¿Qué tan rápido podría un cyborg determinar que se disparó una bala solo por el sonido?

Divulgación: nosotros (Sound Intelligence) vendemos este producto exacto.

El problema es no detectar un ruido fuerte. Eso es bastante fácil. Pero la gran mayoría de los ruidos fuertes no son disparos. ¿Tu Android se agachará cada vez que se cierre una puerta?

Otra respuesta citó 120 dB. Eso es a la distancia de medición estándar de 1 metro. ¿Adivina qué? A esa distancia, estás muerto de todos modos. Podemos ignorarlo con seguridad.

Así que estamos lidiando con un sonido de disparo que no solo se atenúa con la distancia, sino que también tenemos reflejos en el suelo y las paredes. Esto manchará el pico y lo hará un poco más largo. Sigue siendo una firma bastante única, especialmente si se encuentra en un entorno estacionario. Puede ver cómo decae el sonido y compararlo con el entorno normal.

Otros ruidos pueden no ser tan fuertes como un disparo, pero al estar más cerca terminan con el mismo nivel de dB en el micrófono. Al observar la firma completa, incluidos los reflejos y la descomposición, el reconocimiento se vuelve mucho más fácil.

Entonces, la respuesta práctica es que podemos necesitar el sonido completo, incluidos varios cientos de milisegundos después del pico inicial para distinguirlo de los sonidos perfectamente normales.

¿Cuánto margen nos da eso? Bueno, la bala viaja a aproximadamente Mach 0,9, por lo que los sonidos tienen una ventaja de aproximadamente un 10%. Supongamos un disparo disparado desde 100 metros de distancia. Eso significa que la bala llega exactamente 100 ms después de los sonidos, lo suficiente para tener una detección algo confiable, pero no para reaccionar.

Creo que la convolución de la señal entre el sonido y el sonido de un disparo pregrabado debería ser suficiente para determinar que en realidad es un disparo (un ser humano entrenado puede separar fácilmente un disparo de otros sonidos), y admitimos que este cálculo es instantáneo. Por lo tanto, solo se debe tener en cuenta el tiempo de viaje del sonido.

La velocidad del sonido al nivel del mar y en condiciones ISA (25°C, 1013,25 hPa,...) es de 340,29 m/s, por lo que el tiempo en llegar al "oído" del cyborg es

El principal problema es esa frase.

La onda de choque, por supuesto, es seguida de cerca por la propia bala.

Supongamos que el tiro se dispara en t=0.

El sonido viaja a unos 340 m/s, por lo que debemos descartar las balas supersónicas, ya que alcanzarán al cyborg antes de que escuche el disparo.

Para un disparo subsónico, suponiendo que el espectro de sonido emitido sea comparable con este ( fuente )

tenemos una frecuencia pico de 1 kHz, lo que significa que para tener una oscilación completa de la onda de presión en el dispositivo de escucha del cyborg necesitamos al menos 0,5 ms.

Pasado este milisegundo el cyborg tiene que localizar el punto por donde se acerca la bala. La triangulación adecuada requeriría 3 "orejas" en diferentes lugares, si en cambio el cyborg tiene solo 2, solo podrá identificar la línea a lo largo de la cual viaja la bala.

Después de haber encontrado el punto de disparo, el cyborg tiene que determinar si la bala realmente se acerca para impactar, o si fue disparada hacia otro objetivo.

Para reaccionar a un sonido compatible con un disparo y asumiendo que realmente es un disparo y usted es el objetivo , probablemente pueda contar con que el aumento dramático en la presión del sonido sea suficiente, pero podríamos llamarlo medio período de una onda de 1 kHz. , o 0,5 ms más la distancia dividida por la velocidad del sonido (tiempo de propagación) después del disparo. La pregunta es, ¿ es eso suficiente para hacer cualquier cosa , dado que la bala no se queda atrás? Usando metros y segundos de ahora en adelante.

Para una distancia xy una velocidad de bala v(supuestamente constantes) tenemos un tiempo t=0.0005 + x/340 - x/vpara detectar el sonido y apartarnos del camino.

Si imagina caer hasta el suelo para esquivar una bala, con un cyborg que esencialmente puede plegarse instantáneamente, puede considerar que, como una primera aproximación, está cayendo a la mitad de la altura del cyborg, digamos 1 metro. basado en el centro de masa. A partir de las ecuaciones básicas de movimiento podemos encontrar que se tarda 1/sqrt(5)o 0,45 s en caer 1 metro. Eso significaría que el tiempo de reacción es minúsculo en comparación con la distancia y la diferencia de velocidades y podemos simplificar, obteniendo 340/v =1-(340*0.45)/x. Para una bala de 200 m/s eso significa una distancia de alrededor de 220 m.

