JPH11223563A - 環境状態測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定空間内の環境状態の測定を簡易な構成
で実現する。 【解決手段】 被測定空間24外に配置された仮想スピー
カ列上の仮想スピーカと、被測定空間24を挟んで仮想ス
ピーカ列と反対側に平行に配置された仮想マイクロフォ
ン列上の仮想マイクロフォンと、を結ぶ仮想経路を、互
いに異なる複数の方向について各々多数設定し、各仮想
経路と壁体22との交差位置にスピーカ及びマイクロフォ
ンを備えたノード12を各々設けている。仮想経路上の被
測定空間24に重なっている区間（実線で図示）はノード
12間で実際に音波を伝搬させて伝搬時間を測定し、仮想
経路上の被測定空間24外の区間（一点鎖線で図示）は、
被測定空間24外が一定温度であると仮定して伝搬時間を
推定することで、各仮想経路の音波の伝搬時間の推定値
を各々求め、各仮想経路の音波の伝搬時間の推定値に基
づいて被測定空間24内の温度分布を演算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は環境状態測定方法及
び装置に係り、特に、空間内の温度分布等の環境状態を
測定する環境状態測定方法、及び該環境状態測定方法を
適用可能な環境状態測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】被空調
空間内の温度や湿度を所望の値に制御するためには、被
空調空間内の温度、湿度を測定する必要があるが、被空
調空間内の各箇所における温度、湿度が一定であること
は稀であり、特にドーム球場や劇場等の閉鎖された大空
間では、空間内の各箇所における温度、湿度は大きくば
らついていることが多い。このため、例えばドーム球場
や劇場等の大空間において快適性と省エネルギーの双方
を満足する空気調和を行う場合や、室内の温度や湿度を
精密に所望の値に制御する場合には、被空調空間内の温
度や湿度の分布を測定する必要がある。

【０００３】しかし、温度センサや湿度センサによって
温度や湿度の分布を直接測定しようとすると、センサ
を、被空調空間の中央部付近を含む被空調空間内にマト
リクス状に多数配設する必要があるが、コストが嵩み景
観が損なわれると共に被測定空間の利用も制限されるの
で、上記のように多数のセンサを配設することは現実的
ではない。またドーム球場や劇場等では、被測定空間の
周縁部（例えば壁体等）に取付けたセンサにより周縁部
の温度等を測定すると共に、風船等でセンサを吊り上げ
ることで被測定空間の中央部付近の温度等を測定するこ
とが考えられるが、この方法では、被測定空間内で例え
ば野球等のイベントが実施されている最中に温度や湿度
の分布を測定することは不可能である。

【０００４】一方、医学の分野では、人体内部の状態を
非接触で測定するコンピュータ断層撮影（ＣＴ：Comput
ed Tomography)技術が広く利用されている。ＣＴ技術を
利用した医療用のＣＴ装置は、一般的には、多数のＸ線
源が一列に配置されていると共に、各Ｘ線源に対して一
定方向に一定距離隔てた位置に検出器が各々対向配置さ
れており（すなわち、Ｘ線の伝搬経路の長さを揃えるた
めに、Ｘ線源の配列と平行に検出器が配列される）、Ｘ
線源列及び検出器列が一体的に回転可能に構成されてい
る。

【０００５】このＣＴ装置により人体内部の状態を測定
する場合、被測定者はＸ線源列と検出器列の間に位置さ
れ、被測定者に対し各Ｘ線源によって所定方向からＸ線
を各々照射し、被測定者を透過したＸ線量を各検出器に
よって各々検出することにより、前記所定方向について
のＸ線吸収量の投影データ（所定方向から見たＸ線吸収
量の分布を表すデータ）を得る。これを、被測定者を回
転させずにＸ線源列及び検出器列を所定角度づつ回転さ
せながら１周する迄繰り返し、各方向についてのＸ線吸
収量の投影データを各々取得する。

【０００６】次に、これらの投影データに基づき、公知
のフーリエ領域再構成法（２次元フーリエ変換法(2-D f
ourier-transform method)ともいう）やフィルタ処理デ
ータの逆投影法（フィルタード・バックプロジェクショ
ン法(filtered back-projection method) 、或いは２次
元フィルタリング法(2-D filterring method) 等の演算
方法を適用して、コンピュータによって被測定者の横断
面に沿った各位置における体内組織のＸ線吸収量（横断
面上のＸ線吸収量の分布）を演算する。演算した横断面
上のＸ線吸収量の分布は２次元画像として再構成され、
人体の横断面像としてモニタに表示される。

