JP7134109B2 - 音波伝搬シミュレーションシステム、および、音波伝搬シミュレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、音場における音波の伝搬の特性のシミュレーションを行う音波伝搬シミュレーションシステム、および、音波伝搬シミュレーション方法に関するものである。

或る音場（音響空間）にて、音源から発せられる音波が、受信位置でどのように受信されるかという音波の伝搬の特性を知るための音波伝搬シミュレーションの手法の一つとしては、インパルス応答を取得する手法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

この手法は、電子計算機を用いて、音場を囲む境界の位置、音源位置、受音点の位置である受信位置などの情報を基に、幾何音響理論に基づく音線法や、鏡像法（虚像法）により、音源から発せられた音波が直接波や反射波として受信位置に到達するときの音波の経路（以下、レイ軌跡という）を予測する。次に、電子計算機では、音源位置で発するインパルス信号が、それぞれのレイ軌跡を経由して受信位置に到達するときの応答を求め、更に、各レイに関する応答をまとめることで、インパルス応答を取得している。

取得されたインパルス応答は、音源より送信される送信信号の畳み込み計算に用いることができ、その計算結果として、受信位置で受信される受信信号についてのデータを得ることができる。

特開２００２－１５９０９７号公報

鏡像法や音線法を用いてインパルス応答を取得する音波伝搬シミュレーションの手法は、従来は、音場を囲む各境界について、一つの境界には一つの境界条件が設定されていた。

なお、実際の音場として、たとえば、音場が部屋の場合は、音場を囲む境界の一つとなる壁に、部分的な開口が設けられていたり、壁の一部に音波の反射率が異なる部材が取り付けられていたりする場合がある。

また、実際の音場が、たとえば、水中で音響通信を行うような環境の場合は、音場を囲む境界の一つとなる海底に、岩盤と砂泥のような音波の反射率が異なる底質の部分が存在していることがある。

しかし、このような音場を囲む境界における部分的な音波の反射率の変化は、従来の音波伝搬シミュレーションの手法では、取得されるインパルス応答の結果に反映されないというのが実状である。

よって、従来の音波伝搬シミュレーションの手法は、音場を囲む各境界に、部分的に音波の反射率などの境界条件が変化する個所が存在する形式の音場については、音波伝搬シミュレーションの結果として得られるインパルス応答の精度が低い可能性がある。

そこで、本発明は、音場を囲む境界に部分的に境界条件が異なる個所が存在している形式の音場について、音波伝搬シミュレーションの結果として取得するインパルス応答の精度の向上化を図ることができる音波伝搬シミュレーションシステム、および、音波伝搬シミュレーション方法を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、入力装置と、レイ軌跡の計算装置と、レイ軌跡記録装置と、レイ強度および到達時間の計算装置と、レイ強度および到達時間の修正装置と、インパルス応答の計算装置と、インパルス応答記録装置と、を備え、計算条件として、音場の境界の位置と、前記境界における境界条件と、音源位置、受信位置、および、前記境界の少なくとも一部に備える指定領域と、前記指定領域における部分境界条件を含む計算条件が設定された状態にて、前記レイ軌跡の計算装置は、鏡像法または音線法により前記音源位置より前記受信位置に到達する複数のレイ軌跡を求める機能を備え、前記レイ軌跡記録装置は、前記レイ軌跡の計算装置で求めた複数の前記レイ軌跡を記録する機能を備え、前記レイ強度および到達時間の計算装置は、前記境界条件を用いて、前記音源位置で発するインパルス信号が、前記レイ軌跡記録装置に記録された個別の前記レイ軌跡を経て前記受信位置に到達するときの到達時間と振幅の計算結果を求める機能を備え、前記レイ強度および到達時間の修正装置は、前記レイ軌跡記録装置に記録された複数の前記レイ軌跡のうち、反射位置が前記指定領域内にある前記レイ軌跡について、前記到達時間と前記振幅の前記計算結果を、前記部分境界条件を用いて修正した修正結果を求める機能を備え、前記インパルス応答の計算装置は、前記レイ強度および到達時間の計算装置より受け取る前記計算結果を基に、且つ前記レイ強度および到達時間の修正装置より受け取る前記修正結果がある場合は該修正結果を優先して用いて、前記受信位置におけるインパルス応答を求める機能を備えた構成を有する音波伝搬シミュレーションシステムとする。

また、電子計算機により、計算条件として、音場の境界の位置と、前記境界における境界条件と、音源位置、受信位置、および、前記境界の少なくとも一部に備える指定領域と、前記指定領域における部分境界条件を含む計算条件が設定されるステップと、鏡像法または音線法により前記音源位置より前記受信位置に到達する複数のレイ軌跡を求める処理を行うステップと、求めた複数の前記レイ軌跡をレイ軌跡記録装置に記録するステップと、前記境界条件を用いて、前記音源位置で発するインパルス信号が、前記レイ軌跡記録装置に記録された個別の前記レイ軌跡を経て前記受信位置に到達するときの到達時間と振幅の計算結果を求める処理を行うステップと、前記レイ軌跡記録装置に記録された複数の前記レイ軌跡のうち、反射位置が前記指定領域内にある前記レイ軌跡について、前記到達時間と前記振幅の前記計算結果を、前記部分境界条件を用いて修正した修正結果を求める処理を行うステップと、前記計算結果を基に、且つ前記修正結果がある場合は該修正結果を優先して用いて、前記受信位置におけるインパルス応答を求める処理を行うステップと、を実施する音波伝搬シミュレーション方法とする。

