JP6627563B2 - Acoustic sensor and sound wave detection method - Google Patents
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Description
本発明は音響センサ及び音波検出方法に関するものである。 The present invention relates to an acoustic sensor and a sound wave detection method.
水中の音波を検出する音響センサの一例が特許文献1に示されている。特許文献1の音響センサは、音波の成分を含む音波信号を検出する2つの検出素子を用い、検出方向から伝搬してくる音波に対して感度が高く、検出方向とは逆の方向から伝搬してくる音波に対しては感度が低くなる指向性を持たせたものである。
An example of an acoustic sensor that detects underwater sound waves is disclosed in
また、検出素子の一例が特許文献2に示されている。特許文献2の検出素子は、光ファイバコイルの中に弾性体を入れた構造により、音波による光ファイバの歪を利用して、光を位相変調するものである。こうした検出素子で検出した信号は、非特許文献1などに示された復調器を用いて復調することができる。
An example of the detection element is disclosed in
図7は、従来技術に係る音響センサの構成を示す模式図である。図7には、上記各文献に示された従来技術によって実現することができる音響センサ100として、光ファイバにより水中の音波を検出する光ファイバ音響センサを示している。音響センサ100は、光源・復調器200が発信する光を音波信号により変調する検出素子F及び検出素子Bを有している。検出素子Fと検出素子Bとは、検出方向に沿って間隔dを隔てて配置されており、検出素子Fは、検出素子Bよりも検出方向側に配置されている。光源・復調器200は、検出素子Fで変調された光を復調して音波信号pFを生成し、検出素子Bで変調された光を復調して音波信号pBを生成するものである。
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a configuration of an acoustic sensor according to the related art. FIG. 7 shows an optical fiber acoustic sensor that detects underwater sound waves using an optical fiber as an
そして、音響センサ100は、光源・復調器200で生成される音波信号pF及び音波信号pBをもとに、信号加算器610、減算器400、積分・増幅器700、及び出力加算器630を用いて下記式(1)の演算を行い、音波の情報である出力Vを得るものである。
The
ここで、tは時間であり、cは音速である。
検出方向に対してθの角度から伝搬してくる振幅P、角周波数ωの正弦波を検出する場合、pF、pB、及びVは、それぞれ、下記の式(2)〜式(4)で表される。
Here, t is time and c is sound speed.
When detecting a sine wave having an amplitude P and an angular frequency ω propagating from an angle θ with respect to the detection direction, p F , p B , and V are expressed by the following equations (2) to (4), respectively. It is represented by
ここで、kは波数である。
式(4)における規格化感度Dは、下記式(5)で表される。
Here, k is a wave number.
The normalized sensitivity D in the equation (4) is represented by the following equation (5).
図8は、波数kと2つの検出素子の間隔dとの積kdに対する規格化感度Dの計算結果を示すグラフである。図8には、θ=0とθ=π(rad)の2通りについて、kdに応じた規格化感度Dの変化の様子を示している。図8からは、kd<1の範囲では、θ=0の場合に感度が高く、θ=π(rad)の場合に感度が低くなることが分かる。 FIG. 8 is a graph showing the calculation result of the normalized sensitivity D with respect to the product kd of the wave number k and the distance d between the two detection elements. FIG. 8 shows how the normalized sensitivity D changes in accordance with kd for θ = 0 and θ = π (rad). From FIG. 8, it can be seen that in the range of kd <1, the sensitivity is high when θ = 0, and the sensitivity is low when θ = π (rad).
しかしながら、従来の音響センサ100では、光源の波長の変動などに起因した雑音が発生する。すなわち、一般に、2つの検出素子に対応する音波信号の雑音成分には相関のない成分が多いため、上記式(1)の2項目の減算において雑音レベルは低下しない。一方、2つの検出素子に対応する音波信号の音波の成分には相関があるため、上記式(1)の2項目の減算において信号レベルは低くなる。また、検出する音波の周波数が低いほど、音波の成分の相関が大きいため、周波数の低い音波を検出する場合は、当該減算での信号レベルがさらに大きく低下する。
However, in the conventional
図9は、波数kと2つの検出素子の間隔dとの積kdに対する積分処理の利得を示すグラフである。kdは周波数と比例するため、図9から、検出する音波の周波数が低いほど利得が大きくなることが分かる。したがって、従来の音響センサ100による処理では、検出する音波の周波数が低いほど、出力の雑音が大きくなり、微弱な音波を示す信号の検出が難しくなる。
FIG. 9 is a graph showing the gain of the integration process with respect to the product kd of the wave number k and the distance d between the two detection elements. Since kd is proportional to the frequency, FIG. 9 shows that the gain increases as the frequency of the detected sound wave decreases. Therefore, in the processing by the conventional
従来の音響センサ100において、間隔dを大きくすると、積分・増幅器700の利得を低くすることができるため、雑音の一部を抑制することができる。しかしながら、間隔dを大きくした場合、kd<1となる周波数範囲の上限が低くなるため、高い周波数の音波を検出する際に、感度の低下及び指向性の乱れが発生する。さらに、圧電材料を用いた検出素子を有する音響センサであっても、増幅器が発生する雑音により、光ファイバ音響センサと同様に、検出したい音波の信号レベルが低下し、感度の低下及び指向性の乱れが発生する。よって、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑制する音響センサ及び音波検出方法が望まれている。
In the conventional
本発明に係る音響センサは、検出方向に沿って間隔をあけて配置され、各々が音波の成分を含む音波信号を検出する3個以上の検出素子と、3個以上の検出素子において検出された複数の音波信号に演算処理を施して音波を検出する演算処理部と、を有し、演算処理部は、隣り合う検出素子に対応する2つの音波信号それぞれに減算処理を施す複数の減算器と、複数の減算器において減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する検出素子の位置に応じた遅延をかける減算側遅延装置と、減算側遅延装置からの出力に加算処理を施す減値加算器と、を有するものである。 The acoustic sensors according to the present invention are arranged at intervals along the detection direction, and are detected by three or more detection elements, each of which detects a sound wave signal containing a sound wave component, and three or more detection elements. An arithmetic processing unit that performs arithmetic processing on a plurality of sound wave signals to detect sound waves, wherein the arithmetic processing unit performs a subtraction process on each of two sound wave signals corresponding to adjacent detection elements; A subtraction-side delay device that delays each of the sound wave signals subjected to the subtraction processing by the plurality of subtracters in accordance with the position of the detection element corresponding to the sound wave signal, and adds the delay time to the output from the subtraction-side delay device. And a subtraction adder for performing processing.
また、本発明に係る音波検出方法は、検出方向に沿って間隔をあけて配置された3個以上の検出素子それぞれによって音波の成分を含む音波信号を検出する音波信号検出ステップと、隣り合う検出素子に対応する2つの音波信号それぞれに減算処理を施す減算ステップと、減算ステップで減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する検出素子の位置に応じた遅延をかけて出力する減算側遅延ステップと、減算側遅延ステップで遅延がかけられ出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有する。 In addition, the sound wave detection method according to the present invention includes a sound wave signal detecting step of detecting a sound wave signal containing a sound wave component by each of three or more detection elements arranged at intervals along the detection direction; A subtraction step of performing a subtraction process on each of the two sound wave signals corresponding to the element, and a delay corresponding to the position of the detection element corresponding to the sound wave signal on each of the sound wave signals subjected to the subtraction processing in the subtraction step And a subtraction step of adding each signal delayed and output in the subtraction side delay step.
本発明は、隣り合う検出素子に対応する2つの音波信号に対し、当該検出素子の位置に応じた遅延をかけると共に減算処理を施した上で加算することから、同じ検出素子より出力される雑音を減衰させることができるため、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑制することができる。 According to the present invention, since two sound wave signals corresponding to adjacent detection elements are delayed and added according to the position of the detection element and then added, the noise output from the same detection element is obtained. Can be attenuated, so that noise can be reduced irrespective of the frequency of the sound wave to be detected, and a decrease in sensitivity and the occurrence of disturbance in directivity can be suppressed.
