JP4868671B2

JP4868671B2 - Sound source exploration system

Info

Publication number: JP4868671B2
Application number: JP2001297293A
Authority: JP
Inventors: 武杉山; 浩之和田; 雅直大脇; 健史財満; 恭弘山下
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: JP2003111183A

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、互いに交わる２つの直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対と、上記２組のマイクロフォン対の作る平面上にない第５のマイクロフォンとから成るマイクロフォン群と、上記各マイクロフォンの出力信号の到達時間差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の位置の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２組のマイクロフォン対の各マイクロフォンは、互いに直交する２つの直線上に正方形を構成するようにそれぞれ配置され、上記第５のマイクロフォンは、上記２つの直線に直交し上記正方形の中心を通る直線上に配置され、上記音源位置推定手段は、上記２つ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（Ｍ１，Ｍ３）間の音の到達時間差Ｄ ₁₃ と他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（Ｍ２，Ｍ４）間の音の到達時間差Ｄ ₂₄ と比から音源の位置の水平角θを推定し、上記一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Ｄ ₁₃ 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Ｄ ₂₄ と、上記第５のマイクロフォンＭ５と上記正方形を構成する各マイクロフォンＭ１〜Ｍ４間の音の到達時間差（Ｄ _5j ；ｊ＝１〜４）とから音源の位置の仰角φを推定することを特徴とするものである。
【０００６】
請求項２に記載の音源探査システムは、上記第５のマイクロフォンと上記正方形を構成する各マイクロフォンとの距離を、上記マイクロフォン対における所定の間隔と等しくなるように上記第５のマイクロフォンを配置したものである。
【０００７】
請求項３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ことを特徴とするもので、これにより、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、音圧レベルや周波数特性も表示できるので、音源の特徴を視覚的に判定することが可能となる。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
また、請求項８に記載の音源探査システムは、上記マイクロフォン群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位置を特定することができるようにしたものである。
【００１３】
【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１に係わる音源探査システムの概要を示す図で、Ｍ１〜Ｍ５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ための測定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はローパスフィルタを備え、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５で採取された音圧信号から所定の周波数以下の成分を取り出し増幅する増幅器、１４は上記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〜Ｍ５の音圧信号を用いて、騒音源の方向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、上記回転フレーム３２の下部に設けられた取り付け板３３には、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の地上での絶対位置を測定するためのＧＰＳ１２が取り付けられる。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。
【００１４】
次に、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の配列例について説明する。
マイクロフォンＭ１〜Ｍ４は、図１及び図３に示すように、それぞれの検出部がＸＹ平面内において原点Ｏを中心とする正方形を構成するように、上記回転フレーム３２上から上方（Ｚ軸方向）に突出するように配置される。詳細には、マイクロフォンＭ１，Ｍ３の検出部がＸ軸上の点（Ｌ／２，０，０）及び（−Ｌ／２，０，０）に、マイクロフォンＭ２，Ｍ４の検出部が、上記Ｘ軸と直交するＹ軸上の点（０，Ｌ／２，０）及び（０，−Ｌ／２，０）に位置するように配置される。
また、第５のマイクロフォンＭ５は、図１及び図３に示すように、上記回転フレーム３２の側面から突出して上方へ延長する略Ｌ字状の部材３２Ｔの先端部に保持され、その検出部が上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ４から構成する正方形の中心の上方に位置するように配置される。以下に、マイクロフォンＭ５の検出部の座標を示す。