本発明の音波伝搬シミュレーションシステム、および、音波伝搬シミュレーション方法によれば、音場を囲む境界に部分的に境界条件が異なる個所が存在している形式の音場について、音波伝搬シミュレーションの結果として取得するインパルス応答の精度の向上化を図ることができる。

音波伝搬シミュレーションシステムの第１実施形態を示す概略図である。 音場の一例を示す概略図である。 鏡像音源位置計算装置で求める鏡像音源位置の概要を示す図である。 図１の音波伝搬シミュレーションシステムを用いて実施する音波伝搬シミュレーション方法を示すフロー図である。 音波伝搬シミュレーションシステムの第２実施形態を示す図である。 図５の音波伝搬シミュレーションシステムを用いて実施する音波伝搬シミュレーション方法を示すフロー図である。

本発明の音波伝搬シミュレーションシステムについて、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、音波伝搬シミュレーションシステムの第１実施形態を示す概要図である。図２は、入力装置で設定される音場の一例を示す概略図である。図３は、鏡像音源位置計算装置で求める鏡像音源位置の概略を示す図である。図４は、本実施形態の音波伝搬シミュレーションシステムを用いて実施する音波伝搬シミュレーション方法の手順を示すフロー図である。

第１実施形態は、本開示の音波伝搬シミュレーションシステムを、レイ軌跡の情報の取得方法として鏡像法を採用する形式とする場合の例を示すものである。

本実施形態の音波伝搬シミュレーションシステムは、図１に符号１で示すもので、入力装置２と、鏡像音源位置の計算装置３と、レイ軌跡の計算装置４と、レイ軌跡記録装置５と、レイ強度および到達時間の計算装置６と、第１の判定装置７と、レイ強度および到達時間の修正装置８と、第２の判定装置９と、インパルス応答の計算装置１０と、インパルス応答記録装置１１と、を備えた構成とされている。

なお、以下の説明では、本実施形態の音波伝搬シミュレーションシステム１は、単に、本実施形態のシミュレーションシステム１という。

入力装置２は、図示しないオペレータが、インパルス応答のシミュレートに用いる計算条件を設定する装置である。入力装置２で設定される計算条件は、図２に示すように、計算対象とする音場１２を囲む各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの位置と、各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆにおける境界条件と、音源位置１４と、受信位置１５と、音場１２に存在している音の媒質の音速とを含む。

本実施形態では、音場１２の形状は、たとえば、図２に示した如き直方体とされている。したがって、音場１２の各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆは、直方体を囲む四方の側面と、上面と下面になる。この各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの位置が設定されることで、音場１２の形状と共に、音場１２のサイズが定められる。

なお、音場１２の形状は、後述する鏡像音源位置１４ｉを求める計算をより簡単にする、という点から考えると、直方体とすることが好ましい。しかし、一般に鏡像法が適用可能とされている形状であれば、音場１２の形状は、直方体以外の形状であってもよいことは勿論である。

各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの境界条件は、音波の反射率と、各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆで反射する音波に生じる位相変化量と、を含む。

音場１２として部屋やホールを想定している場合は、各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆには、四方の壁と天井と床の境界条件をそれぞれ設定すればよい。

これに対し、たとえば、音場１２で行われる音波の伝搬が、開けた海洋で行われる音響通信の音響信号の伝搬を想定している場合は、音場１２の上側の境界１３ｅには、海面の境界条件を設定し、音場１２の下側の境界１３ｆには、海底の境界条件を設定すればよい。また、音場１２の四方の側面に対応する各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、境界条件における反射率をゼロに設定すればよい。更に、港湾などで、音源位置１４の側方に岸壁や防波堤などの音波を反射する物体が存在する場合は、音場１２の四方の側面に対応する各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄには、その音波を反射する物体の反射率を備えた境界条件を設定すればよい。

また、入力装置２では、別の計算条件として、鏡像法で鏡像音源位置１４ｉを求めるための音波の反射回数も設定される。すなわち、音源位置１４から受信位置１５に到達するまでに音波に生じる損失は、音源で発する音の強度を基に、音源位置１４から受信位置１５までの距離に応じた減衰、および、反射面による透過損失などを考慮した概算により推定することができる。したがって、この推定の結果を基に、音波の反射回数の設定値は、音源位置１４から受信位置１５に到達すると推定される音波の強度が設定された閾値以上となる範囲で、適宜設定される。

ところで、本開示の音波伝搬シミュレーションシステムは、音場を囲む境界の少なくとも一部に、境界条件が異なる部分が存在する場合を適用対象とするものである。

そこで、本実施形態では、一例として、音場１２は、図２に示すように、各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆのうち、音場１２の一つの側面に対応する境界１３ａに、指定領域１６ａが存在し、音場１２の別の側面に対応する境界１３ｃに、２つの指定領域１６ｂ，１６ｃが存在する構成を備えるものとしてある。