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第1実施形態の音響センサは、従来技術の音響センサとは異なり、3個以上の検出素子を有している。また、本第1実施形態の音響センサは、複数の減算器によって、隣り合う検出素子に対応する各音波信号に減算処理を施し、複数の減算器からの出力に、各検出素子の位置に応じた遅延をかけてから加算するように構成されている。図1を参照して、4個の検出素子を有する音響センサ10の構成を説明する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic view illustrating the configuration of the acoustic sensor according to the first embodiment of the present invention. The acoustic sensor according to the first embodiment has three or more detection elements unlike the acoustic sensor according to the related art. Further, the acoustic sensor according to the first embodiment performs a subtraction process on each sound wave signal corresponding to an adjacent detection element by a plurality of subtracters, and outputs the outputs from the plurality of subtractors in accordance with the position of each detection element. The delay is added after the delay. The configuration of an
音響センサ10は、4個の検出素子E0〜E3と、光源・復調器20と、演算処理部30と、を有している。各検出素子E0〜E3は、それぞれ、円筒状に形成されており、検出方向に対してθの角度から伝搬してくる音波を検出する場合、図8のような指向性を示す。各検出素子E0〜E3は、同一直線上に並ぶように配置されている。以降では、各検出素子E0〜E3が並ぶ方向を検出方向とする。すなわち、各検出素子E0〜E3は、検出方向に沿って予め設定された間隔dをあけて配置されている。以降では、各検出素子E0〜E3を総称する場合又はこれらと同等の構成を称する場合、検出素子Eともいう。
The
検出素子Eは、光源・復調器20から入力した光を、長さの異なる2つの経路に分岐してミラー(図示せず)で反射させることにより、音波の成分を含む干渉光を音波信号として検出するものである。また、検出素子Eは、検出した音波信号を光源・復調器20へ出力するように構成されている。
The detection element E splits the light input from the light source /
光源・復調器20は、各検出素子E0〜E3に光を発信する光源(図示せず)と、各検出素子E0〜E3において検出された各音波信号により変調された各光を個別に復調して、各検出素子E0〜E3のそれぞれに対応する各音波信号p0〜p3を生成する復調器(図示せず)と、を含んでいる。つまり、光源・復調器20は、検出素子E0が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号p0を生成し、検出素子E1が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号p1を生成するものである。また、光源・復調器20は、検出素子E2が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号p2を生成し、検出素子E3が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号p3を生成するものである。そして、光源・復調器20は、生成した各音波信号p0〜p3を演算処理部30へ出力するように構成されている。
Source-
このように、本第1実施形態では、検出素子Eが検出する信号と、光源・復調器20が生成する信号とは、実質的に同一のものであるため、双方共に音波信号と称する。そして、光源・復調器20が生成する音波信号に符号「p」を付すことにより両者を区別する。後述する第2〜第4実施形態においても同様とする。以降では、各音波信号p0〜p3を総称する場合又はこれらと同質の信号を称する場合、音波信号pともいう。
As described above, in the first embodiment, since the signal detected by the detection element E and the signal generated by the light source /
演算処理部30は、各音波信号p0〜p3に演算処理を施して音波を検出するものである。演算処理部30は、複数の減算器40A〜40Cと、減算側遅延装置51と、信号加算器61と、減値加算器62と、出力加算器63と、積分・増幅器70と、を有している。
The
各減算器40A〜40Cは、隣り合う検出素子Eに対応する2つの音波信号pそれぞれに減算処理を施すものである。すなわち、各減算器40A〜40Cは、それぞれ、関連づけられた2つの検出素子Eに対応する各音波信号pに減算処理を施すものである。本第1実施形態において、減算器40Aは、検出素子E1に対応する音波信号p1から検出素子E0に対応する音波信号p0を減算するものである。減算器40Bは、検出素子E2に対応する音波信号p2から検出素子E1に対応する音波信号p1を減算するものである。減算器40Cは、検出素子E3に対応する音波信号p3から検出素子E2に対応する音波信号p2を減算するものである。以降では、各減算器40A〜40Cを総称する場合又はこれらと同等の構成について称する場合、減算器40ともいう。
Each of the
減算側遅延装置51は、複数の減算器40において減算処理が施された各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかけるものである。ここで、減算側遅延装置51が音波信号pにかける遅延には0を含むものとする。
The subtraction-
より具体的に、減算側遅延装置51は、減算器40Bの後に設けられた減算側遅延器51Bと、減算器40Cの後に設けられた減算側遅延器51Cと、を有している。以降では、減算側遅延器51B及び減算側遅延器51Cを総称する場合又はこれらと同等の構成について称する場合、減算側遅延器51mともいう。
More specifically, the subtraction-
減算側遅延器51Bは、減算器40Bにおいて減算処理が施された音波信号p1及び音波信号p2に、対応する検出素子E1及び検出素子E2の位置に応じた遅延をかけるものである。減算側遅延器51Cは、減算器40Cにおいて減算処理が施された音波信号p2及び音波信号p3に、対応する検出素子E2及び検出素子E3の位置に応じた遅延をかけるものである。
本第1実施形態において、減算側遅延器51Bの遅延時間は、検出素子E1と検出素子E2との中点から検出素子E0と検出素子E1との中点まで音波が伝播する時間であるd/cとなっている。また、減算側遅延器51Cの遅延時間は、検出素子E2と検出素子E3との中点から検出素子E0と検出素子E1との中点まで音波が伝播する時間である2d/cとなっている。
In the first embodiment, the delay time of the subtractor of the
ただし、検出素子Eの反射、回折等の影響で伝搬時間が変わる場合は、伝搬時間に応じて各遅延時間を補正する。ここで、音波信号が検出方向から入射した場合、検出素子E3で検出される音波は、直接入射した音波と他の検出素子Eで反射して検出素子E3に戻った音波とが重畳したものである。反射した音波は、直接入射した音波より遅れるため、ある検出素子Eにおいて、他の検出素子Eでの反射後に検出される音波には、直接入射した音波のタイミングから遅れが生じる。検出素子E2に入射する音波には、検出素子E3の周辺での回折により遅れて入射する成分があり、こうした回折も、検出素子Eで検出される音波の遅れの原因となる。特に、特許文献2の検出素子のように、光ファイバコイルの中に弾性体を入れた構造の受波素子では、弾性体での反射が大きいため、音波の遅れの影響が大きくなる。これらの反射、回折等を補正する方法の一例として、音響センサ10に音波を入射し、検出素子Eにおいて検出される音波信号の遅延時間を測定して、当該遅延時間により補正する方法がある。音波を入射する方向により遅延時間が変化するため、検出方向の感度を高くすることを優先する場合は、検出方向から音波を入射して測定した遅延時間により補正し、逆方向から入射する音波の抑制効果を優先する場合は、逆方向から音波を入射して測定した遅延時間により補正する。
However, when the propagation time changes due to the influence of reflection, diffraction, and the like of the detection element E, each delay time is corrected according to the propagation time. Here, if the sound signal is incident from the detection direction, sound waves detected by the detector element E 3 is a sound wave that has returned to the detection element E 3 is reflected directly incident wave and the other detection element E is superimposed Things. Since the reflected sound wave is delayed from the directly incident sound wave, the sound wave detected by the certain detection element E after being reflected by the other detection element E is delayed from the timing of the directly incident sound wave. The sound waves incident on the detector element E 2, there is component incident late by diffraction at the periphery of the detector element E 3, these diffraction also cause a delay of the acoustic waves detected by the detector elements E. In particular, in a wave receiving element having a structure in which an elastic body is placed in an optical fiber coil, as in the detection element of
ところで、演算処理部30では、減算器40Aの後に減算側遅延器51mが設けられていない。つまり、本第1実施形態では、減算器40Aにおいて減算処理が施される音波信号p1及び音波信号p0に関する検出素子E1及び検出素子E0の位置に応じた遅延時間は0となっている。換言すれば、減算側遅延装置51が、減算器40Aにおいて減算処理が施される音波信号p1及び音波信号p0にかける遅延は0である。
By the way, in the
信号加算器61は、光源・復調器20において生成される各音波信号p0〜p3を加算して、出力加算器63へ出力するものである。減値加算器62は、各減算器40A〜40Cを経由して出力される信号、すなわち減算側遅延装置51からの出力に加算処理を施すものである。より具体的に、減値加算器62は、減算器40Aから出力される信号と、減算側遅延器51Bから出力される信号と、減算側遅延器51Cから出力される信号とを加算して、積分・増幅器70へ出力するものである。
The
積分・増幅器70は、減値加算器62から出力される信号を、積分処理により増幅させて、出力加算器63へ出力するものである。出力加算器63は、信号加算器61から出力される信号と、積分・増幅器70から出力される信号とを加算して、各検出素子E0〜E3において検出された音波信号に基づく音波の情報として出力Vを生成し、外部へ出力するものである。
The integrator /
上記構成の説明では、音響センサ10が4個の検出素子E0〜E3を有する場合を一例として示したが、これに限らず、音響センサ10は、3個又は5個以上の任意の数の検出素子Eを有していてもよい。例えば、音響センサ10がN個(Nは3以上の整数)の検出素子Eを有する場合、演算処理部30は、N−1個の減算器40と、N−2個の減算側遅延器51mと、を有するように構成される。
In the above description of the configuration, the case where the
すなわち、本第1実施形態の音響センサ10は、N個の検出素子E0〜EN−1に対応する音波信号pi(i=0,1,・・・,N−1)から、下記式(6)で表される演算を行い、音波の情報である出力Vを得るものである。
That is, the
検出方向に対してθの角度から伝搬してくる振幅P、角周波数ωの正弦波を検出する場合、pi及びVは、それぞれ、下記式(7)及び式(8)で表される。規格化感度Dについては、上記式(5)から、kd<1の範囲では、θ=0の場合に感度が高く、θ=π(rad)の場合に感度が低くなることが分かる。 Amplitude P propagated through the angle θ with respect to the detection direction, when detecting a sine wave of angular frequency omega, p i and V are respectively represented by the following formula (7) and (8). With respect to the normalized sensitivity D, from the above equation (5), it can be seen that in the range of kd <1, the sensitivity is high when θ = 0, and the sensitivity is low when θ = π (rad).
