate elaborazioni su detti segnali . It is within the spirit of the present invention to provide a variant in which the probe is provided with processing means suitable both for recording the signals acquired by said transducers and for carrying out predetermined processing on said signals.

Secondo una ulteriore variante , la sonda secondo il trovato comprende mezzi di localizzazione e posizionamento atti a direzionare in maniera voluta la sonda rispetto ad un predeterminato sistema di riferimento terrestre. According to a further variant, the probe according to the invention comprises localization and positioning means suitable for directing the probe in a desired manner with respect to a predetermined terrestrial reference system.

E ancora variante del presente trovato il prevedere che la sonda secondo il trovato comprende mezzi di rilevazione di parametri fisico-chimici, dell'ambiente subacqueo in cui è posizionata la sonda. Another variant of the present invention is that the probe according to the invention comprises means for detecting physico-chemical parameters of the underwater environment in which the probe is positioned.

Secondo una variante detti mezzi di rilevazione comprendono un termometro. According to a variant, said detection means comprise a thermometer.

Secondo una variante detti mezzi di rilevazione comprendono un misuratore di salinità dell'acqua. Secondo una ulteriore variante detti mezzi di rilevazione comprendono un misuratore di profondità. According to a variant, said detection means comprise a water salinity meter. According to a further variant, said detection means comprise a depth gauge.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI ILLUSTRATION OF DRAWINGS

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma preferenziale di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui: These and other characteristics of the present invention will become clear from the following description of a preferential embodiment, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:

- la fig. 1 è una figura schematica di una sonda per misurazioni acustiche subacquee secondo il presente trovato; - fig. 1 is a schematic figure of a probe for underwater acoustic measurements according to the present invention;

- la fig. 2 è uno schema a blocchi di una prima forma di realizzazione della sonda di fig. 1; - fig. 2 is a block diagram of a first embodiment of the probe of fig. 1;

- la fig. 3 è uno schema a blocchi di una variante della sonda di fig. 2; - fig. 3 is a block diagram of a variant of the probe of fig. 2;

la fig. 4 è uno schema a blocchi di una seconda variante della sonda di fig. 2; fig. 4 is a block diagram of a second variant of the probe of fig. 2;

la fig. 5 è uno schema a blocchi di una terza variante della sonda di fig. 2; fig. 5 is a block diagram of a third variant of the probe of fig. 2;

la fig. 6 è una vista schematica di un banco di filtraggio della sonda secondo il presente trovato fig. 6 is a schematic view of a filter bench for the probe according to the present invention

Per facilitare la comprensione, numeri di riferimento identici sono stati utilizzati, ove possibile, per identificare elementi comuni identici nelle figure. Va inteso che elementi e caratteristiche di una forma di realizzazione possono essere convenientemente incorporati in altre forme di realizzazione senza ulteriori precisazioni. To facilitate understanding, identical reference numbers have been used wherever possible to identify identical common elements in the figures. It should be understood that elements and features of one embodiment can be conveniently incorporated into other embodiments without further specification.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA PREFERENZIALE DI DESCRIPTION OF A PREFERENTIAL FORM OF

REALIZZAZIONE REALIZATION

Con riferimento alle figure allegate, una sonda 10 per misurazioni acustiche subacquee di tipo vettoriale secondo il presente trovato comprende una pluralità di trasduttori subacquei, o idrofoni 12, un corpo 16 centrale al quale gli idrofoni 12 sono stabilmente associati mediante steli 14 di collegamento ed un supporto 20 di posizionamento della sonda 10. With reference to the attached figures, a probe 10 for underwater vector-type acoustic measurements according to the present invention comprises a plurality of underwater transducers, or hydrophones 12, a central body 16 to which the hydrophones 12 are stably associated by means of connecting stems 14 and a probe positioning support 20 10.

Gli idrofoni 12 sono, nella soluzione realizzativa illustrata in figura 1, in numero di quattro e sono disposti in corrispondenza dei vertici di un tetraedro regolare, pertanto, sostanzialmente ad uguale distanza rispetto ad un centro acustico C della sonda 10. The hydrophones 12 are, in the embodiment illustrated in Figure 1, four in number and are arranged in correspondence with the vertices of a regular tetrahedron, therefore, substantially at the same distance with respect to an acoustic center C of the probe 10.

Resta inteso che la sonda 10 possa prevedere un numero di idrofoni 12 maggiore di quattro, sempre disposti in maniera regolare in corrispondenza dei vertici di un poliedro regolare. It is understood that the probe 10 can provide a number of hydrophones 12 greater than four, always arranged in a regular manner at the vertices of a regular polyhedron.

Il numero degli idrofoni 12 presenti nella sonda 10 è determinato sostanzialmente in base alla precisione o risoluzione di acquisizione acustica desiderata. Nella fattispecie, il numero di idrofoni 12 dipende dall'analisi e dalla successiva ricostruzione di un campo sonoro effettuato mediante un procedimento di tipo noto come "Ambisonics" . The number of hydrophones 12 present in the probe 10 is substantially determined on the basis of the desired accuracy or resolution of acoustic acquisition. In this case, the number of hydrophones 12 depends on the analysis and subsequent reconstruction of a sound field carried out by means of a procedure of the type known as "Ambisonics".

Tale procedimento prevede la separazione delle componenti "armoniche sferiche" del campo sonoro stesso. La sua ricostruzione avviene in modo più o meno fedele a seconda del numero di armoniche sferiche utilizzato. Il loro numero e conseguentemente, il numero di trasduttori, O idrofoni 12, della sonda 10 è determinato in base al numero di tutte le armoniche sferiche di un certo ordine L. Ciò consente di ottenere una uniforme copertura angolare in tutte le possibili direzioni di arrivo del suono. This procedure involves the separation of the "spherical harmonic" components of the sound field itself. Its reconstruction takes place more or less faithfully depending on the number of spherical harmonics used. Their number and consequently, the number of transducers, O hydrophones 12, of the probe 10 is determined on the basis of the number of all spherical harmonics of a certain order L. This allows to obtain a uniform angular coverage in all possible directions of arrival. sound.

