JP2006078322A

JP2006078322A - 住宅の音シミュレーションシステム

Info

Publication number: JP2006078322A
Application number: JP2004262325A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sugano; 普菅野
Original assignee: Asahi Kasei Homes Corp
Current assignee: Asahi Kasei Homes Corp
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-09
Also published as: JP4255421B2

Abstract

【課題】本発明は、障壁の多い住宅内の音環境を、音線法を用いて簡易に演算し、より実測値に近い良好な結果を得ることのできるシミュレーションシステムを提供することを目的としている。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明に係る住宅の音シミュレーションの代表的な構成は、建物の間取り情報とおよび音源情報を入力する入力手段２と、音線の反射による経路を演算する経路演算手段13と、音線21と障壁20との交点22について、前記障壁20の前記交点22とは反対面の対向する位置に仮音源24を設定する仮音源設定手段14と、前記音線の経路に沿って音圧レベルを演算する音圧レベル演算手段15とを備え、前記仮音源設定手段14は、一つの交点22について複数の仮音源24を設定し、かつそれぞれの仮音源24について１ないし複数の音線25を設定することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

音線法を使用した音シミュレーションであって、壁の透過を考慮した結果を出力しうるシステムに関するものである。

従来から、コンピュータを用いた音の伝達のシミュレーションが行われている。多くは有限要素法や境界要素法などを用いた波動解析が主流であったが、波動解析は膨大な計算量になるため、演算の所要時間が長く、また多くのコンピュータ資源を必要とするという問題がある。

そこで近年は、音線法と呼ばれる演算方法が多く用いられている。これは音源から発せられる音を量子化して音線として表現し、反射して到達する音線の音圧を演算することで音の伝達を表現するものである。さらに、純粋に音源から発せられる音線のみを計算したのでは所望の位置における音線の密度が安定しないことから、まず受音点をさだめてから音線の経路を求める虚像法や鏡像法などが提案されている。

音線法は波動解析を行う方法に較べ、計算が比較的簡易であり、かつ計算量も少ないため、音環境のシミュレートを行う上で有効な手段であることが知られている。特に、音線法はホールなど閉空間の解析に向いており、例えば特開平６−１１３８６などのように鏡像法との併用で簡易でありかつ良好なシミュレーション結果を得ることが可能となっている。

特開平６−１１３８６号公報

しかし、音線法は原則として反射により音の伝達を求めるものであって、音の波動性を無視している。このため、閉空間のシミュレーションには適しているが、壁や間仕切りなどの境界が空間内に存在した場合、音線がその障壁を越えることができない。

一方、住宅における音の伝達をシミュレーションする場合を考えると、ホールなどと異なり住宅には壁や間仕切りなどの障壁が多く、音線法をそのまま適用したのでは満足な結果を得ることはできない。

従来からも、音線法において障壁を考慮するための提案はなされている。例えば、いちど障壁をないものとして音線の経路を演算し、その後に障壁を考慮して反射する音線の経路を演算する。そして、反射による音圧の減衰と同様に、透過による音圧の減衰を演算することにより、障壁を越えて伝達される音を算出することが考えられる。しかし、音は波動なのであるから、障壁を越えた時点で音線のベクトルは失われているはずである。

また、障壁と音線との交点（反射点）について、障壁の交点と反対側の面に仮音源を設定することが考えられる。しかし、通常一つの音源についても簡易とはいえそれなりの計算量であるのに、交点ごとに仮音源を設定し、通常の音源と同様に全方位の音線を演算することでは、計算量が劇的に増加し、計算が簡易であるという音線法の利点を著しく損なってしまう。

そこで本発明は、障壁の多い住宅内の音環境を、音線法を用いて簡易に演算し、より実測値に近い良好な結果を得ることのできるシミュレーションシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る住宅の音シミュレーションの代表的な構成は、建物の間取り情報とおよび音源情報を入力する入力手段と、音線の反射による経路を演算する経路演算手段と、音線と障壁との交点について、前記障壁の前記交点とは反対面の対向する位置に仮音源を設定する仮音源設定手段と、前記音線の経路に沿って音圧レベルを演算する音圧レベル演算手段とを備え、前記仮音源設定手段は、一つの交点について複数の仮音源を設定し、かつそれぞれの仮音源について１ないし複数の音線を設定することを特徴とする。

