Afsløre skjult information i lydbølger

Ved i det væsentlige at skrue ned for tonehøjden af ​​lydbølger, Ingeniørforskere fra University of Michigan har udtænkt en måde at låse op for større mængder data fra akustiske felter end nogensinde før.

Denne yderligere information kan øge ydeevnen af ​​passive ekkolods- og ekkolokaliseringssystemer til at detektere og spore modstandere i havet, medicinsk billedbehandlingsudstyr, seismiske opmålingssystemer til lokalisering af olie- og mineralforekomster, og muligvis også radarsystemer.

"Akustiske felter er uventet rigere på information, end man typisk tror, " sagde David Dowling, en professor i U-M's Institut for Maskinteknik.

Han sammenligner sin tilgang til at løse problemet med menneskelig sensorisk overbelastning.

Sidder i et værelse med lukkede øjne, du ville have lidt problemer med at finde nogen, der taler til dig ved normal lydstyrke uden at kigge. Talefrekvenser er lige i komfortzonen for menneskelig hørelse.

Nu, forestil dig dig selv i samme rum, når en røgalarm går i gang. Det irriterende skrig genereres af lydbølger ved højere frekvenser, og midt i dem, det ville være svært for dig at lokalisere kilden til skriget uden at åbne øjnene for yderligere sensorisk information. Den højere frekvens af røgalarmlyden skaber retningsbestemt forvirring for det menneskelige øre.

"De teknikker, som mine elever og jeg har udviklet, vil tillade stort set ethvert signal at blive flyttet til et frekvensområde, hvor du ikke længere er forvirret, " sagde Dowling, hvis forskning primært er finansieret af den amerikanske flåde.

Søværnets sonararrays på ubåde og overfladeskibe håndterer en lignende form for forvirring, når de søger efter fartøjer på havoverfladen og under bølgerne. Evnen til at opdage og lokalisere fjendtlige skibe på havet er en afgørende opgave for flådefartøjer.

Sonararrays er typisk designet til at optage lyde i specifikke frekvensområder. Lyde med frekvenser højere end et arrays tilsigtede rækkevidde kan forvirre systemet; den kan muligvis registrere tilstedeværelsen af ​​en vigtig kontakt, men stadig ikke i stand til at finde den.

Hver gang der optages lyd, en mikrofon tager rollen som det menneskelige øre, føler lydamplitude, da den varierer i tid. Gennem en matematisk beregning kendt som en Fourier-transformation, lydamplitude versus tid kan konverteres til lydamplitude versus frekvens.

Med den optagede lyd omsat til frekvenser, Dowling tager sin teknik i brug. Han kombinerer matematisk alle to frekvenser inden for signalets optagede frekvensområde, at afsløre information uden for dette område ved en ny, tredje frekvens, der er summen eller forskellen af ​​de to indgangsfrekvenser.

"Denne information ved den tredje frekvens er noget, vi ikke traditionelt har haft før, " han sagde.

I tilfælde af et flådefartøjs sonararray, at yderligere information kunne gøre det muligt for en modstanders skib eller undervandsaktiv at blive pålideligt placeret længere væk eller med registreringsudstyr, der ikke var designet til at modtage det optagede signal. I særdeleshed, sporing af afstanden og dybden af ​​en modstander på hundredvis af miles væk – langt ud over horisonten – kan være muligt.

Og hvad der er godt for flåden, kan også være godt for læger, der undersøger områder af kroppen, der er sværest at nå, såsom inde i kraniet. Tilsvarende fjerntliggende seismiske undersøgelser, der analyserer jorden for at søge olie- eller mineralforekomster, kunne også forbedres.

"Videnskaben, der går i biomedicinsk ultralyd, og den videnskab, der går i flådens sonar, er næsten identiske, " sagde Dowling. "De bølger, som jeg studerer, er skalære, eller langsgående, bølger. Elektromagnetiske bølger er tværgående, men de følger lignende ligninger. Også, seismiske bølger kan være både tværgående og langsgående, men igen følger de lignende ligninger.

"Der er en masse potentielt videnskabeligt fælles grundlag, og plads til at udvide disse ideer."

Undersøgelsen er offentliggjort i den aktuelle udgave af Fysisk gennemgangsvæske .