JP2010002367A - 信号計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】音楽や音声の編集等に用いられるピッチ変換技術を用いることにより、可聴帯域外の信号を可聴音に変換して観測者に聞かせるための信号計測システムを提供する。
【解決手段】時系列のアナログ信号を取り込むセンサーを持つ信号入力部と、前記信号入力部をとおして入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、前記データ変換部から送られてくるデジタル信号の基本周波数（ピッチ）を変換する信号処理部と、前記信号処理部から出力される信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換部と、前記ＤＡ変換部から出力されるアナログ信号を音響信号に変換して出力する音響出力部を持つ信号計測システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、非可聴帯域の信号を可聴化するシステムであり、自然環境計測、生体情報計測、生物ソナー観測、生態観測、非破壊検査、各種機器の異常検出などに利用される信号計測技術に関するものである。

自然環境に存在する音は１Ｈｚ以下の超低周波から１ＭＨｚをこえる超高周波までの広い周波数帯域に及ぶ。このうち、人間が聴覚をとおして聞くことができる帯域はせいぜい２０ｋＨｚに過ぎない。人工的な機器類から発する音の周波数も人間の可聴域をはるかにこえる場合がある。都市の生活環境にも２０ｋＨｚをこえる超音波が頻繁に観測されている（非特許文献１）。

例えばコウモリやイルカは人間に聞こえない超音波を利用していることが知られている（特許文献１、非特許文献２）。このような可聴帯域外の音を瞬時に可聴化することにより生態系の研究、生物ソナーの研究に貢献できると考えられる。

聴診器をとおして心音や肺音を聞くことは広く行われているが、聞こえているのは可聴帯域の成分だけである。実際の心音等には可聴帯域よりも低い周波数成分が多く含まれている（非特許文献３）。脳波などの電気生理学的反応にも低い周波数の成分が豊富に含まれている。例えば、脳波中のθ波やα波の帯域は２０Ｈｚ以下である。

通常聞くことのできないこれらの可聴帯域外の信号を可聴帯域の音に変換して観測する手法として、超音波を検出し可聴音に変換する機器診断方法（特許文献２）や流体の漏洩を検出する装置（特許文献３）、超音波診断装置のドプラ信号を可聴化する装置（特許文献４）、超音波診断装置において、被検体からの反射波を可聴音に変換して観測する手法（特許文献５）が提案されている。基本周波数がほぼ１Ｈｚで、そのままでは音として聞くことができない血圧脈波を、線形予測分析を用いて可聴音に変換する研究も行われている（非特許文献４）。しかし、これらの手法や装置は機器診断や超音波診断といった用途に限定されている。用途が限定されることのない汎用的な可聴化装置の需要は少なくないと考えられる。

より汎用的なものとして超音波可聴装置（特許文献６）や低い周波数の信号を可聴音に変換する手法（特許文献７）が提案されている。

これらの技術のうち、特許文献２及び特許文献７は、計測された信号を局部発信器から発生させた信号（搬送波）に乗算することによって差周波成分あるいは和周波成分を発生させる、いわゆるヘテロダイン方式を用いている。このとき、差周波数あるいは和周波数が可聴周波数になるように局部発信器の周波数を設定することにより可聴帯域外の信号を聞きやすい周波数帯域に移動させることができる。ただしこれは周波数シフトであり、元の信号の調波構造は失われる。

特許文献６は、録音した超音波信号の時間軸を引き伸ばすことによって可聴化するもの、特許文献５は、録音した超音波信号を低速再生することによって可聴化するものである。いずれの手法も再生時間が大幅に引き伸ばされることになり、入力信号に対して出力信号の時間が遅れていくことになる。特許文献６では、信号のレベルが閾値を超えたときだけ信号を取り込むことにより時間のずれを補正するとしているが、これでは連続的な信号には対応できない。特許文献５では、音波や電磁波のパルスを被検体に照射したときだけ信号を再生し、パルスとパルスの間のインターバルで時間ずれを補正している。したがって超音波診断やレーダ観測など、反射波の観測に限定されてしまう。