In generale, il numero di armoniche sferiche N di un campo sonoro di un predeterminato ordine L è espresso come: N = 1+2-L. Inoltre, è sempre necessario includere nell'analisi tutte le armoniche sferiche dell'ordine massimo preso in esame, e di tutti gli ordini ad esso inferiori. In general, the number of spherical harmonics N of a sound field of a predetermined order L is expressed as: N = 1 + 2-L. Furthermore, it is always necessary to include in the analysis all the spherical harmonics of the maximum order taken into consideration, and of all orders below it.

Pertanto una sonda Ambisonics del primo ordine, in cui le armoniche sferiche utilizzate sono di ordine "0" e "1", prevede quattro segnali; una sonda Ambisonics del secondo ordine, in cui le armoniche sferiche utilizzate sono di ordine "0", "1" e "2", prevede nove segnali; una sonda Ambisonics del terzo ordine prevede sedici segnali, e cosi via Therefore, an Ambisonics probe of the first order, in which the spherical harmonics used are of order "0" and "1", has four signals; an Ambisonics probe of the second order, in which the spherical harmonics used are of order "0", "1" and "2", has nine signals; a third-order Ambisonics probe has sixteen signals, and so on

La disposizione degli idrofoni 12 ai vertici di un poliedro regolare, ad esempio ai vertici di un tetraedro, permette di ottenere una sonda 10 che funziona in maniera efficace qualunque sia la direzione di provenienza del suono , e che richiede una elaborazione dei segnali particolarmente semplice . Tuttavia, la regolarità geometrica della disposizione degli idrofoni 12 determina una significativa riduzione dell ' ampiezza dei segnali vettoriali ottenuti in corrispondenza di alcune specifiche frequenze discrete e direzioni di provenienza del suono . The arrangement of the hydrophones 12 at the vertices of a regular polyhedron, for example at the vertices of a tetrahedron, makes it possible to obtain a probe 10 which works effectively whatever the direction of origin of the sound, and which requires particularly simple signal processing. However, the geometric regularity of the arrangement of the hydrophones 12 determines a significant reduction in the amplitude of the vector signals obtained in correspondence with some specific discrete frequencies and directions of origin of the sound.

La riduzione dei segnali è dovuta ad aliasing spaziale . The reduction in signals is due to spatial aliasing.

Sarebbe idealmente necessario ottenere una descrizione continua del campo acustico , o sonoro, misurato sulla sfera, ma per motivi di ordine pratico il campo acustico deve essere campionato in un numero finito di punti . Questo problema è assolutamente analogo al caso del campionamento di un segnale definito nel dominio del tempo, in cui detto segnale viene ricostruito sulla base di un insieme discreto di campioni del segnale stesso . Nel dominio spaziale il problema dell ' aliasing si manifesta in maniera analoga a quanto avviene nel dominio del tempo . Esiste , tuttavia, una notevole complicazione : infatti , dal momento che il dominio del tempo è monodimensionale, il dominio duale della frequenza è anch'esso monodimensionale. Al contrario essendo lo spazio un dominio tridimensionale, il suo dominio duale è anch'esso tridimensionale. It would ideally be necessary to obtain a continuous description of the acoustic or sound field measured on the sphere, but for practical reasons the acoustic field must be sampled in a finite number of points. This problem is absolutely analogous to the case of sampling a signal defined in the time domain, in which said signal is reconstructed on the basis of a discrete set of samples of the signal itself. In the spatial domain the problem of aliasing manifests itself in a similar way to what happens in the time domain. There is, however, a notable complication: in fact, since the time domain is one-dimensional, the dual frequency domain is also one-dimensional. On the contrary, since space is a three-dimensional domain, its dual domain is also three-dimensional.

Ipotizzando che la sonda 10 sia come una sfera e disponendo di un numero finito L di campioni, cioè di un numero finito di punti di misura cioè di idrofoni 12 sulla sfera, è necessario che il campo acustico, o sonoro, misurato sia descritto da una serie matematica troncata ad un certo ordine N funzione di L. Assuming that the probe 10 is like a sphere and having a finite number L of samples, i.e. a finite number of measurement points, i.e. hydrophones 12 on the sphere, it is necessary that the acoustic or sound field measured be described by a mathematical series truncated to a certain order N function of L.

Quanto sopra è analogo del teorema di Shannon per il dominio spaziale. Troncare la serie non è una pura operazione matematica, ma richiederebbe 1'implementazione di un filtro anti-aliasing spaziale, che faccia in modo che le componenti del campo acustico relative alle armoniche sferiche di ordine elevato non vengano rilevate. Armoniche sferiche di ordine n elevato sono responsabili di rapide variazioni del campo acustico al variare delle coordinate angolari "Theta" e "Phi", come nel dominio del tempo gli ordini elevati della serie di Fourier sono responsabili di rapide variazioni nel tempo della funzione in esame. L'assenza di un filtro anti-aliasing spaziale determina l'insorgere di aliasing spaziale. Tuttavia la realizzazione di tale filtro non è semplice, permanendo pertanto gli effetti negativi dell'aliasing spaziale se viene impiegata una distribuzione regolare dei trasduttori 12 The above is analogous to Shannon's theorem for the spatial domain. Truncating the series is not a pure mathematical operation, but would require the implementation of a spatial anti-aliasing filter, which ensures that the components of the acoustic field relating to the high-order spherical harmonics are not detected. Spherical harmonics of high order n are responsible for rapid variations of the acoustic field as the angular coordinates "Theta" and "Phi" vary, as in the time domain the high orders of the Fourier series are responsible for rapid variations in time of the function under consideration . The absence of a spatial anti-aliasing filter results in spatial aliasing. However, the realization of this filter is not simple, therefore the negative effects of spatial aliasing remain if a regular distribution of the transducers is used 12

La scelta del numero di trasduttori, o idrofoni 12, è correlata al voluto ordine Ambisonics da realizzare, con un limite minimo di avere un numero di idrofoni 12 almeno pari al numero di segnali armonici sferici da ottenere, potendone aumentare le prestazioni aumentando di poco il numero di trasduttori oltre tale limite. The choice of the number of transducers, or hydrophones 12, is related to the desired Ambisonics order to be created, with a minimum limit of having a number of hydrophones 12 at least equal to the number of spherical harmonic signals to be obtained, being able to increase their performance by slightly increasing the number of transducers beyond this limit.

