JP2005223850A - マイクロホン及びマイクロホンアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 各マイクロホン毎に取り付けられたケーブルのたるみを排除し、音場の乱れ及びスライド部の取り回しが低下しないマイクロホンアレイを提供すること。
【解決手段】 ３次元空間上に分布する音源から発せられる音を検知するマイクロホンアレイであって、音源からの音圧を検知するセンサ部を略同一方向に向けて配列された複数のマイクロホン２０と、複数のマイクロホン２０を平面又は曲面に沿って配列するフレーム３０とを備え、複数のマイクロホン２０のそれぞれに、センサ部により検知された信号を伝送する信号ケーブルの自由長を調整する巻き取り部５を有し、巻き取り部５は、マイクロホン２０の最大可動範囲より外側に設けられたサブフレームにそれぞれ取り付けられる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、マイクロホンアレイ等に関し、より詳しくは、複数のマイクロホンを配列し、複数の位置で音を検知するマイクロホンアレイ等に関する。

複数のマイクロホンを平面または曲面に沿って並べ、複数の位置で音圧を測定するマイクロホンアレイの技術は、多くの場面で用いられている。例えば、機器の騒音対策を行う場合に、複数の位置に音源を有する機器の音圧分布を特定する必要がある。マイクロホンアレイの技術は、このような機器の音圧分布の測定に特に有効である（例えば、非特許文献１参照）。

松下テクノトレーディング、電子計測、ＳＶソリューション、"ＢＫ社製品"、［ｏｎｌｉｎｅ］、[平成１５年０９月１２日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｔｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｍｓｍ／ｓｖ／ｂｋ／ｓｔｓｆ／ｓｔｓｆ．ｈｔｍｌ＞

ところで、機器の音源は、３次元空間上に分布し、マイクロホンが並べられた面（以下、アレイ面と記すことがある。）迄の距離が異なる場合がある。このように、音源からマイクロホン迄の距離が不均一な状態で音圧を測定すると、音の伝搬経路に違いが生じ、音圧分布を正確に測定することができない場合がある。もっとも、伝搬経路が異なることにより、単に減衰量が変化するだけであれば、数学的にこれを補正することができる。しかし、伝搬経路に違いが生じると、音の拡散範囲の変化、干渉の問題等が起こり、音圧分布の推定が非常に難しくなる。

我々は、音源からマイクロホン迄の距離が不均一であることにより、音源とマイクロホンとの間の距離に生じるこのような差を補正するために、マイクロホンに、マイクロホンをスライドさせる可動部（スライド部）とマイクロホンを所定の部材に固定する固定部（スライド受け部）とを設け、予め、複数のスライド可能に取り付けたマイクロホンが並べられたアレイ面を、音圧分布を測定する対象物に押し当て、対象物の凹凸形状に応じてスライドさせたマイクロホンの位置を調整することにより音の伝搬経路の差を吸収し、正確な音圧分布の測定を行う方法について報告した（特願２００２−３６９３７２号）。

しかし、さらに検討を進めると、この方法は、マイクロホン数が多いため、配線が煩雑になるという問題がある。特に、マイクロホンのスライド部を手前に引くと、マイクロホンに接続されたケーブルに余りが生じ、このケーブルの余りが、操作を困難にするばかりか、操作者がひっかけて、マイクロホンを破損するおそれがある。このようなケーブルの余りに対する解決策としては、一つは、ケーブルを排除し、スライド部の長手方向全域及びスライド受け部の接触箇所の一部に導電性材料を付加し、その導電性材料を経由して信号を伝達する方法や、また、他の方法としては、各マイクロホンにケーブル巻き取り機構を設ける方法が挙げられる。

しかし、導電性材料を使用する方法では、スライド部の摺動部分全体に導電部分を設ける必要があることによりコストが増加すること、また、スライド部の位置により導電性に差異が生じること、導電部分の露出部が増大することにより表面劣化等が問題となる。特に、導電性に関連する問題は、マイクロホンの微少な信号を扱う上で致命的な要因となる可能性がある。
一方、ケーブル巻き取り機構を設ける方法では、前述したような問題は生じないものの、マイクロホンの位置は、測定対象の凹凸に対応して様々に変化するので、各マイクロホン毎にケーブル巻き取り機構をそれぞれ設け、各マイクロホン毎に異なるケーブル長を確保する必要がある。しかし、各マイクロホン毎に巻き取り部を設けると、本来、マイクロホンアレイに必要とされている占有面積の狭小化及び軽量化が損なわれ、スライド部の取り回しの低下及び音場の乱れが問題となる。