これにより、第５のマイクロフォンＭ５とマイクロフォンＭ１〜Ｍ４との距離が、マイクロフォン（Ｍ_１，Ｍ_３）間の距離、及び、マイクロフォン（Ｍ_２，Ｍ_４）間の距離Ｌと等しくなるように、上記各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５が配置される。本例では、上記配列の５つのマイクロフォンから成るマイクロフォン群を用いて、騒音源の水平方向θ及び仰角φを測定する。なお、本例では、工場等で発生するトランスからの騒音を感度よく測定することができるように、上記Ｌを０．３５ｍに設定した。
本例においては、１回の測定で音源位置を求めることができるが、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うことにより、音源方向の測定精度を更に向上させるようにしている。
【００１５】
ここで、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の出力から音源方向を推定する方法について説明する。実際の測定においては、音源の位置がマイクロフォンの位置から十分（例えば、１０倍以上）離れているので、マイクロフォンに到達する音を平面波とみなすことが可能である。そこで、本例では、音源位置を求める際に、音源の位置がマイクロフォンの位置から十分離れており、音は平面波としてマイクロフォンに入射すると仮定して音源位置を推定する。
平面波近似においては、マイクロフォンＭ_ｉとマイクロフォンＭ_ｊ間の時間遅れＤ_ｉｊと音源の位置の水平角θ及び仰角φとは、以下の式（１），（２）で表わせるので、各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の出力信号を周波数分析して、対象となる周波数ｆにおける各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５への音の到達時間の差（時間遅れ）Ｄ_ｉｊを算出することにより、上記水平角θ及び仰角φを求めることができる。
【数１】

なお、上記時間遅れＤ_ｉｊは、２つのマイクロフォン対Ｍ_ｉ，Ｍ_ｊに入力される信号のクロススペクトルＰ_ｉｊ（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（３）を用いて算出される。
【数２】

