JP2013020072A

JP2013020072A - 音場可視化システム

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Publication number: JP2013020072A
Application number: JP2011152937A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kurihara; 誠栗原; Junichi Fujimori; 潤一藤森
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: JP5673403B2

Abstract

【課題】音響空間内における複数の測定点の音波の伝搬の様子を複数個の音／光変換器を用いて効率よく可視化できるようにする。
【解決手段】制御装置２０は、可視化対象音の発音開始から信号ＳＳの発生開始までの遅延量をずらしつつトリガ信号ＳＳを複数回に亙って発生する。音場可視化装置１００は、複数個の音／光変換器１０（ｋ）をマトリクス状に並べたものである。各音／光変換器１０（ｋ）の発光制御部２２０は、トリガ信号ＳＳと同期してマイクロホン１１０の出力信号ＳＳをサンプリングした複数組のサンプル列を記憶部１８０に記憶する。発光制御部２２０は、記憶部１８０内における複数組のサンプル列をトリガ信号ＳＳの発生開始から各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べた合成サンプル列を生成し、この合成サンプル列の各サンプルに応じた輝度で発光部１３０を順に発光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、音場を可視化する技術に関する。

オーディオ機器の設置環境の調整などの用途への適用が期待される技術の一つに音場可視化技術がある。例えば、非特許文献１には、１つのマイクロホンを音響空間内で上下、左右に移動させて複数の場所の各々における音圧をシーケンシャルに計測し、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光体をその音圧に応じた輝度で発光させることで音場を可視化することが記載されている。非特許文献１の技術では、音響空間内に放射される音の音圧分布やその移り変わり（すなわち、音波の伝播状態）が光の明滅により可視化される。よって、非特許文献１の技術によると、音響空間内における音波の伝搬状態を視覚により確認しつつ、所望の伝播状態が得られるようにオーディオ機器の配置位置やゲイン等を調整することができる。

西田公至、丸山朗、"発光ダイオードを用いた音場の可視化測定法"、日本機械学会論文集（Ｃ編）５１巻４６１号（１９８５年）

ところで、本願発明者らは、非特許文献１における音圧の計測とその音圧に応じた発光とを行う複数個の音／光変換器を板の一面に固定したものを音場可視化装置とし、この音場可視化装置を音響空間内に設置して動作させることにより音響空間内の音波の伝搬状態を広範囲に可視化するシステムの開発を試みている。このシステムにおいて、音響空間に可視化対象音を放射した場合における音／光変換器の位置の音波の伝搬状態を正確に可視化するためには、音／光変換器に可視化対象音の周波数成分の２倍以上のサンプリング周波数で音圧をサンプリングさせることが望ましい（標本化定理）。しかしながら、このシステムでは複数個の音／光変換器が必要になるため、各々のサンプリング能力を高くするとシステム全体としてのコストが高くなるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、音響空間内における音波の伝搬状態を複数個の音／光変換器を用いて効率よく可視化できるようにすることを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、音源により可視化対象音が発音される度に可視化対象音の発音からトリガ信号の発生までの遅延量が異なるトリガ信号を複数回発生する制御装置と、各々が、マイクロホンと、発光部と、記憶部と、前記トリガ信号を受け取ったことを契機として前記マイクロホンの出力信号のサンプリングを開始し、複数のサンプル列を前記記憶部に保持すると共に、前記記憶部に保持されている複数のサンプル列を構成する各サンプルを前記可視化対象音の発音開始から各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べ換えて合成サンプル列を生成し、この合成サンプル列の各サンプルに応じた輝度で前記発光部を該合成サンプル順に発光させる発光制御部とを含む複数個の音／光変換器とを具備する音場可視化システムを提供する。

