JP4460497B2 - 騒音測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロホンアレイの基線長で決まる指向特性に比べ、鋭い指向特性を有し、その指向特性を可変できる騒音測定装置に関する。

マイクロホンアレイの指向性方向を変えるには、マイクロホンアレイの向きを物理的に変えることが知られている。
また、マイクロホンアレイの向きを物理的に変えずに、電気的な処理で指向特性の方向を変える方法としては、図７に示すように、直線状に配置された複数のマイクロホンＭ1，Ｍ2，…，ＭN（以下「直線配置マイクロホンアレイ」という）個々の出力に適当な遅延量ｄ1，ｄ2，…，ｄNを遅延器１００により変化させてこれら遅延器の出力の和を加算器１０１で計算して実現させることが知られている。なお、１０３は表示部である。

しかし、マイクロホンアレイの向きを物理的に変更すると、全方位についての測定を行うためには、1回の測定では一方向のみしか測れないので、角度ごとに何度も測定しなければならないという問題がある。
また、各マイクロホンからの出力を単純に遅延量を変えて和算するだけでは、正面以外の角度では、見かけ上のマイクロホンアレイの基線長が短くなるため，指向特性が鈍くなり、精度が悪くなるという問題がある。十分な精度を得るためには、マイクロホンの基線長を長くとらなければならない。

本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、鋭い指向特性を維持しつつ、所定の角度に指向特性の方向を変更でき，且つ後処理で指向特性を自由に変更できる比較的小型なマイクロホンアレイを有する騒音測定装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、複数のマイクロホンを配置したマイクロホンアレイと、このマイクロホンアレイからの出力信号をデジタル化するＡＤ変換部と、このＡＤ変換部でデジタル化された前記マイクロホンアレイからの出力信号を所定の時間記憶するメモリ部と、前記マイクロホンアレイにとって目的方向の利得が最大となる指向特性を生成する第１信号処理手段と、前記マイクロホンアレイにとって目的方向の利得が最小となると共にサイドローブが前記第１信号処理手段による指向特性と類似する指向特性を生成する第２信号処理手段と、この第２信号処理手段で生成された指向特性と前記第１信号処理手段で生成された指向特性との差分を算出する演算処理手段と、前記第１信号処理手段と前記第２信号処理手段と前記演算処理手段を所定の角度ごとに設定する設定手段を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の騒音測定装置において、前記マイクロホンアレイの基線長を１ｍ以上３ｍ以下とした。

請求項１に係る発明によれば、目的方向に最大利得を有する第１信号処理手段の出力信号と、目的方向に最小利得を有すると共に前記第１信号処理手段と類似のサイドローブを有する第２信号処理手段の差分を求めることで、サイドローブ成分を抑制し、メインローブを鋭くすることができる。これにより、マイクロホンの数を増やすことなく，マイクロホンアレイの基線長をいたずらに伸ばすことなく，鋭い指向性を実現できる。従って、基線長に比べて指向性を鋭くすることができるので、マイクロホンアレイの基線長を短くしても、指向性の劣化が抑えられる。
この効果により、マイクロホンアレイを動かすことなく、一回の測定で、所定の角度ごとの全ての方向に関して、鋭い指向特性で測定ができるので、移動音源の解析に使うこともできる。更には、到来方向別の寄与率がわかるため，卓越している音源方向を特定することができる．例えば、移動している列車のどの部分から大きな音が出ているかを推定することで、効率的な対策に生かせる。

請求項２に係る発明によれば、従来５ｍほどあったマイクロホンアレイの基線長を２ｍ程度にできるので、持ち運びや設置が容易になる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る騒音測定装置のブロック構成図、図２は同じく主要部のブロック構成図、図３は指向特性図、図４〜図６は測定結果の表示例である。

本発明に係る騒音測定装置は、図１に示すように、Ｎ個のマイクロホンＭ1，Ｍ2，…，ＭNを配置したマイクロホンアレイ１と、各マイクロホンＭ1，Ｍ2，…，ＭNの出力信号をデジタル信号に変換するＮ個のＡ／Ｄ変換器２と、Ａ／Ｄ変換器２からの出力信号を記憶するデータレコーダ３と、データレコーダ３の出力信号を入力して処理するパーソナルコンピュータ４を備える。

