JPH04324324A - 移動音源の計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道車両や自動車など
、騒音を発しながら移動する移動体の移動経路やその移
動方向が計測時に予測または測定可能なときに、この移
動体上の音源分布を計測するための装置に係わり、特に
、移動中の音源の騒音の発生位置や強度分布を求め、移
動体からでる、例えば風切り音などの、低騒音化のため
のデータの取得、位置や速度の検出などを行うための計
測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のマイクロホンアレイを用いた移動
音源の計測装置の代表的な例としては、プロシ−ディン
グス　　オブ　　インター・ノイズ　　８８（１９８８
年）の第１６７頁より第１７０頁、及び第１３９１頁よ
り第１３９６頁（ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳＯＦ　　ＩＮ
ＴＥＲ・ＮＯＩＺＥ　　８８（１９８８）、ＰＰ１６７
−１７０、ＰＰ１３９１−１３９６）に論じられている
。

【０００３】又、１対のマイクロホンアレイを交差させ
、静止した音源の強さを解析する音源の計測装置の代表
的な例としては、日本音響学会誌４４巻１２号（１９８
８年）の第９１６頁より第９２２頁に論じられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記プロシーディング
ス　　オブ　　インター・ノイズ　　８８（１９８８年
）に記載のマイクロホンアレイを用いた移動音源計測装
置では、１本のマイクロホンアレイのみを用いて、それ
ぞれのマイクロホンでとらえた音響信号を移動音源から
各々のマイクロホンへの音波の到達時間だけずらして重
ね合わせることにより、高速鉄道車両の１次元的な音源
分布を求めている。しかし、１本のマイクロホンアレイ
ではマイクロホンの配列方向に直交する方向の音源分解
能がないため、２次元的な音源分解能がない。このため
、正確な移動音源表面上の音源分布が求められなかった
。

【０００５】また上記日本音響学会誌４４巻１２号（１
９８８年）に記載の１対のマイクロホンアレイを交差さ
せ、静止した音源の強さを解析する音源計測装置では、
円弧状のマイクロホンアレイを用いることにより、円弧
の中心での音源を他の音源から分離することができるが
、音源がマイクロホンアレイに対して相対的に移動する
場合の考慮がなされておらず、移動音源上の音源分布の
計測に使用できなかった。また、マイクロホンの間隔は
測定する最高周波数の波長の１／２よりも狭くとらねば
ならないため、波長が短い場合にマイクロホンの数が多
くなり計算処理の負担が大きかった。

【０００６】本発明の第１の目的は、移動する音源表面
上の２次元的な音源分布を精度良く計測する移動音源の
計測装置あるいは計測方法を提供することにある。

【０００７】本発明の第２の目的は、精度を落とすこと
なく、使用するマイクロホンの数をできる移動音源の計
測装置あるいは計測方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の移動音源の計測装置は、複数個のマ
イクロホンがアレイ状に配列され、かつ１対のマイクロ
ホンアレイを互いに交差させるとともに、この１対のマ
イクロホンアレイの各々を音源の移動方向と直交しない
方向に配置されたものであって、前記マイクロホンで検
出した音響信号を移動音源から各々のマイクロホンへの
音波の到達時間だけ補正する遅延時間計算装置と、該補
正後の信号を重ね合わせる加算装置と、該重ね合わせた
信号の周波数分析を行う周波数分析装置と、該周波数分
析されたスペクトルの平均化を行うデシベル算術平均装
置を備えたものである。

【０００９】又、１対のマイクロホンアレイを互いに十
字またはＶ字型に交差させたものである。

【００１０】又、交差状であって、音源の移動方向と直
交しない方向に配置された複数個のマイクロホンを用い
、前記マイクロフォンで検出した音響信号を移動音源か
ら各々のマイクロホンへの音波の到達時間だけずらして
重ね合わせることによりマイクロホンの指向性を高め、
音源の移動中に音源分布を複数回計測しこれを平均して
音源分布を計測するものである。

