JP4722347B2 - 音源探査システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工場等での騒音対策のため、騒音源の位置を特定して表示する音源探査システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工場等では、電源ボックスやリレーなどのトランスから発生する５０Ｈｚ／６０Ｈｚ、もしくはそれらの倍音である低音の騒音が多く発生している。このような騒音に対しては、作業者が騒音発生機器の周囲の音圧分布を騒音計により測定して上記騒音源を特定して騒音対策を行うようにしていたが、騒音源の特定には多くの時間がかかり、効率的ではなかった。そこで、音響的手法を用いて騒音等の音源を推定する方法が検討されてきている。
従来提案されている音源探査方法としては、（１）音圧波形の相関を用いる方法や（２）音響ホログラフィを用いる方法がある。（１）の方法は、相関関数の性質を利用し、複数の地点で採取した音圧波形の相関関係から音源の位置を推定するものであり、（２）の方法は、探査する空間に基本波を走査し、上記基本波と騒音とが干渉した干渉音を各走査方向についてそれぞれ記録し、この記録から基本波を走査させた空間の音圧分布を再現することにより騒音源を推定するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記音圧波形の相関を用いる方法や音響ホログラフィを用いた方法は、測定や解析に長時間を要するので、限られた空間内では有効であるが、屋外において音源探査を行うような場合には、精度を向上させるため、装置が大型化してしまうといった問題点があった。
また、指向性のマイクロフォンを用いて音源を特定する方法も考えられるが、工場等の騒音は、上述したように主に低周波領域の騒音であるため、音の指向性が低く、したがって、マイクロフォンに指向性を持たせた場合でも、音源の特定が困難であった。
【０００４】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、屋外においても精度よく工場等の騒音などの騒音源を特定して表示することのできる音源探査システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の音源探査システムは、互いに直交する２本の直線上に所定の間隔を隔てて配置された２組のマイクロフォン対を含むマイクロフォン群と、上記マイクロフォン対を構成する４個のマイクロフォンの出力信号から音源の位置を推定する音源位置推定手段と、上記推定された音源位置近傍の映像を採取する映像採取手段と、上記推定された音源の位置を上記採取された映像上に表示する表示手段とを備え、上記音源位置推定手段が、上記２本の直線のうちの一方の直線上に配置されたマイクロフォン対を構成する２個のマイクロフォン間の音の到達時間差と他方の直線上に配置された２個のマイクロフォン間の音の到達時間差との比から音源の位置を推定することを特徴とするものである。
具体的には、一対のマイクロフォンをＸ軸上のＸ１＝（Ｌ 1 ／２，０）とＸ２＝（−Ｌ 1 ／２，０）とに位置させ、他の一対のマイクロフォンを、Ｘ軸と直交するＹ軸上のＹ１＝（０，Ｌ 2 ／２）とＹ２＝（０，−Ｌ 2 ／２）とに位置させる場合のように、所定の間隔で配置された一対のマイクロフォンを、互いに直交する２つの直線上にそれぞれ配置し、上記一対のマイクロフォンにおける音の到達時間差Ｄ x 及びＤ y をそれぞれ求めて、上記到達時間差の比（Ｄ y ／Ｄ x ）から、音源の位置を推定するようにしたものである。
【０００９】
請求項２に記載の音源探査システムは、音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記表示される音源位置のシンボルの色を変化させるようにしたものである。
【００１０】
請求項３に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群を複数箇所移動させて、複数の測定点の音を採取することにより、音源位置の推定精度を向上させるようにしたものである。
【００１１】
請求項４に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群を回転させて、複数の角度で音を採取することにより、音源位置の推定精度を向上させるようにしたものである。
【００１２】
請求項５に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群により、所定の時間間隔で音を採取して各測定時間における音源位置を求めることにより、音源位置の移動状況を推定するようにしたものである。
【００１３】
請求項６に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群の地上での絶対位置を測定する手段を備え、上記測定されたマイクロフォンの位置から音源位置の地上での絶対位置を特定するようにしたものである。
【００１４】
請求項７に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォンで採取された異常のない状態にある騒音源の音圧データを記憶する手段と、新たに採取された音圧データと上記記憶された音圧データとを比較する手段とを設けて、異常音を発生する音源の位置を特定することができるようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
図１は本実施の形態に係わる音源探査システムの概要を示す図で、Ｍ１〜Ｍ４は図示しない騒音源からの雑音の音圧レベルを測定する測定用のマイクロフォン、Ｍ５は後述する測定補助用のマイクロフォン、１１は音源位置近傍の映像を採取するためのＣＣＤカメラ（以下、カメラという）、１２は上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の地上位置を同定するためのＧＰＳ、１３は上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５からの音圧信号を増幅する増幅器、１４は増幅された音圧信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１５は上記カメラ１１の映像信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換するビデオ入出力ユニットである。
