JP2011015050A - ビームフォーミング用のアレイ、及びそれを用いた音源探査測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のトランスデューサアレイは、配置するアレイの角度に依存した周期性を有し、この周期性が原因で生じるゴースト成分が存在した。
【解決手段】直線状のサブアレイから構成されるアレイと、曲線状のサブアレイから構成されるアレイを組み合わせて、トランスデューサアレイとして利用する。これによって、単一のサブアレイから構成される従来技術のトランスデューサアレイで生じていた性能の劣化を軽減し、高性能なトランスデューサアレイをより少ないトランスデューサの数で実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビームフォーミング用のアレイ、及びそれを用いた音源探査測定システムに係り、特に、ビームフォーミング用の複数のトランスデューサ要素のアレイ、及びそれを用いた音源探査測定システムに関する。

電波や音響の分野では、特定の方向に焦点を絞った信号、すなわち指向性が鋭い信号を得る目的で、受信素子或いはマイクロホンを複数配置したアレイを用いる。このアレイの典型的な利用方法は、フェーズドアレイもしくはビームフォーミングと呼ばれる手法である。また逆に、発信素子あるいは音源を複数配置したアレイを同様の手法で制御すれば、信号を得る場合とは逆に特定の方向に強い指向性を持つ信号源を作成することもできる。

このトランスデューサアレイの指向性は、幅広い位置又は角度で変化させることができることが望ましく、そのようなトランスデューサアレイは信号源探査の用途で利用可能である。
音響分野では、マイクロホンアレイの出力を処理することにより、到来方向別の音圧分布（音源強度分布）を作成することができ、音源探査測定の用途で利用が可能である。このようなマイクロホンアレイに必要な条件として、主に下記（１）〜（３）の３つが要求される。

（１）できるだけ広い範囲にわたり、到来方向別の音圧分布を作成可能なことが要求される。
この条件を満たすためには、できるだけ広く波の広がりをカバーするために、ある程度の大きさを持つマイクロホンアレイが必要とする。

（２）必要な音源分解能を満たすことが要求される。
音源分解能は、一般に低周波数域で低下し、高周波数域では問題にならない。これは、音波の波長とマイクロホンアレイのサイズとの関係から説明され、波長の長い低周波域において分解能を向上させるためには、それに見合った大きなサイズのマイクロホンアレイが必要になる。

（３）処理結果である分布図内のゴースト成分（虚音源）の影響が十分に小さいこと、または、最大のゴーストを与える位置がメインローブから十分離れていることが要求される。
この条件については、（２）の場合とは逆に高周波数域で問題になる。高周波域では波長が短く、アレイ上のマイクロホンの間隔の選び方によっては強いゴーストが発生する。特に、マイクロホンの間隔を一定とした場合、その間隔と波長の関係から特定の周波数以上でこの現象が起こりやすくなる。この問題を解決するためには、アレイを構成するマイクロホンの位置、隣り合ったマイクロホンの間隔を適切に定めることが重要である。また、マイクロホンの間隔を広げすぎても、波長の短い高周波域でゴーストが発生しやすくなる。従って、設計する際には、アレイを構成するマイクロホンの数に十分な余裕を持たせた上で、マイクロホンの配置を最適化することが多い。

このように（１）〜（３）を全て満たす高性能なアレイを設計するためには、マイクロホンアレイのサイズを大きく、かつ多くのマイクロホンをゴーストの発生ができるだけないように適切な配置になるように設置することが一般的である。平面状（二次元状）のアレイでは、マイクロホンを二次元的に配置するため、領域内にマイクロホンが一様に分布するようなデザインを考えると、仮にマイクロホンの間隔が一定であると仮定した場合、アレイで使用するマイクロホンの数はアレイサイズの２乗に比例する。従って、低周波から高周波まで幅広い周波数帯域で利用可能な高性能なマイクロホンアレイを設計する場合、マイクロホンの数が膨大になり、それに伴ってＡＤ変換器のチャンネル数も膨大になる。その結果、システム全体のコストが非常に高価になるという問題があった。
また、ビームフォーミング法により到来方向別の音圧分布の可視化を行う場合、音源のイメージに方向による依存性を少なくするため、一般的にはマイクロホンアレイ全体の形状は円盤状、周囲の形状は円状とすることも重要である。