即ち、マイクロホンアレイには、本来、音場を乱す原因を極小にすべく断面積の狭小化、及び、スライド部の操作性確保と下方に向けた際の急激な落下を防止すべく軽量化とが必要とされている。ところが、各マイクロホン毎のスライド部に巻き取り機構を設けると、可動部全体の重量が増加し取り回しが低下する。また、可動部の重力による落下を防止するため、ロック機構を強化する必要性が生じる。その結果、断面積が増大し、新たな音場の乱れの原因を生じることになる。一方、各マイクロホン毎のスライド受け部に巻き取り機構を設けると、測定平面付近の占有面積が増大し、この場合も、音場の乱れを生じやすいという問題がある。
さらに、各マイクロホン毎に接続されたケーブルは、通常、スライド部の内部を貫通する構造となっていることから、スライド部の容積が大きくなる傾向がある。そのため、対象物の音圧を測定する際に、音場を乱すおそれがある。また、スライド部の内部に収容されたケーブルに不具合が生じた場合に、ケーブルの交換が難しいという問題がある。

本発明は、かかる技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、各マイクロホン毎に取り付けられたケーブルのたるみを排除し、音場の乱れ及びスライド部の取り回しが低下しないマイクロホンアレイを提供することにある。

かかる課題を解決するために、本発明は、音源から発せられる音を検知するマイクロホンであって、音源からの音圧を検知するセンサ部と、センサ部を先端に保持し、センサ部を軸方向に移動させる棒状部材と、軸方向に移動する棒状部材を固定する固定部材と、センサ部により検知された信号を伝送する信号ケーブルと、信号ケーブルの自由長を調整する巻き取り部材と、を有することを特徴とするものである。
本発明においては、各マイクロホン毎に取り付けられた巻き取り部材により信号ケーブルのたるみが排除される。この場合、巻き取り部材は、センサ部の最大可動範囲より外側に設けられることが好ましく、さらに、信号ケーブルは、棒状部材に沿って、長手方向に配線されることを特徴とすれば、音場の乱れを防止することができる。

次に、本発明は、３次元空間上に分布する音源から発せられる音を検知するマイクロホンアレイであって、音源からの音圧を検知するセンサ部を略同一方向に向けて配列された複数のマイクロホンと、複数のマイクロホンを平面又は曲面に沿って配列するフレームと、を備え、複数のマイクロホンのそれぞれに、センサ部により検知された信号を伝送する信号ケーブルの自由長を調整する巻き取り部材を有することを特徴とするマイクロホンアレイとして把握される。
本発明が適用されるマイクロホンアレイにおいて、複数のマイクロホンが取り付けられるフレームは、巻き取り部材が取り付けられるサブフレームを有することを特徴とすれば、サブフレームに巻き取り部材を取り付けることにより、音場の乱れ及びスライド部の取り回しが低下しないマイクロホンアレイが提供される。また、この場合、サブフレームは、マイクロホンの最大可動範囲より外側に設けられることが好ましい。

本発明によれば、３次元空間上に分布した音源の音圧分布を正確に測定でき、簡便、且つ、コンパクトなマイクロホンアレイを得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、発明の実施の形態という。）について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態が適用されるマイクロホンアレイを用いた音圧分布解析システムを説明する図である。図１に示した音圧分布解析システム１は、フレーム３０に複数のマイクロホン２０を保持したマイクロホンアレイ２と、マイクロホンアレイ２から入力された音信号を増幅させるアンプ４と、アンプ４により増幅された音信号に基づいて音圧分布を解析する解析端末６と、音圧分布を測定するための測定対象物８と、が配置されている。

マイクロホンアレイ２は、複数のマイクロホン２０と、マイクロホン２０を保持するフレーム３０と、複数のマイクロホン２０の後方へ引き回された信号ケーブルをそれぞれ巻き取るための巻き取り部材である巻き取り部５とを有し、音源である測定対象物８から発せられる音圧を検知して、電気的な信号（以下、音信号）としてアンプ４に対して出力する。

