JP5195179B2 - 音場可視化システムおよび音場可視化方法 - Google Patents

Description

本発明は、音場を可視化する技術に関する。

音場を可視化する技術は、例えば鉄道車両の車内や航空機の機内の騒音分布を把握し騒音対策を行う際に重要な役割を果たす。音場可視化の具体的な実現方法としては、発光体を用いて可視化する方法（非特許文献１）と、マイクロホンの出力信号に信号処理を施しその処理結果を表示装置に表示させる方法（非特許文献２）とが挙げられる。前者の方法では、音響空間内での各測定位置における音圧に応じた輝度で発光体を発光させることで音場の可視化が実現される。この方法では、各測定位置における音圧が発光体の輝度で表現されるため、音場の定性的な振る舞いを目視により直感的に把握することができる。また、この方法では、上記発光体が発光する様子を撮像装置などで撮像することで音圧とその測定位置とを対応付けて記録することもできる（非特許文献１）。一方、後者の方法では、表示装置が必要になり、また、音圧とその測定位置との対応付けが必要になるものの、多様な表現形式（例えば、グラフ化など）で音場を可視化することができるといった特徴がある。

上記のような音場の可視化を実現するには、音響空間内の複数の場所での音圧の測定がその前提となる。そして、具体的な測定方法としては、スキャン方式の測定方法（非特許文献１および非特許文献２参照）とアレイ方式の測定方法（非特許文献２参照）とがある。ここで、スキャン方式の測定方法とは、１つのマイクロホンを音響空間内で上下、左右に移動させることで、複数の場所の各々における音圧をシーケンシャルに測定する技術である。一方、アレイ方式の測定方法とは、多数のマイクロホンの各々を音響空間内に配列し、各配置位置での音圧を一度に測定する技術である。スキャン方式の測定方法では、計測システムが簡素で容易に実現可能といった利点があるものの、再現性のある音場についての音圧計測にしか利用できないといった欠点がある。一方、アレイ方式の測定方法では、再現性のない音場についての音圧計測に利用できるものの、システム全体が複雑になるといった問題がある。
西田公至、丸山 朗、"発光ダイオードを用いた音場の可視化測定法"、日本機械学会論文集（Ｃ編）５１巻４６１号（１９８５年） 水野恵一郎、"騒音の可視化"、騒音制御：Vol.22,No.1(1999)pp20-23

ところで、音場の可視化は、騒音解析だけでなく、楽器の製品テスト（楽器が、その設計通りに音を奏でているか否かのテスト）などにおいても、その有効性が期待されている。しかし、従来の発光体を用いた技術では、撮像装置の時間分解能（すなわち、単位時間当たりの撮像フレーム数）が充分ではなく、音圧の変化に応じて変化する発光体の輝度の長時間積分値（平均値）しか計測することができなかった。このような長時間積分値は、定常的な騒音の解析には有用であるが、可視化対象の音場を構成する音についての周波数情報が失われてしまうため、楽器等の製品テストには不向きである。また、この種の周波数情報は、過渡的、非定常的な音場（すなわち、再現性の無い音場）の可視化において重要な意味を持つため、この点からも、従来の発光体を用いた可視化技術は、再現性のない音場の可視化に対応することはできなかった。また、再現性のない音場を可視化する際の音圧の測定方法としては、光を介さないマイクロホンアレイ方式の測定方法が既に実現されているが、システム全体が複雑になるといった問題に加えて、マイクロホン設置による音場への影響（マイクロホンアレイの本体が与える影響やマイクロホンアレイと信号処理装置との間の配線が与える影響）が大きいといった問題や、各マイクロホンの配置位置を表す位置情報を別の方法で取得する必要があるといった問題、一度決めたチャネル数の拡張が難しいといった問題がある。
本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、再現性のない音場の可視化を、可視化対象の音についての周波数情報を欠落させることなく、手軽に実現することを可能にする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、マイクロホンと前記マイクロホンにより収音される音の音圧に応じた輝度で発光する発光部とを有し、音響空間に配置される複数の音光変換器と、前記音響空間の映像を撮像しその映像を表す映像信号を出力する撮像装置であって、前記マイクロホンにより収音される音の帯域を満たす時間分解能で前記映像を構成する一連のフレームを撮像する撮像装置とを有することを特徴とする音場可視化システム、を提供する。
また、上記課題を解決するために本発明は、マイクロホンと前記マイクロホンにより収音される音の音圧に応じた輝度で発光する発光部とを有する複数の音光変換器の各々を音響空間に配置した後、その音響空間内の音源に音を放音させ、映像を構成する一連のフレームを前記マイクロホンにより収音される音の帯域を満たす時間分解能で撮像する撮像装置に、前記音響空間の映像を撮像させることを特徴とする音場可視化方法、を提供する。