本発明では、音／光変換器は、マイクロホンの出力信号をサンプリングし、そのサンプリング結果である各サンプルが示す音圧に応じた輝度で発光部を順に発光させる動作を行う。よって、本発明によると、音場可視化システムの利用者は、音場可視化装置における各音／光変換器の発光部の発光輝度の分布やその時間変化を目視することによって、音響空間内における音波の波面の伝播状態を視覚を通じて把握することができる。また、本発明では、制御装置は、可視化対象音の発音からトリガ信号の発生までの遅延量が異なるトリガ信号を複数回発生する。そして、音／光変換器の発光制御部は、トリガ信号を受け取ったことを契機としてマイクロホンの出力信号のサンプリングを開始し、複数のサンプル列を記憶部に保持すると共に、記憶部に保持されている複数のサンプル列を構成する各サンプルを前記可視化対象音の発音開始から各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べ換えて合成サンプル列を生成し、この合成サンプル列の各サンプルに応じた輝度で発光部を合成サンプル順に発光させる。ここで、発光制御部による複数回に亙るサンプリングを経て得られる複数のサンプル列は、可視化対象音の発音開始時刻を始点とする時間軸上における異なるサンプリング点の音圧を示すものとなる。このため、これら複数のサンプル列をトリガ信号の発生開始から各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べて得られる合成サンプル列は、可視化対象音の波形を元のサンプル列よりも高い時間分解能で示すものとなる。従って、本発明によると、各音／光変換器のサンプリング能力をそれほど高くせずに音響空間内における各音／光変換器の位置の音波の伝搬状態を正確に可視化できる。

本発明の一実施形態である音場可視化システムの構成例を示すブロック図である。同システムの制御装置による制御処理を示す図である。同システムの音／光変換器の構成例を示すブロック図である。同システムの音／光変換器によるサンプリング処理を示す図である。同システムの音／光変換器による合成サンプル列の生成処理を示す図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態である音場可視化システム１Ａの構成例を示すブロック図である。図１に示すように、音場可視化システム１Ａは、音源３と、制御装置２０と、複数の音／光変換器１０（ｋ）（ｋ＝１〜Ｌ：Ｌは２以上の整数）を板の一面にマトリクス状に固定してなる音場可視化装置１００とを含んでいる。音場可視化システム１Ａを構成する音源３、制御装置２０、及び音場可視化装置１００は、例えば、ホームシアターが設置されるリビングルームなどの音響空間に設置される。この音場可視化システム１Ａでは、定常的な音波形を持った音（例えば、周期Ｔｒの正弦波とする）を可視化対象音として音源３からＮ（例えば、Ｎ＝４とする）回に亙って発音させた後、可視化対象音の発音中の各音／光変換器１０（ｋ）の位置の音圧の変化と同様の濃淡が現れるように各音／光変換器１０（ｋ）が放つ光を変化させることにより、可視化対象音の音波の波面の伝搬状態を可視化する。

図１において、制御装置２０は、音源３及び音／光変換器１０（ｋ）の動作を制御する装置である。この制御装置２０は、操作部（不図示）に対して作動開始を指示する操作がなされると、制御処理をＮ（Ｎ＝４）回に亙って繰り返す。制御処理は、音源３に対して可視化対象音の発音を指示する駆動信号ＭＳを出力して音源３に可視化対象音を発音させるとともに、音／光変換器１０（ｋ）に対してサンプリングの開始を指示するトリガ信号ＳＳを出力して音／光変換器１０（ｋ）に音圧をサンプリングさせる処理である。制御装置２０は、可視化対象音の発音開始時刻ｔ_Ｓからトリガ信号ＳＳの発生開始までの遅延量をずらしつつ１回目乃至４回目の制御処理を行う。

より具体的に説明すると、図２に示すように、制御装置２０は、１回目の制御処理では、駆動信号ＭＳの立ち上がりから時間ΔＴ１（ΔＴ１＝Ｔｒ／８）だけ遅延した時刻においてトリガ信号ＳＳを立ち上げる。２回目の制御処理では、駆動信号ＭＳの立ち上がりから時間ΔＴ２（ΔＴ２＝ΔＴ１＋Ｔｒ／８）だけ遅延した時刻においてトリガ信号ＳＳを立ち上げる。３回目の制御処理では、駆動信号ＭＳの立ち上がりから時間ΔＴ３（ΔＴ３＝ΔＴ２＋Ｔｒ／８）だけ遅延した時刻においてトリガ信号ＳＳを立ち上げる。４回目の制御処理では、駆動信号ＭＳの立ち上がりから時間ΔＴ４（ΔＴ４＝ΔＴ３＋Ｔｒ／８）だけ遅延した時刻においてトリガ信号ＳＳを立ち上げる。

