JP2007003989A - 音環境解析シミュレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】一般住宅の空間において、ＴＶ、ステレオ、ピアノなどの音の発生源の特性を考慮して、容易に実際の音環境に近い解析ができる音環境解析シミュレーションシステムを提供する。
【解決手段】解析空間を構成する、壁、天井、床の面情報25および第一空間配置情報26と、を含む建物情報21と、所定位置52の第二空間配置情報22と、音源の空間配置、向きを含む音源情報23と、音の経路上に設けた音圧フィルタ53の空間配置・音圧設定情報24と、を入力する入力手段２と、音の波動性を考慮しない音線法もしくは／および虚像法を用いて、音源から放射された音線が音圧フィルタ53を通過し、直接もしくは面情報25にて決定される面によって反射しつつ、所定位置52に到達するまでの経路を演算し、音圧フィルタ53の空間配置・音圧設定情報24に基づいて音線に音圧を設定し、経路による音圧変化を演算し、所定位置52における音圧レベルを演算する演算手段12と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音源から放射された音が所定位置に到達した際の音圧レベルを解析する音環境解析シミュレーションシステムに関するものである。

従来、劇場や音楽ホールなどの空間における音の伝播を解析する音環境の解析手法として音線法が採用されている。音線法とは、音の回析現象や、干渉現象など、音の波動性を無視し、音を線として考えることにより計算を簡略化したものである（非特許文献１参照）。

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。

A.Kroksmd,S.Strom and S.Sorsdal著、「Calculating the acoustical room response by the use of a ray trace technique」J.Sound and Vib 8(1)、1968年、P.118-125

近年、住宅内の音環境が注目されてきている。しかしながら、一般住宅のような比較的小体積の空間において、ピアノなどの楽器類、ＴＶ、ステレオ等が発生源となる音の伝播については、ほとんど解析されておらず、充分な音環境の解析手法が提案されていない。

住宅内の音環境解析シミュレーションに通常の音線法を採用すると、部屋など構成単位の体積が小さいため、実際の音環境とは異なる結果を与える。

これは、ピアノなどの楽器類、ＴＶ、ステレオ等の音源を同じ音源とし、これら音源の音発生点からの音の放射音線は、一様な方向に放射され、すべてが均一な音圧にしてしまうことが原因である。特に、指向性があるような音源では、体積が小さい空間で音圧が均一の場合、反射音が計算結果に大きな影響を及ぼす。また、特に音環境を考える上では通常音源は点でなく、立体であることを考慮していないことも原因である。

そこで本発明は、一般住宅のような比較的小体積の空間において、ピアノなどの楽器類、ＴＶ、ステレオ等の音源の特性を考慮して、比較的容易に実際の音環境に近い解析ができる音環境解析シミュレーションシステムを提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために本発明に係る第１の音環境解析シミュレーションシステムは、音源から放射された音が所定位置に到達した際の音圧レベルを解析する音環境解析シミュレーションシステムであって、解析空間を構成する、少なくとも壁、天井、床の面情報および第一空間配置情報を含む建物情報と、前記所定位置の第二空間配置情報と、前記音源の空間配置、向きを含む音源情報と、音の経路上に設けた音圧フィルタの空間配置・音圧設定情報と、を入力する入力手段と、音の波動性を考慮しない音線法もしくは／および虚像法を用いて、前記音源から放射された音線が前記音圧フィルタを通過し、直接もしくは前記面情報にて決定される面によって反射しつつ、前記所定位置に到達するまでの経路を演算し、前記音圧フィルタの空間配置・音圧設定情報に基づいて前記音線に音圧を設定し、前記経路による音圧変化を演算し、前記所定位置における音圧レベルを演算する演算手段と、を有することを特徴とする。

（２）本発明に係る第２の音環境解析シミュレーションシステムは、前記第１の音環境解析シミュレーションシステムにおいて、実音源に対する所定の位置にて音圧レベルを測定し、その測定値を音圧フィルタが音線に対して与える所定の音圧として変換し、測定位置を音圧フィルタの空間配置とすることを特徴とする。

（３）本発明に係る第３の音環境解析シミュレーションシステムは、前記第１又は第２の音環境解析シミュレーションシステムにおいて、実際の音源形状を、ポリゴン化し、ポリゴン内部に１〜ｍ個の音発生点を配することを特徴とする。