このような音場可視化システムおよび音場可視化方法によれば、音響空間内に配置されている複数の音光変換器は音源の近くに位置するものから順に点滅し始め、その様子が撮像装置によって撮像される。このようにして撮像される映像を表す映像信号をハードディスクなどの記憶手段へ記録しその映像信号の表す映像をスロー再生させるようにすれば、音源から音響空間内へ放射された音波の伝播状況を視覚を通じて把握することが可能になる。また、このような音場可視化システムおよび音場可視化方法においては、音響空間内に配置される複数の音光変換器を信号処理装置に接続するといった配線作業を行う必要はないため、従来技術に比較して、再現性のない音場の可視化を手軽に実現することが可能になる。なお、上記撮像装置は、マイクロホンにより収音される音（すなわち、可視化対象の音）の帯域を満たす時間分解能で上記音響空間の映像を撮像するため、その映像においては、上記可視化対象の音についての周波数情報も表現されている。

また、上記音場可視化システムおよび音場可視化方法で使用される音光変換器では、マイクロホンと発光部とが一体化されており、その発光部の発光の輝度で音光変換器の配置位置における音圧が表現され、その光点の位置で音光変換器の配置位置が表される。このため、上記音場可視化システムおよび音場可視化方法においては、音光変換器の配置位置を示す位置情報とその配置位置における音圧など音の伝播情報とのマッチングのために特別な処理を行う必要はない。さらに、音光変換器を構成する発光部を赤外線ＬＥＤ（Light Emitting Diode）や可視光ＬＥＤなどの発光素子で構成するとともに、同じく音光変換器の構成要素であるマイクロホンとしてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）マイクロホンを用いるようにすれば音光変換器を小型化することができる。このように音光変換器が小型化されると、音光変換器を音響空間内に配置することにより音場に与える影響を低減させることができる。また、上記音場可視化システムおよび音場可視化方法においては、各音光変換器を信号処理装置へ接続する必要がないため、従来技術にて問題となっていた配線による影響も生じない。さらに、上記音場可視化システムおよび音場可視化方法においては、音響空間へ配置する音光変換器の数を増やすことによって容易にチャネル数の拡張を行えるといった利点もある。

より好ましい態様においては、前記複数の音光変換器の発光部は、前記音圧に応じた輝度の赤外光を発光し、前記撮像装置は赤外線ビデオカメラであることを特徴とする。このような態様によれば、発光部として可視光ＬＥＤなどを用いた場合に比較して、音響空間内の照明や自然光などのノイズの影響を回避することができる。また、赤外光は可視光に比較して波長が長く散乱し難いため、光源たる発光部から撮像装置へ至る伝播過程での信号劣化を抑えることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る音場可視化システム１の構成例を示すブロック図である。この音場可視化システム１は、例えば音源２たる楽器に対する演奏操作によってその音源２から音響空間３に放音された音波の伝播状況を可視化するためのものである。図１に示すように、音場可視化システム１は、音光変換器１０−ｋ（ｋ＝１〜Ｎ：Ｎは２以上の整数）、撮像装置２０、画像処理装置３０および記録／再生装置４０を含んでいる。

音光変換器１０−ｋ（ｋ＝１〜Ｎ）の各々は、音響空間３の互いに異なる位置に配置され、その配置場所における音圧を検知しその音圧に応じた輝度で発光するものである。図２は、音光変換器１０−ｋの構成例を示すブロック図である。図２に示すように、音光変換器１０−ｋは、マイクロホン１１０、電圧電流変換回路１２０、および発光部１３０を含んでいる。

