JP2015059794A

JP2015059794A - 音源探査装置

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Publication number: JP2015059794A
Application number: JP2013192815A
Authority: JP
Inventors: 克己猿渡; Katsumi Saruwatari; 元基三津山; Genki Mitsuyama
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: JP6100655B2

Abstract

【課題】本発明は、空間上の関心領域内の音源位置を探査する音源探査装置に関し、音源探査のリアルタイム性の確保と音源位置の正確性を高度に両立させる。【解決手段】配列された複数のマイクロホンを備えたプローブで受音して得た音信号に基づいて、空間上の関心領域内に離散的に設定した複数の初期の測定点の音圧を算出し隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧を算出してその差分音圧を閾値と比較し、さらに閾値以上の差分音圧が得られた隣接する２つの測定点どうしの間に新たな測定点を設定してその新たな測定点の音圧を算出し、その新たな測定点を含む隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧を算出して閾値と比較する過程を、関心領域に関する全ての差分音圧が閾値以下となるまで繰り返す。【選択図】図５

Description

本発明は、空間上の関心領域内の音源位置を探査する音源探査装置に関する。

従来より、複数のマイクロホンで受音して得た音信号から音源位置を探査する技術が知られており、そのうちの典型的な技術の１つとしてビームフォーミング式の音源探査技術が存在する。

このビームフォーミング式を採用して音源探査を行なうにあたっては、関心領域内の離散的な複数の測定点それぞれについて音圧を算出し、その音圧のピークの位置が音源位置として同定される（特許文献１参照）。

ここで音源信号を正確に探査しようとすると、関心領域内を細かく分割して多数の測定点を設定し、それら多数の測定点それぞれについて音圧を算出する必要がある。ただし、この場合、演算時間が長くかかり、リアルタイム性が失われるおそれがある。一方、リアルタイム性を向上させようとして測定点どうしの間隔を空けて粗い分割とすると、音源位置の正確性が失われる結果となる。

特開平５−７２０２５号公報

本発明は、音源探査のリアルタイム性の確保と音源位置同定の正確性を高度に両立させた音源探査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の音源探査装置は、
配列された複数のマイクロホンを備えたプローブと、
上記プローブで受音して得た音信号に基づいて、空間上の関心領域内に離散的に設定した複数の初期の測定点の音圧を算出し隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧を算出してその差分音圧を閾値と比較し、さらに
閾値以上の差分音圧が得られた隣接する２つの測定点どうしの間に新たな測定点を設定してその新たな測定点の音圧を算出し、その新たな測定点を含む隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧を算出して閾値と比較する過程を、関心領域に関する全ての差分音圧が閾値以下となるまで繰り返す音源探査演算を実行する演算部とを有することを特徴とする。

本発明の音源探査装置は、関心領域内の、閾値を越える差分音圧が得られた領域のみ新たな測定点が設定されて詳細な音圧分布が測定される。このため、少ない演算量で音源位置が正確に同定される。

ここで、本発明の音源探査装置において、上記関心領域が、プローブ側から覗めたときに２次元的に広がる空間であって、上記演算部が、音源探査演算を、互いに異なる２方向それぞれについて独立に実行するものであってもよい。

この場合、シンプルな演算で済む。

あるいは、本発明の音源探査装置において、上記関心領域が、プローブ側から覗めたときに２次元的に広がる空間であって、上記演算部が、２次元差分演算を用いて新たな測定点を設定するものであってもよい。

この場合、２次元的な差分音圧が得られる。

また、本発明の音源探査装置において、上記演算部は、複数の初期の測定点を、隣接する測定点どうしの間隔が関心周波数領域の最高周波数あるいは関心周波数の音波の波長の１／２以下の間隔となるように設定するものであることが好ましい。

この場合、小さな差分音圧が得られた２つの測定点どうしの間に存在する音圧のピークの見逃しが防止される。

以上の本発明によれば、音源探査のリアルタイム性の確保と音源位置同定の正確性を高度に両立させることができる。

本発明の一実施形態としての音源探査装置のブロック図である。プローブを構成する複数のマイクロホンの配列の一例を示した図である。ビームフォーミングの原理説明図である。演算部で実行される音源探査演算の演算内容を示すフローチャートである。音圧分布および測定点の１次元断面を示した模式図である。差分音圧の配列を示した図である。２次元的な関心領域内の音圧分布を可視化して示した図である。関心領域内の差分音圧計算の他の例を示した図である。