本発明によれば、障壁の交点と反対側に複数の仮音源を設定し、各仮音源に１ないし複数の音線を設定することにより、障壁の多い住宅内の音環境を、音線法を用いて簡易に演算し、より実測値に近い良好なシミュレーション結果を得ることができる。

本発明に係る住宅の音シミュレーションシステムについて説明する。図１は本実施例に係る音シミュレーションシステムの概略構成図、図２は本実施例の特徴的な動作を説明するフローチャート、図３は仮音源と音線を設定する例を示す図、図４は吸収率データベースの例を示す図、図５は音源の周波数特性の例を示す図である。

図１に示すように、本システムは、システム本体１、入力手段２、出力手段３から構成されている。入力手段２は演算に必要な情報を入力する手段であって、キーボードやマウスなどの入力装置、および記憶媒体、ネットワークなどが含まれる。出力手段３は演算結果を出力するものであり、画面表示するモニタ、印刷するプリンタ、およびデータとして保存する記録媒体などが含まれる。

システム本体１の記憶領域11には、入力手段２から入力された間取り情報と、音源情報が格納される。間取り情報は、部屋の寸法や壁の厚さなどの空間座標情報、および壁の材質や種類などの障壁情報を含む。またシステム本体１は、図４に示すように、壁の材質や種類に対してその吸収率（吸音率）を格納した吸収率データベース12を備えている。音源情報は、音源の空間座標（位置）、音源の特性（周波数特性、指向性、強度）を含む。なお、吸収率データベース12は必ずしも本体内に組み込まれている必要はなく、必要に応じてネットワーク型やCDROMなどの記録媒体による供給も可能である。

またシステム本体１は、音線の経路を演算する経路演算手段13、仮音源設定手段14、音圧レベル演算手段15を備える。経路演算手段13は音線の経路を演算し、障壁と音線の交点を算出する。仮音源設定手段14は各交点について仮音源を設定するものであって、詳細な動作については後述する。音圧レベル演算手段15は、音線の経路に沿って各交点（音線の終端点を含む）における音圧を演算する。これらのシステム本体１の各要素はＣＰＵ10に接続され、所定の処理が行われる。

なお、実際上は、記憶領域11はＲＡＭまたはハードディスクなどの記憶手段であり、吸収率データベース12は記憶手段に保存されたデータである。また経路演算手段13、仮音源設定手段14、音圧レベル演算手段15はプログラムによって実現されるモジュールであって、ＣＰＵ10に読み込まれてハードウェアとして所定の動作をする。

音線法の演算手法については、既によく知られているため、ここでは詳細な説明を割愛する。簡略に説明すれば、音線法のみを用いる場合には、まず音源から所定の間隔で多数の音線を設定し、その音線のベクトルと壁との交点を割り出す。そしてベクトルと壁の角度に応じて反射する音線の方向を求め、次の交点を割り出す。反射があらかじめ定めた所定回数に到達していれば、それ以上の反射はさせない（音線の終端は壁との交点になる）。全ての音線について交点と経路が決定すると、距離による減衰と反射による減衰を考慮しつつ、それぞれの経路に沿って音圧レベルを計算する。なお、音圧レベルの計算は、経路の演算が全て終了する前に（例えば一つの音線経路が決定するごとに）行うことでも良い。

ただし、音線法のみでは音線密度にばらつきが生じるため、虚像法とともに用いられる場合も多い。虚像法を用いた場合は、受音点を設定し、障壁に対称な位置に音源の虚像を作成し、この虚像と受音点を結ぶ音線と障壁の交わる点を交点（反射点）として求める。２回反射、３回反射を考える場合には、まず最初に反射しうる障壁に対称な位置に虚像を作成し、次に反射しうる障壁について虚像の虚像を作成し、このように反射回数に応じて重畳的な虚像を作成する。音圧レベルの計算については、上記と同様である。このように計算することにより、音線密度が安定することから計算精度が向上し、また計算量の大幅な削減を図ることができる。

次に、図２および図３を用いて、本発明の特徴的な処理について説明する。図に示すように、まずは経路演算手段13を用いて、従来の音線法または虚像法により、音源から発せられる（第一次の）音線と、障壁との交点を求め、交点リストを作成する（Ｓ１）。ここで、受音点（計測したい位置）が決定しており、音源と受音点が空間的に連続していれば、虚像法を用いることは有効である。しかし、住宅などのように障壁が多く、空間（部屋）が閉じられている場合には、音線が生じないため、ステップＳ１において交点が生成されないことになる。従って、本実施例においては音源から音線を設定する旧来の音線法を用いることが望ましい。