なお、上記音源の位置は、各周波数毎に算出することができる。
これにより、上記推定された音源位置近傍の映像をカメラ１１により採取することにより、パーソナルコンピュータ２０のディスプレイ２３上に上記推定された音源位置を表示することができる。
【００１６】
次に、上記音源探査システムを用いた音源方向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、回転フレーム３２を所定のスタート位置（仮の、Ｘ軸または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〜Ｍ５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〜Ｍ５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。
【００１７】
パーソナルコンピュータ２０では、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５からの音響情報を用い、上述した演算を行って音源の位置を推定する（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）。
【００１８】
また、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の画像例に示すように、表示される音源近傍の画像に対して横軸を水平角θ、縦軸を仰角φとする座標付けを行い、上記座標（θ，φ）上に該当する音源位置のシンボルを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。
【００１９】
このように、本実施の形態によれば、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４を検出部がＸＹ平面内において原点Ｏを中心とする正方形を構成するように配置するとともに、第５のマイクロフォンＭ５をその検出部が上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ４から構成する正方形の中心の上方に位置し、かつ、上記マイクロフォンＭ５とマイクロフォンＭ１〜Ｍ４との距離が等しくなるように配置し、各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の出力信号の到達時間差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。
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、音源方向の測定精度を向上させることができる。
【００２０】
なお、上記例実施の形態では、第５のマイクロフォンＭ５とマイクロフォンＭ１〜Ｍ４との距離が、マイクロフォン（Ｍ_１，Ｍ_３）間の距離、及び、マイクロフォン（Ｍ_２，Ｍ_４）間の距離Ｌと等しくなるように、上記各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５を配置したが、マイクロフォンの配置方法はこれに限るものではなく、基本的には、上記距離は必ずしも等しくなくてもよく、互いに交わる２つの直線上にそれぞれ所定の間隔で２組のマイクロフォン対を配置し、更に、上記２組のマイクロフォン対の作る平面上にない位置に第５のマイクロフォンを配置すればよい。但し、音源方向の推定計算を簡便に行うためには、マイクロフォンの配置を対称性の高い配置とすることが好ましく、上記２組のマイクロフォン対の各マイクロフォンを、互いに直交する２つの直線上に正方形を構成するようにそれぞれ配置するとともに、上記２つの直線に直交し上記正方形の中心を通る直線上に第５のマイクロフォンを配置し、上記第５のマイクロフォンと正方形を構成するマイクロフォンとの距離が等しくなるように配置することが特に好ましい。
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、音源位置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上記例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。
【００２１】
また、上記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。
【００２２】
【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つの直線上に正方形を構成するように配置された２組のマイクロフォン対と、上記２組のマイクロフォン対の作る正方形の中心を通る直線上に配置された第５のマイクロフォンとから成るマイクロフォン群の各マイクロフォンの出力信号の到達時間差から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。
このとき、上記音源位置推定手段では、上記２つ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の水平角を推定し、上記２つ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、上記第５のマイクロフォンと上記正方形を構成する各マイクロフォン間の音の到達時間差とから音源の位置の仰角を推定する。
また、上記第５のマイクロフォンと上記正方形を構成する各マイクロフォンとの距離を、上記マイクロフォン対における所定の間隔と等しくなるように上記第５のマイクロフォンを配置するようにすれば、到達時間差を求めるマイクロフォン対の間隔を等しくできるので、音源位置の推定計算を更に容易に行うことができる。
【００２３】
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。
また、上記マイクロフォン群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位置を特定するようにしたので、騒音を発生する機器の異常を確実に検出することができる。
【００２４】
更に、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ようにしたので、音源位置の推定精度を向上させることができる。
また、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ようにしたので、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たので、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】本発明の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、
１２ＧＰＳ、１３増幅器、１４Ａ／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、３２ＴＬ字状の部材、
３３取り付け板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sound source search system that specifies and displays the position of a noise source, for example, for noise countermeasures in a factory or the like.
[0002]
[Prior art]
In factories and the like, a lot of low-frequency noise, which is 50 Hz / 60 Hz generated from a transformer such as a power supply box or a relay, or harmonics thereof, is generated. For such noise, an operator measures the sound pressure distribution around the noise generating device with a sound level meter to identify the noise source and take noise countermeasures. Took a lot of time and was not efficient. Therefore, methods for estimating a sound source such as noise using an acoustic method have been studied.
Conventionally proposed sound source search methods include (1) a method using a correlation of sound pressure waveforms and (2) a method using acoustic holography. The method (1) uses the property of the correlation function to estimate the position of the sound source from the correlation of sound pressure waveforms collected at a plurality of points, and the method (2) is based on the space to be explored. A noise source is estimated by scanning the wave, recording the interference sound in which the fundamental wave and noise interfere with each other in each scanning direction, and reproducing the sound pressure distribution in the space scanned with the fundamental wave from this record. It is.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method using the correlation of the sound pressure waveform and the method using acoustic holography require a long time for measurement and analysis, so it is effective in a limited space. However, there is a problem that the apparatus becomes large in order to improve accuracy.
Although a method of specifying a sound source using a directional microphone is also conceivable, noise in a factory or the like is mainly low-frequency region noise as described above, and therefore the sound directivity is low. It was difficult to specify the sound source even when the sound was given directivity.
[0004]
The present invention has been made in view of the conventional problems, and provides a sound source search system capable of accurately identifying and displaying a noise source such as a noise in a factory with a simple configuration with high accuracy even outdoors. With the goal.