この場合、入力装置２では、更に別の計算条件として、境界１３ａにおける指定領域１６ａの位置と、指定領域１６ａにおける境界条件、および、境界１３ｃにおける２つの指定領域１６ｂ，１６ｃの位置と、指定領域１６ｂにおける境界条件と、指定領域１６ｃにおける境界条件が、それぞれ設定される。なお、指定領域１６ａにおける境界条件は、或る境界条件を備えた境界１３ａに対して部分的に変更された境界条件であり、指定領域１６ｂ，１６ｃにおける境界条件は、それぞれ或る境界条件を備えた境界１３ｃに対して部分的に変更された境界条件である。よって、各指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃにおける境界条件は、以下、部分境界条件という。

なお、図示しないが、音場１２は、各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆのうち、指定領域を備えるものが、１つのみでもよいし、３つ以上でもよいし、全部であってもよいことは勿論である。更に、指定領域は、位置を設定することができれば、形状、サイズは、図示した以外の任意の形状、サイズとしてよく、また、境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆごとの指定領域の数は、単数でもよいし、任意の複数であってもよいことは勿論である。

入力装置２は、設定された各計算条件の情報を、次のように、それぞれ対応する装置へ送る。音場１２を囲む各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの位置の情報は、計算装置３および計算装置４へ送られる。各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆにおける境界条件の情報は、計算装置６へ送られる。音源位置１４の情報は、計算装置３および計算装置４へ送られる。受信位置１５の情報は、計算装置４へ送られる。音の媒質の音速の情報は、計算装置６へ送られる。音波の反射回数の情報は、計算装置３へ送られる。各指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃの位置の情報は、第１の判定装置７へ送られる。各指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃにおける各部分境界条件の情報は、修正装置８へ送られる。

計算装置３は、入力装置２から受け取る音場１２を囲む各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの位置の情報、音源位置１４の情報、および、音波の反射回数の情報を基に、図３に示すように、鏡像法で用いる鏡像音源位置１４ｉを、幾何学的な計算により求める機能を備えている。

なお、鏡像音源位置１４ｉは、音場１２を中心として、水平方向および上下方向に３次元的な配列で存在する。また、鏡像音源位置１４ｉの数は、音波の反射回数の設定値に応じて定まる。図３では、図示する便宜上、音場１２を中心として水平方向に沿って配置される鏡像音源位置１４ｉであって、反射回数が２回までの鏡像音源位置１４ｉを示している。

更に、計算装置３は、求めた鏡像音源位置１４ｉの情報Ａを、計算装置４へ送る機能を備えている。

計算装置４は、入力装置２から受け取る音源位置１４の情報と、受信位置１５の情報とを基に、図３に示すように、音源位置１４から受信位置１５に到達する直接波のレイ軌跡１７を、音源位置１４と受信位置１５とを結ぶ直線として求める機能を備えている。

また、計算装置４は、受信位置１５の情報と、計算装置３から受け取る各鏡像音源位置１４ｉの情報Ａとを基に、各鏡像音源位置１４ｉと受信位置１５とを結ぶ直線を求め、この直線から、音源位置１４から受信位置１５に到達する反射波のレイ軌跡を求める機能を備えている。

更に、計算装置４は、各鏡像音源位置１４ｉと受信位置１５とを結ぶ直線が、各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと各境界１３ｅ，１３ｆ（図２参照）、および、それらの鏡像と交差する点を求めることで、反射波のレイ軌跡が経由する境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆと、その境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆにおける反射位置を、計算により求める機能を備えている。

図３では、鏡像音源位置１４ｉが１２個所にあるため、反射波のレイ軌跡は、本来、１２本示すことは可能であるが、図示する便宜上、代表として、３本の反射波のレイ軌跡１８，１９，２０のみを示してある。レイ軌跡１８は、音源位置１４から、境界１３ａにおける反射位置２１で１回反射して受信位置１５に到達する反射波についてのレイ軌跡である。レイ軌跡１９は、音源位置１４から、境界１３ｂにおける反射位置２２で１回反射して受信位置１５に到達する反射波についてのレイ軌跡である。レイ軌跡２０は、音源位置１４から、境界１３ｃにおける反射位置２３と、境界１３ｄにおける反射位置２４の順に２回反射して受信位置１５に到達する反射波についてのレイ軌跡である。

計算装置４は、求めた直接波のレイ軌跡１７の情報と、各反射波のレイ軌跡１８，１９，２０、および、反射位置２１，２２，２３，２４の情報とを含むレイ軌跡データＢを、レイ軌跡記録装置５へ送る機能を備えている。

レイ軌跡記録装置５は、計算装置４からレイ軌跡データＢを受け取ると、レイ軌跡データＢに含まれる各情報を記録する機能を備えている。

計算装置６は、入力装置２から、各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆにおける境界条件の情報、および、音の媒質の音速の情報を受け取る機能と、レイ軌跡データＢが記録されたレイ軌跡記録装置５から、直接波のレイ軌跡１７、各反射波のレイ軌跡１８，１９，２０、および各反射波の反射位置２１，２２，２３，２４の情報を読み出す機能と、を備えている。