アンプ４は、多チャンネル信号の増幅が可能な増幅器であり、解析端末６により設定された増幅率で音信号を増幅し、解析端末６に対して出力する。

解析端末６は、音場解析ソフトウェアがインストールされたコンピュータであり、アンプ４から入力された音信号をＡ／Ｄ変換し、時間波形として記録する。さらに、解析端末６は、記録された時間波形に基づいて、時間的及び空間的に変化する音圧分布を画像表示する。例えば、解析端末６は、利用者に指定された時点における音の分布、または、利用者に指定された期間における音の時間平均の分布を、等高線図で表示する。

なお、以下の説明において、マイクロホンアレイ２から見て、測定対象物８の方向を前方、測定対象物８から離れる方向を後方と呼ぶ。

図２は、フレーム３０を説明する図である。図２に示したフレーム３０は、マイクロホン２０を保持する保持フレーム３１０と、保持フレーム３１０を立てて保持するスタンドフレーム３２０と、スタンドフレーム３２０に取り付けられ、巻き取り部５（図１）を保持するサブフレーム３３０とを有する。サブフレーム３３０は、保持フレーム３１０によりカバーされる測定領域の外側に位置するように設置されている。このため、サブフレーム３３０及び巻き取り部５の存在により音場が乱されることがない。
ここで、サブフレーム３３０をマイクロホン２０の最大可動範囲のさらに後方などに設置することが好ましい。この場合、サブフレーム３３０及び巻き取り部５が測定対象物８から離れるため、音の通路が十分に確保され、音場の乱れを生じない。
保持フレーム３１０は格子状の形状になっており、各マイクロホン２０は、保持フレーム３１０の各格子の角にはめ込むことにより固定される。

なお、本実施の形態において、保持フレーム３１０の格子間隔は、約１００ｍｍである。互いに近接する保持フレーム３１０の距離は、音圧測定時におけるマイクロホン２０の先端から測定対象物８までの測定距離のほぼ３倍であることが望ましいことから、本実施の形態における音圧測定時におけるマイクロホン２０の先端から測定対象物８までの測定距離は、３０ｍｍから４０ｍｍの間であることが望ましい。

図３は、マイクロホン２０を説明する図である。図３に示されるマイクロホン２０は、音圧を検知するセンサ２１０と、センサ２１０から入力された音信号を増幅するプリアンプ部２２０と、プリアンプ部２２０を着脱可能に保持する着脱部２３０と、着脱部２３０と前端部で接合されたスライド部２４０（棒状部材）と、スライド部２４０を摺動可能に保持し、且つ、前述した保持フレーム３１０（図２）にはめ込むことができる固定部材としての保持部２５０と、着脱部２３０に接合されセンサ２１０の前方を保護する保護部材２７０と、スライド部２４０の後端部に着脱可能に装着されたストッパ２８０（制限手段）と、プリアンプ部２２０から入力された音信号をアンプ４（図１）に伝送する信号ケーブル２９０と、信号ケーブル２９０の自由長を巻き取るための巻き取り部５とを有する。

センサ２１０は、例えば、音圧を電気的な信号（音信号）に変換し、プリアンプ部２２０に対して出力する。プリアンプ部２２０は、音信号を信号ケーブル２９０に流すことができるレベルに増幅し、信号ケーブル２９０及び中継部として巻き取り部５（図１）を介してアンプ４（図１）に出力する。保護部材２７０は、着脱部２３０に接合され、センサ２１０よりも前方に張り出すことにより前方からの衝突に対してセンサ２１０を保護する。センサ２１０は、衝突の振動に弱く、保護部材２７０の先端がセンサ２１０の前方に来るように設置することは、測定距離設定時にマイクロホン２０と測定対象物８との間で直接接触が想定される場合は特に好適である。