また、２０は入力手段であるキーボード２１と音源位置推定の演算等を行う記憶・演算部２２と画像表示手段であるディスプレイ２３とを備えたパーソナルコンピュータで、上記記憶・演算部２２は、図２の機能ブロック図に示すように、測定パラメータを記憶するパラメータ記憶手段２４と、上記Ａ／Ｄ変換されたマイクロフォンＭ１〜Ｍ４の音圧信号を用いて、双曲線法により音源位置を推定する音源位置推定手段２５と、上記カメラ１１からの映像に、上記推定された音源位置を示す画像を付加した画像を生成して上記ディスプレイ２３に送る画像合成手段２６とを備えている。
３０は三脚から成る支持部材３１と、この支持部材３１の上部に配設された、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５を搭載するための回転フレーム３２とから成る基台で、マイクロフォンＭ５は上記回転フレーム３２の回転板３２Ｐから上部方向に突出する垂直フレーム３２Ｚの上部に取り付けられ、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４は上記垂直フレーム３２Ｚから突出する互いに直交する２本の水平フレーム３２Ｘ，３２Ｙの両端側にそれぞれ取り付けられる。カメラ１１は、上記垂直フレーム３２Ｚの下部に取り付けられ、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５と連動して回転する。また、ＧＰＳ１２は上記回転フレーム３２の下部に設けられた取り付け板３３に取り付けられる。
以下、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５とカメラ１１とＧＰＳ１２とを搭載した基台３０を測定ユニット１０と呼ぶ。
【００１６】
双曲線法は、音源位置（ｘ，ｙ，ｚ）が、上記音源から所定の距離離れた一対のマイクロフォン（Ｍi ，Ｍj）に到達する音の時間差（時間遅れＤij）と、マイクロフォン間の距離、及び音速とから算出される定数によって決まる、上記マイクロフォン対を通る直線を軸とする紡錘体の表面上にあることを用いて、上記音源位置を推定するもので、所定の間隔で配置された一対のマイクロフォンを、互いに直交する３つの直線上それぞれ配置し、上記一対のマイクロフォンにおける音の到達時間差をそれぞれ求めて、上記到達時間差から少なくとも３個の紡錘体を求め、これらの紡錘体の交点から音源の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を求めるものである。
本実施の形態では、音源がＸＹ平面内にあるものと仮定し、音源の方向を推定するため、図３（ａ）に示すように、Ｘ軸上の点（Ｌ／２，０，０）及び（−Ｌ／２，０，０）と、上記Ｘ軸と直交するＹ軸上の点（０，Ｌ／２，０）及び（０，−Ｌ／２，０）とに、互いに距離Ｌを隔ててマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及びマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）を配置して、上記各マイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及び（Ｍ２，Ｍ４）における出力信号を周波数分析し、対象となる周波数ｆにおけるマイクロフォンＭiとマイクロフォンＭj間の時間遅れＤij（ここでは、Ｘ軸上のマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及びＹ軸上のマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）の到達時間差Ｄx及びＤy）から音源位置を推定する。
なお、上記音源から装置までの距離がマイクロフォン間の距離Ｌに対して十分（例えば、１０倍以上）離れている場合には、到達する音を平面波とみなすことが可能で、音源方向θは以下の近似式（１）で表わせる。
また、上記時間遅れＤijは、２つのマイクロフォン対Ｍi，Ｍjに入力される信号のクロススペクトルＰij（ｆ）を求め、更に、対象とする上記周波数ｆの位相角情報Ψ（ｒａｄ）を用いて、以下の式（２）を用いて算出される。
なお、上記音源方向θは、各周波数毎に算出することができる。
【００１７】
また、上記マイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及び（Ｍ２，Ｍ４）の間隔Ｌは、測定する騒音の主となる周波数範囲に応じて決定されるものである。本実施の形態では、上記騒音は、１２０Ｈｚ，２４０Ｈｚ，３６０Ｈｚにピークを持つ、工場等で発生するトランスからの騒音の解析を対象とし（基本波である６０Ｈｚのピークはバックグランドが大きいので外した）、約４９０Ｈｚ以下の周波数帯域の騒音を感度よく測定することができるように、上記間隔Ｌを０．４２ｍに設定した。
また、測定用のマイクロフォンＭ１〜Ｍ４とは高さの異なる、測定補助用のマイクロフォンＭ５は、ＴＰＳ信号（時間引き延ばしパルス信号）によるインパルス信号を測定するためのもので、反射波の影響を確かめるために用いられる。
上記音源方向θは、１回の測定でも求めることができるが、本実施の形態では、図４に示すように、測定ユニット１０の位置を複数箇所移動させたり、同一測定箇所で回転フレーム３２を回転させた複数角度での測定を行って、音源方向θの測定精度を向上させるようにしている。
【００１８】
次に、上記音源探査システムを用いた音源の推定方法について、図５のフローチャート基づき説明する。
はじめに、測定ユニット１０を、雑音源からの雑音が採取できる箇所に設置した後、入力信号のレンジやカメラのレンズなどのシステム調整を行う（ステップＳ１０）。なお、このとき、水平フレーム３２Ｘ（または、水平フレーム３２Ｙ）を所定のスタート位置（仮の、Ｘ軸及びＹ軸）に合わせておく。
次に、マイクロフォン数やサンプリング周波数などのパラメータを、キーボード２１からパーソナルコンピュータ２０の記憶・演算部２２内のパラメータ記憶手段２４に記憶する（ステップＳ１１）。上記パラメータとしては、測定箇所数、マイクロフォン数やサンプリング周波数の他に、マイクロフォンの配列に関する情報、図示しないフィルタの通過周波数範囲、最大平均回数などがある。なお、パラメータ記憶手段２４にはこれらの初期設定値が予め設定されており、通常は、変更するパラメータのみを入力する。
次に、測定ユニット１０に設けられたＧＰＳ１２により、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の中心位置、すなわちマイクロフォン群の地上での絶対位置を測定してパーソナルコンピュータ２０に取り込み（ステップＳ１２）、その後、上記測定位置における測定回数とフレーム回転角とをキーボード２１から入力する（ステップＳ１３）。なお、音圧レベル（音響情報）と映像情報とは、１回測定する毎に回転フレーム３２を回転させて採取してもよいし、同一角度で複数回測定した後に回転フレーム３２を回転させて採取するようにしてもよい。
