CN111936829B - 声学解析装置及声学解析方法 - Google Patents

Abstract

声学解析装置(100)具备：第一获得部，其获得被测定物的音源面的图像；第二获得部，其获得音源面上的点的三维位置信息；第三获得部，其获得配置于音源面的附近的麦克风阵列的测定面上的点的三维位置信息；计算部，其根据由麦克风阵列获得的声音信号计算表示声音的特征的物理量的三维分布，并计算平行于测定面的面上的解析点处的物理量；对位部，其基于音源面上的点的三维位置信息和测定面上的点的三维位置信息，进行音源面与解析点的对位；以及显示部，其根据对位部的对位结果，将表示解析点处的物理量的图像重叠于音源面的图像而显示。

Description

声学解析装置及声学解析方法

技术领域

本发明涉及声学解析装置及声学解析方法。

背景技术

近年来，由于产品的降噪要求的提高，要求对声场的空间分布进行测定并解析。尤其是在声学解析中，期望能够通过将声场可视化来直观地掌握声音的传输。

日本国公开公报专利第5353316号公报中公开了一种声场可视化装置，通过装配于麦克风的位置传感器检测麦克风的空间内的位置，且使与从麦克风输出的声音信号的声压对应的图像显示于与该麦克风的位置对应的显示位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本国公开公报专利第5353316号公报

发明内容

发明所要解决的课题

另外，为了更容易理解地表现被测定物的声学状态，考虑将声学解析结果重合于被测定物的图像而显示。

作为将声学解析结果重合于被测定物的图像而显示的方法，具有如下方法：在麦克风阵列固定相机，利用该相机拍摄被测定物，并与声学解析结果叠加而显示。但是，在进行近场的解析的近场声全息等中，由于将麦克风阵列靠近被测定物配置，因此无法利用固定于麦克风阵列的相机拍摄被测定物的整体图像。另外，若为了拍摄被测定物的整体图像而将相机配置于麦克风阵列的后方，则收音中的麦克风阵列被反映到被测定物的拍摄图像中。

因此，本发明的目的在于提供一种声学解析装置及声学解析方法，能够将近场的声学解析结果相对于被测定物的图像适当地重合而显示。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的一个方案的声学解析装置具备：第一获得部，其获得被测定物的音源面的图像；第二获得部，其获得上述音源面上的点的三维位置信息；第三获得部，其获得配置于上述音源面的附近的麦克风阵列的测定面上的点的三维位置信息；计算部，其根据由上述麦克风阵列获得的声音信号计算表示声音的特征的物理量的三维分布，并计算平行于上述测定面的面上的解析点处的上述物理量；对位部，其基于上述音源面上的点的上述三维位置信息和上述测定面上的点的上述三维位置信息，进行上述音源面与上述解析点的对位；以及显示部，其根据上述对位部的对位结果，将表示上述解析点处的物理量的图像重叠于上述音源面的图像而显示。

另外，本发明的一个方案的声学解析方法包括：获得被测定物的音源面的图像的步骤；获得上述音源面上的点的三维位置信息的步骤；获得配置于上述音源面的附近的麦克风阵列的测定面上的点的三维位置信息的步骤；根据由上述麦克风阵列获得的声音信号计算表示声音的特征的物理量的三维分布，并计算平行于上述测定面的面上的解析点处的上述物理量的步骤；基于上述音源面上的点的三维位置信息和上述测定面上的点的三维位置信息进行上述音源面与上述解析点的对位的步骤；以及根据上述对位结果，将表示上述解析点处的上述物理量的图像重叠于上述音源面的图像而显示的步骤。

