Acoustical Ranging Techniques in Embedded Wireless Sensor Networked Devices

Location sensing provides endless opportunities for a wide range of applications in GPS-obstructed environments; where, typically, there is a need for higher degree of accuracy. In this article, we focus on robust range estimation, an important prerequisite for fine-grained localization. Motivated by the promise of acoustic in delivering high ranging accuracy, we present the design, implementation and evaluation of acoustic (both ultrasound and audible) ranging systems.We distill the limitations of acoustic ranging; and present efficient signal designs and detection algorithms to overcome the challenges of coverage, range, accuracy/resolution, tolerance to Doppler’s effect, and audible intensity. We evaluate our proposed techniques experimentally on TWEET, a low-power platform purpose-built for acoustic ranging applications. Our experiments demonstrate an operational range of 20 m (outdoor) and an average accuracy 2 cm in the ultrasound domain. Finally, we present the design of an audible-range acoustic tracking service that encompasses the benefits of a near-inaudible acoustic broadband chirp and approximately two times increase in Doppler tolerance to achieve better performance

Reduced In-Plane, Low Frequency Helicopter Noise of an Active Flap Rotor

Results from a recent joint DARPA/Boeing/NASA/Army wind tunnel test demonstrated the ability to reduce in-plane, low frequency noise of the full-scale Boeing-SMART rotor using active flaps. Test data reported in this paper illustrated that acoustic energy in the first six blade-passing harmonics could be reduced by up to 6 decibels at a moderate airspeed, level flight condition corresponding to advance ratio of 0.30. Reduced noise levels were attributed to selective active flap schedules that modified in-plane blade airloads on the advancing side of the rotor, in a manner, which generated counteracting acoustic pulses that partially offset the negative pressure peaks associated with in-plane, steady thickness noise. These favorable reduced-noise operating states are a strong function of the active flap actuation amplitude, frequency and phase. The associated noise reductions resulted in reduced aural detection distance by up to 18%, but incurred significant vibratory load penalties due to increased hub shear forces. Small reductions in rotor lift-to-drag ratios, of no more than 3%, were also measure

The assessment and development of methods in (spatial) sound ecology

As vital ecosystems across the globe enter unchartered pressure from climate change industrial land use, understanding the processes driving ecosystem viability has never been more critical. Nuanced ecosystem understanding comes from well-collected field data and a wealth of associated interpretations. In recent years the most popular methods of ecosystem monitoring have revolutionised from often damaging and labour-intensive manual data collection to automated methods of data collection and analysis. Sound ecology describes the school of research that uses information transmitted through sound to infer properties about an area's species, biodiversity, and health. In this thesis, we explore and develop state-of-the-art automated monitoring with sound, specifically relating to data storage practice and spatial acoustic recording and data analysis. In the first chapter, we explore the necessity and methods of ecosystem monitoring, focusing on acoustic monitoring, later exploring how and why sound is recorded and the current state-of-the-art in acoustic monitoring. Chapter one concludes with us setting out the aims and overall content of the following chapters. We begin the second chapter by exploring methods used to mitigate data storage expense, a widespread issue as automated methods quickly amass vast amounts of data which can be expensive and impractical to manage. Importantly I explain how these data management practices are often used without known consequence, something I then address. Specifically, I present evidence that the most used data reduction methods (namely compression and temporal subsetting) have a surprisingly small impact on the information content of recorded sound compared to the method of analysis. This work also adds to the increasing evidence that deep learning-based methods of environmental sound quantification are more powerful and robust to experimental variation than more traditional acoustic indices. In the latter chapters, I focus on using multichannel acoustic recording for sound-source localisation. Knowing where a sound originated has a range of ecological uses, including counting individuals, locating threats, and monitoring habitat use. While an exciting application of acoustic technology, spatial acoustics has had minimal uptake owing to the expense, impracticality and inaccessibility of equipment. In my third chapter, I introduce MAARU (Multichannel Acoustic Autonomous Recording Unit), a low-cost, easy-to-use and accessible solution to this problem. I explain the software and hardware necessary for spatial recording and show how MAARU can be used to localise the direction of a sound to within ±10˚ accurately. In the fourth chapter, I explore how MAARU devices deployed in the field can be used for enhanced ecosystem monitoring by spatially clustering individuals by calling directions for more accurate abundance approximations and crude species-specific habitat usage monitoring. Most literature on spatial acoustics cites the need for many accurately synced recording devices over an area. This chapter provides the first evidence of advances made with just one recorder. Finally, I conclude this thesis by restating my aims and discussing my success in achieving them. Specifically, in the thesis’ conclusion, I reiterate the contributions made to the field as a direct result of this work and outline some possible development avenues.Open Acces