スライド部２４０は、保持部２５０の開口径とほぼ同径の棒状部材であり、保持部２５０内を滑らかに摺動する。保持部２５０とスライド部２４０の間の摺動抵抗は、その摩擦力が、マイクロホンアレイを下に向けたときにマイクロホン２０にかかる重力Ｇよりも大きく、使用者が片手で容易に加えられる力Ｆよりも小さく設定することで、位置調整と調整後の保持を両立できる。マイクロホン２０の重量が大きく、力Ｆと重力Ｇの間に十分な差が確保できない場合には、ワイヤーなどを用いて摺動抵抗を調整する仕組みを設けてもよい。尚、本実施の形態におけるスライド部２４０は、円筒形状を有するが、これに限定される訳ではなく、柱体などのように、摺動方向にほぼ均一な形状を有する棒状部材であればよい。ストッパ２８０は、保持部２５０の開口径よりも大きな径を有し、保持部２５０に当接して、スライド部２４０の摺動可能な範囲を制限する。本実施の形態の場合、ストッパ２８０は、スライド部２４０の後方端近傍に配設されており、マイクロホン２０が保持フレーム３１０から脱落することを防止する。このように、マイクロホン２０は、保持フレーム３１０に摺動可能に保持される。

図３に示すように、信号ケーブル２９０は、プリアンプ部２２０後部より摺動線より外れて後方に引き回される。この際、信号ケーブル２９０がスライド部２４０後部のストッパ２８０に接続されたケーブルクリップ２８５に把持されることにより、たるみを無くすことができる。このような構成により、スライド部２４０内部に信号ケーブル２９０を通すことによるスライド部２４０の容積増大を避けることができる。また、信号ケーブル２９０へのアクセスが容易なので、不具合が生じる時にも容易に交換が可能である。

図４は、巻き取り部を説明する図である。図４（ａ）は、巻き取り部の概略図であり、図４（ｂ）は、巻き取り部の側面図であり、図４（ｃ）は、巻き取り部の断面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示された巻き取り部５は、マイクロホン２０のセンサ２１０（図３）の後方へ引き回された信号ケーブル２９０を接続するための入力プラグ９４０と、入力プラグ９４０から入力された信号をそのまま後続の信号ケーブル２９０’に出力するための出力プラグ９２０と、入力プラグ９４０に接続された信号ケーブル２９０を巻き取るためのロール９１０と、ロール９１０を、サブフレーム３３０（図２）に対して摺動可能に保持するロール支持部９３０とから構成される。尚、図４（ｃ）に示されるように、巻き取り部５の内部には、入力プラグ９４０から入力された信号をそのまま後続の信号ケーブル２９０’に出力するための中継ケーブル９５０が内蔵されている。

図４（ａ）に示されるように、マイクロホン２０（図３）と巻き取り部５との距離が小さく信号ケーブル２９０にたるみが生じる場合は、ロール９１０を回転させ信号ケーブル２９０を巻き付けることによりたるみを吸収することができる。逆に、マイクロホン２０（図３）を巻き取り部５から遠ざける必要が生じた時には、ロール９１０を逆に回転させることにより信号ケーブル２９０の十分な長さを確保することができる。尚、ロール９１０の内部にバネ機構を設けることにより、巻き取られた信号ケーブル２９０が逆回転することが防止され、たるみが生じない状態を常に保つことができる。
一方、出力プラグ９２０より下流の信号ケーブル２９０’は、マイクロホン２０の移動の影響を受けないので、常に一定の長さである。したがって、信号ケーブル２９０及び信号ケーブル２９０’は、常にたるみが生じることがなく、また、長さが不足することがない。これにより、マイクロホン２０（図３）操作にとっての障害や、信号ケーブル２９０に引っかかる等の事故の危険性が減少する。
出力プラグ９２０と信号ケーブル２９０’との接点は、ロール９１０の回転とともに摺動するが、並進方向の摺動と異なり、常に摺動面全面が接している構成を取ることが可能なので、摺動面が露出することがなく、また摺動変位によって抵抗が変化することがない。したがってマイクロホン２０による出力のような微少な信号の電送にも問題がない。

図５は、マイクロホンアレイを測定対象物の形状に応じて変形させる方法について説明する図である。図５（Ａ）は、マイクロホンアレイを変形させる前の状態であり、図５（Ｂ）は、マイクロホンアレイを変形させた後の状態である。
図５（Ａ）に示すように、総てのマイクロホン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を前方に押し出すと、各スライド部（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）は保持フレーム３１０に取り付けられた保持部を摺動し、後端のストッパが各保持部（２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃ）に当接する位置で止まる。次いで、マイクロホンアレイ（保持フレーム３１０及びマイクロホン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ））を測定対象物８の方向（矢印方向）に移動させる。
移動距離を定規等で測定してもよいが、各保護部材（２７０ａ、２７０ｂ、２７０ｃ）が測定対象物８に当接するまで移動させ、そこからマイクロホンアレイ全体を後方に平行に後退させることで、マイクロホンの破損の心配なく各マイクロホン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）と測定対象物８との距離を総て一定に設定することができる。

