음향 위치 측정

[thumb|1940년 [스웨덴 병사들이 음향 탐지기를 운용하고 있다.]]

**음향 위치 측정**(Acoustic location)은 소리 파동을 사용하여 물체 또는 음원의 위치를 ​​결정하는 방법이다. 위치는 기체(대기 등), 액체(물 등) 및 고체(지구 등)에서 이루어질 수 있다.

위치 측정은 능동적으로 또는 수동적으로 수행될 수 있다.

* 능동 음향 위치 측정은 에코를 생성하기 위해 소리를 만들어낸 다음, 이를 분석하여 해당 물체의 위치를 ​​결정하는 것을 포함한다.
* 수동 음향 위치 측정은 감지되는 물체에 의해 생성된 소리 또는 진동을 감지한 다음, 이를 분석하여 해당 물체의 위치를 ​​결정하는 것을 포함한다.

이 두 가지 기술은 모두 물에서 사용될 때 소나로 알려져 있다. 수동 소나와 능동 소나 모두 널리 사용된다.

음향 거울과 접시는 마이크를 사용할 때 수동 음향 위치 측정 수단이지만, 스피커를 사용할 때는 능동 위치 측정 수단이다. 일반적으로 두 개 이상의 장치가 사용되며, 여러 장치 간에 위치가 삼각측량된다.

군사 방공 도구로서, 수동 음향 위치 측정은 제1차 세계 대전 중반부터 제2차 세계 대전 초기까지 적 항공기의 엔진 소음을 포착하여 적 항공기를 탐지하는 데 사용되었다. 이는 훨씬 더 효과적이었던 (그러나 요격될 수 있는) 레이더의 도입으로 제2차 세계 대전 이전과 도중에 쓸모없게 되었다. 음향 기술은 소리의 회절 덕분에 모퉁이를 돌아서 언덕 너머를 '볼' 수 있다는 장점이 있었다.

민간 용도로는 야생동물 위치 파악 및 총기 사격 위치 파악 등이 있다.

## 요약

음향원 위치 파악은 음장 측정값을 통해 소리의 원천을 찾는 작업이다. 음장은 음압 및 입자 속도와 같은 물리량으로 설명할 수 있다. 이러한 특성을 측정함으로써 간접적으로 음원 방향을 얻을 수 있다.

전통적으로 음압은 마이크로폰을 사용하여 측정된다. 마이크로폰은 입사음의 방향에 따른 감도를 나타내는 지향성 패턴을 가지고 있다. 많은 마이크로폰은 전방향성 지향성 패턴을 가지고 있는데, 이는 감도가 입사음의 방향에 독립적이라는 것을 의미한다. 특정 방향에 더 민감한 다른 지향성 패턴을 가진 마이크로폰도 존재한다. 그러나 이는 정확한 방향이나 원점을 결정하려는 음향 위치 파악 문제에 대한 해결책은 아니다. 음압을 측정하는 마이크로폰 외에도 입자 속도 프로브를 사용하여 음향 입자 속도를 직접 측정하는 것도 가능하다. 입자 속도는 음파와 관련된 또 다른 양이지만, 음압과는 달리 입자 속도는 벡터이다. 입자 속도를 측정함으로써 음원 방향을 직접 얻을 수 있다. 여러 센서를 사용하는 더 복잡한 다른 방법들도 가능하다. 이러한 방법 중 다수는 도착 시간 차이 (TDOA) 기술을 사용한다.

일부에서는 음향 음원 위치 파악을 측정된 음장을 음원의 위치로 변환하는 "역문제"라고 부른다.

## 방법
음원 방향 또는 음원 위치를 얻기 위한 다양한 방법이 가능하다.

### 도착 시간 차이
음원 방향을 얻는 전통적인 방법은 도착 시간 차이(TDOA) 방법을 사용하는 것이다. 이 방법은 압력 마이크로폰뿐만 아니라 입자 속도 프로브와 함께 사용할 수 있다.

최소 두 개의 프로브로 구성된 센서 배열(예: 마이크로폰 배열)을 사용하면 각 프로브의 신호 간 교차상관 함수를 사용하여 음원 방향을 얻을 수 있다. 두 마이크로폰 간의 교차상관 함수는 다음과 같이 정의된다.