以下、本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としての音源探査装置のブロック図である。

この音源探査装置１は、プローブ１０と演算部２０とを有する。

プローブ１０は、配列された複数のマイクロホン１２（図２参照）を備えている。詳細は後述する。

演算部２０は、プローブ１０での受音により得られた音信号に基づいて、音源が含まれていると考えられる関心領域Ｄ内に離散的に設定された測定点Ｐの音圧を算出し、さらに音源探査のための演算を行なう。関心領域の測定点Ｐの設定は、初期的には、測定者や上位の装置等から設定される関心周波数ｆ_０あるいは関心周波数領域ｆ_１〜ｆ_２（ｆ_１＜ｆ_２）の最高周波数ｆ_２の音波の波長の、例えば１／２の間隔となるように設定される。この演算部２０による演算内容の詳細についても後述する。

図２は、プローブを構成する複数のマイクロホンの配列の一例を示した図である。

ここでは、中心点に、このプローブ１０の向きを視認するためのカメラ１１が配置されており、その中心点を取り巻くように３６個のマイクロホン１２が配列されている。本実施形態のプローブ１０は、４個のマイクロホン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを、それらのマイクロホンどうしの間隔が不均等となるように配置し、それら４個のマイクロホン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからなる組を、円周方向に９等分した各領域それぞれに配置している。

図３は、ビームフォーミングの原理説明図である。ビームフォーミング自体は広く知られた技術であり、ここではその概要を説明するにとどめる。

ここでは、マイクロホン１２として無指向性のマイクロホンが使われている。

図３（Ａ）は、プローブ１０の正面に音源が存在する場合の模式図である。

音源がプローブ１０の正面に存在すると、音源から各マイクロホン１２までの距離は互いに等しく、それら複数のマイクロホン１２での受音で得られた音信号を互いに加算すると位相が等しいために大きな振幅の信号が得られることになる。

図３（Ｂ）は、プローブ１０が向いた方向に対する斜めの方向に音源が存在する場合の模式図である。

音源がプローブ１０に対し斜めの位置にあると、音源と各マイクロホン１２との間の音伝播路の長さがそれぞれ異なる。すなわち、ある１つの時刻に音源から発せられた音が各マイクロホンに到達する時刻が異なる。言い換えると、各マイクロホン１２で同時に受音された音信号は位相が異なっている。したがってそれら複数のマイクロホンでの受音で得られた音信号を互いに加算すると、互いに打ち消し合って小さな信号となってしまう。すなわち、複数のマイクロホン１２で得られた音信号を互いに加算すると図３（Ｃ）に示すように、全体として指向性を待つことになる。

ところで、今度は複数のマイクロホンでの受音で得られた音信号を互いの位相を調整して加算すると、複数の測定点Ｐ（図１参照）のうちの、その位相の調整の仕方に応じた測定点Ｐに指向の方向を合わせることができる。

ここで、音源から発せられる音が高周波になると経路差と周期が合致し音源が存在しない位置に音源が存在するかのような信号（いわゆるゴースト）が得られることが知られている。図２に示すマイクロホン１２どうしの間隔を不均等にするのは、このゴーストの発生を抑えるためである。例えば、マイクロホン１２を等間隔に配置した場合の測定可能周波数が５００Ｈｚ〜３０００Ｈｚである場合に、図２に示すように不均等に配置することにより、測定可能周波数を５００Ｈｚ〜１０ｋＨｚとすることができる。

図４は、演算部で実行される音源探査演算の演算内容を示すフローチャートである。

図５は、音圧分布および測定点の１次元断面を示した模式図である。図５の横軸は関心領域内の座標位置［ｍ］、縦軸は音圧［Ｐａ］を表わしている。

さらに、図６は、差分音圧の配列を示した図である。

この図６の横軸は、図５の横軸と同じ座標位置［ｍ］、縦軸は差分の音圧［Ｐａ］を表わしている。

音源探査にあたっては、先ず、初期測定点が設定される（ステップＳ０１）。ここでは図１に示すように、演算部２０に、関心のある周波数ｆ_０あるいは関心のある周波数帯域（ｆ_１〜ｆ_２）のうちの最高周波数ｆ_２が設定され、演算部２０は隣接する測定点どうしの間隔がその関心周波数ｆ_０あるいは、最高周波数ｆ_２の音の波長の１／２の間隔となるように、初期の測定点が設定される。