更に、計算装置６は、前記のように取得した各情報を基に、音源位置１４で発するインパルス信号が、それぞれのレイ軌跡１７，１８，１９，２０を経て受信位置１５に到達するときの到達時間と、レイ強度である振幅とを、レイ軌跡１７，１８，１９，２０ごとに個別に求める機能を備えている。

計算装置６は、レイ軌跡１７，１８，１９，２０ごとに求めた到達時間と振幅の計算結果Ｃを、修正装置８および計算装置１０へ送る機能を備えている。

第１の判定装置７は、入力装置２から、入力装置２で設定された各指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃの位置の情報を受け取る機能と、反射位置判定機能と、を備えている。

第１の判定装置７は、反射位置判定機能では、レイ軌跡の選択の処理と、選択されたレイ軌跡を対象とする反射位置特定処理と、反射位置の判定処理とを順に行う。

第１の判定装置７によるレイ軌跡の選択の処理は、レイ軌跡記録装置５に記録された複数のレイ軌跡１７，１８，１９，２０のうちから、反射位置判定機能による処理が未処理状態の一つのレイ軌跡を、順次選択する処理である。この処理により、本実施形態では、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０のうちのいずれかが、一つずつ順に選択される。

反射位置判定機能による処理の開始に伴い、レイ軌跡の選択の処理で一つずつ選択されたレイ軌跡１７，１８，１９，２０は、以下、選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０という。

第１の判定装置７による反射位置特定処理は、第１の判定装置７が、先ず、レイ軌跡記録装置５から、選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０に関する情報を読み込み、次いで、読み込んだ情報を基に、選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０の反射位置２１，２２，２３，２４が、音場１２の、どの境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの、どの位置にあるかを特定する処理である。したがって、この反射位置特定処理の際に第１の判定装置７がレイ軌跡記録装置５から読み込む情報は、少なくとも選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０の反射位置２１，２２，２３，２４の情報を含んでいればよい。

この反射位置特定処理によれば、たとえば、直接波のレイ軌跡１７が選択中の場合は、反射位置がないことが確認される。また、レイ軌跡１８が選択中の場合は、レイ軌跡１８の境界１３ａにおける反射位置２１が特定される。また、レイ軌跡１９が選択中の場合は、レイ軌跡１９の境界１３ｂにおける反射位置２２が特定される。更に、レイ軌跡２０が選択中の場合は、レイ軌跡２０の境界１３ｃと境界１３ｄにおける反射位置２３と反射位置２４が特定される。

続いて行われる第１の判定装置７による反射位置の判定処理は、選択中で、且つ反射位置２１，２２，２３，２４が特定されたレイ軌跡１８，１９，２０について、その反射位置２１，２２，２３，２４が、指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃ内にあるか否かを判定する処理である。

この反射位置の判定処理によれば、レイ軌跡１８が選択中の場合は、反射位置２１が、境界１３ａにおける指定領域１６ａ内にあると判定される。また、レイ軌跡２０が選択中の場合は、反射位置２３が、境界１３ｃにおける指定領域１６ｂ内にあると判定される。

このように、レイ軌跡１８，２０の反射位置２１，２３が指定領域１６ａ，１６ｂ内にあると判定される場合は、第１の判定装置７は、その判定結果Ｄを、選択中のレイ軌跡１８，２０の情報と共に、修正装置８へ送る。

これに対し、第１の判定装置７による反射位置の判定処理では、レイ軌跡１９が選択中の場合は、境界１３ｂにおける反射位置２２は、いずれの指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃ内にはないと判断される。

このように、レイ軌跡１９の反射位置２２が指定領域内にはないと判定される場合は、第１の判定装置７は、その判定結果Ｅを、選択中のレイ軌跡１９の情報と共に、第２の判定装置９へ送る。

また、第１の判定装置７は、直接波のレイ軌跡１７が選択中の場合は、反射位置特定処理により、反射位置がないことが確認されるので、この場合も、レイ軌跡１７の反射位置は指定領域内にはないという判定結果Ｅを、選択中のレイ軌跡１７の情報と共に、第２の判定装置９へ送る機能を備えている。

修正装置８は、入力装置２から、入力装置２で設定された各指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃにおける部分境界条件の情報を受け取る機能と、計算装置６から計算結果Ｃを受け取る機能と、第１の判定装置７から、判定結果Ｄおよび選択中のレイ軌跡１８，２０の情報を受け取る機能と、を備えている。

更に、修正装置８は、第１の判定装置７から判定結果Ｄを受け取ると、その判定結果Ｄが得られた時点で選択中のレイ軌跡１８，２０を対象として、計算装置６から受け取った到達時間と振幅の計算結果Ｃに対し、再計算による修正を行う機能を備えている。

この修正装置８の再計算の機能は、以下の処理で実施される。

修正装置８は、たとえば、第１の判定装置７から、反射位置２１が指定領域１６ａ内にあるという判定結果Ｄと、レイ軌跡１８が選択中という情報を取得する。この場合、修正装置８は、レイ軌跡１８について計算装置６から受け取った到達時間と振幅の計算結果Ｃを基に、反射位置２１における反射率と位相変化量の条件を、境界１３ａの境界条件から、指定領域１６ａに設定された部分境界条件に変更して、再計算を行う。これにより、修正装置８では、レイ軌跡１８について、指定領域１６ａの部分境界条件を反映した到達時間と、振幅の修正結果を得ることができる。