Si tu enemigo siempre busca disparos en la cabeza y sabes que solo necesitas esquivar, el movimiento requerido cae para decir 1/3 my el tiempo a alrededor de 0,25 s, una distancia de 120 mpara tu bala de 200 m/s.

Un par de cosas que añadir...

1. Por definición, una bala supersónica supera la velocidad del sonido. Si está lo suficientemente cerca, no lo escuchará antes de que llegue a su ubicación, si se dispara en su dirección. Si importa, la mayoría de las municiones para armas de fuego son subsónicas, mientras que la mayoría de las municiones para rifles son supersónicas.

   Por supuesto, una bala no permanecerá supersónica a ninguna distancia, se ralentizará con el tiempo. Sin embargo, una bala destinada a disparos de larga distancia no puede reducir su velocidad por debajo de lo supersónico durante 1000 metros más o menos. (Técnicamente, la bala es el proyectil, y el cartucho y la carga de pólvora son importantes en la rapidez con la que se puede empujar la bala, pero estoy borrando esas distinciones).

2. Hay dos sonidos asociados con las balas supersónicas: 1) el disparo del arma, es decir, la pólvora "explotando" en el cartucho para impulsar la bala por el cañón, y 2) la onda de choque por ser supersónica. La onda de choque sigue de cerca a la bala, mientras que el sonido del disparo del arma puede quedar más atrás. (No sería raro que la bala de un rifle fuera 2 o 3 veces la velocidad del sonido).

Respuesta rápida: aquí hay un artículo realmente bueno sobre el tema. Un gráfico en el documento indica alrededor de 30 milisegundos para que la mayor parte del audio (explosión de boca a través de ecos) se reciba a 9 metros de un rifle. Además de eso, agregaría el tiempo de procesamiento, que supongo que también se mediría en milisegundos. El tiempo de procesamiento debería ser bastante constante y podría ejecutar varios detectores, optimizados para diferentes distancias y direcciones de fuego. Los tiempos dominantes serían: a) cuánto de los 30 o más milisegundos necesita ver su detector para hacer la llamada, yb) la distancia del arma al cyborg, dependiendo de la dirección del fuego.

Mis reflexiones:

Entonces, depende de la relación del cyborg con la trayectoria de la bala en cuanto a lo que escuchará. Si la bala se dispara contra el cyborg o cerca de él, y si la bala es supersónica, el cyborg podría escuchar primero un impacto, aunque sería difícil distinguirlo de otros sonidos, seguido de la onda de choque de la bala, seguida por el "bang" del arma, luego ecos y reflejos de la onda de choque y el "bang".

Si la bala es subsónica, no habrá grietas sónicas, pero si la bala va más allá del cyborg, aún puede haber un "zumbido" bastante único de un objeto rápido que pasa volando.

Si la bala se dispara lejos del cyborg, primero escuchará el "bang", luego algo del estampido sónico. Y luego una buena cantidad de reflejos y ecos.

En cuanto a la sonoridad, un rifle sin suprimir puede tener 160 dB muy cerca. (Esta es la razón por la que los supresores o la protección auditiva son un gran problema: los sonidos de percusión como este dañarán su audición si superan los 140 dB. Recuerde que la escala de dB es logarítmica). La intensidad del sonido disminuye con el cuadrado de la distancia, aunque si Estás cerca, probablemente no haya muchos sonidos en tu ciudad que sean tan fuertes como un arma sin silenciador, aunque solo sea por las demandas por daños auditivos.

La respuesta de Msalters es fascinante. Me imagino que su producto usa múltiples sensores, repartidos por las manzanas de la ciudad, para triangular la posición de la toma. (No es una tarea fácil debido a los reflejos/ecos, etc.)

Entonces, dicho todo esto, si solo tiene la intención de que su cyborg determine que se ha disparado un tiro en algún lugar cercano, el tiempo de detección variará dependiendo de si el tiro se disparó hacia o desde el cyborg (con balas supersónicas, al menos ). Como mínimo absoluto, si se disparara una bala supersónica al cyborg, la onda de choque alcanzaría al cyborg en tan solo 1/3 del tiempo que tardaría la "explosión" en propagarse al cyborg. Como máximo, el disparo se alejaría del cyborg y tendríamos que esperar el "bang" a la velocidad del sonido.

Si desea localizar el disparo, tendrá que esperar hasta que varios cyborgs escuchen el disparo y coordinarse entre ellos. (O tal vez un cyborg que tiene una distancia bastante larga entre sus "orejas", pero los ecos/reflejos aún lo dificultarán).

El tiempo de reconocimiento real está dominado por la cantidad de sonido que necesita escuchar para capturar una imagen suficiente de la onda de sonido para tratar de identificarla, seguido del tiempo de procesamiento. Teniendo en cuenta que tiene cyborgs, supongo que hay mucho poder de cómputo, por lo que agregaría algo del orden de unos pocos milisegundos.

tdel sonido del disparo (velocidad asumida como 300 m/s). Es lo mismo que la onda de choque.

