JP5712409B2 - 音響係数と音響パワーを決定する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、音放射源および／または音放射源により放射される音響パワーの動作の結果としてある音場が広がる空間における選択された位置の音響吸収係数および／または音響透過係数を決定する方法および装置に関する。

（音響）材料の吸収係数を決定する測定は、一般に知られ通常用いられている。吸収係数は、空間における決められた位置の決められた面により吸収される入射音の強度／パワーの割合として定義される。しかしながら吸収係数は、有効な音の強度／パワーすなわち入射音の強度／パワーから反射音の強度／パワーを減じた値と、入射音の強度／パワーとを測定することによってのみ測定される。

そのような測定は実際には問題があり、単純且つ迅速な手法で常に実行できるわけではない。ここで本質的なことは、有効な音の強度／パワーは測定可能ではあるが、入射音の強度／パワーの決定は、これまでいくつかの決められた、既知且つ単純な音場、例えば平面波、球面波または拡散する音場に対してのみ可能であるということである。これは、得られた測定結果が、これらの音場に対してのみ適用可能であるということを意味する。したがって、得られた測定結果は、任意の音場の実際的な条件における結果を、全ての条件のもとで十分に代表するものではない。

例えばパネルのような、音響バリアの透過係数を決定する測定は、一般にあまり知られていない。透過係数は、空間における決められた面により決められた位置で透過される入射音の強度／パワーの割合として定義される。透過係数はまた、有効な音の強度／パワーおよび入射音の強度／パワーを測定するだけでも測定されることができる。そのような測定は実際には問題があり、単純且つ迅速な手法で常に実行できるわけではない。ここでも、入射音の強度／パワーの決定は、これまでいくつかめの決められた既知且つ単純な音場に対してのみ可能であるということが本質的である。通常、例えば、それぞれ反響室および無響室と呼ばれる、音響的に硬い反響する空間および反響しない空間の間の結合を形成する窓において、透過が決定されなければならないパネルが支持されている音響環境において、測定がなされる。そのような実験室で行われるのみの測定は、とても特別な測定の設定が必要であるため、困難且つ高価である。さらに、得られた測定結果は、実質的に拡散する音場に対応する実際的な条件において測定されたパネルを用いて実現された結果を、全ての条件のもとで完全に代表するものではない。

音響源から放射された音響パワーを決定する測定は、一般に知られ通常用いられている。しかしながら、これまで、反響しない空間において放射された音響パワーを決定することが可能であるのみである。なぜならば、反響する空間の場合、通常の手法で決定された放射されたパワーは、その空間における音響反射のために過小評価されるからである。さらに、そのような手法で決定された放射されたパワーは、環境からの反射が実際に現れる状況における放射源のパワーではない。得られた結果は、したがって反響しない状況へ適用可能であるのみであり、実際的な条件における結果を全ての条件のもとで完全に代表するものではない。音響源の放射されたパワーを決定する通常の手法は、したがって、実験環境において実行できるのみである。

上記に鑑み、本発明の目的は、上述の欠点を有さず、安価で信頼性があり、実際的な条件でも現実的に適用可能でありしたがって任意の音場に対して適用でき、そして、一般に知られた通常の携帯可能な音圧メータまたは音の強度メータとほぼ同等の寸法および重量を有する容易に携帯可能な装置を形成できる、とても単純な測定方法および当該測定方法に基づく装置を提供することにある。

上記を目的として、本発明は、音放射源および／または前記音放射源により放射される音響パワーの動作の結果としてある音場が広がる空間における選択された位置の音響吸収係数および／または音響透過係数を決定する方法を提供し、この方法は、
（ａ）前記空間における前記選択された位置の音圧ｐ（ｔ）および粒子速度ｖ（ｔ）を測定するステップと、
（ｂ）ｐ（ｔ）、ｖ（ｔ）のフーリエ変換Ｐ（ｆ）、Ｖ（ｆ）を計算するステップと、
（ｃ）Ｐ（ｆ）およびＶ（ｆ）に基づいて、関連面の法ベクトルであるベクトルｎを用いて示された方向の時間平均された有効な強度Ｉａｃ（ｆ）と、前記ベクトルｎを用いて示された前記方向の時間平均された全体の強度Ｉｔｏｔ（ｆ）とを計算するステップと、
（ｄ）前記方向ｎの時間平均された入射音の強度Ｉｉｎ（ｆ）＝１／２（Ｉａｃ（ｆ）＋Ｉｔｏｔ（ｆ））を決定するステップと、
（ｅ）前記方向ｎの時間平均された吸収係数α＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）を決定するステップと、および／または、
（ｆ）機械的な吸収を無視可能なバリアの前記方向ｎの透過係数θ＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）を決定するステップと、および／または、
（ｑ）前記音放射源の周囲の包絡面を画成するステップと、ならびに
（ｒ）前記包絡面上でＩｉｎ（ｆ）を積分することにより放射された音響パワーＰｉｎ（ｆ）を決定するステップとを含む。