そこで、これらの問題に対して、以下の手法が提案されている。
特許文献１では、スパイラル曲線形状にマイクロホンを配置したサブアレイを複数組み合わせた形状とすることで、マイクロホンの間隔がまばらでもゴーストの発生が抑えられ、かつマイクロホンの数を減らすことができる手法が提案されている。
また、特許文献２では、単独のスパイラル曲線（螺旋）上にマイクロホンを配置する手法も提案されている。
また、特許文献３では、適切にマイクロホンの間隔を設定した直線状のサブアレイを同心円状に複数組（特に奇数組）配置することで、アレイの性能をできるだけ低下させずにコスト低減と設置の簡便性を確保する手法も提案されている。
これらのいずれの手法もマイクロホンアレイの全体の形状は円状であり、可視化した際に得られる音像イメージの方向依存性といった問題はある程度解決されている。

米国特許第６２０５２２４号 米国特許第５８３８２８４号 特表２００５−５２１２８３号

しかしながら、特許文献１〜３の手法を用いた場合には、サブアレイがある一定の角度で周期的に配置されているため、角度に依存した周期性を有しており、ゴーストがアレイ面の共通中心に対して回転対称に発生することがあった。この周期性が原因で生じるゴースト成分の影響が、音源識別の性能を低下させるため問題となることがあった。また、この現象は１種類のサブアレイを用いていることが主たる原因であり、コストや設計の簡便性を追及した結果として生じる不利益であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消することを課題とする。

本発明のビームフォーミング用のアレイは、複数の直線状のサブアレイ及び複数の曲線状のサブアレイから構成されるアレイを共通中心の周りに組み合わせてトランスデューサが配置されることを特徴とする。
また、前記曲線状のサブアレイは、円弧の一部であることを特徴とする。
また、前記曲線状のサブアレイは、円弧の一部と直線の組み合わせであることを特徴とする。
また、前記曲線状のサブアレイは、スパイラル曲線であることを特徴とする。
また、前記曲線状のサブアレイは、二次以上の多項式で近似表現される曲線であることを特徴とする。
また、前記トランスデューサは、マイクロホンであることを特徴とする。
本発明の音源探査測定システムは、本発明のビームフォーミング用のアレイと、複数の前記マイクロホンを介して得られる音の電気信号であるアナログ信号を増幅するアンプと、前記アンプによって増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記Ａ／Ｄコンバータによって変換されたデジタル信号を演算処理し、音源からの音の到来方向の解析及び／又は音源の音の強さの推定を行う演算処理装置と、前記演算処理装置による演算処理結果を記録する記録装置と、前記演算処理装置による演算処理結果を基に、音源からの音の強さの分布を表示する表示装置と、前記アレイから音源又は境界面において発生する音源までの距離を入力する入力装置とを備えることを特徴とする。
また、前記演算処理装置は、複数の前記マイクロホンにより取り込まれたそれぞれの音響信号の振幅特性と、位相特性とを演算処理によって求めた後、該演算処理結果の信号情報と前記アレイの音場解析情報を統合し、特定音源方向からの到来音を強調する演算処理を行い、音の到来方向を特定するとともに、これらの前記特定音源方向からの到来音が強調された演算処理結果と前記入力装置によって入力された距離とから音源又は境界面において発生する音源の音の強さの推定を行うことを特徴とする。

直線形状を有するサブアレイと、曲線形状を有するサブアレイを有し、それらを共通中心の周囲に複数組み合わせて、トランスデューサアレイを形成することによって、従来技術のトランスデューサアレイに比べて低周波域の分解能には変化なく、高周波のゴースト特性を改善できる。２種類のタイプの異なるサブアレイを用いることで、１種類のサブアレイを複数用いる場合に比べてゴーストの発生を低減することができるのが特長である。