マイクロホン１１０は、例えばＭＥＭＳマイクロホンであり、収音した音の音圧に比例した信号レベル（電圧）の信号を出力する。電圧電流変換回路１２０は、マイクロホン１１０から与えられる信号の信号レベルに比例した電流値の電流を発光部１３０に与える。そして、発光部１３０は、例えば赤外線ＬＥＤであり、電圧電流変換回路１２０から与えられる電流の大きさに応じた輝度の赤外光を放射する。ここで、音光変換器１０−ｋの発光部１３０として赤外線ＬＥＤを用いた理由は、可視光ＬＥＤなどを用いた場合に比較して音響空間内の照明や自然光などのノイズの影響を回避することができ、また、赤外光は可視光に比較して波長が長く散乱し難いため、発光部１３０から撮像装置２０へ至る伝播過程での信号劣化を抑えることができるからである。なお、音響空間３への自然光の進入を防止できるなどノイズの影響を回避することができる場合には、発光部１３０として可視光ＬＥＤを用いても良いことは勿論である。このように発光部１３０として可視光ＬＥＤを用いる態様では、各音光変換器１０−ｋの発光部１３０が発する光を実際に目視することができるので、測定と同時に定性的な音場の状態を把握することが出来る。

撮像装置２０は、数十万ｆｐｓの撮像性能（すなわち、１秒間に数十万フレームの撮像が可能）を有する高速度赤外線ビデオカメラであり、音響空間３の映像を撮影しその映像を表す映像信号を画像処理装置３０に与える。ここで、撮像装置２０としては、発光部１３０の明滅の様子を撮像できるもの、すなわち、可視化対象の音場の構成音の帯域を満たす時間分解能で各フレームを撮像することができるものであることが必要である。上記構成音についての周波数情報が失われないようにするためである。なお、音光変換器１０−ｋの発光部１３０を可視光ＬＥＤで構成する場合には、撮像装置２０として可視領域を撮像対象とする通常の高速度ビデオカメラを用いれば良い。

画像処理装置３０は、撮像装置２０により撮像した映像に各種画像処理を施し、その処理結果である映像信号を記録／再生装置４０に与える。図１では、詳細な図示は省略したが、画像処理装置３０は、撮像装置２０から与えられる映像信号にＡ／Ｄ変換を施してデジタル形式の映像データに変換するＡ／Ｄ変換器、その映像データに色変換処理やダイナミックレンジの調整、各ＬＥＤ出力のばらつきの補正などの各種画像処理を施す画像処理回路、および、画像処理回路により各種画像処理を施された映像データにＤ／Ａ変換を施し、その変換結果である映像信号を記録／再生装置４０に与えるＤ／Ａ変換器を含んでいる。ここで、各ＬＥＤ出力のばらつきを補正する処理（以下、ばらつき補正処理）とは、撮像装置２０から与えられる映像信号における各光点の輝度を、予め求めておいた係数を用いて補正する処理である。なお、上記係数については、例えば、各音光変換器１０−ｋに略同一とみなせる音圧の音を入力し、これら音光変換器１０−ｋの発光輝度のバラつきを予め計測して算出しておけば良い。このようなばらつき補正処理は、発光部１３０の特性のバラつきや撮像角度の相違によって、撮像装置２０から与えられるべき映像信号において、本体的には同一の輝度で表されているべき光点の輝度にばらつきがある場合に必要になる。

記録／再生装置４０は、図１に示すように、記憶手段４０ａ、再生制御手段４０ｂ、および表示手段４０ｃを含んでいる。記憶手段４０ａは、例えばハードディスクである。この記憶手段４０ａには、画像処理装置３０から与えられる映像信号が書き込まれる。再生制御手段４０ｂは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。この再生制御手段４０ｂは、記憶手段４０ａに格納されている映像信号を読出し、この映像信号を例えば液晶ディスプレイなどで構成された表示手段４０ｃに与え、その映像信号の表す映像を表示させる。また、再生制御手段４０ｂは、図示せぬ操作部を介して上記映像のスロー再生を指示された場合には、記憶手段４０ａからの映像信号の読出し速度を調整することで、上記映像のスロー再生を実現する。

つまり、図１に示す音場可視化システム１では、音響空間３の各所に配置される音光変換器１０−ｋが音源２から放射される音の音圧を検知して発光する様子を撮像装置２０により撮像し、このようにして撮像される映像の記録および再生を記録／再生装置４０に行わせることで、音響空間３に形成される音場の可視化が実現されるのである。前述したように、上記映像を撮像する撮像装置２０は、可視化対象の音の帯域を満たす時間分解能で各フレームを撮像するため、この撮像装置２０により撮像される映像においては、上記可視化対象の音についての周波数情報も表現されている。
以上が音場可視化システム１の構成である。