全体の強度Ｉｔｏｔ（ｆ）は、これまで決定されていなかったが任意の音場において測定可能な量である。

有効なすなわち正味の強度は、入射波の強度と反射波の強度との差である：
Ｉａｃ（ｆ）＝Ｉｉｎ（ｆ）−Ｉｒｅｆｌ（ｆ）。

全体の強度は、入射波の強度と反射波の強度との和である：
Ｉｔｏｔ（ｆ）＝Ｉｉｎ（ｆ）＋Ｉｒｅｆｌ（ｆ）。

これは、（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）に基づいて吸収係数／透過係数を決定すること、ならびに（ｑ）および（ｒ）に基づいて放射された音響パワーを決定することを可能にする。

ベクトルは、太字体で表示された記号を用いて示され、スカラーは、通常に表示された記号を用いて示される。

上記において、
ｎ＝吸収または透過係数が決定されるべき方向を指す方向ベクトル、
ｔ＝時間、
ｆ＝周波数
である。

上記を目的として、本発明はまた、上記特定のタイプの方法を提供し、この方法は、
（ｇ）ステップ（ｃ）を、次式の関係

および

に基づいて実行するステップをさらに含む。

上記において、

Δ＝空気の密度、
ｃ＝位相速度または「音の速度」
である。

上記特定のタイプの別の方法は、
（ｈ）Ｐ（ｆ）およびＶ（ｆ）に基づいて、前記ベクトルｎを用いて示された前記方向の時間平均された無効な強度

を計算するステップと、
（ｉ）ステップ（ｃ）を、次式の関係

および
Itot(f)=(2/B)arcsin(Iac(f)/√(Iac(f)²+Ire(f)²))Iac(f)+…+(2/B)|Ire(f)|
に基づいて実行するステップとをさらに含み、ここで、

はステップ（ｈ）において決定された強度の無効な部分である。

有効なおよび全体の音の強度を、いわゆる相互スペクトルおよび自己スペクトルを用いて決定することもできる。

パネルの機械的吸収を無視できないとき、上記方法は、パネルの両側において測定を行ってパネルの機械的吸収を決定することによって拡張可能である。

いわゆる線量計を用いて測定を行うことができる。線量計は、例えばブリュエル・アンド・ケアー強度プローブのような、２つの音圧マイクロフォンを備えることができる。また、音圧マイクロフォンと組み合わせて、マイクロフロウン（Ｍｉｃｒｏｆｌｏｗｎ（登録商標））粒子速度メータを用いても測定を行うことができる。

以下の態様によれば、本発明は、
（ｊ）前記空間における前記面の近傍で前記音圧ｐ（ｔ）を測定し、前記空間における複数の前記選択された位置で前記粒子速度ｖ（ｔ）を測定するステップと、
（ｋ）ｐ（ｔ）、ｖ（ｔ）の前記フーリエ変換Ｐ（ｆ）、Ｖ（ｆ）を計算するステップと、
（ｌ）Ｐ（ｆ）およびＶ（ｆ）に基づいて、（ｇ）または（ｉ）のもとで決定されたＩａｃ（ｆ）の前記関連面上での積分によって得られた時間平均された有効なパワーＰａｃ（ｆ）を計算し、ここでｎは前記関連面の法ベクトルであり、（ｄ）のもとで決定されたＩｉｎ（ｆ）の前記関連面上での積分によって得られた時間平均された入射パワーＰｉｎ（ｆ）を計算し、ここでｎは前記関連面の法ベクトルであるステップと、
（ｎ）空間平均された吸収係数α＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）を決定するステップと、および／または、
（ｏ）機械的な吸収を無視可能なバリアに対して、空間平均された透過係数θ＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）を決定するステップと、
（ｓ）前記放射された音響パワーを前記入射パワーと同一とすることにより、前記放射された音響パワーを決定するステップとをさらに含む方法を提供する。