Soluzioni tipiche di sonde secondo il presente trovato, che prevedono la disposizione degli idrofoni 12 in corrispondenza dei vertici di poligoni regolari sono ad esempio: Typical solutions of probes according to the present invention, which provide for the arrangement of the hydrophones 12 in correspondence with the vertices of regular polygons, are for example:

sonda che realizza un procedimento Ambisonics del primo ordine, con quattro armoniche sferiche ottenute dall'elaborazione dei segnali di altrettanti idrofoni posti ai vertici di un tetraedro; sonda che realizza un procedimento Ambisonics del secondo ordine, con nove armoniche sferiche ottenute dall'elaborazione dei segnali di dodici idrofoni disposti in corrispondenza del centro delle facce di un dodecaedro; sonda che realizza un procedimento Ambisonics del terzo ordine, con sedici armoniche sferiche, ottenute dall'elaborazione dei segnali di venti idrofoni posti al centro delle facce di un icosaedro; probe that carries out a first order Ambisonics procedure, with four spherical harmonics obtained by processing the signals of as many hydrophones placed at the vertices of a tetrahedron; probe that carries out a second order Ambisonics process, with nine spherical harmonics obtained by processing the signals of twelve hydrophones arranged at the center of the faces of a dodecahedron; probe that carries out a third order Ambisonics procedure, with sixteen spherical harmonics, obtained by processing the signals of twenty hydrophones placed at the center of the faces of an icosahedron;

sonda che realizza un procedimento Ambisonics del quarto ordine, con venticinque armoniche sferiche ottenute dall'elaborazione dei segnali di trentadue idrofoni posti al centro delle facce ed ai vertici di un dodecaedro. probe that carries out a fourth order Ambisonics procedure, with twenty-five spherical harmonics obtained by processing the signals of thirty-two hydrophones placed at the center of the faces and at the vertices of a dodecahedron.

Secondo una variante, i trasduttori 12 sono disposti rispetto al corpo 16 in maniera pseudocasuale, in modo da acquisire in maniera efficace il suono proveniente da specifiche direzioni e/o evitando la possibile perdita di segnale a predeterminate e singole frequenze. According to a variant, the transducers 12 are arranged with respect to the body 16 in a pseudorandom manner, so as to effectively acquire the sound coming from specific directions and / or avoiding the possible loss of signal at predetermined and single frequencies.

Ciò comporta, però, una elaborazione più complessa dei segnali dei trasduttori, al fine di estrarre le componenti vettoriali del campo sonoro. Infatti è generalmente necessario effettuare una simulazione al calcolatore considerando un vastissimo numero di configurazioni spaziali possibili per gli idrofoni 12. Successivamente in base all'analisi dei risultati è possibile scegliere una configurazione efficace ed ottimale in base alle specifiche frequenze e/o direzioni di provenienza del campo sonoro da acquisire. Tale disposizione pseudo-casuale risulta efficace quando il numero degli idrofoni 12 impiegati è sovrabbondante rispetto al numero minimo di idrofoni 12 richiesto, cioè al numero di armoniche sferiche, richiesto per descrivere il campo sonoro, secondo l'analisi e ricostruzione Ambisonics. However, this involves a more complex processing of the transducer signals, in order to extract the vector components of the sound field. In fact, it is generally necessary to carry out a computer simulation considering a very large number of possible spatial configurations for hydrophones 12. Subsequently, based on the analysis of the results, it is possible to choose an effective and optimal configuration based on the specific frequencies and / or directions of origin of the sound field to be acquired. This pseudo-random arrangement is effective when the number of hydrophones 12 used is overabundant with respect to the minimum number of hydrophones 12 required, ie the number of spherical harmonics, required to describe the sound field, according to the Ambisonics analysis and reconstruction.

Ad esempio, una analisi e successiva ricostruzione del secondo ordine Ambisonics richiede, per essere descritta correttamente, nove armoniche sferiche e, quindi, altrettanti idrofoni 12; pertanto una disposizione pseudo-casuale con dodici o, anche, con sedici idrofoni 12 in una sonda 10 secondo il presente trovato risulta efficace, consentendo di estendere l'intervallo di frequenza in cui le armoniche di ordine elevato vengono elaborate correttamente. For example, an analysis and subsequent reconstruction of the second order Ambisonics requires, to be correctly described, nine spherical harmonics and, therefore, as many hydrophones 12; therefore a pseudo-random arrangement with twelve or even sixteen hydrophones 12 in a probe 10 according to the present invention is effective, allowing to extend the frequency range in which the high order harmonics are correctly processed.

Una disposizione degli idrofoni pseudo-casuale consente di estendere l'intervallo di frequenza in cui le armoniche di ordine elevato vengono elaborate correttamente. Infatti, la disposizione pseudo-casuale consente di confinare il problema dell 'aliasing spaziale ad armoniche sferiche di ordine più elevato, agendo da "dithering spaziale" sull'informazione spaziale prima che essa venga campionata. A pseudo-random arrangement of hydrophones allows you to extend the frequency range in which high-order harmonics are correctly processed. In fact, the pseudo-random arrangement allows to confine the spatial aliasing problem to higher order spherical harmonics, acting as "spatial dithering" on the spatial information before it is sampled.

La distanza degli idrofoni 12 dal centro acustico C della sonda 10, è sostanzialmente correlata all'intervallo di lunghezze d'onda corrispondente al tipo di campo acustico subacqueo da acquisire. Dal momento che la lunghezza d'onda del suono in acqua è significativamente più grande della lunghezza d'onda in aria, a parità di frequenza, è possibile dimensionare in maniera efficace la forma e la disposizione degli idrofoni 12, essendo la loro dimensione fisica di molto inferiore, rispetto alla lunghezza d'onda. Questo consente di ottenere prestazioni migliori di quelle ottenibili con le sonde della tecnica nota in ambiente aereo. The distance of the hydrophones 12 from the acoustic center C of the probe 10 is substantially correlated to the wavelength interval corresponding to the type of underwater acoustic field to be acquired. Since the wavelength of sound in water is significantly greater than the wavelength in air, at the same frequency, it is possible to effectively size the shape and arrangement of the hydrophones 12, their physical size being much shorter than the wavelength. This allows to obtain better performances than those obtainable with the probes of the known art in an aerial environment.

