JP2006279740A

JP2006279740A - 音源別音強度測定装置及び音源位置分析方法

Info

Publication number: JP2006279740A
Application number: JP2005098322A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yoshinaga; 弘志吉永
Original assignee: Public Works Research Institute
Current assignee: National Research and Development Agency Public Works Research Institute
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】虚音源の発生を抑制し、分解能を確保し、複数の音源から目的の音源を分離し、音の発生量を距離や音速のぶれに対応して安定して解析する、音源別音強度測定装置及び音源位置分析方法を提供する。
【解決手段】音源位置分析方法は、音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手順、遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手順、暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手順、暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手順、を行うことを特徴としている。また、各マイクロホンの間隔を、その差が一定の値となるように順に漸増または漸減して配置したマイクロホンアレイを備えることを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、複数の機械が稼働する工事現場等における機械別の騒音発生量を測定する音源別音強度測定装置及び音源位置分析方法に関する。

従来、複数の音源から音が発生している場合の音源別の音発生量の測定方法としては、各音発生源の近くにマイクロホンを配置し音源−マイクロホン間の距離と計測値の関係から各音源別の発生量を分析する手法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、この方法では機械等の音源に近い位置にマイクロホンを設置するため工事現場においては危険であるとともに音源とマイクロホン間の距離が短いため音源−マイクロホン間の距離のわずかな違いで音発生量に関する分析値が大きく異なるという問題点を有していた。

また、想定される他の手段として、以下のものがある。
（１）物理的に指向性のあるマイクロホンを利用する方法では、常に最高感度の方向を向くように機械的にマイクロホンの方向を制御する必要があり、機構が複雑となる。
（２）音響インテンシティ計測による方法では、音の到来方向のベクトル和のみの測定となり音源別の強度を測定することができない（例えば、非特許文献２参照。）。
（３）音源探査に多く利用されているマイクロホンアレイによる方法では、音源が近接して多数存在する条件を前提としていて近傍の音源からの漏れの影響を考慮していないことなどから定量的な音源強度の測定に適さないものであった（例えば、特許文献１参照。）。
「実測データに基づく複数音源のパワーレベル算定」日本機械学会Ｎｏ．９７−３７ＶＳＴｅｃｈ’９７振動・音響新技術９０〜９３頁「音響インテンシティプローブ」騒音制御 Vol.28,No.2(2004) pp.75-79 特開平１０−１７０３３３号公報

本発明は、従来、定量的な音源強度の測定に適するものが存在しなかったことに鑑みなされたものであり、音源から５ｍ程度以上離れた位置での音源別の強度を測定するために、
（１）虚音源の発生を抑制し、
（２）分解能を確保し、
（３）複数の音源から目的の音源を分離し、音の発生量を距離や音速のぶれに対応して安定して解析する、
音源別音強度測定装置及び音源位置分析方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の音源別音強度測定装置は、音源方向を向き、かつ、音源方向と直角方向に一列に配置された複数のマイクロホンの音圧データをＡＤ変換してコンピュータで収集・分析することにより音源別の音発生量を測定する装置において、音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手順、遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手順、暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手順、暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手順、を行うことを特徴としている。
また、本発明の音源位置分析方法のプログラムは、コンピュータに、音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手順、遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手順、暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手順、暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手順、を実行させることを特徴としている。
また、本発明の音源位置分析プログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体は、コンピュータを、音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手段、遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手段、暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手段、暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手段、として機能させることを特徴としている。
また、各マイクロホンの間隔を、その間隔の差が一定の値となるように順に漸増または漸減して配置したマイクロホンアレイを備えることを特徴とする。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）音源位置分析方法において、音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手順、遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手順、暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手順、暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手順、を行うことにより、複数の音源から目的の音源を分離し、音の発生量を距離や音速のぶれに対応して安定して解析することができる。また、音の方向を正確に分析できるとともに音源までの距離も分析可能とする。
（２）音源別音強度測定装置において、各マイクロホンの間隔を、その差が一定の値となるように順に漸増または漸減して配置したマイクロホンアレイを備えることにより、虚音源の発生を抑制できる。