また、修正装置８は、たとえば、第１の判定装置７から、反射位置２３が指定領域１６ｂ内にあるという判定結果Ｄと、レイ軌跡２０が選択中という情報を取得する。この場合、修正装置８は、レイ軌跡２０について計算装置６から受け取った到達時間と振幅の計算結果Ｃを基に、レイ軌跡２０の２つの反射位置２３と反射位置２４のうち、反射位置２３における反射率と位相変化量の条件のみを、境界１３ｃの境界条件から、指定領域１６ｂに設定された部分境界条件に変更して、再計算を行う。これにより、修正装置８では、レイ軌跡２０について、反射位置２３は指定領域１６ｂの部分境界条件を反映し、反射位置２４は境界１３ｄの境界条件を反映した到達時間と、振幅の修正結果を得ることができる。

修正装置８は、前記した再計算の機能により、選択中のレイ軌跡１８，２０ごとに到達時間、振幅の修正結果Ｆを得ると、その修正結果Ｆを、選択中のレイ軌跡１８，２０の情報と共に、第２の判定装置９へ送る機能を備えている。

第２の判定装置９は、第１の判定装置７から、判定結果Ｅを、選択中のレイ軌跡１７，１９の情報と共に受け取る機能と、修正装置８から、修正結果Ｆを、選択中のレイ軌跡１８，２０の情報と共に受け取る機能と、を備えている。

更に、第２の判定装置９は、第１の判定装置７および修正装置８から、それぞれの処理が行われたときに選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０の情報を受け取ると、その時点までに、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０のすべてが選択済みか否かを判定する判定処理を行う機能を備えている。

第２の判定装置９は、判定処理の結果、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０に、未選択のものがあると判定した場合は、第１の判定装置７に対して、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０のうちの未選択の１つを、新たな処理対象に選択する更新指令Ｇを与える機能を備えている。

これにより、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０に、第１の判定装置７の処理対象として未選択のものが残っている間は、処理対象となるレイ軌跡１７，１８，１９，２０が順次更新されながら、第１の判定装置７と、修正装置８と、第２の判定装置９による処理が、繰り返し実施される。

一方、第２の判定装置９は、判定処理の結果、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０のすべてが、第１の判定装置７の処理対象として選択済みであると判定した場合は、計算装置１０に、その判定結果Ｈを送る機能を備えている。

計算装置１０は、計算装置６から計算結果Ｃを受け取る機能と、第２の判定装置９から、判定結果Ｈを受け取る機能と、修正装置８によるレイ軌跡１８，２０についての到達時間と、振幅の修正結果Ｆを、第２の判定装置９を介して受け取る機能と、を備えている。

更に、計算装置１０は、第２の判定装置９から判定結果Ｈを受け取った場合は、計算装置６より受け取ったレイ軌跡１７，１８，１９，２０ごとに求めた到達時間と、振幅の計算結果Ｃと、修正装置８によるレイ軌跡１８，２０についての到達時間と、振幅の修正結果Ｆとを基にして、且つ、或るレイ軌跡１８，２０についての計算結果Ｃと修正結果Ｆが共にある場合は修正結果Ｆを優先して用いて、受信位置１５におけるインパルス応答Ｉを求める機能を備えている。

計算装置１０は、インパルス応答Ｉが求まると、そのインパルス応答Ｉのデータを、インパルス応答記録装置１１へ送る機能を、更に備えている。

インパルス応答記録装置１１は、計算装置１０よりインパルス応答Ｉのデータを受け取ると、そのインパルス応答Ｉを、たとえば、入力装置２で設定された計算条件ごとに個別に識別可能な状態で保存する機能を備えている。

なお、入力装置２、計算装置３、計算装置４、レイ軌跡記録装置５、計算装置６、第１の判定装置７、修正装置８、第２の判定装置９、計算装置１０、インパルス応答記録装置１１は、全部が一つの電子計算機に機能として実装されていてもよいし、あるいは、任意の数ずつ、任意の組み合わせで、複数の電子計算機に分散して実装されていてもよい。

また、修正装置８は、修正結果Ｆを、第２の判定装置９を介さずに計算装置１０へ直接送る機能を備えていてもよい。

以上の構成としてある本実施形態のシミュレーションシステム１は、図４に示す如き処理手順で、音波伝搬シミュレーション方法の実施に使用する。

音波伝搬シミュレーション方法を開始する場合は、図示しないオペレータが、入力装置２を用いて、インパルス応答のシミュレートに用いる各種の計算条件を設定する（ステップＳＡ１）。

更に、オペレータは、入力装置２を用いて、指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃの位置と、それぞれ対応する部分境界条件を設定する（ステップＳＡ２）。

このように、入力装置２を用いた設定が行われると、本実施形態のシミュレーションシステム１では、先ず、計算装置３が、ステップＳＡ１で設定された計算条件を基に、鏡像音源位置１４ｉを求める処理を行う（ステップＳＡ３）。