Secondo una variante, una sonda 10 può anche presentare una disposizione spaziale degli idrofoni 12 atta a rilevare frequenze (o intervalli di frequenze) differenti in modo discreto. Tale disposizione spaziale è realizzata utilizzando, ad esempio, almeno due gruppi di idrofoni 12, ciascuno disposto in corrispondenza di vertici o facce di altrettanti poliedri regolari aventi raggio diverso. Ciascun gruppo di trasduttori 12 è pertanto predisposto all'acquisizione di una predeterminata frequenza o di un predeterminato intervallo di frequenze di relativi campi acustici. Secondo un'ulteriore variante, una sonda secondo il trovato comprende una disposizione spaziale degli idrofoni 12 del tipo a "nuvola", in cui la distanza di ciascun idrofono 12 dal centro acustico C della sonda 10 varia in maniera continua. Questa disposizione consente la rilevazione di un ampio intervallo di frequenze o di frequenze predefinite e differenti fra di loro. According to a variant, a probe 10 can also have a spatial arrangement of the hydrophones 12 capable of detecting different frequencies (or intervals of frequencies) in a discrete manner. This spatial arrangement is achieved by using, for example, at least two groups of hydrophones 12, each arranged in correspondence with vertices or faces of as many regular polyhedra having a different radius. Each group of transducers 12 is therefore predisposed to the acquisition of a predetermined frequency or a predetermined frequency range of the relative acoustic fields. According to a further variant, a probe according to the invention comprises a spatial arrangement of the hydrophones 12 of the "cloud" type, in which the distance of each hydrophone 12 from the acoustic center C of the probe 10 varies continuously. This arrangement allows the detection of a wide range of frequencies or predefined and different frequencies.

In questo caso, essendo la distribuzione degli idrofoni 12 non regolare nello spazio, l'elaborazione matematica di filtraggio da applicare ai segnali provenienti dagli idrofoni è piuttosto complicata; tale elaborazione provvede automaticamente a dare maggior peso ai trasduttori 12 che sono posizionati in modo utile alla generazione dei segnali armonici sferici in un certo intervallo di frequenza, ed a dare invece minor peso ai trasduttori 12 posizionati troppo vicini o troppo lontani dal centro acustico C della distribuzione per risultare utili nell ' intervallo di frequenza preso in esame . In this case, since the distribution of the hydrophones 12 is not regular in space, the mathematical processing of filtering to be applied to the signals coming from the hydrophones is rather complicated; this processing automatically gives greater weight to the transducers 12 which are positioned in a useful way for the generation of spherical harmonic signals in a certain frequency range, and instead gives less weight to the transducers 12 positioned too close or too far from the acoustic center C of the distribution to be useful in the frequency range under consideration.

Tale disposizione permette di evitare brusche transizioni , a specificate frequenze , dal segnale proveniente da un gruppo di trasduttori 12 al segnale proveniente da un dif ferente gruppo di trasduttori 12 . This arrangement makes it possible to avoid abrupt transitions, at specified frequencies, from the signal coming from one group of transducers 12 to the signal coming from a different group of transducers 12.

I segnali generati dagli idrofoni 12 vengono rilevati con continuità, ossia campionati nel tempo ad una predeterminata frequenza di campionamento . Tali segnali vengono preferibilmente registrati in un formato digitale di tipo noto e la frequenza massima contenuta nel segnale registrato dipende dalla suddetta frequenza di campionamento . The signals generated by the hydrophones 12 are continuously detected, ie sampled over time at a predetermined sampling frequency. These signals are preferably recorded in a digital format of a known type and the maximum frequency contained in the recorded signal depends on the aforementioned sampling frequency.

I segnali acquisiti non sono impiegabili in tutto il loro intervallo di frequenza, ma, per la ricostruzione del campo sonoro vengono elaborate solo le frequenze inferiori a quelle oltre le quali si manifesta il fenomeno di aliasing spaziale . The acquired signals cannot be used in their entire frequency range, but, for the reconstruction of the sound field, only the frequencies lower than those beyond which the phenomenon of spatial aliasing occurs are processed.

Nel caso in cui la sonda 10 sia predisposta a rilevare una specifica frequenza o una correlata gamma di frequenze , gli idrofoni 12 sono tutti dello stesso tipo e con le stesse caratteristiche . Nel caso in cui , invece , si utilizzino due , o più, gruppi di trasduttori 12, in cui ciascun gruppo è predisposto all'acquisizione di un corrispondente segnale ad una predeterminata frequenza o ad un predeterminato intervallo di frequenze, è invece possibile utilizzare per ciascun gruppo il tipo di trasduttore 12 più idoneo alla frequenza o all'intervallo di frequenze da analizzare . If the probe 10 is designed to detect a specific frequency or a related range of frequencies, the hydrophones 12 are all of the same type and with the same characteristics. If, on the other hand, two or more groups of transducers 12 are used, in which each group is predisposed to the acquisition of a corresponding signal at a predetermined frequency or at a predetermined frequency range, it is instead possible to use for each group the type of transducer 12 most suitable for the frequency or frequency range to be analyzed.

Secondo una soluzione del trovato, i trasduttori 12 della sonda sono sostanzialmente omnidirezionali. Infatti, le componenti vettoriali, o direttive, dei segnali vengono ricostruite artificialmente mediante l'elaborazione dei segnali registrati . According to an embodiment of the invention, the transducers 12 of the probe are substantially omnidirectional. In fact, the vectorial, or directives, components of the signals are artificially reconstructed by processing the recorded signals.

Secondo una variante i trasduttori 12 sono almeno parzialmente direttivi o sub-cardioidi. According to a variant the transducers 12 are at least partially directional or sub-cardioid.

La sonda 10 secondo il presente trovato prevede, pertanto, di acquisire i segnali dei trasduttori 12 mediante un campionamento digitale ad una predeterminata e voluta frequenza di campionamento, correlata alla gamma di frequenze del campo acustico da acquisire, e registrando un numero di sequenze, o tracce digitali, per ciascun idrofono 12 della sonda 10. La sonda 10 comprende inoltre un contenitore 18, a tenuta stagna, all'interno del quale vengono alloggiati i componenti elettronici descritti di seguito. The probe 10 according to the present invention therefore provides for acquiring the signals of the transducers 12 by means of digital sampling at a predetermined and desired sampling frequency, correlated to the range of frequencies of the acoustic field to be acquired, and recording a number of sequences, or digital traces, for each hydrophone 12 of the probe 10. The probe 10 further comprises a watertight container 18, inside which the electronic components described below are housed.

Secondo una prima soluzione, illustrata in fig. According to a first solution, illustrated in fig.