Para 'realizar' el disparo, hay un retraso desde que el sensor de sonido (u oído) recibe el sonido hasta el procesador (o cerebro), y el tiempo de procesamiento descifra y descubre que el sonido es realmente un disparo. Ambos son ignorados.

Entonces, suponiendo que la distancia es de 20 m, entonces:

t1 = 20 / 300 = 0.067 s

Ese es el tiempo requerido para que el sonido llegue al cyborg, si se ignoran tanto el tiempo de entrada como el tiempo de procesamiento.

Hablando de la pregunta en negrita, a saber, "cuánto tiempo necesita pasar un cyborg para determinar si el sonido que recibe es un disparo", esto depende en gran medida de si ese cyborg tiene micrófonos capaces de recibir frecuencias más allá del rango auditivo humano, si puede procesar señales a una velocidad al menos dos veces más rápida que la frecuencia máxima que sus micrófonos pueden registrar, y si conoce de antemano los espectros exactos de todas las armas. El primer parámetro aquí es medible, una breve búsqueda arrojó que hay micrófonos que pueden registrar frecuencias de hasta 500 kHz, el segundo se supone que es "ideal", es decir, todos los canales se capturan en algún lugar sin retraso, y el tercero se supone que ser ideal sin comillas, es decir, tan pronto como el cyborg reciba audio que'

Primero, dicho cyborg estaría limitado por la tasa de DSP, incluso si hubiera un FPGA listo para realizar una FFT/FPT (hay una investigación que dice que los disparos son buenos candidatos para ejecutar FPT junto con FFT, este) que haría una FFT/FPT en movimiento sobre suficientes muestras para discernir frecuencias desde 500 kHz hasta otro factor ajustable (llamado FL), los FPGA aún no devuelven valores de resultado lo suficientemente rápido como para decir "casi instantáneo", este tipo de FPGA sería tiene que trabajar en al menos 1 MHz operando sobre no menos de 256*500/FL muestras de un micrófono, el retraso de salida puede ser lo suficientemente grande debido a la ruta recorrida por todas las señales dentro del FPGA y todo el tiempo para cambiar los activadores dentro etc., por lo tanto, es posible que ni siquiera se alcance 1 MHz si FL es lo suficientemente bajo, según la tecnología actual. Reducir el FL permitiría menos falsos positivos si una determinada combinación de sonidos de alta frecuencia apareciera sin que se disparara un disparo para activar el circuito de reconocimiento. aumentarlo podría llegar a una situación en la que, en un determinado patrón de disparo, habrá 1 a 0 frecuencias altas distintas sobre las que reaccionar, ya sea invalidando la detección por completo o activándola por un solo pico de frecuencia. Además, no conozco patrones de disparos que contengan frecuencias tan altas, pero asumo que sí porque un disparo es esencialmente un impulso único con un espectro de Fourier decreciente hacia el infinito. Suponiendo que realmente se alcanza la tasa de DSP de 1 MHz y que FL se establece en un nivel lo suficientemente bajo como para evitar la mayoría de los falsos positivos, el FPGA por sí solo produciría un patrón que coincide con un disparo en microsegundos de 256M/FL. Digamos que si FL es 125kHz, la frecuencia máxima es 500kHz y todos los patrones contienen suficientes datos para detectar un disparo en este intervalo de frecuencia, los datos FFT/FPT de un disparo escuchado estarán listos en 1024 microsegundos, o un poco más de un milisegundo. .

(PD: este 256 es un número arbitrario que también está sujeto a cambios, se puede cambiar a una potencia de 2 y depende de los patrones de señal entrante, si se alinean con los valores de frecuencia FFT para una frecuencia de muestreo dada. No No tengo ninguno de estos, especialmente para la región de alta frecuencia que proporcionaría la información más temprana sobre el disparo que se busca aquí, por lo que siempre que se lea 256 arriba, también podría caber un valor menor, lo que reduce el flujo de datos resultante aguas abajo, así como la reacción. tiempo, pero aumentando la tasa de falsos positivos. Luego asumo que 256 es el valor más bajo que, junto con el FL seleccionado, proporciona una tasa aceptable de falsos positivos).