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a sound source search system including two microphone pairs arranged at predetermined intervals on two straight lines intersecting each other and a fifth plane not formed by a plane formed by the two microphone pairs. A microphone group consisting of a plurality of microphones, sound source position estimating means for estimating the position of the sound source from the arrival time difference between the output signals of the microphones, and video sampling means for collecting an image in the vicinity of the estimated sound source position , Display means for displaying the estimated position of the sound source on the collected video, and the microphones of the two pairs of microphones each form a square on two straight lines orthogonal to each other. The fifth microphone is arranged on a straight line that is orthogonal to the two straight lines and passes through the center of the square. , One of the straight two constituting the placed microphone pairs on the microphone (M1, M3) arrival time difference D ₁₃ and the other straight line in arranged microphone pair of sound between one of the two straight lines The horizontal angle θ of the position of the sound source is estimated from the sound arrival time difference D ₂₄ and the ratio between the two microphones (M2, M4) constituting the sound, and the sound between the two microphones arranged on the one straight line is estimated. the arrival time difference D _13, two disposed on the other straight line and the arrival time difference D ₂₄ of the sound between the microphones, the sound between the microphones M1~M4 constituting the fifth microphone M5 and the square The elevation angle φ of the position of the sound source is estimated from the arrival time difference (D _5j ; j = 1 to 4) .
[0006]
Sound source search system according to claim 2, the distance between the microphones constituting the upper Symbol fifth microphone and the square, were placed the fifth microphone to be equal to the predetermined distance in the microphone pair Is.
[0007]
The sound source exploration system according to claim 3 is characterized in that the color of the symbol of the displayed sound source position is changed according to the sound pressure level or the level of the frequency. Even in some cases, not only the position of each sound source but also the sound pressure level and frequency characteristics can be displayed, so that the characteristics of the sound source can be visually determined.
[0008]
According to a fourth aspect of the present invention , the sound source search system improves the estimation accuracy of the sound source position by moving the microphone group at a plurality of locations and collecting sounds at a plurality of measurement points.
[0009]
The sound source search system according to claim 5 is configured to improve the estimation accuracy of the sound source position by rotating the microphone group and collecting sound at a plurality of angles.
[0010]
The sound source exploration system according to claim 6 is configured to estimate a moving state of a sound source position by collecting sound at a predetermined time interval and obtaining a sound source position at each measurement time by the microphone group. is there.
[0011]
The sound source search system according to claim 7 , comprising means for measuring the absolute position of the microphone group on the ground, and specifying the absolute position of the sound source position on the ground from the measured position of the microphone. It is.
[0012]
Further, the sound source search system according to claim 8 stores means for storing sound pressure data of a noise source that is collected in the microphone group and is in an abnormal state, and the newly collected sound pressure data is stored in the memory. A means for comparing the sound pressure data with the sound pressure data is provided so that the position of the sound source that generates the abnormal sound can be specified.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a sound source search system according to the first embodiment. M1 to M5 are measurement microphones for measuring the sound pressure level of noise from a noise source (not shown), and 11 is the vicinity of the sound source position. CCD camera (hereinafter referred to as a camera), 12 for GPS to identify the ground positions of the microphones M1 to M5, 13 includes a low-pass filter, and the sound collected by the microphones M1 to M5 An amplifier that extracts and amplifies components below a predetermined frequency from the pressure signal, 14 is an A / D converter that converts the amplified sound pressure signal (analog signal) into a digital signal, and 15 is a video signal (analog) of the camera 11. This is a video input / output unit that converts a signal into a digital signal.
Reference numeral 20 denotes a personal computer including a keyboard 21 serving as input means, a storage / calculation section 22 that performs calculation of sound source position estimation, and a display 23 serving as image display means. The storage / calculation section 22 is shown in FIG. As shown in the functional block diagram, the parameter storage means 24 for storing measurement parameters and the sound source position estimating means for estimating the direction of the noise source using the A / D converted sound pressure signals of the microphones M1 to M5. 25, and an image composition means 26 for generating an image obtained by adding an image indicating the estimated sound source position to the video from the camera 11 and sending the image to the display 23.
Reference numeral 30 denotes a base composed of a support member 31 made of a tripod and a rotating frame 32 for mounting the microphones M1 to M5 disposed on the upper side of the supporting member 31, and is provided at the lower part of the rotating frame 32. The GPS 12 for measuring the absolute positions of the microphones M1 to M5 on the ground is attached to the attachment plate 33. Hereinafter, the base 30 on which the microphones M1 to M5, the camera 11, and the GPS 12 are mounted is referred to as a measurement unit 10.
[0014]
Next, an arrangement example of the microphones M1 to M5 will be described.
As shown in FIGS. 1 and 3, the microphones M <b> 1 to M <b> 4 are located above the rotating frame 32 (Z-axis direction) so that each detection unit forms a square centered on the origin O in the XY plane. It is arranged to protrude. Specifically, the detection units of the microphones M1 and M3 are located at points (L / 2, 0, 0) and (−L / 2, 0, 0) on the X axis, and the detection units of the microphones M2 and M4 are It arrange | positions so that it may be located in the point (0, L / 2, 0) and (0, -L / 2, 0) on the Y-axis orthogonal to an axis | shaft.
As shown in FIGS. 1 and 3, the fifth microphone M5 is held at the tip of a substantially L-shaped member 32T that protrudes from the side surface of the rotating frame 32 and extends upward. It arrange | positions so that it may be located above the center of the square comprised from the said microphones M1-M4. The coordinates of the detection unit of the microphone M5 are shown below.