次に、仮音源設定手段14は、交点リストにある交点の一つにつき、その障壁の交点と反対面に複数の仮音源を設定し、それぞれの仮音源について１ないし複数の音線を設定する（Ｓ２）。ここで仮音源とは、実際に存在する音源ではなく、波動としての音のエネルギーによって障壁が振動し、音源となると仮定したものである。仮音源とその音線は、例えば図３（ａ）に示すように、障壁20と音線21の交点22に対し、障壁20の交点22とは反対面の対向する位置に所定の大きさの円23を設定し、円23の中心に１つの仮音源24ａ、円周上に４つの仮音源24ｂを設定する。それぞれの仮音源24ａ、24ｂには、円23の中心軸線と平行な音線25ａ、25ｂを設定する。

そしてＣＰＵ10はステップＳ２で新たに生成された音線25の中から一つの音線を特定し（Ｓ３）、再び経路演算手段13によって交点を算出する（Ｓ４）。このとき、交点を求める数（反射回数）は、大元の音源からの反射回数および透過回数が所定回数に至ったかどうかで判断する（Ｓ５）。ステップＳ５において反射回数と透過回数の和が所定回数に満たない場合には、新しく算出された交点を交点リストに追加し（Ｓ６）、次の交点を求める（Ｓ４）。例えば所定回数が３であるとして、Ｓ１で求められた交点が１回目の反射である場合には、その交点について設定した仮音源と音線は透過回数が１であるから、その音線は２回反射まで演算する。Ｓ１で求められた交点が２回目の反射である場合には、その交点について設定した仮音源と音線は反射回数が１で透過回数が１であるから、その音線は１回反射まで演算する。このようにして、１つの交点について新しく生成された全ての音線について演算を行う（Ｓ７）。

上記ステップＳ２〜Ｓ７の処理を、交点リストに格納された全ての交点について行う（Ｓ８）。ここで、上記したようにステップＳ６において交点リストには交点が追加されるのであるが、ステップＳ５の反射回数の制限があるため交点は早期に増加が収束し、やがて演算は終了する。

仮音源24と、各仮音源に設定する音線25は、本発明で限定するのは一つの交点について複数の仮音源を設定し、かつそれぞれの仮音源について１ないし複数の音線を設定することであって、他の構成については適宜設定しうる。特に特徴的には、仮音源24から設定する音線25は、衝突した音線21の方向を継承しない点にある（音圧には関係してくる）。

例えば、仮音源24の配置パターンは図３（ａ）に示すように中心点と円周上に均等に配置した４点でも良く、図３（ｂ）に示すように円周上の３点でもよい。また円の外周に至らない円内の中間点に仮音源を配置しても良い。なお、円周上に配置していると表現しているが、４点であれば四角形の頂点に、３点であれば三角形の頂点に配置されていることと同義であることはいうまでもない。さらに本実施例のように仮音源は円23の中心軸線に対する軸対称に配置することが望ましいが、状況に応じて不均一にすることでもよい（障壁の端部近傍や柱を考慮した場合など）。

また仮音源の強さは、図３（ａ）に示すように、円23の中心に行くほど強くすることが好ましいが、必ずしも差を設ける必要はない。

各仮音源24に設定する音線25のベクトル（方向）は、図３（ａ）に示すように円23の中心軸線に平行であっても良いが、図３（ｂ）に示すように円23の中心軸線を中心として放射状に拡散するように設定することでもよい。さらに図３（ｃ）に示す例のように、仮音源24ａに２つ以上の音線25ａを設定し、それぞれに角度をもたせてベクトルを分散させることでも良い。ただし複数の音線25を設定すると、計算精度は向上するものの、計算量が大幅に増加するため、可能な限り少なく設定することが好ましい。

また、仮音源24の数、配置パターン、音線のベクトルの方向、円23の大きさ、各仮音源24の強さは、動的に変更されるパラメータである。これらは、障壁の種類や面積、交点22における音圧レベル、吸収率データベース12を参照して得られた障壁の吸収特性により適宜決定される。

