JP2021194166A

JP2021194166A - 集音器

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Publication number: JP2021194166A
Application number: JP2020101643A
Authority: JP
Inventors: 正樹照岡; Masaki Teruoka; 裕章杉野; Hiroaki Sugino; 博中野; Hiroshi Nakano
Original assignee: REMEDIA KK
Current assignee: REMEDIA KK
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2021-12-27
Anticipated expiration: 2040-06-11
Also published as: JP6902250B1

Abstract

【課題】ヘルムホルツ共鳴を用いた集音器を提供する。【解決手段】周囲を内壁で囲まれた内部空間１０５、及び内部空間１０５と外部との間を連通する貫通穴１０７を有する筐体１０３と、筐体１０３の外面の一部であって、貫通穴１０７の外側の開口を囲むように配置された、集音対象物と接する接触面１０９と、内部空間１０５に向かって集音部が配置されたマイクロフォン１１５と、を備え、貫通穴１０７から内部空間１０５に伝わった空気振動にヘルムホルツ共鳴が生じ、ヘルムホルツ共鳴による共鳴周波数は、１ｋＨｚから１０ｋＨｚである、集音器を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、任意の周波数の音波を選択して集める集音器に関する。

聴診器など心臓の音、肺の音を聞く器具は、心音のスペクトルのほとんどが２０〜１００Ｈｚの間にあり、気管音の周波数は、吸気では６０〜６００Ｈｚ、呼気では６０〜７００Ｈｚであることから、数十から数百Ｈｚの低周波数の音を収集するように設計されていた。例えば特許文献１には、体内音の感知と同時に感知された体内音を示すパターンでライトを点滅させる聴診器が記載されている。

しかしながら、百日咳、ぜんそくの診断に使われる喘鳴は、周波数が１００〜２５００Ｈｚであり、肺炎の診断に使われる肺のクラックル音（水泡音）は、周波数が約１ｋＨｚであり、睡眠時無呼吸症候群（ＳＡＳ）の診断に使われるいびき音は、周波数が１ｋＨｚから１０ｋＨｚの高周波数の音に特徴がある。したがって、ぜんそく、肺炎の診断やＳＡＳの診断には、周波数が１ｋＨｚ以上の高周波数の音を収集する必要がある。

特表２０１７−５３６８６７号公報

従来の聴診器は、心音と肺音を同時に聞くために周波数が１ｋＨｚから１０ｋＨｚの高周波数の音波に特化して収集するものではなかった。そこで本発明は、周波数が１ｋＨｚから１０ｋＨｚの音波を効率よく収集できる集音器を提供することを目的とする。また、このような集音器を用いて、肺のクラックル音やいびき音を効率よく収集し、肺炎やＳＡＳを診断する診断装置を提供することを目的とする。

本発明の集音器は、
周囲を内壁で囲まれた内部空間、及び前記内部空間と外部との間を連通する貫通穴を有する筐体と、
前記筐体の外面の一部であって、前記貫通穴の外側の開口を囲むように配置された、集音対象物と接する接触面と、
前記内部空間に集音部が配置されたマイクロフォンと、
を備え、
前記貫通穴から前記内部空間に伝わった空気振動にヘルムホルツ共鳴が生じ、
前記ヘルムホルツ共鳴による前記共鳴周波数は、１ｋＨｚから１０ｋＨｚである、集音器である。

本発明は、ヘルムホルツ共鳴を用いることにより、周波数が１ｋＨｚから１０ｋＨｚ、好ましくは、周波数が２ｋＨｚから６ｋＨｚの音を増幅して集音できる集音器が提供される。したがって、肺のクラックル音や、いびき音を効率よく収集し、肺炎やＳＡＳを診断する診断装置が提供される。

本発明の実施の形態に係る集音器の（ａ）側面図と（ｂ）上面図である。本発明の実施の形態に係る集音器の（ａ）Ｂ−Ｂ断面図と（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。本発明の集音器を人体に適用していびき音を収集する概略図である。本発明の実施例１による集音器の周波数特性を示す図である。本発明の実施例２による集音器の周波数特性を示す図である。