本発明に係る音源別音強度測定装置及び音源位置分析方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図１は、音源とマイクロホンアレイの配置を説明する平面図である。
音を発生するバックホウ、発動発電機、ホイールローダー等の音源は、三角形の頂点の３点の位置にある。それぞれの音源を、Ａ音源１、Ｂ音源２及びＣ音源３とする。
マイクロホン４にプリアンプを付加し、各マイクロホン４は音源方向（この場合は、音源２の方向を音源方向とする。）を向いて、例えば０．１ｍ間隔で２１個、音源方向と直角方向に配置し、マイクロホンアレイ５を形成する。
そして、音源１、２、３及びマイクロホンアレイ５は同一平面に位置している。

図２は、マイクロホンアレイ５の詳細を示した説明図であり、プリアンプの付いた各マイクロホン４はＡＤコンバータ６に接続され、また、ＡＤコンバータ６はコンピュータ７に接続される。
各マイクロホン４からの音圧の計測値は２４ｋＨｚの同時サンプリングでコンピュータ７に記録し、このデータから音源別の音発生量を分析するものである。

図３は、図１及び図２に示す音源方向と直角方向に配置したマイクロホンアレイ５の指向性を示したものである。図１のマイクロホンの配置では指向性を持たせた方向（図の上方向）と正反対の方向の音の影響を受けるが、後方からの音は無視できる程度に小さいものとしている。

次に、音源別の音の発生量を安定的に解析する方法について説明する。
図４のようにある音源８から音が発生してマイクロホンアレイ５の各マイクロホンに到達するには距離差による時間差が生じる。音速一定で距離の測定が正確に行われ、マイクロホンの誤差が無視できる理想的な条件の場合には、音源８と各マイクロホン４の位置から遅延時間を計算し、この遅延時間を補正して合成し遅延和を計算することでマイクロホンの倍数分の音圧信号が得られることになる。しかし、音源が移動することや実測値がさまざまな誤差を含んでいることに対応できるロバストなアルゴリズムが必要である。
ここで遅延和について補足説明する。図１のようにマイクロホン４を配置しＡ音源から音を発生させサンプルレート２４ｋＨｚで収集した音から３個のマイクロホン分のみを抽出した場合、各マイクロホンの音圧信号９、１０、１１は図５に示すように時間差１２が生じる。この時間差は音源の位置および音速を仮定することで計算上の値を設定することができる。遅延和の計算においては音源の位置を仮定して計算される遅延時間だけ音圧信号をずらして図６のように波形を合わせ各マイクロホンの音圧信号を加算する。２１個のマイクロホンの遅延時間が正確に計算された場合には遅延和は２１倍の信号となる。
なお、音圧は変動し正負の値をとるため本件においては遅延和は音圧の２乗平均（時間平均）としている。また音の大きさはマイクロホン１個当たりの音圧の２乗平均（時間平均）と基準値の比をデシベル換算したものである。

図７は、本発明における音源別の音の発生量を安定的に解析するアルゴリズムを説明する図であり、左側のフローチャートと右側の模式図よりなっている。
ｉ）最初に音源までの距離を適当に設定しておいて１度ピッチの位置に音源があると仮定して遅延和を計算する（ｃａｌ．１）。
ｉｉ）次に遅延和の出力の極大値の位置を求め暫定音源（１）とする。
ｉｉｉ）次に音源までの距離を想定する下限から上限までの１．５倍の等比数列で変化させ遅延和を計算し（ｃａｌ．２）、最大となる位置を改めて暫定音源（２）の位置とする。
ｉｖ）暫定音源（２）の近傍で方向を０．１゜ピッチ、距離を１．１倍の等比数列で変化させ遅延和を計算し（ｃａｌ．３）、最大となる位置を音源（３）の位置とする。