図５には、この初期の測定点Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１５の音圧が四角形の記号で示されている。

次にプローブ１０を構成する複数のマイクロホン１２での受音で得られた音信号を取得し（ステップＳ０２）、その音信号に基づいて、ステップＳ０１で設定された初期測定点それぞれについての音圧を算出し（ステップＳ０３）、さらに隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧を算出する（ステップＳ０４）。

図６（Ａ）は、この１回目の計算における差分音圧を示している。

次にこの差分音圧と閾値とを比較する（ステップＳ０５）。そして閾値以上の差分音圧が存在していたら（ステップＳ０６）、その閾値を越える差分音圧が得られた、隣接する２つの測定点どうしの間に、新たな測定点を設定する（ステップＳ０７）。

本実施形態では、隣接する２つの測定点の中点に新たな測定点が設定される。図５では、この新たな測定点は、○印で示される「２回目の測定点」Ｐ２．５，Ｐ４．５，Ｐ５．５，Ｐ６．５，Ｐ７．５，Ｐ９．５，Ｐ１０．５，Ｐ１１．５である。

次にそれらの新たな測定点についての音圧が算出され（ステップＳ０８）。さらに、それらの新たな測定点を含む隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧が算出され（ステップＳ０９）、閾値と比較される（ステップＳ１０）。

図６（Ｂ）には、１回目の計算における差分音圧（図６（Ａ））に重ねて、この２回目の計算における差分音圧が示されている。

次にステップＳ０６に戻り、ここでは、図６（Ｂ）に示すように、未だ閾値を越える差分音圧が存在するため、さらに新たな測定点（図５に示す例では、Ｐ５．２５，Ｐ６．２５）が設定され（ステップＳ０７）、それらの新たな測定点（Ｐ５．２５，Ｐ６．２５）の音圧が算出され（ステップＳ０８）、さらに、それらの新たな測定点（Ｐ５．２５，Ｐ６．２５）を含む隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧が算出されて（ステップＳ０９）、閾値と比較される（ステップＳ１０）。

図６（Ｃ）には、１回目および２回目の計算における差分音圧に重ねて、この３回目の計算による差分音圧が示されている。

閾値と比較した結果（ステップＳ１０）、今度は閾値を越える差分音圧は存在しなくなり（ステップＳ０６）、この音源探査を終了する。

ここでは、簡単に示すため１次元的な演算について説明したが、例えば２次元的に広がる関心領域内の互いに直交するｘ方向とｙ方向とのそれぞれについて上記の演算が行なわれて、その関心領域内の音圧分布が算出される。

図７は、２次元的な関心領域内の音圧分布を可視化して示した図である。

この図７におけるハッチングの違いは、例えば色の違いとして表現される。上記のようにして算出した音圧は、例えばこの図７に示すように表示することにより、ユーザにその情報が提供される。この図７には、音源を表わす音圧のピークＰＫが３箇所にあらわれている。図２に示すプローブ１０にはカメラ１１が備えられており、関心領域の画像を重ね合わせて表示することで、音源位置の情報が一層分かり易く提供される。

ここでは、上記の通り、差分音圧が大きい領域についてのみ細かな間隔で音圧を算出しているため、演算量の低減、すなわちリアルタイム性の向上と、音源位置固定の正確性が高い次元で両立する。

図８は、関心領域内の差分音圧計算の他の例を示した図である。

ここに示す例では、前述のようにして２次元的に離散している各測定点Ｐ（図１参照）についての音圧を算出した後、以下に説明するようにして差分音圧が算出される。

図８（Ａ）は、ｘ方向の差分演算を行なうフィルタを示す図である。

関心領域内の任意の測定点（ｘ，ｙ）において、その測定点と、その測定点に対しｘ方向、ｙ方向の前後に隣接する各測定点の音圧に図８（Ａ）の各係数を掛けてその合計値を算出する。ここでは、この合計値をＬｘとする。

図８（Ｂ）は、ｙ方向の差分演算を行なうフィルタを示す図である。

関心領域内の任意の測定点（ｘ，ｙ）において、その測定点と、その測定点に対しｘ方向、ｙ方向の前後に隣接する各測定点の音圧に図８（Ｂ）の係数を掛けて、その合計値を算出する。ここでは、この合計値をＬｙとする。

