JP4017465B2 - 集音装置および音波分析システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、音源、特に、移動音源から音波を集音する装置、および、集音された音波を分析する音波分析システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音源から発生する音波の分布を精度良く計測するための装置が知られている。たとえば、「指向性集音装置を用いた風洞実験解析法（長倉 清、鉄道総研報告第１３巻第１２号第１５頁〜第２０頁 １９９９年１２月発行）」には、回転楕円面の反射板を持つ指向性集音装置が提案されている。この指向性集音装置においては、回転楕円面に隣接する焦点にマイクロフォンを配置し、他の焦点を音源位置とする音波を収集することができる。
【０００３】
しかしながら、列車や自動車などの音源は、垂直方向に長さ（高さ）持つため、複数の音源位置からの音波を収集することが望ましい。そこで、従来、垂直方向の複数の音源位置からの音波が収集できるように、複数の指向性集音装置を配置した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、適切な音源位置の音波を収集すべく、複数の指向性集音装置をそれぞれ配置することは容易ではないという問題点があった。また、複数の指向性集音装置を利用するため、それぞれの製品誤差から取得されたデータの精度を確保することが容易ではないという問題点もあった。さらに、複数の指向性集音装置を配置するためには、比較的大きな場所を確保する必要もある。
【０００５】
本発明は、装置を容易に配置でき、かつ、精度の良いデータを取得することが可能な集音装置、および、音波分析システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、垂直方向に長さを有する音源が移動する場合にも、精度の良いデータを取得、分析できる音波分析システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、垂直方向に長さを有する音源探査領域からの音波を収集する集音装置であって、少なくとも内側が曲面の反射板と、前記音源探査領域中の特定の音源収集位置からの音波をそれぞれ収集するように、前記曲面の焦点を通る直線上に配置された複数のマイクロフォンとを備え、前記音源収集位置からの音波が、それぞれ、前記反射板の内側曲面を反射して、対応するマイクロフォンに到達することにより音波が収集されることを特徴とする集音装置により達成される。
【０００７】
本発明によれば、反射板の内側曲面の焦点を通る直線上に複数のマクロフォンを配置し、各マイクロフォンが、垂直方向の長さ、つまり、高さを有する音源探査領域中の所定の音源探査位置からの音波を収集する。したがって、複数の反射板を利用し、反射板の位置や方向を調整する必要なく、高さを有する音源からの音波を収集することが可能となる。
好ましい実施態様においては、曲面が回転楕円面であり、かつ、複数のマイクロフォンが、それぞれ、他の焦点を通る直線上に位置する音源探査領域中の特定の音源収集位置からの音波を収集する。
【０００８】
回転楕円面において、他方の焦点からの音波は、一方の焦点に集中することが知られている。また、反射波であれば、経路に関わらず音源から一方の焦点までの距離が等しいことも知られている。さらに、本発明者は、焦点を通る直線上に複数のマイクロフォンを配置することにより、特定の音源収集位置からの音波を、それぞれのマイクロフォンが適切に収集できること、つまり、特定の音源収集位置から反射面となる内側曲面を経てマイクロフォンに到達する経路長が、それぞれ、近似的に一致することを見出した。
【０００９】
また、好ましい実施態様においては、さらに、前記複数のマイクロフォンが、前記焦点からの距離Δｚと、前記他の焦点とそれぞれに対応する音源収集位置との距離Ｚとが、Ｚ≒αΔｚ（αは定数）となるように配置される。
より好ましい実施態様においては、さらに、前記複数のマイクロフォンが前記焦点を通る直線上に等間隔で配置されている。
【００１０】
また、本発明の目的は、上記構成の集音装置からの信号を受理して、当該信号に基づき、前記音源からの音波を分析するシステムであって、前記複数のマイクロフォンからの信号をそれぞれディジタル化して、複数のデータ系列を取得するＡ／Ｄ変換手段と、前記データ系列のそれぞれから、帯域ごとのレベルであるバンドレベルを取得するバンドレベル取得手段と、前記音源収集位置の距離を参照して、データ系列間のバンドレベルを補間するデータ補間手段と、前記データ系列および補間されたデータに基づき、前記帯域ごとに、前記音源探査領域の二次元バンドレベルを含む画像を生成する画像生成手段とを備えたことを特徴とする音波分析システムによっても達成される。
【００１１】
上記発明によれば、複数のマイクロフォンからの信号に基づき取得した、複数の音源収集位置に関するデータ系列を参照して、データ系列間のデータを補間する。データ系列中のデータおよび補間されたデータにより、二次元バンドレベルが得られる。したがって、移動する音源（移動音源）の経時的変化や、垂直方向だけでなく、水平方向に長さを有する移動音源、たとえば、列車や自動車の垂直方向および水平方向の特定の位置から発せられる音波を適切に捉え、分析することが可能となる。
【００１２】
好ましい実施態様においては、前記帯域ごとの二次元バンドレベルの一方の軸が、移動する音源の水平方向の長さを示すように、前記二次元バンドレベルを生成するように構成されている。この実施態様によれば、一方の軸を水平方向の長さとすることで、列車などにおいて、水平方向および垂直方向の双方について、どの位置でどのような音が発せられているかを把握することが可能となる。
【００１３】
また、別の好ましい実施態様においては、前記バンドレベル取得手段が、各データ系列から所定間隔のサンプル点のデータを取り出すデータ抽出手段と、前記取り出されたデータに対して高速フーリエ変換処理を施すＦＦＴ手段と、前記高速フーリエ変換処理が施されたデータを帯域ごとに取りまとめる帯域収集手段とを有する。
たとえば、補間手段は、前記収集装置の音源収集位置間の差をパラメータとして受理し、当該パラメータを参照してバンドレベルを補間するように構成されているのが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態につき説明を加える。図１は、本発明にかかる音波測定分析システムの概略構成を示すブロックダイヤグラムである。図１に示すように、音波測定分析システムは、集音装置１０を備えている。集音装置１０においては、垂直方向に（２ｎ＋１）本のマイクロフォン１２−(−ｎ)、１４−(−ｎ−１)、・・・、１２−０、・・・、１２−ｎがデータレコーダ１６に接続されている。本実施の形態において、これら（２ｎ＋１）本のマイクは、回転楕円面を有する反射板１４からの反射音を収集する。
【００１５】
（２ｎ＋１）本のマイクロフォンにて収集された信号は、データレコーダ１６に与えられ、データレコーダ１６において、各マイクロフォン１４からの信号が蓄積される。また、データレコーダ１６には、処理装置２０が接続されるようになっている。