図８は、無響室において図１の配置でＡ音源１に５００Ｈｚ、１００ｄＢ、Ｂ音源２に１０００Ｈｚ、１００ｄＢ、Ｃ音源３に２０００Ｈｚ、１００ｄＢの音源を配置し、３つの音源から同時に音を発生させ、図７のアルゴリズムのうちｃａｌ．１までを用いて分析した事例である。
図８から遅延和の極大点１３が音源別に分離できているのが分かる。

図９は、図７のアルゴリズムのうちｃａｌ．３までを用いて音響パワーレベルの計算値を示したものである。
設定した距離で音源別の音響パワーレベルを計算した結果、Ｂ音源２の誤差が１．８ｄＢであるが、他は０．１ｄＢとなり良好な結果となった。また、音の分析により音源方向の誤差０〜０．８°の範囲内にあり正確な分析が可能であることが分かる。また、誤差があるものの音源までの距離も分析できていることが分かる。

図１０は、半無響室において図１の配置でＡ音源１からバックホウ、Ｂ音源２から発動発電機、Ｃ音源３からホイールローダーのあらかじめ録音しておいた音を同時に発生させそれぞれＡ特性実効音響パワーレベルで１００．９ｄＢ、９５．３ｄＢ、１００．２ｄＢとし、図７のアルゴリズムのうちｃａｌ．３までを用いて分析した事例である。Ｂ音源２からの音は小さく両側から漏れる音の影響を受けて誤差が大きいがおおむね分析できているのがわかる。
ここでＡ特性実効音響パワーレベルは不規則かつ大幅に変動する騒音源について測定した実効騒音レベル（等価騒音レベル）から定常騒音源の場合と同様な方法で計算したＡ特性音響パワーレベルである（Ａ特性実効音響パワーレベルおよび実効騒音レベルの定義は、「建設工事騒音の予測モデル“ASJ CN-Model 2002”」日本音響学会誌58巻11号(2002),pp.711-731参照。）。

しかし、音源が４０００Ｈｚの高周波を多く含む場合には虚音源が問題になる。次に虚音源の抑制方法について説明する。
図１１は、図１の配置においてＡ音源１の位置に音源を配置し無響室で分析した事例を示したものであり、左側の図は２０００Ｈｚの音源分析を、右側の図は４０００Ｈｚの音源分析を示している。
図の横方向はマイクロホンアレイを基準とした音源の方向を、また、図の縦方向は各マイクロホンの音圧信号の遅延和を表わしており、２０００Ｈｚの音源分析では虚音源が発生せず、４０００Ｈｚの音源分析では虚音源１４が発生している。

図１２は、虚音源を抑制するため、マイクロホンアレイ５における２１個のマイクロホン４の間隔を不均一に配置したものである。
左側から順に各マイクロホンを４−１、４−２、・・・４−２０、４−２１と表すとすると、マイクロホン４−１と４−２との一番左側の間隔をｄ、マイクロホン４−２０と４−２１との一番右側の間隔を２ｄとし、ｄから２ｄまで順にｄ／（ｎ−２）づつ大きくなるように配置する。ただし、ｎはマイクロホンの数を表す。
なお、漸増または漸減する間隔の差ｄ／（ｎ−２）は、その１／２から２倍程度の異なる値としても虚音源は抑制できるがｄ／（ｎ−２）程度が最も効果的である。また、マイクロホンの配置間隔を左右逆にしても良いことはもちろんである。
このように配置されたマイクロホンアレイの指向性は図１３に示すとおりである。
図３では４０００Ｈｚの場合、指向性を持たせた正面の方向（図の上側）に対し、±６４゜の方向に虚音源が出現しており、音が発生していない方向で音が発生していると判断されてしまうものである。このような虚音源は周波数が高くなると更に増大する。
これに対して、図１３では４０００Ｈｚの場合、虚音源が−２０ｄｂ以下に抑制されており、この抑制された音は虚音源であることが明確に識別できる。８０００Ｈｚ及び１６，０００Ｈｚにおいても虚音源が抑制されていることが分かる。

