JP4572681B2 - 音響特性測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響特性測定方法に関し、さらに詳しくは、測定時のノイズ、特に低周波ノイズを的確に除去して正確な測定を行なうことのできる水中音響特性測定方法に関するものである。

音響材料を開発する際、例えば、水中音響材料の開発、水中音響設計においては材料の水中音響特性（反射率、透過率、音速、損失等）の測定が不可欠である。従来、これらの特性は連続波を一定時間、音響水槽等の水中に設置した被測定物に放射して、絶対測定または相対測定されていた。この測定の際に、マルチパス（多重反射）等によるノイズを除去するには、検知した音波の遅延時間に基づいて、検出した音波データがノイズか否かを判断して、ノイズと判断したデータを除去する方法が用いられていた。

例えば、水中音響透過材料の透過損失計測を実施する際には、音響水槽または海において被測定物、音波送波器、音波受波器を水中に沈めて測定を実施している（特許文献１参照）。

しかしながら、この測定方法によると、音響水槽等の狭い環境下における測定では、測定周波数が低い（波長が長い）時にはマルチパスによるノイズや回折による影響が大きく、真に検出したいデータがノイズに埋没してしまい、正確な測定が困難であるという問題があった。測定環境を広くして例えば、２０ｍ四方の貯水池で０．６ｍ四方の被測定物を測定する場合でも、周波数２ｋＨｚ（波長が０．７５ｍ）程度がノイズと対象とを分離できる限界であり、さらに低い周波数では、ノイズを検出して除去することが不可能であった。

一方で、海中で測定を実施すると上記の問題を回避することができるが、海中には低周波数の高レベルのバックグランドノイズがあるため、測定周波数が低い時にはバックグランドノイズによって、真に検出したい信号が埋没するという新たな問題が生じて、正確な測定をすることが困難であった。

このように従来の水中等の音響特性測定方法では、測定時のノイズ、特に低周波ノイズを的確に除去して正確な測定を行なうことは困難であった。
特開平９−１３３６６０号公報

本発明の目的は、音響特性測定時のノイズ、特に低周波ノイズを的確に除去して正確な測定を行なうことのできる音響特性測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の音響特性測定方法は、被測定物が有る状態と無い状態とで、音波を発してリファレンスチャンネルとテストチャンネルとによって、前記音波を検知し、前記両状態において前記テストチャンネルによって取得した時間領域データを前記リファレンスチャンネルで取得した時間領域データを基準とし、位相を合わせ、相対値とした周波数特性データを取得するステップと、前記被測定物がある状態における周波数特性データを前記被測定物が無い状態における周波数特性データを基準にして相対値化するステップと、この相対値化した周波数特性データを時間領域データに変換してノイズデータを検出し、該ノイズデータを除去するステップと、前記ノイズを除去した時間領域データを周波数特性データに変換するステップとを有することを特徴とするものである。

本発明の音響特性測定方法によれば、被測定物の有無状態で、音波を発してリファレンスチャンネルとテストチャンネルとによって、前記音波を検知し、両状態においてテストチャンネルによって取得した時間領域データをリファレンスチャンネルで取得した時間領域データを基準とし、位相を合わせ、相対値とした周波数特性データを取得し、被測定物がある状態における周波数特性データを被測定物が無い状態における周波数特性データを基準にして相対値化し、この相対値化した周波数特性データを時間領域データに変換してノイズデータを検出し、除去するようにしたので、測定環境によって生じるノイズを的確に除去することができ、ダイナミックレンジの拡大と測定可能周波数帯の拡大を図ることができる。したがって、音響水槽等の狭い環境下においても、従来の測定では不可能であった低周波数の音波を正確に測定することができる。

以下、本発明の音響特性測定方法を、図に示した水中における音響特性測定に適用した場合の実施形態に基づいて説明する。図１に実施形態のフローチャート、図２に全体概要を示す。この実施形態では、音響水槽７の水の中に送波部４と受波部となるテストチャンネル５およびリファレンスチャンネル６とが配置され、送波部４は音波発生装置１からの音波Ｗを発し、テストチャンネル５およびリファレンスチャンネル６が水中伝搬されるこの音波Ｗを検知する。両チャンネル５、６は音波データ処理装置２に接続され、音波データ処理装置２には高速フーリエ変換器９、逆高速フーリエ変換器１０が内蔵されている。尚、これらの変換器９、１０に代えて通常のフーリエ変換器、逆フーリエ変換器を用いてもよい。

第１のステップとしては、音響水槽７の水の中に被測定物３を配置した状態および配置していない状態の２通りの状態において、送波部４から一定の周波数の音波Ｗを一定時間発して、この音波Ｗを両チャンネル５、６で検知し、位相および振幅を測定する。

この測定を所定の周波数範囲の音波Ｗについて実施する。例えば、リファレンスチャンネル６では、送波部４からの音波Ｗを直接的に検知して図４に示すような周期が少しずつ変化した音波データが取得される。被測定物３を設置していない状態でのテストチャンネル５では、マルチパス等によるノイズを含んだ音波Ｗを検知して、図５に示すような音波データが取得される。被測定物３を配置した状態でのテストチャンネル５では、ノイズに加えて被測定物３の影響を受けた音波Ｗを検知して図６に示すような音波データが取得される。両チャンネル５、６で検知された音波Ｗは音波データ処理装置２によって時間領域データ（生データ）として記憶される。