また、パーソナルコンピュータ４には、図２に示すように、周波数バンドの数に測定する角度の数を乗じた数、即ち周波数バンドごと及び角度ごとに演算処理ブロック２０が設けられ、これらの演算処理ブロック２０には夫々設定手段２１が備えられている。２２は最終的な演算結果を表示する表示部である。

演算処理ブロック２０は、データレコーダ３から受け取った信号について所定の指向特性を生成して処理する第１信号処理手段５と、データレコーダ３から受け取った信号について第１信号処理手段５と異なる指向特性を生成して処理する第２信号処理手段６と、第１信号処理手段５の出力信号の位相をπ／２シフトする位相シフト器７と、第２信号処理手段６の出力信号に係数ｋを乗ずる乗算器８と、第１信号処理手段５と第２信号処理手段６と乗算器８を制御する制御部９と、位相シフト器７の出力信号と乗算器８の出力信号の差分を算出する演算処理手段１０からなる。

設定手段２１は、第１信号処理手段５と第２信号処理手段６と演算処理手段１０を所定の角度ごとに設定する。なお、所定の指向特性を生成する信号処理手段としては、第１信号処理手段五や第２信号処理手段６に限られず、３つ以上設けることができる。そして、それらの出力信号を演算処理手段１０により演算処理してもよい。

第１信号処理手段５は、Ｎ個のデジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)と、Ｎ個のデジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)の出力信号を加算して出力する加算器１１からなる。デジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)は、周波数バンドをオクターブ、１／２オクターブ、１／３オクターブなど、目的に応じて分割する機能と、空間フィルタ機能を有する。

また、第２信号処理手段６も、Ｎ個のデジタルフィルタＦｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N)と、Ｎ個のデジタルフィルタＦｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N) の出力信号を加算して出力する加算器１２からなる。デジタルフィルタＦｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N)は、周波数バンドを１オクターブ、１／２オクターブ、１／３オクターブなど、目的に応じて分割する機能と、空間フィルタ機能を有する。

制御部９は、デジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)及びデジタルフィルタＦｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N)のパラメータを設定する。また、制御部９は、乗算器８が乗ずべき適切な係数ｋを指示する。位相シフト器７を加算器１１の後段に設けているが、位相シフト器７を設けずにπ／２位相シフト機能をデジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)に組み込むことも可能である。乗算器８は、第２信号処理手段６の出力信号に適切な係数ｋを乗ずることで、演算処理手段１０へ入力される信号の大きさを最適化する。乗算器８には、係数ｋのテーブルが予め作成されて設定されてある。

以上のように構成した本発明に係る騒音測定装置の動作について説明する。先ず、マイクロホンアレイ１で取り込んだ音圧信号が、Ａ／Ｄ変換器２でデジタル信号にされる。
次いで、Ａ／Ｄ変換器２でデジタル化された信号は、所定の時間分データレコーダ３に記憶される。データレコーダ３に記憶された信号は、データレコーダ３からパーソナルコンピュータ４に移される。パーソナルコンピュータ４に移された信号は、第１信号処理手段５と第２信号処理手段６に供給される。

第１信号処理手段５では、デジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)がデジタル信号を１／３オクターブ毎に周波数を分割し、空間フィルタにより各信号を処理する。同様に、第２信号処理手段６でも、デジタルフィルタＦｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N)がデジタル信号を１／３オクターブ毎に周波数を分割し、空間フィルタにより各信号を処理する。

周波数バンドは、目的に応じて１オクターブ、１／２オクターブなどに分割することができる。また、空間フィルタを用いることで、零点及び極の設定により、指向特性を可変することができる。また、処理する周波数バンドによって、使用するマイクロホンの組み合わせを選択する。制御部９は、デジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)及びデジタルフィルタＦｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N)のパラメータの設定を変更することで、加算器１１，１２に入力させる信号を選択することができる。

