JP2006523828A - 音響伝達インピーダンスを決定する方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

本方法は、聴音位置で音響体積速度Ｑを生成すること、体積速度Ｑに起因する音または振動のような応答量ｐを疑わしい源位置で測定すること、および応答量ｐを音響体積速度Ｑで割ったもの、すなわちＺ_ｔ＝ｐ／Ｑとして音響伝達インピーダンスＺ_ｔを決定することを備える。本発明に従って、音響体積速度Ｑは、少なくとも人の頭の音響特性をシミュレートするシミュレータ（１０）を使用して生成され、このシミュレータは、シミュレートされた頭のオリフィスを有するシミュレートされた人の耳（１４、１５）と、オリフィスを通して音響体積速度Ｑを出力する音源（３０）とを備える。耳のオリフィスからの出力体積速度Ｑは、対応する耳管の内側の２個のマイクロフォンを用いた測定から推定される。

Description

この発明は、雑音源のような音源から人の聴音位置までの音の伝達についての研究に関する。

環境および人の保護はますます重要になっている。建物、車、バス、航空機、家庭用機器、および産業機械は、エンジン、モータ、歯車、トランスミッションなどのような雑音発生部品を有する。そのような雑音から個人を保護するために、発生される雑音をその源で減少させ、さらにその源から人に伝達される雑音を減少させる目的で、雑音発生部品および人への雑音の伝達経路が研究されている。

機械構造および空気または他の流体のような雑音発生媒体および雑音伝達媒体の音響特性を試験することは、雑音減少の過程の重要な部分である。上で言及したようないくつかの雑音源を有する複雑な構造では、雑音源および伝達経路およびそれらの知覚される雑音への寄与を特定することは複雑なことがある。

物理的な構造を解析するコンピュータ処理方法が存在し、解析された構造の数学モデルを作ることができる。全てＢｒｕｅｌ＆Ｋｊａｅｒ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａ／Ｓ製である口シミュレータ４２２７型、耳シミュレータ４１８５型および４１９５型、頭および胴シミュレータ４１００型および４１２８型のような人の部分の音響特性をシミュレートする音響ツールが存在している。これらは全て、音を、その源から人までの「通常の」順伝達の異なる段階で、解析する際に使用することを目的にしている。

音源から測定点までの音の伝達関数は、音響伝達関数、すなわちＺ_ｔ＝ｐ／Ｑと定義される伝達インピーダンスＺ_ｔとして表されることが多い。ここで、Ｑは音源からの体積速度であり、ｐは、音源で生成された体積速度に起因する測定点での音圧である。大抵の場合、解析された機械的音響的伝達媒体は相反的である。このことは、音響伝達関数が順伝達と逆伝達の両方で同じであることを意味する。言い換えれば、音源とマイクロフォンを交換すると、それによって構造を通過する音の伝達は逆になり、そして境界条件は変わらないままであり、したがって音響伝達インピーダンスは影響を受けない。すなわち、「順」音響伝達インピーダンスと「逆」音響伝達インピーダンスは全く同じである。

音響伝達インピーダンスの測定には、出力音信号の体積速度を知ることが必要である。順方向および逆方向の測定について、両方ともそうである。音の伝達を解析するときこのことを使用することは知られており、それによって、通常人が占める位置すなわち「聴音」位置に音源が置かれ、音源の通常位置にマイクロフォンが置かれる。音源を識別し、音源から聴音位置までの経路の雑音を追跡するとき、このことは明らかに有利である。

順伝達経路を測定するとき、Ｂｒｕｅｌ＆Ｋｊａｅｒ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａ／Ｓ製の頭および胴シミュレータ４１００型を聴音位置に置くことができ、これによって、順伝達経路の非常に現実的な測定値を得ることができる。しかし、今日の技術で逆伝達経路を測定するとき、依然として従来の音源を聴音位置で使用しなければならず、従来のスピーカは、人の音響特性をシミュレートしないという欠点をもっている。両方ともＢｒｕｅｌ＆Ｋｊａｅｒ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａ／Ｓ製である口シミュレータ４２２７型および胴シミュレータ４１２８型各々は、人の口の音響特性を全く申し分なくシミュレートするが、市販のシミュレータのこの特性は、逆伝達経路を使用する測定とは無関係である。したがって、そのような測定で使用するための音源が必要である。

ＤＥ２７１６３４５は、試験用人頭の２つの耳を通してステレオ音を放出する2個の組込みスピーカを有する試験用人頭を開示している。特に、ステレオ録音は、その耳にマイクロフォンを有する試験用人頭を用いて行われる。