Thereby, the distance between the fifth microphone M5 and the microphones M1 to M4 is equal to the distance between the microphones (M ₁ , M ₃ ) and the distance L between the microphones (M ₂ , M ₄ ). The microphones M1 to M5 are arranged. In this example, the horizontal direction θ and the elevation angle φ of the noise source are measured using a microphone group composed of the five microphones in the above arrangement. In this example, L is set to 0.35 m so that noise from a transformer generated in a factory or the like can be measured with high sensitivity.
In this example, the sound source position can be obtained by one measurement. However, as shown in FIG. 4, a plurality of positions where the position of the measurement unit 10 is moved or a rotating frame 32 is rotated at the same measurement position. By measuring at an angle, the measurement accuracy in the direction of the sound source is further improved.
[0015]
Here, a method of estimating the sound source direction from the outputs of the microphones M1 to M5 will be described. In actual measurement, since the position of the sound source is sufficiently far (for example, 10 times or more) from the position of the microphone, the sound reaching the microphone can be regarded as a plane wave. Therefore, in this example, when determining the sound source position, the sound source position is estimated on the assumption that the position of the sound source is sufficiently away from the position of the microphone and that sound is incident on the microphone as a plane wave.
In the plane wave approximation, the time delay D _ij between the microphone M _i and the microphone M _j and the horizontal angle θ and the elevation angle φ of the position of the sound source can be expressed by the following equations (1) and (2). the output signal of ~M5 by frequency analysis, by calculating the difference (time delay) D _ij the arrival time of the sound to each microphone M1~M5 at the frequency f of interest, the horizontal angle θ and elevation φ Can be sought.
[Expression 1]