【００１６】
処理装置２０は、データレコーダ１６から、各マイクロフォン１２にて収集された信号を受理して、ディジタル化するＡ／Ｄ変換器２２と、取得されたマイクロフォンに基づくディジタルデータの系列（データ系列）に、それぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すＦＦＴ処理部２４と、データ補間を実行して、二次元平面上のデータを生成する補間演算部２６と、ディジタルデータ、パラメータなど、処理装置２０中にて利用されるデータを記憶するデータバッファ２８と、演算や画像生成のために必要なパラメータの設定、算出などの処理を実行するパラメータ処理部３０と、表示装置に表示し、或いは、プリンタに出力するための画像を生成する画像生成部３２と、マウスやキーボードなどの入力装置３４と、表示装置３６と、プリンタ３８とを有している。
【００１７】
たとえば、本実施の形態にかかる処理装置２０は、パーソナルコンピュータにより実現することができる。パーソナルコンピュータに、ＣＤ−ＲＯＭに収容された処理プログラムをインストールすることにより、その機能を実現することが可能となる。
【００１８】
［本発明の原理］
基本的に、本発明は、反射板の焦点付近に、複数のマイクロフォンを焦点位置から所定距離（Δｚ）だけずらして配置した場合に、音源面においては、マイクロフォンの位置と反対側に、約αΔｚだけずれた位置から回転反射面の各点を経由してマイクロフォンに到達する音波の経路長が、近似的に（音波の半波長に比較して十分小さいオーダで）一致する、という本発明者による知見を利用している。この知見を利用すると、マイクロフォンを焦点位置からΔｚずらして配置することにより、当該マイクロフォンの位置と反対方向（中心に対する点対称の方向）にαΔｚずらして配置して計測するのと同様の結果を得ることができる。したがって、Δｚが異なるように、複数のマイクロフォンを垂直方向に配置することにより、垂直方向に複数の位置の音源の音波を集音することが可能となる。
【００１９】
無論、高周波数域においては、音波の半波長が、反射板面内の各点を経由してマイクロフォンの到達する経路長のばらつきと比較して十分に大きいといえなくなるため、特性にある程度の差異が生じうる。
【００２０】
本実施の形態においては、図２（ａ）において、ａ＝１．９８ｍ、ｂ＝１．３０ｍ、ｃ＝１．５０ｍ、Ｒ０＝０．８５ｍ、φ＝９０°であるような、回転楕円面を有する反射板１４を利用した。この形状の反射板１４において、上述したマイクロフォン間の距離Δｚと、音源位置の間の距離とに関するα≒４．６であることがわかった。そこで、この反射板１４の反射板側の焦点２０１を通るように、垂直方向に、３０ｍｍの間隔で、９本のマイクロフォンを配置した。したがって、マイクロフォン１２−（−４）〜１２−（４）の配置は、Δｚ＝０、±３０、±６０、±９０、±１２０ｍｍとなる。その一方、音源面においては、他の焦点２０２を通るように、垂直方向に、約１４０ｍｍの間隔で音源収集位置２１２−（−４）〜２１２−４が現れる。つまり、各マイクロフォンに対応して、ｚ≒０、±１４０、±２８０、±４２０、±５６０ｍｍの位置が、音源収集位置となる。なお、ここで、音源収集位置は、マイクロフォンの位置と焦点を対象として逆の方向に現れる。つまり、図２（ｂ）において、マイクロフォン１２−（−４）は、位置２１２−（−４）からの音波を収集する。同様に、マイクロフォン１２−（−３）、１２−（−２）、１２−（−１）、・・・、１２−３、１２−４は、それぞれ、位置２１２−（−３）、２１２−（−２）、２１２−（−１）、・・・、２１２−３、２１２−４からの音波を収集する。
【００２１】
図３ないし図８は、それぞれ、２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、４ｋＨｚおよび８ｋＨｚのそれぞれにおける、音源収集位置による増幅率の変動を示すグラフである。それぞれの図において、Δｚ＝３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍおよび１２０ｍｍでの増幅率を明示した。また、これらの図において、ｚ座標を、音源面（音源探査領域）での垂直方向（Δｚの符号と逆向き）にとった。低い周波数域では、全マイクロフォンともｚ≒αΔｚを中心に、ほぼ同じ変動パターンであることがわかる。これに対して、周波数が高くなるのにしたがって、増幅率の最大値が小さくなり、パターンのメインローブの幅が広がることがわかる。これは、高周波数域においては、音波の半波長が経路長さの差と比較して十分に大きいといえなくなってくることに起因すると考えられる。
【００２２】
以下に示す表１は、上記知見にしたがって、Δｚ＝０と較べて特性がほぼ等しいといえる上限周波数をマイクロフォン位置ごとにまとめたものである。なお、ここで、「特性がほぼ等しい」とは、「増幅率の最大値の差が１ｄＢ以内」と定義した。
【００２３】
【表１】
表１を参照しても、集音位置が、焦点から離間するのにしたがって、ほぼ等しい特性を得られる最高周波数が小さくなっていくことがわかる。
【００２４】
［音波測定分析システムの動作］
図１に示す音波測定分析システムにおいて実行される処理につき以下に説明を加える。図９は、本実施の形態にかかる音波測定分析システムにて実行される処理を示すフローチャートである。図９に示すように、所定のタイミングでデータレコーダ１６が作動して、それぞれのマイクロフォン１２−（−ｎ）〜１２−ｎにて収集された音波を記録する（ステップ９００）。
【００２５】
本実施の形態においては、垂直方向の長さ（高さ）を有する音源が移動する場合に、その音波を測定・分析できるようになっている。そこで、たとえば、音源が、音源収集位置の各々に所定の距離だけ接近したことをセンサ（図示せず）が検出し、センサからの信号に応答して、データレコーダ１６が起動するようにしておけばよい。
【００２６】
一定の期間における各マイクロフォンの音波がデータレコーダ１６に収集されると、解析装置２０が起動して、データレコーダ１６に記録された音響信号をディジタル化して、データバッファ２８に記憶する（ステップ９０１）。ここでディジタル化されたデータ系列は、マイクロフォンの数だけ存在する。
【００２７】
次いで、ＦＦＴ処理部２４が、データ系列からある間隔（たとえば、１０ｍｓ間隔）でデータを取り出し（ステップ９０２）、取り出されたデータに対してＦＦＴ処理を施す（ステップ９０３）。その後、ＦＦＴ処理部２４は、その計算結果をオクターブバンドごとに取りまとめ（たとえば、周波数域として２５０〜８ｋＨｚバンド）、オクターブバンドレベルを求める（ステップ９０４）。この際に、マイクロフォン感度の周波数特性に基づき、感度を補正するのが望ましい。マイクロフォン感度の周波数特性は、たとえば、パラメータ処理部３０にて把握されたものがＦＦＴ処理部２４に与えられるようにしておけばよい。
【００２８】