Imagerie et caractérisation instationnaire de sources acoustiques en milieu réverbérant et bruité par renversement temporel et séparation de champs sur antenne hémisphérique double couche

For many industrial applications, it is necessary to inspect radiating structures using non-stationary sources localization and characterization techniques. In the last decades, many acoustical imaging methods have been developed. These techniques are based on the measurement of a set of acoustical quantities (pressure and/or particle velocity) on structured (or not) microphones antennas. In particular, this thesis work aims at studying and optimizing non-stationary imaging methods using time reversal. More particularly, we are interested in improvements following to assess precisely the acoustic field with good performances, by making these methods performances insensitive to the measurements conditions (reverberant and noisy environment). For purpose, several improvements are proposed in this manuscript, thanks to measurements realised on a hemispherical double layer antenna. In particular, we detail a quantitative time reversal acoustical imaging process thanks to the calculation of the time reversed version of the Helmholtz-Kirchhoff integral, using the "double data" measurements realised on the antenna. Then, we will detail improvements to suppress both room effects and the perturbative sources contributions thanks to a field separation method, which consists in expanding the measured data onto spherical harmonics functions basis. Then, the "incoming" and the "outgoing" contributions are separated. Finally, the time reversal imaging resolution, intrinsically limited, is improved thanks to the automatic definition of a time reversal sink. Its analytical formulation takes advantage of double layer measurement structure. This of crucial importance to note that all these improvements take advantage from the recording of a double data set (pressure-pressure or pressure-velocity). The quality of the pressure field reconstructed using the full double layer time reversal imaging process is illustrated through numerical and experimental studies, from an idealized situation (anechoic and not noisy environments) to a hard case (highly reverberant and noisy environment).Dans un grand nombre d'applications industrielles, il est nécessaire d'inspecter des structures rayonnantes à l'aide de techniques de caractérisation et de localisation de sources acoustiques instationnaires. Ces dernières décennies, plusieurs techniques d'imagerie acoustique ont été développées, reposant sur l'utilisation de mesures d'un jeu de grandeurs acoustiques (pression et/ou vitesse particulaire) sur des antennes microphoniques, structurées ou non. Le travail réalisé durant cette thèse porte plus spécifiquement sur les techniques d'imagerie instationnaires par retournement temporel. Nous nous intéressons plus particulièrement aux optimisations permettant de rendre les performances de ces techniques d'imagerie instationnaires insensibles aux conditions de mesures (environnement réverbérant et bruité). Pour cela, différentes améliorations sont proposées dans ce manuscrit, grâce à des mesures réalisées sur une antenne hémisphérique double-couche. En particulier, nous détaillerons un processus d'imagerie acoustique quantitative par retournement temporel grâce au calcul de l'intégrale de Helmholtz-Kirchhoff retournée temporellement, grâce aux mesures "double données" réalisées sur l'antenne. Ensuite, nous détaillerons les optimisations pour supprimer les effets de salle et les contributions de sources perturbatrices grâce à une méthode de séparation de champs, qui consiste à projeter les données mesurées sur la base des harmoniques sphériques puis à séparer les contributions "entrantes" et "sortantes". Pour finir, la résolution d'imagerie par retournement temporel, intrinsèquement limitée, est améliorée grâce à la définition automatique d'un puits à retournement temporel dont la formulation analytique tire partie de la structure double-couche des données mesurées. Il est essentiel de noter que ces différentes stratégies d'optimisation sont possibles grâce à l'enregistrement d'un double jeu de données (pression-pression ou pression-vitesse). La qualité de reconstruction du champ de pression par le processus d'imagerie par retournement temporel double couche complet est illustré à travers des études numériques et des études expérimentales, allant d'une configuration idéale (environnement anéchoïque et non bruité) à un cas complexe (environnement fortement réverbérant et bruité)