本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイ１の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る音源探査測定システムＸの概要を示す図である。 （ａ）従来技術のマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイの構成を比較した図である。 ５００Ｈｚにおける（ａ）従来技術のマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間で音源強度分布を比較した図である。 １ｋＨｚにおける（ａ）従来技術のマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間で音源強度分布を比較した図である。 ２ｋＨｚにおける（ａ）従来技術のマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間で音源強度分布を比較した図である。 ４ｋＨｚにおける（ａ）従来技術のマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間で音源強度分布を比較した図である。 ８ｋＨｚにおける（ａ）従来技術のマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間で音源強度分布を比較した図である。 従来技術のマイクロホンアレイと本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間でサイドローブ特性を比較した図である。

本発明の発明者は、従来技術のマイクロホンアレイと遜色ない安価で簡便な設計のマイクロホンアレイによって、上記問題を解決することを見いだし、本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイを発明するに至った。また、それを用いて、より高性能な音源探査測定システムも提供する。
なお、以下の説明では、トランスデューサの一例としてマイクロホンを用いて説明するが、任意のトランスデューサに変更して適用可能である。

（アレイの構成）
図１を参照して、本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイ１の構成を説明する。マイクロホンアレイ１を構成するマイクロホン１０は、ダイナミックマイクロホンやコンデンサーマイクロホンを用いることができる。
本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイ１は、直線状のサブアレイＡから構成されるアレイと、曲線状のサブアレイＢから構成されるアレイを共通中心Ｃの周りに組み合わせて配置する。直線状のサブアレイＡと曲線状のサブアレイＢは、空間上に配置することができれば任意の手法で配置することができる。例えば、中空のパイプの上にソケットを設けてマイクロホン１０を配置したサブアレイとすることもできる。この場合は、パイプの中にマイクロホン１０に接続されたマイクロホンケーブルを通すことも可能である。
また、共通中心Ｃとは、図１に示すように、仮想的な中心位置を示すものである。

これによって、特許文献１〜３に記載の従来技術のように、単一のサブアレイで構成されることによる性能の劣化を軽減し、高性能なマイクロホンアレイ１をより少ないマイクロホン１０の数で実現することが可能となる。
本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイ１では、直線状のサブアレイＡと曲線状のサブアレイＢ上のマイクロホン数は同じでなくてもよい。直線状のサブアレイＡ又は曲線状のサブアレイＢは、各々任意の複数個のマイクロホン１０を配置することができる。好ましくは、直線状のサブアレイＡ又は曲線状のサブアレイＢに配置するマイクロホン１０の個数は、各々３個以上である。
また、曲線状のサブアレイＢの形状は、典型的には円弧やスパイラル曲線の一部、或いは直線と円弧やスパイラル曲線の一部を組み合わせたもの等を用いることができる。また、二次曲線等の二次以上の多項式で近似表現される曲線も用いることが可能である。また、これらの任意の組み合わせを用いることもできる。

（音源探査測定システムの構成）
図２を参照して、本発明の実施の形態に係る音源探査測定システムＸの構成を説明する。
図２に示す音源探査測定システムＸは、上記のマイクロホン１０を配列したマイクロホンアレイ１、アンプ２０、Ａ／Ｄコンバータ３０、演算処理装置４０、記録装置５０、表示装置６０、入力装置７０を備える。なお、演算処理装置４０、記録装置５０、表示装置６０、入力装置７０は、ノートパソコン、デスクトップパソコン等の電子機器によって構成することができる。
音源識別測定システムＸを構成する各装置間の接続は、有線ケーブルで行っても無線で行ってもよい。また、通信部において、モデムを介して一般公衆回線やＩＳＤＮ回線で通信を行いデータ等の転送をして、音源識別測定システムＸの設置場所から離れた中央集計局等で自動集計及びデータ管理を一括して行ってもよい。

また、マイクロホンアレイ１は、ポール等の長尺部材に取り付けることによって、接地面から所定の高さになるように調節してもよい。

マイクロホンアレイ１には、マイクロホン１０のプリアンプ等を内蔵した本体部分と、この本体部分にマイクロホンケーブル等が接続されて構成されている。なお、本体との接続は、無線通信等を用いて行なってもよい。
また、マイクロホンアレイ１に、マイクロホン１０のプリアンプ等を内蔵した本体部分と、この本体部分に接続されるマイクロホンケーブル等を内蔵し、もしくは無線通信等を用いることで、マイクロホンアレイ１の周囲の音場の乱れを抑制することができ、音源からの音を正確に取り込むことが可能となる。