【０００７】上記のＣＴ技術によれば、測定対象（医療
用ＣＴ装置では人体）内部の状態を非接触で測定できる
ので、上記のＣＴ技術を利用し、Ｘ線に代えて、医療用
のＣＴ装置でも利用されている音波（特に超音波）を用
いれば、被測定空間内の温度分布等の環境状態を求める
ことは原理的には可能である。すなわち、音波は媒質の
温度によって伝搬時間（速度）が変化するので、各方向
について音波伝搬時間の投影データを取得すれば、被測
定空間内の温度分布を演算できる。

【０００８】しかしながら、医療用ＣＴ装置の技術をド
ーム球場や劇場等の大空間内の温度分布等の測定に用い
ようとすると、音波の伝搬経路の長さを揃えるために、
例として図１２に示すように、被測定空間の外部に、音
波を発する多数の音波発生装置を一列に配列すると共
に、多数の音波検出装置を、被測定空間を挟んで音波発
生装置列と平行に配列し、かつ音波発生装置列及び音波
検出装置列を一体的に回転可能に構成する必要があるの
で、実現は殆ど不可能である。また、被測定空間と外部
とを区画する壁体に音波透過性をもたせる必要もある。

【０００９】また、投影データを必要としない演算方法
も知られている。すなわち、被測定空間を多数の小領域
に区分し、各小領域内の音速を変数とし、或る音波発生
装置から或る音波検出装置に至る伝搬経路を伝搬する音
波の伝搬時間を、前記伝搬経路上に存在する各小領域の
音波の通過時間の和で表した方程式を連立方程式として
多数生成し、測定した音波の伝搬時間を連立方程式に代
入して解くことによっても、被測定空間内の温度分布を
求めることは可能である。

【００１０】上記演算方法を適用すれば、被測定空間内
の周縁（例えば被測定空間を区画している壁体）の多数
箇所に音波検出装置及び音波発生装置を配置し、前記多
数箇所の間の音波の伝搬時間を測定することで、温度分
布を求めることができる。しかし、上記の演算方法では
膨大な数の連立方程式を用いる必要があり、これに伴っ
て膨大な数の音波検出装置及び音波発生装置を設ける必
要がある。従って、装置構成が非常に複雑になると共
に、演算に膨大な時間がかかる、という欠点があり、実
用化には適していない。

【００１１】本発明は上記事実を考慮して成されたもの
で、被測定空間内の温度分布等の環境状態を測定するこ
とを簡易な構成で実現することができる環境状態測定方
法及び環境状態測定装置を得ることが目的である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】被測定空間内の環境状態
を測定する場合、前述のように、音波の伝搬時間測定経
路の長さを揃えて音波の伝搬時間を測定することは困難
であるが、本願発明者は、被測定空間外の環境状態は本
来必要のない情報であることに着目し、被測定空間外の
区間の音波の伝搬時間については、被測定空間内の環境
状態の演算に悪影響を及ぼさないように人為的或いは機
械的に設定し、伝搬時間測定経路の長さを仮想的に一致
させることにより、音波の伝搬時間の投影データを取得
することができ、短時間で演算可能な演算方法（フーリ
エ領域再構成法やフィルタ処理データの逆投影法、２次
元フィルタリング法等）を適用できることに想致した。

【００１３】上記に基づき、請求項１記載の発明に係る
環境状態測定方法は、各々一定の方向に沿いかつ互いに
異なる位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想
経路を、互いに異なる複数の方向について各々設定して
おき、前記各仮想経路について、仮想経路上の前記被測
定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を実際に音
波を伝搬させて測定し、仮想経路上の被測定空間外の区
間の音波の伝搬時間を被測定空間外が一定温度の媒質で
満たされていると仮定して推定することにより、仮想経
路上を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値を各々求
め、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝
搬時間の推定値に基づき、前記所定方向についての音波
の伝搬時間の投影データを求めることを、前記複数の方
向について各々行い、前記複数の方向の各々についての
音波の伝搬時間の投影データに基づいて被測定空間内の
環境状態を演算する。

【００１４】請求項１記載の発明では、各々一定の方向
に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を貫く等しい
長さの多数の仮想経路を、互いに異なる複数の方向につ
いて各々設定しておき、各仮想経路について、仮想経路
上の被測定空間に重なっている区間についてのみ、実際
に音波を伝搬させて音波の伝搬時間を測定している。音
波の伝搬時間を測定するためには、伝搬時間を測定する
伝搬経路の端部に音波発生手段及び音波検出手段を配置
する必要があるが、上記では、仮想経路上の被測定空間
に重なっている区間についてのみ音波の伝搬時間を測定
するので、伝搬時間の測定を行う音波の伝搬経路が互い
に平行でかつ等しい長さとなるように、被測定空間外に
音波発生手段及び音波検出手段を配置する必要はなく、
被測定空間の周縁部に音波発生手段及び音波検出手段を
配置することができる。