发明效果

根据本发明的一个方案，能够将近场的声学解析结果相对于被测定物的图像适当地重合而显示。从而，能够直观地掌握声场。

附图说明

图1是表示声学解析系统的一例的图。

图2是用于说明解析处理部的解析处理的概要的图。

图3是表示被测定物的拍摄方法的图。

图4是表示麦克风阵列的拍摄方法的图。

图5是说明坐标转换方法的图。

图6是将声压分布重合于被测定物的图像的示意图。

图7是将粒子速度分布重合于被测定物的图像的示意图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。

此外，本发明的范围不限定于以下的实施方式，能够在本发明的技术思想的范围内任意地变更。

图1是本实施方式的具备麦克风阵列1的声学解析系统1000的结构例。

本实施方式的声学解析系统1000是使用近场声全息法对来自被测定物(音源)2的被测定音进行解析，并显示解析结果的系统。在近场声全息法中，需要测定与音源面2a接近且平行的测定面的声压分布，且使用将多个麦克风mc配置成格子状的麦克风阵列1。

本实施方式的麦克风阵列1具备配置成格子状的M×N个麦克风mc。麦克风mc例如能够设为MEMS(Micro-Electrical-Mechanical Systems)麦克风。声学解析系统1000解析从M×N个麦克风mc的每一个输入的信号(声音信号)，并检测表示声音的特征的物理量。

另外，声学解析系统1000具备与麦克风阵列1及被测定物2分别独立的拍摄装置3。在本实施方式中，对拍摄装置3为立体相机的情况进行说明。

立体相机3固定于从麦克风阵列1及被测定物2分离预定距离的位置。立体相机3能够拍摄被测定物2，并获得被测定物2的图像。另外，立体相机3能够获得被测定物2的三维位置信息和麦克风阵列1的三维位置信息。

声学解析系统1000还具备声学解析装置100和显示装置200。

声学解析装置100具备信号处理部101、解析处理部102以及存储部103。另外，声学解析装置100具备第一获得部、第二获得部、第三获得部、计算部、对位部以及显示部。第一获得部获得被测定物2的音源面2a的图像。第二获得部获得音源面2a上的点的三维位置信息。第三获得部获得配置于音源面2a的附近的麦克风阵列1的测定面1b上的点的三维位置信息。对位部具备导出部和转换部。

信号处理部101对来自麦克风阵列1的各麦克风mc的信号进行预定的信号处理，得到用于声学解析的声音信号。此外，该信号处理也可以包括使麦克风阵列1具备的M×N个麦克风mc的信号同步的处理等。

解析处理部102解析由信号处理部101进行了信号处理的声音信号，并检测表示声音的特征的物理量的三维分布。在此，表示声音的特征的物理量的三维分布包括声压分布、粒子速度分布等。在本实施方式中，对上述三维分布为声压分布的情况进行说明。

解析处理部102生成表示声压的图像，并进行使该图像显示于显示装置200的显示控制，其中，上述声压为表示声音的特征的物理量。在本实施方式中，解析处理部102进行使表示声压的图像重合于被测定物2的图像而显示的显示控制。对于解析处理部102的解析处理，后面进行描述。

存储部103存储解析处理部102的解析结果等。

显示装置200具备液晶显示器等监视器，显示作为声学解析装置100的解析结果的上述图像。

在本实施方式中，如图2所示，麦克风阵列1具有比被测定物2小的形状。麦克风阵列1一边在被测定物2的音源面2a附近移动一边分多次测定声音信号，声学解析装置100对麦克风阵列1分多次测定的声音信号分别进行解析，并将多个解析结果合并而显示于显示装置200。这样，在本实施方式中，声学解析装置100使用比被测定物2小的麦克风阵列1解析被测定物2整个面的声场1a，并将该解析结果显示于显示装置200。

具体地，声学解析装置100的解析处理部102获得被固定装置3a固定的立体相机3拍摄到的被测定物2的音源面2a的图像，并且获得由立体相机3测定的音源面2a上的点的三维位置信息。进一步地，解析处理部102通过立体相机3拍摄配置于测定物2的音源面2a附近的收音中的麦克风阵列1，获得麦克风阵列1的测定面上的点的三维位置信息。