マイクロホンアレイ１では、各マイクロホン１０の位置を（ｘ、ｙ、ｚ）の三次元で示す座標が設けられており、演算処理装置４０で音源探査の演算を実施する際に利用される。これにより、取り込まれた音がどのマイクロホン１０からのものであるのかを識別できるようになっている。
アンプ２０は、各マイクロホン１０を介して得られる音の電気信号であるアナログ信号を増幅するものである。アンプ２０には、各マイクロホン１０から有線もしくは無線で接続されている。ここで、アンプ２０には、上述した各マイクロホン１０の座標に合わせた差込口が設けられているため、各マイクロホン１０のマイクロホンケーブルを接続する場合には、それぞれのマイクロホンケーブルを対応する差込口に差し込んで接続する。
Ａ／Ｄコンバータ３０は、アンプ２０によって増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。
演算処理装置４０は、Ａ／Ｄコンバータ３０によって変換されたデジタル信号を演算することにより、それぞれのマイクロホン１０によって取り込まれた音の情報を総合的かつ包括的に演算処理することで、音源探査を行う。ここで、音源探査とは、音源からの音の到来方向の解析と、音源の音の強さの推定とを行うことである。なお、音源探査の詳細については、後述する。
記録装置５０は、演算処理装置４０による演算処理結果を記録する。記録装置５０としては、磁気テープを記録媒体とする磁気テープ記録装置、光ディスクを記録媒体とする光ディスク記録装置等を用いることができる。
表示装置６０は、演算処理装置４０による演算処理結果を基に、音源からの音の強さ分布等を表示する。
入力装置７０は、音源又は室内の壁等の境界面において発生する音源までの距離も入力できる。入力装置７０としては、キーボード、タッチパネル等を用いることができる。ただし、音の到来方向の解析やマイクロホンアレイ１の設置点への音響的寄与の算出を目的とし、音源強度乃至は音響パワーの推定が主たる目的ではない場合等においては、入力装置７０は省略することも可能である。

次に、音源探査を行う方法について説明する。具体的には、音源探査は、ＷＯ２００４／０２１０３１で開示する方法を用いることができる。
本発明のマイクロホンアレイを用いる音源探査は、基本的に自由空間或いは半自由空間とみなせる広い空間において、アレイの前面からのみ音波が到来する状況で使用することが好ましい。さらには、探査すべき音源との間に障害物が入らないようにすることが好ましく、たとえば人が多数集まるような所では全体が見渡せる高所に、又は飛行場のような所では建物等が障害物にならないような位置にマイクロホンアレイ１を設置するようにする。また、実用的な利用方法として、自動車開発で使用する試験路や、大規模な室内音響実験室、風洞実験設備などでの利用も可能である。

そして、音源からの音の到来方向を解析する場合、マイクロホンアレイ１のそれぞれのマイクロホン位置において、仮想的に音源を仮定した場合の音響伝達特性（以下、音場解析情報と記す）を、演算処理装置４０に取り込んでおく。この状態で、各マイクロホン１０により、音源からの音を取り込む。ここで、音源からの音を取り込む場合、各マイクロホン１０を介して得られる音を同時に取り込むようにすることが基本である。もしくは、ある特定のマイクロホン１０を基準として、上述した座標毎に順に、あるいは複数個のマイクロホン１０をまとめて、あるいはランダムに基準マイクロホン１０と同時に音を取り込むようにしてもよい。ただし、全てのマイクロホン１０を同時に収録しない場合は、音源からの音が時間によって変動しない、定常的な音源を解析することが条件となる。

このとき、各マイクロホン１０を介して得られる音は、アナログ信号としてアンプ２０に取り込まれた後、アンプ２０によって増幅されて出力される。アンプ２０によって増幅されたアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０によりデジタル信号に変換されて演算処理装置４０に取り込まれる。
演算処理装置４０では、各マイクロホン１０により取り込まれた音の解析を演算処理により行う。この場合、各マイクロホン１０により取り込まれたそれぞれの音響信号の振幅特性と、位相特性とが演算処理によって求められる。また、これら振幅特性と位相特性とが求められると、上述したマイクロホンアレイ１の音場解析情報が加味され、特定方向からの到来音を強調する演算処理を行い、音源からの音の到来方向を演算処理により特定することができる。