【００１１】又、音源がマイクロホンアレイの近傍を通
過中に複数回測定した結果より、音源の分離を精度良く
行うため、音源の強さをデシベルで表し、計測結果の平
均を前記のデシベル値の算術平均をとるものである。

【００１２】又、精度良く移動音源の速度を計測するた
め、あらかじめ位置のわかっている移動音源上の２つの
音源から出る音を、移動音源近傍のマイクロホンで検出
し、その時間間隔から移動音源の速度を計算するもので
ある。

【００１３】又、マイクロホンアレイ上のすべてのマイ
クロホンの出力を１台の計測装置で記録することができ
ない場合、複数の記録装置間の同期をとるため、それぞ
れの記録装置上の少なくとも１つのマイクロホンの出力
は他の記録装置上にも同時に記録するものである。

【００１４】上記第２の目的を達成するために、本発明
の移動音源の計測装置は、使用するマイクロホンをでき
るだけ少なくするため、アレイ状に配列したマイクロホ
ンアレイ上の個々のマイクロホンの間隔を、測定する音
の最高周波数での波長の長さの２分の１よりも長くとっ
たものである。

【００１５】又、音源の移動中に音源分布を複数回計測
しこれを平均して音源分布を計測するものである。

【００１６】

【作用】１本の直線的なマイクロホンアレイで、それぞ
れのマイクロホンでとらえた音響信号を測定対象の移動
音源から各々のマイクロホンへの音波の到達時間だけず
らして重ね合わせることにより、音波の到達時間の異な
る他の位置の音源と分離することができる。しかし、マ
イクロホンの配列方向と直角な方向に並んだ２つの音源
からの音は、音源の位置の違いによる、各々のマイクロ
ホンへの音波の到達時間の差が少ないため音源の分離が
困難である、すなわち、音源分解能が低いことになる。 このため、１本の直線状のマイクロホンアレイは、マイ
クロホンの配列方向にのみ指向性を持つことになる。そ
こで、１対のマイクロホンアレイを用いて、これらを互
いに十字またはＶ字型に交差させ、それぞれのマイクロ
ホンアレイの指向特性を重ね合わせることにより、２次
元的な指向性を持たせることができる。これにより、２
次元的な音源分布の計測が可能となる。

【００１７】又、音源が移動するので、音源の移動とと
もに音源とマイクロホンアレイの相対位置が変化し、指
向性のパターンは変化する。このため、一回の測定で、
特定の２点の音源分離精度が低くても、音源が別の位置
に移動したときの測定でこれらの音源分解能が十分であ
れば、複数回の測定の平均により、２つの音源の分離精
度の向上が可能となる。

【００１８】一対のマイクロホンアレイは、分解能を上
げるため移動音源の正面にできるだけ近い位置に配置す
る。このとき、１対のマイクロホンアレイが各々音源の
移動方向と直交、および、平行な場合、これらのアレイ
はそれぞれ、音源の移動方向および移動方向に直交する
方向に常に分解能が低い。このため、音源の移動中に複
数回の測定を行っても移動音源上の移動方向もしくは移
動方向に直交する方向に並んだ２つの音源の分離精度を
向上することができない。一方、一対のマイクロホンア
レイの両方を音源の移動方向に直交させなければ、音源
の移動により音源分解能の低下する方向が変化するので
、音源移動中の数回の測定結果の平均により、一様な音
源分解能を得ることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１から図７によ
り説明する。図１に本発明の一実施例である移動音源の
計測装置を鉄道車両本体の騒音源の探査に適用した例を
示す。図１に示すように、速度検出センサ５により鉄道
車両１が軌道２上を速度Ｖで、例えば直線的に移動する
ときにその速度を計測し、移動方向に平行な面内にマイ
クロホンアレイ３を設置する。マイクロホンアレイ３は
ほぼ直交するＶ字型に配置された１対のアレイ３ａおよ
び３ｂよりなり、アレイ３ａと３ｂはいずれも車両の進
行方向と約４５度の角度をなすように設置している。ア
レイ３ａおよび３ｂ上にはＭ個のマイクロホン４が配列
されている。Ｍ個のマイクロホンの出力は接続ケーブル
１０を介して、速度検出センサ５の出力とともに信号処
理装置６に入力される。