Le puits à retournement temporel dans le domaine audible : un outil de focalisation et d'imagerie à haute résolution de sources sonores et vibratoires

Le développement de techniques de focalisation et d'imagerie à haute résolution pour les sources acoustiques et vibratoires à basse fréquence est l'un des enjeux de la recherche actuelle en acoustique, notamment pour exciter localement et analyser des structures vibroacoustiques complexes tout en conservant des propriétés de haute résolution. Ces propriétés sont nécessaires lorsque la taille des objets étudiés est plus petite que la longueur d'onde mise en jeu. Nous désirons une méthode flexible, rapide, précise, non invasive, et unifiée d'excitation et d'analyse. Celle-ci doit être applicable tant dans le domaine des vibrations dans les structures que dans le domaine des ondes acoustiques tridimensionnelles. Pour cela, nous nous basons sur la technique du puits à retournement temporel, qui n'a, à ce jour, été mise en oeuvre que pour la focalisation d'ondes de Lamb dans une cavité ergodique ou avec des ondes électromagnétiques. Aucune technique d'imagerie n'a, avant cette thèse, été dérivée du puits à retournement temporel. La méthode du puits à retournement temporel est adaptée pour la focalisation à basse fréquence. Elle permet d'exciter localement une structure avec une grande intensité, et possède des capacités de super-résolution. Malgré tout, nous démontrons que cette méthode est difficilement applicable en situation pratique, puisqu'elle fait perdre le caractère non invasif nécessaire à la plupart des applications. En revanche, nous présentons dans ce manuscrit une technique nouvelle d'imagerie de sources vibratoires et acoustiques, basée sur le puits à retournement temporel. Cette technique non invasive d'imagerie, utilisant des dispositifs de mesure similaires aux techniques de formations de voies ou d'holographie en champ proche, permet d'obtenir une image des sources vibratoires ou acoustiques à très haute résolution de manière rapide. L'approche de cette nouvelle méthode d'imagerie est décrite. Des applications à l'imagerie de sources d'impact sur une plaque encastrée, ainsi qu'à l'imagerie de sources acoustiques en champ libre et en milieu sous-marin profond sont proposées. Une application à l'imagerie de sources acoustiques à basse fréquence sur une guitare est développée. Ces résultats représentent les premières applications de l'imagerie par puits à retournement temporel numérique. Les limites, la théorie, et la mise en oeuvre de cette technique d'imagerie à haute résolution sont étudiées et détaillées. II est démontré que cet outil possède des performances et des limites similaires à l'holographie en champ proche, tout en dépassant les capacités à basse fréquence des techniques classiques de localisation limitées en résolution couramment utilisées, comme le beamforming ou le retournement temporel

Subwavelength Sound Focusing Using a Time-Reversal Acoustic Sink

International audienceTime-reversal mirrors (TRM) have been developed since 1986 in order to focus ultrasonic transient waves in complex media. In the last few years, the properties of TR of acoustic fields have been studied in many different areas. Nevertheless, few applications of TR have been developed in audible range acoustics. The aim of this paper is to demonstrate the concept of time-reversal acoustic sink (TRAS) in audible frequency regime, in order to overcome the diffraction limit imposed by the TRM focusing. The major difference between the TRAS and TRM experiments in ultrasonics and audible range is the ratio between the wavelength and the size of the transducers and objects on which the focusing is achieved. The audible range experiment are lead in Fresnel field (near field), whereas the ultrasonic experiments are lead in Fraunhoffer field (far field). We present the first experimental results with a TRAS in this frequency range. The focusing behaviour in a reverberation room using different transient sounds and frequency domains are investigated and discussed, showing that one can take advantage of reverberation in order to achieve subwavelength sound focusing using a single-element TRM. We report that a focal spot of a seventh of a wavelength has been recorded using the TRAS techniques in audible range, compared to the half wavelength obtained with normal TRM processing. A promising application of a numerical TRAS-method in acoustic imaging and localization of acoustic and vibrational sources is presented