JP4364872B2

JP4364872B2 - 音響インテンシティ計測装置及び計測方法

Info

Publication number: JP4364872B2
Application number: JP2006018323A
Authority: JP
Inventors: 琢哉青木
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: JP2007198926A

Description

本発明は音響インテンシティ計測装置及び計測方法に係り、特に測定対象物に所定距離を隔てて対向配置するマイクロフォンアレイを用いて計測した音圧から、音響インテンシティを適切に計測可能な音響インテンシティ計測装置及び計測方法に関する。

従来から、機器が発生する騒音の音源探査等のため、音場の実質的なエネルギー伝搬方向及びエネルギー面密度を表す方向と大きさを持つベクトル量である音響インテンシティを計測することが行われている。例えば２対のマイクロフォンを１組以上用い、各マイクロフォンで計測した音圧値から、マイクロフォン全体の中心位置における音響インテンシティを演算部で算出し、音源の方向と大きさとを計測する音響インテンシティ計測装置が知られている（特許文献１参照）。

一方、移動中する音源である車等の移動体の騒音低減に使用するため、移動体の騒音発生位置や分布を測定することも行われている。例えば、移動体の騒音計測に、複数個のマイクロフォンで構成するマイクロフォンアレイを用い、マイクロフォンアレイを移動体の進行方向に４５度等の角度を持つように配置し、この各マイクロフォンで検出した音響信号を、各マイクロフォンへの音波の到着時間だけ補正し、補正後の信号を重ね合わせて周波数分析を行い、この分析されたスペクトルの平均化を行う移動音源の計測装置も知られている（特許文献２参照）。

特許２５９４９４１号公報特許２５４４５１５号公報

しかし、特許文献１に記載の音響インテンシティ計測装置では、測定対象物の音圧計測に２対のマイクロフォンを１組或いは複数組用い、各マイクロフォンで計測した音圧値から、マイクロフォン全体の中心位置における音響インテンシティを計算しており、１地点のみで計測を行うものである。

このため、測定対象物が大きい場合には、何度も計測地点を変えて計測を行う必要があるし、計測地点が足場のない場所や立ち入り禁止の場所では計測を行えず、より正確な測定ができないし、また特許文献２に記載のマイクロフォンアレイを用いて測定したとしても、音響インテンシティを適切に計測できない問題があった。

本発明の目的は、測定対象物の音圧の計測に複数個のマイクロフォンからなるマイクロフォンアレイを用い、設置位置から離れた場所にある測定対象物の音響インテンシティを広範囲に算出できる音響インテンシティ計測装置及び計測方法を提供することにある。

本発明の音響インテンシティ計測装置は、複数個のマイクロフォンから構成されて測定対象物に所定距離を隔てて対向配置するマイクロフォンアレイと、前記マイクロフォン毎に音圧値を記録するマイク音圧記憶手段と、前記マイク音圧記憶手段に記録したマイクロフォン毎の音圧値からそれぞれの音響インテンシティを算出する音響インテンシティ算出手段とを備え、前記音響インテンシティ算出手段は、マイクロフォンアレイの中心から測定対象物側に一定距離だけ離れたところに計算対象基準平面を設定すると共に、前記計算対象基準平面からマイクロフォンアレイ側及び測定対象物側にそれぞれ所定距離を隔てる２つの計算対象仮想平面を設定して、前記各平面を格子状に分割してそれぞれの格子点を音圧計算点として設定する計測エリア分割部と、前記音圧計算点毎にマイク音圧記憶装置に記憶された音圧値の加重平均を求めて音圧値を算出する音圧分布算出部と、前記計算対象基準平面上の音響インテンシティ計算点として設定した格子点毎に、前記各平面に分布する複数の格子点の音圧値を用いて音響インテンシティを算出する音響インテンシティ分布算出部とを備えて構成したことしたものである。

また、本発明の音響インテンシティ計測方法は、測定対象物に所定距離を隔てて対向して配置したマイクロフォンアレイのマイクロフォン毎に音圧値を記録し、前記マイクロフォンアレイの中心位置から測定対象物側に一定距離だけ離れたところに計算対象基準平面を設定し、前記計算対象基準平面からマイクロフォンアレイ側及び測定対象物側にそれぞれ所定距離を隔てる２つの計算対象仮想平面を設定すると共に、前記各平面を格子状に分割してそれぞれの格子点を音圧計算点として設定し、前記音圧計算点毎にマイク音圧記憶装置に記憶された音圧値の加重平均を求めて音圧値を算出し、前記計算対象基準平面上の音響インテンシティ計算点として設定した格子点毎に、前記各平面に分布する複数の格子点の音圧値を用いて音響インテンシティを算出することを特徴としている。