式(6)の2項目における「Σ」では、検出素子E1から検出素子EN−1までのそれぞれに対応する音波信号piについて、同じ検出素子Eに対応する音波信号piにd/cの遅延をかけて減算するようになっている。ここで、同じ検出素子Eから出力される雑音は、遅延をかけても相関が大きいため、音響センサ10によれば、減算器40及び減算側遅延器51mでの演算処理によって雑音を低減することができる。つまり、音響センサ10は、式(6)の2項目で表される処理を行うことにより、両端に配置された検出素子E(検出素子E0及び検出素子EN−1)以外からの雑音を減衰させることができる。
The "Σ" in the second term of formula (6), the sound signal p i that corresponds to each of the detector elements E 1 to the detecting element E N-1, the sound signal p i that correspond to the same detector element E d / The subtraction is performed with a delay of c. Here, since the noise output from the same detection element E has a large correlation even if it is delayed, according to the
上述したように、従来の音響センサは、間隔dを広げた場合に、高い周波数の音波に対する感度が低下し、指向性の乱れが発生する。この点、音響センサ10は、従来の音響センサにおける2つの検出素子の間隔をdから(N−1)dまで広げた場合に近いレベルまで、積分・増幅器70の利得を低くすることができる。このため、音響センサ10によれば、高い周波数の音波に対する感度の低下及び指向性の乱れを抑制すると共に、雑音を低減することができる。
As described above, in the conventional acoustic sensor, when the interval d is widened, the sensitivity to a high-frequency sound wave is reduced, and the directivity is disturbed. In this regard, the
ところで、本第1実施形態では、複数の検出素子E及び光源・復調器20を用いて音波信号を検出し生成する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、音響センサ10は、複数の検出素子E及び光源・復調器20の代わりに、圧電材料などを用いた複数の検出素子を有していてもよい。圧電材料などを用いた検出素子としては、例えば特許文献1に示された検出素子(特許文献1では、受波器又は水中受波器と記載されている)を採用することができる。圧電材料などを用いた検出素子は、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を直接検出することができるため、光源・復調器20を介さずに、音波信号を演算処理部30へ出力することができる。
By the way, in the first embodiment, the case where the sound wave signal is detected and generated using the plurality of detection elements E and the light source /
図2は、音響センサ10の動作を示すフローチャートである。図2を参照して、音響センサ10による音波検出方法について説明する。
FIG. 2 is a flowchart illustrating the operation of the
まず、光源・復調器20が、各検出素子E0〜E3に光を発信する(図2:ステップS101)。そして、各検出素子E0〜E3が、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を検出する。すなわち、各検出素子E0〜E3は、それぞれ、光源・復調器20から発信される光を音波信号により変調する(図2:ステップS102)。次に、光源・復調器20は、各検出素子E0〜E3において検出された各音波信号により変調された光を個別に復調し、各検出素子E0〜E3のそれぞれに対応する音波信号p0〜p3を生成する(図2:ステップS103)。
First, the light source-
ここで、ステップS101からステップS103までの3つの工程は、各検出素子E0〜E3が、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を検出するステップであり、本発明の「音波信号検出ステップ」に相当する。そして、複数の検出素子E及び光源・復調器20の代わりに、圧電材料などを用いた複数の検出素子を用いる場合、各検出素子は、それぞれ、水中を伝搬してくる音波の成分を含む音波信号を、直接検出して生成し出力することができる。したがって、このような検出素子を採用した音響センサ10の場合は、本発明の「音波信号検出ステップ」を1つの工程によって実現することができる。
Here, the three steps from step S101 to step S103, each detector element E 0 to E 3, a step of detecting an acoustic signal containing a component of the sound waves propagated through the water, "waves of the present invention Signal detection step ". When a plurality of detection elements using a piezoelectric material or the like are used instead of the plurality of detection elements E and the light source /
次に、演算処理部30は、各減算器40A〜40Cにより、隣り合う検出素子Eに対応する2つの音波信号pそれぞれに減算処理を施す(図2:ステップS104/減算ステップ)。また、演算処理部30は、減算側遅延装置51により、各減算器40A〜40Cで減算処理が施された各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかける。すなわち、減算側遅延器51Bが、音波信号p1及び音波信号p2に遅延をかけ、減算側遅延器51Cが、音波信号p2及び音波信号p3に遅延をかける(図2:ステップS105/減算側遅延ステップ)。
Next, the
続いて、信号加算器61により、音波信号p0と音波信号p1と音波信号p2と音波信号p3とを加算する(図2:ステップS106/信号加算ステップ)。また、演算処理部30は、減値加算器62により、各減算器40A〜40Cを経由して出力される信号、すなわち減算側遅延装置51で遅延がかけられ出力される各信号を加算する(図2:ステップS107/減値加算ステップ)。
Subsequently, the
そして、演算処理部30は、積分・増幅器70により、減値加算器62からの出力を増幅させる(図2:ステップS108/増幅ステップ)。次に、演算処理部30は、出力加算器63により、信号加算器61からの出力と積分・増幅器70からの出力とを加算して、音波の情報である出力Vを生成し、外部に出力する(図2:ステップS109/出力加算ステップ)。
Then, the
以上のように、本第1実施形態の音響センサ10は、隣り合う検出素子Eに対応する2つの音波信号pに対し、当該検出素子Eの位置に応じた遅延をかけると共に減算処理を施した上で加算するため、同じ検出素子Eから出力される雑音を減衰させることができる。そして、音響センサ10は、従来の音響センサにおける2つの検出素子の間隔dをN−1倍まで広げた場合のように、積分・増幅器70の利得を低くすることができる。よって、音響センサ10によれば、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。また、検出方向(θ=0°)における音響センサ10の感度は、kd<1の範囲で高いため(図8参照)、音響センサ10によれば、検出できる音波の帯域を、従来の音響センサのN−1倍近くまで拡大することができる。
As described above, the
[第2実施形態]
図3は、本発明の第2実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第2実施形態の音響センサは、複数の減算器及び複数の加算器によって、隣り合う検出素子Eに対応する音波信号pに減算処理及び加算処理を施し、各減算器からの出力及び各加算器からの出力に、各検出素子Eの位置に応じた遅延をかけてから加算する、という構成を採っている。図3を参照して、4個の検出素子E0〜E3を有する音響センサ10Aの構成を説明する。前述した第1実施形態における音響センサ10と同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