本実施の形態では、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４とカメラ１１とにより、フレーム回転角が０°（初期位置），９０°，１８０°，２７０°である各位置において音響情報と映像情報とを１回ずつ採取し、上記採取された音響情報と映像情報とをパーソナルコンピュータ２０に取り込む（ステップＳ１４）ようにしている。すなわち、本例では、上記計４回の測定で当該測定箇所での測定を完了するように測定条件を設定した。このとき、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４の出力である音圧信号は、増幅器１３で増幅されＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換される。また、カメラ１１からの映像信号はビデオ入出力ユニット１５でデジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータ２０に取り込まれる。
【００１９】
パーソナルコンピュータ２０では、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ４からの音響情報を用い、上述した双曲線法、あるいは音源方向θの近似式（１）を用いて音源の位置を推定するための計算を行う（ステップＳ１５）。
次に、全てのフレーム回転角での測定が終了したかどうかを判定し（ステップＳ１６）、終了していない場合には、回転フレーム３２を９０°回転させた後、ステップＳ１４に戻り、次のフレーム回転角での音響情報と映像情報とを採取する。また、全てのフレーム回転角での測定が終了した場合には、回転フレーム３２を初期位置に戻すとともに、当該測定箇所で求められた音源位置の平均化処理を行う（ステップＳ１７）。
その後、全ての測定点での測定が終了したかどうかを判定し（ステップＳ１８）、終了していない場合には、測定ユニット１０を次の測定箇所に移動させて、上記ステップＳ１２〜Ｓ１７の操作を行う。
また、全ての測定箇所での測定が終了した場合には、上記各測定点での音源位置のデータから、最も確からしい音源位置を推定し（ステップＳ１９）た後、図６に示すように、上記推定された音源位置を、上記音源位置が最もよく映っている映像画像を選び出して、上記画像中に音源位置推定エリアを表示する（ステップＳ２０）。
なお、本発明の音源探査システムでは、複数の騒音源があった場合でも特定可能であり、かつ、それぞれの音源の周波数毎の寄与率も算出することができるので、例えば、図６の上の画像に示すような前方「０°」に位置する音源位置推定エリアＡと後方「−４５°」に位置する音源位置推定エリアＢなどの複数の音源位置と、測定位置からの角度による各周波数毎の音の強さなどの音源情報の詳細とを演算して表示することができる。このとき、音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記表示される音源位置のシンボルの色を変化させるようにすることも可能である。例えば、音圧レベルによって表示される音源位置のシンボルの色を変化させる場合には、音源位置が最もよく映っている映像画像中に、音圧レベルによって色分けされたシンボル（ここでは、円）を表示するとともに、上記画面の下方に、音源方向を横軸に、周波数を縦軸にとった周波数分布のグラフを表示し、更にそのシンボルを音圧レベルによって色分けするようにすれば、音圧レベルあるいは周波数のいずれか一方あるいは両方が異なる音源が複数ある場合でも、それぞれの音源の位置を視覚的に捉えることができるので、音源の特徴を容易にかつ詳細に把握することができる。
また、音源位置が最もよく映っている映像画像中に、周波数の高低によって色分けされたシンボルを表示し、この画面の下方に、音源方向を横軸に、音圧レベルを縦軸にとった音圧分布のグラフを表示するようにしてもよい。このとき、上記グラフ中のシンボルも周波数の高低によって色分けするようにしてもよい。
また、上記音源推定位置の座標も同時に表示するようにしてもよい。このとき、上記座標は、予め設定された原点（０，０）からの値でもよいし、上記ＧＰＳ１２で測定された測定ユニット１０の位置に基づいて算出された、上記音源推定位置の地上での絶対位置でもよい。
【００２０】
このように、本実施の形態によれば、Ｘ軸上とＹ軸上に、それぞれ距離Ｌだけ離れて配置されたマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）の出力信号の到達時間差、及びマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）の出力信号の到達時間差とから音源の方向を推定するとともに、上記推定された音源位置近傍の映像をカメラ１１により採取し、パーソナルコンピュータ２０のディスプレイ２３上に表示された上記映像上に、上記推定された音源位置を表示するようにしたので、簡単な構成で、屋外においても精度よく工場等の騒音などの騒音源を特定して表示することができる。このとき、上記音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記画像として表示される音源位置のシンボルの色を変化させることにより、音源が複数ある場合でもそれぞれの音源の位置だけでなく、音源の特徴を視覚的に判定することができる。
また、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５とカメラ１１とＧＰＳ１２とを基台３０に搭載した測定ユニット１０を複数箇所移動させたり、同一測定箇所で回転フレーム３２を回転させた複数角度での測定を行うことにより、音源方向θの測定精度を向上させることができる。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、４個のマイクロフォンを用いて音源の方向を推定するようにしたが、一直線状にない（平面を構成する）３個のマイクロフォンを用いても、音源の方向を推定することが可能である。