（４）本発明に係る第４の音環境解析シミュレーションシステムは、前記第１〜第３のいずれかの音環境解析シミュレーションシステムにおいて、前記音源が１〜ｎ個の音源からなることを特徴とする。

（１）第１の音環境解析シミュレーションシステムでは、一般住宅のような比較的小体積の空間において、指向性があるようなピアノなどの楽器類、ＴＶ、ステレオ等の音源の特性を考慮して、比較的容易に実際の音環境に近い解析ができる。

（２）第２の音環境解析シミュレーションシステムでは、実音源の音圧分布を再現でき、実際の音環境に近い解析ができる。すなわち、方向によって音圧が異なるような音の指向性を持った実音源の音の指向性を再現でき、実際の音環境に近い解析ができる。

（３）第３の音環境解析シミュレーションシステムでは、ピアノ等の音の発生位置が変わる実音源の音の発生位置を実際の発生位置に近い位置とすることができ、実際の音環境に近い解析ができる。

（４）第４の音環境解析シミュレーションシステムでは、ステレオ、ホームシアター等のように複数の音源を有する音源を再現することができ、実際の音環境に近い解析ができる。

本発明に係る音環境解析シミュレーションシステムの実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る音環境解析シミュレーションシステムの構成図である。図２は解析空間の平面図である。

（音環境解析シミュレーションシステムＡの構成）
図１、図２に示すように、音環境解析シミュレーションシステムＡは、音源51から放射された音が所定位置52に到達した際の音圧レベルを解析する。システムＡは、システム本体１、入力手段２、出力手段３を有している。システム本体１は、ＣＰＵ10、記憶領域11、演算手段12を有している。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。

音源51は、ピアノなどの楽器類、ＴＶ、ステレオ等の実際の音の発生源である。音源の種類によって、放射音線の音圧は異なる。また、音源は、通常は点でなく、面や立体である。所定位置52は、受音点（受音面）であり、解析空間５内の任意の位置に設定できる。

（入力手段２）
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。

入力手段２は、建物情報21、第二空間配置情報22、音源情報23、空間配置・音圧設定情報24（第一空間配置情報24ａ、音圧設定情報24ｂ）を入力し、それらの情報は、記憶領域11に格納される。

建物情報21は、面情報25、空間配置情報26を含む。解析空間５は、システムＡで音環境解析する一般住宅のような比較的小体積の空間である。

面情報25は、解析空間５を構成する、少なくとも壁５ａ、天井（不図示）、床５ｂ、家具５ｃの形状等（寸法、材質など）の情報である。システム本体１は、壁５ａの材質や種類ごと、周波数帯域に応じた吸収率（吸音率）、透過率を格納した吸収率・透過率データベース15を備えている。例えば、本実施形態の石膏ボードの１２５Ｈｚについての吸収率は０．３５、透過率は０．０８９１等である。

尚、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、データベース15は記憶手段に保存されたデータである。また、データベース15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。

空間配置情報26は、少なくとも壁５ａ、天井（不図示）、床５ｂ、家具５ｃのそれぞれの配置関係（空間座標）を含む情報である。

第二空間配置情報22は、所定位置52の空間座標等の配置情報である。

音源情報23は、音源51の空間座標（位置）、音源51の向きを含む。例えば、図３にしめすように、ピアノを音源51とした場合には、周波数によって音発生点（空間座標）がずれる。そこで、所定の周波数帯毎に、音源51を第１、第２、第３、第４音発生点51ａ、51ｂ、51ｃ、51ｄの複数音発生点を設定する。

これにより、ピアノ等の音発生点が変わる実音源51の音発生点を実際の音発生点に近づけることができ、実際の音環境に近い解析ができる。尚、複数音源の数は４つに限定されるものではなく、音源51の特性に合わせて、第１、第２、・・第ｍ音発生点（ｍは自然数）に設定することができる。

第一空間配置情報24ａは、実音源に対する所定の位置にて音圧レベルを測定する測定位置53ａであり、音の経路上に設けた音圧フィルタ53の空間座標となる。具体的には、図４に示すように、第一空間配置情報24ａは、実際の音源形状をポリゴン化する。そして、ポリゴン内部に１〜ｍ個の音発生点51ａ〜51ｍを配する。各ポリゴンＰ１・・・Ｐｍ（ｍは自然数）の中心を測定位置53ａとし、この測定位置53ａを音線が通るように設定される。すなわち、第一空間配置情報24ａは、複数の測定位置53ａの空間座標の集合である。これにより、方向によって音圧が異なるような音の指向性を持った実音源の音の指向性を再現でき、実際の音環境に近い解析ができる。