The time delay D _{ij obtains} the cross spectrum P _ij (f) of the signals input to the two microphone pairs M _i and M _j , and further the phase angle information Ψ (rad) of the target frequency f. Is calculated using the following equation (3).
[Expression 2]

The position of the sound source can be calculated for each frequency.
As a result, the estimated sound source position can be displayed on the display 23 of the personal computer 20 by collecting images of the vicinity of the estimated sound source position with the camera 11.
[0016]
Next, a method for estimating the sound source direction using the sound source search system will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, after the measurement unit 10 is installed at a location where noise from a noise source can be collected, system adjustments such as an input signal range and a camera lens are performed (step S10). At this time, the rotating frame 32 is set to a predetermined start position (temporary X axis or Y axis).
Next, parameters such as the number of microphones and the sampling frequency are stored in the parameter storage means 24 in the storage / calculation unit 22 of the personal computer 20 from the keyboard 21 (step S11). The parameters include the number of measurement points, the number of microphones, the sampling frequency, information on the arrangement of microphones, the pass frequency range of a filter (not shown), the maximum average number of times, and the like. Note that these initial setting values are preset in the parameter storage unit 24, and normally only the parameters to be changed are input.
Next, the GPS 12 provided in the measurement unit 10 measures the center position of the microphones M1 to M5, that is, the absolute position of the microphone group on the ground and loads it into the personal computer 20 (step S12). The number of measurements and the frame rotation angle are input from the keyboard 21 (step S13). Note that the sound pressure level (acoustic information) and the video information may be collected by rotating the rotating frame 32 every time it is measured, or by rotating the rotating frame 32 after measuring a plurality of times at the same angle. You may make it collect.
In the present embodiment, the microphones M1 to M5 and the camera 11 perform acoustic information and video information once at each position where the frame rotation angle is 0 ° (initial position), 90 °, 180 °, and 270 °. The collected sound information and video information are taken into the personal computer 20 (step S14). That is, in this example, the measurement conditions were set so that the measurement at the measurement location was completed by the above four measurements. At this time, the sound pressure signal that is the output of the microphones M1 to M5 is amplified by the amplifier 13 and converted into a digital signal by the A / D converter 14. The video signal from the camera 11 is converted into a digital signal by the video input / output unit 15 and then taken into the personal computer 20.
[0017]
In the personal computer 20, the acoustic information from the microphones M1 to M5 is used to perform the above-described calculation to estimate the position of the sound source (step S15).
Next, it is determined whether or not the measurement at all the frame rotation angles has been completed (step S16). If the measurement has not been completed, the rotary frame 32 is rotated by 90 °, and then the process returns to step S14, and the next Collect sound information and video information at the frame rotation angle. When the measurement at all the frame rotation angles is completed, the rotation frame 32 is returned to the initial position, and the sound source position obtained at the measurement location is averaged (step S17).
Thereafter, it is determined whether or not the measurement at all the measurement points has been completed (step S18). If the measurement has not been completed, the measurement unit 10 is moved to the next measurement location and the operations of steps S12 to S17 are performed. I do.
Further, when the measurement at all measurement points is completed, the most probable sound source position is estimated from the sound source position data at each measurement point (step S19), and as shown in FIG. A video image in which the sound source position is best reflected is selected from the estimated sound source positions, and a sound source position estimation area is displayed in the image (step S20).
[0018]
Further, in the sound source search system of the present invention, it is possible to specify even when there are a plurality of noise sources, and the contribution ratio for each frequency of each sound source can be calculated. As shown in FIG. 4, the image near the sound source displayed is coordinated with the horizontal axis θ being the horizontal angle θ and the vertical axis being the elevation angle φ, and the symbol of the corresponding sound source position on the coordinates (θ, φ) Can be displayed.
At this time, the color of the symbol of the displayed sound source position can be changed according to the sound pressure level or the level of the frequency. For example, when changing the color of the symbol of the sound source position displayed according to the sound pressure level, a symbol (here, a circle) color-coded according to the sound pressure level in the video image in which the sound source position is best reflected. If a graph of frequency distribution with the sound source direction on the horizontal axis and the frequency on the vertical axis is displayed at the bottom of the screen, and the symbols are color-coded according to the sound pressure level, the sound pressure level is displayed. Alternatively, even when there are a plurality of sound sources that differ in either one or both of the frequencies, the position of each sound source can be visually grasped, so that the characteristics of the sound source can be grasped easily and in detail.
In addition, in the video image where the sound source position is best reflected, a symbol colored by frequency is displayed, and at the bottom of this screen, sound with the sound source direction on the horizontal axis and the sound pressure level on the vertical axis is displayed. You may make it display the graph of pressure distribution. At this time, the symbols in the graph may also be color-coded according to the frequency level.
[0019]
Thus, according to the present embodiment, the microphones M1 to M4 are arranged so that the detection unit forms a square centered on the origin O in the XY plane, and the fifth microphone M5 is the detection unit. The microphones M1 to M4 are positioned above the center of the square, and are arranged so that the distances between the microphones M5 and M1 to M4 are equal. From the arrival time difference between the output signals of the microphones M1 to M5 In addition to estimating the direction of the sound source, an image in the vicinity of the estimated sound source position is collected by the camera 11 and the estimated sound source position is displayed on the image displayed on the display 23 of the personal computer 20. Therefore, with a simple configuration, noise sources such as factory noise can be accurately identified even outdoors. It can be displayed.
In addition, by moving the measurement unit 10 equipped with the microphones M1 to M5, the camera 11, and the GPS 12 on the base 30 at a plurality of positions, or performing measurement at a plurality of angles by rotating the rotating frame 32 at the same measurement position, The measurement accuracy of the sound source direction can be improved.
[0020]