（Ｂ：音場可視化システム１の使用方法）
次いで、音響空間３に形成される音場を音場可視化システム１により可視化する際の具体的な手順について説明する。

音源２によって音響空間３に形成される音場を音場可視化システム１によって可視化して把握しようとする者（以下、音場可視化システム１の利用者）は、まず、各音光変換１０−ｋの各々を音響空間３に配置する。ここで、各音光変換器１０−ｋの配置態様としては種々のものが考えられるが、その一例としては図３（Ａ）に示す態様が挙げられる。図３（Ａ）には、音源２を起点とする直線上に一定の間隔Ｌを空けて音光変換器１０−１、１０−２、１０−３…といった具合に音光変換器１０−ｋを一個ずつ配置する態様が例示されている。このような態様によれば、音源２から放射される音波の波面は、一定の時間間隔Ｔ（Ｔ＝Ｌ／Ｖ：Ｖは音速）で到来することになり、この時間間隔Ｔを参考に撮像装置２０の撮像速度を設定することができる。

次いで、音場可視化システム１の利用者は、音源２に音波の放射を開始させる。例えば、音源２が楽器である場合には、その演奏担当者に演奏を開始させる。このようにして音源２から放射される音波は音源２の持つ（放音する）指向特性で空間に広がり、一定の時間間隔（すなわち、Ｔ＝Ｌ／Ｖに応じた時間間隔）でその音波の先頭波面が音光変換器１０−１、１０−２、１０−３・・・へ到達する。つまり、音波の放射を開始させた時刻を起算点として時間Ｔが経過した時点で音光変換器１０−１の発光部１３０が発光し、さらに、時間Ｔが経過した時点で音光変換器１０−２の発光部１３０が発光を開始する。本実施形態では、撮像装置２０の時間分解能は可視化対象の音の帯域を満たすものであるため、その撮像速度は充分に速く、各音光変換器１−０−ｋの発光部１３０が順次発光してゆく様子（図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）参照）が撮像装置２０によって撮像され、その様子を表す映像が記録／再生装置４０によって記録される。一般に、音波の伝播速度は非常に高速（毎秒３４０メートル程度）であるため、各音光変換器１０−ｋの発光部１３０が順次発光してゆく様子（図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）参照）を肉眼で把握することはできないのであるが、上記のようにして記録した映像を記録／再生装置４０にスロー再生させ、このようにしてスロー再生される映像を視認することで、音場可視化システム１の利用者は、音響空間３に形成される音場を視覚的に把握することができるのである。

以上に説明したように本実施形態によれば、音源２たる楽器を奏でることにより音響空間３に形成される再現性の無い音場を周波数情報を欠落させることなく可視化することが可能になる。加えて、本実施形態によれば、各音光変換器１０−ｋを音響空間３の各箇所に配置して撮像装置２０による撮像を開始するだけで、その音響空間３に形成される再現性の無い音場を可視化することができ、音響空間に配置される複数のマイクロホンをその出力信号を処理する信号処理装置に接続するといった配線作業を行う必要はない。つまり、本実施形態によれば、上記従来技術に比較して、音響空間に形成される再現性の無い音場を手軽に可視化することが可能になるとともに、配線に起因した影響も回避することができる。また、本実施形態によれば、チャネル数に応じた数分の音光変換器１０−ｋを音響空間３に配置すれば良いため、チャネル数の拡張も容易である。また、本実施形態では、２つの音光変換器１０−ｋの各々の発光部１３０の輝度の差から音響的粒子速度を表現することも可能になる、といった利点もある。

（Ｃ：他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、かかる実施形態に以下に述べる変形を加えても勿論良い。
（１）上述した実施形態では、電圧電流変換回路１２０に１つの発光部１３０を接続して音光変換器１０−ｋを構成した。しかし、このような態様では、音が入力されていない場合であっても発光部１３０が発光する場合があり、無入力時に各素子のばらつきが際立つといった問題や、電力を無駄に消費するといった問題、入力があっても変化がわかりにくい（音は交流であるため、視覚を通じた把握では無入力時の直流と区別がつかなくなる）といった問題がある。そこで、図４（Ａ）に示すように、マイクロホン１１０により収音される音の波形の山の部分でその音圧の大きさに応じた輝度で発光する発光部１３０ａと、上記波形の谷の部分でその音圧の大きさに応じた輝度で発光する発光部１３０ｂを電圧電流変換回路１２０に接続して音光変換器を構成し、マイクロホン１１０により収音される音の音圧がゼロである場合には発光しないようにしても良い。また、発光部１３０ａと発光部１３０ｂの発光色を異ならせるなど両者のうちの何れが発光しているのかを容易に区別することができるようしても良い。