另外，解析处理部102解析由麦克风阵列1获得的声音信号，并计算作为声场的解析结果的声压分布。然后，解析处理部102进行被测定物2的音源面2a与上述声压分布的对位，并根据对位结果，将表示声压分布的图像重叠于音源面2a的图像而显示。

以下，对解析处理部102的解析处理具体地进行说明。

(处理1)

首先，解析处理部102在通过麦克风阵列1测定声场前获得由被固定装置3a固定的立体相机3拍摄的被测定物2的图像。也就是说，如图3所示，立体相机3在麦克风阵列1不处于立体相机2的拍摄范围内的状态、即麦克风阵列1未配置于被测定物2附近的状态下拍摄被测定物2的音源面2a。此时，解析处理部102能够获得未反映麦克风阵列1的被测定物2的图像。

另外，解析处理部102获得由被固定装置3a固定的立体相机3测定的音源面2a上的点的三维位置信息。具体地，解析处理部102从立体相机3获得音源2b的三个点以上的点的三维位置信息Po(n)＝(xo(n)，yo(n)，zo(n))，并计算音源面2a的形状So(aox+boy+coz+do＝0)。在此，n为0≤n≤No(No≥2)的整数。这样，解析处理部102计算相机坐标系Σc中的被测定物2的位置及形状。

(处理2)

接着，如图4所示，解析处理部102在麦克风阵列1于被测定物2的音源面2a附近收音时从被固定装置3a固定的立体相机3获得麦克风阵列1的任意的三个点以上的点的三维位置信息Pm(n)＝(xm(n)，ym(n)，zm(n))，并计算麦克风阵列1的测定面1b的姿势Om(amx+bmy+cmz+dm＝0)。在此，n为0≤n≤Nm(Nm≥2)的整数。这样，解析处理部102计算相机坐标系Σc中的麦克风阵列1的位置及姿势。

(处理3)

接着，如图5所示，解析处理部102设定将被测定物2上的任意的点、例如Po(0)作为原点且将xz平面作为音源面2a的被测定物坐标系Σo。另外，如图5所示，解析处理部102设定将麦克风阵列1上的任意的点、例如Pm(0)作为原点且将xz平面作为测定面1b的麦克风阵列坐标系Σm。然后，解析处理部102计算从麦克风阵列坐标系Σm向被测定物坐标系Σo的转换矩阵R。

(处理4)

接着，解析处理部102获得由信号处理部101进行了信号处理的来自麦克风阵列1的声音信号，并解析该声音信号，计算声音的三维分布(在本实施方式中，声压分布)。然后，解析处理部102基于声全息的原理，根据计算出的声压分布计算平行于测定面1b的任意的面(解析面)处的声压分布Dm(P(m))。也就是说，解析处理部102计算平行于测定面1b的面上的多个解析点处的物理量(声压)。该解析结果的声压分布Dm(P(m))在麦克风阵列坐标系Σm中计算。

声全息的原理是：通过对测定面的声压卷积从测定面到平行于该测定面的任意的面(解析面)的传递函数，求出解析面处的声压。在此，如果将解析面作为音源面，则能够求出音源面的声压。需要说明的是，由于难以对测定声压直接卷积传递函数，因此，为了方便，通常通过进行空间傅立叶变换使处理变得容易。

也就是说，由格子状的麦克风阵列收录声音(空间采样)，在进行空间傅立叶变换后，取与直至解析面(例如音源面)的传递函数的积，再通过进行空间傅立叶逆变换，求出解析面(例如音源面)处的声压。

(处理5)

接着，解析处理部102使用转换矩阵R将在麦克风阵列坐标系Σm计算出的解析结果的声压分布Dm(P(m))转换为被测定物坐标系Σo中的声压分布Do(P(m))。

由此，能够进行音源面2a与解析点(解析结果的声压分布Dm(P(m)))的对位。

(处理6)

