JP5477357B2 - 音場可視化システム - Google Patents

Description

本発明は、音場を可視化することができる音場可視化システムに関する。

従来、騒音分布の把握、音響機器の設計、開発等に用いるために、音場を可視化することができる音場可視化システムが提案されている。例えば、特許文献１の技術では、音響空間に複数の音光変換器と高速度撮影が可能な撮像装置を配置する。音光変換器は音圧に応じた輝度で発光する。撮像装置により音光変換器の発光を高速度撮影し、撮影した映像は一旦記憶され、その後スロー再生される。そのスロー再生の映像により、音場を可視化する。

また、特許文献２の技術では、音場空間に配設された複数のマイクロホンの出力信号に応じて、表示体における対応部位を機械的に変位させる。

特開２０１０−６０６７６号公報 特開平９−８１０６６号公報

特許文献１の技術では、高速度撮影した映像を一旦録画し、再生用ディスプレイにおいてスロー再生する必要があるので、音場をリアルタイムにその場で可視化することができない。

また、特許文献２の技術は、機械的に動作する表示体を動作させるので、表示体の表示は実際の音場の変化よりも大きく遅れてしまい、音場をリアルタイムに可視化することができない。

本発明は以上に点に鑑みなされたものであり、音場をリアルタイムにその場で可視化することができる音場可視化システムを提供することを目的とする。

本発明の音場可視化システムは、（ａ）その場における音圧を計測し、その音圧に応じた音圧信号を生成する音圧信号生成手段、（ｂ）前記音圧信号を、トリガー信号に応じてサンプリングするサンプリング手段、及び（ｃ）前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記音圧信号に基づいて表示を行う表示手段を備えた音圧表示手段を複数配置して成る音場表示部を備える。

複数配置された音圧表示手段は、それぞれが、その場所での音圧を計測して音圧信号を生成し、その音圧信号に応じた発光を行う。そのため、音場表示部は、計測する音場における音圧の分布を、複数の音圧表示手段の表示状態により表すことができる。

また、音圧表示手段において表示に用いられる音圧信号は、音場表示部に供給される音声を計測して音声信号を生成し、その音声信号の周期に基づき生成されたトリガー信号によりサンプリングされているので、音圧表示手段の表示は、恒常的に、その場での音圧の周期変化における一定の位相を反映した発光となる。すなわち、音圧表示手段の表示は、音圧の周期的な変動にともなって変化するのではなく、周期音の波動現象（反射、回折、干渉等）に応じて変化する。そのため、音場表示部における表示状態は、周期音の波動現象やその変化を、リアルタイムにその場で可視化するものとなる。

また、トリガー信号を容易且つ正確に生成することができる。

前記音圧表示手段が備える音圧信号生成手段により前記音声信号を生成することができる。こうすることで、トリガー信号の生成に用いる音圧表示手段の位相（表示状態）は、例え音源が動いても変化しない。また、その音圧表示手段の周囲で音源が動いた場合、その音圧表示手段における表示を基準として、その周囲の領域における音圧の変化が明確になる。

本発明の音場可視化システムでは、複数の前記音圧表示手段のそれぞれについて、前記音圧信号のゲインを設定するゲイン設定手段を備えることが好ましい。この場合、ゲインの調整が容易になる。

本発明の音場可視化システムにおいて、複数の前記音圧表示手段は、所定の間隔で配置され、複数の前記音圧表示手段は、前記音圧信号のうち、波長が前記間隔の２倍未満である成分を減衰させるフィルタ手段を備えることが好ましい。この場合、音場表示部によって音場の音圧分布を正確に表示できる。

前記トリガー信号の周波数は、例えば、前記音場表示部に供給される音声の周波数に、所定の係数（１よりわずかに大きい係数、又は１よりわずかに小さい係数）を乗じた値とすることができる。こうすることにより、音圧表示手段で表示される音場の位相を、時間とともに徐々に進ませたり遅らせたりすることができる。その結果、音場表示部に、徐々に進行する波形を表示することができる。

前記音圧表示手段は、前記サンプリング手段によりサンプリングされた音圧信号をホールドするホールド手段を備えることが好ましい。この場合、サンプリングされない期間においても、音圧表示手段の表示を行うことができ、表示が見やすくなる。

前記制御手段は、複数の前記音圧表示手段を直列に接続した信号線により、前記トリガー信号を、複数の前記音圧表示手段それぞれの前記サンプリング手段に供給することができる。この場合、信号線を単純化することができる。また、この信号線により、ゲイン制御信号や電源を音圧表示手段に供給してもよい。

