JP2011203048A - 音源位置特定装置および音源位置特定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同種の音源（周波数域が同じ音源）が複数存在する場合であっても、個別にその位置を特定することが可能な音源位置特定装置および音源位置算出方法を提供することを目的とする。
【解決手段】空間内の異なる位置にそれぞれ設置され、空間内の複数の音源からの音が混合した混合信号を同時に取得する複数のマイク１１０と、複数の混合信号から独立成分分析を用いて、個々の音源からの音を示す単一音源信号を求める信号分離部１１４と、単一音源信号をもとに、個々の音源から個々のマイクが取得したと推定される音を示す個別信号を算出する個別信号算出部１１８と、音源ごとに個々のマイクの個別信号同士を比較して、マイクごとの個別信号の強度の比率を取得する比率取得部１２０と、比率と複数のマイクの設置位置とから、個々の音源の位置を算出する音源位置算出部１２２とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間内の音源の位置を特定する音源位置特定装置および音源位置特定方法に関する。

従来、工場や発変電設備等の複数の設備が設置されている施設において、騒音等の音の発生位置（音源位置）を特定するためには、マイクなどの検出器を持ち歩いての探索作業（サーベイ）を行う必要があった。そして、収録した音にスペクトル解析等の特性解析を施すことによって、音源位置の特定および周波数特性を同定していた。しかし、上記のような検出器を持ち歩いての探索作業は、作業者に与える時間的および肉体的な負担が大きい。そこで、近年では、施設内に予めマイク等を設置しておき、得られる音の変化を利用して音源位置の同定等を行う技術が普及している。

例えば特許文献１には、生産プラントにマイクロホンを設置し、マイクロホンから得られる音信号をウェーブレット解析して異常音を分析する異常音検出システムが開示されている。また特許文献１では、複数のマイクロホンからの音信号の相互相関をとって音発生位置を検出する技術や、指向性の異なる２つのマイクロホンを利用して異常音以外の音信号を除外する技術も開示されている。そして、これらによって、騒音の著しい生産現場においても、設備から発生される異常音を確実に検出することが可能であるとされている。

特開２０００−２１４０５２号公報

特許文献１のシステムでは、無指向性マイクロホンからの音をＦＦＴ変換し、単一指向性マイクロホンからの音をウェーブレット解析して、どの周期の信号がどの時間位置にどれだけの大きさで存在するかという情報を提供するものである。したがって、様々な音源が混在した状況において特殊な音（特定の周波数の音）を検出できるとは思われるが、単一指向性マイクロホンを設置するためにはあらかじめ異常音が発生する箇所がある程度特定できている必要があり、また同じ周波数域の複数の音源が混在した場合にはその区別をすることはできない。

なお、同じ周波数域の信号であっても、無線通信の技術分野では、それぞれの移動体を識別し、３点測距などにより位置を同定する技術が周知である。しかしこの場合は、無線通信のヘッダに識別信号が含まれていることにより個を識別できるのであって、音の場合は重畳された音を区別することは原則として不可能であった。

また、空間内（音場内）にマトリクス状に非常に多数のマイクロホンを設置すれば、音の強度が強いマイクロホンの位置を音源として考えることも可能である。しかし設備が大がかりとなるためコストが増大すること、および必ずしもそのように多数のマイクロホンを設置できるとは限らないことから、適用可能な状況が非常に限定的になってしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、同種の音源（周波数域が同じ音源）が複数存在する場合であっても、個別にその位置を特定することが可能な音源位置特定装置および音源位置特定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる音源位置特定装置の代表的な構成は、空間内の音源の位置を特定する音源位置特定装置であって、空間内の異なる位置にそれぞれ設置され、空間内の複数の音源からの音が混合した混合信号を同時に取得する複数のマイクと、複数の混合信号から独立成分分析を用いて、個々の音源からの音を示す単一音源信号を求める信号分離部と、単一音源信号をもとに、個々の音源から個々のマイクが取得したと推定される音を示す個別信号を算出する個別信号算出部と、音源ごとに個々のマイクの個別信号同士を比較して、マイクごとの個別信号の強度の比率を取得する比率取得部と、比率と複数のマイクの設置位置とから、個々の音源の位置を算出する音源位置算出部とを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、独立成分分析を利用することで同種の音源であっても個別にその信号を推定することができるため、目的とする音源の位置の特定を行うことができる。従って例えば、空間（音場）内における移動体の分布や、設備内のノイズ発生位置を適切に把握することが可能となる。

上記の音源位置特定装置は、単一音源信号から、個々の音源からの音の周波数特性を分析する周波数分析部をさらに備えるとよい。これにより、例えば、空間内に恒常的に存在する環境音を単一音源信号の推定値から減衰させることができ、音源推定の精度を向上させることが可能となる。