接着，解析处理部102根据上述的对位结果将表示声压分布Do(P(m))的图像叠加到被测定物2的音源面2a的图像并显示于显示装置200。图6表示将表示声压分布Do(P(m))的图像叠加到被测定物2的音源面2a的图像的例。

图6是使用马达的图像30a作为被测定物2的音源面2a的图像，并叠加了表示声压分布的图像的示意图。为了方便，图中表示马达的图像。在图6中，利用颜色的浓淡表示声压的大小。在图6中，颜色浓的区域D1是声压高的区域，颜色淡的区域D2是声压低的区域。

此外，解析处理部102也可以基于声压分布Do(P(m))计算被测定物坐标系Σo的任意的点P(m)的声压的大小，并生成表示该声压的大小的颜色的图像，并使生成的图像重叠于音源面2a的图像上的对应位置而显示。在该情况下，例如可以将声压高的区域用红色的图像表现，将声压低的区域用蓝色的图像表现。需要说明的是，表示声压的图像不限定于上述。例如，表示声压的图像也可以是根据声压的大小而大小不同的圆图像。

解析处理部102通过每当使麦克风阵列1移动便重复处理2至处理6，从而能够将被测定物2整面的解析结果叠加到被测定物2的图像而显示。

这样，本实施方式的计算部根据由麦克风阵列1获得的声音信号计算表示声音的特征的物理量的三维分布，并计算平行于麦克风阵列1的测定面1b的面上的解析点处的上述物理量。另外，对位部基于被测定物2的音源面2a上的点的三维位置信息和麦克风阵列1的测定面1b上的点的三维位置信息进行音源面2a与上述解析点的对位。然后，显示部根据上述的对位结果将表示解析点处的物理量的图像重叠于音源面2a的图像并显示于显示装置200。

由此，能够不反映麦克风阵列1地将被测定物2和解析结果的分布重合而显示。另外，此时，能够显示任意的视点、或者剖面的解析结果的分布。另外，声学解析系统也可以具备：第四获得部，其获得被测定物的音源面的三维模型数据；以及声学解析部，其基于三维模型数据进行数值解析。根据本发明的结构，能够排列显示三维模型数据中的数值解析的结果和被测定物的解析结果。在该情况下，用户能够比较数值解析的结果和实测的结果，因此，能够详细地进行分析。声学解析部例如基于三维模型数据进行频率响应解析，并输出解析结果。在频率响应解析中，例如，解析相对于特定的频率的声压数据、声功率、被解析物的空间的粒子速度等。显示部排列显示对位结果、声学解析部对三维模型数据的解析结果。

在表示声音的特征的物理量为声压的情况下，显示部能够将表示解析点处的声压的大小的图像重叠于音源面2a的图像而显示。由此，能够适当表现声压分布。

另外，在表示声音的特征的物理量为粒子速度的情况下，显示部能够将表示解析点处的粒子速度的大小及方向的至少一方的图像重叠于音源面2a的图像而显示。由此，能够适当地表现粒子速度分布。

另外，在声学解析装置100进行音源面2a与解析点的对位时，导出部导出从将测定面1b上的任意的点Pm(0)作为原点的麦克风阵列坐标系Σm向将音源面2a上的任意的点Po(0)作为原点的被测定物坐标系Σo的转换矩阵R。然后，转换部使用转换矩阵R将麦克风阵列坐标系Σm中的解析点向被测定物坐标系Σo中的点转换。因此，声学解析装置100能够容易且适当地导出将表示解析点处的物理量的图像重叠于音源面2a的图像的哪个位置。

进一步地，计算部根据将比被测定物2小的麦克风阵列1移动至不同的多个测定位置所得到的声音信号分别计算物理量的三维分布。然后，声学解析装置100根据计算出的各个三维分布分别计算平行于测定面1b的面上的解析点处的物理量，并将表示各解析点处的物理量的图像重叠于音源面2a的图像而显示于显示装置200。