【００２０】信号処理装置６内での処理の手順を以下に
示す。Ｍ個のマイクロホンのうち第ｊ番目のマイクロホ
ン４ｊにより捕らえられた車両側面上の音源Ｓの時刻ｔ
での放射音の波形Ｐｊ（ｔ）は数１により表される。

【００２１】

【数１】

【００２２】ここで、Ｓ（ｔ）は時刻ｔでの音源の強さ
、Ｒｊ（ｔ）は音源Ｓより第ｊ番目のマイクロホン４ｊ
までの距離、Ａはマイクロホンの出力電圧感度、ｃは音
速を意味する。又、Ｒｊ（ｔ）／ｃは、音源Ｓからでた
音が第ｊ番目のマイクロホン４ｊに到達するまでの時間
遅れである。音源Ｓのｔ＝０での座標が（Ｘｓ，Ｙｓ，
０）、移動方向をＸ方向にＶとなるように座標系をとり
、このときのマイクロホン４ｊの座標を（Ｘｊ，Ｙｊ，
Ｚｊ）とすれば、Ｒｊ（ｔ）は数２により計算できる。

【００２３】

【数２】

【００２４】ここで、信号処理装置６の中の遅延時間計
算装置６１は、速度検出センサ５で検出した音源速度Ｖ
のデータから、数２によりＲｊ（ｔ）を計算し、Ｍ個の
マイクロホンの出力Ｐｊ（ｔ）を、信号遅延回路６２に
よりそれぞれ音源Ｓから各マイクロホンへの時間遅れＲ
ｊ（ｔ）／ｃだけ補正しＰｊ（ｔ＋Ｒｊ（ｔ）／ｃ）と
する。補正されたマイクロホンの出力を加算装置６３に
より加算すると、数３に示したように音源Ｓの波形が計
算できる。

【００２５】

【数３】

【００２６】ここで、Ｗｊは、アレイの指向特性を改良
するための、各マイクロホン出力に対する窓関数であり
、信号遅延回路６２または加算装置６３内でそれぞれの
マイクロホン出力に対して積をとる。この値には直線上
に等間隔で配列されたＭ個のマイクロホンに対しては、
例えば数４に示した矩形窓、数５に示したハニング窓な
どを用いる。

【００２７】

【数４】

【００２８】

【数５】

【００２９】さらに、音圧波形Ｓ（ｔ）により音源の周
波数分析を、周波数分析装置６４にて行う。周波数ｆで
のスペクトルＳｐ（ｆ）をＮ回測定し、デシベル算術平
均装置６５で数６で示す平均処理を行い、デシベル算術
平均値Ｓｐａ（ｆ）を求める。

【００３０】

【数６】

【００３１】ここで、Ｓ０はデシベル値を計算するとき
の基準値である。

【００３２】上記実施例の信号処理装置６内の信号処理
のフローチャートの一例を図２に示す。図２では、最初
にバッファ内に読み込んだ第ｊ番目のマイクロホンの出
力より求めた音圧Ｐｊ（ｔ）を用い、数３の処理を行っ
ている。図２では、バッファ内に存在しないデータが必
要になった時点で、新たに追加のデータを読み込んでい
る。

【００３３】ＦＦＴにより求めた周波数スペクトルＳｐ
（ｆ）は直ちに、２０ｌｏｇ（｜Ｓｐ（ｆ）｜／Ｓｏ）
の演算を行いデシベル値に変換する。これより数６に基
づいた平均処理を行い、求めるＳｐ（ｆ）を得る。

