JP2008261688A - 音源分離装置および音源分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体音と振動音とに分離することにより振動・騒音対策の効果的かつ迅速な実施や、静音化製品の開発期間の短縮を可能とすること。
【解決手段】音源分離装置１００は、流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音が混在した音圧を検出する音圧検出手段と、固体の振動を検出する振動検出手段２と、音圧検出手段で得られた音圧と振動検出手段２で得られた振動とを用いて、前記音圧検出手段で検出された音圧を流体音成分と振動音成分とに分離して出力する音源分離手段３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、音源分離装置および音源分離方法に係り、特に、流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音とが混在する音源の分離装置および分離方法に好適なものである。

従来の音源探査手法に関して、様々な音響機器メーカから音源探査装置が開発され、製品化されている。これは、複数のマイクロフォンを様々な形状に並べたマイクロフォンアレイを用い、ビームフォーミングの原理で、マイクロフォンで検出した音圧と位相からある距離での音圧分布を計算し、画像とマッピングすることにより音圧を可視化するものである。

また、従来の音源または振動源の影響の度合を調べる寄与診断方法として、特開平５−２６７２２号（特許文献１）が挙げられる。これは、機器等の周辺の複数点で検出される騒音もしくは振動の各信号をそれぞれ適用フィルタに入力し、その適応フィルタの出力信号の和と騒音もしくは振動を評価する評価点で検出される信号との差が最小になるように、適応フィルタの係数を更新し、差がある一定値に収束した時の適応フィルタの出力信号を用いて、評価点における騒音もしくは振動に対する各音源もしくは振動源が寄与している度合を表示するものである。

特開平５−２６７２２号公報

しかしながら、上記の音源探査手法においては、同定した音圧分布に、流体の圧力変動に起因する流体音（例えば、プロペラが回転することによって発生する羽根音）や、構造の振動に起因する振動音（例えば、モータの振動によって発生する電磁音）が混在して表示され、それぞれを分離して表示することが不可能であるという問題があった。

また、上記の特許文献１の音源・振動源の寄与診断方法においては、音源の評価点に対する騒音・振動の寄与の度合は評価できることに止まっており、さらに振動・騒音対策の効果的かつ迅速な実施や、静音化製品の開発期間の短縮を可能とする手法が望まれていた。

本発明の目的は、流体音成分と振動音成分とに分離して出力することにより、振動・騒音対策の効果的かつ迅速な実施や、静音化製品の開発期間の短縮を可能とする音源分離装置および音源分離方法を提供することにある。

前述の目的を達成するための本発明の第１の態様は、流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音とが混在した音圧を検出する音圧検出手段と、前記振動音の振動を検出する振動検出手段と、前記音圧検出手段で検出された音圧と前記振動検出手段で検出された振動とを用いて、前記音圧検出手段で検出された音圧を流体音成分と振動音成分とに分離して出力する音源分離手段と、を備えた音源分離装置にある。

また、本発明の第２の態様は、流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音とが混在した音圧を検出する音圧検出手段と、前記流体の圧力変動を検出する圧力検出手段と、前記音圧検出手段で得られた音圧と前記圧力検出手段で得られた圧力変動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧を流体音成分と振動音成分とに分離して出力する音源分離手段と、を備えた音源分離装置にある。

係る本発明の第１または第２の態様におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）本発明の第１の態様において、音圧を検出する音圧検出手段と前記音圧検出手段で検出した音圧を用いて音圧の分布を計算する信号処理手段とを有する音圧分布創生手段を備え、前記音源分離手段は、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布と前記振動検出手段で検出した面の振動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布を面の流体音成分と面の振動音成分とに分離して出力すること。
（２）係る本発明の第２の態様において、音圧を検出する音圧検出手段と前記音圧検出手段で検出した音圧を用いて音圧の分布を計算する信号処理手段とを有する音圧分布創生手段を備え、前記音源分離手段は、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布と前記圧力検出手段で検出した面の圧力変動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布を面の流体音成分と面の振動音成分とに分離して出力すること。
（３）前記（１）または（２）において、前記音圧分布創生手段は、音圧や位相情報を検出するマイクロフォンアレイと、前記マイクロフォンアレイで検出した音圧や位相情報を用いて、前記マイクロフォンアレイからある距離の位置での音圧の分布を計算する信号処理手段と、対象物の画像を取り込む画像取込手段と、前記画像取込手段で得られた対象物の画像と前記信号処理手段で計算した音圧の分布とを重ね合わせることにより音圧分布を可視化する音圧可視化手段とを備えたこと。
（４）前記（１）または（２）において、前記振動検出手段として振動加速度ピックアップやレーザードップラー振動計などの振動センサを使用したこと。
（５）前記（１）または（２）において、音源の数に応じて音圧検出手段または振動検出手段を追加して備え、前記音源分離手段は、前記各音圧検出手段で検出した各音源が混在した音圧の分布と各振動検出手段で検出した面の振動を用いて、前記各音圧が混在した音圧の分布を複数の流体音成分と振動音成分とに分離して出力すること。
（６）前記（１）または（２）において、前記音源分離手段で分離した流体音成分および振動音成分を可視化表示する分離音圧可視化手段を備えたこと。
（７）前記（１）または（２）において、前記音源分離手段で分離した流体音成分および振動音成分を可視化表示する分離音圧可視化手段を備え、前記分離音圧可視化手段は画像・音圧再合成手段と音圧再可視化手段とから構成され、前記音圧再可視化手段は流体音可視化手段と振動音可視化手段とから構成され、前記画像・音圧再合成手段は、前記音圧可視化手段の音圧分布を前記音源分離手段での振動音と流体音との割合を反映して、画像と音圧分布を重ね合わせてマッピングすること。