とって代わって、前記方法は、
（ｐ）ともに粒子速度センサを構成するよう配置された２つの圧力センサを用いて前記粒子速度ｖ（ｔ）を測定し、前記２つの圧力センサの１つまたは２つを用いて前記音圧ｐ（ｔ）を測定することによって、ステップ（ａ）またはステップ（ｊ）を実行するステップをさらに含み、ここで後者の場合には２つの前記音圧の平均が決定される。

実質的に、そのような方法の変型例を用いても同じ結果が得られる。しかしながら、この方法の利点は、圧力カプセルが粒子速度センサよりも簡単で安価であることである。

本発明はさらに、前記音響吸収係数および／または前記音響透過係数および／または音放射源により放射された前記音響パワーを決定する装置であって、上記の方法の実施手段を形成する装置に関する。

本発明に係るこの装置は、
前記音圧ｐ（ｔ）を測定する音圧測定手段と、
前記音圧測定手段のごく近傍に配置され、前記粒子速度ｖ（ｔ）を測定する粒子速度測定手段と、
ｐ（ｔ）、ｖ（ｔ）の前記フーリエ変換Ｐ（ｆ）、Ｖ（ｆ）を計算するフーリエ変換手段と、
ｐ（ｔ）およびｖ（ｔ）に基づいて、前記有効な強度Ｉａｃ（ｆ）および前記時間平均された全体の強度Ｉｔｏｔ（ｆ）を計算する第１の計算手段と、
前記入射強度／入射パワーを決定する第２の計算手段とを備え、ここで後者は前記放射された音響パワーおよび／または前記時間平均されたパワーＰａｃ（ｆ）に等しいとされ、
上記装置は、
前記吸収係数α＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）、および／または前記空間平均された吸収係数α＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）、および／または前記透過係数θ＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）、および／または前記空間平均された透過係数θ＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）を決定する第３の計算手段を備える。

この装置は、粒子速度測定手段が２つの圧力センサを備え、且つ音圧測定手段がこれら２つの圧力センサのうち少なくとも１つを備えるよう具体化されることができるという利点を有する。

本発明の実施の形態にかかる方法を示す図である。

吸収または透過を測定する通常の測定方法以外に、本発明によれば特定された特性を有する音源が用いられる必要はない。測定が実行される空間において、本発明に従って意義のある測定が実行できる程度に音の強度が十分である音場が現れれば十分である。

例えば、会議室の壁の吸収係数の測定では、随意にパブリック・アドレス・システムによって補助されたスピーカは、測定中、音源として機能できる。実行された測定は、例えば約２００Ｈｚ〜３ｋＨｚの人間の音声の関連周波数領域における吸収係数に関する。

正規化された音源に関する特別な応用のため吸収または透過を測定する測定方法について考えることができる。上記の会議室の測定の議論を参照し、例えば、関連する空間において、例えば、約２００Ｈｚ〜３ｋＨｚの周波数範囲をカバーする上述のスピーカのような、少なくともおおまかに実際に適用される音のスペクトル成分に対応するようなスペクトル成分の音場を生成できる、雑音のような音の音源を利用できる。

フーリエ変換手段は、高速フーリエ変換すなわちＦＦＴのような、コンピュータまたはマイクロプロセッサの手段によるデジタルの数学的操作上の、言わば一般に知られた手法に基づくことができる。上記で特定されたさらなる操作と計算も、プロセッサによりデジタルで実行されることができる。

吸収係数αまたは透過係数θを最終的に計算する第３の計算手段には、さらなる処理および／または表示のための、吸収係数を表す信号を生成する信号出力を加えることができる。例えば、一見してαまたはθの値を読みとれるメータやＬＣＤディスプレイ等のディスプレイユニットを利用できる。

既知の特性を有する音源を利用する必要がないことが、本発明による吸収または透過の測定の本質と見なさるべきである。しかしながら、測定結果が決められた応用に特定されることも可能である。