次いで、各オクターブバンドにおいて、マイクロフォンの数だけ存在するデータ系列のうち、隣接するデータ系列のデータに基づきデータ補間が実行される（ステップ９０５）。上述したように、本実施の形態においては、他方の焦点と音源収集位置との距離が、一方の焦点とマイクロフォンとの間の距離Δｚの約α倍、つまり、約αΔｚとなるように、反射板１４の形状や、音源と集音装置との距離などを調整している。パラメータαは、入力装置３４を用いてオペレータが入力することにより、或いは、反射板の形状を示す他のパラメータ（たとえば、長径ａ、短径ｂ、焦点間の距離、離心率など）から計算することにより、パラメータ処理部２４にて把握されている。そこで、補間演算部２６は、隣接するデータ系列のデータ値間に、たとえば、直線補間により、音源収集位置間にデータ値を与える。無論、他の補間、たとえば、多次元補間を利用しても良い。
【００２９】
これにより、オクターブバンドごとに、移動音源であれば、移動音源の位置或いは時間に相当する軸と、垂直方向の位置の軸を有する二次元のデータを取得することができる。画像生成部３２は、オクターブバンドごとの二次元のデータに基づき、たとえば、コンタ図を含む画像を生成する（ステップ９０６）。ここでは、音の伝播距離、パラメータ処理部３０から与えられる、センサと集音装置との位置のずれを考慮して、Ｖｍ／ｓの移動音源とマイクロフォン出力との時間差が考慮される。取得されたコンタ図を含む画像は、データバッファ２８に記憶されるとともに、表示装置３６やプリンタ３８に出力される（ステップ９０７）。
【００３０】
［実施例および測定結果］
図１０に示すように、実施例においては、移動する列車（符号１０１０参照）の音源探査領域からの音波を測定分析することとした。この例では、後述するようにマイクロフォンを配置した反射板１４を支持台に固定した。また、反射板１４の一方の焦点（符号１０２０参照）を通るように、垂直方向に３０ｍｍ間隔で９本のマイクロフォンを配置した。焦点から最も離間した位置のマイクロフォンは、焦点から±１２０ｍｍ（Δｚ＝±１２０ｍｍ）であるため、音源探査領域は、他の焦点（符号１０００参照）を中心に高さ方向に±５６０ｍｍの範囲となる。また、図１０（ｂ）に示すように、他方の焦点（符号１０００）を、レールレベルから高さ３６４ｍｍの位置にあわせた。この場合、音源探査領域（図１０（ｂ）において符号Ｒ参照）は、レール１００１，１００２および車輪１０１１を含む範囲をほぼ網羅することができた。なお、図１０において、反射板１４は、図２に示すものと同一の形状およびサイズであり、Ｒ０＝０．８５ｍ、２ｃ＝３．００ｍである。さらに、図１０（ａ）に示すように、車両１０００は矢印Ａ方向に進行するため、他の焦点１０２１の位置から１５５ｍｍだけ上流側（すなわち、列車が接近する側）に、センサ１０００を配置した。
【００３１】
この実施例において、センサ１０００が列車１０１０の到達を検出することに応答して、データレコーダ１６を作動させた。データレコーダに録音された信号は、２４ｋＨｚのサンプリング周波数でディジタル化した。また、Ａ／Ｄ変換されたデータ系列から、１０ｍｓ間隔で１０２４点のデータ（データ長＝４３ｍｓ）が切り出され、ＦＦＴ処理が施された（Δｆ＝２３．４Ｈｚ 窓関数：ハニング窓）。次いで、オクターブバンドレベルが求められ、センサ１０００の信号のタイミングを考慮して、コンタ図が作成された。この例では、センサと他の焦点との位置のずれは、１１５ｍｍ（０．１１５ｍ）、反射板を経由した音の伝搬距離＝３．９６ｍであるため、列車速度がＶｍ／ｓである場合に、センサの信号タイミングとマイクロフォン出力との時間差は、（３．９６／３４０＋０．１１５／Ｖ）秒である。
【００３２】
図１１および図１２は、ある形式の列車が、列車速度＝１１９ｋｍ／ｓで走行したときのコンタ図を示す。コンタ図において、横軸は長さに換算している。図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ（１ｋＨｚ）であるときを示し、図１２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２０００Ｈｚ（２ｋＨｚ）、４０００Ｈｚ（４ｋＨｚ）、８０００Ｈｚ（８ｋＨｚ）であるときを示している。
【００３３】
同様に、図１３および図１４は、他の形式の列車が、列車速度＝１１０ｋｍ／ｓで走行したときのコンタ図を示し、図１３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ（１ｋＨｚ）であるときを示し、図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２０００Ｈｚ（２ｋＨｚ）、４０００Ｈｚ（４ｋＨｚ）、８０００Ｈｚ（８ｋＨｚ）であるときを示している。
【００３４】
本発明者は、図１１〜図１４に示すコンタ図および更に他の解析結果に基づき、以下のことを知見した。１０００Ｈｚバンド以上の周波数帯域においては、高さ方向の音源分布がおおむね捉えられている。以下の表２に、集音装置１０において、１０ｄＢの減衰が得られる距離を示す。本例においては、音源探査領域は±５６０ｍｍ、つまり、１．１２ｍである。したがって、５００Ｈｚバンド以下の周波数帯域では１．１２ｍの距離で１０ｄＢ以上の減衰を得られていないため、垂直方向の音源分離は不十分とも考えられる（たとえば、１．１２ｍでの減衰量は、２５０Ｈｚバンドで３．２ｄＢ、５００Ｈｚで６．５ｄＢ）。
【００３５】
【表２】
【００３６】
線路方向（列車進行方向）の音源分解能は、移動音源であることに関わる。周波数分析を行うために、サンプリング定理により１／Δｆの時間が必要なため、音源が移動している場合、音源の空間的な位置の情報があいまいとなる。本発明者による測定分析では、前述したように、２４ｋＨｚのサンプリングでのデータを、１０ｍｓずつずらしながら１０２４点（データ長＝４３ｍｓ）を切り出してＦＦＴ計算を行っている。たとえば、列車速度をＶ＝１０９〜１２０ｋｍ程度と考えると、線路方向（列車進行方向）に約１．３ｍの領域を０．３ｍずつずらしながら計算していることになる。１０００Ｈｚ以下の周波数域では装置の特性によって１０ｄＢ以上の減衰が得られる幅がＦＦＴの計算領域以下なので、線路方向（進行方向）の音源分解能は、列車速度とＦＦＴ計算のデータ長から決まってくることがわかった。２５０Ｈｚ、５００Ｈｚのバンドにおいては、装置の音源分解能の影響も無視できなくなるが、１．３ｍ離れた位置において、２５０Ｈｚで４．４ｄＢ、５００Ｈｚで８．８ｄＢの減衰が得られるため、音源が移動していることによる影響のほうが大きい。
【００３７】
なお、この領域長さはＦＦＴ計算のデータ数を変えることによって短くすることはできるが、周波数分解能が劣化する。走行する列車を音源とする場合に、線路方向（進行方向）の音源分解能の精度としては、列車の１つの台車内の隣接する２つの車輪（軸距＝１．９ｍ）およびその中間部の分離ができれば十分と考えられる。たとえば、図１１〜図１４のコンタ図を参照する限り、これらの分離はほぼ十分であることがわかった。
【００３８】
また、図１１〜図１４を参照すると、列車の形式などによって、音源の表れ方やその帯域が相違することがわかった。たとえば、図１３（ａ）から、２５０Ｈｚのバンドにおいて、先頭から１１ｍ付近の位置にやや大きな音源が存在する場合があることがわかる。