【００３４】平均は時間の進行とともに、音源が移動す
るので、平均される周波数スペクトルはそれぞれ異なる
音源位置で求められたものである。このため、音源の２
次元的な分離性能は測定したスペクトル毎に異なる。図
３及び図４に音源分布計算値の一例を示す。図３および
図４では、一対のマイクロホンアレイ３ａと３ｂ各々に
２７ｃｍ間隔で１５本のマイクロホンを取付け、マイク
ロホンアレイより約５ｍ離れたマイクロホンアレイの中
心よりも約１ｍ高い位置を通過する点音源１ａがあると
きに、数１から数４を用いて点音源１ａを中心とする６
ｍ×６ｍの範囲の枠８内での音源分布計算値を示す。図
３は音源がマイクロホンアレイの正面にある場合、図４
は音源がマイクロホンアレイの手前約１０ｍの位置にあ
る場合である。

【００３５】音源分布計算では、数３の処理を本来の音
源位置１ａ以外の位置で行ったときでもＳ（ｔ）が０に
ならないので、図３及び図４では、数６を用い音源１ａ
の位置でのスペクトルを０ｄＢとしたときのデシベル値
が等しい位置を結んだ等音源強度線を表示してある。こ
こで音源１ａの周囲に−３ｄＢと表示された線が一般に
音源分解能と呼ばれている。図より音源の位置により音
源分解能が大きく異なることがわかる。

【００３６】図５に、音源がマイクロホンアレイの手前
約１０ｍ、５ｍ、音源位置、通過後５ｍ、１０ｍとそれ
ぞれの位置にあるときの、音源分布の計算を５回おこな
い、得られた音源分布を数６によりデシベル算術平均し
た一例を示す。図５で−１５ｄＢの線の外側の領域７で
は真の音源位置１ａでの値よりも−１５ｄＢ以上低いこ
とを示す。図６に、従来行われている数３などにより得
られた音源分布を数７によりデシベル平均した結果を示
す。図５と図６を比較すれば、明らかなように、デシベ
ル値の算術平均を行った方が、相対的に音源分布の２乗
平均値の低い位置の重み付けが高くなるため、本実施例
のデシベル算術平均を用いた方が音源分解能がさらに向
上する。

【００３７】

【数７】

【００３８】なお、図３、図４、図５、および図６に示
す測定結果は、図１のマイクロホンアレイ３ａと３ｂ各
々に２７ｃｍ間隔で１５本のマイクロホンを取付けた場
合の４０００Ｈｚのついての例であり、マイクロホン間
隔ｄは音の波長λ約８．５ｃｍの約３倍の場合である。 従来のマイクロホンアレイでは、日本音響学会誌４４巻
１２号（１９８８年）の第９１６頁より第９２２頁に論
じられているように、マイクロホンアレイ上の個々のマ
イクロホン間隔ｄは音波の波長λの１／２以下で行われ
てきた。これは入射角の異なる波長λの音波が間隔ｄの
マイクロホンで区別できる限界を示したサンプリング定
理に基づくものである。本実施例では、図７に示したよ
うにのように、音源１ｂとマイクロホン４ａ、４ｂ、４
ｃおよび４ｄのマイクロホンの距離Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃお
よびＲｄを数３により計算しているので、すべてのマイ
クロホンが同一直線上になければ、マイクロホンアレイ
全体で３次元的に音源１ｂの一点に焦点を当てることが
でき、従来のサンプリング定理の限界を越えて、マイク
ロホン間隔ｄを１／２λ以上にできる。

【００３９】図８に、従来のプロシーディングス　　オ
ブ　　インター・ノイズ　　８８（１９８８年）の第１
６７頁より第１７０頁、及び第１３９１頁より第１３９
６頁に論じられていたマイクロホンアレイの一例を示す
。従来のこの装置では、移動音源の移動方向と平行およ
び直交する方向に配置していた。図８の配置のマイクロ
ホンアレイを用いて、図１に示す実施例で用いた処理方
法により図５に対応する処理を行うと、図９に示す結果
となる。図９と図５を比較すると明らかなように、図５
の音源分解能の方が図９に示す音源分解能より高いこと
がわかり、本実施例の効果がわかる。