【００１５】また、請求項１の発明では、仮想経路上の
被測定空間外の区間については、被測定空間外が一定温
度の媒質で満たされていると仮定して音波の伝搬時間を
推定しているので、被測定空間外の区間の音波の伝搬時
間の推定値が、被測定空間内の環境状態の演算に悪影響
を及ぼすことを防止することができ、仮想経路上を音波
が伝搬するときの伝搬時間の推定値として、適切な値を
得ることができる。

【００１６】本発明に係る仮想経路は互いに等しい長さ
に設定されるので、所定方向に沿った多数の仮想経路の
各々の音波の伝搬時間の推定値に基づき、所定方向につ
いての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、複
数の方向について各々行うことで、複数の方向の各々に
ついての音波の伝搬時間の投影データを取得することが
でき、複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投
影データに基づいて、フーリエ領域再構成法やフィルタ
処理データの逆投影法、２次元フィルタリング法等の短
時間で演算可能な演算方法を適用して被測定空間内の環
境状態を演算することができる。従って請求項１の発明
によれば、被測定空間内の温度分布等の環境状態を測定
することを簡易な装置構成で実現することができる。

【００１７】請求項２記載に係る環境状態測定装置は、
互いに異なる複数の方向について各々設定された、各々
一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を
貫く等しい長さの多数の仮想経路と、前記被測定空間の
周縁と、の交点に相当する箇所に各々配置され、各仮想
経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時
間を各々測定する伝搬時間測定手段と、前記各仮想経路
について、仮想経路上の被測定空間外の区間の音波の伝
搬時間を、被測定空間外が一定温度の媒質で満たされて
いると仮定して各々推定する伝搬時間推定手段と、前記
伝搬時間測定手段によって測定された伝搬時間及び前記
伝搬時間推定手段によって推定された伝搬時間から求ま
る各仮想経路を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値
に基づき、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音
波の伝搬時間の推定値から前記所定方向についての音波
の伝搬時間の投影データを求めることを、前記複数の方
向について各々行う投影データ演算手段と、前記複数の
方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データに基
づいて被測定空間内の環境状態を演算する環境状態演算
手段と、を含んで構成している。

【００１８】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
と同様に、各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置
で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路が、互
いに異なる複数の方向について各々設定されており、伝
搬時間測定手段は、各仮想経路と被測定空間の周縁との
交点に相当する箇所に各々配置され、各仮想経路上の被
測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を各々測
定する。また、伝搬時間推定手段は、各仮想経路につい
て、仮想経路上の被測定空間外の区間の音波の伝搬時間
を、被測定空間外が一定温度の媒質で満たされていると
仮定して各々推定する。これにより、各仮想経路を音波
が伝搬するときの伝搬時間の推定値が求まる。

【００１９】また投影データ演算手段は、各仮想経路を
音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値に基づき、所定
方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の
推定値から所定方向についての音波の伝搬時間の投影デ
ータを求めることを、複数の方向について各々行い、環
境状態演算手段は、複数の方向の各々についての音波の
伝搬時間の投影データに基づいて被測定空間内の環境状
態を演算する。従って請求項２の発明によれば、請求項
１の発明と同様に、伝搬時間測定手段を被測定空間外に
設けることなく、フーリエ領域再構成法やフィルタ処理
データの逆投影法、２次元フィルタリング法等の短時間
で演算可能な演算方法を適用して被測定空間内の環境状
態を演算することができるので、被測定空間内の温度分
布等の環境状態を測定することを簡易な構成で実現する
ことができる。

【００２０】請求項３記載の発明は、請求項２の発明に
おいて、前記伝搬時間測定手段は、音波を発生する音波
発生手段、及び到来した音波を検出する音波検出手段を
備えたノードが、前記交点に相当する多数箇所に各々設
けられて構成されており、特定のノードの音波発生手段
から音波を発生させ、該発生した音波を他の複数のノー
ドの音波検出手段で同時に検出することを、音波発生手
段から音波を発生させるノードを切り替えながら繰り返
すことにより、前記各仮想経路上の被測定空間に重なっ
ている区間の音波の伝搬時間を測定することを特徴とし
ている。