そして、テストチャンネル５による取得データをリファレンスチャンネル６による取得データを基準として位相を合せ、相対値データとして各周波数で取得し、周波数特性データを取得する。これを被測定物３を設置した状態および配置していない状態について行なう。例えば、図５に示す被測定物３を配置していない状態での時間領域データは、図７に示すようなデータとなり、図６に示す被測定物３を配置した状態での時間領域データは、図８に示すようなデータとなる。図７、８においてデータ曲線Ａは振幅を、データ曲線Ｐは位相を示している。

第２のステップとしては、第１ステップで処理した周波数特性データを用いてさらに音波データ処理装置２でデータ処理する。具体的には、図８に示した被測定物３を配置した状態での周波数特性データを、図７に示した被測定物３を配置していない状態での周波数特性データを基準にして相対値化（正規化）する。これによって図９に示すようなノイズを有する相対値化したデータが得られる。図９においてデータ曲線Ａは振幅を、データ曲線Ｐは位相を示している。

第３のステップとしては、図９に示した第２のステップで相対値化した被測定物３を配置した状態での周波数特性データを逆高速フーリエ変換器１０によって、時間領域データに変換する。この逆高速フーリエ変換によって図１０に示すような時間領域データが得られる。ここで、例えば図中のＢ範囲の波形をノイズとして判断して、このノイズデータを除去すると点線に示すような真値の時間領域データが取得できる。

さらに、第４のステップとして、図１０に示した真値の時間領域データを高速フーリエ変換器９によって、周波数特性データに変換することで図１１に示すようなノイズが除去された真値の周波数特性データを得ることができる。

以上のように、常にリファレンスチャンネル６とテストチャンネル５とを用いて測定し、リファレンスチャンネル６で検知したデータを基準としたデータ処理をすることで、測定環境により生じるノイズを、従来の検知した音波の遅延時間に基づく方法よりも精度良く、的確に除去するこができ、ダイナミックレンジの拡大と測定可能周波数帯の拡大を図ることができる。したがって、音響水槽等の狭い環境下においても、従来の測定では不可能であった低周波数の音波を正確に測定することができる。

また、測定周波数帯域を広げることによって容易に分解能を向上させることができ、必要とされる分解能に応じて、測定する周波数ポイントを増減させて柔軟な対応が可能となる。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、例えば別の実施形態として、図３に示すように音波発生装置１に分配器８を接続して、この分配器８から音響水槽７中の送波部４に音波Ｗを送る一方で、分配器８と音波データ処理装置２をつなぐ伝送路にリファレンスチャンネル６を設けて、送波部４が発する同様の音波Ｗのデータを伝送するようにしてもよい。

また、水中に限定されず、空中（大気中）における音響特性測定に用いることができる。

本発明の実施形態の音響特性測定方法のフローチャートを示す説明図である。 本発明の実施形態の全体概要を示す説明図である。 本発明の他の実施形態の全体概要を示す説明図である。 リファレンスチャンネルで検知した音波の時間領域データを示すグラフ図である。 被測定物を設置しない状態でテストチャンネルで検知した音波の時間領域データを示すグラフ図である。 被測定物を設置した状態でテストチャンネルで検知した音波の時間領域データを示すグラフ図である。 図５のデータを図４のデータを基準にし、位相を合わせ、相対値とした周波数特性データを示すグラフ図である。 図６のデータを図４のデータを基準にし、位相を合わせ、相対値とした周波数特性データを示すグラフ図である。 図８のデータを図７のデータを基準として相対値化したデータを示すグラフ図である。 図９のデータを逆ＦＦＴによって変換して得た時間領域データを示すグラフ図である。 図１０のデータからノイズを除去した後、ＦＦＴによって変換して得た周波数特性データを示すグラフ図である。

符号の説明

１ 音波発生装置
２ 音波データ処理装置
３ 被測定物
４ 送波部
５ テストチャンネル（受波部）
６ リファレンスチャンネル（受波部）
７ 音響水槽
８ 分配器
９ 高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）
１０ 逆高速フーリエ変換器（逆ＦＦＴ）

Claims (3)

1. 被測定物が有る状態と無い状態とで、音波を発してリファレンスチャンネルとテストチャンネルとによって、前記音波を検知し、前記両状態において前記テストチャンネルによって取得した時間領域データを前記リファレンスチャンネルで取得した時間領域データを基準とし、位相を合わせ、相対値とした周波数特性データを取得するステップと、前記被測定物がある状態における周波数特性データを前記被測定物が無い状態における周波数特性データを基準にして相対値化するステップと、この相対値化した周波数特性データを時間領域データに変換してノイズデータを検出し、該ノイズデータを除去するステップと、前記ノイズを除去した時間領域データを周波数特性データに変換するステップとを有する音響特性測定方法。
2. 前記音波を伝搬させて前記リファレンスチャンネルが検知する請求項１に記載の音響特性測定方法。
3. 前記音波を伝送路によって伝送させて前記リファレンスチャンネルが検知する請求項１に記載の音響特性測定方法。

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