また、上記のように音波形の山の部分で発光する発光部１３０ａと谷の部分で発光する発光部１３０ｂを設ける態様によれば、撮像装置２０の受光部の量子化ビット数を２倍にすることと同等の効果が得られる。何故ならば、上記受光部の量子化ビット数が１０ビットであり、発光部の輝度の振幅が音声のピークに収まっている場合、「発光部１３０ａの発光（音波形の山の部分）−無入力−発光部１３０ｂの発光（音波形の谷の部分）−無入力・・・」といった具合に音波形をその山の部分と谷の部分とに分けて各々１０ビットの精度、すなわち、合計２０ビットの精度で表現することができる。なお、本変形例（１）では、音波形の山の部分で発光する発光部と音波形の谷の部分で発光する発光部を音光変換器に設ける態様について説明したが、３個以上の多数の発光部を音光変換器に設け、それら発光部の各々に音波形の異なる振幅範囲を担当させてダイナミックレンジを更に広げるようにしても良い。

（２）上述した実施形態および変形例（１）では、マイクロホン１１０と発光部１３０との間に、電圧電流変換回路１２０を介挿し、マイクロホン１１０により収音される音の音圧に比例した輝度（すなわち、上記音圧に比例したアナログ値の輝度）で発光部１３０を発光させた。しかし、発光部１３０の出力を２値化（例えば、発光している状態と発光していない状態のデューティー比で音圧を表現）しても良い。このように音光変換器の出力を２値化することで、音光変換器の精度、伝播途中での信号劣化、および撮像装置２０の量子化ビット数の制限などの起因した悪影響を緩和することが可能になる。なお、このようなことを実現するには、図４（Ｂ）に示すように、電圧電流変換回路１２０に換えてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調回路をマイクロホン１１０と発光部１３０の間に介挿して音光変換器を構成すれば良く、また、図４（Ｃ）に示すように、ΣΔ変調回路を介挿して音光変換器を構成しても良い。

本発明の実施形態に係る音場可視化システム１の構成例を示す図である。 同音場可視化システム１に含まれる音光変換器１０−ｋの構成例を示す図である。 同音場可視化システム１による音場の可視化について説明するための図である。 変形例（１）および（２）に係る音光変換器の構成例を説明するための図である。

符号の説明

１…音場可視化システム、２…音源、３…音響空間、１０−ｋ（ｋ−１〜Ｎ：Ｎは２以上の整数）…音光変換器、２０…撮像装置、３０…画像処理装置、４０…記録／再生装置、４０ａ…記憶手段、４０ｂ…再生制御手段、４０ｃ…表示手段。

Claims (4)

1. マイクロホンと前記マイクロホンにより収音される音の音圧に応じた輝度で発光する発光部とを有し、音響空間に配置される複数の音光変換器と、
   前記音響空間の映像を撮像しその映像を表す映像信号を出力する撮像装置であって、前記マイクロホンにより収音される音の帯域を満たす時間分解能で前記映像を構成する一連のフレームを撮像する撮像装置と
   を有することを特徴とする音場可視化システム。
2. 前記撮像装置から出力される映像信号を記録し、記録した映像信号の表す映像をスロー再生する記録／再生装置を更に有することを特徴とする請求項１に記載の音場可視化システム。
3. 前記複数の音光変換器の発光部は、前記音圧に応じた輝度の赤外光を発光し、前記撮像装置は赤外線ビデオカメラであることを特徴とする請求項１または２に記載の音場可視化システム。
4. マイクロホンと前記マイクロホンにより収音される音の音圧に応じた輝度で発光する発光部とを有する複数の音光変換器の各々を音響空間に配置した後、その音響空間内の音源に音を放音させ、
   映像を構成する一連のフレームを前記マイクロホンにより収音される音の帯域を満たす時間分解能で撮像する撮像装置に、前記音響空間の映像を撮像させる
   ことを特徴とする音場可視化方法。

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