図１２のようにマイクロホンが配置されたマイクロホンアレイにおいて虚音源が抑制される原理を以下に説明する。
図１４は、波長１６が十分長い場合の音波の波面１５とマイクロホンアレイ５との関係を示したもので、音源方向を１７とした場合、波面１５の到達時間は１８で示す距離差分だけずれている。このずれの時間を合わせて１９で示す位置にマイクロホンがある場合と等価になるように波形をずらす。図６で行っているのはこの処理である。ずれ時間を音源方向に合わせた場合に遅延和が最大になるが、高周波になりマイクロホン間隔より波長が短くなると図１５に示すようにマイクロホン４の間にも波面１５が生じる。このため、真の音源方向１７以外に２０示す虚音源の方向でも位相が合う現象が生じることがある。図３において４０００Ｈｚで他の周波数の場合より山が多くなっているのはこの現象のためである。このように周波数が高くなると虚音源の数も増えるが、これはマイクロホン間隔が等間隔であるために生じる現象である。
そこで、図１６の２３で示すようにマイクロホン間隔を２４で示す分ずらすことにより、真の音源方向１７では位相が合い、虚音源の方向２０では位相が合わないようにすることが考えられる。しかし、ずらし方が適切でないと予想外の方向でも位相が合い完全に相殺されない懸念がある。例えば、たまたま波面１５の縞模様の位置にマイクロホンが数個来る可能性がある。
なお、符号２５は、ずらしたマイクロホンアレイの指向性を真の音源方向に向けた場合の仮想的なマイクロホンの位置を示し、また、符号２６は、ずらしたマイクロホンを虚音源の方向に向けた場合の仮想的なマイクロホンの位置を示している。
このため、本発明においては、上記したようにマイクロホン間隔をｄから２ｄまで規則的に広げて配置するものである。このように配置すると、例えば１番目及び２番目のマイクロホンで位相が合ったとしても３番目以降の位相が３６０゜／（ｎ−２）づつずれるため、遅延和における各波形の位相がそろうことがなく虚音源は発生しないことになる。

一方、音源が２５０Ｈｚ以下の低周波分を多く含む場合には分解能が低下する影響が問題になる。次に、分解能を確保するための方法を説明する。
分解能はマイクロホンアレイ長を長くすることで向上するがアレイ長に実務上の限度があるため限界周波数以下はバンドパスフィルタで除去することとする。音源別の音響パワーレベルは低周波分が高周波分の大きさに比例すると仮定して全周波数分を推定することになる。
図１７は、１０ｃｍ間隔で２１個のマイクロホンを配置し、図１のＡ音源１の位置に音源を配置し無響室で分析した事例を示したもので、左側の図は５００Ｈｚの音源分析を、右側の図は２５０Ｈｚの音源分析を示している。左側の５００Ｈｚ音源分析の図では分解能±２０゜の範囲９内に遅延和が入っており２０°の分解能が確保できるが、右側の２５０Ｈｚ音源分析の図では分解能±２０゜の範囲２７から遅延和がはみ出している。このため、２５０Ｈｚ以下では分解能が悪いので定量分析においてはバンドパスフィルタで除去する。