次に、音源の音の強さを推定する場合、音源までの距離を、入力装置７０により演算処理装置４０に入力する。このとき、演算処理装置４０では、上述したように、音源からの音の到来方向と音圧とを演算処理により特定しているため、これらの演算処理結果と、音源までの距離とから音源の音の強さを演算処理により推定することができる。音源の音の強さの推定を行う場合、従来のビームフォーミング手法に音源までの距離を加味することで、音源の音の強さの推定を正確に行うことができる。
なお、この例では、音源からの音の到来方向の解析を終えた後、音源の音の強さを推定するための音源までの距離を、入力装置７０により演算処理装置４０に入力する場合について説明したが、音源探査の開始前に音源までの距離を、入力装置７０により演算処理装置４０に入力しておくようにしてもよいことは勿論である。
また、この例では、単一の音源からの音の到来方向の解析と単一の音源の音の強さの推定とを行う場合について説明したが、たとえば有限な大きさを持つ機器等の表面から発生する騒音に対して音の到来方向の解析とそれぞれの部位の音源の音の強さの推定とを行う場合には、音源と思われる機器表面のそれぞれの部位の音源までの距離を入力すればよい。

以上のようにして、演算処理装置４０による演算処理により、音源からの音の到来方向の解析と音源の音の強さの推定とが行われると、その演算処理結果が音の強さ分布として表示装置６０にカラーの分布図（コンターマップ）等で表示される。
このように、本発明の実施の形態では、マイクロホンアレイ１に複数のマイクロホン１０を配設して音を取り込むようにし、演算処理装置４０により、複数のマイクロホン１０により取り込まれたそれぞれの音響信号の振幅特性と、位相特性とを演算処理によって求めた後、それらの信号情報とマイクロホンアレイ１の音場解析情報を統合し、特定方向からの到来音を強調する演算処理を行い、音源からの音の到来方向を演算処理により特定するとともに、これらの演算処理結果と入力装置７０によって入力された距離とから音源又は境界面において発生する音源の音の強さの推定を行えるようにしたので、音源からの音の到来方向の特定と、音源の音の強さの推定とを一度に行うことができる。
また、本発明の実施の形態では、サブアレイの信号をまとめてＡＤコンバータに接続しても、もしくはアレイ内で全てのマイクロホン信号をまとめて１本のケーブルでアンプ２０に接続しても良いので、設置作業が極めて容易となる。

なお、マイクロホンアレイ１に単独もしくは複数の距離計測用音源素子を追加して測定を行なうこともできる。この場合、マイクロホンアレイ１の表面や近傍に、音波を発生する単独もしくは単独もしくは複数の距離計測用音源素子を配設する。距離計測用音源素子は、指向性又は無指向性の音響スピーカや超音波スピーカ等を用いることができる。
このような構成では、距離計測用音源素子から音波を発生させ、その音波の反射波を各マイクロホン１０によって取り込み、さらに演算処理装置４０による演算処理により、各マイクロホン１０によって取り込まれたそれぞれの反射波の振幅特性と、位相特性とを求めた後、それらの信号情報とマイクロホンアレイ１の音場解析情報を統合し、特定方向からの到来音を強調する演算処理を行い、境界面からの音の到来方向を演算処理により特定するとともに、音波の発生時から反射波の取込時までの時間を加味し、音源又は境界面において発生する音源までの距離を計測する。
このように、音源又は境界面において発生する音源までの距離を計測することで、音源からの音の到来方向の解析と音源の音の強さの推定とをさらに正確に行うことが可能となり、予め、測定地の近辺の建物や障害物、山等の形状と位置とを把握することができる。
また、距離計測用音源素子より発生させた試験音とその反射音の方向毎の到来方向、強さ、位相等の反射音性状を解析することで、その場での方向別のエコータイムパターン等の音響調査も可能となる。
距離計測用音源素子からの音波としては、特定の周波数の試験波を用いてもよいし、ランダムノイズ、擬似ランダムノイズ、Ｍ系列信号、周波数掃引信号等を利用し、演算処理を施して音源までの距離を自動的に計測することも可能である。このようにして、音源又は境界面において発生する音源までの距離の計測がなされると、音源からの音の到来方向の解析と音源の音の強さの推定とをさらに正確に行うことが可能となる。