本発明は、測定対象物から離れた位置にマイクロフォンアレイを設置して音圧を計測でき、マイクロフォンアレイのマイクロフォン毎に計測した複数点の音圧値を基に、計測位置における音響インテンシティをより適切に算出することができ、しかも直接マイクロフォンアレイを設置できない場所における音響インテンシティも計測することができる。

本発明の音響インテンシティ計測装置は、測定対象物に所定距離を隔てて対向配置するマイクロフォンアレイと、マイクロフォン毎に音圧値を記録するマイク音圧記憶手段と、このマイク音圧記憶手段に記録したマイクロフォン毎の音圧値からそれぞれの音響インテンシティを算出する音響インテンシティ算出手段とを備えている。音響インテンシティ算出手段は、マイクロフォンアレイの中心位置から測定対象物側に一定距離だけ離れたところに計算対象基準平面を設定すると共に、前記計算対象基準平面からマイクロフォンアレイ側及び測定対象物側にそれぞれ所定距離を隔てる２つの計算対象仮想平面を設定して、前記各平面を格子状に分割してそれぞれの格子点を音圧計算点として設定する計測エリア分割部と、前記音圧計算点毎にマイク音圧記憶装置に記憶された音圧値の加重平均を求めて音圧値を算出する音圧分布算出部と、前記計算対象基準平面上の音響インテンシティ計算点として設定した格子点毎に、前記各平面に分布する複数の格子点の音圧値を用いて音響インテンシティを算出する音響インテンシティ分布算出部とを備えて構成する。

本発明の一実施例である音響インテンシティ計測装置の全体構成図を、図１（ａ）及び（ｂ）に示している。三脚等の架台４の上に設置するマイクロフォンアレイ１は、この例では互いに並行に配置する円形の２つの支持枠２ａ、２ｂに、それぞれマイクロフォン３を等間隔に複数個の取り付けて構成している。このマイクロフォンアレイ１は、図１（ｂ）に示すように例えばコンプレッサや配管等の産業機械である測定対象物５に所定距離を隔てて対向する位置に配置し、正対する測定対象物５の音圧を測定する。

上記した実施例では、マイクロフォンアレイ１として２段に配置する円形の支持枠２ａ、２ｂに、マイクロフォン３を等間隔に設置して構成したものを用いた場合で説明したが、これに限らず１段で構成したものを使用することができるし、支持枠の形状やその数を適宜変更して製作したものを用いることができ、またマイクロフォン３も任意の位置に配置して構成したものを使用することができる。

マイクロフォンアレイ１で集音された音圧値を記録するマイク音圧記憶部６を設けており、各マイクロフォン３とマイク音圧記憶部６はケーブル１５にて接続し、マイクロフォン３毎の音圧値を記録する。そして、マイク音圧記憶部６に記録したマイクロフォン３毎の音圧値を取り込んで音響インテンシティ計測する音響インテンシティ算出手段７を備えている。

音響インテンシティ算出手段７は、図１（ａ）に示すようにマイクロフォンアレイ１の中心から測定対象物５側の一定距離Ｌのところに、音響インテンシティの計算対象基準平面を設定すると共に、２つの計算対象仮想平面を設定し、これらの各平面を格子状に分割してそれぞれの格子点を音圧計算点として設定する計測エリア分割部８を備えている。

また、音圧計算点とした格子点毎に、マイク音圧記憶装置６に記憶された音圧値の加重平均を求めて音圧値を算出する音圧分布算出部９、及び計算対象の計測エリア平面上の音響インテンシティ計算点として設定した格子点毎に、計算対象基準平面及び計算対象仮想平面における複数の格子点の音圧値を用いて音響インテンシティを算出する音響インテンシティ分布算出部１０を備え、この３つの処理部分で構成している。以下、これらの詳細をそれぞれに説明する。

計測エリア分割部８は、図２（ａ）に示すようにマイクロフォンアレイ１の中心Ｃ１から測定対象物５側の任意の位置、例えば側面を計測面とした計測エリアまでの距離Ｌを取り込む部分である測定距離入力部８Ａと、音響インテンシティの計測面とした計測エリアである計算対象基準平面１１ａ及び計算対象基準平面１１ｂ、１１ｃを定めて、各平面を格子幅ｄで格子状に分割する格子分割部８Ｂと、上記した距離Ｌ等を記録する距離記憶部８Ｃとを備えている。

