JP4205005B2 - 音計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、騒音などを計測するための音計測装置に関するものであり、より具体的には、熱音響効果を利用して音圧レベルなどの音の物理的特性を計測するための音計測装置に関するものである。

音圧レベルを計測する装置に関しては従来より音計測装置などが知られている。この音計測装置は、非特許文献１などに記載されるように、計測の対象となる音をキャッチするためのマイクロホンと、プリアンプや周波数補正回路、実効値レベル化回路などの各種回路とを具備してなり、マイクロホンでキャッチされた音をプリアンプで増幅し、周波数補正などを行って音圧レベルなどを出力できるようにしたものである。

ところで、このような音計測装置に使用されるマイクロホンとしては、静電型のマイクロホンが使用されることが多い。この静電型のマイクロホンは、振動膜と固定電極とを備え、音の振動によって固定電極との間に蓄えられた静電容量の変化を検出し、これを電気信号として出力するようにしたものである。
「低周波音の測定方法に関するマニュアル」（平成１２年１０月） 環境省 大気環境局

しかしながら、このような静電型のマイクロホンは、振動膜と固定電極との間に蓄えられる静電容量の変化を伴うものであるために、その静電容量が変化しないように、一定の温度環境（例えば、−１０℃〜＋５０℃）や一定の湿度環境（例えば、９０％以下）のもとで使用しなければならず、また、振動や電気、磁気などの悪影響を受けないような場所で使用しなければならない。更に、このような静電型のマイクロホンは、振動膜と固定電極とのギャップ幅の関係により計測可能レベルレンジが６０〜１２０ｄＢと制限され、これよりも大きな音を計測しようとすると振動膜に破損を生じてしまうという問題点があった。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、温度や湿度、振動、電気、磁気などの影響を受けにくく、しかも大きな音を計測できるような音計測装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器と、前記音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器に挟まれ、前記音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタックとを具備してなり、前記音の入力に基づき発生した前記低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて前記入力された音の物理的特性を計測する計測手段を設けるようにする。

このように構成すれば、入力される音エネルギーと逆方向に熱エネルギーを移送する「熱音響効果の原理」を利用することができ、これによって生じた低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差を利用して音の物理的特性を計測することができる。このため、従来のように熱、湿度、振動、電気、磁気などの影響を大きく受けることがなく、また、大きな音エネルギーが入力された場合であっても振動膜の破損を生じることなく確実に音の物理的特性を計測することができるようになる。

また、このようなスタックとして、蛇行する導通路を有するようなものを用いるようにする。

このように構成すれば、導通路が蛇行しているため、作動流体とスタックとの接触面積が多くなり、より多くの熱交換を行うことができる。これにより、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差が大きくなって確実に音の物理的特性を計測することができるようになる。

更に、低温側熱交換器及び高温側熱交換器を覆い、音の入力方向へ開口する開口部を有するような筒状体を設けるようにする。

このように構成すれば、筒状体によって音の入力方向を制限することができるため、センシングに指向性を持たせることができるようになる。また、その筒状体を長く構成すれば、その筒状体によって直射日光が低温側熱交換器や高温側熱交換器などに照射されるのを防止することができ、直射日光に照射されて各熱交換器に温度ムラを生じさせてしまうというようなことがなくなる。

加えて、計測対象となる音を前記高温側熱交換器に向けて集音する集音部を設けるようにする。

このように構成すれば、集音された大きな音によって低温側熱交換器と高温側熱交換器の温度差を大きくすることができ、この温度差により、より確実に音の物理的特性を計測することができるようになる。なお、このような集音部としては、例えば、パラボナアンテナなどのように焦点を有するものが用いられる。

また、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する場合、この低温側熱交換器や高温側熱交換器に熱電変換器を接続し、この熱電変換器から出力される電気信号に基づいて音の物理的特性を計測する。

このように構成すれば、熱電変換器から電気信号が出力されるため、これに従来の音計測装置に用いられているようなプリアンプや周波数補正回路、実効値レベル化回路、指示計などのような回路を接続するようにすれば、容易に音計測装置を構成することができるようになる。

また、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する場合、低温側熱交換器と高温側熱交換器とを種類の異なる金属製材料で構成し、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差によって生じるそれぞれからの電気信号によって音の物理的特性を計測するように構成する。

このように構成すれば、種類の異なる金属間の温度差によって起電力を発生させるというゼーベック効果を利用することができ、別途新たな熱電変換器を用いなくても電気信号を出力することができるようになる。これにより、比較的安価な音計測装置にすることができるようになる。