次いで、差分音圧Δとして、

を計算する（図８（Ｃ））。この差分音圧Δと閾値との大小を比較して、閾値を越える差分音圧Δが得られたときは、さらにｘ方向、ｙ方向双方に２分割することにより新たな測定点を設定して、その新たな測定点について音圧を計算する。この場合、１回につき新たな測定点は４点設定されることになる。

ここでは、測定点を矩形の升目で表現しており、１回目の測定点をＰ_{ｉ，ｊ（ｉ，ｊ＝０，１，２）}とし、新たに設定された４つの測定点をＰ_ｘ，ｙ、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ、}Ｐ_{ｘ，ｙ＋１}、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ＋１}とする。これら４つの新たな測定点Ｐ_ｘ，ｙ、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ}、Ｐ_{ｘ，ｙ＋１}、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ＋１に}ついて音圧が計算される。

上記の図８（Ａ），（Ｂ）の計算を行なうにあたっては、ｘ方向、ｙ方向に隣接する８つの測定点の音圧と、中央にある自分自身の音圧との合計９つの測定点の音圧が必要となる。

ここでは、Ｐ_ｘ，ｙの測定点について、図８（Ａ），（Ｂ）の計算を行なうものとして説明する。このとき、測定点Ｐ_ｘ，ｙ、その周囲の８つの測定点とを含む、図８（Ｄ）に斜線を付した９つの測定点Ｐ_{ｘ−１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ}、Ｐ_ｘ，ｙ、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ＋１}、Ｐ_{ｘ，ｙ＋１}、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ＋１}の音圧が計算に使われる。

ここでは、４つの新たな測定点Ｐ_ｘ，ｙ、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ}、Ｐ_{ｘ，ｙ＋１}Ｐ_{ｘ＋１，ｙ＋１}の音圧は計算済であるが、残りの５つの測定点Ｐ_{ｘ−１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ＋１}の音圧のデータは存在しない。そこでここでは、それら５つの測定点Ｐ_{ｘ−１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ＋１}の音圧として、それぞれ、１回目の測定点Ｐ_０，０、Ｐ_1，０、Ｐ_１，０、Ｐ_０，１、Ｐ_０，１の音圧が計算に使われる。このような音圧データの代用を行なっても、Ｐ_{ｘ−１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ＋１，ｙ−１}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ}、Ｐ_{ｘ−１，ｙ＋１}の音圧を計算してその計算した音圧を使った場合と最終的にほとんど同じ精度の計算結果が得られている。

本発明では、このように２次元的な差分演算を採用して差分音圧を算出することによって新たな測定点を設定してもよい。

以上の通り、本実施形態によれば、音源探査のリアルタイム性の確保と音源位置の正確性を高度に両立させることができる。

尚、上述の説明では、関心周波数ｆ_０あるいは、最高周波数ｆ_２の音の波長の１／２の間隔となるように、初期の測定点を設定する旨、説明したが、必ずしも１／２の間隔に設定する必要はなく、それよりも狭い間隔に設定してもよい。

１音源探査装置
１０プローブ
１１カメラ
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄマイクロホン
２０演算部

Claims

配列された複数のマイクロホンを備えたプローブと、
前記プローブで受音して得た音信号に基づいて、空間上の関心領域内に離散的に設定した複数の初期の測定点の音圧を算出し隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧を算出して該差分音圧を閾値と比較し、さらに
閾値以上の差分音圧が得られた隣接する２つの測定点どうしの間に新たな測定点を設定して該新たな測定点の音圧を算出し、該新たな測定点を含む隣接する測定点の音圧どうしの差分からなる差分音圧を算出して閾値と比較する過程を、前記関心領域に関する全ての差分音圧が閾値以下となるまで繰り返す音源探査演算を実行する演算部とを有することを特徴とする音源探査装置。
前記関心領域が、前記プローブ側から覗めたときに２次元的に広がる空間であって、前記演算部が、前記音源探査演算を、互いに異なる２方向それぞれについて独立に実行するものであることを特徴とする請求項１記載の音源探査装置。
前記関心領域が、前記プローブ側から覗めたときに２次元的に広がる空間であって、前記演算部が、２次元差分演算を用いて前記新たな測定点を設定するものであることを特徴とする請求項１記載の音源探査装置。
前記演算部は、前記複数の初期の測定点を、隣接する測定点どうしの間隔が関心周波数領域の最高周波数あるいは関心周波数の音波の波長の１／２以下の間隔となるように設定するものであることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の音源探査装置。