これに対し、音楽編集や音声合成の分野では、信号の再生速度を変えることなく基本周波数（ピッチ）を変えるピッチ変換方法が研究されている。一般にフェイズボコーダ方式（特許文献８、９、１０）やＴＤＨＳ（Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓｃａｌｉｎｇ）方式（特許文献１１、１２、１３、１４）が知られており、近年ＦＩＲフィルタ処理でピッチ変換を実現する手法も提案されている（特許文献１５）。ピッチ変換では前述の周波数シフトとは異なり、音声や楽音にとって極めて重要な調波構造が失われない。
特開2007-170989号公報 小型ステレオ超音波受信装置及びそれを用いた水中物体の位置測定方法 特開2004-53391号公報 超音波式機器診断装置 特開2003-106927号公報 可搬式漏洩検出装置 特開2001-137245号公報 超音波診断装置 特開平2-232039号公報 反射波受信聴音観測装置 特開平7-55550号公報 超音波可聴装置 特開昭58-6423号公報 超低周波音の可聴化方法 特開平11-133996号公報 音程変換装置 特開2006-64799号公報 ピッチ変換装置とプログラム 特開平9-185392号公報 音程変換装置 特開平9-212193号公報 音程変換装置 特開平9-258777号公報 音声のピッチ変換方法およびその装置 特開2002-169556号公報 音程変換方法及びその装置 特開平5-297891号公報 デイジタルオ−デイオ信号の信号処理装置 特願2007-296469 周波数変換装置 蘆原郁、桐生昭吾、"生活環境音の広帯域周波数分析、"聴覚研究会資料、H2007-126、2007 飛龍志津子、力丸裕、渡辺好章、"コウモリの生物ソナーシステム、"日本音響学会誌、62巻、345-350、2006 今井信臣、山崎芳男"圧電セラミック型心音センサの設計、"日本音響学会誌49巻、629-634、1993 村原雄二、酒本勝之、金井寛、荒井隆行、"血圧脈波形の線形予測分析、" 生体医工学 第41巻特別号、p598、2003

上述のとおり様々な可聴帯域外の信号を可聴音に変換して観測者に聞かせる手法が提案されているが、その多くは検出した信号を局部発信器で発生させた信号に乗算して差周波成分または和周波成分を生み出すヘテロダイン方式や録音した超音波信号を低速再生することによって可聴音にするものである。ヘテロダイン方式の場合、信号の構成成分間の周波数の比例関係が保持されないため調波構造が失われてしまうこと、広い周波数に及ぶ超音波信号のうちの限られた帯域しか可聴音に変換できないことなどの問題がある。低速再生の場合は、元の信号に対して変換された可聴音の再生時間が大幅に長くなってしまう。線形予測分析を用いる手法（非特許文献４）は複雑な信号処理が必要である。
本発明は、上記の問題を解決するため、音楽や音声の編集等に用いられるピッチ変換技術を用いることにより、可聴帯域外の信号を可聴音に変換して観測者に聞かせるための信号計測システムを提供することを目的としている。

本発明の信号計測システムは、時系列のアナログ信号を取り込むセンサーを持つ信号入力部と、前記信号入力部をとおして入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、前記データ変換部から送られてくるデジタル信号の基本周波数（ピッチ）を変換する信号処理部と、前記信号処理部から出力される信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換部と、前記ＤＡ変換部から出力されるアナログ信号を音響信号に変換して出力する音響出力部から構成される。

前記信号入力部には、不要な周波数の成分を除去するためのフィルタ機能を搭載することができる。信号入力部の前段に生体内の音を収音する聴診器を備えることができる。この信号入力部が２個あるいはそれ以上のセンサーを持ち、前記ＡＤ変換部、信号処理部、ＤＡ変換部がそれぞれマルチチャンネルの信号を処理し、前記音響出力部がステレオ信号あるいはマルチチャンネルサラウンド信号を出力することができる。
前記信号処理部には、任意の周波数帯域の信号だけを通過させるフィルタ機能を、また、任意の周波数帯域の信号を選択的に増幅するか、あるいは抑制するためのイコライザ機能を搭載することができる。また、この信号処理部において行われるピッチ変換にＦＩＲフィルタを用いることができる。

本発明により、自然界に存在する、あるいは各種機器類から発生する低周波音や振動、超音波、電磁波、生体信号、生物ソナー信号などをわずかな遅延時間で可聴化することが可能となる。

ピッチ変換技術を用いることにより、超音波信号の広い周波数帯域を限られた可聴帯域に圧縮することが可能であり、信号に備わる調波構造も失われない。また、オーディオピッチ変換技術は、信号の再生速度を変えることなく入力信号の基本周波数（ピッチ）だけを変える技術なので、出力される可聴音の再生時間は入力信号の長さと同じに保たれる。調波構造は、音声や楽音における基本周波数（ピッチ）を決定することからもわかるとおり、時系列信号の発生メカニズムと密接に関連する重要な特性であり、これが失われることは信号の重要な情報の欠如につながる。