In the above embodiment, the distance between the fifth microphone M5 and the microphones M1 to M4 is the distance between the microphones (M ₁ , M ₃ ) and the distance L between the microphones (M ₂ , M ₄ ). The microphones M1 to M5 are arranged so as to be equal to each other. However, the arrangement method of the microphones is not limited to this. Basically, the distances do not necessarily have to be equal to each other on two straight lines that intersect each other. The two microphone pairs may be arranged at predetermined intervals, and the fifth microphone may be arranged at a position not on the plane formed by the two microphone pairs. However, in order to easily calculate the sound source direction, it is preferable that the microphones be arranged with high symmetry, and the microphones of the two pairs of microphones are squared on two straight lines orthogonal to each other. And the fifth microphone is arranged on a straight line orthogonal to the two straight lines and passing through the center of the square, and the distance between the fifth microphone and the microphone constituting the square is equal. It is particularly preferable to arrange them as follows.
In the above example, the measurement is performed by rotating the rotating frame 32 at each measurement location. However, the measurement unit 10 may be simply moved at a plurality of locations, or only by rotating the rotating frame 32 at the same measurement location. Even if it performs, it can measure a sound source position accurately. However, when the rotating frame 32 is not rotated, it is necessary to rotate the camera 11 in the estimated sound source direction and collect an image near the optimum noise source.
Moreover, it goes without saying that the distance between the microphones is not limited to the above example, and is appropriately determined depending on the nature of the noise source.
It is also possible to estimate the movement status of the sound source position by collecting sound at a predetermined time interval and obtaining the sound source position at each measurement time at one measurement location or measurement angle.
[0021]
In addition, as described above, since the contribution rate for each frequency of a plurality of sound sources can be calculated in the sound source exploration system, noise in an abnormal state collected by the microphone is added to the system of the present invention. By providing means for storing the sound pressure data of the source and means for comparing the newly collected sound pressure data with the stored sound pressure data, a specific frequency of the newly collected sound pressure data is obtained. A sound source position that generates a sound (abnormal sound) that is different from the steady state, such as when the sound pressure level is higher than the past data or a new peak appears in a frequency band that has not had a peak so far. Can be identified.
Therefore, a noise source abnormality detection system is configured using the sound source search system of the present invention, and this noise source abnormality detection system is installed, for example, at a predetermined location in a factory, and the sound source position is periodically detected. By performing the measurement, it is possible to identify the position of the noise source that generates an abnormal sound due to a failure of the transformer or the motor, and thus it is possible to detect an abnormality of the device that generates the noise.
[0022]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, through two sets of microphones pairs and which are arranged to form a square two straight line you mutually orthogonal, the center of the square to make the above two sets of microphones pairs The position of the sound source is estimated from the arrival time difference between the output signals of the microphones of the microphone group including the fifth microphones arranged on a straight line, and the image in the vicinity of the estimated sound source position is sampled to obtain the above estimation. Since the generated sound source position is displayed on the video, the noise source can be specified and displayed with a simple configuration.
At this time, in the sound source position estimation means, the difference in sound arrival time between the two microphones constituting the microphone pair arranged on one of the two straight lines and 2 arranged on the other straight line. The horizontal angle of the position of the sound source is estimated from the ratio of the sound arrival time difference between the two microphones, and the sound between the two microphones constituting the microphone pair arranged on one of the two straight lines Difference in sound arrival time, difference in sound arrival time between two microphones constituting a pair of microphones arranged on the other straight line, and sound arrival time difference between the fifth microphone and each microphone constituting the square From the above, the elevation angle of the sound source position is estimated.
In addition , if the fifth microphone is arranged so that the distance between the fifth microphone and each microphone constituting the square is equal to a predetermined interval in the microphone pair, the microphone for obtaining the arrival time difference. Since the distance between the pairs can be made equal, the estimation calculation of the sound source position can be performed more easily.
[0023]
Also, the sound pressure level and frequency characteristics can be displayed by changing the color of the symbol of the sound source position displayed as the above image according to the sound pressure level or frequency, so even if there are multiple sound sources, In addition to the position of the sound source, it is possible to visually determine the characteristics of the sound source.
Further, means for storing sound pressure data of a noise source collected in the microphone group in an abnormal state, and means for comparing the newly collected sound pressure data with the stored sound pressure data. Since the sound source position that generates the abnormal sound is specified, the abnormality of the device that generates the noise can be reliably detected.
[0024]
Furthermore, since the microphone group is moved at a plurality of locations or the microphone group is rotated to perform measurement at a plurality of measurement points or a plurality of angles, the accuracy of sound source position estimation can be improved.
In addition, since sound is collected at predetermined time intervals and the sound source position at each measurement time is obtained, the movement state of the sound source position can be estimated.
Further, since the position specifying means such as GPS is provided for measuring the absolute position of the microphone group on the ground, the absolute position of the sound source position on the ground can be specified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a sound source search system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a functional block diagram of a storage / calculation unit of the personal computer according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement state of microphones.
FIG. 4 is a diagram for explaining a moving state of a measurement unit.
FIG. 5 is a flowchart of a sound source search method according to the present embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a display screen according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
10 measurement units, M1-M5 microphones, 11 cameras,
12 GPS, 13 amplifier, 14 A / D converter,
15 video input / output units, 20 personal computers,
21 keyboard, 22 storage / calculation unit, 23 display,
24 parameter storage means, 25 sound source position estimation means, 26 image composition means,
30 base, 31 support member, 32 rotating frame, 32T L-shaped member,
33 Mounting plate.