図１において、音場可視化装置１００の各音／光変換器１０（ｋ）は、各音／光変換器１０（ｋ）の位置の音圧を可視化対象音の周波数ｆｒ（ｆｒ＝１／Ｔｒ）の２倍以上のサンプリング周波数ｆｒ’（例えば、ｆｒ’＝２ｆｒとする）でサンプリングする処理と、このサンプリング周波数ｆｒ’のサンプリングにより得られた一連のサンプルに応じた輝度の光を発光させる処理とを行う装置である。図３に示すように、各音／光変換器１０（ｋ）は、マイクロホン１１０、発光部１３０、記憶部１８０、及び発光制御部２２０を有する。マイクロホン１１０は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンや小型ＥＣＭ（Electret Condenser Microphone）である。マイクロホン１１０は、当該マイクロホン１１０が収音した音の波形を示すアナログ信号ＳＩを出力する。発光部１３０は、例えば、可視光ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。発光部１３０は、当該発光部１３０に正の電流が入力されている場合は、入力電流に応じた輝度の赤色の光を発光する。また、発光部１３０は、当該発光部１３０に負の電流が入力されている場合は、入力電流に応じた輝度の緑色の光を発光する。記憶部１８０は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性メモリやフラッシュメモリなどの不揮発性メモリである。

発光制御部２２０は、制御装置２０からトリガ信号ＳＳを受け取ったことを契機としてマイクロホン１１０の出力信号ＳＩのサンプリングを開始し、複数のサンプル列を記憶部１８０に保持すると共に、記憶部１８０に保持されている複数のサンプル列を構成する各サンプルを可視化対象音の発音開始時刻ｔ_Ｓから各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べ換えて合成サンプル列を生成し、この合成サンプル列を構成する各サンプルに応じた輝度で発光部１３０を該合成サンプル順に発光させる。より詳細に説明すると、発光制御部２２０は、サンプルホールド回路１２２、電圧電流変換回路１２４、及びデータ書き込み／読み出し制御部１２６を含んでいる。サンプルホールド回路１２２は、トリガ信号ＳＳの立ち上がり時刻から周期Ｔｒ’（Ｔｒ’＝１／ｆｒ’＝Ｔｒ／２）ずつ経過した各時刻におけるマイクロホン１１０の出力信号ＳＩの振幅を保持する回路である。電圧電流変換回路１２４は、当該電圧電流変換回路１２４の印加電圧に比例した電流値の電流を発光部１３０に供給する回路である。

データ書き込み／読み出し制御部１２６は、記憶部１８０へのサンプルの書き込みとその読み出しとを司る回路である。図４に示すように、データ書き込み／読み出し制御部１２６は、可視化対象音の１回目の発音の発音開始時刻ｔ_Ｓから発音終了時刻ｔ_Ｅまでの間は、サンプルホールド回路１２２の出力信号の振幅をマイクロホン１１０の出力信号ＳＩにおける時刻ｔ_ＳからΔＴ１＋Ｔｒ’・ｉ（ｉ＝０、１、２…）が経過した時刻の振幅（図４において○印により示されるサンプリング点の振幅）とし、この振幅をサンプルとして記憶部１８０内のバッファＢＦ−１に書き込む処理を行う。

データ書き込み／読み出し制御部１２６は、可視化対象音の２回目の発音の発音開始時刻ｔ_Ｓから発音終了時刻ｔ_Ｅまでの間は、サンプルホールド回路１２２の出力信号の振幅をマイクロホン１１０の出力信号ＳＩにおける時刻ｔ_ＳからΔＴ２＋Ｔｒ’・ｉ（ｉ＝０、１、２…）が経過した時刻の振幅（図４において□印により示されるサンプリング点の振幅）とし、この振幅をサンプルとして記憶部１８０内のバッファＢＦ−２に書き込む処理を行う。

データ書き込み／読み出し制御部１２６は、可視化対象音の３回目の発音の発音開始時刻ｔ_Ｓから発音終了時刻ｔ_Ｅまでの間は、サンプルホールド回路１２２の出力信号の振幅をマイクロホン１１０の出力信号ＳＩにおける時刻ｔ_ＳからΔＴ３＋Ｔｒ’・ｉ（ｉ＝０、１、２…）が経過した時刻の振幅（図４において△印により示されるサンプリング点の振幅）とし、この振幅をサンプルとして記憶部１８０内のバッファＢＦ−３に書き込む処理を行う。