:
R_{x_1,x_2} (\tau) = \sum_{n=-\infty}^\infty x_1(n) x_2(n+\tau)


이는 두 센서  x_1  및  x_2 의 출력 간 상관 분석 수준을 정의한다. 일반적으로 상관 수준이 높을수록 인수  \tau 가 실제 도착 시간 차이에 상대적으로 가깝다는 것을 의미한다. 서로 옆에 있는 두 센서의 TDOA는 다음과 같다.
:
\tau_\text{true} = \frac{d_\text{spacing}}{c}


여기서 c는 센서와 음원 주변 매질에서의 음속이다.

TDOA의 잘 알려진 예는 양쪽 귀 시간 차이이다. 양쪽 귀 시간 차이는 두 귀 사이에 소리가 도달하는 시간의 차이이다. 양쪽 귀 시간 차이는 다음과 같다.
:\Delta t = \frac{x \cos\theta} c 
여기서
:\Delta t는 초 단위의 시간 차이,
:x는 두 센서(귀) 사이의 거리(미터),
:\theta는 센서(귀)의 기준선과 입사음 사이의 각도(도)이다.

### 삼각측량법

삼각법과 기하학에서 삼각측량은 지점까지의 거리를 직접 측정하는 것이 아니라(삼변측량), 고정된 기준선의 양쪽 끝에 있는 알려진 지점에서 해당 지점까지의 각을 측정하여 지점의 위치를 결정하는 과정이다. 그러면 해당 지점은 한 변과 두 각이 알려진 삼각형의 세 번째 지점으로 고정될 수 있다.

음향 위치 파악의 경우, 이는 공간의 두 개 이상의 위치에서 음원 방향을 측정하면 그 위치를 삼각측량할 수 있음을 의미한다.

### 간접적인 방법
스티어드 응답 전력(SRP) 방법은 간접 음향원 위치 파악 방법의 한 종류이다. 마이크로폰 쌍 간의 일련의 도착 시간 차이(TDOA)를 추정하고 획득된 추정치를 결합하여 음원 위치를 찾는 대신, 간접 방법은 공간 지점 그리드에서 후보 음원 위치를 탐색한다. 이 맥락에서, 위상 변환이 적용된 스티어드 응답 전력(SRP-PHAT)과 같은 방법은 일반적으로 지연 및 합 빔포머의 출력을 최대화하는 후보 위치를 찾는 것으로 해석된다. 이 방법은 잡음과 잔향에 매우 강인한 것으로 나타났으며, 실시간 음향 처리 응용 분야에서 성능을 향상시키는 것을 목표로 하는 수정된 접근 방식의 개발을 촉진했다.

## 군사적 사용

thumb|right|250px|T3 음향 탐지기 1927년
[thumb|230px|[제2차 세계 대전 이전 일본의 쇼와 천황 (히로히토)이 4륜 수레에 장착된 군사용 음향 탐지기를 시찰하는 모습]]
군사적 용도로는 잠수함과 항공기 위치 파악이 포함되었다. 이 유형 장비의 첫 사용은 영국 해군 예비군의 알프레드 롤린슨 사령관이 주장했다. 그는 1916년 가을 영국 동부 해안의 이동식 대공포대를 지휘하고 있었다. 그는 구름 낀 날씨에 체펠린 비행선의 위치를 파악할 수 있는 수단이 필요했고, 회전하는 기둥에 장착된 한 쌍의 축음기 혼으로 장치를 즉석에서 만들었다. 이 장치들 중 몇 개는 접근하는 비행선에 대해 상당히 정확한 위치를 제공하여, 비록 시야에 없더라도 포를 겨눌 수 있도록 했다. 이 방법으로 명중은 없었지만, 롤린슨은 한 번은 체펠린 비행선이 폭탄을 투하하도록 강요했다고 주장했다.

대공 방어 장비는 일반적으로 크고 긴 나팔이나 마이크로폰으로 구성되었는데, 이는 마치 매우 큰 청진기처럼 튜브를 통해 조작자의 귀에 연결되었다.
thumb|right|1939년 독일의 음향 탐지 장비. 수평 한 쌍과 수직 한 쌍의 네 개의 음향 혼으로 구성되어 있으며, 고무 튜브로 왼쪽과 오른쪽 두 기술자가 착용한 청진기형 이어폰에 연결되어 있다. 스테레오 이어폰을 통해 한 기술자는 항공기의 방향을, 다른 기술자는 고도를 결정할 수 있었다.