また、上記例では、２つのマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及び（Ｍ２，Ｍ４）を用いて音源方向θを推定するようにしたが、更に、Ｚ軸方向にマイクロフォン対を追加してマイクロフォン対を３対とすることにより、音源の位置の水平角θと仰角φとを推定することができる。なお、原理的には、立体を構成する４個のマイクロフォンを用い、互いに交わる３つの直線上にそれぞれマイクロフォン対が配置される構成をとることによっても音源の位置を推定することが可能であるが、信号処理や計算を容易にするためには、上記のように所定の間隔で配置された一対のマイクロフォンをＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸３つの直線上にそれぞれ配置して音源の位置を推定することが好ましい。
また、上記例では、各測定箇所で、回転フレーム３２を回転させる測定を行ったが、単に、測定ユニット１０を複数箇所移動させるだけでもよいし、同一測定箇所で回転フレーム３２を回転させる測定のみを行っても、音源方向θを精度よく測定することができる。但し、回転フレーム３２を回転させない場合には、カメラ１１を推定された音源方向に回転させて、最適な騒音源付近の画像を採取する必要がある。
また、各マイクロフォンの距離はＬ＝０．４２ｍｍに限るものではなく、騒音源の性質により、適宜決定されるものであることは言うまでもない。
また、一つの測定箇所あるいは測定角度において、所定の時間間隔で音を採取して各測定時間における音源位置を求めることにより、音源位置の移動状況を推定することも可能である。
【００２２】
また、本発明の音源探査システムでは、上述したように、複数ある音源の各周波数毎の寄与率も算出することができるので、本発明のシステムに、上記マイクロフォンで採取された異常のない状態にある騒音源の音圧データを記憶する手段と、新たに採取された音圧データと上記記憶された音圧データとを比較する手段とを設けることにより、新たに採取された音圧データの特定周波数の音圧レベルが上記過去のデータよりも大きくなったり、今までにピークのない周波数帯域に新たなピークが現れたりするなどの、定常とは異なる音（異常音）を発生するような音源位置を特定することができる。したがって、本発明の音源探査システムを用いて、騒音源の異常検出システムを構成し、この騒音源の異常検出システムを、例えば、工場内の所定の箇所に設置して、定期的に音源位置の測定を行うことにより、トランスやモータの故障による異常音を発する騒音源の位置を特定することができるので、騒音を発生する機器の異常を検出することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、互いに直交する２本の直線上に所定の間隔を隔てて配置された２組のマイクロフォン対を含むマイクロフォン群と、上記２本の直線のうちの一方の直線上に配置されたマイクロフォン対を構成する２個のマイクロフォン間の音の到達時間差と他方の直線上に配置された２個のマイクロフォン間の音の到達時間差との比から音源の位置を推定する音源位置推定手段と、上記推定された音源位置近傍の映像を採取する映像採取手段と、上記推定された音源位置を上記採取された映像上に表示する表示手段とを備え、音源の位置を推定するとともに、上記推定された音源位置近傍の映像を採取して、上記推定された音源位置を上記映像上に表示するようにしたので、簡単な構成で、騒音源を特定して表示することができる。
また、本発明では、互いに直交する直線上にそれぞれ配置されたマイクロフォン対における音の到達時間差をそれぞれ求めて、上記到達時間差から音源方向の近似式（平面波近似）を用いて音源の方向あるいは位置を推定したので、確実に音源の方向あるいは位置を特定することができる。
また、音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記画像として表示される音源位置のシンボルの色を変化させることにより、音圧レベルや周波数特性も表示できるようにしたので、音源が複数ある場合でもそれぞれの音源の位置だけでなく、音源の特徴を視覚的に判定することができる。
更に、上記マイクロフォンで採取された異常のない状態にある騒音源の音圧データを記憶する手段と、新たに採取された音圧データと上記記憶された音圧データとを比較する手段とを設けることにより、異常音を発生する音源位置を特定することができるので、騒音を発生する機器の異常を検出することができる。
【００２４】
また、上記マイクロフォン群を複数箇所移動させたり、上記マイクロフォン群を回転させて、複数の測定点あるいは複数の角度で測定することにより、音源位置の推定精度を向上させることができる。
更に、所定の時間間隔で音を採取して各測定時間における音源位置を求めることにより、音源位置の移動状況を推定することができる。
また、上記マイクロフォン群の地上での絶対位置を測定する、例えばＧＰＳのような位置特定手段を設けることにより、音源位置の地上での絶対位置を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態に係わる音源探査システムの概要を示す図である。
【図２】 本実施の形態に係わるパーソナルコンピュータの記憶・演算部の機能ブロック図である。
【図３】 マイクロフォンの配列状態を示す図である。
【図４】 測定ユニットの移動状態を説明するための図である。
【図５】 本実施の形態に係わる音源探査方法のフローチャートである。
【図６】 本実施の形態に係わる表示画面の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 測定ユニット、Ｍ１〜Ｍ５ マイクロフォン、１１ カメラ、
１２ ＧＰＳ、１３ 増幅器、１４ Ａ／Ｄ変換器、
１５ ビデオ入出力ユニット、２０ パーソナルコンピュータ、
２１ キーボード、２２ 記憶・演算部、２３ ディスプレイ、
２４ パラメータ記憶手段、２５ 音源位置推定手段、２６ 画像合成手段、
３０ 基台、３１ 支持部材、３２ 回転フレーム、３２Ｐ 回転板、
３２Ｘ，３２Ｙ 水平フレーム、３２Ｚ 垂直フレーム、３３ 取り付け板。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、工場等での騒音対策のため、騒音源の位置を特定して表示する音源探査システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工場等では、電源ボックスやリレーなどのトランスから発生する５０Ｈｚ／６０Ｈｚ、もしくはそれらの倍音である低音の騒音が多く発生している。このような騒音に対しては、作業者が騒音発生機器の周囲の音圧分布を騒音計により測定して上記騒音源を特定して騒音対策を行うようにしていたが、騒音源の特定には多くの時間がかかり、効率的ではなかった。そこで、音響的手法を用いて騒音等の音源を推定する方法が検討されてきている。
