JP2004193782A

JP2004193782A - スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法およびその装置

Info

Publication number: JP2004193782A
Application number: JP2002357095A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Higashihara; 大介東原; Shiyoukichirou Hino; 捷吉郎日野; Koichi Tsuchiya; 耕一土屋; Tomohiko Endo; 友彦遠藤
Original assignee: ETANI DENKI KK; Toa Corp
Current assignee: ETANI DENKI KK; Toa Corp
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-07-08
Also published as: AU2003289256A8; EP1578169A4; EP1578169A1; AU2003289256A1; US20060140414A1; WO2004054319A1; US7260227B2

Abstract

【課題】従来より、スピーカとマイクロホンとの間の音波の伝搬時間をパルスを用いて測定する測定方向が提案されているが、パルス音はその振幅に対してエネルギーが小さく、よってＳ／Ｎ比が良好な状態でマイクロホンで受音することは困難である。
【解決手段】音波伝搬時間測定装置１は、音源手段１１と、演算手段１２とを備える。音源手段１１はスピーカ３に入力するための音源信号として時間引き延ばしパルスを出力する。演算手段１２は、時間引き延ばしパルスと、スピーカ３からの出力音を受音したマイクロホン４からの受音信号との相互相関関数を算出する。そして、この相互相関関数に基づいてスピーカ３とマイクロホン４との間の音波の伝搬時間を求める。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願に係る発明は、スピーカとマイクロホンとの間での音波の伝搬時間を測定する方法・装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響システムが配置された空間において、スピーカからマイクロホンまでの音波の伝搬時間を測定したいような場合がある。例えば、該音響システムの周波数特性を聴取位置において測定しようとするときであって、測定用音源信号として周波数特性が時間的に変化するような信号を用いる場合である。かかる場合には、聴取位置に設置したマイクロホンからの信号をそのままとりこむよりも、マイクロホンからの信号に対して、測定用音源信号の周波数特性の時間的変化に対応して周波数特性が時間的に変化するようなフィルターを通過させてからとりこむ方が、精度の高い測定ができる場合がある。この場合、測定用音源信号側の周波数特性の変化と、フィルター側の周波数特性の変化とを、同時に進行させるのではなく、スピーカから聴取位置までの距離を音波が伝搬する時間分だけフィルター側の変化を遅らせる必要がある。そのためには、スピーカから聴取位置に置かれたマイクロホンまでの音波の伝搬時間を知る必要があるのである。
【０００３】
そして従来より、スピーカとマイクロホンとの間の音波の伝搬時間をパルスを用いて測定する測定方向が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、スピーカからパルスを出力し、このパルス音のマイクロホンまでの到来時間を求めるのである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１１２１００号公報（第３頁、図１、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パルス音を用いる測定は、ノイズの影響を受けない限りは、比較的精度の高い測定を可能とする。しかしパルス音はその振幅に対してエネルギーが小さく、よってＳ／Ｎ比が良好な状態でマイクロホンで受音することは困難である。従って、この方法では必ずしも正確な測定を行うことができない。
【０００６】
出願人はこの点を改善すべく、振幅に対して比較的大きなエネルギーを有する信号として、スイープ信号を音源とする音波の伝搬時間測定を試みた。すなわち、短時間で周波数スイープがなされるスイープ信号をスピーカに入力してスピーカからスイープ音を出力させ、これをマイクロホンで受音するのである。そして、各周波数帯域毎に、音波到来時間を求めるのである。
【０００７】
音源信号たるスイープ信号が既知であれば、いつの時点で各周波数帯域の成分がスピーカから発せられるかを知ることができる。また、マイクロホンで受けた信号をバンドパスフィルターで処理することにより、各周波数帯域毎の成分の到来時間を知ることができる。
【０００８】
マイクロホンで受けた各周波数帯域毎の信号において、時間起点をわずかづつ移動させながら一定時間幅における実行値を求めることにより、時間起点の関数としての実行値（ＲＭＳ）を求め、この実行値が最大になる時点を、各周波数帯域毎の成分の到来時間であるとすることもできる。これにより、より正確な距離測定が可能となる。
【０００９】
この方法は、▲１▼複数の周波数帯域を用いるので、レベルの高い周波数帯域を選ぶことができる、▲２▼バンドパスフィルターを用いているのでノイズによる妨害が少ない、▲３▼スイープ信号はパルスに比べて大きなエネルギーを有するのでノイズに強い、という利点がある。
【００１０】
その一方で、次のような問題点がある。すなわち、バンドパスフィルターを用いるため応答が遅くなるのである。応答時間の遅れを知った上で、測定値を補正する方法もあるが、パンドパスフィルターの応答時間が、スピーカ・マイクロホン間での音波伝搬時間に対して大きければ、測定精度を確保することができない。バンドパスフィルターの周波数帯域が狭いほど、ノイズの影響を受けにくくはなるが、バンドパスフィルターの応答時間は長くなる。
【００１１】
バンドパスフィルターの周波数帯域が広ければ、応答時間は短くなるが、ノイズの影響を受けやすく、さらには、その周波数範囲における音響系の周波数特性が表れてしまい、目的とする周波数以外の周波数における受音信号のピーク値を検出してしまう可能性があり、結果として正確な測定が保証されなくなる。
【００１２】