データ書き込み／読み出し制御部１２６は、可視化対象音の４回目の発音の発音開始時刻ｔ_Ｓから発音終了時刻ｔ_Ｅまでの間は、サンプルホールド回路１２２の出力信号の振幅をマイクロホン１１０の出力信号ＳＩにおける時刻ｔ_ＳからΔＴ４＋Ｔｒ’・ｉ（ｉ＝０、１、２…）が経過した時刻の振幅（図４において●印により示されるサンプリング点の振幅）とし、この振幅をサンプルとして記憶部１８０内のバッファＢＦ−４に書き込む処理を行う。

また、データ書き込み／読み出し制御部１２６は、図５に示すように、記憶部１８０内の４つのバッファＢＦ−１〜ＢＦ−４へのサンプルの書き込みを終えた後、４つのバッファＢＦ−１〜ＢＦ−４をＢＦ−１→ＢＦ−２→ＢＦ−３→ＢＦ−４→ＢＦ−１と巡回しつつ巡回先のバッファ内のサンプルを先頭から１つずつ読み出し、読み出したサンプルを読み出し順に配列したものを合成サンプル列とする。図４を参照すれば明らかなように、その後、データ書き込み／読み出し制御部１２６は、この合成サンプル列をなす一連のサンプルを合成サンプル列のサンプリング周期Ｔｒ’／４と同じかそれよりも長い周期で先頭から１つずつ読み出し、読み出したサンプルを電圧に変換し、変換した電圧を電圧電流変換回路１２４に供給して同部１２４に発光部１３０を駆動させる。各音／光変換器１０（ｋ）において以上の処理が行われることにより、可視化対象音の発音中の各音／光変換器１０（ｋ）の位置の音圧の変化と同様の濃淡が現れるように各音／光変換器１０（ｋ）の発光部１３０の光が変化し、可視化対象音の音波の波面の伝搬状態が看者に視認される。

以上が、本発明の構成の詳細である。本実施形態によると、次の効果が得られる。
第１に、本実施形態では、音場可視化装置１００の音／光変換器１０（ｋ）は、マイクロホン１１０の出力信号ＳＩをサンプリングし、そのサンプリング結果である各サンプルが示す音圧に応じた輝度で発光部１３０を順に発光させる動作を行う。よって、本実施形態によると、音場可視化システム１Ａの利用者は、音場可視化装置１００における各音／光変換器１０（ｋ）の発光部１３０の発光輝度の分布やその時間変化を目視することによって、音響空間内における音波の波面の伝播状態を視覚を通じて把握することができる。

第２に、本実施形態では、制御装置２０は、可視化対象音の発音開始から信号の発生開始までの遅延量をずらしつつトリガ信号ＳＳを複数回に亙って発生する。そして、音／光変換器１０（ｋ）の発光制御部２２０は、トリガ信号ＳＳを受け取ったことを契機としてマイクロホン１１０の出力信号ＳＩのサンプリングを開始し、複数のサンプル列を記憶部１８０に保持すると共に、記憶部１８０に保持されている複数のサンプル列を構成する各サンプルを可視化対象音の発音開始から各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べ換えて合成サンプル列を生成し、この合成サンプル列の各サンプルに応じた輝度で発光部１３０を合成サンプル順に発光させる。発光制御部２２０による複数回に亙るサンプリングを経て得られる複数のサンプル列は、可視化対象音の発音開始時刻ｔ_Ｓを始点とする時間軸上における異なるサンプリング点の音圧を示すものとなる。このため、これら複数のサンプル列をトリガ信号ＳＳの発生開始から各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べて得られる合成サンプル列は、可視化対象音の波形を元のサンプル列よりも高い時間分解能で示すものとなる。従って、本実施形態によると、各音／光変換器１０（ｋ）のサンプリング能力をそれほど高くせずに音響空間内における音波の伝搬状態を正確に可視化できる。

第３に、本実施形態では、制御装置２０は、音源３を駆動して可視化対象音を発音させるための駆動信号ＭＳを出力するとともに、駆動信号ＭＳの出力に同期させてトリガ信号ＳＳを出力する。よって、本実施形態によると、同期制御に関わる複雑な回路を要することなく、音源３による可視化対象音の発音と音／光変換器１０（ｋ）によるサンプリングとを同期させることができる。