上記課題を達成するために、本発明にかかる音源位置特定方法の代表的な構成は、空間内の異なる位置にそれぞれ設置された複数のマイクによって空間内の複数の音源からの音が混合した混合信号Ｘを取得し、混合信号Ｘを推定行列Ａ’と個々の前記音源からの音を示す単一音源信号の推定値ｙの積として表し、推定行列Ａ’と単一音源信号の推定値ｙを独立成分分析を用いて算出し、単一音源信号の推定値ｙおよび推定行列Ａ’により、個々の音源から個々のマイクが取得したと推定される音を示す個別信号Ｘ’を算出し、音源ごとに個々のマイクの個別信号Ｘ’同士を比較し、マイクごとの個別信号Ｘ’の強度の比率を取得し、比率と複数のマイクの設置位置とから、個々の音源の位置を算出することを特徴とする。

上述した音源位置特定装置における技術的思想に対応する構成要素やその説明は、当該音源位置特定方法にも適用可能である。

本発明によれば、同種の音源であっても、目的とする音源の位置を精度よく特定することが可能な音源位置特定装置および音源位置特定方法を提供することができる。

本実施形態にかかる音源位置特定装置の内部構成を示すブロック図である。 図１の音源位置特定装置が実行する音源位置特定方法の構成を示すフローチャートである。 空間内に設置されたマイクを示す図である。 個々のマイクの個別信号の強度の比率を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は本実施形態にかかる音源位置特定装置１００の内部構成を示すブロック図、図２は図１の音源位置特定装置が実行する音源位置特定方法の構成を示すフローチャートである。以下、図１を説明しながら、図２のフローチャートについても説明する。

図１に示す音源位置特定装置１００は、空間内の音を計測し、音源の位置の特定や、音の分析を行う。例えば、工場や発変電設備等の施設内に設置することで、施設の制御および監視装置として機能し得る。

制御部１０２は、中央処理装置（ＣＰＵ）を含む半導体集積回路により当該音源位置特定装置１００全体の機能を管理および制御を行う。

記憶部１０４は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ等で構成され、制御部１０２で処理されるプログラムやデータ等を記憶する。本実施形態では、記憶部１０４に、周囲の空間内に恒常的に発生し得る環境音の周波数を予め記録しておくことも可能である。環境音としては、例えばエアコンの音や、コンプレッサーやボイラーの音などが例示できる。これにより、例えば、環境音の周波数をフィルタによって除去し、観察したい音のＳＮ比を大きくしてから処理を行うことができる。

表示部１０６は、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＰＤＰ(Plasma Display Panel)等で構成され、記憶部１０４に記憶されたアプリケーションのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示することができる。

入力部１０８は、当該音源位置特定装置１００の使用者に情報を入力させる。入力部１０８としては、キーボードや、マウスなどのポインティングデバイスを好適に用いることができる。

当該音源位置特定装置１００は、複数のマイク１１０を備えている。マイク１１０は、周囲の音を電気信号に変換して取得する。図２に示す音源位置特定方法では、まずステップ２００において、複数のマイク１００を空間内の異なる位置にそれぞれ設置する。そして、ステップ２１０において、複数のマイクは後述する混合信号を取得する。

図３は、空間内に設置された複数のマイク１１０を示す図である。複数のマイク１１０は、空間内の音を同時に取得する。例えば図３では、複数のマイク１１０のうち、３個のマイク１１０が空間内の音を取得している。ここで取得できる電気信号は、周囲の複数の音源からの音が混合したものである。マイク１１０が出力したアナログの電気信号は信号収集部１１２においてデジタル信号に変換される（Ａ／Ｄ変換）。本実施形態ではこれを混合信号と称する。信号収集部１１２は、全てのマイク１１０の音を同時かつ個別に処理する必要があるため、少なくともマイク１１０の個数のＡ／Ｄ変換部を有している。混合信号は、一時的に記憶部１０４に記憶される。

上述したように、複数のマイク１１０は、空間内の異なる位置にそれぞれ配置されている。そのため、仮に音源が１つであれば、マイク１１０の位置と、各マイク１１０がその位置で取得した信号の強度（振幅）の比率を利用して、音源の位置を求めることができる。しかし、混合信号は、複数の音源からの音を混合して取得したものであって、本来であれば個々の音源の位置を特定することはできない。この問題を解決するために、本実施形態の音源位置特定装置１００では、独立成分分析を用いて、まず混合信号を個々の音源に基づく信号に分離させる。