本願発明は上記問題点に鑑み、ノイズの影響や器機の遅れ時間の影響を受けにくく、その結果、正確な測定を行うことができるような、音波の伝搬時間の測定方法・装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この出願発明に係るスピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法は、時間引き延ばしパルスをスピーカから出力する第１工程と、該スピーカからの出力音をマイクロホンで受音してその受音信号を取り込む第２工程と、該時間引き延ばしパルスと、該第２工程で取り込まれた受音信号との相互相関関数を算出する第３工程とを備え、該相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求める（請求項１）。また、上記課題を解決するために、この出願発明に係るスピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定装置は、音源手段と、演算手段とを備え、該音源手段はスピーカに入力するための音源信号として時間引き延ばしパルスを出力し、該演算手段は、該スピーカからの出力音を受音したマイクロホンからの受音信号を取り込み、該時間引き延ばしパルスと、取り込んだ受音信号との相互相関関数を算出し、該相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求める（請求項４）。
【００１４】
かかる方法・装置では、音源信号として時間引き延ばしパルスが用いられる。時間引き延ばしパルスは、振幅に対して比較的大きなエネルギーを有しているのでノイズの影響を受けにくい。よって、上記方法・装置による音波伝搬時間の測定値は信頼性の高いものとなる。また、時間引き延ばしパルスと、この時間引き延ばしパルスが入力された系の応答波形との相互相関関数は、その系のインパルスレスポンスに一致することが知られている。よって、インパルスで測定したときと同様の精度での測定が可能となる。
【００１５】
上記スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法において、該相互相関関数において最大値を示す時間、該相互相関関数において最小値を示す時間、又は、該相互相関関数において絶対値が最大となる時間を検出する第４工程を備えてもよいし（請求項２）、上記スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定装置において、該演算手段が、該相互相関関数において最大値を示す時間、該相互相関関数において最小値を示す時間、又は、該相互相関関数において絶対値が最大となる時間を検出してもよい（請求項５）。
【００１６】
また上記スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法において、該第１工程、該第２工程および該第３工程が複数回実行され、複数回の該第３工程によって得られた複数の相互相関関数を同期加算する第５工程を備え、該同期加算された相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求めてもよいし（請求項３）、上記スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定装置において、該音源手段は該時間引き延ばしパルスを複数回出力し、該演算手段は該音源手段からの時間引き延ばしパルスの各回の出力毎に、相互相関関数を算出して同期加算し、該同期加算した相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求めてもよい（請求項６）。
【００１７】
かかる方法・装置によれば、同期加算されることにより、より信頼性の高い測定が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
この出願発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本願発明の係る装置および測定対象となる音響システムの一実施形態の概略構成図である。図１の装置（スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定装置）１により、本願発明に係る方法（スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法）の一実施形態を実施することができる。
【００２０】
この装置１は、ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等により構成されているのであるが、図１では装置１の主な機能に着目して、音源部１１と演算・制御部１２とを有する装置として表わしている。
【００２１】
装置１は、スピーカ３とマイクロホン４との間の音波の伝搬時間を測定するための装置である。アンプ２とスピーカ３は、ある音響空間（例えば、音楽ホール、体育館、競技場など）に設置された音響システムの一部である。マイクロホン４は、この音響空間の聴取位置（例えば、聴衆が着座すべき座席の位置）に置かれている。このマイクロホン４として騒音計を用いても良い。マイクロホン４は、スピーカ３から距離Ｌを隔てている。距離Ｌは未知であるが、スピーカ３とマイクロホン４との間の音波の伝搬時間を測定することができれば、算出することができる。
【００２２】
音源部１１から出力された音源信号は、アンプ２へ送出される。アンプ２で電力増幅されたこの信号は、スピーカ３へ送出されてスピーカ３から拡声音として放射される。マイクロホン４はスピーカ３から出力された拡声音を受音することができる。マイクロホン４の出力信号は演算・制御部１２へ送出される。
【００２３】
演算・制御部１２は、音源部１１を制御している。つまり音源部１１は、演算・制御部１２からの指令信号を受けて、音源信号として時間引き延ばしパルス（ＴｉｍｅＳｔｒｅｔｃｈｅｄＰｕｌｓｅ：以下「ＴＳＰ」と略す）を出力する。ＴＳＰとは、インパルスの位相を周波数の２乗に比例して変化させることにより、時間軸方向に引き伸ばした信号である。
【００２４】
図２は演算・制御部１２の演算内容を模式的に示す図である。
【００２５】
演算・制御部１２は、ＴＳＰの波形を予め記憶しており、このＴＳＰを音源部１１から出力させる。図２の符号Ｘで示す波形は、このＴＳＰの波形である。このＴＳＰは、１２８サンプルのデータとして演算・制御部１２に記憶されている。サンプリング周波数は４８ｋＨｚである。よって、このＴＳＰの時間幅は約２．７ｍ秒である。このＴＳＰは５ｋＨｚまでの平坦な振幅特性を有する。
【００２６】
演算・制御部１２は、音源部１１に対してＴＳＰのデータを送出して、これ（ＴＳＰ）を出力するように指令信号を音源部１１に発し、同時にマイクロホン４の出力信号（図２中、符号Ｙで示される信号）のサンプリングを開始する。サンプリング周波数は４８ｋＨｚであり、サンプング期間は０．５秒である。
【００２７】
演算・制御部１２が音源部１１に対してＴＳＰを出力するように指令信号を発してから時間ｔｓが経過したときに、音源部１１からＴＳＰが出力される。換言すれば、演算・制御部１２がマイクロホン４の出力信号のサンプリングを開始してから時間ｔｓが経過したときに、音源部１１からＴＳＰが出力される。この遅れ時間ｔｓは、音源部１１の有するＡ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器等に起因して発生するものであるが、演算・制御部１２はこの時間ｔｓを予め知っている（記憶している）。以下、この時間ｔｓを、「音源出力遅れ時間ｔｓ」という。
【００２８】
演算・制御部１２は、予め記憶しているＴＳＰの波形と、サンプリングして得たマイクロホン４の出力信号波形との相互相関関数を演算する。
【００２９】
次式は相互相関関数の演算式である。
【００３０】
【数１】