ＵＳ４６３１９６２は、頭の音響特性をシミュレートするための幾何学形状のボディで構成された人工頭測定システムを開示している。マイクロフォンは、人工頭の耳管中に配置されている。本発明に関して、ＵＳ４６３１９６２の人工頭測定システムは、Ｂｒｕｅｌ＆Ｋｊａｅｒ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａ／Ｓ製の上述の頭および胴シミュレータ４１００型に対応する。

ＪＰ０７２６４６３２は、ステレオ録音を行う一対のマイクロフォンと、録音と同時に立体ビデオ記録を行う一対のカメラとを有する試験用人頭を開示している。
ＪＰ６０２５４９９７は、順伝達経路を使用して例えば自動車の音響伝達特性を測定するためのマイクロフォンがその耳にあるマネキンを含むシステムを開示している。
ＵＳ４６３１９６２ ＪＰ０７２６４６３２ ＪＰ６０２５４９９７

本発明は、人の音響特性をシミュレートするシミュレータを使用してこの問題を解決し、本発明に従ったシミュレータは、シミュレートされた人の耳をシミュレートするシミュレートされた頭のオリフィスと、このオリフィスを通して音信号を出力して、人のまわりの音場をシミュレートする音場をシミュレータのまわりに作るための音源とを有する。

そのようなシミュレータは、逆測定チェーンを完成し、通常人が占めている位置すなわち聴音位置に配置することができる。「逆」測定経路の境界条件は、相変わらず「順」測定経路の境界条件と全く同じであり、これによって、「順」測定と「逆」測定の間の同一性が保証される。シミュレートされた１つまたは２つの耳を通して出力された音の体積速度が測定され、そして、１つまたは複数の測定マイクロフォンが、結果として生じた音圧を１つまたは複数の位置で測定する。それから、先に与えられた式に従って音響伝達関数が計算される。

さらに、測定マイクロフォンの代わりに、または測定マイクロフォンと組み合わせて、加速度計のような振動トランスデューサも使用することができる。順または逆経路測定に振動トランスデューサを使用することで、特定の点の構造の機械的励起と、この機械的励起によって生じた「聴音」位置での放射音の音レベルとの間の変換関数を測定することができる。

本発明のシミュレータは、シミュレートされた人の左耳および右耳それぞれをシミュレートする１つまたは２つのオリフィスを有することができ、そしてシミュレートされた耳のどちらかを通して音信号を選択的に出力する手段を設けることができる。

本発明は、図１〜３を参照して説明する。以下において、簡単のために、人体の部分をシミュレートするシミュレータの全ての構造は、シミュレートしている対応する人の解剖学上の構造の名で呼ぶ。したがって、人の耳をシミュレートするシミュレータの構造は、「耳」と呼び、「シミュレートされた耳」と呼ばない。

図１は、頭１３を支える胴１１および首１２を有するシミュレータ１０の前面図である。シミュレータは、頭に左の耳１４および右の耳１５を有し、これらの耳の各々は耳朶で示されている。さらに、頭は鼻１６および口１７を有する。

図３は、シミュレータ１０の頭１３の内部を模式的に示す。シミュレータの内部に、好ましくは胴１１の中に、または、ことによると首１２の中に、スピーカ３０がある。スピーカ３０は、管１８を介して、両方の耳１４および１５に接続されている。管１８は、垂直部分を有し、耳の方に「Ｔ」のように枝分かれしている。また、分岐は、「Ｙ」の形または他の適切な分岐であってもよい。分岐点に、スピーカ３０からの音を左耳１４か右耳１５かのどちらかに向けるための弁１９または他の適切な機構が設けられている。オペレータは弁１９を手で操作することができ、またはボックス「信号発生器および解析装置」に含まれた機構がその弁１９を電気的に制御することができる。分岐の各自由端は、それぞれの耳の中の孔で終わっている。分岐の各々の中に、一対のマイクロフォンＭ１、Ｍ２およびＭ３、Ｍ４それぞれが取り付けられている。スピーカ３０の前側は、スピーカ３０を管１８に音響的に適合させるアダプタ空洞３１を介して、管１８に結合されている。適切な信号源に接続されたとき、スピーカ３０はアダプタ空洞３１中に音信号を発生し、その音信号はアダプタ空洞３１から管１８中に伝播し、耳の１つを通って管分岐から出て行く。