例えば振動している物体、製品、機械等の、音源の音響パワーの決定は、特別に具体化された音響環境で現在行われる。関連した測定空間は、特に無響、半無響または反響の、よく設定された条件に適合する必要がある。そのままの状態における放射された音響パワーの決定は、従来技術では可能ではない。これは、放射源の付近における物体による反射の影響を決定することがこれまで不可能であったという事実の結果である。

上述の通り、本発明によれば、任意の方向の空間における任意の位置の有効な強度Ｉａｃ、全体の強度Ｉｔｏｔ、入射強度Ｉｉｎ、反射強度Ｉｒｅｆｌを計算することができる。放射源の周囲の包絡面における十分な数の位置で有効な強度および全体の強度を測定することにより、これらの位置の入射強度も測定されることができる。放射源の側から見ると、入射強度は、放射された強度に等しい。これは、放射源により放射されたパワーを、包絡面上で入射強度を積分することにより決定することができることを意味する。よって、放射されたパワーは、そのままの状態において決定されることができる。

添付の図は、この方法を示す。放射源２は、音を放射する。例えば球である仮想の包絡面１は放射源２の周囲に画成される。上記の強度は、矢印を用いて象徴的に示されている。ここで、図示されたランダムな構成において、２つの反射壁３、４が配置されていることに注意すべきである。Ｉｉｎと関連するＩｒｅｆｌは、壁４に対して定義されている。反射する物体、この場合は反射壁３、４、の近くにおいて、Ｉａｃは、Ｉｉｎ−Ｉｒｅｆｌであり、実質的に０である。空間において反射する物体から離れた位置では、Ｉａｃはより大きく、Ｉｒｅｆｌはより小さい。そのままの状態において音放射源１により放射されたパワーをいま包絡面２上でＩｉｎを積分することにより決定することができる。

Claims (7)

1. 音放射源および／または前記音放射源により放射される音響パワーの動作の結果としてある音場が広がる空間における選択された位置における音響吸収係数および／または音響透過係数を決定する方法であって、
   （ａ）前記空間における前記選択された位置において、音圧ｐ（ｔ）とベクトルである粒子速度ｖ（ｔ）とを測定するステップと、
   （ｂ）前記音圧ｐ（ｔ）のフーリエ変換Ｐ（ｆ）および前記粒子速度ｖ（ｔ）のフーリエ変換Ｖ（ｆ）を計算するステップと、
   （ｃ）前記音圧ｐ（ｔ）のフーリエ変換Ｐ（ｆ）および前記粒子速度ｖ（ｔ）のフーリエ変換Ｖ（ｆ）に基づいて、関連面上の法ベクトルｎを用いて示された方向における時間平均された有効な強度Ｉａｃ（ｆ）と、前記法ベクトルｎを用いて示された前記方向における時間平均された全体の強度Ｉｔｏｔ（ｆ）とを計算するステップと、
   （ｄ）前記法ベクトルｎを用いて示された方向における時間平均された入射音の強度Ｉｉｎ（ｆ）＝１／２（Ｉａｃ（ｆ）＋Ｉｔｏｔ（ｆ））を決定するステップと、
   （ｅ）前記法ベクトルｎを用いて示された方向における時間平均された吸収係数α_ｔ＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）を決定するステップと、および／または、
   （ｆ）機械的な吸収を無視可能なバリアに対する前記法ベクトルｎを用いて示された方向における透過係数θ＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）を決定するステップと、および／または、
   （ｑ）前記音放射源の周囲の包絡面を画成するステップと、ならびに
   （ｒ）前記包絡面上で前記時間平均された入射音の強度Ｉｉｎ（ｆ）を積分することにより、放射された音響パワーを決定するステップとを含む方法。
2. （ｇ）ステップ（ｃ）を、次式の関係
   

   

   および
   

   

   に基づいて実行し、ここで、Δは空気の密度であり、ｃは位相速度であるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
3. （ｈ）前記音圧ｐ（ｔ）のフーリエ変換Ｐ（ｆ）および前記粒子速度ｖ（ｔ）のフーリエ変換Ｖ（ｆ）に基づいて、前記法ベクトルｎを用いて示された前記方向における時間平均された無効な強度
   

   