【００３１】
上式において、Ｎはサンプリング数、δｘ，δｙはＸ（ｎ），Ｙ（ｎ）における標準偏差である。
【００３２】
図２において、符号Ｒで示すものが、上式の演算によって得られた相互相関関数である。
【００３３】
相互相関関数の演算は、マイクロホン４の出力信号を０．５秒間に渡りサンプリングし、この０．５秒分のデータを全てサンプリングし終わった後に行っても良いし、マイクロホン４の出力信号のサンプリングを行いつつ、直近にサンプリングした１２８サンプルのデータを用いて、１サンプリング毎に行っても良い。音源部１１から発せられるＴＳＰが１２８サンプルであるから、少なくともマイクロホン４の出力信号の１２８サンプルのサンプリングデータが蓄積された時点で、相互相関関数の演算を開始できるからである。
【００３４】
なお、ある系にＴＳＰを入力してその応答波形を得た場合、ＴＳＰとその応答波形との相互相関関数は、その系のインパルスレスポンスに一致する。よって、演算・制御部１２によって、系のインパルスレスポンスを演算したと考えることもできる。
【００３５】
相互相関関数Ｒは、音源部１１からの１回のＴＳＰ出力に関してのみ求めても良いが、複数回（例えば数回）のＴＳＰ出力に関して各回毎に求め、これらを同期加算したほうが精度が向上する。図２において、符号Ｒａで示すものは、数回分の相互相関関数Ｒを同期加算して平均したものである。
【００３６】
演算・制御部１２は、この同期加算した相互相関関数Ｒａの波形において、最大値を示す時間を検出する。図２の相互相関関数Ｒａの波形では、時間ｔ１において、最大値を示している。演算・制御部１２は、この最大値を示す時間ｔ１を検出する。この時間ｔ１が、図１の系全体の遅れ時間であると考えることができる。以下では、相互相関関数において最大値を示す時間ｔ１を「全遅れ時間ｔ１」という。
【００３７】
この全遅れ時間ｔ１には、上述した音源出力遅れ時間ｔｓと、スピーカ３からマイクロホン４までの空間を音波が伝搬する時間ｔｂ（以下、この時間ｔｂを「空間遅れ時間ｔｂ」という）とが含まれる。なお、アンプ２が信号を入力してからこの信号がスピーカ３の振動板を振動させるまでの遅れ時間や、マイクロホン４の振動板が振動してからこの振動による信号がマイクロホン４の出力端子に表れるまでの遅れ時間は、空間遅れ時間ｔｂに比べて非常に小さいので無視できる。また、アンプ２やスピーカ３を含む音響システムの調整や測定を行うために空間遅れ時間ｔｂを測定しようとするのであれば、アンプ２が信号を入力してからこの信号がスピーカの振動板を振動させるまでの遅れ時間を空間遅れ時間ｔｂに含めておく方が都合がよい。
【００３８】
前述したように、演算・制御部１２は音源出力遅れ時間ｔｓを予め知っているので、全遅れ時間ｔ１を検出することにより、空間遅れ時間ｔｂを算出することができる。すなわち、図２に示した手順により、同期加算した相互相関関数Ｒａを演算し、そこで最大値を示す時間ｔ１を検出し、この全遅れ時間ｔ１から音源出力遅れ時間ｔｓを減じた値が、空間遅れ時間ｔｂである。これを式で示すと、「ｔｂ＝ｔ１−ｔｓ」となる。この空間遅れ時間ｔｂに音速ｃを乗じた乗算結果は、スピーカ３が設置された地点とマイクロホン４が設置された地点との間の距離である。
【００３９】
なお、音源出力遅れ時間ｔｓが空間遅れ時間ｔｂに比べて無視できるほど小さいのであれば、全遅れ時間ｔ１を空間遅れ時間ｔｂと考えてもよい。また、音源部１１がＴＳＰの出力を開始すると同時に、演算・制御部１２がマイクロホン４の出力信号のサンプリングを開始するようにすると、音源出力遅れ時間ｔｓを０とすることもできる。
【００４０】
前述したように、ある系にＴＳＰを入力してその応答波形を得た場合、ＴＳＰとその応答波形との相互相関関数は、その系のインパルスレスポンスに一致するので、演算・制御部１２によって、系のインパルスレスポンスを演算したと考えることもできる。従って、図１の音波伝搬時間測定装置１では、インパルスで測定したときと同様の高い精度で、スピーカ３とマイクロホン４との間の音波の伝搬時間を測定することができる。しかも、音源信号のエネルギーが比較的大きいためにノイズの影響を受けにくく、高い信頼性でスピーカ３とマイクロホン４との間の音波の伝搬時間を測定することができる。
【００４１】
以上、本願発明の一実施形態を説明した。上記実施形態では、式１によって相互相関関数を演算する例を示したが、式１における正規化のための計算部分（（１／Ｎ・δｘ・δｙ）の部分）を省略した次式によって、相違相関関数を演算してもよい。
【００４２】
【数２】