次に、計算装置４が、ステップＳＡ１で設定された計算条件と、ステップＳＡ３で求められた鏡像音源位置１４ｉの情報とを用いて、音源位置１４から受信位置１５に到達する直接波および反射波の各レイ軌跡１７，１８，１９，２０を求める処理を行う（ステップＳＡ４）。

次いで、レイ軌跡記録装置５が、ステップＳＡ４で求められた各レイ軌跡１７，１８，１９，２０、および、反射位置２１，２２，２３，２４の情報を記録する処理を行う（ステップＳＡ５）。

このように、レイ軌跡記録装置５に各レイ軌跡１７，１８，１９，２０の情報が記録されると、本実施形態のシミュレーションシステム１は、計算装置６にて、レイ軌跡記録装置５に記録されたレイ軌跡１７，１８，１９，２０ごとに、音源位置１４で発するインパルス信号が、それぞれのレイ軌跡１７，１８，１９，２０を経て受信位置１５に到達するときの到達時間と、振幅を計算して求める（ステップＳＡ６）。

次に、本実施形態のシミュレーションシステム１は、第１の判定装置７により、レイ軌跡の選択の処理として、レイ軌跡記録装置５に記録された複数のレイ軌跡１７，１８，１９，２０のうち、未処理状態の一つのレイ軌跡１７，１８，１９，２０を選択する処理を行う（ステップＳＡ７）。

このように、ステップＳＡ７で一つのレイ軌跡１７，１８，１９，２０が選択されると、第１の判定装置７は、レイ軌跡記録装置５から、選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０の情報を読み込んで、この選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０の反射位置２１，２２，２３，２４を特定する反射位置特定処理を行う（ステップＳＡ８）。

次いで、第１の判定装置７は、選択中の各レイ軌跡１８，１９，２０について、ステップＳＡ８で特定された反射位置２１，２２，２３，２４が、指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃ内か、否かを判定する判定処理を行う（ステップＳＡ９）。

ステップＳＡ９の判定処理により、反射位置２１，２３が、指定領域１６ａ，１６ｂ内であると判定されると、本実施形態のシミュレーションシステム１は、ステップＳＡ１０に進む。

ステップＳＡ１０では、修正装置８が、選択中のレイ軌跡１８，２０について、計算装置６から受け取った到達時間と振幅の計算結果Ｃを基に、反射位置２１，２３における反射率と位相変化量の条件を用いて再計算を行い、選択中のレイ軌跡１８，２０について、指定領域１６ａ，１６ｂの部分境界条件を反映した到達時間と、振幅の修正結果Ｆを求める処理を行う。

本実施形態のシミュレーションシステム１は、ステップＳＡ１０の後はステップＳＡ１１へ進む。

また、本実施形態のシミュレーションシステム１は、前記したステップＳＡ９の判定処理により、反射位置が、指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃ内にないと判定される場合もステップＳＡ１１に進む。

ステップＳＡ１１では、第２の判定装置９が、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０のすべてが選択済みであるか否かを判定する判定処理を行う。

ステップＳＡ１１の判定処理により、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０のすべてが選択済みではないと判定される場合は、本実施形態のシミュレーションシステム１は、ステップＳＡ１２にて、選択中のレイ軌跡１７，１８，１９，２０を、未選択の新たなレイ軌跡１７，１８，１９，２０に更新してから、ステップＳＡ８へ戻る処理を行う。

これにより、本実施形態のシミュレーションシステム１は、レイ軌跡記録装置５に記録された全てのレイ軌跡１７，１８，１９，２０が選択済みとなるまで、ステップＳＡ８からステップＳＡ１１までと、ステップＳＡ１２を含む処理ループが繰り返し実施される。

その後、ステップＳＡ１１の判定処理により、レイ軌跡記録装置５に記録されている各レイ軌跡１７，１８，１９，２０のすべてが選択済みと判定されるようになると、本実施形態のシミュレーションシステム１は、ステップＳＡ１３に進む。

ステップＳＡ１３では、計算装置１０が、レイ軌跡１７，１８，１９，２０ごとに求められた到達時間と振幅の計算結果Ｃを基に、更に修正装置８による到達時間と振幅の修正結果Ｆがある場合は修正結果Ｆを優先して用いて、受信位置１５におけるインパルス応答Ｉを求める処理を行う。

その後、本実施形態のシミュレーションシステム１は、求めたインパルス応答Ｉのデータを、インパルス応答記録装置１１に保存する処理を行う（ステップＳＡ１４）。

このように、本実施形態のシミュレーションシステム１によれば、前記したステップＳＡ１からステップＳＡ１４を備える音波伝搬シミュレーション方法を実施することができる。

これにより、本実施形態のシミュレーションシステム１は、音場１２を囲む境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆに、部分的に異なる境界条件を備えた指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃが存在している形式の音場１２について、指定領域１６ａ，１６ｂに反射位置２１，２３がある反射波のレイ軌跡１８，２０を経る応答としては、その指定領域１６ａ，１６ｂにおける部分境界条件を反映した応答を求めることができる。