Claims

A microphone group consisting of two microphone pairs arranged at predetermined intervals on two straight lines intersecting each other and a fifth microphone not on the plane formed by the two microphone pairs;
Sound source position estimating means for estimating the position of the sound source from the difference in arrival times of the output signals of the microphones;
Video sampling means for sampling video in the vicinity of the estimated sound source position;
Display means for displaying the estimated position of the sound source on the collected video ,
The microphones of the two pairs of microphones are respectively arranged so as to form a square on two straight lines orthogonal to each other.
The fifth microphone is disposed on a straight line orthogonal to the two straight lines and passing through the center of the square.
The sound source position estimating means is
Difference in sound arrival time between two microphones constituting a pair of microphones arranged on one of the two straight lines and difference in sound arrival time between two microphones arranged on the other straight line The horizontal angle of the sound source position is estimated from the ratio of
Difference in arrival time between two microphones constituting a microphone pair arranged on one of the two straight lines, and between two microphones constituting a microphone pair arranged on the other straight line A sound source search system, wherein the elevation angle of the position of a sound source is estimated from a difference in sound arrival time and a sound arrival time difference between the fifth microphone and each of the microphones constituting the square .

2. The sound source according to claim 1 , wherein the fifth microphone is arranged such that a distance between the fifth microphone and each of the microphones constituting the square is equal to a predetermined interval in the microphone pair. Exploration system.

The level of sound pressure level or frequency, sound source search system according to claim 1 or claim 2, characterized in that so as to vary the color of the symbol position of the sound source to be the display.

The sound source search system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the microphone group is moved at a plurality of locations.

Sound source search system according to any of claims 1 to 4, characterized in that the rotatable the microphone group.

The sound source search system according to any one of claims 1 to 5 , wherein a sound is sampled at a predetermined time interval by the microphone group and a movement state of the position of the sound source is estimated.

The sound source search system according to any one of claims 1 to 6 , further comprising means for measuring an absolute position of the microphone group on the ground.

Means for storing sound pressure data of a noise source collected in the microphone group in an abnormal state, and means for comparing the newly collected sound pressure data with the stored sound pressure data are provided. 2. The sound source search system according to claim 1, wherein a position of a sound source that generates an abnormal sound is specified.