前記トリガー信号生成部は、例えば、ディジタルシグナルプロセッサを用いて、前記トリガー信号を生成することが好ましい。この場合、正弦波だけでなく、倍音を多く含む楽器音や人の声などの音に対してもトリガーをかけることができる。

前記表示手段は、視覚的な表示を行うことができるものであれば特に限定されない。例えば、ＬＥＤ等の発光素子等が挙げられる。

音場可視化システム１の構成を表すブロック図である。 音圧−光変換装置９の構成を表すブロック図である。 音場可視化システム１の使用例を表す説明図である。 音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が３４ｃｍである例において、音圧の計測値と音圧波形とを表すグラフである。 音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が１２．４ｃｍである例において、音圧の計測値と音圧波形とを表すグラフである。 音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が７．７ｃｍである例において、音圧の計測値と音圧波形とを表すグラフである。 音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が２７．６ｃｍである例において、音圧分布を測定した結果を表す説明図である。 音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が９．７ｃｍである例において、音圧分布を測定した結果を表す説明図である。 音場可視化システム１の構成を表すブロック図である。 音場可視化システム１の構成を表すブロック図である。 制御装置１１と音圧−光変換装置９との別形態における接続態様を表すブロック図である。 制御装置１１と音圧−光変換装置９との別形態における接続態様を表すブロック図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
１．音場可視化システム１の構成
まず、音場可視化システム１の全体構成を図１に基づいて説明する。図１は音場可視化システム１の構成を表すブロック図である。

音場可視化システム１は、トリガー信号生成用集音装置（音声信号生成手段）３、トリガー信号生成装置（トリガー信号生成部）５、及び音場計測表示装置（音場表示部）７を備える。

トリガー信号生成用集音装置３は、音源により生じる音から音声信号を生成するマイクロホンとそのアンプ（図示略）から成る。トリガー信号生成用集音装置３は、音場計測表示装置７で表示する音場を発生させている音源を収音できる場所へ設置する。

トリガー信号生成装置５は、周知のディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を備えている。トリガー信号生成装置５は、トリガー信号生成用集音装置３で生成した音声信号を取り込む。そして、ＤＳＰを用いて、その音声信号に基づきトリガー信号を生成する。具体的には、取り込んだ音声信号の周期がＴであるとすると、周期がｎＴであるパルス信号を生成し、これをトリガー信号とする。ここで、ｎは整数であり、例えば、１、２、３、４、５、６・・・・の中から適宜設定できる。例えば、取り込んだ音声信号の周波数が５００Ｈｚである場合、パルス信号の周期を、２ｍｓｅｃ、又は４ｍｓｅｃとすることができる。

音場計測表示装置７は、複数の音圧−光変換装置（音圧表示手段）９と、制御装置（制御手段）１１とを備える。複数の音圧−光変換装置９は、板状または網目状の基材の上に、一定の間隔で規則正しく碁盤の目状に配列されている。複数の音圧−光変換装置９の配列周期は縦、横ともに、Ａセンチメートルである。

制御装置１１はトリガー信号生成装置５で生成されたトリガー信号を、複数の音圧−光変換装置９のそれぞれに供給するバッファーとして機能する。また、制御装置１１は、複数の音圧−光変換装置９のそれぞれについて、後述する信号増幅回路１５におけるゲイン、特性、動作等を制御する機能を有する。

次に、音圧−光変換装置９の構成を図２に基づいて説明する。図２は音圧−光変換装置９の構成を表すブロック図である。
音圧−光変換装置９は、マイクロホン（音圧信号生成手段）１３、信号増幅回路１５、サンプリング回路（サンプリング手段）１７、発光素子ドライブ回路１９、青色発光素子（表示手段）２１、及び赤色発光素子（表示手段）２３から構成される。

マイクロホン１３は、周知の構造を有するマイクロホンであり、音場計測表示装置７が設置された空間における音圧を計測し、その音圧に応じた音圧信号を生成する。
信号増幅回路１５は、マイクロホン１３が生成した音圧信号を、サンプリング回路１７に必要な電圧レベルへ増幅させる。この増幅におけるゲインは、制御装置１１から送られるゲイン制御信号により制御される。なお、ゲイン制御信号は、制御装置１１から全ての音圧−光変換装置９に出力される。そのため、制御装置１１は、全ての音圧−光変換装置９について、信号増幅回路１５のゲインを一度に調整することができる。なお、ゲインは、ユーザが制御装置１１に入力することで設定できる。また、外部から制御装置１１にゲイン制御信号を入力するようにしてもよい。

また、信号増幅回路１５は、マイクロホン１３が生成した音圧信号のうち、波長が音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍未満である成分を減衰させるフィルタ機能を備えている。