従来提案されている音源探査方法としては、（１）音圧波形の相関を用いる方法や（２）音響ホログラフィを用いる方法がある。（１）の方法は、相関関数の性質を利用し、複数の地点で採取した音圧波形の相関関係から音源の位置を推定するものであり、（２）の方法は、探査する空間に基本波を走査し、上記基本波と騒音とが干渉した干渉音を各走査方向についてそれぞれ記録し、この記録から基本波を走査させた空間の音圧分布を再現することにより騒音源を推定するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記音圧波形の相関を用いる方法や音響ホログラフィを用いた方法は、測定や解析に長時間を要するので、限られた空間内では有効であるが、屋外において音源探査を行うような場合には、精度を向上させるため、装置が大型化してしまうといった問題点があった。
また、指向性のマイクロフォンを用いて音源を特定する方法も考えられるが、工場等の騒音は、上述したように主に低周波領域の騒音であるため、音の指向性が低く、したがって、マイクロフォンに指向性を持たせた場合でも、音源の特定が困難であった。
【０００４】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、屋外においても精度よく工場等の騒音などの騒音源を特定して表示することのできる音源探査システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の音源探査システムは、互いに直交する２本の直線上に所定の間隔を隔てて配置された２組のマイクロフォン対を含むマイクロフォン群と、上記マイクロフォン対を構成する４個のマイクロフォンの出力信号から音源の位置を推定する音源位置推定手段と、上記推定された音源位置近傍の映像を採取する映像採取手段と、上記推定された音源の位置を上記採取された映像上に表示する表示手段とを備え、上記音源位置推定手段が、上記２本の直線のうちの一方の直線上に配置されたマイクロフォン対を構成する２個のマイクロフォン間の音の到達時間差と他方の直線上に配置された２個のマイクロフォン間の音の到達時間差との比から音源の位置を推定することを特徴とするものである。
具体的には、一対のマイクロフォンをＸ軸上のＸ１＝（Ｌ 1 ／２，０）とＸ２＝（−Ｌ 1 ／２，０）とに位置させ、他の一対のマイクロフォンを、Ｘ軸と直交するＹ軸上のＹ１＝（０，Ｌ 2 ／２）とＹ２＝（０，−Ｌ 2 ／２）とに位置させる場合のように、所定の間隔で配置された一対のマイクロフォンを、互いに直交する２つの直線上にそれぞれ配置し、上記一対のマイクロフォンにおける音の到達時間差Ｄ x 及びＤ y をそれぞれ求めて、上記到達時間差の比（Ｄ y ／Ｄ x ）から、音源の位置を推定するようにしたものである。
【０００９】
請求項２に記載の音源探査システムは、音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記表示される音源位置のシンボルの色を変化させるようにしたものである。
【００１０】
請求項３に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群を複数箇所移動させて、複数の測定点の音を採取することにより、音源位置の推定精度を向上させるようにしたものである。
【００１１】
請求項４に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群を回転させて、複数の角度で音を採取することにより、音源位置の推定精度を向上させるようにしたものである。
【００１２】
請求項５に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群により、所定の時間間隔で音を採取して各測定時間における音源位置を求めることにより、音源位置の移動状況を推定するようにしたものである。
【００１３】
請求項６に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群の地上での絶対位置を測定する手段を備え、上記測定されたマイクロフォンの位置から音源位置の地上での絶対位置を特定するようにしたものである。
【００１４】
請求項７に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォンで採取された異常のない状態にある騒音源の音圧データを記憶する手段と、新たに採取された音圧データと上記記憶された音圧データとを比較する手段とを設けて、異常音を発生する音源の位置を特定することができるようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
図１は本実施の形態に係わる音源探査システムの概要を示す図で、Ｍ１〜Ｍ４は図示しない騒音源からの雑音の音圧レベルを測定する測定用のマイクロフォン、Ｍ５は後述する測定補助用のマイクロフォン、１１は音源位置近傍の映像を採取するためのＣＣＤカメラ（以下、カメラという）、１２は上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の地上位置を同定するためのＧＰＳ、１３は上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５からの音圧信号を増幅する増幅器、１４は増幅された音圧信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１５は上記カメラ１１の映像信号（アナログ信号）をデジタル信号に変換するビデオ入出力ユニットである。
また、２０は入力手段であるキーボード２１と音源位置推定の演算等を行う記憶・演算部２２と画像表示手段であるディスプレイ２３とを備えたパーソナルコンピュータで、上記記憶・演算部２２は、図２の機能ブロック図に示すように、測定パラメータを記憶するパラメータ記憶手段２４と、上記Ａ／Ｄ変換されたマイクロフォンＭ１〜Ｍ４の音圧信号を用いて、双曲線法により音源位置を推定する音源位置推定手段２５と、上記カメラ１１からの映像に、上記推定された音源位置を示す画像を付加した画像を生成して上記ディスプレイ２３に送る画像合成手段２６とを備えている。
３０は三脚から成る支持部材３１と、この支持部材３１の上部に配設された、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５を搭載するための回転フレーム３２とから成る基台で、マイクロフォンＭ５は上記回転フレーム３２の回転板３２Ｐから上部方向に突出する垂直フレーム３２Ｚの上部に取り付けられ、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４は上記垂直フレーム３２Ｚから突出する互いに直交する２本の水平フレーム３２Ｘ，３２Ｙの両端側にそれぞれ取り付けられる。カメラ１１は、上記垂直フレーム３２Ｚの下部に取り付けられ、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５と連動して回転する。また、ＧＰＳ１２は上記回転フレーム３２の下部に設けられた取り付け板３３に取り付けられる。