【００４０】図１０に本発明の他の実施例を示す。図１
０に示す実施例では、Ｘ字型に配置されたマイクロホン
アレイを用いて、マイクロホンアレイ正面を移動する自
動車から放射される騒音の音源探査を行う例である。図
１０で自動車の天井面１ｃは、マイクロホンアレイの下
の方のマイクロホンからは直接見通せない。このため、
マイクロホンアレイ上のマイクロホンのうち天井面１ｃ
などの音源を見通せる一部のマイクロホンアレイのみを
使用して音源分布の解析を行うこともできる。従来の装
置である図８に示した水平、垂直のアレイでは水平のア
レイ３ｄ上のマイクロホンからは、見通せない位置で音
源の水平分解能がなくなるが、本実施例によれば、マイ
クロホンアレイのうち３ｅの部分で、水平と垂直の分解
能を持てるので水平分解能がなくなることがない。また
マイクロホンアレイ中のマイクロホン４ｅ、または、移
動音源の近傍に設けたマイクロホンで捕らえた移動音源
の発生音の持続時間などから移動音源の移動速度を検出
することも可能である。

【００４１】図１１は、本発明の他の実施例を示す。図
１１では、マイクロホンを３次元的にランダムに配置し
ている。複数のマイクロホンからの出力を２台の記録装
置９ａと９ｂに記録し、その後、信号処理装置６に記録
装置９ａおよび９ｂを接続し記録データを再生すること
により処理を行うことができる。ただし、この場合は、
数３に示される窓関数Ｗｊは数４の矩形窓を使用する。 このとき、記録装置９ａおよび９ｂの両方に同一のマイ
クロホン４ｆの出力を記録することにより、記録データ
の再生時にお互いの記録装置の同期をとることができる
。

【００４２】さらに、記録装置を３台以上使用する場合
も、同様に、各々の記録装置に記録されたマイクロホン
アレイの信号のうちすくなくとも一つのマイクロホン出
力が、他の記録装置に記録されていればよい。また、移
動音源が、直線的に移動しない場合でも数２の計算で各
時刻での音源の移動速度を考慮することにより、処理可
能である。また、日本音響学会誌４４巻１２号（１９８
８年）に論じられているように、図１の一対のマイクロ
ホンアレイ３ａおよび３ｂ各々に対して数３をそれぞれ
適用して得られるＳａ（ｔ）およびＳｂ（ｔ）の積によ
り音源Ｓを分離することも可能である。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロホンアレイに
よる移動音源上の音源分布を、精度良く計測できるので
、鉄道車両や自動車が、実際に走行しているときの、騒
音発生位置を見つけることができるので、上記の騒音の
効率的な低減、風切り音の発生源の探査などを精度良く
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す移動音源の計測装置の
構成図である。