よって、本実施形態のシミュレーションシステム１と、これを用いて行う音波伝搬シミュレーション方法によれば、音場１２を囲む境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆに、部分的に境界条件が異なる指定領域１６ａ，１６ｂ，１６ｃが存在する形式の音場１２について、音波伝搬シミュレーションの結果として取得するインパルス応答Ｉの精度の向上化を図ることができる。

また、本実施形態のシミュレーションシステム１は、インパルス応答記録装置１１に、求めたインパルス応答Ｉのデータを保存している。そのため、インパルス応答記録装置１１から読み出すインパルス応答Ｉは、音源位置１４から発信される発信信号の畳み込み計算に用いて、受信位置１５における受信信号のシミュレーションに用いることができる。

更に、本実施形態のシミュレーションシステム１は、指定領域１６ａ，１６ｂに反射位置があるレイ軌跡１８，２０を経る応答については、指定領域１６ａ，１６ｂに設定する部分境界条件を変更することで、変更後の部分境界条件を反映した応答を、容易に求めることができる。

そのため、本実施形態のシミュレーションシステム１は、指定領域１６ａ，１６ｂに存在する物が、音波の反射率や、反射する音波に生じる位相変化量が異なる別の物に変化する場合や、指定領域１６ａ，１６ｂに孔や開口部が設けられるなどして、指定領域１６ａ，１６ｂ自体の部分境界条件に変化が生じる場合に、変化後の部分境界条件を反映したインパルス応答Ｉを容易に求めることができる。

［第２実施形態］
前記第１実施形態では、音源位置から受信位置に到達するレイ軌跡の取得を、鏡像法で実施する場合の構成について示した。これに対し、本開示の音波伝搬シミュレーションシステムは、音源位置から受信位置に到達するレイ軌跡の取得を、音線法により実施するようにしてもよい。この場合の装置構成は、以下の第２実施形態のようにすればよい。

図５は、音波伝搬シミュレーションシステムの第２実施形態を示す概要図である。図６は、本実施形態の音波伝搬シミュレーションシステムを用いて実施する音波伝搬シミュレーション方法の手順を示すフロー図である。

なお、図５および図６において、第１実施形態と同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の音波伝搬シミュレーションシステムは、図５に符号１ａで示すもので、第１実施形態の音波伝搬シミュレーションシステム１と同様の構成において、鏡像音源位置の計算装置３と、鏡像音源位置の情報を基にレイ軌跡を求めるレイ軌跡の計算装置４に代えて、音線射出方向の計算装置２５と、計算装置２５より取得する音線射出方向の情報を基にレイ軌跡を求めるレイ軌跡の計算装置２６と、を備える構成としたものである。

なお、本実施形態では、音場１２は、一例として、図２に示した音場１２と同様とする。音線法を実施するために、入力装置２では、音源位置１４から射出される音線の数、角度、間隔など、従来の音線法を実施する際に必要とされる条件と同様の音線法計算条件が設定される。更に、入力装置２では、受信位置１５が、ある大きさの領域として設定される。

計算装置２５は、入力装置２から受け取る音場１２を囲む各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの位置の情報、音源位置１４の情報、音線法計算条件を基に、音源位置１４より音線を射出する方向を計算する機能を備えている。

更に、計算装置２５は、求めた音線射出方向の情報Ｊを、計算装置２６へ送る機能を備えている。

計算装置２６は、入力装置２から受け取る音源位置１４の情報と、音場１２を囲む各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの位置の情報と、受信位置１５の情報とを基に、音源位置１４から射出された後、受信位置１５に直接到達する図２に示したと同様の直接波のレイ軌跡１７を求める機能を備えている。更に、計算装置２６は、音源位置１４から射出された後、境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆで、入力装置２で設定された反射回数で反射して受信位置１５に到達する反射波のレイ軌跡を特定して求める機能を備えている。

これにより、計算装置２６は、第１実施形態における計算装置４と同様に、たとえば、図２に示したレイ軌跡１８，１９，２０で代表される反射波のレイ軌跡と、反射位置２１，２２，２３，２４と、を求めることができる。

計算装置２６は、求めた直接波のレイ軌跡１７の情報と、各反射波のレイ軌跡１８，１９，２０、および、反射位置２１，２２，２３，２４の情報とを含むレイ軌跡データＢを、レイ軌跡記録装置５へ送る機能を備えており、この点は、第１実施形態における計算装置４と同様である。

以上の構成としてある本実施形態のシミュレーションシステム１ａを使用する場合は、図６に示すように、図４に示した音波伝搬シミュレーション方法と同様の手順において、ステップＳＡ３と、ステップＳＡ４に代えて、計算装置２５による、音源位置１４より音線を射出する方向を計算する処理（ステップＳＡ１５）と、計算装置２６による、音源位置１４から受信位置１５に到達する直接波および反射波の各レイ軌跡１７，１８，１９，２０を求める処理を行う（ステップＳＡ１６）。