図２は、図３に示すようにシミュレータ１０の耳の１つを通って出力される音を発生し、かつ出力された音の体積速度を測定する機構を模式的に示す。この装置は、スピーカ３０、アダプタ空洞３１、管１８、および２個のマイクロフォンＭ１およびＭ２を備える。一般に、マイクロフォンＭ１およびＭ２は、管の外側自由端からそれぞれ２ｃｍおよび４ｃｍの距離のところで管１８中に位置している。これらの距離は、関心のある高域周波数に依存する。特に信号発生器および解析装置などの機器は、簡単のために１つのブロックとして示すが、スピーカ３０に送られる電気信号を生成し、このスピーカ３０が、信号発生器からの電気信号に対応する音信号を発生する。このようにして発生された音信号は、アダプタ空洞３１を介して管１８を通って伝播し、管の自由端を通って、すなわちシミュレータの左耳１４を通って出て行く。２個のマイクロフォンＭ１およびＭ２は、互いにかつ管１８の外側自由端から適切に定められた距離で管中に配置されている。マイクロフォンＭ１およびＭ２は、管の中に配置することができ、または、図に示すように音敏感要素が管壁と実質的に同一平面にある状態で管の壁に配置することができる。コンデンサ・マイクロフォンの場合、ダイアフラムは音敏感要素である。マイクロフォンは、各々、その音敏感要素に作用する音圧に応じて電気信号を出力する。コンデンサ・マイクロフォンの場合、音敏感要素の直ぐ後に前置増幅器またはインピーダンス変換器を有することが必要であろう。マイクロフォンまたは前記増幅器からの出力信号は、解析装置に送られ、この解析装置はマイクロフォンから受け取られた信号を解析する。２個のマイクロフォンで同時に測定された音圧に基づいて、平面波だけが耳管中を伝播する周波数で耳管の孔での体積速度を推測することができる。

測定マイクロフォンＭｍは、どこにでも、特にシミュレータから伝播した音を測定することが望ましい位置に、配置することができる。測定マイクロフォンＭｍは、その位置での音圧を表す電気信号を出力する。測定マイクロフォンＭｍからの信号は、例えば図示のように、信号発生器および解析装置を表すブロックで解析される。１つの測定マイクロフォンＭｍではなくて、いくつかの測定マイクロフォンおよび／または振動トランスデューサを使用することができる。

図４は、管１８が両方の耳に枝を出さないで左耳１４にだけ枝を出す本発明のより簡単な実施形態を示す。２個の測定マイクロフォンではなくて、ただ１つの測定マイクロフォンＭ１だけがここで使用される。ただ１つの測定マイクロフォンＭ１は、音圧を測定するために使用される管１８の外側端に、または外側端の近くに配置される。これは、より簡単な機構であり出力音の体積速度を直接測定する可能性は得られないが、自由音場条件が想定される場合、近似値をもたらすことができる。

図５に、本発明に従った方法でのシミュレータの使用を示す。先に説明したようなシミュレータ１０は、自動車の乗客居室４０に置かれ、ここでシミュレータは運転席または乗客席に置くことができる。同様な機構は、例えば航空機での測定に使用することができ、この場合、シミュレータは乗客席または乗務員の一員用の席に置かれる。「信号発生器および解析装置」のブロックに含まれた機器は、自動車または航空機の内部または外部の任意の都合のよい位置に置くことができる。１つまたは複数の測定マイクロフォンＭｍは、居室４０の中または外の位置に配置され、かつ解析装置に接続される。測定マイクロフォンＭｍの実際の位置は、シミュレータの占める聴音位置の雑音レベルに対して起こりそうな寄与を調べるべき位置として選ばれる。オペレータは、測定マイクロフォンを関心のある場所に動かすことができ、またはマイクロフォンを予め決められた位置に取り付けることができる。電気励起信号がシミュレータのスピーカ３０に送られ、対応する音信号が耳１４、１５のどちらかを通して出力される。一対のマイクロフォンＭ１およびＭ２またはＭ３およびＭ４によって、一対の音圧が耳管で測定される。解析装置で、測定された対の音圧が処理され、また外挿されて、シミュレータの耳から出力された、すなわち耳管の外側端での、体積速度が与えられる。１つまたは複数の測定マイクロフォンＭｍの各々は、それぞれの位置の音圧レベルｐを表す電気信号を出力し、そして、解析装置は、聴音位置すなわちシミュレータの耳と測定マイクロフォンＭｍの各々の位置との間の音響伝達インピーダンスＺ_ｔ＝ｐ／Ｑの計算を行う。解析装置は、好ましくは、ディジタル・アルゴリズムを使用するディジタルＦＦＴまたはＳＳＲ（定常状態応答）解析装置である。