【００３９】
図示しない他の測定結果によっても、（１）列車によって、車輪全体に音源が分布している場合、（２）レールと車輪との接点に音源が局在している場合、（３）２つの隣接する車輪間のレールに音源が連続的に分布している場合などを見出すことができた。（１）では車輪と軸方向の振動、（２）では加振点におけるレールの振動が転動音の主要因と考えられる。また、（３）については、レール振動の減衰率が特定の周波数帯域で小さい可能性もある。
【００４０】
また、測定結果によって、電車の駆動音において隣接する２つの車輪の中間位置に音源が存在する場合もある。また、駆動車のレベル値は付随車のレベル値に較べて全般的に高いが、その差が低周波数域において著しく、モータファン音の寄与率は低周波数域ほど高いことがわかった。
【００４１】
本実施の形態によれば、回転楕円面を有する集音装置の焦点を通るように垂直方向に複数のマイクロフォンを配置し、各マイクロフォンの焦点からの距離Δｚが、他の焦点から垂直方向にαΔｚとなるようにした。これにより、高さを有する音源からの音波を適切に捉え、かつ、これを分析することが可能となる。
また、本実施の形態によれば、列車などの移動音源について、各マイクロフォンが連続的に音波を測定、記録し、当該測定された音波に基づく信号からバンドごとの２次元のレベルを取得することが可能となる。
【００４２】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
たとえば、反射板の焦点を通って垂直方向に配置するマイクロフォンの本数は９本に限定されるものではないことは言うまでも無い。また、マイクロフォンの間隔も上記実施の形態に限られるものではなく、音源探査領域の大きさなどにしたがって適宜設定すればよく、また、等間隔な配置でなくとも良い。さらに、焦点上にマイクロフォンが配置される必要も無く、焦点を通る垂直方向の軸上にマイクロフォンが配置されていれば足りる。
【００４３】
また、反射板の形状およびサイズも上記実施の形態に限定されるものではないことも言うまでもない。
さらに、前記実施の形態においては、回転楕円面を有する反射板を利用しているが、マイクロフォンの位置と、音源探査領域上の位置との間に一定の関係を有するような局面を有する反射板を利用しても良い。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、装置を容易に配置でき、かつ、精度の良いデータを取得することが可能な集音装置、および、音波計測・分析システムを提供することが可能となる。また、本発明によれば、垂直方向に長さを有する音源が移動する場合にも、精度の良いデータを取得、分析できる音波計測・分析システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明にかかる音波測定分析システムの概略構成を示すブロックダイヤグラムである。
【図２】 図２は、本実施の形態にかかる反射板の構造を示す図である。
【図３】 図３は、２５０Ｈｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図４】 図４は、５００Ｈｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図５】 図５は、１ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図６】 図６は、２ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図７】 図７は、４ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図８】 図８は、８ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図９】 図９は、本実施の形態にかかる音波測定分析システムにて実行される処理を示すフローチャートである。
【図１０】 図１０は、本発明の実施例にかかる集音装置の配置を説明する図である。
【図１１】 図１１は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【図１２】 図１２は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【図１３】 図１３は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【図１４】 図１４は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 集音装置
１２ マイクロフォン
１４ 反射板
１６ データレコーダ
２０ 処理装置
２２ Ａ／Ｄ変換器
２４ ＦＦＴ処理部
２６ 補間演算部
２８ データバッファ
３０ パラメータ処理部
３２ 画像生成部
【発明が属する技術分野】
本発明は、音源、特に、移動音源から音波を集音する装置、および、集音された音波を分析する音波分析システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音源から発生する音波の分布を精度良く計測するための装置が知られている。たとえば、「指向性集音装置を用いた風洞実験解析法（長倉 清、鉄道総研報告第１３巻第１２号第１５頁〜第２０頁 １９９９年１２月発行）」には、回転楕円面の反射板を持つ指向性集音装置が提案されている。この指向性集音装置においては、回転楕円面に隣接する焦点にマイクロフォンを配置し、他の焦点を音源位置とする音波を収集することができる。
【０００３】
しかしながら、列車や自動車などの音源は、垂直方向に長さ（高さ）持つため、複数の音源位置からの音波を収集することが望ましい。そこで、従来、垂直方向の複数の音源位置からの音波が収集できるように、複数の指向性集音装置を配置した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、適切な音源位置の音波を収集すべく、複数の指向性集音装置をそれぞれ配置することは容易ではないという問題点があった。また、複数の指向性集音装置を利用するため、それぞれの製品誤差から取得されたデータの精度を確保することが容易ではないという問題点もあった。さらに、複数の指向性集音装置を配置するためには、比較的大きな場所を確保する必要もある。
【０００５】
本発明は、装置を容易に配置でき、かつ、精度の良いデータを取得することが可能な集音装置、および、音波分析システムを提供することを目的とする。
また、本発明は、垂直方向に長さを有する音源が移動する場合にも、精度の良いデータを取得、分析できる音波分析システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、垂直方向に長さを有する音源探査領域からの音波を収集する集音装置であって、少なくとも内側が曲面の反射板と、前記音源探査領域中の特定の音源収集位置からの音波をそれぞれ収集するように、前記曲面の焦点を通る直線上に配置された複数のマイクロフォンとを備え、前記音源収集位置からの音波が、それぞれ、前記反射板の内側曲面を反射して、対応するマイクロフォンに到達することにより音波が収集されることを特徴とする集音装置により達成される。