以下、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５とカメラ１１とＧＰＳ１２とを搭載した基台３０を測定ユニット１０と呼ぶ。
【００１６】
双曲線法は、音源位置（ｘ，ｙ，ｚ）が、上記音源から所定の距離離れた一対のマイクロフォン（Ｍi ，Ｍj）に到達する音の時間差（時間遅れＤij）と、マイクロフォン間の距離、及び音速とから算出される定数によって決まる、上記マイクロフォン対を通る直線を軸とする紡錘体の表面上にあることを用いて、上記音源位置を推定するもので、所定の間隔で配置された一対のマイクロフォンを、互いに直交する３つの直線上それぞれ配置し、上記一対のマイクロフォンにおける音の到達時間差をそれぞれ求めて、上記到達時間差から少なくとも３個の紡錘体を求め、これらの紡錘体の交点から音源の位置（ｘ，ｙ，ｚ）を求めるものである。
本実施の形態では、音源がＸＹ平面内にあるものと仮定し、音源の方向を推定するため、図３（ａ）に示すように、Ｘ軸上の点（Ｌ／２，０，０）及び（−Ｌ／２，０，０）と、上記Ｘ軸と直交するＹ軸上の点（０，Ｌ／２，０）及び（０，−Ｌ／２，０）とに、互いに距離Ｌを隔ててマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及びマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）を配置して、上記各マイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及び（Ｍ２，Ｍ４）における出力信号を周波数分析し、対象となる周波数ｆにおけるマイクロフォンＭiとマイクロフォンＭj間の時間遅れＤij（ここでは、Ｘ軸上のマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及びＹ軸上のマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）の到達時間差Ｄx及びＤy）から音源位置を推定する。
なお、上記音源から装置までの距離がマイクロフォン間の距離Ｌに対して十分（例えば、１０倍以上）離れている場合には、到達する音を平面波とみなすことが可能で、音源方向θは以下の近似式（１）で表わせる。
【００１７】
また、上記マイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及び（Ｍ２，Ｍ４）の間隔Ｌは、測定する騒音の主となる周波数範囲に応じて決定されるものである。本実施の形態では、上記騒音は、１２０Ｈｚ，２４０Ｈｚ，３６０Ｈｚにピークを持つ、工場等で発生するトランスからの騒音の解析を対象とし（基本波である６０Ｈｚのピークはバックグランドが大きいので外した）、約４９０Ｈｚ以下の周波数帯域の騒音を感度よく測定することができるように、上記間隔Ｌを０．４２ｍに設定した。
また、測定用のマイクロフォンＭ１〜Ｍ４とは高さの異なる、測定補助用のマイクロフォンＭ５は、ＴＰＳ信号（時間引き延ばしパルス信号）によるインパルス信号を測定するためのもので、反射波の影響を確かめるために用いられる。
上記音源方向θは、１回の測定でも求めることができるが、本実施の形態では、図４に示すように、測定ユニット１０の位置を複数箇所移動させたり、同一測定箇所で回転フレーム３２を回転させた複数角度での測定を行って、音源方向θの測定精度を向上させるようにしている。
【００１８】
次に、上記音源探査システムを用いた音源の推定方法について、図５のフローチャート基づき説明する。
はじめに、測定ユニット１０を、雑音源からの雑音が採取できる箇所に設置した後、入力信号のレンジやカメラのレンズなどのシステム調整を行う（ステップＳ１０）。なお、このとき、水平フレーム３２Ｘ（または、水平フレーム３２Ｙ）を所定のスタート位置（仮の、Ｘ軸及びＹ軸）に合わせておく。
次に、マイクロフォン数やサンプリング周波数などのパラメータを、キーボード２１からパーソナルコンピュータ２０の記憶・演算部２２内のパラメータ記憶手段２４に記憶する（ステップＳ１１）。上記パラメータとしては、測定箇所数、マイクロフォン数やサンプリング周波数の他に、マイクロフォンの配列に関する情報、図示しないフィルタの通過周波数範囲、最大平均回数などがある。なお、パラメータ記憶手段２４にはこれらの初期設定値が予め設定されており、通常は、変更するパラメータのみを入力する。
次に、測定ユニット１０に設けられたＧＰＳ１２により、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の中心位置、すなわちマイクロフォン群の地上での絶対位置を測定してパーソナルコンピュータ２０に取り込み（ステップＳ１２）、その後、上記測定位置における測定回数とフレーム回転角とをキーボード２１から入力する（ステップＳ１３）。なお、音圧レベル（音響情報）と映像情報とは、１回測定する毎に回転フレーム３２を回転させて採取してもよいし、同一角度で複数回測定した後に回転フレーム３２を回転させて採取するようにしてもよい。
本実施の形態では、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４とカメラ１１とにより、フレーム回転角が０°（初期位置），９０°，１８０°，２７０°である各位置において音響情報と映像情報とを１回ずつ採取し、上記採取された音響情報と映像情報とをパーソナルコンピュータ２０に取り込む（ステップＳ１４）ようにしている。すなわち、本例では、上記計４回の測定で当該測定箇所での測定を完了するように測定条件を設定した。このとき、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４の出力である音圧信号は、増幅器１３で増幅されＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換される。また、カメラ１１からの映像信号はビデオ入出力ユニット１５でデジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータ２０に取り込まれる。
【００１９】