図４に示すように、吸収率データベース12には、障壁の種類ごとに、周波数帯域に応じた吸音率が格納されている。例えば、石膏ボードについての円を基準円とする。石膏ボードの１２５Ｈｚについての吸収率が０．３５である。一方、化粧板２は１２５Ｈｚ（低周波）における吸収率が他の周波数に較べて低く、すなわち低周波を通しやすい。その最も通しやすい周波数である１２５Ｈｚの吸収率は０．７であって、基準となる石膏ボードの１２５Ｈｚの吸収率の倍であるから、化粧板２についての円の大きさは基準円の０．５倍と設定する。

また、特定の周波数特性を有する音源や、これらに対する障壁の周波数吸収特性を考慮することも有効である。図５は、音源情報として格納されている周波数特性の一例を示している。図に示すFFT(Fast Fourier Transform)は、FFTはBlackmann-Harris法で128ポイント（分割）から512の範囲、望ましくは256で行うことが好ましい。通常は音に関するFFTは11KHz〜48KHz程度のサンプリングを行うが、今回は上記した程度の荒いFFTであることが好ましい。その理由としては、音を単純化することで、注目すべき周波数が明確になるからである。

音源の周波数特性の考慮の例としては、ピアノのように広い周波数帯を持つものの場合、仮音源の数は様々な周波数に対応できるように、多めに設定する。またホームシアターのウーハーや足音など、低い周波数を主に含む音源の場合、円の大きさを大きめに設定する。また金属音や子供の声など比較的高い周波数を主に含む音源の場合、円を小さくしたり、仮音源の数を減らす設定をする。一方、壁の周波数吸収特性の考慮の例としては、防音材料を使用した壁の場合、ピアノの音やウーハーなどの低周波数成分を多く含むものの仮音源設定方法を、高周波数のように設定する。

特に仮音源の数や配置を変更することにより、擬似的に面音源を表現できる。これにより、良好なシミュレーション結果を得ることができる。

本発明は、住宅など障壁の多い建物内の音シミュレーションに利用することができる。

実施例に係る音シミュレーションシステムの概略構成図である。本実施例の特徴的な動作を説明するフローチャートである。仮音源と音線を設定する例を示す図である。吸収率データベースの例を示す図である。音源の周波数特性の例を示す図である。

符号の説明

１ …システム本体
２ …入力手段
３ …出力手段
10 …ＣＰＵ
11 …記憶領域
12 …吸収率データベース
13 …経路演算手段
14 …仮音源設定手段
15 …音圧レベル演算手段
20 …障壁
21 …音線
22 …交点
23 …円
24 …仮音源
25 …音線

Claims

建物の間取り情報とおよび音源情報を入力する入力手段と、
音線の反射による経路を演算する経路演算手段と、
音線と障壁との交点について、前記障壁の前記交点とは反対面の対向する位置に仮音源を設定する仮音源設定手段と、
前記音線の経路に沿って音圧レベルを演算する音圧レベル演算手段とを備え、
前記仮音源設定手段は、一つの交点について複数の仮音源を設定し、かつそれぞれの仮音源について１ないし複数の音線を設定することを特徴とする住宅の音シミュレーションシステム。
前記仮音源設定手段は、前記複数の仮音源を、前記交点に対向する位置を中心とする円内に配置することを特徴とする請求項１記載の音シミュレーションシステム。
前記仮音源設定手段は、前記複数の仮音源を、前記円の中心軸線に対する軸対称に配置することを特徴とする請求項２記載の音シミュレーションシステム。
前記仮音源設定手段は、前記複数の仮音源を、前記円内において中心に行くほど強い音圧に設定することを特徴とする請求項２記載の音シミュレーションシステム。
前記仮音源設定手段は、前記複数の仮音源に設定する音線のベクトルを、前記円の中心軸線を中心として放射状に拡散するように設定することを特徴とする請求項２記載の音シミュレーションシステム。
前記仮音源設定手段は、前記円の大きさおよび複数の仮音源の分布を、前記間取り情報に含まれた障壁の特性に応じて変化させることを特徴とする請求項２記載の音シミュレーションシステム。
前記仮音源設定手段は、前記円の大きさおよび複数の仮音源の分布を、前記音源情報に含まれた音源の周波数特性に応じて変化させることを特徴とする請求項２記載の音シミュレーションシステム。