以下、本発明を実施するための様々な実施の形態を、図面を参照して説明する。なお以下に説明する集音器は、本開示の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本開示を以下のものに限定しない。要点の説明または理解の容易性を考慮して、異なる図面で便宜上符号を同一にして示す。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。

図１は、本発明の実施の形態に係る集音器の（ａ）側面図と（ｂ）上面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る集音器の（ａ）Ｂ−Ｂ断面図と（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。図１及び２を参照しながら、本発明の集音器を説明する。

（集音器の外形の説明）
図１（ａ）に示されるように、本発明の実施形態に係る集音器１０１は、筐体１０３を備える。筐体１０３は、幅広の下端部と胴長の本体部からなる段差の付いた形状をしている。また、図１（ｂ）に示されるように、本発明の実施形態に係る筐体１０３は、上面から見ると、２重の円形をしている。筐体１０３の幅広の下端部は、本体部よりやや大きい円形をしている。

すなわち、本体部と下端部は、円柱が積み重ねられた形状をしている。下端部は、本体部より半径の大きい円柱である。本実施形態では、上面から見ると円形であるが、平面視は四角形など多角形、楕円、その他各種形状をとることができる。

筐体１０３の下端部は、集音対象物、例えば人体に接触して音を集音するため、本体部に比べ面積が大きくなっている。下端部は、直径６ｍｍから２ｃｍ、高さ２ｍｍから５ｍｍの大きさであることが好ましい。

筐体１０３の本体部は、集音した音をヘルムホルツ共鳴で増幅するための適切な大きさにされている。ここでは、直径４ｍｍから１．５ｃｍ、高さ５ｍｍから２ｃｍの大きさであることが好ましい。

筐体１０３の本体部と下端部は、同一の材料でできていてもよいし、異なる材料でできていてもよい。本実施形態では、筐体１０３の本体部と下端部は、同一のゴムからなる弾性部材でできている。

筐体１０３の本体部は、ヘルムホルツ共鳴を起こすため弾性材料より硬い、プラスチック、金属、ガラスなど適切な材料を用いることができる。また、筐体１０３の下端部は、集音対象物に接触して集音するため、弾性材料の中でも柔らかく、例えば人の肌に接触して形状変化するシリコンゴムなどの材料を用いることができる。

（集音器のヘルムホルツ共鳴に関する説明）
図２（ａ）に示されるように、筐体１０３は、周囲を内壁で囲まれた内部空間１０５を備える。内部空間１０５は、筐体１０３の本体部に設けられる。図２（ｂ）に示されるように、この内部空間１０５は、ヘルムホルツ共鳴を生じるために、平面視で、貫通穴１０７と中心を揃えた直径１．５ｍｍから４．５ｍｍの円形で、高さ１ｍｍから４ｍｍの円筒形である。

図２（ａ）に示されるように、筐体１０３は、内部空間１０５と外部との間を連通する貫通穴１０７を有する。図２（ｂ）に示されるように、この貫通穴１０７はヘルムホルツ共鳴を生じるために平面視で直径０．５ｍｍから１．５ｍｍの円形で、高さが、０．５ｍｍから１．５ｍｍの円筒形である。

図２（ａ）に示されるように、筐体１０３の外面の一部であって、貫通穴１０７の外側の開口を囲むように配置された、集音対象物と接する接触面１０９を備える。その接触面１０９の内側には、貫通穴１０７を囲み接触面１０９に囲まれた、接触面１０９より凹んで形成された面１１１を備えてもよい。

面１１１により形成された外部空間１１３は、集音対象物からの音を集音する役割を果たす。外部空間１１３は必須ではないがあることが好ましい。外部空間１１３は、平面視で貫通穴１０７と中心を揃えた直径１．５ｍｍから４．５ｍｍの円形で、高さが１ｍｍから４ｍｍの円筒形である。

図２（ａ）に示されるように、筐体１０３の内壁には、内部空間１０５に向かって集音部が配置されたマイクロフォン１１５を備える。マイクロフォン１１５は、筐体１０３の下端部で集音され、筐体１０３の本体部でヘルムホルツ共鳴により増幅された音を電気信号に変換する。