これにより、本実施形態のシミュレーションシステム１ａは、第１実施形態のシミュレーションシステム１と同様に使用して、同様の効果を得ることができる。

なお、本開示の音波伝搬シミュレーションシステム、および、音波伝搬シミュレーション方法は、前記各実施形態にのみ限定されるものではない。

音源位置から受信位置に到達するレイ軌跡の取得は、鏡像法または音線法として、従来実施されているか、または、従来提案されているいかなる手法を採用してもよい。

本開示の音波伝搬シミュレーションシステムは、空中や水中における音波や超音波の伝搬により、信号や情報の伝送、伝達を行う技術分野であれば、いかなる技術分野に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

なお、各実施形態のシミュレーションシステム１，１ａを応用する例としては、たとえば、追加機能として、図４、図６に示した音波伝搬シミュレーション方法を実施する際、ステップＳＡ２における指定領域と部分境界条件の設定の処理を省略可能とする機能を備えてもよい。この場合は、ステップＳＡ１に続いてステップＳＡ３の処理が開始されるので、ステップＳＡ１３で求まるインパルス応答Ｉは、音場１２を囲む各境界１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆの境界条件のみを反映したものとなる。よって、前記追加機能を備える場合は、一つの装置構成で、本開示の音波伝搬シミュレーション方法と、従来の音波伝搬シミュレーションの手法とを、切り替えて実施することが可能になる。また、前記追加機能を備える場合は、たとえば、ステップＳＡ６とステップＳＡ７との間に、設定された指定領域があるか否かを判定する判定処理のステップを追加して、この判定処理で指定領域がないと判定される場合は、直ちにステップＳＡ１３のインパルス応答計算に進む処理を行うようにしてもよい。

２ 入力装置、４ 計算装置、５ レイ軌跡記録装置、６ 計算装置、８ 修正装置、１０ 計算装置、１１ インパルス応答記録装置、１２ 音場、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ 境界、１４ 音源位置、１５ 受信位置、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 指定領域、１７ レイ軌跡、１８ レイ軌跡、１９ レイ軌跡、２０ レイ軌跡、２１ 反射位置、２２ 反射位置、２３ 反射位置、２４ 反射位置、２５ 計算装置、Ｃ 計算結果、Ｆ 修正結果、Ｉ インパルス応答

Claims (2)

1. 入力装置と、
   レイ軌跡の計算装置と、
   レイ軌跡記録装置と、
   レイ強度および到達時間の計算装置と、
   レイ強度および到達時間の修正装置と、
   インパルス応答の計算装置と、
   インパルス応答記録装置と、を備え、
   計算条件として、音場の境界の位置と、前記境界における境界条件と、音源位置、受信位置、および、前記境界の少なくとも一部に備える指定領域と、前記指定領域における部分境界条件を含む計算条件が設定された状態にて、
   前記レイ軌跡の計算装置は、鏡像法または音線法により前記音源位置より前記受信位置に到達する複数のレイ軌跡を求める機能を備え、
   前記レイ軌跡記録装置は、前記レイ軌跡の計算装置で求めた複数の前記レイ軌跡を記録する機能を備え、
   前記レイ強度および到達時間の計算装置は、前記境界条件を用いて、前記音源位置で発するインパルス信号が、前記レイ軌跡記録装置に記録された個別の前記レイ軌跡を経て前記受信位置に到達するときの到達時間と振幅の計算結果を求める機能を備え、
   前記レイ強度および到達時間の修正装置は、前記レイ軌跡記録装置に記録された複数の前記レイ軌跡のうち、反射位置が前記指定領域内にある前記レイ軌跡について、前記到達時間と前記振幅の前記計算結果を、前記部分境界条件を用いて修正した修正結果を求める機能を備え、
   前記インパルス応答の計算装置は、前記レイ強度および到達時間の計算装置より受け取る前記計算結果を基に、且つ前記レイ強度および到達時間の修正装置より受け取る前記修正結果がある場合は該修正結果を優先して用いて、前記受信位置におけるインパルス応答を求める機能を備えたこと、
   を特徴とする音波伝搬シミュレーションシステム。
2. 電子計算機により、
   計算条件として、音場の境界の位置と、前記境界における境界条件と、音源位置、受信位置、および、前記境界の少なくとも一部に備える指定領域と、前記指定領域における部分境界条件を含む計算条件が設定されるステップと、
   鏡像法または音線法により前記音源位置より前記受信位置に到達する複数のレイ軌跡を求める処理を行うステップと、
   求めた複数の前記レイ軌跡をレイ軌跡記録装置に記録するステップと、
   前記境界条件を用いて、前記音源位置で発するインパルス信号が、前記レイ軌跡記録装置に記録された個別の前記レイ軌跡を経て前記受信位置に到達するときの到達時間と振幅の計算結果を求める処理を行うステップと、
   前記レイ軌跡記録装置に記録された複数の前記レイ軌跡のうち、反射位置が前記指定領域内にある前記レイ軌跡について、前記到達時間と前記振幅の前記計算結果を、前記部分境界条件を用いて修正した修正結果を求める処理を行うステップと、
   前記計算結果を基に、且つ前記修正結果がある場合は該修正結果を優先して用いて、前記受信位置におけるインパルス応答を求める処理を行うステップと、を実施すること
   を特徴とする音波伝搬シミュレーション方法。

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