2, la sonda 10 comprende una unità di campionamento 22, predisposta a ricevere in ingresso i segnali da ciascun idrofono 12 e campionari! ad una predeterminata frequenza di campionamento. La sonda 10 comprende inoltre una unità di memorizzazione 24, collegata all'unità di campionamento 22 e predisposta a memorizzare tali sequenze o tracce. Vantaggiosamente l'unità di campionamento e l'unità di memorizzazione 24 fanno parte di un registratore digitale multicanale. L'unità di memorizzazione 24 è una memoria digitale di tipo rimovibile, come una memoria USB o una scheda di memoria "flash memory", sulla quale vengono registrate le tracce relative ai segnali provenienti dai trasduttori 12 senza effettuare alcuna elaborazione. 2, the probe 10 comprises a sampling unit 22, arranged to receive in input the signals from each hydrophone 12 and samplers! at a predetermined sampling rate. The probe 10 further comprises a storage unit 24, connected to the sampling unit 22 and arranged for storing such sequences or traces. Advantageously, the sampling unit and the storage unit 24 are part of a multichannel digital recorder. The storage unit 24 is a digital memory of the removable type, such as a USB memory or a "flash memory" memory card, on which the traces relating to the signals coming from the transducers 12 are recorded without carrying out any processing.

L'unità di memorizzazione 24 viene successivamente collegata ad un personal computer, e mediante un apposito programma di elaborazione, le tracce relative ai segnali registrati vengono lette ed elaborate mediante predeterminate funzioni di filtraggio, scrivendo i dati così elaborati sulla stessa unità di memoria 24 o su un'altra unità di memorizzazione più capiente. The storage unit 24 is subsequently connected to a personal computer, and by means of a suitable processing program, the traces relating to the recorded signals are read and processed by means of predetermined filtering functions, writing the data thus processed on the same memory unit 24 or on another larger storage unit.

Secondo una variante, illustrata in fig. 3, la sonda comprende una unità di elaborazione 26, collegata sia all'unità di campionamento 22 che all'unità di memorizzazione 24. L'unità di elaborazione 26 può comprendere un minicomputer o una specifica unità di elaborazione del segnale come un processore DSP (Digital Signal Processor). In questa soluzione, l'elaborazione delle tracce di campionamento dei segnali viene effettuata direttamente a bordo della sonda 10 in tempo reale, e sull'unità di memorizzazione 24 vengono registrati i risultati dell'elaborazione digitale. In questa soluzione l'unità di memorizzazione 24 oltre a memorizzare le tracce digitali uscenti dall'unità di campionamento 22 e relative ai segnali originari provenienti direttamente dai trasduttori 12, è in grado di memorizzare anche i segnali già elaborati dall'unità di elaborazione 26 e corrispondenti alle armoniche sferiche fino ad un ordine massimo determinato dal numero di trasduttori 12 compresi nella sonda 10. According to a variant, illustrated in fig. 3, the probe comprises a processing unit 26, connected to both the sampling unit 22 and the storage unit 24. The processing unit 26 may comprise a minicomputer or a specific signal processing unit such as a DSP processor ( Digital Signal Processor). In this solution, the processing of the signal sampling traces is carried out directly on board the probe 10 in real time, and the results of the digital processing are recorded on the storage unit 24. In this solution, the storage unit 24, in addition to storing the digital traces coming out of the sampling unit 22 and relating to the original signals coming directly from the transducers 12, is also capable of storing the signals already processed by the processing unit 26 and corresponding to the spherical harmonics up to a maximum order determined by the number of transducers 12 included in the probe 10.

Secondo una ulteriore variante, illustrata in fig. 4, la sonda 10 comprende mezzi di localizzazione e posizionamento 30 predisposti a consentire un predeterminato orientamento dei trasduttori 12 in modo da definire un desiderato sistema di riferimento, ad esempio per definire il "punto zero" di un sistema di coordinate sferiche. In una soluzione detti mezzi di localizzazione e posizionamento comprendono quali una bussola e/o una livella. According to a further variant, illustrated in fig. 4, the probe 10 comprises localization and positioning means 30 arranged to allow a predetermined orientation of the transducers 12 so as to define a desired reference system, for example to define the "zero point" of a spherical coordinate system. In one solution, said localization and positioning means comprise such as a compass and / or a level.

Secondo una ulteriore variante, illustrata in fig. 5, la sonda 10 comprende mezzi di rilevazione di parametri fisico-chimici. In particolare, sono previsti una sonda di temperatura 32 per la misurazione della temperatura dell'acqua, un rilevatore di salinità 34 ed un rilevatore di profondità 36 collegati all'unità di elaborazione 26. In questo modo, l'unità di elaborazione 26 può elaborare in maniera più precisa le tracce relative ai segnali dei trasduttori 12 acquisite mediante l'unità di campionamento 22, in base ai valori specifici dei parametri fisico-chimici dell'ambiente subacqueo come rilevati. According to a further variant, illustrated in fig. 5, the probe 10 comprises means for detecting physico-chemical parameters. In particular, a temperature probe 32 for measuring the water temperature, a salinity detector 34 and a depth detector 36 connected to the processing unit 26 are provided. In this way, the processing unit 26 can process more precisely the traces relating to the signals of the transducers 12 acquired by the sampling unit 22, on the basis of the specific values of the physico-chemical parameters of the underwater environment as detected.

In una soluzione più semplice, non illustrata nelle figure, la sonda di temperatura 32, il rilevatore di salinità 34 e il rilevatore di profondità 36 sono direttamente collegati all'unità di campionamento 22. In questo modo oltre a registrare i segnali provenienti dagli idrofoni 12, vengono memorizzati sull'unità di memorizzazione 24 anche i valori relativi a tali parametri fisicochimici. La frequenza di campionamento per la registrazione digitale di tali parametri è molto più piccola rispetto a quella di campionamento dei suoni, occupando pertanto una ridotta quantità di memoria dell'unità di memorizzazione 24 rispetto a quella utilizzata per il campionamento acustico. In a simpler solution, not shown in the figures, the temperature probe 32, the salinity detector 34 and the depth detector 36 are directly connected to the sampling unit 22. In this way, in addition to recording the signals coming from the hydrophones 12 , the values relating to these physicochemical parameters are also stored on the storage unit 24. The sampling frequency for digital recording of these parameters is much smaller than the sampling frequency of the sounds, thus occupying a reduced amount of memory of the storage unit 24 compared to that used for acoustic sampling.