[Second embodiment]
FIG. 3 is a schematic view illustrating the configuration of the acoustic sensor according to the second embodiment of the present invention. The acoustic sensor according to the second embodiment performs a subtraction process and an addition process on a sound wave signal p corresponding to an adjacent detection element E by using a plurality of subtracters and a plurality of adders, and outputs the outputs from the respective subtracters and the respective additions. In this configuration, the output from the detector is added after a delay corresponding to the position of each detection element E. Referring to FIG. 3, the structure of the
図3に示すように、音響センサ10Aは、複数の検出素子E0〜E3と、光源・復調器20と、演算処理部30Aと、を有している。演算処理部30Aは、各音波信号p0〜p3に演算処理を施し、各検出素子E0〜E3において検出された音波信号に含まれる音波を検出するものである。
As shown in FIG. 3, the
演算処理部30Aは、複数の減算器40A〜40C、減算側遅延器51B、減算側遅延器51C、減値加算器62、出力加算器63、及び積分・増幅器70を有している。また、演算処理部30Aは、前述した第1実施形態の演算処理部30とは異なり、複数の二値加算器61A〜61Cと、加算側遅延器52Bと、加算側遅延器52Cと、加値加算器64と、を有している。
The
各二値加算器61A〜61Cは、隣り合う検出素子Eに対応する2つの音波信号pそれぞれに加算処理を施すものである。すなわち、各二値加算器61A〜61Cは、それぞれ、関連づけられた2つの検出素子Eに対応する各音波信号pに加算処理を施すものである。本第2実施形態において、二値加算器61Aは、検出素子E0に対応する音波信号p0と検出素子E1に対応する音波信号p1とを加算するものである。二値加算器61Bは、検出素子E1に対応する音波信号p1と検出素子E2に対応する音波信号p2とを加算するものである。二値加算器61Cは、検出素子E2に対応する音波信号p2と検出素子E3に対応する音波信号p3とを加算するものである。以降では、各二値加算器61A〜61Cを総称する場合又はこれらと同様の構成について称する場合、二値加算器61mともいう。
Each of the
加算側遅延装置52は、複数の二値加算器61mにおいて減算処理が施された各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかけるものである。ここで、加算側遅延装置52が音波信号pにかける遅延には0を含むものとする。
The addition-
より具体的に、加算側遅延装置52は、二値加算器61Bの後に設けられた加算側遅延器52Bと、二値加算器61Cの後に設けられた加算側遅延器52Cと、を有している。以降では、加算側遅延器52B及び加算側遅延器52Cを総称する場合又はこれらと同等の構成について称する場合、加算側遅延器52mともいう。
More specifically, the addition-
加算側遅延器52Bは、二値加算器61Bにおいて加算処理が施される音波信号p1及び音波信号p2に、対応する検出素子E1及び検出素子E2の位置に応じた遅延をかけるものである。加算側遅延器52Cは、二値加算器61Cにおいて加算処理が施される音波信号p2及び音波信号p3に、対応する検出素子E2及び検出素子E3の位置に応じた遅延をかけるものである。
Adder of the
本第2実施形態において、加算側遅延器52Bは、減算側遅延器51Bと同様の構成であり、加算側遅延器52Cは、減算側遅延器51Cと同様の構成である。よって、加算側遅延器52Bの遅延時間は、検出素子E2と検出素子E3との中点から検出素子E1と検出素子E2との中点まで音波が伝播する時間であるd/cとなっている。また、加算側遅延器52Cの遅延時間は、検出素子E3と検出素子E4との中点から検出素子E1と検出素子E2との中点まで音波が伝播する時間である2d/cとなっている。ただし、検出素子Eの反射、回折等の影響で伝搬時間が変わる場合は、伝搬時間に応じて各遅延時間を補正する。
In the second embodiment, the addition-
ところで、演算処理部30Aでは、二値加算器61Aの後に加算側遅延器52mが設けられていない。つまり、本第2実施形態では、二値加算器61Aにおいて減算処理が施される音波信号p1及び音波信号p0に関する検出素子E1及び検出素子E0の位置に応じた遅延時間は0となっている。換言すれば、加算側遅延装置52が、二値加算器61Aにおいて減算処理が施される音波信号p1及び音波信号p0にかける遅延は0である。
Incidentally, in the
加値加算器64は、各二値加算器61A〜61Cを経由して出力される信号、すなわちすなわち加算側遅延装置52からの出力に加算処理を施すものである。より具体的に、加値加算器64は、二値加算器61Aから出力される信号と、加算側遅延器52Bから出力される信号と、加算側遅延器52Cから出力される信号とを加算して、積分・増幅器70へ出力するものである。
The
上記構成の説明では、音響センサ10Aが4個の検出素子E0〜E3を有する場合を一例として示したが、これに限らず、音響センサ10Aは、3個又は5個以上の任意の数の検出素子Eを有していてもよい。例えば、音響センサ10AがN個(Nは3以上の整数)の検出素子Eを有する場合、演算処理部30Aは、N−1個の減算器40と、N−1個の二値加算器61mと、N−2個の減算側遅延器51mと、N−2個の加算側遅延器52mと、を有するように構成される。
In the description of the above configuration, the case where the
すなわち、本第2実施形態の音響センサ10Aは、N個の検出素子E0〜EN−1に対応する音波信号pi(i=0,1,・・・,N−1)をもとに、下記式(9)で表される演算を行い、音波の情報である出力Vを得るものである。
That is, the
検出方向に対してθの角度から伝搬してくる振幅P、角周波数ωの正弦波を検出する場合、piは上記式(7)で表され、出力Vは下記式(10)で表される。規格化感度Dについては、上記式(5)から、kd<1の範囲では、θ=0の場合に感度が高く、θ=π(rad)の場合に感度が低くなることが分かる。 Amplitude P propagated through the angle θ with respect to the detection direction, when detecting a sine wave of angular frequency omega, p i is represented by the above formula (7), the output V is represented by the following formula (10) You. With respect to the normalized sensitivity D, from the above equation (5), it can be seen that in the range of kd <1, the sensitivity is high when θ = 0, and the sensitivity is low when θ = π (rad).
本第2実施形態の音響センサ10Aは、二値加算器61mの後に加算側遅延器52mを設けているため、より高い周波数の音波に対して、感度の低下を抑えることができる。検出方向とは逆の方向(逆方向)から入射する音波は、相対的に、検出素子E0で早く検出され、検出素子EN−1(図3ではE3)で遅く検出される。そして、検出素子EN−1で検出された信号は、減算側遅延器51C及び加算側遅延器52Cでさらに遅延がかけられる。
ここで、下記式(11)は、上記式(9)を変形したものである。
In the
Here, the following equation (11) is a modification of the above equation (9).