第１信号処理手段５では、目的方向の利得が最大になる指向特性が得られるよう空間フィルタが設定されている。また、第２信号処理手段６では、目的方向の利得が最小になると共にサイドローブが第１信号処理手段５と類似するよう空間フィルタが設定されている。

次いで、デジタルフィルタＦａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)の出力信号が、加算器１１で加算され、デジタルフィルタＦｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N)の出力信号が、加算器１２で加算される。更に、位相シフト器７が加算器１１の出力信号の位相をπ／２シフトし、乗算器８が加算器１２の出力信号に適切な係数ｋを乗じて演算処理手段１０へ入力される信号の大きさを最適化する。図３に示す波形Ａは位相シフト器７の出力信号を示し、波形Ｂは乗算器８の出力信号を示す。

次いで、演算処理手段１０において、位相シフト器７の出力信号と乗算器８の出力信号の差分が算出される。すると、サイドローブ成分は類似するので減少し、メインローブ成分は目的方向の成分に抑制効果が働かないので、演算処理手段１０の出力信号は、図３に示す波形Ｃのように、目的方向に対して鋭い特性を有するようになる。

次いで、第１信号処理手段５及び第２信号処理手段６により、１／３オクターブバンドごとに決定され、且つ設定手段２１により各角度に対して決定される演算処理ブロック２０の各々でデータレコーダ３からの信号を処理することで、周波数、方向、レベル、時間に対する解析を行うことができる。解析結果は、目的に合わせて、図４、図５、図６に示すように、表示部２２に表示する。表示する結果については、ユーザの操作により選択できる。１回の測定データを用いて、ボタン操作ひとつで，複数のオクターブバンドおよび，全角度方向の指向性が得られ，周波数ごと，方向ごとに寄与率が簡単に求めることができきる。

マイクロホンアレイの基線長を長くすること無く、指向特性の鋭さを維持したまま、方向を可変でき、一回の測定で複数のオクターブバンドおよび，全角度方向の指向性が得られ，周波数ごと，方向ごとに寄与率が簡単に求められるので、列車などの移動音源の騒音原因究明などへの利用が期待される。

本発明に係るの騒音測定装置のブロック構成図 主要部のブロック構成図 指向特性図 所定の角度（＋３０°）における３つの周波数バンドの時間に対するレベル変化の表示例 所定の周波数（８００Ｈz）における３つの角度の時間に対するレベル変化の表示例 ある時間における各方向から来る騒音の寄与度分析の表示例 従来のマイクロホンアレイを有する騒音計のブロック構成図

符号の説明

１…マイクロホンアレイ、２…Ａ／Ｄ変換器、３…データレコーダ、４…パーソナルコンピュータ、５…第１信号処理手段、６…第２信号処理手段、７…位相シフト器、８…乗算器、９…制御部、１０…演算処理手段、１１，１２…加算器、２０…演算処理ブロック、２１…設定手段、２２…表示部、Ｆａ(1)，Ｆａ(2)，…，Ｆａ(N)，Ｆｂ(1)，Ｆｂ(2)，…，Ｆｂ(N)…デジタルフィルタ、Ｍ1，Ｍ2，…，ＭN…マイクロホン。

Claims (2)

1. 複数のマイクロホンを配置したマイクロホンアレイと、このマイクロホンアレイからの出力信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換部と、このＡ／Ｄ変換部でデジタル化された前記マイクロホンアレイからの出力信号を所定の時間記憶するメモリ部と、前記マイクロホンアレイにとって目的方向の利得が最大となる指向特性を生成する第１信号処理手段と、前記マイクロホンアレイにとって目的方向の利得が最小となると共にサイドローブが前記第１信号処理手段による指向特性と類似する指向特性を生成する第２信号処理手段と、この第２信号処理手段で生成された指向特性と前記第１信号処理手段で生成された指向特性との差分を算出する演算処理手段と、前記第１信号処理手段と前記第２信号処理手段と前記演算処理手段を所定の角度ごとに設定する設定手段を備えたことを特徴とする騒音測定装置。
2. 請求項１記載の騒音測定装置において、前記マイクロホンアレイの基線長が１ｍ以上３ｍ以下であることを特徴とする騒音測定装置。