また、本発明の第３の態様は、音圧分布創生手段により流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音が混在した音圧分布を創生し、振動検出手段により前記固体の振動を検出し、音源分離手段により、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布と前記振動検出手段で検出した面の振動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布を面の流体音成分と面の振動音成分とに分離して出力する音源分離方法にある。

また、本発明の第４の態様は、音圧分布創生手段により流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音が混在した音圧分布を創生し、圧力検出手段に前記流体の圧力変動を検出し、音源分離手段により、前記音圧検出手段で得られた音圧と前記圧力検出手段で得られた圧力変動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧を流体音成分と振動音成分とに分離して出力する音源分離方法にある。

係る本発明の音源分離装置および音源分離方法によれば、流体音成分と振動音成分とに分離して出力することにより、振動・騒音対策の効果的かつ迅速な実施や、静音化製品の開発期間の短縮を可能とする。

以下、本発明の複数の実施形態について図を用いて説明する。各実施形態の図における同一符号は同一物または相当物を示す。なお、本発明は、それぞれの実施形態を適宜に組み合わせることにより、さらに効果的なものとすることを含む。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１から図４を用いて説明する。図１は本実施形態の音源分離装置１００のブロック図、図２は図１の音圧分布創生手段１のブロック図、図３は図１の音源分離手段３のブロック図、図４は図１の分離音可視化手段４のブロック図である。

音源分離装置１００は、図１に示すように、音圧分布創生手段１と振動検出手段２と音源分離手段３と分離音圧可視化手段４とから構成されている。

音圧分布創生手段１は、空気音（流体音）と固体音（振動音）の両方が混在している音圧分布を創生し可視化するものである。ここで、空気音は流体の流れに起因して発生し空気中を伝搬する流体音（例えば、プロペラが回転することによって発生する羽根音など）、固体音は固体や構造物の振動に起因して発生し固体中を伝搬する振動音（例えば、モータの振動によって発生する電磁音など）と定義する。

この音圧分布創生手段１は、図２に示すように、マイクロフォンアレイ１１と、画像取込手段１３と、信号処理手段１２と、画像・音圧合成手段１４と、音圧可視化手段１５とから構成されている。マイクロフォンアレイ１１は、音圧検出手段である複数のマイクロフォンから構成され、音圧や位相情報を検出する。信号処理手段１２は、マイクロフォンアレイ１１で検出された音圧や位相情報を用いて、例えば、ビームフォーミングなどの原理に基づき、マイクロフォンアレイ１１からある距離の位置での音圧分布を計算する。画像取込手段１３は、カメラなどで構成され、対象物の画像を取り込む。画像・音圧合成手段１４は、画像取込手段１３で得られた対象物の画像と信号処理手段１２で計算した音圧の分布とを重ね合わせてマッピングする。音圧可視化手段１５はマッピングした音圧分布を可視化する。

振動検出手段２は、振動音の音源である固体や構造物の振動を検出する振動センサ（具体的には、振動加速度ピックアップやレーザードップラー振動計など）で構成されている。音圧分布創生手段１での出力が音圧分布（つまり、ある面の音圧）であるため、振動検出手段２でも多点や面で振動を測定して出力する。

音源分離手段３は、音圧分布創生手段１で得られた音圧から振動検出手段２で検出される振動音成分を差し引くことにより、流体音成分と振動音成分を分離するものである。即ち、この音源分離手段３は、図３に示すように、音圧分布創生手段１で得られた音圧と振動検出手段２で検出された振動とを入力し、適応フィルタ３１を用いて流体音成分と振動音成分を分離するものである。