【０００７】
本発明によれば、反射板の内側曲面の焦点を通る直線上に複数のマクロフォンを配置し、各マイクロフォンが、垂直方向の長さ、つまり、高さを有する音源探査領域中の所定の音源探査位置からの音波を収集する。したがって、複数の反射板を利用し、反射板の位置や方向を調整する必要なく、高さを有する音源からの音波を収集することが可能となる。
好ましい実施態様においては、曲面が回転楕円面であり、かつ、複数のマイクロフォンが、それぞれ、他の焦点を通る直線上に位置する音源探査領域中の特定の音源収集位置からの音波を収集する。
【０００８】
回転楕円面において、他方の焦点からの音波は、一方の焦点に集中することが知られている。また、反射波であれば、経路に関わらず音源から一方の焦点までの距離が等しいことも知られている。さらに、本発明者は、焦点を通る直線上に複数のマイクロフォンを配置することにより、特定の音源収集位置からの音波を、それぞれのマイクロフォンが適切に収集できること、つまり、特定の音源収集位置から反射面となる内側曲面を経てマイクロフォンに到達する経路長が、それぞれ、近似的に一致することを見出した。
【０００９】
また、好ましい実施態様においては、さらに、前記複数のマイクロフォンが、前記焦点からの距離Δｚと、前記他の焦点とそれぞれに対応する音源収集位置との距離Ｚとが、Ｚ≒αΔｚ（αは定数）となるように配置される。
より好ましい実施態様においては、さらに、前記複数のマイクロフォンが前記焦点を通る直線上に等間隔で配置されている。
【００１０】
また、本発明の目的は、上記構成の集音装置からの信号を受理して、当該信号に基づき、前記音源からの音波を分析するシステムであって、前記複数のマイクロフォンからの信号をそれぞれディジタル化して、複数のデータ系列を取得するＡ／Ｄ変換手段と、前記データ系列のそれぞれから、帯域ごとのレベルであるバンドレベルを取得するバンドレベル取得手段と、前記音源収集位置の距離を参照して、データ系列間のバンドレベルを補間するデータ補間手段と、前記データ系列および補間されたデータに基づき、前記帯域ごとに、前記音源探査領域の二次元バンドレベルを含む画像を生成する画像生成手段とを備えたことを特徴とする音波分析システムによっても達成される。
【００１１】
上記発明によれば、複数のマイクロフォンからの信号に基づき取得した、複数の音源収集位置に関するデータ系列を参照して、データ系列間のデータを補間する。データ系列中のデータおよび補間されたデータにより、二次元バンドレベルが得られる。したがって、移動する音源（移動音源）の経時的変化や、垂直方向だけでなく、水平方向に長さを有する移動音源、たとえば、列車や自動車の垂直方向および水平方向の特定の位置から発せられる音波を適切に捉え、分析することが可能となる。
【００１２】
好ましい実施態様においては、前記帯域ごとの二次元バンドレベルの一方の軸が、移動する音源の水平方向の長さを示すように、前記二次元バンドレベルを生成するように構成されている。この実施態様によれば、一方の軸を水平方向の長さとすることで、列車などにおいて、水平方向および垂直方向の双方について、どの位置でどのような音が発せられているかを把握することが可能となる。
【００１３】
また、別の好ましい実施態様においては、前記バンドレベル取得手段が、各データ系列から所定間隔のサンプル点のデータを取り出すデータ抽出手段と、前記取り出されたデータに対して高速フーリエ変換処理を施すＦＦＴ手段と、前記高速フーリエ変換処理が施されたデータを帯域ごとに取りまとめる帯域収集手段とを有する。
たとえば、補間手段は、前記収集装置の音源収集位置間の差をパラメータとして受理し、当該パラメータを参照してバンドレベルを補間するように構成されているのが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態につき説明を加える。図１は、本発明にかかる音波測定分析システムの概略構成を示すブロックダイヤグラムである。図１に示すように、音波測定分析システムは、集音装置１０を備えている。集音装置１０においては、垂直方向に（２ｎ＋１）本のマイクロフォン１２−(−ｎ)、１４−(−ｎ−１)、・・・、１２−０、・・・、１２−ｎがデータレコーダ１６に接続されている。本実施の形態において、これら（２ｎ＋１）本のマイクは、回転楕円面を有する反射板１４からの反射音を収集する。
【００１５】
（２ｎ＋１）本のマイクロフォンにて収集された信号は、データレコーダ１６に与えられ、データレコーダ１６において、各マイクロフォン１４からの信号が蓄積される。また、データレコーダ１６には、処理装置２０が接続されるようになっている。
【００１６】
処理装置２０は、データレコーダ１６から、各マイクロフォン１２にて収集された信号を受理して、ディジタル化するＡ／Ｄ変換器２２と、取得されたマイクロフォンに基づくディジタルデータの系列（データ系列）に、それぞれ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すＦＦＴ処理部２４と、データ補間を実行して、二次元平面上のデータを生成する補間演算部２６と、ディジタルデータ、パラメータなど、処理装置２０中にて利用されるデータを記憶するデータバッファ２８と、演算や画像生成のために必要なパラメータの設定、算出などの処理を実行するパラメータ処理部３０と、表示装置に表示し、或いは、プリンタに出力するための画像を生成する画像生成部３２と、マウスやキーボードなどの入力装置３４と、表示装置３６と、プリンタ３８とを有している。
【００１７】
たとえば、本実施の形態にかかる処理装置２０は、パーソナルコンピュータにより実現することができる。パーソナルコンピュータに、ＣＤ−ＲＯＭに収容された処理プログラムをインストールすることにより、その機能を実現することが可能となる。
【００１８】
［本発明の原理］
基本的に、本発明は、反射板の焦点付近に、複数のマイクロフォンを焦点位置から所定距離（Δｚ）だけずらして配置した場合に、音源面においては、マイクロフォンの位置と反対側に、約αΔｚだけずれた位置から回転反射面の各点を経由してマイクロフォンに到達する音波の経路長が、近似的に（音波の半波長に比較して十分小さいオーダで）一致する、という本発明者による知見を利用している。この知見を利用すると、マイクロフォンを焦点位置からΔｚずらして配置することにより、当該マイクロフォンの位置と反対方向（中心に対する点対称の方向）にαΔｚずらして配置して計測するのと同様の結果を得ることができる。したがって、Δｚが異なるように、複数のマイクロフォンを垂直方向に配置することにより、垂直方向に複数の位置の音源の音波を集音することが可能となる。
【００１９】
無論、高周波数域においては、音波の半波長が、反射板面内の各点を経由してマイクロフォンの到達する経路長のばらつきと比較して十分に大きいといえなくなるため、特性にある程度の差異が生じうる。