本発明では、音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器と、前記音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器に挟まれ、前記音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタックとを具備してなり、前記音の入力に基づき発生した前記低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて前記入力された音の物理的特性を計測する計測手段を設けるように構成したので、熱音響効果によって生じた低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差を用いて音の物理的特性を計測できるようになる。このため、従来のマイクロホンを用いた音計測装置のように、熱や湿度、振動、電気、磁気などの影響を大きく受けることがなくなり、また、大きな音エネルギーが入力された場合であっても確実に音圧レベルなどの音の物理的特性を計測することができるようになる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における音計測装置１における音センサ２の断面概略図を示したものであり、図２はその音センサ２を含む音計測装置１の機能ブロック図を示したものである。また、図３から図６は、他の実施の形態において使用されるスタック２１や音センサ２、音計測装置１の構造などを示したものである。

この実施の形態における音計測装置１は、熱音響効果を利用する音センサ２と、この音センサ２に入力された音の物理的特性を計測する計測装置からなる。

このうち、音センサ２は、音エネルギーの進行方向に対して下流側に設けられる低音側熱交換器２０と、その音エネルギーの進行方向に対して上流側に設けられる高温側熱交換器２２と、これら低音側熱交換器２０及び高温側熱交換器２２に密着するように挟まれて設けられるスタック２１とを設けて構成される。

このスタック２１は、音エネルギーの進行方向に貫通する多数の導通路２１ａを有し、比較的比熱の低い多孔性セラミックなどで構成される。また、このスタック２１における音の入力方向の下流側に設けられる低音側熱交換器２０は、銅などのような比較的熱伝導性の高い金属材料によって形成され、薄く構成された金属材料の内側にスタック２１の導通路２１ａに対応した開口部２０ａを設けて構成される。また、スタック２１における音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器２２についても同様に、銅などのような比較的熱伝導性の高い金属材料で形成され、薄く構成された金属材料の内側にスタック２１の導通路２１ａに対応した開口部２２ａを設ける。そして、これら低音側熱交換器２０、高温側熱交換器２２の開口部２０ａ・２２ａとスタック２１の導通路２１ａを直線状に貫通させ、熱音響効果によって生じた低音側熱交換器２０と高温側熱交換器２２との温度差に基づいて音圧レベルなどのような音の物理的特性を計測する。

次に、この熱音響効果の原理を図３を用いて説明する。

まず、空気などの作動流体中にスタック２１や低音側熱交換器２０、高温側熱交換器２２からなる音センサ２を設け、この音センサ２に音を入力すると、その音エネルギーは高温側熱交換器２２側からスタック２１を経て低音側熱交換器２０側へと移送される。そして、その音の振動によってスタック２１の導通路２１ａ内に存在している作動流体が揺らぎ始め、その際、微小空気塊の断熱膨張、収縮などによって微小空気塊に蓄えられていた熱エネルギーがスタック２１内に蓄積される。そして、その熱エネルギーは、エネルギー保存の法則によって音エネルギーの移送方向と逆方向へ移送され、その結果、高温側熱交換器２２が熱せられ、低音側熱交換器２０と高温側熱交換器２２との間に温度差が生じることとなる。

このような熱音響効果の原理を用いた音センサ２の低音側熱交換器２０及び高温側熱交換器２２には、熱電変換器２４が接続される。この熱電変換器２４は、低音側熱交換器２０と高温側熱交換器２２との間に生じた温度差に対応した起電力を発生するもので、例えば、ゼーベック効果を利用した半導体素子などが用いられる。このゼーベック効果を利用した半導体素子としては、現在最も効率が良いとされているビスマス・テルル系半導体素子やシリコン・ゲルマニウム系半導体素子などを用いると良い。そして、これらの素子を低音側熱交換器２０や高温側熱交換器２２に接続して、それぞれの温度差に対応した起電力を発生する。なお、この熱電変換器２４については、低温側熱交換器２０及び高温側熱交換器２２からの電気信号が微弱な場合、この微弱な電気信号を検出しうる電気回路などによって構成することもできる。

そして、この熱電変換器２４には、図２のブロック図に示すような計測装置が接続される。この計測装置は、プリアンプ３０、周波数補正回路３１、実効値レベル化回路３２、指示器３３などを具備して構成される。