【００２１】請求項３記載の発明では、特定のノードの
音波発生手段から音波を発生させ、該発生した音波を他
の複数のノードの音波検出手段で同時に検出するので、
仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝
搬時間が、複数の仮想経路について同時に測定される。
また、上記の伝搬時間の測定を、音波発生手段から音波
を発生させるノードを切り替えながら繰り返すので、音
波の伝搬時間の測定に要する時間を短縮することができ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態の一例を詳細に説明する。図１には、本実施形態
に係る環境状態測定装置１０が示されている。環境状態
測定装置１０は、多数のノード１２Ａ、１２Ｂ、１２
Ｃ、…と、ホストコンピュータ１４を備えており、これ
らが伝送媒体１６を介して互いに接続されて構成されて
いる。ホストコンピュータ１４は、ＣＰＵ１４Ａ、ＲＯ
Ｍ１４Ｂ、ＲＡＭ１４Ｃ、入出力ポート１４Ｄを備え、
これらがバス１４Ｅを介して互いに接続されて構成され
ている。入出力ポート１４Ｄはネットワーク伝送部４９
を介して伝送媒体１６に接続されている。また、入出力
ポート１４Ｄには、各種の情報を表示するためのディス
プレイ１８と、オペレータが各種のデータやコマンド等
を入力するためのキーボード２０が接続されている。

【００２３】一方、多数のノード１２は、被測定空間の
周縁部に、周縁部の全周に亘って略一定の間隔で配置さ
れる。例として図２には、円筒状の壁体２２によって区
画され、上方が屋根（図示省略）によって閉塞されたド
ーム状の被測定空間２４（例えばドーム球場等）内の環
境状態を測定する場合の各ノード１２の配置が示されて
おり、各ノード１２は壁体２２に埋設されている。な
お、ノード１２の数及び間隔は図２に示した例に限定さ
れるものではないが、ノード１２の数は偶数であること
が望ましい。また、各ノード１２を識別するために、各
ノードには便宜的にノード番号が付与されている。

【００２４】ノード１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、…は各々
同一の構成であるので、以下では図１を参照し、ノード
１２Ａの構成について説明する。ノード１２Ａは、各々
被測定空間２４内に向けて配置された、音波発生手段と
してのスピーカ３０、及び音波検知手段としてのマイク
ロフォン３２を備えている。スピーカ３０は、増幅器３
４、Ｄ／Ａ変換器３６を介してデータ処理部３８に接続
されており、マイクロフォン３２は、フィルタ／増幅器
４０、Ａ／Ｄ変換器４２を介してデータ処理部３８に接
続されている。

【００２５】音波の伝搬時間の測定を行う場合、ホスト
コンピュータ１４は、音波を発生させるノード１２を判
断し、前記ノード１２から発生すべき音波の波形を表す
波形データを全てのノード１２に転送すると共に、前記
ノードからの音波の発生時刻を全てのノード１２に通知
する。また、音波を発生させるノード１２に対しては通
知した発生時刻に音波を発生するよう指示する。

【００２６】データ処理部３８はマイクロコンピュータ
等を含んで構成され、ネットワーク伝送部４８を介して
伝送媒体１６に接続されており、伝送媒体１６及びネッ
トワーク伝送部４８を介してホストコンピュータ１４か
ら、前述の波形データが転送されて音波の発生が指示さ
れると、指示された波形の音波を指示された音量で発生
させるためのデータを、所定のタイミングでＤ／Ａ変換
器３６に出力する。データ処理部３８から出力されたデ
ータは、Ｄ／Ａ変換器３６でアナログの電気信号に変換
され、増幅器３４で増幅された後にスピーカ３０に供給
される。これにより、スピーカ３０からは、指示された
波形の音波が指示された時刻に指示された音量でスピー
カ３０から発せられる。

【００２７】また、マイクロフォン３２から出力される
電気信号は、フィルタ／増幅器４０で雑音が除去された
後に増幅され、Ａ／Ｄ変換器４２でディジタルデータに
変換されてデータ処理部３８に入力される。データ処理
部３８は、ホストコンピュータ１４から発生した音波発
生時刻になると、Ａ／Ｄ変換器４２を介して入力される
データに基づき、マイクロフォン３２から出力される電
気信号の波形のメモリ等への記憶を開始する。