   を計算するステップと、
   （ｉ）ステップ（ｃ）を、次式の関係
   

   

   および
   Itot(f)=(2/B)arcsin(Iac(f)/√(Iac(f)²+Ire(f)²))Iac(f)+…+(2/B)|Ire(f)|
   に基づいて実行するステップとをさらに含む請求項１または２に記載の方法。
4. （ｊ）前記空間における前記関連面の近傍において前記音圧ｐ（ｔ）を測定し、前記空間における複数の前記選択された位置において前記粒子速度ｖ（ｔ）を測定するステップと、
   （ｋ）前記音圧ｐ（ｔ）のフーリエ変換Ｐ（ｆ）および前記粒子速度ｖ（ｔ）のフーリエ変換Ｖ（ｆ）を計算するステップと、
   （ｌ）前記音圧ｐ（ｔ）のフーリエ変換Ｐ（ｆ）および前記粒子速度ｖ（ｔ）のフーリエ変換Ｖ（ｆ）に基づいて、ステップ（ｇ）またはステップ（ｉ）のもとで決定された前記時間平均された有効な強度Ｉａｃ（ｆ）の前記関連面上の積分によって得られた時間平均された有効なパワーＰａｃ（ｆ）を計算し、ステップ（ｄ）のもとで決定された前記時間平均された入射音の強度Ｉｉｎ（ｆ）の前記関連面上の積分によって得られた時間平均された入射パワーＰｉｎ（ｆ）を計算するステップと、
   （ｎ）空間平均された吸収係数α_ｓ＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）を決定するステップと、および／または、
   （ｏ）機械的な吸収を無視可能なバリアに対する空間平均された透過係数θ_ｓ＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）を決定するステップと、
   （ｓ）前記放射された音響パワーを前記入射パワーＰｉｎ（ｆ）と同一とすることにより、前記放射された音響パワーを決定するステップとをさらに含む請求項２または３に記載の方法。
5. （ｐ）ともに粒子速度センサを構成するよう配置された２つの圧力センサを用いて前記粒子速度ｖ（ｔ）を測定するとともに、前記２つの圧力センサのうちの１つまたは２つを用いて前記音圧ｐ（ｔ）を測定することによって、ステップ（ａ）またはステップ（ｊ）を実行するステップをさらに含み、ここで、前記２つの圧力センサを用いる場合には２つの前記音圧の平均が決定される、請求項１ないし４のうちのいずれか一項に記載の方法。
6. 請求項４に記載の方法を用いて、前記音響吸収係数および／または前記音響透過係数および／または前記音放射源により放射された前記音響パワーを決定する装置であって、
   前記音圧ｐ（ｔ）を測定する音圧測定手段と、
   前記音圧測定手段のごく近傍に配置され、前記粒子速度ｖ（ｔ）を測定する粒子速度測定手段と、
   前記音圧ｐ（ｔ）のフーリエ変換Ｐ（ｆ）および前記粒子速度ｖ（ｔ）のフーリエ変換Ｖ（ｆ）を計算するフーリエ変換手段と、
   前記音圧ｐ（ｔ）および前記粒子速度ｖ（ｔ）に基づいて、前記時間平均された有効な強度Ｉａｃ（ｆ）および前記時間平均された全体の強度Ｉｔｏｔ（ｆ）を計算する第１の計算手段と、
   前記時間平均された入射音の強度Ｉｉｎ（ｆ）または前記入射パワーＰｉｎ（ｆ）を決定する第２の計算手段とを備え、ここで、前記入射パワーＰｉｎ（ｆ）は前記放射された音響パワーおよび前記時間平均された有効なパワーＰａｃ（ｆ）に等しいとされ、
   前記装置は、
   前記時間平均された吸収係数α_ｔ＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）および／または前記空間平均された吸収係数α_ｓ＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）および／または前記透過係数θ＝Ｉａｃ（ｆ）／Ｉｉｎ（ｆ）および／または前記空間平均された透過係数θ_ｓ＝Ｐａｃ（ｆ）／Ｐｉｎ（ｆ）を決定する第３の計算手段を備える装置。
7. 前記粒子速度測定手段は２つの圧力センサを備え、前記音圧測定手段は前記２つの圧力センサのうち少なくとも１つを備える請求項６に記載の装置。

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