Indicando con T il numero di trasduttori 12, qualunque siano le loro caratteristiche costruttive ed il loro posizionamento geometrico, gli N segnali armonici sferici da ottenere, indicati bjfpossono essere espressi come combinazione lineare di T segnali provenienti dai trasduttori, indicati aifai quali vengono applicati opportuni filtri di conversione fifjsecondo la seguente formula (fig. Indicating with T the number of transducers 12, whatever their constructive characteristics and their geometric positioning, the N spherical harmonic signals to be obtained, indicated bjf, can be expressed as a linear combination of T signals coming from the transducers, indicated aifai which appropriate filters are applied conversion fifj according to the following formula (fig.

Nella formula precedente si prevede di effettuare i filtraggi mediante una convoluzione di filtri a risposta all'impulso finita (FIR); pertanto l'operatore convoluzione "®" esprime il prodotto vettoriale fra due vettori di numeri dei quali il primo è associato al segnale da filtrare, e il secondo è associato ai coefficienti del corrispondente filtro FIR. In the previous formula it is envisaged to carry out the filtering by means of a convolution of finite impulse response (FIR) filters; therefore the convolution operator "®" expresses the vector product between two number vectors of which the first is associated with the signal to be filtered, and the second is associated with the coefficients of the corresponding FIR filter.

Analizzando l'operazione di convoluzione relativa al primo dei T filtraggi nella formula soprastante, e ipotizzando che il filtro FIR abbia una lunghezza di M+l campioni, si ottiene: Analyzing the convolution operation relative to the first of the T filterings in the above formula, and assuming that the FIR filter has a length of M + l samples, we obtain:

Il simbolo {} rappresenta un vettore numerico, cioè una lunga sequenza di campioni nel tempo, ottenuti campionando i segnali degli idrofoni 12 con una opportuna frequenza di campionamento. The symbol {} represents a numerical vector, ie a long sequence of samples over time, obtained by sampling the signals of the hydrophones 12 with a suitable sampling frequency.

Il k-esimo elemento del vettore risultante slfè stato così calcolato: The k-th element of the resulting vector slf was calculated as follows:

La convoluzione di due segnali nel tempo e', pertanto, una somma di prodotti, come pure il filtraggio spaziale necessario per generare i segnali armonici sferici è anch'esso una somma di prodotti, esteso ai segnali campionati nello spazio anziché nel tempo. The convolution of two signals in time is, therefore, a sum of products, as well as the spatial filtering necessary to generate the spherical harmonic signals is also a sum of products, extended to the signals sampled in space rather than in time.

Pertanto, il filtraggio operato sui segnali è una unica operazione di convoluzione spazio-temporale. Oggetto del presente trovato è, inoltre, un procedimento per il calcolo dei coefficienti dei filtri FIR fir jutilizzati per la conversione dei segnali provenienti dai trasduttori 12 subacquei ai segnali armonici sferici . Therefore, the filtering operated on the signals is a single space-time convolution operation. The present invention also relates to a method for calculating the coefficients of the fired FIR filters used for the conversion of the signals coming from the underwater transducers 12 to the spherical harmonic signals.

Tali coefficienti vengono determinati attraverso la soluzione di un sistema lineare di equazioni algebriche , possibilmente sovra condizionato , ottenuto dalla conoscenza del segnale rilevato su ciascun trasduttore 12 allorché la sonda 10 viene investita da un campo sonoro noto, ad esempio da un ' onda piana e progressiva o da una onda sferica, provenienti da una determinata direzione . These coefficients are determined through the solution of a linear system of algebraic equations, possibly over-conditioned, obtained from the knowledge of the signal detected on each transducer 12 when the probe 10 is hit by a known sound field, for example by a flat and progressive wave or from a spherical wave, coming from a certain direction.

E necessario conoscere la risposta dei trasduttori 12 per un elevato numero di diversi campi sonori di test, che esplorino con sufficiente uniformità tutte le possibili direzioni di arrivo del suono per cui la sonda 10 viene ottimizzata . Tali direzioni di arrivo sono uniformemente distribuite sull ' intero orizzonte solido di 4π steradianti nel caso di una sonda atta ad acquisire suoni provenienti da tutte le direzioni . It is necessary to know the response of the transducers 12 for a large number of different test sound fields, which explore with sufficient uniformity all the possible directions of arrival of the sound for which the probe 10 is optimized. These arrival directions are uniformly distributed over the entire solid horizon of 4π steradians in the case of a probe capable of acquiring sounds coming from all directions.

Nel caso in cui la sonda 10 viene ottimizzata per funzionare solo in parte dell ' orizzonte sferico , i segnali impiegati per il calcolo dei filtri sono quelli relativi a onde sonore provenienti in maggior parte dalle specifiche direzioni di interesse, dovendo comunque includere, in minor numero, anche segnali relativi a direzioni di provenienza del suono che coprono tutte le altre possibili direzioni. In the case in which the probe 10 is optimized to operate only in part of the spherical horizon, the signals used for the calculation of the filters are those relating to sound waves coming mostly from the specific directions of interest, however having to include, in a smaller number , also signals relating to directions of origin of the sound that cover all other possible directions.

Sia P il numero di segnali noti, in cui P > N-T poiché il numero di condizioni deve essere maggiore o al più uguale al numero di filtri da realizzare. Let P be the number of known signals, in which P> N-T since the number of conditions must be greater than or at most equal to the number of filters to be implemented.

Per ciascuna direzione di arrivo del suono sulla sonda 10, è nota l'ampiezza che ciascun segnale armonico sferico ha, in funzione degli angoli di Azimuth A ed Elevazione E di provenienza del suono. For each direction of arrival of the sound on the probe 10, the amplitude that each spherical harmonic signal has, as a function of the angles of Azimuth A and Elevation E of origin of the sound is known.

Si indica con F(A,E) l'ampiezza delle armoniche sferiche dei vari ordini descritte mediante una raccolta nota di funzioni analitiche. F (A, E) indicates the amplitude of the spherical harmonics of the various orders described by a known collection of analytic functions.