再び図２を参照する。ステップ２２０において、信号分離部１１４は、収集された複数の混合信号から独立成分分析を用いて、個々の音源からの音を示す単一音源信号の推定値を求める。単一音源信号（推定値）は以下に説明する方法で求められる。

複数の音源から所定の時刻ｔにそれぞれ発生した単一音源信号をｓ（ｔ）とベクトル表記する。マイク１１０が取得した混合信号をｘ（ｔ）とベクトル表記する。複数の音源から複数のマイク１１０までのそれぞれの減衰係数をａとし、減衰係数ａ_ijを（ij）成分とする行列Ａで表記する。音源からマイク１１０までの音の伝達時間が無視し得るものであるとすると、混合信号ｘ（ｔ）と単一音源信号ｓ（ｔ）との関係は、下記の式１として表すことができる。

式１において混合信号ｘ（ｔ）は採取した信号、行列Ａと単一音源信号ｓは未知の値である。そこで、混合信号ｘを式１と同様に推定行列Ａ’と単一音源信号の推定値ｙの積として表し、前記推定行列Ａ’と前記単一音源信号の推定値ｙを独立成分分析を用いて算出する。これにより、個別信号ｘ’（推定値）を求めることができる（式５参照）。

具体例を示して説明する。例えば図３に示した３個のマイク１１０がそれぞれ取得した混合信号ｘ（ｔ）には、３箇所の音源からの音が混合していたとする。なおこれらの個数は例示に過ぎず、マイク１１０の個数と音源の個数が一致している必要はなく、それぞれ３個以上のマイク１１０、３個以上の音源を設定してもよい。音源の数はすなわち音場に対する量子化レベルであり、多いほど正確な結果を得ることができるが、計算負荷が増大する。そこで、例えば異常が発見されない場合は少数とし、異常が発見されたら音源の数を増やして再計算するように構成してもよい。

３個のマイク１１０が取得した混合信号ｘ_１（ｔ）、ｘ_２（ｔ）、ｘ_３（ｔ）と、３箇所の音源のそれぞれからの単一音源信号ｓ_１（ｔ）、ｓ_２（ｔ）、ｓ_３（ｔ）との関係は、以下の式２として表すことができる。

上記の式１から、単一音源信号ｓ（ｔ）を求めるためには、下記の式３が考えられる。なお、式３におけるＷは、式１における行列Ａの逆行列である。

上記の式３にあわせ、上記の式２から単一音源信号ｓ_１（ｔ）、ｓ_２（ｔ）ｓ_３（ｔ）を求める（推定する）ためには、下記の式４が考えられる。なお、式４では、単一音源信号ｓ（ｔ）の推定値をｙ（ｔ）と表記し、式３の逆行列Ｗに対応する行列を、Ｗ’_ijを（ij）成分とする推定逆行列Ｗ´として表記する。

上記の式４から、単一音源信号の推定値ｙ（ｔ）の各成分が互いに独立となるように推定逆行列Ｗ’を求める（推定する）。例えば、推定逆行列Ｗ’は、自然勾配法等を利用した既知の独立成分分析の手法により求めることができる。これにより、個々の音源の単一音源信号の推定値ｙ（ｔ）を求めることができる。

再び図１を参照する。周波数分析部１１６は、信号分離部１１４が求めた単一音源信号の推定値ｙ（ｔ）から、個々の音源からの音の周波数特性を分析する。これにより、空間内に恒常的に存在する環境音を単一音源信号の推定値ｙ（ｔ）から減衰させることができ、音源推定の精度を向上させることが可能となる。

次に、図２のステップ２３０において、個別信号算出部１１８は、信号分離部１１４が求めた単一音源信号の推定値ｙ（ｔ）から、個々の音源から個々のマイク１１０が取得したと推定される音を示す個別信号ｘ’を算出する。

上記の式４の推定逆行列Ｗ’から、行列Ａを推定した推定行列Ａ’が求まる。そして、単一音源信号の推定値ｙ（ｔ）および推定行列Ａ’を用いて、これらと個別信号ｘ’（ｔ）との関係を下記の式５として表すことができる。

上記の式５により、単一音源信号の推定値ｙ（ｔ）から、個々のマイク１１０が取得したと推定される個別信号ｘ’（ｔ）を算出することができる。例えば、推定値ｙ_１（ｔ）の音源から３個のマイク１１０がそれぞれ取得した個別信号ｘ’_１(ｔ)、ｘ’_２(ｔ)、ｘ’_３(ｔ)は、下記の式６により求めることができる。

上記の式６と同様に、下記の式７からは推定値ｙ_２（ｔ）、下記の式８からは推定値ｙ_３（ｔ）の音源から３個のマイク１１０がそれぞれ取得した個別信号ｘ’_１(ｔ)、ｘ’_２(ｔ)、ｘ’_３(ｔ)を求めることができる。