由此，能够合并显示分多次测定被测定物2的结果。因此，可以使用具有例如4×4个麦克风的克风阵列1进行例如冰箱那样的大的被测定物2整体的测定及解析。

这样，在本实施方式中，相对于被测定物2的图像，能够适当重合近场的声学解析结果而显示。因此，能够直观地掌握声场。

例如，根据本实施方式的声学解析装置100，能够将在最终产品装入了马达时产生的声音流重叠于被测定物2的图像而显示。其结果，例如能够使噪音的原因指定变得容易，削减噪音对策所需要的工时。

(变形例)

在上述实施方式中，对表示声音的特征的物理量的三维分布为声压分布的情况进行了说明，但如上所述，三维分布也可以为粒子速度分布。在该情况下，与声压分布的情况相同，也能够将粒子速度分布适当地重合于被测定物2的图像而显示。图7表示将表示粒子速度分布的图像叠加到被测定物2的音源面2a的图像的例。

图7是使用马达的图像30b作为被测定物2的音源面2a的图像并叠加了表示粒子速度分布的图像的示意图。为了方便，图中表示马达的图像。在图7中，由颜色的浓淡表示粒子速度的方向。在图7中，颜色浓的区域V1是粒子速度的方向相对于纸面为前方的区域，颜色淡的区域V2是粒子速度的方向相对于纸面为后方的区域。另外，关于表示粒子速度的图像的颜色，相对于纸面向前方的振幅越大则越浓，相对于纸面向后方的振幅越大则越薄。

此外，与被测定物2的图像重叠且表示粒子速度的图像也可以采用表示粒子速度的大小及方向的箭头图像。

另外，在上述实施方式中，对将声压分布重合于被测定物2的图像而显示的情况进行了说明，但也可以将声压分布和粒子速度分布双方重合于被测定物2的图像而显示。

另外，在上述实施方式中，对如下情况进行了说明，即，使用在从被处理物2的音源面2a及麦克风阵列1的测定面1b分离的位置独立地固定的共通的立体相机3，获得被测定物2的音源面2a的图像、音源面2a上的点的三维位置信息以及配置于音源面2a附近的麦克风阵列1的测定面1b上的点的三维位置信息。即，第一获得部、第二获得部以及第三获得部使用在从音源面及测定面分离的位置独立地固定的共通的立体相机。但是，在知道相机彼此的位置关系(相机坐标系彼此的对应关系)的情况下，也可以使用分别不同的立体相机获得上述的图像、三维位置信息。

需要说明的是，在如上述的实施方式那样使用了共通的立体相机3的情况下，能够使用共通的相机坐标系Σc容易地进行从麦克风阵列坐标系Σm向被测定物坐标系Σo的转换矩阵R的导出，因此较为优选。

进一步地，在上述实施方式中，对使用立体相机3获得被测定物2及麦克风阵列1的三维位置信息的情况进行了说明，但三维位置信息的获得机构不限定于立体相机3。例如，三维位置信息的获得机构也可以是能够检测三维位置的深度相机、激光扫描仪、超声波传感器。

另外，为了提高被测定物2及麦克风阵列1的三维位置信息的获得精度，也可以在被测定物2、麦克风阵列1设置标记等。

符号说明

1—麦克风阵列，2—被测定物(音源)，2a—音源面，3—立体相机，100—声学解析装置，101—信号处理部，102—解析处理部，103—存储部，200—显示装置，1000—声学解析系统，mc—麦克风。

Claims (9)