ところで、第1実施形態の音響センサ10では、遅延が大きくなる影響で、逆方向から入射する音波に対する感度の低減効果が、2つの検出素子Eだけで構成された音響センサと比べて小さくなる。
この点、本第2実施形態の音響センサ10Aでは、上記式(11)の{ }内が、上記式(1)において遅延を掛けた形となっており、同じ遅延がかけられた{ }内の項は、2つの検出素子Eだけで構成された音響センサの場合の演算処理と同じとなる。したがって、式(11)のように{ }内の項をΣによって加算しても、逆方向から入射する音波に対する感度の低減効果は変わらない。このため、音響センサ10Aによれば、2つの検出素子Eだけで構成された音響センサの場合と同等の感度低減効果を得ることができる。
By the way, in the
In this regard, in the
図4は、音響センサ10Aの動作を示すフローチャートである。図4を参照して、音響センサ10Aによる音波検出方法について説明する。
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the
まず、音響センサ10Aは、ステップS101〜S103の動作を図2の場合と同様に実行する。次に、演算処理部30Aは、各二値加算器61A〜61Cにより、隣り合う検出素子Eに対応する2つの音波信号pそれぞれに加算処理を施す(図4:ステップS201/二値加算ステップ)。また、演算処理部30Aは、各減算器40A〜40Cにより、隣り合う検出素子Eに対応する2つの音波信号pそれぞれに減算処理を施す(図4:ステップS202/減算ステップ)。
First, the
そして、演算処理部30Aは、加算側遅延装置52により、二値加算器61mで加算処理が施された各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかける(図4:ステップS203/加算側遅延ステップ)。また、演算処理部30Aは、減算側遅延装置51により、減算器40で減算処理が施される音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかける(図4:ステップS204/減算側遅延ステップ)。
Then, the
続いて、演算処理部30Aは、加値加算器64により、各二値加算器61A〜61Cを経由して出力される信号、すなわち加算側遅延装置52で遅延がかけられ出力される各信号を加算する。より具体的に、加値加算器64は、二値加算器61A、加算側遅延器52B、及び加算側遅延器52Cから出力される信号を加算する(図4:ステップS205/加値加算ステップ)。そして、演算処理部30Aは、ステップS107〜S109の動作を図2の場合と同様に実行する。
Subsequently, the
以上のように、本第2実施形態の音響センサ10Aは、隣り合う検出素子Eに対応する2つの音波信号pに対し、当該検出素子Eの位置に応じた遅延をかけると共に減算処理を施した上で加算する。このため、音響センサ10Aは、同じ検出素子Eから出力される雑音を減衰させると共に、積分・増幅器70の利得を低くすることができる。すなわち、音響センサ10Aによれば、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。
As described above, the
さらに、音響センサ10Aは、逆方向から入射する音波に対する感度が、2つの検出素子Eだけで構成された音響センサと同様に低くなっているため、音波をさらに精度よく検出することができる。他の効果については、前述した第1実施形態と同様である。
Furthermore, since the
[第3実施形態]
図5は、本発明の第3実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第3実施形態の音響センサは、各検出素子Eの間隔を不均一にし、各遅延器の遅延時間を検出素子Eの配置間隔に応じて変更する構成を採った点で、上述した第1及び第2実施形態と相違する。図5を参照して、各検出素子Eの間隔が不均一である音響センサ10Bの構成を説明する。上述した第1及び第2実施形態の音響センサ10及び10Aと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
[Third embodiment]
FIG. 5 is a schematic view illustrating the configuration of the acoustic sensor according to the third embodiment of the present invention. The acoustic sensor according to the third embodiment employs a configuration in which the intervals between the detection elements E are made non-uniform and the delay time of each delay device is changed according to the arrangement interval of the detection elements E. And the second embodiment. The configuration of the
図5に示すように、音響センサ10Bは、複数の検出素子E0〜E3と、光源・復調器20と、演算処理部30Bと、を有している。図5では、検出素子E0と検出素子E1との間隔がd0に設定され、検出素子E1と検出素子E2との間隔がd1に設定され、検出素子E2と検出素子E3との間隔がd2に設定された場合を例示している。間隔d0と間隔d1と間隔d2との間には、「d0<d1<d2」の関係があるものとする。すなわち、各検出素子Eは、各検出素子Eの間隔が検出方向に向かって大きくなるように配置されている。
As shown in FIG. 5, the
本第3実施形態において、光源・復調器20が内包する復調器は、各検出素子E0〜E3において検出された各音波信号により変調された各光を個別に復調し、各検出素子E0〜E3のそれぞれに対応する複数の音波信号pB0〜pB3を生成するものである。演算処理部30Bは、各音波信号pB0〜pB3に演算処理を施して音波を検出するものである。以降では、各音波信号pB0〜pB3を総称する場合又はこれらと同質の信号を称する場合、音波信号pともいう。
In the third embodiment, the demodulator included in the light source /
演算処理部30Bは、複数の減算器40A〜40C、減値加算器62、出力加算器63、加値加算器64、及び積分・増幅器70を有している。また、演算処理部30Bは、複数の二値加算器61A〜61Cと、加減遅延装置53と、を有している。
The
加減遅延装置53は、各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかけるものである。ここで、加減遅延装置53が音波信号pにかける遅延には0を含むものとする。より具体的に、加減遅延装置53は、減算処理及び加算処理が施される各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかける複数の加減遅延器53A〜53Dを有している。
The adding / decreasing
加減遅延器53Aは、検出素子E1に対応する音波信号pB1に遅延をかけて、減算器40B及び二値加算器61Bへ出力するものである。加減遅延器53Bは、検出素子E2に対応する音波信号pB2に遅延をかけて、減算器40B及び二値加算器61Bへ出力するものである。加減遅延器53Cは、検出素子E2に対応する音波信号pB2に遅延をかけて、減算器40C及び二値加算器61Cへ出力するものである。加減遅延器53Dは、検出素子E3に対応する音波信号pB3に遅延をかけて、減算器40C及び二値加算器61Cへ出力するものである。以降では、各加減遅延器53A〜53Dを総称する場合又はこれらと同様の構成を称する場合、加減遅延器53mともいう。
本第3実施形態において、加減遅延器53A及び加減遅延器53Bの遅延時間は、検出素子E1と検出素子E2との中点から検出素子E0と検出素子E1との中点まで音波が伝搬する時間((d0+d1)/(2c))となっている。加減遅延器53C及び加減遅延器53Dの遅延時間は、検出素子E2と検出素子E3との中点から検出素子E0と検出素子E1との中点まで音波が伝搬する時間((d0+2d1+d2)/(2c))となっている。ただし、検出素子Eの反射、回折等の影響で伝搬時間が変わる場合は、伝搬時間に応じて各遅延時間を補正する。
In the third embodiment, the delay time of acceleration or
ところで、演算処理部30Bでは、減算器40A及び二値加算器61Aの前に加減遅延器53mが設けられていない。つまり、本第3実施形態では、減算器40A及び二値加算器61Aにおいて演算処理が施される音波信号pB1及び音波信号pB0に関する検出素子E1及び検出素子E0の位置に応じた遅延時間は0となっている。換言すれば、加減遅延装置53は、音波信号pB1及び音波信号pB0に遅延0をかけて減算器40A及び二値加算器61Aへ出力するようになっている。
By the way, in the
二値加算器61Aは、音波信号pB0と音波信号pB1とを加算するものである。減算器40Aは、音波信号pB1から音波信号pB0を減算するものである。二値加算器61Bは、加減遅延器53A及び加減遅延器53Bの後に配置されている。二値加算器61Bは、加減遅延器53Aの出力と加減遅延器53Bの出力とを加算するものである。減算器40Bは、加減遅延器53A及び加減遅延器53Bの後に配置されている。加減遅延器53Bの出力から加減遅延器53Aの出力を減算するものである。二値加算器61Cは、加減遅延器53C及び加減遅延器53Dの後に配置されている。二値加算器61Cは、加減遅延器53Cの出力と加減遅延器53Dの出力とを加算するものである。減算器40Cは、加減遅延器53C及び加減遅延器53Dの後に配置されている。加減遅延器53Dの出力から加減遅延器53Cの出力を減算するものである。減値加算器62は、各減算器40A〜40Cから出力される信号を加算するものである。加値加算器64は、各二値加算器61A〜61Cから出力される信号を加算するものである。
上記構成の説明では、音響センサ10Bが4個の検出素子E0〜E3を有する場合を一例として示したが、これに限らず、音響センサ10Bは、3個又は5個以上の任意の数の検出素子Eを有していてもよい。ここで、N個(Nは3以上の整数)の検出素子Eの間隔はN−1(d0,d1,・・・,dN−2)だけ存在する。音響センサ10Bは、各検出素子Eの間隔が不揃いになっており、この不揃いな間隔によって検出素子Eの位置が決まる。音響センサ10Bでは、加減遅延器53mが、不揃いな各検出素子Eの間隔に応じた位置をもとに、各音波信号piに遅延をかける。ただし、θ=0°において、感度が高くなる範囲は、最も広い検出素子Eの間隔dmax(図3ではd2)について、kdmax<1となる範囲である。
In the description of the above configuration, the case where the
すなわち、本第3実施形態の音響センサ10Bは、N個の検出素子E0〜EN-1に対応する音波信号pi(i=0,1,・・・,N−1)をもとに、下記式(12)で表される演算を行い、音波の情報である出力Vを得るものである。ここで、τi(i=0,1,・・・,N−1)は、下記式(13)のように定義される。また、式(12)は、下記式(14)のように変形することができる。
That is, the
式(14)の{ }内が、上記式(1)において遅延を掛けた形となっており、同じ遅延がかけられた{ }内の項は、2つの検出素子Eだけで構成された音響センサの場合の演算処理と同じとなる。したがって、式(14)のように{ }内の項をΣによって加算しても、逆方向から入射する音波に対する感度の低減効果が得られる。 The expression in {} of Expression (14) is a form in which the delay is multiplied in Expression (1), and the term in {} to which the same delay is applied is a sound composed of only two detection elements E. This is the same as the calculation processing for the sensor. Therefore, even if the terms in {} are added by Σ as in equation (14), the effect of reducing the sensitivity to sound waves incident from the opposite direction can be obtained.
