面向生物与人造类空中超声声学系统的硬件加速几何仿真
信号处理
2026-02-24 v1
摘要
面向工业监控和自主机器人部署的空中声学传感器数量显著增加，常以生物声呐为灵感。然而，在现有仿真框架中开发和验证这些系统仍具有挑战性 due to 高频波在大规模、动态且复杂环境中的传播仿真计算成本高昂。虽然波基方法提供高精度，但随频率和体积而扩展性能差。相反，现有几何声学求解器常不支持动态场景、复杂衍射或闭环机器人集成。本文引入 SonoTraceUE，一个作为虚幻引擎（Unreal Engine）插件的高保真声学仿真框架。该系统采用基于硬件加速的射线追踪实现的镜面反射模型，以及基于曲率的蒙特卡洛衍射模型，实现对动态多材料环境中主动和被动声学感知的近实时仿真。我们通过两个 distinct 实验领域进行了验证：生物声学研究和机器人实验。结果表明，SonoTraceUE 与真实世界光谱和空间数据的相关性很高。该框架为生成合成数据、生物声学假设检验以及快速原型设计闭环机器人系统（使用声学感知）提供了灵活平台。
引用
@article{arxiv.2602.19652,
title = {Hardware-Accelerated Geometrical Simulation of Biological and Engineered In-Air Ultrasonic Systems},
author = {Wouter Jansen and Jan Steckel},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.19652},
year = {2026}
}