1.一种声学解析装置，其特征在于，具备：

第一获得部，其获得被测定物的音源面的图像；

第二获得部，其获得上述音源面上的点的三维位置信息；

第三获得部，其获得配置于上述音源面的附近的麦克风阵列的测定面上的点的三维位置信息；

计算部，其根据由上述麦克风阵列获得的声音信号计算表示声音的特征的物理量的三维分布，并计算平行于上述测定面的面上的解析点处的上述物理量；

对位部，其基于上述音源面上的点的上述三维位置信息和上述测定面上的点的上述三维位置信息，进行上述音源面与上述解析点的对位；以及

显示部，其根据上述对位部的对位结果，将表示上述解析点处的物理量的图像重叠于上述音源面的图像而显示，

上述音源面和上述测定面排列于上述被测定物与上述第三获得部之间，

上述第三获得部在上述麦克风阵列未配置于上述音源面的附近的状态下获得上述音源面的三维信息，

基于上述三维信息计算上述音源的三维位置信息，

基于计算出的上述音源的三维位置信息设定上述被测定物坐标系，

计算上述麦克风阵列的三维位置信息，

根据上述麦克风阵列的三维位置设定上述麦克风阵列坐标系，

计算从上述麦克风阵列坐标系向上述被测定物坐标系的转换阵列。

2.根据权利要求1所述的声学解析装置，其特征在于，

上述计算部使用近场声全息法计算上述物理量的三维分布。

3.根据权利要求1所述的声学解析装置，其特征在于，

上述物理量为声压，

上述显示部将表示上述解析点处的上述声压的大小的图像重叠于上述音源面的图像而显示。

4.根据权利要求1所述的声学解析装置，其特征在于，

上述物理量为粒子速度，

上述显示部将表示上述解析点处的上述粒子速度的大小及方向的至少一方的图像重叠于上述音源面的图像而显示。

5.根据权利要求1所述的声学解析装置，其特征在于，

上述第一获得部、上述第二获得部以及上述第三获得部使用在从上述音源面及上述测定面分离的位置独立地固定的共通的立体相机进行获得。

6.根据权利要求1所述的声学解析装置，其特征在于，

上述对位部具备：

导出部，其导出从将上述测定面上的点作为原点的麦克风阵列坐标系向将上述音源面上的点作为原点的被测定物坐标系的转换矩阵；以及

转换部，其使用上述转换矩阵将上述麦克风阵列坐标系中的上述解析点向上述被测定物坐标系中的点转换。

7.根据权利要求1所述的声学解析装置，其特征在于，

上述计算部根据将上述麦克风阵列移动至不同的多个测定位置所得到的上述声音信号分别计算上述物理量的三维分布，并根据各个上述三维分布分别计算平行于上述测定面的面上的解析点处的上述物理量。

8.根据权利要求1所述的声学解析装置，其特征在于，还具备：

第四获得部，其获得上述被测定物的音源面的三维模型数据；以及

声学解析部，其基于上述三维模型数据进行数值解析，

上述显示部排列显示上述对位结果和上述声学解析部的解析结果。

9.一种声学解析方法，其特征在于，包括：

通过第一获得部获得被测定物的音源面的图像的步骤；

通过第二获得部获得上述音源面上的点的三维位置信息的步骤；

通过第三获得部获得配置于上述音源面的附近的麦克风阵列的测定面上的点的三维位置信息的步骤；

根据由上述麦克风阵列获得的声音信号计算表示声音的特征的物理量的三维分布，并计算平行于上述测定面的面上的解析点处的上述物理量的步骤；

基于上述音源面上的点的三维位置信息和上述测定面上的点的三维位置信息进行上述音源面与上述解析点的对位的步骤；以及

根据上述对位结果，将表示上述解析点处的上述物理量的图像重叠于上述音源面的图像而显示的步骤，

上述音源面和上述测定面排列于上述被测定物与上述第三获得部之间，

上述第三获得部在上述麦克风阵列未配置于上述音源面的附近的状态下获得上述音源面的三维信息，

基于上述三维信息计算上述音源的三维位置信息，

基于计算出的上述音源的三维位置信息设定上述被测定物坐标系，

计算上述麦克风阵列的三维位置信息，

根据上述麦克风阵列的三维位置设定上述麦克风阵列坐标系，

计算从上述麦克风阵列坐标系向上述被测定物坐标系的转换阵列。

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