計算対象仮想平面１１ｂは、計算対象基準平面１１ａからマイクロフォンアレイ１側に距離Ｌ−ｄだけ離れた位置に、また計算対象仮想平面１１ｃは、計算対象基準平面１１ａから測定対象物５側に距離Ｌ＋ｄだけ離れた位置に設定し、全ての平面１１ａ、１１ｂ、１１ｃを、格子幅ｄで等間隔に格子状に分割しており、格子点毎に各マイクロフォン３との距離を計算して距離記憶部８Ｃに記録する。この格子幅ｄは予め設定されているが、利用者が任意に設定することも可能である。

測定距離入力部８Ａで取り込む距離Ｌは、予め設定したり或いは測定対象物５にマイクロフォンアレイ１を対向設置することで定まる値であり、利用者が任意に設定することも可能な値である。また、マイクロフォンアレイ１の中心Ｃ１とは、この構造上の中心でも、また測定対象物５に対向する前面位置を中心として定めて用いても良いものである。

音圧分布算出部９は、図３（ａ）に示すように各平面１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各格子点を音圧計算点として音圧値を算出する音圧算出部９Ａ、これら算出した音圧値を記録する音圧記憶部９Ｂで構成している。

音圧算出部９Ａでの計算対象基準平面１１ａ及び計算対象仮想平面１１ｂ、１１ｃの音圧計算点とした格子点の音圧算出の際には、図３（ｂ）に示すように距離記憶部８Ｃに記憶されている格子点とマイクロフォン３毎の距離を読み出して実施する。

この際、例えば各平面１１ａ、１１ｂ、１１ｃの左下隅から符号を付け格子点１１ａ００…、１１ｂ００…、１１ｃ００…の如く符号を付け、格子点毎にマイク音圧記憶部６に記憶されたマイクロフォン３毎の音圧値を取り込んで、マイクロフォン３毎の音圧値の加重平均を求める。

音圧計算点となる各格子点では、マイク音圧記憶部６に記憶されているマイクロフォン毎に集音した音圧値が、音圧計算点の格子点の音圧値と同一になるように補正する処理を行い、計測エリアの３次元的な音圧分布を算出する。この音圧計算は、平面１１ａ、１１ｂ及び１１ｃの音圧計算点とした全ての格子点で同様に音圧を計算し、音圧記憶部９Ｂに出力記録する。

音響インテンシティ分布算出部１０は、図４（ｂ）に示すように計算対象基準平面１１ａで、しかも周囲に格子点が存在する格子点、例えば図４（ｂ）では下から２列目で２番目の格子点１１ａ１１から順に、音響インテンシティを算出するものであり、選択した複数の格子点の音圧を音圧記憶部９Ｂから読み出す周囲音圧入力部１０Ａを有し、格子点毎に音響インテンシティを算出する音響インテンシティ算出部１０Ｂを備え、計測エリアとした計算対象基準平面１１ａの音響インテンシティ分布を算出する。

周囲音圧入力部１０Ａは、図４（ｂ）に黒点で示すように周囲の格子点の音圧を利用する都合上、まず計算対象基準平面１１ａの音響インテンシティ計算点となる１つの格子点１１ａ１１を選び、これに隣接する自己平面１１ａの左右のｘ方向、上下のｙ方向、前後の各平面１１ｂ及び１１ｃのｚ方向にある複数の格子点の音圧値を音圧記憶部９Ｂから読み出し、音響インテンシティ算出部１０Ｂに提供する。

即ち、図４（ｃ）の例では、格子点１１ａ１１とこの周囲ｘ１方向の格子点１１ａ１０及びｘ２方向の格子点１１ａ１２、ｙ１方向の格子点１１ａ０１及びｙ２方向の格子点１１ａ２１、ｚ１方向の格子点１１ｂ１１及びｚ２方向の格子点１１ｃ１１の６つの音圧値を、音響インテンシティ計算点となる格子点毎に音圧記憶部９Ｂから読み出して音響インテンシティ算出部１０Ｂに与えている。

音響インテンシティ算出部１０Ｂは、周囲音圧入力部１０Ａから入力された周囲格子点１４を構成する６つの格子点の音圧値に基づいて、音響インテンシティ計算点の格子点毎に順に、音響インテンシティを公知の方法、例えば特開２００２−２４３５３４号公報に記載されている方法を用いて算出する。