音響センサ10Bは、各検出素子Eの不均一な間隔に応じた遅延をかける点を除けば、前述した第3実施形態の音響センサ10Aと同様に動作する。すなわち、音響センサ10Bによる音波検出方法は、各検出素子Eにおいて検出された各音波信号を個別に復調し、各検出素子Eのそれぞれに対応する音波信号pを生成する復調ステップと、各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかける加減遅延ステップと、隣り合う検出素子Eに対応し、かつ加減遅延ステップで遅延がかけられた2つの音波信号pそれぞれに減算処理を施して出力する減値減算ステップと、減値減算ステップでの減算処理後に出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有している。また、音響センサ10Bによる音波検出方法は、隣り合う検出素子Eに対応し、かつ加減遅延ステップで遅延がかけられた2つの音波信号pそれぞれに加算処理を施して出力する二値加算ステップと、二値加算ステップでの加算処理後に出力される各信号を加算する加値加算ステップと、を有している。
The
音響センサ10Bは、上記のように構成され、動作するため、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。
ところで、検出素子Eは、特許文献2の検出素子と同様、光ファイバが円筒状に巻回されて構成された光ファイバコイルと、その内側に光ファイバコイルと空間を隔てて配置された中空弾性体と、を有するように構成することができる。ここで、上述した第1実施形態の音響センサ10において、検出素子Eが有する中空弾性体の弾性率を低くすると、波長が2dと等しくなる周波数において、複数の中空弾性体からの反射波の位相が揃うことにより、各検出素子Eの周辺に音場の乱れが発生し、指向性を乱す原因となる。
この点、本第3実施形態の音響センサ10Bは、検出素子Eの間隔を不均一にしていることから、音場の乱れを抑えることができるため、kdmax<1となる範囲において、前述した第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
Since the
Incidentally, similarly to the detection element of
In this regard, in the
検出素子Eに入射する音波は直接入射する音波の他に、他の検出素子Eで反射した音波もある。第1実施形態において、例えば、波長が2dの音波が、θ=180°の方向から入射して直接検出素子E0に入射する音波と、検出素子E1、E2、E3のそれぞれで反射して検出素子E0に入射する音波の位相は全て等しい。したがって、他の検出素子Eで検出した音波により振幅が大きくなり、逆方向から入射した音波の抑制効果が低下する。これに対し、本第3実施形態では、検出素子E1、E2、E3のそれぞれで反射して検出素子E0に入射する音の位相が不均一になるため、検出素子Eで検出する音波の振幅誤差が小さくなるため、逆方向から入射した音波の抑制効果が向上する。 The sound waves incident on the detection element E include not only sound waves directly incident on the detection element E but also sound waves reflected by other detection elements E. In the first embodiment, for example, a sound wave having a wavelength of 2d is incident from the direction of θ = 180 ° and is directly reflected on the detection element E 0 and reflected by each of the detection elements E 1 , E 2 , and E 3. all sound waves in phase to to enter the detection element E 0 is equal. Therefore, the amplitude increases due to the sound wave detected by the other detection element E, and the effect of suppressing the sound wave incident from the opposite direction decreases. On the other hand, in the third embodiment, since the phase of the sound reflected on each of the detection elements E 1 , E 2 , and E 3 and incident on the detection element E 0 becomes non-uniform, the sound is detected by the detection element E. Since the amplitude error of the sound wave is reduced, the effect of suppressing the sound wave incident from the opposite direction is improved.
なお、図5では、間隔d0と間隔d1と間隔d2との間に「d0<d1<d2」の関係がある場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、音響センサ10Bは、間隔d0と間隔d1と間隔d2との間に、「d0<d1=d2」、「d0<d1>d2」、「d0=d1<d2」、「d0=d1>d2」、「d0>d1<d2」、「d0>d1=d2」、又は「d0>d1>d2」の関係が成り立つように構成してもよい。これは、音響センサ10Bが3個又は5個以上の任意の数の検出素子Eを有する場合も同様である。すなわち、各検出素子Eの間隔は、すべてが異なる間隔であってもよく、一部に同じ間隔が含まれていてもよい。
Although FIG. 5 illustrates a case where “d 0 <d 1 <d 2 ” is present between the interval d 0 , the interval d 1, and the interval d 2 , the relationship is not limited to this. For example, the
ただし、図5のように、間隔d0と間隔d1と間隔d2との間に「d0<d1<d2」の関係がある場合は、遅れ時間が長い検出素子E3で反射して検出素子E0に入射する音の伝搬距離が長くなる。このため、音波が減衰して、受波素子で検出する音波の振幅誤差が小さくなり、逆方向から入射した音波の抑制効果が向上する。すなわち、隣り合う検出素子Eの間隔が検出方向に向かって大きくなるように、複数の検出素子Eが配置されている場合には、逆方向から入射した音波の抑制効果をより向上させることができる。 However, as shown in FIG. 5, when there is a relationship of “d 0 <d 1 <d 2 ” between the interval d 0 , the interval d 1, and the interval d 2 , the light is reflected by the detection element E 3 having a long delay time. propagation distance of the sound incident on the detector element E 0 and becomes longer. For this reason, the sound wave is attenuated, the amplitude error of the sound wave detected by the wave receiving element is reduced, and the effect of suppressing the sound wave incident from the opposite direction is improved. That is, when the plurality of detection elements E are arranged such that the distance between the adjacent detection elements E increases in the detection direction, it is possible to further improve the effect of suppressing sound waves incident from the opposite direction. .
もっとも、音響センサ10Bは、複数の検出素子Eの間隔を不揃いにせず、第1及び第2実施形態と同様に間隔dで統一するようにしてもよい。そして、例えば、加減遅延装置53が、第1又は第2実施形態の減算側遅延装置51及び加算側遅延装置52と同様の遅延を加えるようにしてもよい。このようにしても、第2実施形態の音響センサ10Aと同様の効果を得ることができる。
However, in the
また、複数の検出素子Eの間隔をdで統一した上で、例えば、音響センサ10Bに、複数の二値加算器61mを設けることなく、加値加算器64の代わりに信号加算器61を設けるようにしてもよい。この場合、加減遅延装置53が、第1実施形態の減算側遅延装置51と同様の遅延を加えるように構成するとよい。すなわち、演算処理部30Bが、各音波信号pのそれぞれに、当該音波信号pに対応する検出素子Eの位置に応じた遅延をかける加減遅延装置53と、隣り合う検出素子Eに対応し、かつ加減遅延装置53において遅延がかけられた2つの音波信号それぞれに減算処理を施す複数の減算器40と、複数の減算器40からの出力に加算処理を施す減値加算器62と、光源・復調器20において生成される各音波信号p0〜p3を加算する信号加算器61と、を有するようにしてもよい。このようにしても、第1実施形態の音響センサ10と同様の効果を得ることができる。
In addition, after unifying the intervals between the plurality of detection elements E with d, for example, the
[第4実施形態]
図6は、本発明の第4実施形態に係る音響センサの構成を例示する模式図である。本第4実施形態の音響センサは、検出素子の形状が不揃いである点で、上述した各実施形態の検出素子Eと相違する。ここで、検出素子の形状には、検出素子の形、検出素子を設置する向き、及び検出素子の分割の有無が含まれ、検出素子が分割されている場合は、分割した検出素子の位置及び向きが含まれるものとする。図6を参照して、検出素子の形状が不揃いである音響センサ10Cの構成を説明する。上述した第2実施形態の音響センサ10Aと同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
[Fourth embodiment]
FIG. 6 is a schematic view illustrating the configuration of the acoustic sensor according to the fourth embodiment of the present invention. The acoustic sensor of the fourth embodiment is different from the detection elements E of the above embodiments in that the shapes of the detection elements are irregular. Here, the shape of the detection element includes the shape of the detection element, the direction in which the detection element is installed, and whether or not the detection element is divided.If the detection element is divided, the position and position of the divided detection element The orientation shall be included. With reference to FIG. 6, the configuration of the
図6に示すように、音響センサ10Cは、複数の検出素子EC0〜EC3と、光源・復調器20と、演算処理部30Aと、を有している。本第4実施形態において、検出素子EC0は、上述した各実施形態における検出素子Eと同様に構成されている。検出素子EC1は、2つに分割された形状であり、すなわち、2つの検出素子により構成されている。各検出素子は、円筒状に形成されており、双方が検出方向側へ向くように設置されている。また、各検出素子は、検出方向に沿った長さが検出素子EC0より短くなっており、検出方向に垂直な面における断面積が検出素子EC0より大きくなっている。検出素子EC2は、2つに分割された形状であり、円筒状に形成された各検出素子は、検出方向に垂直な方向へ向くように設置されている。各検出素子は、検出素子EC1を構成する各検出素子と同程度の大きさとなっている。検出素子EC3は、円筒状に形成されており、検出方向に垂直な方向へ向くように設置されている。検出素子EC3は、検出方向に垂直な鉛直方向の長さが検出素子EC0より長くなっており、鉛直方向に垂直な面における断面積が検出素子EC0より小さくなっている。以降では、各検出素子EC0〜EC3を総称する場合又はこれらと同様の構成を称する場合、検出素子ECともいう。
As illustrated in FIG. 6, the
本第4実施形態において、光源・復調器20は、各検出素子E0〜E3において検出された各音波信号により変調された各光を個別に復調して、複数の音波信号pC0〜pC3を生成するものである。すなわち、光源・復調器20は、検出素子EC0が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号pC0を生成し、検出素子EC1が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号pC1を生成するものである。また、光源・復調器20は、検出素子EC2からが検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号pC2を生成し、検出素子EC3が検出した音波信号により変調された光を復調して音波信号pC3を生成するものである。そして、光源・復調器20は、生成した各音波信号pC0〜pC3を演算処理部30へ出力するように構成されている。以降では、各音波信号pC0〜pC3を総称する場合又はこれらと同質の信号を称する場合、音波信号pともいう。
In the fourth embodiment, the light source /
音響センサ10Cの動作、すなわち音響センサ10Cによる音波検出方法は、前述した第2実施形態の音響センサ10Aと同様である。ただし、検出素子ECの反射、回折等による伝搬時間への影響は、第2実施形態における検出素子Eより大きくなる。このため、検出素子ECの反射、回折等の影響で変化した伝搬時間に応じて、減算側遅延器51m
及び加算側遅延器52mの各遅延時間を補正するとよい。
The operation of the
It is preferable to correct each delay time of the addition-side delay unit 52m.