サンプリング回路１７は、信号増幅回路１５で増幅した音圧信号について、制御装置１１から供給されるトリガー信号に合わせてサンプリングする。具体的には、トリガー信号としてのパルス信号が入力したとき（ＯＮのとき）は、所定時間だけ、音圧信号をサンプリングして取り込み、それ以外の時間帯ではサンプリングしない。なお、サンプリング回路１７は、サンプリングした音圧信号を、次のパルス信号が入力するまで、ホールドすることもできる。

発光素子ドライブ回路１９は、サンプリングされた音圧信号を、青色発光素子２１、及び赤色発光素子２３が動作する電圧・電流まで増幅する。
青色発光素子２１は、周知の青色に発光するＬＥＤであり、同一の音圧−光変換装置９に含まれるマイクロホン１３の近傍に配置される。青色発光素子２１は、発光素子ドライブ回路１９で増幅された音圧信号が負の場合に青色に発光し、それ以外の場合は発光しない。

赤色発光素子２３は、周知の赤色に発光するＬＥＤであり、同一の音圧−光変換装置９に含まれるマイクロホン１３の近傍に配置される。赤色発光素子２３は、発光素子ドライブ回路１９で増幅された音圧信号が正の場合に赤色に発光し、それ以外の場合は発光しない。

２．音場可視化システム１の使用方法とその作用効果
（１）音場計測表示装置７を、音場を計測したい場所に設置する。また、トリガー信号生成用集音装置３を、音場計測表示装置７で表示する音場を発生している音源を収音できる場所へ設置する。

平面上に配列された複数の音圧−光変換装置９は、それぞれが、その場所での音圧を計測して音圧信号を生成し、その音圧信号に応じた発光を行う。そのため、音場計測表示装置７は、計測する音場における音圧の分布を、複数の音圧−光変換装置９の発光状態により表示することができる。

ここで、音圧−光変換装置９において発光に用いられる音圧信号は、計測する音場を発生させる音に対応する周期のトリガー信号によりサンプリングされているので、音圧−光変換装置９の発光は、恒常的に、その場での音圧の周期変化における一定の位相を反映した発光となる。すなわち、音圧−光変換装置９の発光は、音圧の周期的な変動にともなって変化するのではなく、周期音の波動現象（反射、回折、干渉等）に応じて変化する。

そのため、音場計測表示装置７における発光状態は、周期音の波動現象やその変化を、リアルタイムにその場で可視化するものとなる。例えば、図３に示すように、音源１０１、剛板１０３に対し、音場計測表示装置７を配置し、音源１０１から正弦波を放射した場合、音場計測表示装置７には、音圧−光変換装置９の青色発光素子２１が青く光る部分と、音圧−光変換装置９の赤色発光素子２３が赤く光る部分とにより、進行波、回折波、反射波がリアルタイムにその場で可視化される。
（２）音場可視化システム１は、制御装置１１により、複数の音圧−光変換装置９のそれぞれについて、信号増幅回路１５のゲインを一度に調整できる。そのため、ゲインの調整が容易である。
（３）信号増幅回路１５は、マイクロホン１３が生成した音圧信号のうち、波長が、音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍未満である成分を減衰させる。そのことにより、音圧分布を正確に可視化できる。このことを、図４〜図８に基づいて説明する。

図４〜図６は、横軸が音場計測表示装置７における横方向の位置を表し、縦軸が音圧を表すグラフである。図４〜６において、四角形の印が付されている位置が、音圧−光変換装置９が配置されている位置である。また、丸印が、音圧−光変換装置９で計測した音圧を表す。また、実線の曲線が、実際の音圧の変化を示す。

図４は、音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が３４ｃｍである（音圧の波長が、音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍以上である）例である。この場合、音圧−光変換装置９による音圧の計測値（丸印）により、実際の音圧波形（実線の曲線）を可視化することができる。

一方、図５は、音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が１２．４ｃｍである（音圧の波長が、音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍未満である）例である。この場合、音圧−光変換装置９による音圧の計測値（丸印）からは、点線の曲線で表される、本来含まれないはずの音圧波形が見えてしまい、実際の音圧波形（実線の曲線）を可視化することができない。

また、図６は、音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が７．７ｃｍである（音圧の波長が、音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍未満である）例である。この場合も、音圧−光変換装置９による音圧の計測値（丸印）からは、点線の曲線で表される、本来含まれないはずの音圧波形が見えてしまい、実際の音圧波形（実線の曲線）を可視化することができない。