本発明の実施の形態に係る音源とマイクロホンアレイの配置を説明する平面図である。本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイの詳細を示した説明図である。図１及び図２に示す音源方向と直角方向に配置したマイクロホンアレイの指向性を示した図である。音源から音が発生してマイクロホンアレイの各マイクロホンに到達するには距離差による時間差が生じることを説明する図である。３つのマイクロホンの音圧信号の例を示した図である。位相を合わせた音圧信号の例を示した図である。本発明の実施の形態に係る音源別の音の発生量を安定的に解析するアルゴリズムを説明する図である。図１の配置でＡ音源に５００Ｈｚ、１００ｄＢ、Ｂ音源に１０００Ｈｚ、１００ｄＢ、Ｃ音源に２０００Ｈｚ、１００ｄＢの音源を配置し、３つの音源から同時に音を発生させ、分析した事例を示す図である。音響パワーレベルの計算値を示した図である。建設機械音のＡ特性実効音響パワーレベルの計算値を示した図である。図１の配置においてＡ音源の位置に音源を配置し無響室で分析した事例を示した図である。本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイにおいて、マイクロホンの間隔をｄから２ｄまで順にｄ／（ｎ−２）ずつ大きくなるように配置した図である。図１２のように配置されたマイクロホンアレイの指向性を示す図である。波長が十分長い場合のマイクロホン間隔と波面との関係を説明する図である。波長がマイクロホン間隔より短い場合のマイクロホン間隔と波面との関係を説明する図である。虚音源の発生を回避するためマイクロホン間隔をずらした例を説明する図である。１０ｃｍ間隔で２１個のマイクロホンを配置し、図１のＡ音源の位置に音源を配置し無響室で分析した事例を示した図である。

符号の説明

１Ａ音源
２Ｂ音源
３Ｃ音源
４マイクロホン
５マイクロホンアレイ
６ ADコンバータ
７コンピュータ
８音源
９、１０、１１各マイクロホンの音圧信号
１２各マイクロホン間の遅延時間
１３遅延和の極大点
１４虚音源
１５波面
１６波長
１７真の音源方向
１８遅延距離
１９遅延時間を与えることによる仮想的なマイクロホンの配置
２０虚音源の方向
２１真の音源方向を向いた仮想的なマイクロホンの配置
２２虚音源の音源方向を向いた仮想的なマイクロホンの配置
２３非等間隔となるようにずらしたマイクロホン
２４ずれ量
２５ずらしたマイクロホンを真の音源方向を向けた場合の仮想的なマイクロホンの位置
２６ずらしたマイクロホンを虚音源の方向に向けた場合の仮想的なマイクロホンの位置
２７分解能±２０゜の範囲

Claims

音源方向を向き、かつ、音源方向と直角方向に一列に配置された複数のマイクロホンの音圧データをＡＤ変換してコンピュータで収集・分析することにより音源別の音発生量を測定する装置において、
音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手順、
遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手順、
暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手順、
暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手順、
を行うことを特徴とする音源位置分析方法。
音源方向を向き、かつ、音源方向と直角方向に一列に配置された複数のマイクロホンの音圧データをＡＤ変換してコンピュータで収集・分析することにより音源別の音発生量を測定する装置において、
コンピュータに、
音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手順、
遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手順、
暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手順、
暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手順、
を実行させるための音源位置分析プログラム。
音源方向を向き、かつ、音源方向と直角方向に一列に配置された複数のマイクロホンの音圧データをＡＤ変換してコンピュータで収集・分析することにより音源別の音発生量を測定する装置において、
コンピュータを、
音源までの距離を仮定し方向別に一定角度のピッチで遅延和を計算する手段、
遅延和が極大となる方向を抽出し暫定音源１の位置とする手段、
暫定音源までの距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を改めて暫定音源２の位置とする手段、
暫定音源２の近傍で方向を一定角度ピッチ及び距離を一定倍率の等比数列で変化させて遅延和を計算し、最大となる位置を音源位置３とする手段、
として機能させるための音源位置分析プログラムを記録したコンピュータ読みとり可能な記録媒体。
音源方向を向き、かつ、音源方向と直角方向に一列に配置された複数のマイクロホンの音圧データをＡＤ変換してコンピュータで収集・分析することにより音源別の音発生量を測定する装置において、
各マイクロホンの間隔を、その差が一定の値となるように順に漸増または漸減して配置したマイクロホンアレイを備えることを特徴とする音源別音強度測定装置。