音響センサ10Cは、上記のように構成され、動作するため、検出する音波の周波数によらず、雑音を低減し、感度の低下及び指向性の乱れの発生を抑えることができる。すなわち、音響センサ10Cによれば、第2実施形態の音響センサ10Aと同様、検出する音波の周波数が低い場合に雑音の増加を抑えることができ、第3実施形態の音響センサ10Bと同様、音場の乱れを抑えることができる。また、音響センサ10Cは、各検出素子ECの間隔を、各検出素子Eの間隔を不揃いにした第3実施形態の構造より小さくしても、高い周波数の音波を検出する場合の感度の低下及び指向性の乱れを抑えることができる。
Since the
ところで、本第4実施形態では、各検出素子ECについては、すべての形状が異なる場合を例示したが、これに限らず、一部の検出素子ECが同一の形状であってもよい。すなわち、音響センサ10Cが有する複数の検出素子ECは、異なる形状の検出素子ECが組み合わされて構成されていてもよい。もっとも、検出素子ECの形状、すなわち、検出素子ECの形、検出素子ECを設置する向き等は、図6に示す例に限るものではない。
Incidentally, in the fourth embodiment, for each detector element E C, although all shapes exemplified the case where different, not limited to this, part of the detection element E C may be the same shape. That is, a plurality of detector elements E C having
なお、上述した実施形態は、音響センサ及び音波検出方法における好適な具体例であり、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されるものではない。例えば、第1実施形態では、減算器40の後に減算側遅延器51mを配置し、減値加算器62の後に積分・増幅器70を配置する例を示したが、上記式(6)と等しい関係が成り立つ範囲で音響センサ10の構成を変更し、演算処理の順序を変えるようにしてもよい。
The above-described embodiment is a preferred specific example of the acoustic sensor and the sound wave detection method, and the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments. For example, in the first embodiment, an example in which the subtraction side delay unit 51m is disposed after the
また、第3実施形態では、複数の減算器40と減値加算器62とを設ける例を示したが、これに限定されるものではない。音響センサ10Bは、各減算器40及び減値加算器62の代わりに、例えば、隣り合う検出素子Eそれぞれのうちの検出方向側の各検出素子Eに対応し、かつ加減遅延装置53において遅延がかけられた各音波信号pを加算する第1加算器と、隣り合う検出素子Eそれぞれのうちの検出方向とは反対側の各検出素子Eに対応し、かつ加減遅延装置53において遅延がかけられた各音波信号pを加算する第2加算器と、第1加算器の出力から第2加算器の出力を減算する減算器と、を有するようにしてもよい。さらに、音響センサ10Bは、各減算器40及び減値加算器62又は第1〜第2加算器及び減算器といった複数の演算器の代わりに、隣り合う検出素子Eに対応し、かつ加減遅延装置53において遅延がかけられた2つの音波信号pそれぞれに対する加算処理と、当該加算処理の各出力に対する加算処理とを実行する1つの加減演算器を有するようにしてもよい。なお、各減算器40及び減値加算器62と、第1〜第2加算器及び減算器とは、本発明の「加減演算器」に含まれるものとする。
Further, in the third embodiment, the example in which the plurality of
併せて、第3実施形態では、複数の二値加算器61mと加値加算器64とを設ける例を示したが、これに限定されるものではない。音響センサ10Bは、各二値加算器61m及び加値加算器64の代わりに、例えば、隣り合う検出素子Eそれぞれのうちの検出方向側の各検出素子Eに対応し、かつ加減遅延装置53において遅延がかけられた各音波信号pを加算する第1加算器と、隣り合う検出素子Eそれぞれのうちの検出方向とは反対側の各検出素子Eに対応し、かつ加減遅延装置53において遅延がかけられた各音波信号pを加算する第2加算器と、第1加算器の出力と第2加算器の出力とを加算する第3加算器と、を有するようにしてもよい。そして、音響センサ10Bは、各二値加算器61m及び加値加算器64又は第1〜第3加算器といった複数の加算器の代わりに、隣り合う検出素子Eに対応し、かつ加減遅延装置53において遅延がかけられた2つの音波信号pそれぞれに対する加算処理と、当該加算処理の各出力に対する加算処理とを実行する1つの加算演算器を有するようにしてもよい。なお、各二値加算器61m及び加値加算器64と、第1〜第3加算器とは、本発明の「加算演算器」に含まれるものとする。
In addition, in the third embodiment, an example in which the plurality of binary adders 61m and the
また、第2実施形態及び第4実施形態では、減算器40の後に減算側遅延器51mを配置し、二値加算器61mの後に加算側遅延器52mを配置し、減値加算器62の後に積分・増幅器70を配置する例を示したが、上記式(9)と等しい関係が成り立つ範囲で音響センサ10A及び10Cの構成を変更し、演算処理の順序を変えるようにしてもよい。
In the second and fourth embodiments, the subtraction side delay unit 51m is arranged after the
さらに、第3実施形態では、減算器40又は二値加算器61mの前に加減遅延器53mを配置し、減値加算器62の後に積分・増幅器70を配置する例を示したが、上記式(9)と等しい関係が成り立つ範囲で音響センサ10A及び10Cの構成を変更し、演算処理の順序を変えるようにしてもよい。
Further, in the third embodiment, an example is shown in which the addition / subtraction delay unit 53m is arranged before the subtractor 40 or the binary adder 61m, and the integration /
また、第1実施形態では、減算器40の出力を積分する例を示したが、音響センサ10は、信号加算器61の出力を微分する方法により構成してもよい。かかる構成を採った音響センサ10によっても、上記同様の効果を得ることができる。同様に、上記第2実施形態〜第4実施形態では、減算器40の出力を積分する例を示したが、二値加算器61mの出力を微分する方法を採るようにしてもよい。かかる構成を採った音響センサ10A〜10Cによっても、上記同様の効果を得ることができる。
In the first embodiment, the example in which the output of the
加えて、第2〜第4実施形態では、光ファイバ音響センサを用いる例を示したが、音響センサ10A〜10Cは、第1実施形態の場合と同様に、圧電材料を用いた検出素子など、他の形式の検出素子を用いて音波信号を直接検出するようにしてもよい。かかる構成を採った音響センサ10A〜10Cによっても、上記同様の効果を得ることができる。
In addition, in the second to fourth embodiments, an example in which the optical fiber acoustic sensor is used has been described. However, the
さらに、第1実施形態では、全ての検出素子Eに対応する音波信号pを信号加算器61で加算する例を示したが、一部の検出素子Eに対応する音波信号pを加算するように構成してもよい。また、信号加算器61を用いずに、何れか1つの検出素子Eに対応する音波信号pを減値加算器62に入力するように構成してもよい。
Further, in the first embodiment, the example in which the sound wave signals p corresponding to all the detection elements E are added by the
また、第1、第2、及び第4実施形態の構成に、各検出素子Eの間隔を不揃いにするという構成を適用してもよく、第1〜第3実施形態の構成に、各検出素子Eの形状を不揃いにするという構成を適用してもよい。 Further, a configuration in which the intervals between the detection elements E are irregular may be applied to the configurations of the first, second, and fourth embodiments, and each of the detection elements E may be added to the configuration of the first to third embodiments. A configuration in which the shape of E is irregular may be applied.