マイクロフォンは、貫通穴１０７と筐体１０３の内壁の対向する位置に配置されることが好ましいが、これに限定されず、筐体１０３の本体部の内壁であって側壁に設けられてもよい。

本発明の集音器の貫通穴１０７から内部空間１０５に伝わった空気振動にヘルムホルツ共鳴が生じる。このヘルムホルツ共鳴による共鳴周波数は１ｋＨｚから１０ｋＨｚであり、特に２ｋＨｚから６ｋＨｚであることが好ましい。電気信号に変換された音は、外部機器で録音され、肺炎、ＳＡＳなどの病気の診断のために用いられる。

（ヘルムホルツ共鳴）
ヘルムホルツ共鳴による共鳴周波数Ｆは、以下の式で表される。

ここで、ｃは音速、Ａは、貫通穴１０７の面積、Ｖは、内部空間１０５の体積、Ｌは、貫通穴１０７の高さである。

すなわち、本発明の実施形態においては、貫通穴１０７の面積は、０．２０ｍｍ^２から１．７７ｍｍ^２であり、内部空間１０５の体積は、１．７７ｍｍ^３から６３．３ｍｍ^３であり、貫通穴１０７の高さは０．５ｍｍから１．５ｍｍであることが好ましい。

また、ヘルムホルツ共鳴を起こすために、かならずしも筐体１０３の本体部は、円筒形でなくてもよいが、ヘルムホルツ共鳴により共鳴を起こし、内壁に、特に内壁の上部に設置されたマイクロフォン１１５で集音するために円筒形であることが好ましい。内壁の側壁にマイクロフォン１１５を設置するのであれば、直方体、立方体、多角柱などであってもよい。

（ＳＡＳの診断装置の実施形態）
図３は、本発明の集音器を人体に適用していびき音を収集する概略図である。図３を参照しながら、本発明の適用例を示す。

図３に示されるように、被測定者の気管の上に本発明の集音器１０１を設置し、被測定者には睡眠を取ってもらう。集音器１０１により、周波数が１ｋＨｚから１０ｋＨｚの睡眠中の肺音を効率よく収集できる。

いびき音は、特に周波数が１ｋＨｚから１０ｋＨｚの間に特徴的な波形を有するため、本発明の集音器を用いると検出が容易になる。このいびき音を解析してＳＡＳを診断できる。

また、肺のクラックル音も周波数が約１ｋＨｚにあるため、睡眠中に肺炎の診断もできる。このいびき音、クラックル音は、測定装置１２１で録音され、解析される。ＡＩを用いていびきや呼吸の周期や呼吸音の周波数を解析し、リアルタイムで無呼吸症候群の警告を出す、肺炎の警告を行うなどが考えられる。

また、測定装置１２１は、録音機能と通信機能を備える場合もある。例えば、測定装置１２１は、スマートフォンを用いることができる。このような測定装置１２１は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、インターネット、電話回線を用いて録音後、またはリアルタイムで集音した音を遠隔地に送信できる。したがって、遠隔地にいる医者は、録音した音またはリアルタイムの音で診断できる。

本発明の集音器１０１において、貫通穴１０７は、平面視で直径０．５ｍｍから１．５ｍｍの円形で、高さが、０．５ｍｍから１．５ｍｍの円筒形であるように構成された。また、その内部空間１０５は、平面視で貫通穴１０７と中心を揃えた直径１．５ｍｍから４．５ｍｍの円形で、高さが１ｍｍから４ｍｍの円筒形であるように構成された。

また、本発明の集音器１０１において、外部空間１１３は、平面視で、貫通穴１０７と中心を揃えた直径１．５ｍｍから４．５ｍｍの円形で、高さ１ｍｍから４ｍｍの円筒形であるとように構成された。

ヘルムホルツ共鳴を起こすためには、様々な範囲を取り得るが、ヒトの気管の上に長時間当てるにはできるだけ小さい方がよい。しかしながら、肺音を集音するためには、共鳴周波数に合わせてある程度の大きさを必要とする。そのための大きさが上記のものである。