このうちプリアンプ３０は、熱電変換器２４から出力された起電力による電気信号をある一定のレベルまで増幅するものである。

また、周波数補正回路３１は、このようにプリアンプ３０によって増幅された電気信号を音圧レベルに変換するに際して、人間の聴覚に対応した周波数の重み付けなどの補正処理を行うものである。人間の聴覚によって音を聞く場合、同じ音圧レベルでも高い音と低い音では、違う音の大きさに感じられ、例えば、高い音の方がうるさい音として感じられやすい傾向がある。このため、人間の聴覚に対応すべく、例えば、低音部分における重み付けを軽くするなどのような周波数の補正処理を行う。一般に、前述のように補正された音圧レベルは、Ａ特性音圧レベルと称されるもので、これ以外にも用途に応じてＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ特性などに応じた補正を行う。

実効値レベル化回路３２は、周波数補正回路３１によって補正された周波数を指示器３３に出力するための物理量に変換する。この実効値レベル化回路３２は、実効値検波回路３２ａ、動特性回路３２ｂ、対数演算回路３２ｃを具備して構成され、このうち実効値検波回路３２ａは、２乗回路などによって周波数の実効値を演算する。また、動特性回路３２ｂは、指示器３３を早く動作させるための動特性や指示器３３を遅く動作させるための動特性などを持たせるものである。例えば、早い動特性としては１２５ｍｓなどに設定され、一方、遅い動特性としては１ｓなどに設定される。対数演算回路３２ｃは、このようにして演算された実効値を音圧レベルとしてのデシベル値に変換するものである。

指示器３３は、アナログ式のメータやデジタル式のメータなどによって構成されるもので、実効値レベル化回路３２によって演算されたデシベル値を表示するものである。

このようなプリアンプ３０、周波数補正回路３１、実効値レベル化回路３２、指示器３３などは、一般に現在市販されているマイクロホンを用いた音計測装置に用いられているため、このように既に存在する回路などを利用することができる。

次に、このように構成された音計測装置１を計測する場合の動作について説明する。

まず、音源に対して音センサ２の指向方向を向けると、その音源から発せられた音エネルギーは音センサ２内に入力され、高温側熱交換器２２からスタック２１内に移送される。この音エネルギーがスタック２１内に移送されると、その音の振動によってスタック２１内の微小空気塊が振動を始め、その振動によって断熱膨張、収縮などを繰り返す。そして、その際、微小空気塊に蓄えられていた熱がスタック２１の内壁に蓄積され、エネルギー保存の法則によって、その熱エネルギーが音エネルギーの移送方向と逆方向である高温側熱交換器２２側に移送される。これにより低音側熱交換器と高温側熱交換器２２との間に温度差が発生し、この温度差によって熱電変換器２４から電気信号が出力される。この電気信号は、計測装置３のプリアンプ３０によって増幅された後、周波数補正回路３１によってＡ特性〜Ｆ特性などのような種々の特性に対応した周波数の重み付け処理などの補正がなされ、実効値化レベル回路によって実効値化される。そして、実効値化レベル回路の対数演算回路３２ｃによってこの実効値をデシベル値に変換し、この値を指示器３３に出力させるようにする。

このように上記実施の形態によれば、熱音響効果の原理を利用して低音側熱交換器２０・高温側熱交換器２２との間に生じた温度差から音の物理的特性を計測するようにしたので、従来のように極めて狭い範囲に限定された温度環境や湿度環境のもとで使用しなければならないというようなことがなくなり、また、振動や電気、磁気にも弱くなるということもなくなる。また、非常に大きな音が入力された場合であっても、従来のように振動膜が破損してしまうというようなこともなくなる。

なお、上述の実施の形態では、音センサ２として直線状の導通路２１ａを有するスタック２１を用いているが、このようなスタック２１では低音側熱交換器２０と高温側熱交換器２２との間に大きな温度差を発生されることができない可能性がある。この場合、図３に示すようなスタック２１０を用いるようにしても良い。図３に示すスタック２１０は、微小球状のセラミクスなどを敷き詰めて構成したもので、これによって蛇行した導通路２１０ａを形成するようにしたものである。このような蛇行した導通路２１０ａを設けるようにすれば、作動流体とスタック２１０の内壁との接触面積を大きくすることができるため、より大きな熱交換が可能となってスタック２１０の両端での温度差を大きくすることができるようになる。なお、蛇行する導通路を有するスタックの構成については微小球状のセラミクスを敷き詰める構成に限らず、種々の態様のものを用いることができる。