【００４３】
また、上記実施形態では、同期加算した相互相関関数（又はこれを平均化したもの）において最大値を示す時間を検出して全遅れ時間としたが、同期加算を行うことなく、音源部１１からの１回のＴＳＰ出力に関してのみ求めた相互相関関数において最大値を示す時間を検出して全遅れ時間としてもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、相互相関関数において、プラス側にピークが表れる時間を求めるべく、最大値を示す時間を検出して全遅れ時間としたが、マイナス側にピークが表れる時間を求めるべく、最小値を示す時間を検出して全遅れ時間としてもよい。さらには、相互相関関数において絶対値が最大となる時間を検出して全遅れ時間としてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、スピーカとマイクロホンとの間の音波の伝搬時間を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】音波伝搬時間測定装置および音響システムの概略構成図である。
【図２】演算・制御部の演算内容を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１音波伝搬時間測定装置
２アンプ
３スピーカ
４マイクロホン
１１音源部
１２演算・制御部

Claims

時間引き延ばしパルスをスピーカから出力する第１工程と、
該スピーカからの出力音をマイクロホンで受音してその受音信号を取り込む第２工程と、
該時間引き延ばしパルスと、該第２工程で取り込まれた受音信号との相互相関関数を算出する第３工程とを備え、
該相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求める、スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法。
該相互相関関数において最大値を示す時間、該相互相関関数において最小値を示す時間、又は、該相互相関関数において絶対値が最大となる時間を検出する第４工程を備えた、請求項１記載のスピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法。
該第１工程、該第２工程および該第３工程が複数回実行され、
複数回の該第３工程によって得られた複数の相互相関関数を同期加算する第５工程を備え、
該同期加算された相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求める、請求項１又は２記載のスピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定方法。
音源手段と、演算手段とを備え、
該音源手段はスピーカに入力するための音源信号として時間引き延ばしパルスを出力し、
該演算手段は、該スピーカからの出力音を受音したマイクロホンからの受音信号を取り込み、該時間引き延ばしパルスと、取り込んだ受音信号との相互相関関数を算出し、該相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求める、スピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定装置。
該演算手段が、該相互相関関数において最大値を示す時間、該相互相関関数において最小値を示す時間、又は、該相互相関関数において絶対値が最大となる時間を検出する、請求項４記載のスピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定装置。
該音源手段は該時間引き延ばしパルスを複数回出力し、
該演算手段は該音源手段からの時間引き延ばしパルスの各回の出力毎に、相互相関関数を算出して同期加算し、該同期加算した相互相関関数に基づいて該スピーカと該マイクロホンとの間の音波の伝搬時間を求める、請求項４又は５記載のスピーカとマイクロホン間の音波伝搬時間測定装置。