Pertanto, imponendo che il segnale ottenuto dal filtraggio dei segnali provenienti dai trasduttori, noti per le P direzioni di prova, produca i valori teorici calcolati per tali direzioni di provenienza si ottengono P equazioni di un corrispondente sistema di equazioni: Therefore, by imposing that the signal obtained from the filtering of the signals coming from the transducers, known for the P test directions, produces the theoretical values calculated for these directions of origin, we obtain P equations of a corresponding system of equations:

La soluzione di tale sistema formato dalle P equazioni algebriche lineari fornisce 1 coefficienti f1;jdegli NxT filtri FIR che producono il segnale corrispondente all'armonica sferica prescelta. The solution of this system formed by the P linear algebraic equations gives 1 coefficients f1; j of the NxT FIR filters which produce the signal corresponding to the chosen spherical harmonic.

Pertanto, la risoluzione di tale sistema è basato sia su segnali temporali che sul campionamento del campo sonoro nello spazio, per cui sia i segnali che i filtri rappresentano effettivamente un campionamento quadridimensionale nello spaziotempo. La soluzione del sistema è pertanto ottenuta mediante inversione di una matrice spaziotemporale. Therefore, the resolution of this system is based both on time signals and on the sampling of the sound field in space, so that both the signals and the filters effectively represent a four-dimensional sampling in spacetime. The solution of the system is therefore obtained by inversion of a space-time matrix.

Tale procedimento consente di ottenere un filtraggio ottimale e più efficace dei segnali generati dalla sonda 10 rispetto al filtraggio delle sonde 10 ad uso aereo note. This method allows to obtain an optimal and more effective filtering of the signals generated by the probe 10 with respect to the filtering of the known airborne probes 10.

I segnali uscenti dai trasduttori 12, allorché la sonda 10 è investita dai campi sonori di diversa direzione di provenienza, possono essere segnali effettivamente misurati, ad esempio dopo che la sonda 10 è stata realizzata ed adeguatamente collaudata in un ambiente di prova. The signals outgoing from the transducers 12, when the probe 10 is hit by the sound fields of different direction of origin, can be signals actually measured, for example after the probe 10 has been made and adequately tested in a test environment.

I segnali uscenti dai trasduttori 12 possono anche essere segnali "teorici" costruiti sulla base di semplici formule analitiche relative alla propagazione di onde piane o sferiche, ed ipotizzando i trasduttori 12 come ideali. The signals outgoing from the transducers 12 can also be "theoretical" signals constructed on the basis of simple analytical formulas relating to the propagation of plane or spherical waves, and assuming the transducers 12 as ideal.

Infine tali segnali uscenti dai trasduttori 12, possono essere costituiti da qualsiasi caso intermedio fra i due estremi suddetti, cioè fra segnali effettivamente misurati o teorici. Finally, these signals outgoing from the transducers 12 can consist of any intermediate case between the two aforementioned extremes, that is, between signals actually measured or theoretical.

È ad esempio, possibile utilizzare la curva di risposta in frequenza e sensibilità per segnali sonori provenienti dalla direzione assiale dei trasduttori 12 che vengono poi effettivamente impiegati, misurati in laboratorio, e ipotizzare, invece, in modo teorico la dipendenza del segnale dei trasduttori 12 in funzione dell'angolo di provenienza del suono rispetto all'asse dei trasduttori 12 stessi. For example, it is possible to use the frequency and sensitivity response curve for sound signals coming from the axial direction of the transducers 12 which are then actually used, measured in the laboratory, and hypothesize, instead, theoretically the signal dependence of the transducers 12 in a function of the angle of origin of the sound with respect to the axis of the transducers 12 themselves.

Vantaggiosamente, il procedimento di calcolo della matrice di filtraggio viene effettuato nel dominio della frequenza, cioè dopo aver trasformato con la trasformata discreta di Fourier tutti i segnali campionati nel tempo. Advantageously, the method of calculating the filtering matrix is carried out in the frequency domain, that is, after having transformed all the signals sampled over time with the discrete Fourier transform.

In questo modo la convoluzione, nel dominio della frequenza si semplifica in una operazione di moltiplicazione fra componenti spettrali di pari frequenza del segnale e (della funzione di trasferimento) del filtro, ed il calcolo della matrice di filtri si ottiene con le note formule algebriche di inversione di un sistema di equazioni lineari, formule che sostanzialmente si riducono, in notazione matriciale compatta, nel dominio della frequenza, alla seguente : In this way the convolution in the frequency domain is simplified into a multiplication operation between spectral components of equal frequency of the signal and (of the transfer function) of the filter, and the calculation of the filter matrix is obtained with the known algebraic formulas of inversion of a system of linear equations, formulas that substantially reduce, in compact matrix notation, in the frequency domain, to the following:

È anche possibile introdurre nel calcolo dei filtri inversi un adeguato parametro di regolarizzazione , costituito da un numero piuttosto piccolo β, usualmente aggiunto al denominatore durante il calcolo della matrice inversa [ a ]<-1>, in modo da evitare che , se il segnale da acquisire e poi elaborare ha una ampiezza molto piccola ad una certa frequenza, si ottenga un filtro inverso con un picco troppo elevato . It is also possible to introduce in the calculation of the inverse filters an adequate regularization parameter, consisting of a rather small number β, usually added to the denominator during the calculation of the inverse matrix [a] <-1>, in order to avoid that, if the signal to be acquired and then processed has a very small amplitude at a certain frequency, we obtain an inverse filter with a peak that is too high.

È inoltre possibile variare il valore del parametro di regolarizzazione al variare della frequenza, in modo da ottimizzare l ' intervallo di frequenza in cui il filtraggio risulta accurato . Questo è possibile evitando l ' inversione della matrice in corrispondenza di quelle frequenze che sono al di fuori del campo di frequenza ottimale della sonda, ad esempio a causa di limiti intrinseci dei trasduttori 12 , o a causa di limiti geometrici legati al numero di trasduttori 12 impiegati e/o alla loro distanza nello spazio, in rapporto alla lunghezza d ' onda. It is also possible to vary the value of the smoothing parameter as the frequency varies, in order to optimize the frequency range in which the filtering is accurate. This is possible by avoiding the inversion of the matrix at those frequencies which are outside the optimal frequency range of the probe, for example due to intrinsic limits of the transducers 12, or due to geometric limits linked to the number of transducers 12 used. and / or their distance in space, in relation to the wavelength.