以上、この発明の実施形態を説明したが、この発明には、他にも各種の実施形態が考えられる。例えば、以下の通りである。

（１）上記実施形態において、発光制御部２２０は、本来であれば起伏が周期Ｔｒ毎に同じように変化するはずのマイクロホン１１０の出力信号ＳＩの振幅の大きさにばらつきが生じている場合、マイクロホン１１０の出力信号ＳＩの振幅をノーマライズし、このノーマライズした信号ＳＩ’の振幅をサンプリングするようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、発光制御部２２０は、Ｎ回のサンプリングにおけるマイクロホン１１０の出力信号ＳＩのサンプリング時刻の間隔を一定間隔Ｔｒ’とした。しかし、マイクロホン１１０の出力信号ＳＩのサンプリング時刻の間隔を一定でない間隔としてもよい。この場合、発光制御部２２０は、合成サンプル列を構成する各サンプルのサンプリング時刻の時間間隔と当該各サンプルに応じた輝度での前記発光部の発光の時間間隔が同じになるように前記発光部の発光を制御するようにするとよい。この実施形態によると、マイクロホン１１０の出力信号ＳＩのサンプリング時刻の間隔が一定でない場合でも、各音／光変換器１０（ｋ）の位置の音圧の変化と同様の濃淡が現れるように各音／光変換器１０（ｋ）が放つ光を変化させることができ、可視化対象音の音波の波面の伝搬状態を正確に可視化することができる。

（３）上記実施形態において、管楽器の吹奏音や人の歌声、または、別の種類の音の定常部分を音源３から複数回に亙って発音させ、それらの音の音波の伝搬の様子を音／光変換器１０（ｋ）の明滅により可視化するようにしてもよい。この態様において、可視化対象音におけるアタック部分の発音中に発光制御部２２０のサンプリングが実行されないようにトリガ信号ＳＳの立ち上がり時刻を制御するとよい。具体的には、トリガ信号ＳＳの立ち上がり時刻の制御を次のように行うとよい。まず、制御装置２０と接続されたマイクロホンを設置し、制御装置２０にカウンタ（初期値を０とする）を設ける。そして、制御装置２０は、マイクロホンにより収音された音圧が閾値を超える度に、カウンタのカウント値ＣＮＴ（０≦ＣＮＴ≦Ｎ’：例えば、Ｎ’＝４とする）をカウントアップするとともに、音圧が閾値を超えた時刻から時間Ｔ_{ＡＴＡＣＫ}＋ΔＴ・ＣＮＴが経過するのを待ってトリガ信号ＳＳを立ち上げる。この構成の音場可視化システムでは、時間Ｔ_{ＡＴＡＣＫ}をアタック部に相当する長さとして可視化対象音のサンプリングをＮ’回繰り返すことにより、可視化対象音の定常部分の音波形を示すＮ’個のサンプル列を得ることができる。

３…音源、１０…音／光変換器、１００…音場可視化装置、２０…制御装置、１１０…マイクロホン、１２２…サンプルホールド回路、１２４…電圧電流変換回路、１２６…データ書き込み／読み出し制御部、１３０…発光部、１８０…記憶部、２２０…発光制御部。

Claims

音源により可視化対象音が発音される度に可視化対象音の発音からトリガ信号の発生までの遅延量が異なるトリガ信号を複数回発生する制御装置と、
各々が、マイクロホンと、発光部と、記憶部と、前記トリガ信号を受け取ったことを契機として前記マイクロホンの出力信号のサンプリングを開始し、複数のサンプル列を前記記憶部に保持すると共に、前記記憶部に保持されている複数のサンプル列を構成する各サンプルを前記可視化対象音の発音開始から各サンプルのサンプリング時刻までの経過時間順に並べ換えて合成サンプル列を生成し、この合成サンプル列の各サンプルに応じた輝度で前記発光部を該合成サンプル順に発光させる発光制御部とを含む複数個の音／光変換器と
を具備することを特徴とする音場可視化システム。
前記発光制御部は、前記合成サンプル列を構成する各サンプルのサンプリング時刻の時間間隔と当該各サンプルに応じた輝度での前記発光部の発光の時間間隔が同じになるように前記発光部の発光を制御することを特徴とする請求項１に記載の音場可視化システム。
前記発光制御部は、複数回のサンプリングを同じサンプリング周期で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の音場可視化システム。
前記制御装置は、前記音源を駆動して前記可視化対象音を発音させるための駆動信号を出力するとともに、前記駆動信号の出力に同期させて前記トリガ信号を出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１の請求項に記載の音場可視化システム。