次に、図２のステップ２４０において、比率取得部１２０は、音源ごとに個々のマイク１１０が取得した個別信号同士を比較する。そして、ステップ２５０において、比率取得部１２０は、マイク１１０ごとの個別信号の強度の比率を取得する。

ステップ２６０において、音源位置算出部１２２は、比率取得部１２０が取得した比率と、複数のマイク１１０の設置位置とから、個々の音源の位置を算出する。

図４は、個々のマイク１１０の個別信号の強度の比率を示す図である。図４では、個々のマイク１１０が取得したと推定される個別信号の強度を、コンター（領域線）の広さとして表している。例えば、複数の音源Ｍ’が存在する空間内で、３個のマイク１１０が音源Ｍから取得したと推定される個別信号の強度の比率を、それぞれ領域Ｅ１〜Ｅ３で表すことができる。図４からは、音源Ｍは領域Ｅ１〜Ｅ３が重なる領域に位置していると推定することができる。そして、音源位置算出部１２２は、例えば３点測距法により、マイク１１０の設置位置と、個別信号の強度の比率を表した領域Ｅ１〜Ｅ３とから、音源Ｍの位置を算出することができる。

なお、上記の独立成分分析を行うためには、最低２つのマイク１１０が必要である。平面内で音源の位置を特定するためには、最低３つのマイク１１０が必要である。三次元空間内で音源の位置を特定するためには、最低４つのマイク１１０が必要である。ただし音源が特定の直線上にあることがわかっているのであれば、２つのマイク１１０で足りる。このように、マイク１１０の個数については、測定したい状況に応じて適宜設定することができ、また音が収集できる範囲において最小限の数で足りる。

上記構成によれば、独立成分分析を利用することで同種の音源（周波数域が同じ音源）であっても個別にその信号を推定することができるため、目的とする音源の位置の特定を行うことができる。具体的な適用例として、例えば原子炉格納容器内にマイクを設置し、主蒸気配管内や給水配管内を流れる流体の音を監視したり、部材の異常振動を検出したりすることができる。また例えば工場や発変電設備等の複数の設備が設置されている施設において、異常音を検知することができる。またイベント会場において、人の分布を検出したりすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、空間内の音源の位置を特定する音源位置特定装置および音源位置特定方法として利用することができる。

Ｍ、Ｍ’ …音源
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３ …領域
１００ …音源位置特定装置
１０２ …制御部
１０４ …記憶部
１０６ …表示部
１０８ …入力部
１１０ …マイク
１１２ …信号収集部
１１４ …信号分離部
１１６ …周波数分析部
１１８ …個別信号算出部
１２０ …比率取得部
１２２ …音源位置算出部

Claims (3)

1. 空間内の音源の位置を特定する音源位置特定装置であって、
   前記空間内の異なる位置にそれぞれ設置され、該空間内の複数の音源からの音が混合した混合信号を同時に取得する複数のマイクと、
   複数の前記混合信号から独立成分分析を用いて、個々の前記音源からの音を示す単一音源信号を求める信号分離部と、
   前記単一音源信号をもとに、個々の前記音源から個々の前記マイクが取得したと推定される音を示す個別信号を算出する個別信号算出部と、
   前記音源ごとに個々の前記マイクの前記個別信号同士を比較して、該マイクごとの該個別信号の強度の比率を取得する比率取得部と、
   前記比率と複数の前記マイクの設置位置とから、個々の前記音源の位置を算出する音源位置算出部とを備えることを特徴とする音源位置特定装置。
2. 前記単一音源信号から、個々の前記音源からの音の周波数特性を分析する周波数分析部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の音源位置特定装置。
3. 空間内の異なる位置にそれぞれ設置された複数のマイクによって該空間内の複数の音源からの音が混合した混合信号Ｘを取得し、
   前記混合信号Ｘを推定行列Ａ’と個々の前記音源からの音を示す単一音源信号の推定値ｙの積として表し、前記推定行列Ａ’と前記単一音源信号の推定値ｙを独立成分分析を用いて算出し、
   前記単一音源信号の推定値ｙおよび前記推定行列Ａ’により、個々の前記音源から個々の前記マイクが取得したと推定される音を示す個別信号Ｘ’を算出し、
   前記音源ごとに個々の前記マイクの前記個別信号Ｘ’同士を比較し、
   前記マイクごとの前記個別信号Ｘ’の強度の比率を取得し、
   前記比率と複数の前記マイクの設置位置とから、個々の前記音源の位置を算出することを特徴とする音源位置特定方法。

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