次に、図５（Ｂ）に示すように、各スライド部（２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ）が各保持部（２５０ａ、２５０ｂ、２５０ｃ）の開口内を摺動する。各マイクロホン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の摺動距離は、図５（Ｂ）中の両矢印で示すように、測定対象物８の凹凸形状に応じて異なる。このように、マイクロホンアレイは、直接、測定対象物８の表面に当接することにより、測定対象物８の凹凸形状に応じた位置に各マイクロホン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を調整することができる。この後、マイクロホンアレイを測定対象物８から３０ｍｍ程度離れた位置に後退させて、音圧測定を開始する。このようにマイクロホンアレイを変形させると、測定対象物８の凹凸に関係なく、各マイクロホン（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）から測定対象物８までの距離をほぼ均一にすることができ、凹凸形状を有する測定対象物８であっても、正確に音圧分布を解析することができる。

本発明の活用例としては、例えば、複数の振動源及び騒音発生源を有する画像形成装置の音圧分布の測定に適用することができる。

マイクロホンアレイを用いた音圧分布解析システムを説明する図である。 フレームを説明する図である。 マイクロホンを説明する図である。 巻き取り部を説明する図である。図４（ａ）は、巻き取り部の概略図であり、図４（ｂ）は、巻き取り部の側面図であり、図４（ｃ）は、巻き取り部の断面図である。 マイクロホンアレイを測定対象物の形状に応じて変形させる方法について説明する図である。図５（Ａ）は、マイクロホンアレイを変形させる前の状態であり、図５（Ｂ）は、マイクロホンアレイを変形させた後の状態である。

符号の説明

１…音圧分布解析システム、２…マイクロホンアレイ、４…アンプ、５…巻き取り部、６…解析端末、８…測定対象物、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…マイクロホン、３０…フレーム、２１０…センサ、２２０…プリアンプ部、２３０…着脱部、２４０，２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ…スライド部、２５０，２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃ…保持部、２７０，２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃ…保護部材、２８０…ストッパ、２８５…ケーブルクリップ、２９０,２９０’…信号ケーブル、３１０…保持フレーム、３２０…スタンドフレーム、３３０…サブフレーム、９１０…ロール、９２０…出力プラグ、９３０…ロール支持部、９４０…入力プラグ、９５０…中継ケーブル

Claims (6)

1. 音源から発せられる音を検知するマイクロホンであって、
   前記音源からの音圧を検知するセンサ部と、
   前記センサ部を先端に保持し、当該センサ部を軸方向に移動させる棒状部材と、
   前記軸方向に移動する棒状部材を固定する固定部材と、
   前記センサ部により検知された信号を伝送する信号ケーブルと、
   前記信号ケーブルの自由長を調整する巻き取り部材と、を有することを特徴とするマイクロホン。
2. 前記巻き取り部材は、前記センサ部の最大可動範囲より外側に設けられることを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
3. 前記信号ケーブルは、前記棒状部材に沿って、長手方向に配線されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロホン。
4. ３次元空間上に分布する音源から発せられる音を検知するマイクロホンアレイであって、
   前記音源からの音圧を検知するセンサ部を略同一方向に向けて配列された複数のマイクロホンと、
   前記複数のマイクロホンを平面又は曲面に沿って配列するフレームと、を備え、
   前記複数のマイクロホンのそれぞれに、前記センサ部により検知された信号を伝送する信号ケーブルの自由長を調整する巻き取り部材を有することを特徴とするマイクロホンアレイ。
5. 前記フレームは、前記巻き取り部材が取り付けられるサブフレームを有することを特徴とする請求項４に記載のマイクロホンアレイ。
6. 前記サブフレームは、前記マイクロホンの最大可動範囲より外側に設けられることを特徴とする請求項５に記載のマイクロホンアレイ。

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