具体的には、振動検出手段２で検出された振動の信号を適応フィルタ３１に入力し、フィルタ係数と畳み込み演算を実施した後にフィルタ３１から出力する。その出力信号Ｙと検出された音圧の信号Ｘとの残差Ｅが最小となるように適応フィルタ３１の係数を更新していく。このようにして、その残差Ｅが一定の値に収束した時点で適応フィルタ３１の更新を終了する。その時の適応フィルタ３１の出力Ｙが振動音成分、残差Ｅが流体音成分となる。これにより、音圧Ｘにおける振動音成分Ｙと流体音成分Ｅの割合が特定できるため、音圧Ｘに混在していた振動音と流体音が分離できる。

なお、音源分離手段３での分離手法については、上述の適応フィルタを用いる方法だけでなく、コヒーレンスを使った方法、互いの信号の振幅比を使った方法もある。また、振動検出手段２で検出された信号が、例えば、振動加速度であれば、その信号を積分器で振動速度に変換し、振動面の面積、距離減衰、放射効率などを考慮して音圧と同じ次元に変換してから、それぞれを比較し振動音成分と流体音成分とを分離する手法もある。

分離音圧可視化手段４は、音源分離手段３で分離した流体音成分と振動音成分を可視化表示するものである。分離音圧可視化手段４は、図４に示すように、画像・音圧再合成手段４１と音圧再可視化手段４２とから構成されている。音圧再可視化手段４２は、更に、流体音可視化手段４２１と振動音可視化手段４２２とからなっている。画像・音圧再合成手段４１では、上述した音圧分布創生手段１の音圧可視化手段１４の音圧分布を、上述の音源分離手段３での振動音と流体音の割合を反映して、再度、画像と音圧分布を重ね合わせてマッピングする。その結果を音圧再可視化手段４２で表示する。可視化結果は、分離前と分離後の音圧分布が表示可能で、切り替えにより、振動音成分と流体音成分がそれぞれ別個に表示可能である。

本実施形態では、上述したように音圧、振動ともに面で比較するようにしている。具体的には、音圧分布手段１で検出された音圧分布を、横軸をＸ軸、縦軸をＹ軸として座標化し、その座標での音圧を用い、一方、振動検出手段においても同様に面で検出し、横軸をＸ軸、縦軸をＹ軸として座標化し、その座標での振動を用いている。分離に用いる点数は、横軸と縦軸の分割数でコントロールできる。それは、音源の大きさ、周波数、分離分解能などによって決定される。このように、音圧、振動ともに面同士で音源分離処理を実施しているので、分離結果も平面上での分布として得られる。従って、リアルタイムで可視化が可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、流体音と振動音が混在している音圧分布から流体音成分と振動音成分を分離できるため、自動車、産業機器、家電製品などの振動・騒音問題を解決するときの有力なツールとなりえる。音源が流体音であるのか、振動音であるのかが分かれば、効果的かつ迅速に解決方法を創出できる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図５を用いて説明する。図５は本発明の第２実施形態の音源分離装置のブロック図である。なお、この第２実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

第１実施形態では、音源が１種類の流体音と１種類の振動音の場合について記述したが、本発明は流体音、振動音がそれぞれ複数の種類に増加した場合でも有効である。この第２実施形態は複数の種類に増加した場合に対応する実施形態である。図５には、流体音、振動音がそれぞれ２種類存在し、全音源が４種類存在する場合のブロック図を示している。この第２実施形態の音源分離装置１００は、流体音の音源数に合わせて、音圧分布創生手段１に加えて音圧検出手段１１１を追加し、振動音の音源数に合わせて、第１の振動検出手段２に加えて第２の振動検出手段２１を追加している。

この場合の音源分離手法は以下の通りである。まず、音源分離手段３では、音圧分布創生手段１の４種類の音源が混在した音圧から、第１の振動検出手段２で検出した振動を用いて一つ目の振動音成分を分離する。次に、音源分離手段３では、一つ目の振動音成分が分離された音圧から、第２の振動検出手段２１で検出した振動を用いて２つ目の振動音成分を分離する。最後に、音源分離手段３では、音圧検出手段１１１で検出した音圧を用いて一つ目の流体音成分を分離する。これによって、残りが２つ目の流体音成分となる。この分離の順番は、特に規定はない。このように、音源の個数に合わせて、音圧検出手段、振動検出手段を追加することにより、多数音源の分離も可能となる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図６を用いて説明する。図６は本発明の第３実施形態の音源分離装置のブロック図である。なお、この第３実施形態は、次に述べる点で第１実施形態と相違するものであり、その他の点については第１実施形態と基本的には同一であるので、重複する説明を省略する。

この第３実施形態では、第１実施形態の振動検出手段２の代わりに圧力検出手段５を用いている。従って、音源分離手段３での処理が第１実施形態とは少し異なる。つまり、流体の圧力を信号として取り扱うため、流体音と振動音が混在した音圧分布から差し引かれるのは、振動音成分でなく、流体音成分となる。その他の構成、処理は同じである。