È possibile aggiungere agevolmente una funzione di filtraggio in frequenza aggiuntiva, utile ad esempio a migliorare il rapporto segnale-rumore nel campo di frequenza di interesse, o ad escludere rumori spuri di tipo tonale a specifiche e predeterminate frequenze. Resta inteso che mediante l'unità di elaborazione 26 o altri idonei mezzi di elaborazione possano essere effettuate ulteriori specifiche elaborazioni dei segnali prodotti e filtrati dalla sonda 10, in maniera da stimare in tempo reale la posizione della sorgente sonora o da riprodurre il campo sonoro tridimensionale entro una vasca o altro ambiente di ascolto subacqueo. Rientra ancora nel presente trovato il prevedere che mediante la sonda 10 possano essere calcolati parametri fisici relativi al campo sonoro subacqueo analizzato, quali il vettore Intensità Sonora, la Densità di energia sonora, ed il rapporto fra il modulo di tali due grandezze, cioè il fattore di reattività del campo sonoro. It is possible to easily add an additional frequency filtering function, useful for example to improve the signal-to-noise ratio in the frequency range of interest, or to exclude spurious tonal noises at specific and predetermined frequencies. It is understood that further specific processing of the signals produced and filtered by the probe 10 can be carried out by means of the processing unit 26 or other suitable processing means, in order to estimate in real time the position of the sound source or to reproduce the three-dimensional sound field. within a tank or other underwater listening environment. The present invention also includes the provision that physical parameters relating to the analyzed underwater sound field can be calculated by means of the probe 10, such as the Sound intensity vector, the sound energy density, and the ratio between the modulus of these two quantities, i.e. the factor reactivity of the sound field.

È ancora nello spirito del presente trovato la misurazione indiretta mediante la sonda 10 delle proprietà fisico-meccanico-acustiche di materiali, quali ad esempio il coefficiente di riflessione del fondale marino o di materiali usati per il rivestimento di imbarcazioni ad esempio ad uso militare, o di grandezze oceanografiche, quali i gradienti di temperatura e salinità, la velocità delle correnti, l'ampiezza del moto ondoso, la velocità di onde di Tsunami, o altro. Still in the spirit of the present invention is the indirect measurement by means of the probe 10 of the physical-mechanical-acoustic properties of materials, such as for example the reflection coefficient of the seabed or of materials used for the lining of boats, for example for military use, or of oceanographic quantities, such as temperature and salinity gradients, the speed of the currents, the amplitude of the wave motion, the speed of Tsunami waves, or other.

È chiaro che alla sonda 10 per misurazioni acustiche subacquee di tipo vettoriale fin qui descritta possono essere apportate modifiche e/o aggiunte di parti, senza per questo uscire dall'ambito del presente trovato. It is clear that modifications and / or additions of parts can be made to the probe 10 for underwater acoustic measurements of the vector type described up to now, without departing from the scope of the present invention.

È anche chiaro che, sebbene il presente trovato sia stato descritto con riferimento ad alcuni esempi specifici, una persona esperta del ramo potrà senz'altro realizzare molte altre forme equivalenti di sonda per misurazioni acustiche subacquee di tipo vettoriale, aventi le caratteristiche espresse nelle rivendicazioni e quindi tutte rientranti nell'ambito di protezione da esse definito. It is also clear that, although the present invention has been described with reference to some specific examples, a person skilled in the art will undoubtedly be able to realize many other equivalent forms of probe for underwater acoustic measurements of the vector type, having the characteristics expressed in the claims and therefore all falling within the scope of protection defined by them.

Claims

CLAIMS 1. Probe for vector-type underwater acoustic measurements of a three-dimensional sound field, characterized in that it comprises a plurality of underwater sound transducers (12), or hydrophones, in a predetermined number, in which the spatial arrangement and / or distance of the underwater transducers (12) with respect to an acoustic center (C) of the probe is related to the directions of origin and / or to the acoustic frequencies of the sound field to be acquired, and which includes digital processing means (26) suitable for the vector decomposition of said field three-dimensional sound in spherical harmonic signals, the coefficients of which are calculated on the basis of said spatial arrangement of the underwater transducers (12).

2. Probe as in claim 1, characterized in that the underwater transducers (12) are arranged at the vertices of a regular polyhedron to acquire the sound coming substantially from all directions.

3. Probe as in claim 2, characterized in that the polyhedron is a tetrahedron.

4. Probe as in claim 2, characterized in that the polyhedron is any complex three-dimensional geometric figure, such as a cube, a dodecahedron, an icosahedron.

5. Probe as in claim 1, characterized in that the underwater transducers (12) are arranged at the vertices of two or more mutually intersected polyhedra.

6. Probe as in claim 1, characterized by the fact that the underwater transducers (12) are arranged in a pseudo-random manner to acquire the sound coming from specific and predetermined directions and / or to avoid signal loss at specific frequencies and / or directions of arrival of the sound.

7. Probe as in any one of the preceding claims, characterized in that it comprises multi-channel recording means (22,24), each of said channels being associated with a corresponding underwater transducer (12).

8. Probe as in claim 7, characterized in that said recording means comprise a sampling unit (22) and an electronic storage unit (24) connected to the sampling unit (22).

9. Probe as in claim 8 characterized in that the electronic storage unit (24) is of the removable type.

10. Probe as in claims 7, 8 or 9, characterized in that said processing means (26) are connected to said recording means (22, 24) and comprise a plurality of digital filters suitable for processing the signals coming from the transducers underwater (12) so as to provide a set of output signals corresponding to spherical harmonic signals of different orders having maximum order as a function of the number of underwater transducers (12).

11. Probe as in claim 10, characterized by the fact that said digital filters are of the FIR type, whose coefficients are calculated by means of a temporal and spatial sampling of signals detected by the underwater transducers (12), since the probe is hit by a field known sound.

12. Probe as in any one of the preceding claims, characterized in that it comprises locating and positioning means (30) suitable for directing the probe in a desired manner with respect to a predetermined terrestrial reference system.

13. Probe as in any one of the preceding claims, characterized in that it comprises means for detecting physico-chemical parameters of the underwater environment in which the probe is positioned.

14. Probe as in claim 13, characterized in that said detection means comprise a temperature probe (32).

15. Probe as in claim 13, characterized in that said detection means comprise a water salinity meter (34).

16. Probe as in claim 13, characterized in that said detection means comprise a depth gauge (36).