図７、図８は、横軸が音場計測表示装置７における横方向の位置を表し、縦軸が音場計測表示装置７における縦方向の位置を表し、色の濃淡が音圧を表す図である。図７、図８は、いずれも、中心の点音源から発生した音の音圧分布を、音場計測表示装置７で計測した結果を表す。図７は、音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が２７．６ｃｍである（音圧の波長が、音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍以上である）例である。この例では、中心から同心円状に広がる音圧分布が正しく可視化されている。

一方、図８は、音圧−光変換装置９の配列周期Ａが７．５ｃｍであり、音圧の波長が９．７ｃｍである（音圧の波長が、音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍未満である）例である。この例では、横軸方向と縦軸方向とに、本来含まれないはずの、波長が２７．６ｃｍの成分が表示されてしまっている。

以上のように、音圧の波長が、音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍未満であると、本来含まれないはずの音圧波形が見えてしまうが、信号増幅回路１５が音圧−光変換装置９の配列周期Ａの２倍未満である成分を減衰させることにより、そのような問題が生じない。
（４）サンプリング回路１７は、サンプリングした音圧信号を、次のトリガー信号が入力するまで、ホールドすることができる。この場合、サンプリングされない期間において、青色発光素子２１、又は赤色発光素子２３が暗くならず、表示が見やすくなる。なお、次のトリガー信号が入力されると、ホールドは終了し、新たにサンプリングされた音圧信号に基づく表示が行われる。
（５）トリガー信号生成装置５は、ＤＳＰを用いて、音声信号の周期に基づきトリガー信号を生成する。そのため、音声信号が正弦波の場合だけでなく、倍音を多く含む楽器音や人の声、パルス列などの音である場合でもトリガー信号を生成することができる。
（第２の参考例）
１．音場可視化システム１の構成
本参考例における音場可視化システム１の全体構成を図９に基づいて説明する。図９は音場可視化システム１の構成を表すブロック図である。

音場可視化システム１は、トリガー信号生成装置（トリガー信号生成部、音声信号取得手段）５、音場計測表示装置（音場表示部）７、及び信号分岐装置２５を備える。
トリガー信号生成装置５、及び音場計測表示装置７の構成は前記第１の実施形態と同様である。信号分岐装置２５は、信号発生器１０５からスピーカ１０７に供給される音声信号を途中で分岐して取り出し、トリガー信号生成装置５へ出力する装置である。なお、この音声信号は、スピーカ１０７における音声の発音に用いられ、その音声は、音場計測表示装置７において計測する音場を発生させる。トリガー信号生成装置５は、信号分岐装置２５が取り出した音声信号に基づき、前記第１の実施形態と同様にして、トリガー信号を生成し、そのトリガー信号を制御装置１１に出力する。

２．音場可視化システム１の使用方法とその作用効果
本参考例の音場可視化システム１は、前記第１の実施形態と同様に使用することができ、略同様の作用効果を奏する。また、信号発生器１０５から出力される音声信号を用いてトリガー信号を作成するので、トリガー信号生成用の音声信号を取得するためのマイクロホン等が不要となる。
（第３の実施形態）
１．音場可視化システム１の構成
本実施形態における音場可視化システム１の全体構成を図１０に基づいて説明する。図１０は音場可視化システム１の構成を表すブロック図である。

音場可視化システム１は、トリガー信号生成装置（トリガー信号生成部）５、及び音場計測表示装置（音場表示部）７を備える。トリガー信号生成装置５、及び音場計測表示装置７の構成は前記第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、複数の音圧−光変換装置９のうちの、１つの音圧−光変換装置９から、信号増幅回路１５で増幅した音声信号（音圧信号）を取り出し（図２参照）、その音声信号を用いて、トリガー信号生成装置５によりトリガー信号を生成する。トリガー信号生成装置５がトリガー信号を生成する方法は前記第１の実施形態と同様である。生成したトリガー信号は制御装置１１に出力される。

２．音場可視化システム１の使用方法とその作用効果
本実施形態の音場可視化システム１は、前記第１の実施形態と同様に使用することができ、略同様の作用効果を奏する。

さらに、本実施形態の音場可視化システム１は、１つの音圧−光変換装置９から取り出した音声信号を用いてトリガー信号を生成しているので、その音圧−光変換装置９の位相（発光状態）は、例え音源が動いても変化しない。また、その音圧−光変換装置９の周囲で音源が動いた場合、その音圧−光変換装置９における表示を基準として、その周囲の領域における音圧の変化が明確になる。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、図１１に示すように、制御装置１１及び複数の音圧−光変換装置９を直列に接続した信号線２７により、トリガー信号、ゲイン制御信号、電源を各音圧−光変換装置９に供給してもよい。また、例えば、図１２に示すように、信号線２７は、1本、または１組の線で配線し、これに対して各音圧―光変換装置９をぶら下げる構成としてもよい。この場合、信号線を単純化することができる。ただし、電源の供給については、信号増幅回路１５用の電源と、発光素子ドライブ回路１９用の電源とは、分けて給電することが好ましい。こうすることにより、信号増幅回路１５、発光素子ドライブ回路１９間の電源電圧変動等の干渉を防止することができる。