本実施形態の音源分離装置のブロック図である。 図１の音圧分布創生手段のブロック図である。 図１の音源分離手段のブロック図である。 図１の分離音可視化手段のブロック図である。 本発明の第２実施形態の音源分離装置のブロック図である。 本発明の第３実施形態の音源分離装置のブロック図である。

符号の説明

１…音圧分布創生手段、２…振動検出手段、３…音源分離手段、４…分離音圧可視化手段、５…圧力検出手段、１１…マイクロフォンアレイ、１２…信号処理手段、１３…画像取込手段、１４…画像・音圧合成手段、３１…適応フィルタ、４１…画像・音圧再合成手段、４２…音圧再可視化手段、１００…音源分離装置、４２１…流体音可視化手段、４２２…振動音可視化手段。

Claims (11)

1. 流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音とが混在した音圧を検出する音圧検出手段と、
   前記振動音の振動を検出する振動検出手段と、
   前記音圧検出手段で検出された音圧と前記振動検出手段で検出された振動とを用いて、前記音圧検出手段で検出された音圧を流体音成分と振動音成分とに分離して出力する音源分離手段と、を備えた音源分離装置。
2. 請求項１において、音圧を検出する音圧検出手段と前記音圧検出手段で検出した音圧を用いて音圧の分布を計算する信号処理手段とを有する音圧分布創生手段を備え、前記音源分離手段は、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布と前記振動検出手段で検出した面の振動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布を面の流体音成分と面の振動音成分とに分離して出力することを特徴とする音源分離装置。
3. 流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音とが混在した音圧を検出する音圧検出手段と、
   前記流体の圧力変動を検出する圧力検出手段と、
   前記音圧検出手段で得られた音圧と前記圧力検出手段で得られた圧力変動とを用いて、前記音圧検出手段で得られた音圧を流体音成分と振動音成分とに分離して出力する音源分離手段と、を備えた音源分離装置。
4. 請求項３において、音圧を検出する音圧検出手段と前記音圧検出手段で検出した音圧を用いて音圧の分布を計算する信号処理手段とを有する音圧分布創生手段を備え、前記音源分離手段は、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布と前記圧力検出手段で検出した面の圧力変動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布を面の流体音成分と面の振動音成分とに分離して出力することを特徴とする音源分離装置。
5. 請求項２または４において、前記音圧分布創生手段は、音圧や位相情報を検出するマイクロフォンアレイと、前記マイクロフォンアレイで検出した音圧や位相情報を用いて、前記マイクロフォンアレイからある距離の位置での音圧の分布を計算する信号処理手段と、対象物の画像を取り込む画像取込手段と、前記画像取込手段で得られた対象物の画像と前記信号処理手段で計算した音圧の分布とを重ね合わせることにより音圧分布を可視化する音圧可視化手段とを備えたことを特徴とする音源分離装置。
6. 請求項２または４において、前記振動検出手段として振動加速度ピックアップやレーザードップラー振動計などの振動センサを使用したことを特徴とする音源分離装置。
7. 請求項２または４において、音源の数に応じて音圧検出手段または振動検出手段を追加して備え、前記音源分離手段は、前記各音圧検出手段で検出した各音源が混在した音圧の分布と各振動検出手段で検出した面の振動を用いて、前記各音圧が混在した音圧の分布を複数の流体音成分と振動音成分とに分離して出力することを特徴とする音源分離装置。
8. 請求項２または４において、前記音源分離手段で分離した流体音成分および振動音成分を可視化表示する分離音圧可視化手段を備えたことを特徴とする音源分離装置。
9. 請求項２または４において、前記音源分離手段で分離した流体音成分および振動音成分を可視化表示する分離音圧可視化手段を備え、前記分離音圧可視化手段は画像・音圧再合成手段と音圧再可視化手段とから構成され、前記音圧再可視化手段は流体音可視化手段と振動音可視化手段とから構成され、前記画像・音圧再合成手段は、前記音圧可視化手段の音圧分布を前記音源分離手段での振動音と流体音との割合を反映して、画像と音圧分布を重ね合わせてマッピングすることを特徴とする音源分離装置。
10. 音圧分布創生手段により流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音が混在した音圧分布を創生し、
    振動検出手段により前記固体の振動を検出し、
    音源分離手段により、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布と前記振動検出手段で検出した面の振動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布を面の流体音成分と面の振動音成分とに分離して出力する音源分離方法。
11. 音圧分布創生手段により流体の圧力変動に起因して発生する流体音と固体の振動に起因して発生する振動音が混在した音圧分布を創生し、
    圧力検出手段に前記流体の圧力変動を検出し、
    音源分離手段により、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布と前記圧力検出手段で得られた面の圧力変動とを用いて、前記音圧分布創生手段で得られた音圧の分布を流体音成分と振動音成分とに分離して出力する音源分離方法。

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