Lịch sử ra đời của Camera đo độ ồn, Acoustic Camera
Có lẽ cụm từ Camera tiếng ồn hay còn được gọi là camera âm thanh tiếng vẫn còn xa lạ với nhiều người. Nhưng thuật ngữ Camera âm thanh xuất hiện từ cuối thế kỷ 19, trong một nghiên cứu chức năng của tai trong do nhà sinh học JR Ewald thực hiện. Ổng đã công bố sự tương đồng của mảnh âm thanh với các tấm Chladni (một lĩnh vực ngày nay gọi là Cymatics), một thiết bị cho phép người dùng nhìn thấy trực quan các mẫu rung của bảng. Ông gọi thiết bị này là Acoustic Camera và thuật ngữ này được sử dụng phổ biến vào thế kỷ 20 để phân loại những thiết bị âm thanh khác nhau chẳng hạn như hệ thống định vị dưới nước, hoặc hệ thống hoạt động được sử dụng trong y học. Và ngày nay, nó đề cập đến bất kỳ mảng đầu dò nào được sử dụng để xác định vị trí nguồn âm thanh (môi trường thường là không khí), đặc biệt là khi kết hợp với máy ảnh quang học.
 |
 |
 |
 |
|
|
Thiết bị định vị âm thanh ở Đức, năm 1939 | Bức ảnh chụp trước Thế chiến thứ II của Thiên hoàng Nhật Bản Shōwa (Hirohito) | Những người lính Thụy Điển đang vận hành máy định vị âm thanh vào năm 1940 |
Những thiết bị định vị âm thanh được sự trong quân sự, nhằm xác định vị trí của máy bay, và tàu ngầm của địch bằng sóng âm từ giữa thế chiến thứ I đến đầu thế chiến thứ II trước khi bị thay thế bằng radar. Nhưng kỹ thuật này vẫn được áp dụng để có thể ‘nhìn thấy’ quanh các góc và trên đồi, do nhiễu xạ âm thanh để xác định vị trí động vật hoang dã cũng như xác định vị trí súng bán tỉa.
Cho đến hiện tại việc xác định vị trí âm thanh đã được ứng rộng rã trong cuộc sống, như để xác định nguồn ô nhiễm tiếng ồn, xác định vị trí lỗi trên động cơ… Sự phát triển của hệ thống Acoustic Camera (Camera đo tiếng ồn) chỉ thực sự được phát triển mạnh mẽ vào những năm 2000
Đầu những năm 2000 việc ra đời của máy đo âm thanh (sound level meter) đã tạo nền tảng cho sự phát triển của camera đo tiếng ồn cho đến giữa những năm 2000 những nhiên cứu về sử dụng camera âm thanh để định vị nguồn tiếng ồn bắt đầu xuất hiện ở những nước phương Tây. Các thuật toán được áp dụng để xử lý hình ảnh và âm thanh để xác định vị trí và mức độ của các nguồn phát tiếng ồn. Đến cuối năn 2010 các hệ thống camera đo tiếng ồn, Acoustic camera mới thực sự được giới thiệu và ứng dụng rộng rãi. Điển hình là vào năm 2022 thành phố New York (Mỹ) bắt đầu triển khai hệ thống camera đo tiếng ồn tự động để phạt các phương tiện giao thông gây ồn quá mức.
Các hệ thống này thường kết hợp camera với micro và phần mềm phân tích để cung cấp thông tin chi tiết về môi trường âm thanh. Việc sử dụng Acoustic camera giúp việc phân tích âm thanh dễ dàng hơn qua màu sắc âm thanh được camera đo tiếng ồn ghi lại.
Cấu tạo Acoustic camera
Không như camera nhiệt, camera âm thanh chưa thực sự phổ biến tại Việt Nam. Hiện nay nổi tiếng nhất có lẽ là dòng ii900 của Fluke một dòng máy chụp ảnh bằng sóng âm. Thiết bị này được ưa chuộng vì thiết kế nhỏ gọn, cho kết quả nhanh chóng nhất là đối với công việc định vị và chính xác vị trí rò rỉ khí, gas và chân không trong hệ thống khí nén ngay cả trong môi trường công xưởng. Dòng máy này có cấu tạo cơ bản của một Acoustic camera gồm micrô cho trường kiểm tra mở rộng cùng máy chụp ảnh bằng sóng âm.
Camera âm thanh thường bao gồm một mảng microphone và tùy chọn có thể là một camera quang học. Micro (analog hoặc kỹ thuật số) thu âm đồng thời hoặc với độ trễ thời gian tương đối đã biết để có thể sử dụng độ lệch pha giữa các tín hiệu. Vì âm thanh lan truyền trong môi trường (không khí, nước …) với tốc độ hữu hạn đã biết, nên một nguồn âm được các micro thu nhận tại các thời điểm khác nhau và với cường độ âm thanh khác nhau tùy thuộc vào vị trí của nguồn âm và vị trí của micro.
Việc thiết kế mảng microphone mà một việc rất khó khăn, để tạo ra một mảng microphone cần phải trải qua nhiều thử nghiệm trên mô hình từ đó đảm bảo được các phép tính chính xác đạt được mục tiêu và hiệu suất nhất định. Một phương pháp phổ biến để thu được hình ảnh âm thanh từ phép đo của micro là sử dụng tạo chùm tia (beamforming), bằng cách trì hoãn tương đối tín hiệu của từng micro và cộng chúng lại, tín hiệu đến từ một hướng cụ thể (𝜃₀, ɸ₀) được khuếch đại trong khi các tín hiệu đến từ các hướng khác bị triệt tiêu. Sau đó, công suất của tín hiệu kết quả này được tính toán và báo cáo trên bản đồ công suất ở một pixel tương ứng với hướng (𝜃₀, ɸ₀). Quá trình được lặp lại ở mỗi hướng cần tính toán công suất.
Mặc dù phương pháp tạo chùm tia (beamforming) có nhiều ưu điểm như: độ tin cậy cao, dễ hiểu, khả năng song song hóa lớn (mỗi hướng tính toán độc lập), linh hoạt (có nhiều loại tạo chùm tia khác nhau) và tương đối nhanh; nhưng phương pháp này cũng tồn tại một số hạn chế. Chính vì thế các hãng phát triển liên tục thay đổi, liên tục nghiên cứu để có thể tìm ra những giải pháp thích hợp hơn.
Để hiểu hơn về cách hoạt động của Camera âm thanh hãy cùng theo khảo nhưng clip dưới đây:
Đo tiếng ồn trên xe ô tô khi chạy bằng Acoustic camera
Đo tiếng ồn động cơ ô tô khi bằng Acoustic camera
Thời gian sepup Acoustic camera