なお、マイクロホンアレイ１に単独もしくは複数の受光素子を追加して音の到来方向に対応する音源又は境界面において発生する部位の音源の周囲の画像を含めて音源探査測定を行なうこともできる。この場合、マイクロホンアレイ１の表面や近傍に単独もしくは複数の受光素子が配設されている。好ましくは、共通中心Ｃの部分に配置するとよい。受光素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）とレンズとを備えたＣＣＤカメラ等のカメラ類、レーザ受光素子、赤外線受光素子等を用いることができる。
受光素子をカメラ類とした場合、それぞれの受光素子は、隣り合う受光素子それぞれの撮影範囲がオーバーラップするように配設することが好ましい。つまり、受光素子によって撮影範囲Ｘ、Ｙを撮影し、隣り合う他の受光素子で撮影範囲Ｙ、Ｚを撮影することで、撮影範囲Ｙがオーバーラップするようにする。
このような構成では、マイクロホンアレイ１の表面や近傍に単独もしくは複数の受光素子を、その撮影範囲がオーバーラップするように配設するようにしたので、特定した音の到来方向に対応する、音源又は境界面において発生する音源の周囲の画像を自動的に取り込むことができ、その取り込んだ画像を演算処理装置４０が表示装置６０にカラー等で表示させることができる。また、取り込んだ画像に、音の強さ分布の画像を合成して表示させることも可能である。
このように、受光素子により画像を取り込むようにすることで、上述した作用効果に加え、音源又は境界面において発生する音源の周囲の画像とともに、音の到来方向及び／又は音の強さ分布を表示させることができ、それらの分布を視覚的に捉えることが容易となる。

なお、マイクロホンアレイ１に単独もしくは複数の受光素子としてレーザ受光素子、赤外線受光素子等を用いてマイクロホンアレイ１と音源となりうる境界面までの距離を自動的に計測することを含めて音源探査測定を行なうこともできる。この場合、マイクロホンアレイ１の表面や近傍に単独もしくは複数の光源を配設する。好ましくは、共通中心Ｃの部分に配置するとよい。光源としては、ＣＣＤカメラ用照明、レーザポインタ、レーザ測距離計、ストロボ光源等を用いることができる。
このような構成においてレーザポインタ等の指向性が鋭い光源を配設した場合には、マイクロホンアレイ１の設置が困難な場所でも正確にマイクロホンアレイ１の設置位置を定めることができる。
また、このような構成においてレーザ距離計等の距離計を配設した場合には、光源から光を発生させ、その光の反射光を受光素子によって取り込み、マイクロホンアレイ１と音源となりうる境界面までの距離を自動的に計測することができる。また、光源から発生させた光を用いることで、音源又は境界面において発生する音源の周囲を照らすことができ、薄暗い場所であっても受光素子による画像を綺麗に取り込むことができる。
なお、光源からの光として、ストロボ光源を用いた場合には、光源からの光の点滅周期を一定として回転体に照射し、点滅周期と回転周期とが一致して回転体が静止したように見えたときの周期を測定することで、回転体の速度を遠隔計測することも可能となる。また、同様に光の点滅周期を一定として振動面に放射した場合には、受光素子において所謂ストロボスコープの原理で音源となる境界面等の振動の様子を観察することが可能になる。

なお、音源又は境界面において発生する音源までの距離の計測を含めて音源探査測定をすることもできる。この場合、上記同様に、受光素子により画像を自動的に取り込んだ後、隣り合う受光素子の撮影範囲がオーバーラップする部分を画像処理し、音源又は境界面において発生する音源までの距離を自動的に計測するようにしている。
このように、受光素子により画像を自動的に取り込むとともに、演算処理装置４０がオーバーラップする部分を画像処理し、音源までの距離を自動的に計測するようにすることで、上記同様に、音源又は境界面において発生する音源の正確な音の強さを推定することが可能となる。