本発明の実施形態について図１から図３を用いて説明する。図１は、本発明による信号計測システムの構成例である。信号入力部１は、マイクロホンやハイドロホン、磁気センサー、振動センサー、電極などをとおして時系列のアナログ信号を取り込み、必要に応じて不要な周波数成分を除去した後、ＡＤ変換部２に送る。この信号入力部に不要な周波数の成分を除去するためのフィルタ機能を搭載することができる。ＡＤ変換部２では、送られてきたアナログ信号がデジタル信号に変換される。
デジタル信号は信号処理部３に送られ、ここで観測したい周波数成分が人間の可聴周波数帯域に近づくか完全に収まるようにピッチ変換処理が行われる。この信号処理部に任意の周波数帯域の信号だけを通過させるフィルタ機能を搭載することができる。また、この信号処理部に任意の周波数帯域の信号を選択的に増幅するか、あるいは抑制するためのイコライザ機能を搭載することができる。ピッチ変換された信号はＤＡ変換部４でアナログ信号に変換され、必要に応じて増幅された後、音響出力部５から受話器（ヘッドホン、イヤホン等）あるいはスピーカをとおして音として出力される。

図２及び図３は、本発明の実施形態例を示すものである。図２に示す例は、マイクロホン６やハイドロホン７を用いてコウモリやイルカが発する超音波を受音し、信号計測システムにて可聴周波数の音響信号に変換して観測者に聞かせるものである。また信号入力部において、マイクロホンや振動センサー、電極など時系列のアナログ信号を取り込むセンサー複数個を空間的に離して配置し、前記ＡＤ変換部、信号処理部、ＤＡ変換部でマルチチャンネル処理した信号をステレオ信号あるいはマルチチャンネルサラウンド信号として提示することにより、信号源の位置や方向に関する情報を聴覚的に観測することも可能である。

図３の例では、信号入力部の前段に生体内の音を収音する聴診器などを備え、これによって生体内の信号を受音し、ピッチ変換して観測者に聞かせている。他にも脳波などの生体信号を可聴化できるので、これを被観測者自身に聞かせることにより、精神集中、リラクゼーションといった自己管理方法としても有効と考えられる。

次に図４から図６を用いて、ピッチ変換技術を用いることの利点について説明する。図４はヘテロダイン方式による周波数シフトを模式的に示したもので、超音波帯域の信号を低域側に周波数シフトする例である。計測された信号の周波数はｆｓ（Ｈｚ）とする。Ａ図に示されるように局部発信器にて周波数ｆｒ（Ｈｚ）の信号（搬送波）を生成し、これに計測された信号を乗算するとＢ図に示されるｆｓ＋ｆｒ（Ｈｚ）とｆｓ−ｆｒ（Ｈｚ）の信号が得られる。このうちｆｓ−ｆｒが可聴周波数帯域内に来るようにｆｒを調整しておけば、ｆｓ−ｆｒ（Ｈｚ）の可聴音を得ることが可能となる。この方法では、計測する信号の周波数を低域側にｆｒ（Ｈｚ）だけシフトすることになる。

図５は広い周波数帯域に広がる超音波信号をヘテロダイン方式で周波数シフトする場合の模式図である。計測される信号はＡ図に示されるように基本周波数ｆｓとその整数倍の高調波成分（２ｆｓ、３ｆｓ）が主要構成成分となる、いわゆる調波構造を持っている。
周波数ｆｒの搬送波に計測信号を乗算するとＢ図に示される差周波成分と和周波成分が得られる。このうち可聴周波数帯域に入るのは差周波成分の一部の周波数成分だけである。すべての成分がｆｒ（Ｈｚ）だけ低域側にシフトされるこの手法では、成分間の周波数の比例関係が保存されないため調波性は失われており、変換後の信号でも高調波成分は可聴帯域外にあるので聞くことはできない。
コウモリの中には非常に広い周波数帯域の超音波を発するものや調波性を備えた超音波を発する種のあることが知られている。一般に音に備わる調波性は、その音の発生メカニズムにかかわる重要な情報を提供するものだが、ヘテロダイン方式による周波数シフトではその重要な情報が失われることになる。

特許文献３のように計測された信号を低速再生すれば、調波構造を失うことなく信号の周波数帯域を圧縮できるが、信号の周波数を半分にすると再生時間は２倍になってしまうので、このままでは実用性が乏しい。オーディオピッチ変換技術を用いる利点は、入力される信号が調波構造を保ったままで殆ど遅延なしに可聴音に変換され、なおかつ出力される音響信号の再生時間が入力信号の時間長と殆ど変わらないことである。

図６は、音楽編集等に用いられるオーディオピッチ変換技術を用いて広帯域に広がる超音波信号のピッチを４オクターブ下降させた場合の模式図である。Ａ図に示される広帯域信号の周波数がＢ図に示されるように４分の１に圧縮され、殆どの成分が可聴周波数帯域内に収まっている。また、成分間の周波数の比例関係が保持されているのでｆｓ/４（Ｈｚ）を基本周波数とする調波構造が備わっている。ピッチ変換後の信号では基本波成分と第２高調波が可聴閾に収まっている。したがってピッチ変換された信号は調波性を持つ音として観測可能となる。