本実施例では、図１及び図２に示したように内部空間１０５を備える筐体１０３を、接触面１０９を備える下端部に重ねて集音器１０１を作製した。集音器１０１の内部構造は、貫通穴１０７を直径１ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒形、内部空間１０５を直径３ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒形、外部空間１１３を直径３ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒形とした。

この数値を上記ヘルムホルツの共鳴式に代入して求めた共鳴周波数は、１３．９４ｋＨｚである。これにマイクロフォン１１５の設置空間を３１．１ｍｍ^３とすると、約６ｋＨｚになる。

図４に、本発明の実施例１による集音器の周波数特性を示す。図４からわかるように、周波数が５．５７ｋＨｚの位置にピークが生じている。理論値と若干の乖離はあるが、材質が弾性体であることなどを考えるとよい一致であると考えられる。

本実施例では、実施例１と比べて内部空間１０５の高さを４ｍｍと４倍にした。貫通穴１０７を直径１ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒形、内部空間１０５を直径３ｍｍ、高さ４ｍｍの円筒形、外部空間１１３を直径３ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒形として、集音器１０１を作製した。

この数値を上記ヘルムホルツの共鳴式に代入して求めた共鳴周波数は、３．６３ｋＨｚである。

図５に本発明の実施例２による集音器の周波数特性を示す。図５からわかるように、周波数のピークは２．２９ｋＨｚであった。これも、理論値と若干の乖離はあるが、十分に一致していると考えられる。

本発明は、ヘルムホルツ共鳴を用いることにより、周波数が１ｋＨｚから１０ｋＨｚ、好ましくは、周波数が２ｋＨｚから６ｋＨｚの音を増幅して集音できる集音器が提供される。したがって、肺のクラックル音や、いびき音を効率よく収集し、その診断に役立てることができる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

本発明により提供された集音器を用いて、ＳＡＳ及び肺炎の診断を簡易にすることができる。

１０３筐体
１０５内部空間
１０７貫通穴
１０９接触面
１１１面
１１３外部空間
１１５マイクロフォン

Claims

周囲を内壁で囲まれた内部空間、及び前記内部空間と外部との間を連通する貫通穴を有する筐体と、
前記筐体の外面の一部であって、前記貫通穴の外側の開口を囲むように配置された、集音対象物と接する接触面と、
前記内部空間に向かって集音部が配置されたマイクロフォンと、
を備え、
前記貫通穴から前記内部空間に伝わった空気振動にヘルムホルツ共鳴が生じ、
前記ヘルムホルツ共鳴による共鳴周波数は、１ｋＨｚから１０ｋＨｚである、集音器。
前記貫通穴を囲み前記接触面に囲まれた面が前記接触面より凹んで形成されている、請求項１に記載の集音器。
前記筐体は、弾性体からなる請求項１または２に記載の集音器。
前記貫通穴の平面視の面積は、０．２０ｍｍ^２から１．７７ｍｍ^２であり、
前記貫通穴の高さは、０．５ｍｍから１．５ｍｍであり、
前記内部空間の体積は、１．７７ｍｍ^３から６３．６ｍｍ^３である、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集音器。
前記貫通穴は、平面視で直径０．５ｍｍから１．５ｍｍの円形で、高さ０．５ｍｍから１．５ｍｍの円筒形であり、
前記内部空間は、平面視で前記貫通穴と中心を揃えた直径１．５ｍｍから４．５ｍｍの円形で、高さ１ｍｍから４ｍｍの円筒形である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の集音器。
前記貫通穴を囲み前記接触面に囲まれた面により形成された外部空間は、平面視で前記貫通穴と中心を揃えた直径１．５ｍｍから４．５ｍｍの円形で、高さ０．５から１．５ｍｍの円筒形である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の集音器。
前記ヘルムホルツ共鳴による共鳴周波数は、２ｋＨｚから６ｋＨｚである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の集音器。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の集音器を人体の気管の上に当て、肺音のクラックルを測定する測定装置。