10、10A〜10C、100 音響センサ、20、200 復調器、30、30A、30B 演算処理部、40A、40B、40C、400 減算器、51 減算側遅延装置、51B、51C 減算側遅延器、52 加算側遅延装置、52B、52C 加算側遅延器、53 加減遅延装置、53A〜53D 加減遅延器、61、610 信号加算器、61A〜61C 二値加算器、62 減値加算器、63、630 出力加算器、64 加値加算器、70、700 積分・増幅器、E0〜E3、EC0〜EC3 検出素子、p0〜p3、pB0〜pB3、pC0〜pC3、pi 音波信号。 10, 10A to 10C, 100 Acoustic sensor, 20, 200 Demodulator, 30, 30A, 30B Operation processing unit, 40A, 40B, 40C, 400 Subtractor, 51 Subtraction-side delay device, 51B, 51C Subtraction-side delay device, 52 Addition-side delay device, 52B, 52C Addition-side delay device, 53 addition / subtraction delay device, 53A-53D addition / subtraction delay device, 61,610 signal adder, 61A-61C binary adder, 62 subtraction value adder, 63,630 output Adder, 64 adder, 70, 700 integrator / amplifier, E 0 to E 3 , E C0 to E C3 detection elements, p 0 to p 3 , p B0 to p B3 , p C0 to p C3 , p i Sound wave signal.
Claims (11)
3個以上の前記検出素子において検出された複数の前記音波信号に演算処理を施して音波を検出する演算処理部と、
を有し、
前記演算処理部は、
隣り合う前記検出素子に対応する2つの前記音波信号それぞれに減算処理を施す複数の減算器と、
前記複数の減算器において減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける減算側遅延装置と、
前記減算側遅延装置からの出力に加算処理を施す減値加算器と、を有する音響センサ。 Three or more detection elements arranged at intervals along the detection direction, each detecting a sound wave signal including a sound wave component,
An arithmetic processing unit that performs arithmetic processing on the plurality of sound wave signals detected by the three or more detection elements to detect sound waves;
Has,
The arithmetic processing unit,
A plurality of subtracters for performing subtraction processing on each of the two sound wave signals corresponding to the adjacent detection elements;
A subtraction-side delay device that applies a delay corresponding to the position of the detection element corresponding to the sound wave signal to each of the sound wave signals subjected to the subtraction processing in the plurality of subtractors,
A subtraction adder for performing an addition process on an output from the subtraction-side delay device.
隣り合う前記検出素子に対応する2つの前記音波信号それぞれに加算処理を施す複数の二値加算器と、
前記複数の二値加算器において加算処理が施された前記音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける加算側遅延装置と、
前記加算側遅延装置からの出力に加算処理を施す加値加算器と、を有する請求項1に記載の音響センサ。 The arithmetic processing unit,
A plurality of binary adders for performing an addition process on each of the two sound wave signals corresponding to the adjacent detection elements;
Each of the sound wave signals subjected to the addition processing in the plurality of binary adders, an addition-side delay device that delays according to the position of the detection element corresponding to the sound wave signal,
The acoustic sensor according to claim 1, further comprising: an adder that performs an addition process on an output from the adding-side delay device.
3個以上の前記検出素子において検出された複数の前記音波信号に演算処理を施して音波を検出する演算処理部と、
を有し、
前記演算処理部は、
前記複数の音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける加減遅延装置と、
隣り合う前記検出素子に対応し、かつ前記加減遅延装置において遅延がかけられた2つの前記音波信号それぞれに対する減算処理と、当該減算処理の各出力に対する加算処理とを実行する加減演算器と、を有する音響センサ。 Three or more detection elements arranged at intervals along the detection direction, each detecting a sound wave signal including a sound wave component,
An arithmetic processing unit that performs arithmetic processing on the plurality of sound wave signals detected by the three or more detection elements to detect sound waves;
Has,
The arithmetic processing unit,
Each of the plurality of sound wave signals, an adjustable delay device that applies a delay according to the position of the detection element corresponding to the sound wave signal,
A subtraction process for each of the two sound wave signals corresponding to the adjacent detection elements and delayed by the addition / delay device, and an addition / subtraction calculator that performs an addition process for each output of the subtraction process, Acoustic sensor having.
隣り合う前記検出素子に対応する2つの前記音波信号それぞれに減算処理を施す減算ステップと、
前記減算ステップで前記減算処理が施された各音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかけて出力する減算側遅延ステップと、
前記減算側遅延ステップで遅延がかけられ出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有する音波検出方法。 A sound wave signal detecting step of detecting a sound wave signal including a sound wave component by each of three or more detection elements arranged at intervals along the detection direction;
A subtraction step of performing a subtraction process on each of the two sound wave signals corresponding to the adjacent detection elements;
Each of the sound wave signals subjected to the subtraction process in the subtraction step, a subtraction-side delay step of outputting a delay according to the position of the detection element corresponding to the sound wave signal,
A sound value detection method, comprising: a subtraction value addition step of adding signals output after being delayed in the subtraction side delay step.
前記二値加算ステップで加算処理が施された前記音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかけて出力する加算側遅延ステップと、
前記加算側遅延ステップで遅延がかけられ出力される各信号を加算する加値加算ステップと、を有する請求項8に記載の音波検出方法。 A binary addition step of performing an addition process on each of the two sound wave signals corresponding to the adjacent detection elements;
Each of the sound wave signals subjected to the addition process in the binary addition step, an addition-side delay step of outputting a delay according to the position of the detection element corresponding to the sound wave signal,
9. The sound wave detection method according to claim 8, further comprising: an addition step of adding each signal output after being delayed in the addition-side delay step.
3個以上の前記検出素子において検出された複数の音波信号のそれぞれに、当該音波信号に対応する前記検出素子の位置に応じた遅延をかける加減遅延ステップと、
隣り合う前記検出素子に対応し、かつ前記加減遅延ステップで遅延がかけられた2つの前記音波信号それぞれに減算処理を施して出力する減値減算ステップと、
前記減値減算ステップでの減算処理後に出力される各信号を加算する減値加算ステップと、を有する音波検出方法。 A sound wave signal detecting step of detecting a sound wave signal including a sound wave component by each of three or more detection elements arranged at intervals along the detection direction;
Each of a plurality of sound wave signals detected by three or more of the detection elements, an adjustable delay step of applying a delay according to the position of the detection element corresponding to the sound wave signal,
A decrement subtraction step of performing a subtraction process on each of the two sound wave signals corresponding to the adjacent detection elements and delayed in the addition and subtraction delay step, and outputting the subtracted signal;
A sound wave detection method, comprising: a subtraction value adding step of adding signals output after the subtraction processing in the subtraction value subtraction step.
前記二値加算ステップでの加算処理後に出力される各信号を加算する加値加算ステップと、を有する請求項10に記載の音波検出方法。 A binary addition step of performing an addition process on each of the two sound wave signals corresponding to the adjacent detection elements and being delayed in the addition / subtraction delay step, and outputting the result;
11. The sound wave detection method according to claim 10, further comprising: an addition step of adding signals output after the addition processing in the binary addition step.
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