人間の音声は基本周波数が１００Ｈｚくらいから２８０Ｈｚくらいであり、多くの場合、調波構造を備えている。例えば基本周波数１６０Ｈｚの音声なら、基本周波数以外に、その２倍にあたる３２０Ｈｚや３倍にあたる４８０Ｈｚなどに成分が存在し、これらは第２高調波、第３高調波と呼ばれる。基本周波数は声帯の振動数によって決まる。楽器の場合も弦楽器なら弦の振動数、管楽器ならリードや奏者の口唇の振動数によって基本周波数が決まる。

基本周波数１６０Ｈｚの音声にヘテロダイン方式で＋４０Ｈｚの周波数シフトを施した場合、基本周波数成分は２００Ｈｚになるが、３２０Ｈｚの成分や４８０Ｈｚの成分も４０Ｈｚシフトすることになるので、それぞれ３６０Ｈｚ、５２０Ｈｚとなり、基本周波数（２００Ｈｚ）の整数倍にならない。すなわち音声の調波構造が失われる。
これに対し、同じ音声に＋２５％のピッチ変換を施すと基本周波数成分は２００Ｈｚになるが、このとき高調波成分の周波数もそれぞれ２５％高くなるので、４００Ｈｚ、６００Ｈｚとなり、基本周波数との比例関係が保たれる。したがって調波構造は失われない。

しかも、オーディオピッチ変換は、再生速度を変えることなくピッチだけを変換する技術なので、計測された元の信号とピッチ変換後の信号の長さは等しく、実時間計測にも適している。

オーディオピッチ変換技術には、フェイズボコーダ方式（特許文献８、９、１０）やＴＤＨＳ（Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓｃａｌｉｎｇ）方式（特許文献１１、１２、１３、１４）がある。近年、ＦＩＲフィルタを用いた手法も提案されている（特許文献１５）。これらのいずれの手法を用いても構わないが、フェイズボコーダ方式は処理にともなう遅延時間が比較的長いという欠点があり、ＴＤＨＳ方式は雑音の影響を受けやすいという欠点がある。

ＦＩＲフィルタを用いる手法は、遅延時間が少なく、対雑音性にも優れていることに加えて、共通のＦＩＲフィルタで不要な周波数成分を除去するフィルタ機能や重要な周波数成分を増幅するイコライザ機能を同時に行えるという利点がある。

本発明では非常に広範な現象を計測対象とすることが可能である。空気中あるいは水中を伝わる音響信号、固体中を伝播する音や振動、衝撃波、脳波などの電気信号、電磁波など、時系列のアナログ信号ならどのようなものでも対象となりえる。したがって利用できる分野も、地球規模の自然、環境計測、生体情報、生態観測、非破壊検査、生物ソナー観測、各種機器類の異常検出など多岐にわたる。地震の発生メカニズムの研究や地震予知の研究にも応用できる可能性がある。

以上、本発明の基本的な実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜の変更が可能なものである。

本発明による信号計測システムの構成例 本発明の実施形態例１ 本発明の実施形態例２ ヘテロダイン方式による周波数シフトの模式図−狭帯域信号の場合 ヘテロダイン方式による周波数シフトの模式図−広帯域信号の場合 オーディオピッチ変換技術を用いた超音波信号可聴化の模式図

符号の説明

１ 信号入力部
２ ＡＤ変換部
３ 信号処理部
４ ＤＡ変換部
５ 音響出力部
６ マイクロホン
７ ハイドロホン
８ 聴診器

Claims (7)

1. 時系列のアナログ信号を取り込むセンサーを持つ信号入力部と、
   前記信号入力部をとおして入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部から送られてくるデジタル信号の基本周波数であるピッチを変換する信号処理部と、前記信号処理部から出力される信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換部と、前記ＤＡ変換部から出力されるアナログ信号を音響信号に変換して出力する音響出力部を持つ信号計測システム。
2. 前記信号処理部に任意の周波数帯域の信号だけを通過させるフィルタ機能を搭載した請求項１に記載の信号計測システム。
3. 前記信号処理部に任意の周波数帯域の信号を選択的に増幅するか、あるいは抑制するためのイコライザ機能を搭載した請求項１又は請求項２に記載の信号計測システム。
4. 前記信号入力部に不要な周波数の成分を除去するためのフィルタ機能を搭載したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の信号計測システム。
5. 前記信号処理部において行われるピッチ変換にFIRフィルタを用いることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の信号計測システム。
6. 前記信号入力部の前段に生体内の音を収音する聴診器を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の信号計測システム。
7. 前記信号入力部が２個あるいはそれ以上のセンサーを持ち、前記ＡＤ変換部、信号処理部、ＤＡ変換部がそれぞれマルチチャンネルの信号を処理し、前記音響出力部がステレオ信号あるいはマルチチャンネルサラウンド信号を出力する請求項１から請求項６のいずれかに記載の信号計測システム。