1920년대 말, 네덜란드의 Meetgebouw에서 여러 국가의 대형 음향 청취 장치들을 비교한 결과 단점이 드러났다. 근본적인 연구에 따르면 인간의 귀는 20년대와 30년대에 이해했던 것보다 훨씬 우수했다. 귀에 더 가깝고 기밀 연결을 갖춘 새로운 청취 장치들이 개발되었다. 또한, 음속이 비행기보다 느리다는 점을 감안한 기계식 예측 장비와 고도 보정은 탐지된 항공기가 비행하는 곳으로 서치라이트 조작자와 대공포 사수들을 향하게 할 정보를 제공했다. 서치라이트와 포는 청취 장치로부터 일정 거리에 있어야 했다. 따라서 전기 방향 지시기 장치들이 개발되었다.

대공 음향 측정에 대한 대부분의 작업은 영국인에 의해 이루어졌다. 그들은 제1차 세계 대전부터 제2차 세계 대전까지 사용된 광범위한 음향 거울 네트워크를 개발했다. 음향 거울은 일반적으로 이동식 마이크를 사용하여 수신된 음향의 진폭을 최대화하는 각도를 찾아내는데, 이는 목표물까지의 방위각이기도 하다. 서로 다른 위치에 있는 두 개의 음향 거울은 두 개의 다른 방위각을 생성하며, 이를 통해 삼각측량법을 사용하여 음원의 위치를 결정할 수 있다.

제2차 세계 대전이 다가오면서 레이더는 항공기의 음향 위치 측정에 대한 신뢰할 만한 대안이 되기 시작했다. 당시의 일반적인 항공기 속도에서 음향 위치 측정은 불과 몇 분의 경고 시간만을 제공했다. 음향 위치 측정 기지는 영국 본토 항공전에서 예시되었듯이 레이더의 백업으로 계속 운영되었다. 오늘날에도 버려진 유적지는 여전히 존재하며 쉽게 접근할 수 있다.

제2차 세계 대전 이후, 음향 측정은 대공 작전에서 더 이상 역할을 하지 않았다.

## 능동/수동 탐지기
능동 탐지기는 청취 장치 외에 일종의 신호 생성 장치를 가지고 있다. 두 장치가 함께 위치할 필요는 없다.

### 소나
소나 (음향 항법 및 거리 측정)는 수중(또는 가끔 공중)에서 소리 전파를 사용하여 항해, 통신 또는 다른 선박을 감지하는 기술이다. 소나에는 능동형과 수동형의 두 가지 종류가 있다. 단일 능동 소나는 거리 및 방위뿐만 아니라 방사 속도를 측정하여 위치를 파악할 수 있다. 그러나 단일 수동 소나는 직접적으로 방위만 위치를 파악할 수 있으며, 시간이 주어지면 표적 운동 분석을 사용하여 거리를 위치 파악할 수 있다. 여러 수동 소나를 삼각측량 또는 상관을 통해 직접 거리 위치 파악에 사용할 수 있다.

### 생물학적 반향 위치 측정
돌고래, 고래 및 박쥐는 반향 위치 측정을 사용하여 먹이를 감지하고 장애물을 피한다.

### 도착 시간 기반 위치 측정
스피커/초음파 송신기가 알려진 위치와 시간에 소리를 방출하면, 마이크/초음파 수신기가 장착된 목표물의 위치는 소리의 도착 시간을 기반으로 추정할 수 있다. 일반적으로 송신기와 수신기 사이에 장애물이 있는 비가시선 통신 조건에서는 정확도가 떨어진다.

## 지진 조사
[thumb|조사선 [HMS 엔터프라이즈 (H88)|HMS 엔터프라이즈가 홍해 아래의 협곡을 3차원 음향 측정으로 표현한 모습]]

지진 조사는 지하 구조를 측정하기 위해 음파를 생성하는 것을 포함한다. 음원은 일반적으로 지면 또는 수면 근처에 위치한 타격 메커니즘, 일반적으로 낙하된 추, 진동 지진 탐사 트럭 또는 폭발물에 의해 생성된다. 데이터는 지진계를 사용하여 수집된 다음 컴퓨터로 저장 및 처리된다. 현재 기술은 이러한 장비를 사용하여 지하 암석 구조의 3D 이미지를 생성할 수 있다.

## 기타
관련 센서 및 전자 장비의 비용이 하락함에 따라 음향 측정 기술의 사용이 야생동물 위치 추적과 같은 다른 용도로도 접근 가능해지고 있다.

## 같이 보기
* 음향 카메라
* 3D 사운드 재구성
* 3D 음향 위치 파악
* 음원 위치 추정
* 부메랑
* 다자측량법
* 음향 거울
* 음향 길찾기, 청각 단서와 소리 표시를 사용하여 실내외 공간을 탐색하는 행위
* 반향 위치 측정

## 각주

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

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