また、トリガー信号の生成に用いる音声信号の周期がＴである場合、トリガー信号の周期を、ｎＴ（ｎは整数）からわずかにずらすことができる。こうすることにより、音圧−光変換装置９で表示される波面を、時間とともに徐々に進ませたり後退させたりすることができる。トリガー信号の周波数をずらすには、補正前のトリガー信号（周期がｎＴであるもの）の周波数に、所定の係数を乗じた周波数を、補正後のトリガー信号の周波数とすればよい。補正後のトリガー信号を用いると、音の周波数が変化しても、一定の速さで波面が移動するように表示させることができる。例えば、周波数で０．３％ずらすと、音場計測表示装置７に、あたかも音速が１ｍ／ｓとなったように音場を表示することができる。

前記所定の係数は、音場計測表示装置７に表示される波面の移動が、肉眼で追える程度の速さになるように設定するのが好ましい。例えば、１ｍ四方程度の音場計測装置７においては、周波数で、−０．３〜＋０．３％の範囲が好ましい。例えば１０ｍ四方程度の音場計測装置７においては周波数で、−３〜＋３％の範囲が好ましい。

また、トリガー信号生成装置５は、アナログ処理（例えばレベル検出の手法）でトリガー信号を生成してもよい。
また、信号増幅回路１５は、人間に聞こえない低い音や高い音を減衰させるＡ特性のようなフィルタ特性を持っていてもよい。

また、複数の音圧−光変換装置９は、２次元平面上で任意の並べ方で並べることができる。また、複数の音圧−光変換装置９は、３次元に配列することができる。この場合、３次元の音場をリアルタイムにその場で可視化することができる。

１・・・音場可視化システム、３・・・トリガー信号生成用集音装置、
５・・・トリガー信号生成装置、７・・・音場計測表示装置、
９・・・音圧−光変換装置、１１・・・制御装置、１３・・・マイクロホン、
１５・・・信号増幅回路、１７・・・サンプリング回路、
１９・・・発光素子ドライブ回路、２１・・・青色発光素子、
２３・・・赤色発光素子、２５・・・信号分岐装置、２７・・・信号線、
１０１・・・音源、１０３・・・剛板、１０５・・・信号発生器、
１０７・・・スピーカ

Claims (8)

1. （ａ）その場における音圧を計測し、その音圧に応じた音圧信号を生成する音圧信号生成手段、（ｂ）前記音圧信号を、トリガー信号に応じてサンプリングするサンプリング手段、及び（ｃ）前記サンプリング手段によりサンプリングされた前記音圧信号に基づいて表示を行う表示手段を備えた音圧表示手段を複数配置して成る音場表示部と、
   前記音場表示部に供給される音声を計測して音声信号を生成し、その音声信号の周期に基づき前記トリガー信号を生成するトリガー信号生成部と、
   前記トリガー信号生成部で生成したトリガー信号を、複数の前記音圧表示手段それぞれの前記サンプリング手段に供給する制御手段と、
   を備えることを特徴とする音場可視化システム。
2. 前記音圧表示手段が備える音圧信号生成手段により前記音声信号を生成することを特徴とする請求項１記載の音場可視化システム。
3. 複数の前記音圧表示手段のそれぞれについて、前記音圧信号のゲインを設定するゲイン設定手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の音場可視化システム。
4. 複数の前記音圧表示手段は、所定の間隔で配置され、
   複数の前記音圧表示手段は、前記音圧信号のうち、波長が前記間隔の２倍未満である成分を減衰させるフィルタ手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の音場可視化システム。
5. 前記トリガー信号の周波数が、前記音場表示部に供給される音声の周波数に、所定の係数を乗じた値であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の音場可視化システム。
6. 前記音圧表示手段は、前記サンプリング手段によりサンプリングされた音圧信号をホールドするホールド手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の音場可視化システム。
7. 前記制御手段は、複数の前記音圧表示手段を直列に接続した信号線により、前記トリガー信号を、複数の前記音圧表示手段それぞれの前記サンプリング手段に供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の音場可視化システム。
8. 前記トリガー信号生成部は、ディジタルシグナルプロセッサを用いて、前記トリガー信号を生成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の音場可視化システム。