次に、測定対象物５に対して所定距離を隔てて対向配置したマイクロフォンアレイ１の各マイクロフォン３で音圧を測定し、これら実測した音圧から測定対象物５の音響インテンシティの分布を算出する処理手順を、図５に示すフローチャートを用いて説明する。

まず、複数個のマイクロフォン３でそれぞれ集音された音圧は、マイク音圧記憶部６に記録する（ステップＳ２１）。音響インテンシティ算出手段７では、記録されたマイクロフォン３毎の音圧値を用いて音響インテンシティを算出する。

即ち、音響インテンシティ算出手段７の計測エリア分割部８では、測定距離入力部８Ａから音圧測定時のマイクロフォンアレイ１の中心Ｃ１から測定対象物５の前面等の測定エリアまでの距離Ｌを取り込み、格子分割部８Ｂに伝達する（ステップＳ２２）。

計測エリア分割部８の格子分割部８Ｂでは、ステップＳ２１において、格子分割部８Ｂによって、マイクロフォンアレイ１の中心から測定距離入力部８Ａで入力された距離Ｌだけ離れた測定エリアを計算対象基準平面１１ａとし、マイクロフォンアレイ１から測定対象物５側に距離Ｌ＋ｄだけ離れた計算仮想平面１１ｂ及びマイクロフォンアレイ１側に距離Ｌ−ｄだけ近づいた計算仮想平面１１ｃを設定し、これら合計３つの平面を格子状に分割する（ステップＳ２３）。

格子分割部８Ｂで分割する格子幅寸法ｄは、各平面１１ａ、１１ｂ、１１ｃ間の距離と同じであって、予め設定して各格子点間が等間隔になるようにするが、この設定値は利用者によって計算時に任意の値に変更して使用することもできる。

そして、計測エリア分割部８では、各格子点とマイクロフォン３との距離を、格子点毎に計算すると共に距離記憶部８Ａに記録する（ステップＳ２４）。

次に、音圧分布算出部９で計算対象基準平面１１ａ及び計算仮想平面１１ｂ及び１１ｃから順に、１つの格子点１１ａ００…、１１ｂ００…、１１ｃ００…、を順に音圧計算点として選出し（ステップＳ２５）、音圧計算点となる格子点毎に、マイクロフォン３との距離を、距離記憶部８Ａから読み出しを実施する。

音圧分布算出部９では、マイク音圧記憶部６に記憶されたマイクロフォン３毎の音圧値を音圧算出部９Ａに取り込んで、マイクロフォン３毎の音圧値の加重平均を求め、音圧計算点１１ａ１、１１ａ２…における音圧値を算出して音圧記憶部９Ｂに出力する（ステップＳ２６）。この音圧値の算出は、各平面１１ａから１１ｃの全ての格子点で実施する（ステップＳ２７）。

ステップＳ２７において、計算対象基準平面１１ａ及び計算仮想平面１１ｂ、１１ｃにおける全ての格子点の音圧算出が、音圧分布算出部９で済んだＹと判断すると、次のステップＳ２８に移行し、逆に計算対象基準平面１１ａ及び計算仮想平面１１ｂ、１１ｃにおける全ての格子点の音圧が、音圧分布算出部９で算出されていないＮと判断すると、ステップＳ２５からの処理を戻り繰り返し実行する。

続いて、音響インテンシティ分布算出部１０では、周囲音圧入力部１０Ａにより計算対象基準平面１１ａの中から周囲の格子点に囲まれた格子点１１ａ１１…を音響インテンシティ計算点として選出し（ステップＳ２８）、そして音響インテンシティ計算点である格子点１１ａａ１１に隣接するｘｙｚの３方向、例えば左右の方向ｘ１及びｘ２、上下の方向ｙ１及びｙ２や前後のｚ１及びｚ２の６つの周囲格子点１１ａ１０、１１ａ１２、１１ａ２１、１１ａ０１、１１ｂ１１、１１ｃ１１における音圧値を、それぞれ音圧記憶部９Ｂから読み出し、これらが音響インテンシティ算出部１０Ｂに伝達する。

次に、音響インテンシティ分布算出部１０の音響インテンシティ算出部１０Ｂでは、算出対象の格子点について、周囲音圧入力部１０Ａから伝えられた周囲の６つの格子点における音圧値を用い、音響インテンシティ計算点である各格子点における音響インテンシティを計算する。（ステップＳ２９）。

音響インテンシティ算出部１０Ｂでは、計算対象基準平面１１ａ上の全て対象となる格子点について、音響インテンシティが算出されていないＮの場合から、算出が済んだＹになるまで繰り返し実行する（ステップＳ３０）。これにより、測定エリアに設定した計算対象基準平面１１ａの音響インテンシティ分布が明らかになる。