なお、マイクロホンアレイ１を複数設けて音源探査測定をすることもできる。一例としてマイクロホンアレイ１を２個設けた場合を説明する。この場合、マイクロホンアレイ１を２個設けることで、演算処理装置４０による演算処理により、一方のマイクロホンアレイ１から音源までの距離及び／又は音の到来方向と、他方のマイクロホンアレイ１から音源までの距離及び／又は音の到来方向と、マイクロホンアレイ１同士の間の位置関係とを得ることができる。
また、これらの情報を基に三角測量の原理により、音源までの距離がさらに正確に測定されることになり、音源の音の強さをより正確に推定することは勿論、単一のマイクロホンアレイ１を使用した場合に比較して使用するマイクロホン１０の数が増加することや、受音範囲が拡大されることにより、音源探査の精度を大幅に高めることが可能になる。

なお、本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイ１を用いて、音源探査測定を行なう例を述べたが、これらの手法は組み合わせて行なうことができる。また、当業者が実施可能であれば、その他の任意の手法を用いても測定を行なうこともできる。

以下の実施例によって本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイを用いた音源探査測定をさらに具体的に説明する。なお、この実施例は一例にすぎず、これに限定されるものではない。

ここでは従来技術を用いたマイクロホンアレイと本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの比較を行う。
図３に比較の対象としたマイクロホンアレイの構成を示す。図３（ａ）は、従来技術を用いた直線状のサブアレイを組み合わせたマイクロホンアレイ（特許文献３の一例）であって、４個のマイクロホンを直線状に設置したサブアレイを１４本配置したものである。図３（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る直線状のサブアレイと曲線状のサブアレイを組み合わせたマイクロホンアレイであって、４個のマイクロホンを直線状に設置したサブアレイを７本及び４個のマイクロホンを曲線状に設置したサブアレイを７本配置したものである。マイクロホンアレイの外形は、いずれも直径２．４ｍの円である。

本実施例では、マイクロホンアレイの中心軸上５．０ｍ離れた場所に点音源の存在を仮定し、マイクロホンアレイで測定される音圧をシミュレートした。得られた音圧から、一般的なビームフォーミング手法である遅延和法（音波の伝達によって起こる遅延を補正し、ターゲットとする方向から到来する音波を強調する信号処理手法）による計算を行い、縦３．０ｍ×横３．０ｍの範囲に渡って音源強度分布を計算した。

図４〜図８において、（ａ）従来技術を用いたマイクロホンアレイ（直線状サブアレイ）と（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイ（直線状サブアレイ＋曲線状サブアレイ）を比較した検証結果を示す。比較を行った周波数は、５００Ｈｚ（図４）、１ｋＨｚ（図５）、２ｋＨｚ（図６）、４ｋＨｚ（図７）、８ｋＨｚ（図８）の５種類である。
各図中の白黒の濃淡は、２０ｄＢの音圧レベルの差を示し、白の方が黒よりも音圧レベルが高いことを示す。各図中の★は、最大のサイドローブを与える位置を示す。なお、図４に★が表示されていないのは、計算領域にサイドローブが存在しないことを示す。

ここで、ビームフォーミングの特性を決定するのは、一般に（１）分解能（中心のメインローブの大きさ）、（２）低ゴースト性（メインローブのパワーに対する、最大のサイドローブのパワー）の２つである。ここで、サイドローブとは、メインローブ以外に生じる指向性の極大部分（ローブ）のことであり、音源探査の利用の上では存在しない虚音源を示すことになるため、より高性能な音源識別を担保するためにはできるだけ低減することが必要である。

図４〜図８における音源強度分布の比較から、メインローブの大きさ、すなわち分解能は、（ａ）従来技術を用いたマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間でほとんど違いが検出されなかった。これは分解能が、平面マイクロホンアレイの場合、アレイサイズでほぼ決定されるため、両者の違いはほとんどないからである。