【００２０】
本実施の形態においては、図２（ａ）において、ａ＝１．９８ｍ、ｂ＝１．３０ｍ、ｃ＝１．５０ｍ、Ｒ０＝０．８５ｍ、φ＝９０°であるような、回転楕円面を有する反射板１４を利用した。この形状の反射板１４において、上述したマイクロフォン間の距離Δｚと、音源位置の間の距離とに関するα≒４．６であることがわかった。そこで、この反射板１４の反射板側の焦点２０１を通るように、垂直方向に、３０ｍｍの間隔で、９本のマイクロフォンを配置した。したがって、マイクロフォン１２−（−４）〜１２−（４）の配置は、Δｚ＝０、±３０、±６０、±９０、±１２０ｍｍとなる。その一方、音源面においては、他の焦点２０２を通るように、垂直方向に、約１４０ｍｍの間隔で音源収集位置２１２−（−４）〜２１２−４が現れる。つまり、各マイクロフォンに対応して、ｚ≒０、±１４０、±２８０、±４２０、±５６０ｍｍの位置が、音源収集位置となる。なお、ここで、音源収集位置は、マイクロフォンの位置と焦点を対象として逆の方向に現れる。つまり、図２（ｂ）において、マイクロフォン１２−（−４）は、位置２１２−（−４）からの音波を収集する。同様に、マイクロフォン１２−（−３）、１２−（−２）、１２−（−１）、・・・、１２−３、１２−４は、それぞれ、位置２１２−（−３）、２１２−（−２）、２１２−（−１）、・・・、２１２−３、２１２−４からの音波を収集する。
【００２１】
図３ないし図８は、それぞれ、２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、４ｋＨｚおよび８ｋＨｚのそれぞれにおける、音源収集位置による増幅率の変動を示すグラフである。それぞれの図において、Δｚ＝３０ｍｍ、６０ｍｍ、９０ｍｍおよび１２０ｍｍでの増幅率を明示した。また、これらの図において、ｚ座標を、音源面（音源探査領域）での垂直方向（Δｚの符号と逆向き）にとった。低い周波数域では、全マイクロフォンともｚ≒αΔｚを中心に、ほぼ同じ変動パターンであることがわかる。これに対して、周波数が高くなるのにしたがって、増幅率の最大値が小さくなり、パターンのメインローブの幅が広がることがわかる。これは、高周波数域においては、音波の半波長が経路長さの差と比較して十分に大きいといえなくなってくることに起因すると考えられる。
【００２２】
以下に示す表１は、上記知見にしたがって、Δｚ＝０と較べて特性がほぼ等しいといえる上限周波数をマイクロフォン位置ごとにまとめたものである。なお、ここで、「特性がほぼ等しい」とは、「増幅率の最大値の差が１ｄＢ以内」と定義した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
［音波測定分析システムの動作］
図１に示す音波測定分析システムにおいて実行される処理につき以下に説明を加える。図９は、本実施の形態にかかる音波測定分析システムにて実行される処理を示すフローチャートである。図９に示すように、所定のタイミングでデータレコーダ１６が作動して、それぞれのマイクロフォン１２−（−ｎ）〜１２−ｎにて収集された音波を記録する（ステップ９００）。
【００２５】
本実施の形態においては、垂直方向の長さ（高さ）を有する音源が移動する場合に、その音波を測定・分析できるようになっている。そこで、たとえば、音源が、音源収集位置の各々に所定の距離だけ接近したことをセンサ（図示せず）が検出し、センサからの信号に応答して、データレコーダ１６が起動するようにしておけばよい。
【００２６】
一定の期間における各マイクロフォンの音波がデータレコーダ１６に収集されると、解析装置２０が起動して、データレコーダ１６に記録された音響信号をディジタル化して、データバッファ２８に記憶する（ステップ９０１）。ここでディジタル化されたデータ系列は、マイクロフォンの数だけ存在する。
【００２７】
次いで、ＦＦＴ処理部２４が、データ系列からある間隔（たとえば、１０ｍｓ間隔）でデータを取り出し（ステップ９０２）、取り出されたデータに対してＦＦＴ処理を施す（ステップ９０３）。その後、ＦＦＴ処理部２４は、その計算結果をオクターブバンドごとに取りまとめ（たとえば、周波数域として２５０〜８ｋＨｚバンド）、オクターブバンドレベルを求める（ステップ９０４）。この際に、マイクロフォン感度の周波数特性に基づき、感度を補正するのが望ましい。マイクロフォン感度の周波数特性は、たとえば、パラメータ処理部３０にて把握されたものがＦＦＴ処理部２４に与えられるようにしておけばよい。
【００２８】
次いで、各オクターブバンドにおいて、マイクロフォンの数だけ存在するデータ系列のうち、隣接するデータ系列のデータに基づきデータ補間が実行される（ステップ９０５）。上述したように、本実施の形態においては、他方の焦点と音源収集位置との距離が、一方の焦点とマイクロフォンとの間の距離Δｚの約α倍、つまり、約αΔｚとなるように、反射板１４の形状や、音源と集音装置との距離などを調整している。パラメータαは、入力装置３４を用いてオペレータが入力することにより、或いは、反射板の形状を示す他のパラメータ（たとえば、長径ａ、短径ｂ、焦点間の距離、離心率など）から計算することにより、パラメータ処理部２４にて把握されている。そこで、補間演算部２６は、隣接するデータ系列のデータ値間に、たとえば、直線補間により、音源収集位置間にデータ値を与える。無論、他の補間、たとえば、多次元補間を利用しても良い。
【００２９】
これにより、オクターブバンドごとに、移動音源であれば、移動音源の位置或いは時間に相当する軸と、垂直方向の位置の軸を有する二次元のデータを取得することができる。画像生成部３２は、オクターブバンドごとの二次元のデータに基づき、たとえば、コンタ図を含む画像を生成する（ステップ９０６）。ここでは、音の伝播距離、パラメータ処理部３０から与えられる、センサと集音装置との位置のずれを考慮して、Ｖｍ／ｓの移動音源とマイクロフォン出力との時間差が考慮される。取得されたコンタ図を含む画像は、データバッファ２８に記憶されるとともに、表示装置３６やプリンタ３８に出力される（ステップ９０７）。
【００３０】
［実施例および測定結果］
図１０に示すように、実施例においては、移動する列車（符号１０１０参照）の音源探査領域からの音波を測定分析することとした。この例では、後述するようにマイクロフォンを配置した反射板１４を支持台に固定した。また、反射板１４の一方の焦点（符号１０２０参照）を通るように、垂直方向に３０ｍｍ間隔で９本のマイクロフォンを配置した。焦点から最も離間した位置のマイクロフォンは、焦点から±１２０ｍｍ（Δｚ＝±１２０ｍｍ）であるため、音源探査領域は、他の焦点（符号１０００参照）を中心に高さ方向に±５６０ｍｍの範囲となる。また、図１０（ｂ）に示すように、他方の焦点（符号１０００）を、レールレベルから高さ３６４ｍｍの位置にあわせた。この場合、音源探査領域（図１０（ｂ）において符号Ｒ参照）は、レール１００１，１００２および車輪１０１１を含む範囲をほぼ網羅することができた。なお、図１０において、反射板１４は、図２に示すものと同一の形状およびサイズであり、Ｒ０＝０．８５ｍ、２ｃ＝３．００ｍである。さらに、図１０（ａ）に示すように、車両１０００は矢印Ａ方向に進行するため、他の焦点１０２１の位置から１５５ｍｍだけ上流側（すなわち、列車が接近する側）に、センサ１０００を配置した。