En segundo lugar, la señal debe procesarse para que coincida con los patrones almacenados. Esto también se puede hacer con FPGA, aunque primero tienen que operar con la misma cantidad de datos, y tienen que hacerlo lo suficientemente rápido para que los datos no cambien mientras se realiza el procesamiento. Esto requiere un búfer de algún tipo en el circuito del cyborg entre el muestreador/FFT/FPT y los comparadores. Esto se suma a la latencia, que depende principalmente de cómo se organice el búfer, si puede servir a todos los FPGA de coincidencia de patrones por ciclo con todo el conjunto de datos (que para FFT es de 4 bytes por intervalo de frecuencia y con un tamaño de muestra de 1024). según el párrafo anterior, toma una cantidad considerable de tiempo tanto para recopilarse de FFT FPGA como para cargarse en un circuito receptor a través de cualquier bus de datos que haya) y si hay demasiados de esos patrones por receptor, si el circuito de coincidencia que produciría una detección recibiría una muestra lo suficientemente rápido. Pero, dado que el flujo de datos entrantes es constante a una velocidad de 1 muestra coincidente por microsegundo, y la cantidad más baja de emparejadores en los que se alimentaría una muestra es uno, el retraso resultante no puede ser más de 2+1*número de muestras , en mincrosegundos, donde 2 contiene 1 como el tiempo para transferir datos al búfer y otro 1 para que el FPGA del comparador produzca una señal de sí. La señal en realidad puede compartir una línea de bus analógica (un cable) para enviar un 1 lógico a través de un diodo a un solo colector como un pin de procesador dedicado a una interrupción. y la cantidad más baja de comparadores en los que se alimentaría una muestra es uno, el retraso resultante no puede ser más de 2+1*número de muestras, en microsegundos, donde 2 contiene 1 como el tiempo para transferir datos al búfer, y otro 1 para que el comparador FPGA produzca una señal de sí. La señal en realidad puede compartir una línea de bus analógica (un cable) para enviar un 1 lógico a través de un diodo a un solo colector como un pin de procesador dedicado a una interrupción. y la cantidad más baja de comparadores en los que se alimentaría una muestra es uno, el retraso resultante no puede ser más de 2+1*número de muestras, en microsegundos, donde 2 contiene 1 como el tiempo para transferir datos al búfer, y otro 1 para que el comparador FPGA produzca una señal de sí. La señal en realidad puede compartir una línea de bus analógica (un cable) para enviar un 1 lógico a través de un diodo a un solo colector como un pin de procesador dedicado a una interrupción.

Entonces, suponiendo que la tecnología actual y algunos datos sobre la arquitectura cyborg no disponible y los patrones de disparo con un rango de alta frecuencia, el retraso mínimo en el que un cyborg podría detectar un sonido de disparo conocido no es mayor que 1026+ muestras, en microsegundos, a partir del momento en que se produce el disparo. la onda de sonido frontal alcanza los micrófonos del cyborg. Este valor se puede reducir seleccionando menos muestras en el bloque FFT+FPT, reduciendo el tamaño de los datos intermitentes, optimizando el bus de datos para hacer más coincidencias por ciclo de muestreo o probablemente avanzando hacia una mejor tecnología en la fabricación de cyborgs.

La cosa difiere mucho si se requiere que un cyborg detecte un disparo desconocido , como el de un arma recién fabricada, la solución probablemente involucraría una red neuronal entrenada traducida a un FPGA, si pudiera haber un FPGA para contener el NN, y la reacción lo más probable es que los tiempos aumenten severamente.

No solo se deben tener en cuenta las condiciones medias, sino también el tipo de arma de fuego: diferentes armas de fuego producen diferentes espectros de salida en el disparo.

Dicho esto, la base de datos de cyborgs podría llenarse con todos los perfiles de espectro de todas las armas de fuego del mundo (de manera) sobremuestreadas para obtener para cada arma la más común.

Dicho esto, para identificar un disparo, se debe hacer una coincidencia en todo el ancho del espectro (en la medida en que los muestreadores puedan muestrear) y no solo en una frecuencia.

Ahora, aún estando de acuerdo en que estamos buscando frecuencias aquí, por lo tanto, variaciones de p y no niveles, de todos modos creo que un poco más de un cuarto de período puede ser suficiente (seguro que no menos), ese es el punto donde un período completo, por lo tanto, frecuencia, Se puede hacer una evaluación: si sabes en cuánto tiempo llegas al pico, sabes cuánto es el período, 4x. Esto significa que estamos buscando la frecuencia más baja en el espectro muestreado, porque su cuarto de período sería el más largo.

Por supuesto, esto requeriría un monitoreo constante de la presión del aire para saber dónde está el cruce 0, para identificar el primer vistazo.

Habiendo dicho todo esto, debido a las muchas variables involucradas, y MUCHAS más que no se mencionan (variación de la presión base antes de la primera rampa, ruido, etc.) dudo mucho que esto sea posible alguna vez con un grado impresionante de exactitud. Por lo tanto, si a veces el cyborg identificaría positivamente un disparo y podría reaccionar de alguna manera, el resto del tiempo el pobre solo caminaría como un bicho raro tratando de evitar las balas invisibles XD

Y todo esto, en el reino de las aproximaciones por supuesto