パーソナルコンピュータ２０では、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ４からの音響情報を用い、上述した双曲線法、あるいは音源方向θの近似式（１）を用いて音源の位置を推定するための計算を行う（ステップＳ１５）。
次に、全てのフレーム回転角での測定が終了したかどうかを判定し（ステップＳ１６）、終了していない場合には、回転フレーム３２を９０°回転させた後、ステップＳ１４に戻り、次のフレーム回転角での音響情報と映像情報とを採取する。また、全てのフレーム回転角での測定が終了した場合には、回転フレーム３２を初期位置に戻すとともに、当該測定箇所で求められた音源位置の平均化処理を行う（ステップＳ１７）。
その後、全ての測定点での測定が終了したかどうかを判定し（ステップＳ１８）、終了していない場合には、測定ユニット１０を次の測定箇所に移動させて、上記ステップＳ１２〜Ｓ１７の操作を行う。
また、全ての測定箇所での測定が終了した場合には、上記各測定点での音源位置のデータから、最も確からしい音源位置を推定し（ステップＳ１９）た後、図６に示すように、上記推定された音源位置を、上記音源位置が最もよく映っている映像画像を選び出して、上記画像中に音源位置推定エリアを表示する（ステップＳ２０）。
なお、本発明の音源探査システムでは、複数の騒音源があった場合でも特定可能であり、かつ、それぞれの音源の周波数毎の寄与率も算出することができるので、例えば、図６の上の画像に示すような前方「０°」に位置する音源位置推定エリアＡと後方「−４５°」に位置する音源位置推定エリアＢなどの複数の音源位置と、測定位置からの角度による各周波数毎の音の強さなどの音源情報の詳細とを演算して表示することができる。このとき、音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記表示される音源位置のシンボルの色を変化させるようにすることも可能である。例えば、音圧レベルによって表示される音源位置のシンボルの色を変化させる場合には、音源位置が最もよく映っている映像画像中に、音圧レベルによって色分けされたシンボル（ここでは、円）を表示するとともに、上記画面の下方に、音源方向を横軸に、周波数を縦軸にとった周波数分布のグラフを表示し、更にそのシンボルを音圧レベルによって色分けするようにすれば、音圧レベルあるいは周波数のいずれか一方あるいは両方が異なる音源が複数ある場合でも、それぞれの音源の位置を視覚的に捉えることができるので、音源の特徴を容易にかつ詳細に把握することができる。
また、音源位置が最もよく映っている映像画像中に、周波数の高低によって色分けされたシンボルを表示し、この画面の下方に、音源方向を横軸に、音圧レベルを縦軸にとった音圧分布のグラフを表示するようにしてもよい。このとき、上記グラフ中のシンボルも周波数の高低によって色分けするようにしてもよい。
また、上記音源推定位置の座標も同時に表示するようにしてもよい。このとき、上記座標は、予め設定された原点（０，０）からの値でもよいし、上記ＧＰＳ１２で測定された測定ユニット１０の位置に基づいて算出された、上記音源推定位置の地上での絶対位置でもよい。
【００２０】
このように、本実施の形態によれば、Ｘ軸上とＹ軸上に、それぞれ距離Ｌだけ離れて配置されたマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）の出力信号の到達時間差、及びマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）の出力信号の到達時間差とから音源の方向を推定するとともに、上記推定された音源位置近傍の映像をカメラ１１により採取し、パーソナルコンピュータ２０のディスプレイ２３上に表示された上記映像上に、上記推定された音源位置を表示するようにしたので、簡単な構成で、屋外においても精度よく工場等の騒音などの騒音源を特定して表示することができる。このとき、上記音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記画像として表示される音源位置のシンボルの色を変化させることにより、音源が複数ある場合でもそれぞれの音源の位置だけでなく、音源の特徴を視覚的に判定することができる。
また、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５とカメラ１１とＧＰＳ１２とを基台３０に搭載した測定ユニット１０を複数箇所移動させたり、同一測定箇所で回転フレーム３２を回転させた複数角度での測定を行うことにより、音源方向θの測定精度を向上させることができる。
【００２１】
なお、上記実施の形態では、４個のマイクロフォンを用いて音源の方向を推定するようにしたが、一直線状にない（平面を構成する）３個のマイクロフォンを用いても、音源の方向を推定することが可能である。
また、上記例では、２つのマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及び（Ｍ２，Ｍ４）を用いて音源方向θを推定するようにしたが、更に、Ｚ軸方向にマイクロフォン対を追加してマイクロフォン対を３対とすることにより、音源の位置の水平角θと仰角φとを推定することができる。なお、原理的には、立体を構成する４個のマイクロフォンを用い、互いに交わる３つの直線上にそれぞれマイクロフォン対が配置される構成をとることによっても音源の位置を推定することが可能であるが、信号処理や計算を容易にするためには、上記のように所定の間隔で配置された一対のマイクロフォンをＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸３つの直線上にそれぞれ配置して音源の位置を推定することが好ましい。
また、上記例では、各測定箇所で、回転フレーム３２を回転させる測定を行ったが、単に、測定ユニット１０を複数箇所移動させるだけでもよいし、同一測定箇所で回転フレーム３２を回転させる測定のみを行っても、音源方向θを精度よく測定することができる。但し、回転フレーム３２を回転させない場合には、カメラ１１を推定された音源方向に回転させて、最適な騒音源付近の画像を採取する必要がある。
また、各マイクロフォンの距離はＬ＝０．４２ｍｍに限るものではなく、騒音源の性質により、適宜決定されるものであることは言うまでもない。
また、一つの測定箇所あるいは測定角度において、所定の時間間隔で音を採取して各測定時間における音源位置を求めることにより、音源位置の移動状況を推定することも可能である。
【００２２】