【００３１】
この実施例において、センサ１０００が列車１０１０の到達を検出することに応答して、データレコーダ１６を作動させた。データレコーダに録音された信号は、２４ｋＨｚのサンプリング周波数でディジタル化した。また、Ａ／Ｄ変換されたデータ系列から、１０ｍｓ間隔で１０２４点のデータ（データ長＝４３ｍｓ）が切り出され、ＦＦＴ処理が施された（Δｆ＝２３．４Ｈｚ 窓関数：ハニング窓）。次いで、オクターブバンドレベルが求められ、センサ１０００の信号のタイミングを考慮して、コンタ図が作成された。この例では、センサと他の焦点との位置のずれは、１１５ｍｍ（０．１１５ｍ）、反射板を経由した音の伝搬距離＝３．９６ｍであるため、列車速度がＶｍ／ｓである場合に、センサの信号タイミングとマイクロフォン出力との時間差は、（３．９６／３４０＋０．１１５／Ｖ）秒である。
【００３２】
図１１および図１２は、ある形式の列車が、列車速度＝１１９ｋｍ／ｓで走行したときのコンタ図を示す。コンタ図において、横軸は長さに換算している。図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ（１ｋＨｚ）であるときを示し、図１２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２０００Ｈｚ（２ｋＨｚ）、４０００Ｈｚ（４ｋＨｚ）、８０００Ｈｚ（８ｋＨｚ）であるときを示している。
【００３３】
同様に、図１３および図１４は、他の形式の列車が、列車速度＝１１０ｋｍ／ｓで走行したときのコンタ図を示し、図１３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２５０Ｈｚ、５００Ｈｚ、１０００Ｈｚ（１ｋＨｚ）であるときを示し、図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、オクターブバンド＝２０００Ｈｚ（２ｋＨｚ）、４０００Ｈｚ（４ｋＨｚ）、８０００Ｈｚ（８ｋＨｚ）であるときを示している。
【００３４】
本発明者は、図１１〜図１４に示すコンタ図および更に他の解析結果に基づき、以下のことを知見した。１０００Ｈｚバンド以上の周波数帯域においては、高さ方向の音源分布がおおむね捉えられている。以下の表２に、集音装置１０において、１０ｄＢの減衰が得られる距離を示す。本例においては、音源探査領域は±５６０ｍｍ、つまり、１．１２ｍである。したがって、５００Ｈｚバンド以下の周波数帯域では１．１２ｍの距離で１０ｄＢ以上の減衰を得られていないため、垂直方向の音源分離は不十分とも考えられる（たとえば、１．１２ｍでの減衰量は、２５０Ｈｚバンドで３．２ｄＢ、５００Ｈｚで６．５ｄＢ）。
【００３５】
【表２】
線路方向（列車進行方向）の音源分解能は、移動音源であることに関わる。周波数分析を行うために、サンプリング定理により１／Δｆの時間が必要なため、音源が移動している場合、音源の空間的な位置の情報があいまいとなる。本発明者による測定分析では、前述したように、２４ｋＨｚのサンプリングでのデータを、１０ｍｓずつずらしながら１０２４点（データ長＝４３ｍｓ）を切り出してＦＦＴ計算を行っている。たとえば、列車速度をＶ＝１０９〜１２０ｋｍ程度と考えると、線路方向（列車進行方向）に約１．３ｍの領域を０．３ｍずつずらしながら計算していることになる。１０００Ｈｚ以下の周波数域では装置の特性によって１０ｄＢ以上の減衰が得られる幅がＦＦＴの計算領域以下なので、線路方向（進行方向）の音源分解能は、列車速度とＦＦＴ計算のデータ長から決まってくることがわかった。２５０Ｈｚ、５００Ｈｚのバンドにおいては、装置の音源分解能の影響も無視できなくなるが、１．３ｍ離れた位置において、２５０Ｈｚで４．４ｄＢ、５００Ｈｚで８．８ｄＢの減衰が得られるため、音源が移動していることによる影響のほうが大きい。
【００３７】
なお、この領域長さはＦＦＴ計算のデータ数を変えることによって短くすることはできるが、周波数分解能が劣化する。走行する列車を音源とする場合に、線路方向（進行方向）の音源分解能の精度としては、列車の１つの台車内の隣接する２つの車輪（軸距＝１．９ｍ）およびその中間部の分離ができれば十分と考えられる。たとえば、図１１〜図１４のコンタ図を参照する限り、これらの分離はほぼ十分であることがわかった。
【００３８】
また、図１１〜図１４を参照すると、列車の形式などによって、音源の表れ方やその帯域が相違することがわかった。たとえば、図１３（ａ）から、２５０Ｈｚのバンドにおいて、先頭から１１ｍ付近の位置にやや大きな音源が存在する場合があることがわかる。
【００３９】
図示しない他の測定結果によっても、（１）列車によって、車輪全体に音源が分布している場合、（２）レールと車輪との接点に音源が局在している場合、（３）２つの隣接する車輪間のレールに音源が連続的に分布している場合などを見出すことができた。（１）では車輪と軸方向の振動、（２）では加振点におけるレールの振動が転動音の主要因と考えられる。また、（３）については、レール振動の減衰率が特定の周波数帯域で小さい可能性もある。
【００４０】
また、測定結果によって、電車の駆動音において隣接する２つの車輪の中間位置に音源が存在する場合もある。また、駆動車のレベル値は付随車のレベル値に較べて全般的に高いが、その差が低周波数域において著しく、モータファン音の寄与率は低周波数域ほど高いことがわかった。
【００４１】
本実施の形態によれば、回転楕円面を有する集音装置の焦点を通るように垂直方向に複数のマイクロフォンを配置し、各マイクロフォンの焦点からの距離Δｚが、他の焦点から垂直方向にαΔｚとなるようにした。これにより、高さを有する音源からの音波を適切に捉え、かつ、これを分析することが可能となる。
また、本実施の形態によれば、列車などの移動音源について、各マイクロフォンが連続的に音波を測定、記録し、当該測定された音波に基づく信号からバンドごとの２次元のレベルを取得することが可能となる。
【００４２】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
たとえば、反射板の焦点を通って垂直方向に配置するマイクロフォンの本数は９本に限定されるものではないことは言うまでも無い。また、マイクロフォンの間隔も上記実施の形態に限られるものではなく、音源探査領域の大きさなどにしたがって適宜設定すればよく、また、等間隔な配置でなくとも良い。さらに、焦点上にマイクロフォンが配置される必要も無く、焦点を通る垂直方向の軸上にマイクロフォンが配置されていれば足りる。
【００４３】
また、反射板の形状およびサイズも上記実施の形態に限定されるものではないことも言うまでもない。