また、上記実施の形態では、図１に示すように低音側熱交換器２０・高温側熱交換器２２を表出させたものを用いているが、図４に示すように、両端に開口部２３ａを有するような筒状体２３で覆うようにしても良い。この筒状体２３は、低音側熱交換器２０や高温側熱交換器２２、スタック２１を内側に設けたもので、また、低音側熱交換器２０や高温側熱交換器２２から突出させた鍔部２３ｂを設けるようにしたものである。このように構成すれば、筒状体２３の軸方向の指向性を持たせることができ、計測対象の音を特定して確実に計測することができるようになる。また、鍔部２３ｂを設けるようにしたので、低音側熱交換器２０や高温側熱交換器２２などに直射日光が照射されるのを防止することができ、直射日光の照射による各熱交換器の温度ムラの発生を防止して誤計測を防ぐことができるようになる。

また、上記実施の形態では、音源から発せられた直接音を計測するようにしたが、図５に示すようなパラボナアンテナ状の集音器４を設け、この集音器４によって集音された音を計測するようにしても良い。この場合、集音器４からの反射音が入力される方向に高温側熱交換器２２を設けるようにするとともに、集音器４によって大きく増幅された音圧レベルを元の音圧レベルに戻すための補正回路などを設けるようにする。このように構成すれば、大きな音圧によってスタック２１の両端での温度差を大きくすることができ、この大きな温度差に基づく大きな電気信号を検出することによって確実に音圧レベルを計測することができるようになる。なお、この集音器４については、パラボナアンテナ形状に限定されることなく、メガホンなどのようなものを用い、これを高温側熱交換器２２側に設けるようにしても良い。

また、上記実施の形態では、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する場合、この低温側熱交換器や高温側熱交換器に熱電変換器を接続し、この熱電変換器から出力される電気信号に基づいて音の物理的特性を計測するようにしたので、従来の音計測装置に用いられているようなプリアンプや周波数補正回路、実効値レベル化回路、指示計などのような回路を接続するようにすれば、容易に音計測装置を構成することができるようになる。

また、上記実施の形態では、熱電変換素子によって温度差に基づく電気信号を出力するようにしているが、図６に示すような構成を用いることもできる。図６は、低音側熱交換器２０と高温側熱交換器２２とを種類の異なる金属材料で形成し、ゼーベック効果によってそれぞれの低音側熱交換器２０や高温側熱交換器２２から発生する電気信号（起電力）を出力するようにしたものである。この金属材料としては、例えば、銅とコンスタンタン（銅とニッケルの合金）などの組み合わせが考えられ、このようにすることによって、半導体などのような比較的高価な熱電変換素子を用いることなく安価に構成することができるようになる。

本発明の一実施の形態における音計測装置の音センサ近傍の拡大図 同形態における音計測装置の機能ブロック図 第二の実施の形態におけるスタックの断面概略図 第三の実施の形態における音センサの断面概略図 第四の実施の形態における音センサに集音器を取り付けた状態図 第五の実施の形態における音計測装置の概略図

符号の説明

１・・・音計測装置
２・・・音センサ
３・・・計測装置
４・・・集音器
２０・・・低温側熱交換器
２０ａ・・・開口部
２１・・・スタック
２１ａ・・・導通路
２１０・・・スタック
２１０ａ・・・導通路
２２・・・高温側熱交換器
２２ａ・・・開口部
２３・・・筒状体
２３ａ・・・開口部
２３ｂ・・・鍔部
２４・・・熱電変換器

Claims (6)

1. 音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器と、前記音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器に挟まれ、前記音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタックとを具備してなり、前記音の入力に基づき発生した前記低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて前記入力された音の物理的特性を計測する計測手段を設けたことを特徴とする音計測装置。
2. 前記スタックの導通路が、蛇行する導通路である請求項１に記載の音計測装置。
3. 前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器を覆い、前記音の入力方向へ開口する開口部を有する筒状体を設けた請求項１に記載の音計測装置。
4. 計測対象となる音を前記高温側熱交換器に集音する集音部を設けた請求項１に記載の音計測装置。
5. 前記計測手段が、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する熱電変換器を設け、この熱電変換器からの電気信号に基づいて音の物理的特性を計測するものである請求項１に記載の音計測装置。
6. 前記低温側熱交換器と高温側熱交換器とを種類の異なる金属製材料で構成し、前記計測手段が、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差によってそれぞれの低温側熱交換器と高温側熱交換器から生じる電気信号によって音の物理的特性を計測するものである請求項１に記載の音計測装置。

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