Исследование эффективности использовании авторегрессионного спектрального оценивания угловых спектров акустических полей для неинвазивного выявления артефактов в ограниченных объектах

Abstract

Рассмотрена эффективность алгоритмов оценки угловых спектров акустических сигналов в малоразмерных объектах. Учтено, что из-за ограниченности волновых размеров для этого следует использовать малоразмерные антенны, структура которых обеспечивала бы возможность применения простых и эффективных вычислительных процедур. Предложены алгоритмы оценки угловых спектров с помощью линейной дискретной эквидистантной антенны. При этом основное внимание уделено двухэлементной антенне и авторегрессионному (АР) алгоритму. На основе выполненных модельных исследований показана более высокая эффективность АР-оценивания по сравнению с традиционной процедурой. Выявлены особенности структуры угловых спектров сигналов протяженных и сосредоточенных источников. Показано как изменяется структура угловых спектров при вариациях скорости звука в среде распространения, а также при появлении слоя акустической неоднородности. Рассмотрена эффективность использования АР-процедуры для пространственного разрешения сосредоточенных источников сигналов. Представленные результаты экспериментального определения угловых спектров голосовых сигналов и возникающих при дыхании хрипов подтверждают эффективность использования АР-оценивания для выявления и локализации таких источников.

Розглянуто ефективність алгоритмів оцінки кутових спектрів акустичних сигналів у малорозмірних об'єктах. Враховано, що через обмеженість хвильових розмірів для цьогог слід використовувати малорозмірі антени, структура яких забезпечувала б можливість застосування простих і ефективних обчислювальних процедур. Запропоновано алгоритми оцінки кутових спектрів за допомогою лінійної дискретної еквідистантним антени. При цьому основну увагу приділено двоелементній антені й авторегресійному (АР) алгоритму. На основі виконаних модельних досліджень показана більш висока ефективність АР-оцінювання у порівнянні з традиційною процедурою. Виявлено особливості структури кутових спектрів сигналів протяжних і зосереджених джерел. Показано як змінюється структура кутових спектрів при варіаціях швидкості звуку в середовищі поширення, а також при появі шару акустичної неоднорідності. Розглянуто ефективність використання АР-процедури для просторового розділення зосереджених джерел сигналів. Представлені результати експериментального визначення кутових спектрів голосових сигналів і хрипів, що виникають при диханні, підтверджують ефективність використання АР-оцінювання для виявлення й локалізації таких джерел.

The paper deals with discussing of the efficiency of algorithms for estimation of the angular spectra of acoustic signals in small-sized objects. It is considered that due to the limited wave size, they should use for this purpose the small-sized antennas with a structure providing the possibility of using of simple and efficient computational procedures. The algorithms for estimation of the angular spectra by means of the linear discrete equidistant antenna are proposed. The main attention is paid to the two-element antenna and autoregressive (AR) algorithm. On the base of the model studies, the higher efficiency of AR estimation in comparison with the traditional procedure is shown. The structural features of the angular spectra of the signals from extended and lumped sources are distinguished. Changes of the structure of angular spectra are shown for the cases of variation of the sound speed in propagation medium and appearance of the layer of acoustic heterogeneity. The efficiency of use of AR estimation for spatial resolution of point signal sources is considered. The presented experimental results of determining of the angular spectra of the voice signals and respiratory wheezing confirm the efficiency of AR estimation for identifying and localization of such sources.