音圧設定情報24ｂは、測定位置53ａで測定器54で測定した音圧レベルの測定値を、音圧フィルタ53が音線に対して与える所定の音圧に変換したものである。測定器54として、騒音計等を用いることができる。また、マイクロフォンで拾った音をパソコンで処理してもよい。これにより、実音源の音圧を再現でき、実際の音環境に近い解析ができる。

尚、音圧と音圧レベルの変換は、下記の数式１の計算で変換される。

ポリゴン化は、まず音源51をモデリングソフトやＣＡＤを用いてモデリングする。そして、モデリングしたピアノ全体を含むような直方体を作り、その直方体の表面を多角形（本実施形態では４角形）のポリゴンに分割して数値データ化する。この際、図４に示すように、ピアノの足などの音響に殆ど影響しない部分は省いてもよい。

尚、直方体は、６つの平面から構成されるが、いずれの平面においても、その平面を通る音線の本数が、全ての音線本数の１／２４以上になるようする。１／２４以上にならない場合は、その平面を広げるか、その平面を音発生点に近づける。これにより、いずれかの平面からでる音線の本数が極度に少なくなることを防止し、シミュレーション結果の信頼性を高めることができる。

（演算手段12）
演算手段12は、経路演算手段13、音圧レベル演算手段14を有する。

経路演算手段13は、音の波動性を考慮しない音線法もしくは／および虚像法を用いて、音線の経路を演算する。すなわち、経路演算手段13は、音発生点51ａ〜51ｄから放射された音線が音圧フィルタ53を通過し、直接もしくは建物情報21にて決定される解析空間５を構成する面（障壁）によって反射しつつ、所定位置52に到達するまでの経路を演算する。

音圧レベル演算手段14は、音圧フィルタ53の空間配置・音圧設定情報24に基づいて音線に音圧を設定し、経路による音圧変化を演算し、所定位置52における音圧レベルを演算する。

尚、経路演算手段13、音圧レベル演算手段14は、プログラムによって実現されるモジュールであって、記憶領域11に読み込まれて、ＣＰＵ10によっ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、まず音発生点から所定の角度で多数の音線を設定し、その音線のベクトルと障壁との交点を割り出す。そしてベクトルと障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（音線の終端は障壁との交点になる）。全ての音線について経路が決定し、受音面に飛び込んできた音線の経路を割り出す。

（音環境解析シミュレーションシステムＡの処理）
次に、図５を用いて、システムＡの処理について説明する。図５に示すように、まずは、入力手段２を用いて、建物情報21、第二空間配置情報22、音源情報23、空間配置・音圧設定情報24を入力する（Ｓ１）。

次に、入力した建物情報21、音源情報23に基づいて、経路演算手段13を用いて、音線法により、以下のように、音の経路を演算する。

まず、音源情報23に基づいて、音源51から音線を放射する（Ｓ２）。次に、その放射した音線を追跡し（Ｓ３）、建物情報21に基づいて、建物情報21にて決定される解析空間５を構成する面（障壁）と音線との交点（反射点）を算出する（Ｓ４）。

Ｓ４で、反射点がなければ、Ｓ３に戻って音線の追跡を行う。Ｓ４で、反射点があれば、規定反射回数に達したかの判断を行う（Ｓ５）。

Ｓ５で、規定反射回数に達していないと判断した場合には、建物情報21から得られる解析空間５を構成する面（障壁）の角度及び音線の方向に基づいて、音線を反射させて（Ｓ６）、Ｓ３に戻って音線の追跡を行う。Ｓ５で、規定反射回数に達したと判断した場合には、音線の追跡を終了する。

上記の演算（Ｓ２〜Ｓ６）を音源51から放射した全ての音線について行い、音線の経路を決定する。そして、第二空間配置情報22に基づいて、受音点（受音面）に入射する音線の経路を割り出す（Ｓ７）。