シミュレータのスピーカ３０への電気励起信号は、純粋正弦波、掃引正弦波、階段周波数正弦波を含んだ任意の適切な信号であることができ、または励起信号は、広帯域信号、狭帯域信号を含んだランダムまたは擬似ランダム信号、またはスペクトル整形広帯域信号であることができる。定常状態信号と過渡信号の両方が使用可能である。

１つまたは複数の測定マイクロフォンＭｍの代わりに、加速度計のような振動センサを使用して、シミュレータで発生された音に起因する構造振動を感知することができる。そのとき、伝達インピーダンスは、一般に、構造振動速度（単位：ｍｓ^−１）と音響体積速度（単位：ｍ^３ｓ^−１）の間であり、そして伝達インピーダンスの単位はｍ^−２である。

解析装置で、雑音低減方法を使用することができる。そのような方法は、固定周波数と同調可能帯域フィルタ、相関解析、その他の使用を含み、これらは全て当技術分野で知られており、本発明の部分を形成しない。

本発明のシミュレータを示す前面図である。 図１および３のシミュレータの１つのシミュレートされた耳から出力された音を測定する測定原理を模式的に示す図である。 図１のシミュレータのシミュレートされた耳のどちらかの１つを通して出力される音を与える図１のシミュレータの配列を模式的に示す図である。 本発明のシミュレータの他の実施形態の配列を模式的に示す図である。 本発明の測定方法を示す図である。

Claims (11)

1. 第１の位置と人の聴音位置との間の音響伝達インピーダンスＺ_ｔを決定する方法であって、
   前記聴音位置で音響体積速度Ｑを生成するステップ、
   前記体積速度Ｑに起因する前記第１の位置での応答量ｐを測定するステップ、および
   前記応答量ｐを前記音響体積速度Ｑで割ったもの、すなわちＺ_ｔ＝ｐ／Ｑとして、前記音響伝達インピーダンスＺ_ｔを決定するステップを含み、
   前記音響体積速度Ｑが、少なくとも人の頭の音響特性をシミュレートするシミュレータ（１０）を使用して生成され、前記シミュレータが、前記シミュレートされた頭に開口部を有するシミュレートされた人の耳（１４、１５）と、前記開口部を通して前記音響体積速度Ｑを出力する音源（３０）とを備えることを特徴とする方法。
2. 前記シミュレータが、人の前記頭（１３）および胴（１１）をシミュレートする、請求項１に記載の方法。
3. 前記シミュレータが、前記シミュレータの内部の音源（３０）と、前記音源から前記オリフィスに通じる管（１８）の中の一対の音圧を測定するように配列された一対のマイクロフォン（Ｍ１、Ｍ２；Ｍ３、Ｍ４）とを備え、そして前記方法が前記一対の音圧に基づいて前記体積速度Ｑを決定することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記応答量が、音圧である、請求項１に記載の方法。
5. 前記応答量が、振動速度または振動加速度である、請求項１に記載の方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法で使用するための、少なくとも人の頭の音響特性をシミュレートするシミュレータ（１０）であって、前記シミュレートされた頭のオリフィスを有するシミュレートされた人の耳（１４、１５）と、前記オリフィスを通して前記音響体積速度Ｑを出力する音源（３０）とを備えるシミュレータ（１０）。
7. 前記シミュレータが、人の前記頭（１３）および胴（１１）をシミュレートする、請求項６に記載のシミュレータ（１０）。
8. 前記シミュレータが、前記シミュレートされた人の左耳（１４）および右耳（１６）それぞれをシミュレートする２個のオリフィスを備える、請求項６に記載のシミュレータ（１０）。
9. 前記シミュレートされた左耳（１４）を通して、または前記シミュレートされた右耳（１５）を通して、音信号を選択的に出力する手段（１９）が備えられた、請求項８に記載のシミュレータ。
10. 前記シミュレータが、前記シミュレートされた耳（１４、１５）から出力された音を測定する手段（Ｍ１、Ｍ２；Ｍ３、Ｍ４）を備える、請求項６に記載のシミュレータ。
11. 前記シミュレートされた耳（１４、１５）から出力された音を測定する前記手段が、前記出力された音の体積速度を測定する一対のマイクロフォン（Ｍ１、Ｍ２；Ｍ３、Ｍ４）を備える、請求項１０に記載のシミュレータ。
    

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