また、本発明の音源探査システムでは、上述したように、複数ある音源の各周波数毎の寄与率も算出することができるので、本発明のシステムに、上記マイクロフォンで採取された異常のない状態にある騒音源の音圧データを記憶する手段と、新たに採取された音圧データと上記記憶された音圧データとを比較する手段とを設けることにより、新たに採取された音圧データの特定周波数の音圧レベルが上記過去のデータよりも大きくなったり、今までにピークのない周波数帯域に新たなピークが現れたりするなどの、定常とは異なる音（異常音）を発生するような音源位置を特定することができる。したがって、本発明の音源探査システムを用いて、騒音源の異常検出システムを構成し、この騒音源の異常検出システムを、例えば、工場内の所定の箇所に設置して、定期的に音源位置の測定を行うことにより、トランスやモータの故障による異常音を発する騒音源の位置を特定することができるので、騒音を発生する機器の異常を検出することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、互いに直交する２本の直線上に所定の間隔を隔てて配置された２組のマイクロフォン対を含むマイクロフォン群と、上記２本の直線のうちの一方の直線上に配置されたマイクロフォン対を構成する２個のマイクロフォン間の音の到達時間差と他方の直線上に配置された２個のマイクロフォン間の音の到達時間差との比から音源の位置を推定する音源位置推定手段と、上記推定された音源位置近傍の映像を採取する映像採取手段と、上記推定された音源位置を上記採取された映像上に表示する表示手段とを備え、音源の位置を推定するとともに、上記推定された音源位置近傍の映像を採取して、上記推定された音源位置を上記映像上に表示するようにしたので、簡単な構成で、騒音源を特定して表示することができる。
また、本発明では、互いに直交する直線上にそれぞれ配置されたマイクロフォン対における音の到達時間差をそれぞれ求めて、上記到達時間差から音源方向の近似式（平面波近似）を用いて音源の方向あるいは位置を推定したので、確実に音源の方向あるいは位置を特定することができる。
また、音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記画像として表示される音源位置のシンボルの色を変化させることにより、音圧レベルや周波数特性も表示できるようにしたので、音源が複数ある場合でもそれぞれの音源の位置だけでなく、音源の特徴を視覚的に判定することができる。
更に、上記マイクロフォンで採取された異常のない状態にある騒音源の音圧データを記憶する手段と、新たに採取された音圧データと上記記憶された音圧データとを比較する手段とを設けることにより、異常音を発生する音源位置を特定することができるので、騒音を発生する機器の異常を検出することができる。
【００２４】
また、上記マイクロフォン群を複数箇所移動させたり、上記マイクロフォン群を回転させて、複数の測定点あるいは複数の角度で測定することにより、音源位置の推定精度を向上させることができる。
更に、所定の時間間隔で音を採取して各測定時間における音源位置を求めることにより、音源位置の移動状況を推定することができる。
また、上記マイクロフォン群の地上での絶対位置を測定する、例えばＧＰＳのような位置特定手段を設けることにより、音源位置の地上での絶対位置を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態に係わる音源探査システムの概要を示す図である。
【図２】 本実施の形態に係わるパーソナルコンピュータの記憶・演算部の機能ブロック図である。
【図３】 マイクロフォンの配列状態を示す図である。
【図４】 測定ユニットの移動状態を説明するための図である。
【図５】 本実施の形態に係わる音源探査方法のフローチャートである。
【図６】 本実施の形態に係わる表示画面の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 測定ユニット、Ｍ１〜Ｍ５ マイクロフォン、１１ カメラ、
１２ ＧＰＳ、１３ 増幅器、１４ Ａ／Ｄ変換器、
１５ ビデオ入出力ユニット、２０ パーソナルコンピュータ、
２１ キーボード、２２ 記憶・演算部、２３ ディスプレイ、
２４ パラメータ記憶手段、２５ 音源位置推定手段、２６ 画像合成手段、
３０ 基台、３１ 支持部材、３２ 回転フレーム、３２Ｐ 回転板、
３２Ｘ，３２Ｙ 水平フレーム、３２Ｚ 垂直フレーム、３３ 取り付け板。
Claims (7)
- 互いに直交する２本の直線上に所定の間隔を隔てて配置された２組のマイクロフォン対を含むマイクロフォン群と、
上記マイクロフォン対を構成する４個のマイクロフォンの出力信号から音源の位置を推定する音源位置推定手段と、
上記推定された音源位置近傍の映像を採取する映像採取手段と、
上記推定された音源の位置を上記採取された映像上に表示する表示手段とを備え、
上記音源位置推定手段は、
上記２本の直線のうちの一方の直線上に配置されたマイクロフォン対を構成する２個のマイクロフォン間の音の到達時間差と他方の直線上に配置された２個のマイクロフォン間の音の到達時間差との比から音源の位置を推定することを特徴とする音源探査システム。 - 音圧レベルあるいは周波数の高低によって、上記表示される音源位置のシンボルの色を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の音源探査システム。
- 上記マイクロフォン群を複数箇所移動させるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音源探査システム。
- 上記マイクロフォン群を回転可能としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の音源探査システム。
- 上記マイクロフォン群により、所定の時間間隔で音を採取し、音源位置の移動状況を推定するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項４に記載の音源探査システム。
- 上記マイクロフォン群の地上での絶対位置を測定する手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５に記載の音源探査システム。
- 上記各マイクロフォンで採取された異常のない状態にある騒音源の音圧データを記憶する手段と、新たに採取された音圧データと上記記憶された音圧データとを比較する手段とを設けて、異常音を発生する音源の位置を特定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の音源探査システム。
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