しかし、図４〜図８における音源強度分布の比較から、サイドローブ性能、すなわち低ゴースト性は、（ａ）従来技術を用いたマイクロホンアレイと（ｂ）本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイとの間で違いが見られた。特に、２ｋＨｚ、４ｋＨｚ、８ｋＨｚにおいて顕著な差がみられた。
図９を参照して、サイドローブ性能の違いを定量的な数値として明確に示すために、最大サイドローブのパワー（ｄＢ）とメインローブ（原点）からの距離（ｍ）をまとめて示す。

従来技術の直線状のサブアレイのみで構成したマイクロホンアレイと比較すると、本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイでは、２ｋＨｚ、４ｋＨｚにおいて最大サイドローブのパワーが２．０ｄＢ、８ｋＨｚにおいて０．５ｄＢも小さく抑えられることが分かる。また、メインローブと最大サイドローブとの距離が８ｋＨｚにおいて３．６倍程度異なることがわかる。これらの特性は、元々分解能が高く、音源の場所を細かくチェックできる高周波域において、弱い音源を広範囲にわたって発見することができることを意味する。
このように、本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイを用いることによって、ゴーストの発生が従来技術のマイクロホンアレイと比べて低く且つ影響が少ない形に抑えられる。

すなわち、本発明の実施の形態に係るマイクロホンアレイでは、高周波数域においても分布内のゴースト成分（虚音源）の影響を十分に低減していて、最大のゴーストを与える位置がメインローブから十分離れていることが示される。また、低周波においては性能の劣化もない。したがって、従来技術のマイクロホンアレイよりも、より精度の高い音源探査結果を得ることができる。

本発明によれば、低周波域の分解能も良好であり、高周波のゴースト特性も改善されたマイクロホンアレイを提供することによって、より精度が高い音源探査測定を行うことができる。

１ マイクロホンアレイ
Ａ 直線状のサブアレイ
Ｂ 曲線状のサブアレイ
Ｃ 共通中心
１０ マイクロホン
２０ アンプ
３０ Ａ／Ｄコンバータ
４０ 演算処理装置
５０ 記録装置
６０ 表示装置
７０ 入力装置
Ｘ 音源探査測定システム

Claims (8)

1. 複数の直線状のサブアレイ及び複数の曲線状のサブアレイから構成されるアレイを共通中心の周りに組み合わせてトランスデューサが配置されることを特徴とするビームフォーミング用のアレイ。
2. 前記曲線状のサブアレイは、円弧の一部であることを特徴とする請求項１に記載のビームフォーミング用のアレイ。
3. 前記曲線状のサブアレイは、円弧の一部と直線の組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載のビームフォーミング用のアレイ。
4. 前記曲線状のサブアレイは、スパイラル曲線であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のビームフォーミング用のアレイ。
5. 前記曲線状のサブアレイは、二次以上の多項式で近似表現される曲線であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のビームフォーミング用のアレイ。
6. 前記トランスデューサは、マイクロホンであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のビームフォーミング用のアレイ。
7. 請求項６に記載のビームフォーミング用のアレイと、
   複数の前記マイクロホンを介して得られる音の電気信号であるアナログ信号を増幅するアンプと、
   前記アンプによって増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
   前記Ａ／Ｄコンバータによって変換されたデジタル信号を演算処理し、音源からの音の到来方向の解析及び／又は音源の音の強さの推定を行う演算処理装置と、
   前記演算処理装置による演算処理結果を記録する記録装置と、
   前記演算処理装置による演算処理結果を基に、音源からの音の強さの分布を表示する表示装置と、
   前記アレイから音源又は境界面において発生する音源までの距離を入力する入力装置とを備えることを特徴とする音源探査測定システム。
8. 前記演算処理装置は、複数の前記マイクロホンにより取り込まれたそれぞれの音響信号の振幅特性と、位相特性とを演算処理によって求めた後、該演算処理結果の信号情報と前記アレイの音場解析情報を統合し、特定音源方向からの到来音を強調する演算処理を行い、音の到来方向を特定するとともに、これらの前記特定音源方向からの到来音が強調された演算処理結果と前記入力装置によって入力された距離とから音源又は境界面において発生する音源の音の強さの推定を行うことを特徴とする請求項７に記載の音源探査測定システム。

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