本発明の算出方法は、上記のような手順で音響インテンシティを算出するものであって、３次元的に配置された複数個のマイクロフォン３で構成されるマイクロフォンアレイ１を用いて、音響インテンシティ計算点となる格子点の周囲の３次元的な音圧分布を得た後、複数点の音圧を用いて音響インテンシティを算出している。したがって、計測対象位置にマイクロフォンを配置する必要はなく、かつ任意位置での音響インテンシティを算出でき、しかもマイクロフォンアレイを移動することなく、計測を行いたい複数の測定エリアにおける音響インテンシティを算出することができる。

上記の実施例では、１つの音響インテンシティ計算点での音響インテンシティを算出するにあたり、音響インテンシティ計算点である格子点の周囲の水平ｘ、垂直ｙ、前後ｚの３方向に、それぞれ２点ずつの計６点の位置における音圧を用いた例で説明しているが、４点以上の複数点の格子点における音圧を利用して算出することができ、この選択点の数は算出音響インテンシティの精度と計算時間を考慮して適宜設定することができる。

本発明の一実施例である音響インテンシティ計測装置を示す全体構成図である。本発明の音響インテンシティ計測装置の計測エリア分割処理を説明するための模式図である。本発明の音圧分布算出処理を説明するための模式図である。本発明の音響インテンシティ分布算出処理を説明するための模式図である。本発明の音響インテンシティの分布を算出する処理手順を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…マイクロフォンアレイ、２ａ、２ｂ…支持枠、３…マイクロフォン、４…架台、５…測定対象物、６…マイク音圧記憶部、７…音響インテンシティ算出手段、８…計測エリア分割部、８Ａ…測定距離入力部、８Ｂ…格子分割部、８Ｃ…距離記憶部、９…音圧分布算出部、９Ａ…音圧算出部、９Ｂ…音圧記憶部、１０…音響インテンシティ分布算出部、１０Ａ…周囲音圧入力部、１０Ｂ…音響インテンシティ算出部、１１ａ…計算対象基準平面、１１ｂ、１１ｃ…計算対象仮想平面。

Claims

複数個のマイクロフォンから構成されて測定対象物に所定距離を隔てて対向配置するマイクロフォンアレイと、前記マイクロフォン毎に音圧値を記録するマイク音圧記憶手段と、前記マイク音圧記憶手段に記録したマイクロフォン毎の音圧値からそれぞれの音響インテンシティを算出する音響インテンシティ算出手段とを備え、前記音響インテンシティ算出手段は、マイクロフォンアレイの中心から測定対象物側に一定距離だけ離れたところに計算対象基準平面を設定すると共に、前記計算対象基準平面からマイクロフォンアレイ側及び測定対象物側にそれぞれ所定距離を隔てる２つの計算対象仮想平面を設定して、前記各平面を格子状に分割してそれぞれの格子点を音圧計算点として設定する計測エリア分割部と、前記音圧計算点毎にマイク音圧記憶装置に記憶された音圧値の加重平均を求めて音圧値を算出する音圧分布算出部と、前記計算対象基準平面上の音響インテンシティ計算点として設定した格子点毎に、前記各平面における複数の格子点の音圧値を用いて音響インテンシティを算出する音響インテンシティ分布算出部とを備えて構成したことを特徴とする音響インテンシティ計測装置。
請求項１において、前記マイクロフォンアレイは、少なくとも２つの支持枠にそれぞれマイクロフォンを等間隔に複数個設置して構成したものであることを特徴とする音響インテンシティ計測装置。
測定対象物に所定距離を隔てて対向して配置したマイクロフォンアレイのマイクロフォン毎に音圧値を記録し、前記マイクロフォンアレイの中心位置から測定対象物側に一定距離だけ離れたところに計算対象基準平面を設定し、前記計算対象基準平面からマイクロフォンアレイ側及び測定対象物側にそれぞれ所定距離を隔てる２つの計算対象仮想平面を設定すると共に、前記各平面を格子状に分割してそれぞれの格子点を音圧計算点として設定し、前記音圧計算点毎にマイク音圧記憶装置に記憶された音圧値の加重平均を求めて音圧値を算出し、前記計算対象基準平面上の音響インテンシティ計算点として設定した格子点毎に、前記各平面における複数の格子点の音圧値を用いて音響インテンシティを算出することを特徴とする音響インテンシティ計測方法。