次に、割り出した経路に、空間配置・音圧設定情報24に基づいて、音線に音圧を設定する（Ｓ８）。そして、建物情報21及びデータベース15に格納した吸収率（吸音率）、透過率に基づいて、割り出した経路における音圧変化を音圧レベル演算手段14により演算し、所定位置52における音圧レベルを算出する（Ｓ９）。

尚、音線法により音の経路を演算する方法について説明したが、虚像法により演算してもよい。この場合には、反射点を求めた際に（Ｓ４）、音源の虚像を作成し、反射点を仮音源とする演算を行う。また、音線法及び虚像法の両方を用いてもよい。

また、音源51を１〜ｎ個の音源としてもよい。すなわち、ステレオ、ホームシアター等のように、ＴＶの横、部屋の四隅等にスピーカーを配置した複数の音源を設定する。そして、複数の音源について、上述のごとく音環境解析を行う。これにより、ステレオ、ホームシアター等のように複数の音源を有する音源を再現することができ、実際の音環境に近い解析ができる。

また、上記処理において、所定位置52は、解析空間５を構成する面（障壁）とはしていないが、反射点となる面として、建物情報21に加えてもよい。また、音線の追跡において、音線が所定位置52に到達した場合には、追跡を終了してもよい。

以上説明したように、音環境解析シミュレーションシステムＡでは、ピアノなどの楽器類、ＴＶ、ステレオ等の音源にあわせて、音源情報23に、音源51が面や立体であることを考慮した空間座標（位置）、音源51の向きを設定し、空間配置・音圧設定情報24に基づいて音線に音圧を設定する。これにより、一般住宅のような比較的小体積の空間において、指向性があるようなピアノなどの楽器類、ＴＶ、ステレオ等の音源の特性を考慮して、比較的容易に実際の音環境に近い解析ができる。

本発明は、住宅など障壁の多い建物内の音環境解析シミュレーションシステムに利用することができる。

実施形態に係る音環境解析シミュレーションシステムの構成図である。 解析空間の平面図である。 ピアノの複数音源を示す斜視図である。 ピアノのポリゴン化、音圧レベルの測定を説明する斜視図である。 音環境解析シミュレーションシステムの処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

Ａ …音環境解析シミュレーションシステム
１ …システム本体
２ …入力手段
３ …出力手段
５ …解析空間
５ａ …壁
５ｂ …床
５ｃ …家具
10 …ＣＰＵ
11 …記憶領域
12 …演算手段
13 …経路演算手段
14 …音圧レベル演算手段
15 …吸収率・透過率データベース
21 …建物情報
22 …第二空間配置情報
23 …音源情報
24 …空間配置・音圧設定情報
24ａ …第一空間配置情報
24ｂ …音圧設定情報
25 …面情報
26 …空間配置情報
51 …音源
52 …所定位置
53 …音圧フィルタ
53ａ …測定位置
54 …測定器

Claims (4)

1. 音源から放射された音が所定位置に到達した際の音圧レベルを解析する音環境解析シミュレーションシステムであって、
   解析空間を構成する、少なくとも壁、天井、床の面情報および第一空間配置情報を含む建物情報と、前記所定位置の第二空間配置情報と、前記音源の空間配置、向きを含む音源情報と、音の経路上に設けた音圧フィルタの空間配置・音圧設定情報と、を入力する入力手段と、
   音の波動性を考慮しない音線法もしくは／および虚像法を用いて、前記音源から放射された音線が前記音圧フィルタを通過し、直接もしくは前記面情報にて決定される面によって反射しつつ、前記所定位置に到達するまでの経路を演算し、前記音圧フィルタの空間配置・音圧設定情報に基づいて前記音線に音圧を設定し、前記経路による音圧変化を演算し、前記所定位置における音圧レベルを演算する演算手段と、を有することを特徴とする音環境解析シミュレーションシステム。
   
2. 実音源に対する所定の位置にて音圧レベルを測定し、その測定値を音圧フィルタが音線に対して与える所定の音圧として変換し、測定位置を音圧フィルタの空間配置とすることを特徴とする請求項１に記載の音環境解析シミュレーションシステム。
   
3. 実際の音源形状を、ポリゴン化し、
   ポリゴン内部に１〜ｍ個の音発生点を配することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の音環境解析シミュレーションシステム。
   
4. 前記音源が１〜ｎ個の音源からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の音環境解析シミュレーションシステム。

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