さらに、前記実施の形態においては、回転楕円面を有する反射板を利用しているが、マイクロフォンの位置と、音源探査領域上の位置との間に一定の関係を有するような局面を有する反射板を利用しても良い。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、装置を容易に配置でき、かつ、精度の良いデータを取得することが可能な集音装置、および、音波計測・分析システムを提供することが可能となる。また、本発明によれば、垂直方向に長さを有する音源が移動する場合にも、精度の良いデータを取得、分析できる音波計測・分析システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明にかかる音波測定分析システムの概略構成を示すブロックダイヤグラムである。
【図２】 図２は、本実施の形態にかかる反射板の構造を示す図である。
【図３】 図３は、２５０Ｈｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図４】 図４は、５００Ｈｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図５】 図５は、１ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図６】 図６は、２ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図７】 図７は、４ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図８】 図８は、８ｋＨｚにおける、音源位置による増幅率の変動を示すグラフである。
【図９】 図９は、本実施の形態にかかる音波測定分析システムにて実行される処理を示すフローチャートである。
【図１０】 図１０は、本発明の実施例にかかる集音装置の配置を説明する図である。
【図１１】 図１１は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【図１２】 図１２は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【図１３】 図１３は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【図１４】 図１４は、本発明の実施例において得られたコンタ図の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 集音装置
１２ マイクロフォン
１４ 反射板
１６ データレコーダ
２０ 処理装置
２２ Ａ／Ｄ変換器
２４ ＦＦＴ処理部
２６ 補間演算部
２８ データバッファ
３０ パラメータ処理部
３２ 画像生成部
Claims (8)
- 垂直方向に長さを有する音源探査領域からの音波を収集する集音装置であって、
内側が回転楕円面である反射板と、
前記音源探査領域中の特定の音源収集位置からの音波をそれぞれ収集するように、前記曲面の焦点を通る直線上に配置された複数のマイクロフォンとを備え、
前記音源収集位置からの音波が、それぞれ、前記反射板の内側曲面を反射して、対応するマイクロフォンに到達することにより音波が収集される集音装置において、
前記複数のマイクロフォンは、前記複数のマイクロフォンのそれぞれの焦点からの距離Δｚ、および、前記曲面の他の焦点と、当該他の焦点を通る直線上に位置する音源探索領域中の複数の音源収集位置であって、前記複数のマイクロフォンのそれぞれに対応する音源収集位置との間の距離Ｚとが、
Ｚ≒αΔｚ （αは定数）
となるように配置され、
前記複数のマイクロフォンが、それぞれ、前記対応する音源収集位置からの音波を収集するように構成されたことを特徴とする集音装置。 - さらに、前記複数のマイクロフォンが前記焦点を通る直線上に等間隔で配置されたことを特徴とする請求項１に記載の集音装置。
- 請求項１または２に記載の集音装置からの信号を受理して、当該信号に基づき、前記音源からの音波を分析するシステムであって、
前記複数のマイクロフォンからの信号をそれぞれディジタル化して、複数のデータ系列を取得するＡ／Ｄ変換手段と、
前記データ系列のそれぞれから、帯域ごとのレベルであるバンドレベルを取得するバンドレベル取得手段と、
前記音源収集位置の間の距離を参照して、データ系列間のバンドレベルを補間するデータ補間手段と、
前記データ系列および補間されたデータに基づき、前記帯域ごとに、前記音源探査領域の二次元バンドレベルを含む画像を生成する画像生成手段とを備えたことを特徴とする音波分析システム。 - 前記帯域ごとの二次元バンドレベルの一方の軸が、移動する音源の水平方向の長さを示すように、前記二次元バンドレベルを生成するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の音波分析システム。
- 前記バンドレベル取得手段が、
各データ系列から所定間隔のサンプル点のデータを取り出すデータ抽出手段と、
前記取り出されたデータに対して高速フーリエ変換処理を施すＦＦＴ手段と、
前記高速フーリエ変換処理が施されたデータを帯域ごとに取りまとめる帯域収集手段とを有することを特徴とする請求項３または４に記載の音波分析システム。 - 前記補間手段が、前記音源収集位置の間の距離をパラメータとして受理し、当該パラメータを参照してバンドレベルを補間するように構成されたことを特徴とする請求項３ないし５の何れか一項に記載の音波分析システム。
- 垂直方向に長さを有する音源探査領域からの音波を収集する集音装置であって、
内側が回転楕円面である反射板と、
前記音源探査領域中の特定の音源収集位置からの音波をそれぞれ収集するように、前記曲面の焦点を通る直線上に配置された複数のマイクロフォンとを備え、
前記音源収集位置からの音波が、それぞれ、前記反射板の内側曲面を反射して、対応するマイクロフォンに到達することにより音波が収集される集音装置を用いた音波の収集方法であって、
前記複数のマイクロフォンを、前記複数のマイクロフォンのそれぞれの焦点からの距離Δｚ、および、前記曲面の他の焦点と、当該他の焦点を通る直線上に位置する音源探査領域中の特定の音源収集位置であって、前記複数のマイクロフォンのそれぞれに対応する音源収集位置との間の距離Ｚとが、
Ｚ≒αΔｚ （αは定数）
となるように配置するステップと、
前記複数のマイクロフォンにより、それぞれ、前記対応する音源収集位置からの音波を収集するステップと、を備えたことを特徴とする収集方法。 - 請求項７に記載の収集方法により収集された音波に基づき、音源からの音波を分析する分析方法であって、
前記複数のマイクロフォンからの信号をそれぞれディジタル化して、複数のデータ系列を取得するＡ／Ｄ変換ステップと、
前記データ系列のそれぞれから、帯域ごとのレベルであるバンドレベルを取得するバンドレベル取得ステップと、
前記音源収集位置の間の距離を参照して、データ系列間のバンドレベルを補間するデータ補間ステップと、
前記データ系列および補間されたデータに基づき、前記帯域ごとに、前記音源探査領域の二次元バンドレベルを含む画像を生成する画像生成ステップと、を備えたことを特徴とする分析方法。
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