【図２】信号処理のフローチャートである。

【図３】音源がマイクロホンアレイの正面にあるときの
音源分布計算値を示す図である。

【図４】音源がマイクロホンアレイの正面より１０ｍず
れたときの音源分布計算値を示す図である。

【図５】本発明の一実施例による音源分布のデシベル算
術平均の例を示す図である。

【図６】本発明の一実施例に従来の信号処理を行った例
を示す図である。

【図７】本発明の一実施例におけるマイクロホン配置例
を示す斜視図である。

【図８】従来の音源計測装置を示す斜視図である。

【図９】従来の音源計測装置による計測例を示す図であ
る。

【図１０】本発明の他の実施例を示す移動音源の計測装
置を示す斜視図である。

【図１１】本発明の他の実施例を示す移動音源の計測装
置の構成図である。

【符号の説明】

１…移動音源、３…マイクロホンアレイ、４…マイクロ
ホン、６…信号処理装置。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個のマイクロホンにより、これらのマ
   イクロホンに対して相対的に移動する物体上の音源分布
   を計測する移動音源の計測装置において、前記複数個の
   マイクロホンがアレイ状に配列され、かつ１対のマイク
   ロホンアレイを互いに交差させるとともに、この１対の
   マイクロホンアレイの各々を音源の移動方向と直交しな
   い方向に配置されたものであって、前記マイクロホンで
   検出した音響信号を移動音源から各々のマイクロホンへ
   の音波の到達時間だけ補正する遅延時間計算装置と、該
   補正後の信号を重ね合わせる加算装置と、該重ね合わせ
   た信号の周波数分析を行う周波数分析装置と、該周波数
   分析されたスペクトルの平均化を行うデシベル算術平均
   装置を備えたことを特徴とする移動音源の計測装置。
2. 【請求項２】複数個のマイクロホンにより、これらのマ
   イクロホンに対して相対的に移動する物体上の音源分布
   を計測する移動音源の計測装置において、前記複数個の
   マイクロホンがアレイ状に配列され、かつ１対のマイク
   ロホンアレイを互いに交差させるとともに、この１対の
   マイクロホンアレイの各々を音源の移動方向と直交しな
   い方向に配置されたものであって、前記マイクロホンの
   うち前記移動音源の側面を見通せる位置のマイクロホン
   で検出した音響信号を移動音源から各々のマイクロホン
   への音波の到達時間だけ補正する遅延時間計算装置と、
   該補正後の信号を重ね合わせる加算装置と、該重ね合わ
   せた信号の周波数分析を行う周波数分析装置と、該周波
   数分析されたスペクトルの平均化を行うデシベル算術平
   均装置を備えたことを特徴とする移動音源の計測装置。
3. 【請求項３】複数個のマイクロホンにより、これらのマ
   イクロホンに対して相対的に移動する物体上の音源分布
   を計測する移動音源計測装置において、交差状であって
   、音源の移動方向と直交しない方向に配置された複数個
   のマイクロホンを用い、前記マイクロフォンで検出した
   音響信号を移動音源から各々のマイクロホンへの音波の
   到達時間だけずらして重ね合わせることによりマイクロ
   ホンの指向性を高め、音源の移動中に音源分布を複数回
   計測しこれを平均して音源分布を計測することを特徴と
   する移動音源計測方法。
4. 【請求項４】前記マイクロホンの間隔が、移動音源より
   放射される音の最高周波数での波長の長さの２分の１よ
   りも長く設定されている請求項１又は２に記載の移動音
   源の計測装置。
5. 【請求項５】前記１対のマイクロホンアレイは互いに直
   交し、かつ、音源の移動方向に対して約４５度の角度を
   なすように設定されている請求項１、２又は４に記載の
   移動音源の計測装置。
6. 【請求項６】前記１対のマイクロホンアレイが互いＶ字
   型に交差されている請求項１、２又は４に記載の移動音
   源の計測装置。
7. 【請求項７】音源分布の複数回の計測結果は、それぞれ
   、音源の強さをデシベルで表し、計測結果の平均を前記
   のデシベル値の算術平均をとる請求項３に記載された移
   動音源の計測方法。
8. 【請求項８】前記マイクロホンアレイと相対的に移動す
   る移動音源の速度は、移動音源近傍のマイクロホンの出
   力中の移動音源上の異なる２点の音源から出る音の時間
   間隔により求める請求項３又は７に記載の移動音源の計
   測方法。
9. 【請求項９】前記マイクロホンアレイ上の複数のマイク
   ロホンの出力が同時に記録再生できる複数の記録装置に
   記録され、それぞれの記録装置上の少なくとも１つのマ
   イクロホンの出力は他の記録装置上にも同時に記録され
   ている請求項３、７又は８に記載の移動音源の計測方法
   。
10. 【請求項１０】移動音源の音の発生源が、前記マイクロ
    ホンアレイ上のすべてのマイクロホンから見通せないと
    き、マイクロホンアレイ上のマイクロホンのうち、前記
    音の発生源を見通せるマイクロホンの出力のみから移動
    音源計測をおこなう請求項３、７、８又は９に記載の移
    動音源の計測方法。