【００２８】また、上記処理と並行してデータ処理部３
８は、前記メモリ等への記憶したデータに基づいて、マ
イクロフォン３２から出力される電気信号の波形と、ホ
ストコンピュータ１４から転送された波形データが表す
波形との相関性を演算し、相関性が最大値となった波形
の電気信号がマイクロフォン３２から出力された時刻
を、音波の到来時刻（検知時刻）としてメモリ等に記憶
する。そして、ネットワーク伝送部４８及び伝送媒体１
６を介してホストコンピュータ１４から音波の検知時刻
の問い合わせがあった場合には、記憶している音波の検
知時刻を表すデータをホストコンピュータ１４に送信す
る。

【００２９】次に本実施形態の作用を説明する。本実施
形態では、後述する温度分布演算処理において、音波の
伝搬時間の推定を行う経路として、例として図３に示す
ように、多数の仮想経路を予め設定している。なお、図
３では或る一定の方向に沿った仮想経路のみを示してい
るが、実際には、一例として図５（Ｂ）にも示すよう
に、互いに異なる複数の方向（例えば１０°ずつ異なる
方向）について、各々多数の仮想経路が予め設定されて
いる。

【００３０】仮想経路は、被測定空間２４外に所定方向
に直交するように配置された仮想スピーカ列上に位置し
ている仮想スピーカと、被測定空間２４を挟んで仮想ス
ピーカ列と反対側の被測定空間２４外に一定の間隔Ｌ₀
（図４参照）を隔てて仮想スピーカ列と平行に配置され
た仮想マイクロフォン列上に位置している仮想マイクロ
フォンと、を結ぶ経路として定義されており、仮想スピ
ーカ及び仮想マイクロフォンは、各仮想経路が、各々所
定方向に沿いかつ互いに異なるノード１２が配置されて
いる位置で壁体２２と交差して被測定空間２４を貫くよ
うに、仮想スピーカ列及び仮想マイクロフォン列上での
位置が定められている。従って、各仮想経路の長さは互
いに等しくされている。

【００３１】各仮想経路のうち、同一の仮想経路上に位
置している一対のノード１２の間の区間（図３に実線で
示す測定対象区間）については、実際に音波を伝搬させ
ることによって音波の伝搬時間を測定するが、仮想スピ
ーカとノード１２の間、及びノード１２と仮想マイクロ
フォンの間の区間（伝搬時間推定区間）については、音
波の伝搬時間を測定することはできない。このため、ホ
ストコンピュータ１４のＲＯＭ１４Ｂには、各仮想経路
に対応して伝搬時間推定区間の長さが各々記憶されてい
る。

【００３２】なお、本実施形態では、図４に示すよう
に、被測定空間２４の中心を原点Ｏとする直交座標系ｘ
−ｙを定義し、仮想経路の各々を、仮想経路に直交し原
点Ｏを通る直線Ｓの長さＸ（距離Ｘ）、及び前記直線Ｓ
とｘ軸との成す角度θ（傾きθ）によって識別する（仮
想経路（Ｘ，θ）と称する）。

【００３３】次に図６のフローチャートを参照し、被測
定空間２４内の環境状態（本実施形態では温度分布）を
求める場合にホストコンピュータ１４で実行される温度
分布演算処理について説明する。

【００３４】ステップ１００では、被測定空間２４の大
きさに基づき、測定に用いる音波の周波数帯域を設定す
る。具体的には、周波数帯域として、スピーカ３０が音
波を発生可能でマイクロフォン３２が音波を検知可能な
周波数帯域内の値を設定すると共に、被測定空間２４の
大きさが大きくなるに従って（すなわち被測定空間１２
の中央部を挟んで対向するノード１２間の距離が大きく
なるに従って）、周波数帯域が低周波側に偏倚するよう
に設定する。なお、一定の周波数帯域の音波を測定に用
いてもよい。

【００３５】次のステップ１０２では、音波を発生させ
るノード番号を表すカウント値ｍに１を代入し、ステッ
プ１０４では、先に設定した周波数帯域も考慮して、ノ
ード番号ｍのノード１２（以下、単にノードｍという）
から発生すべき音波の波形を表す波形データを全てのノ
ード１２に転送すると共に、ノードｍからの音波の発生
時刻を全てのノード１２に通知し、更にノードｍに対し
ては、通知した発生時刻に音波を発生するよう指示す
る。これにより、ノードｍのスピーカ３０からは、指示
された時刻に指示された波形の音波が所定の音量で発生
され、発生された音波は、被測定空間２４全域に放射さ
れて他のノード１２のマイクロフォン３２で各々検知さ
れ（図５（Ａ）において、単一の測定対象区間に重ねて
示した放射状の線に相当する測定対象区間の音波の伝搬
時間が各々検知される）、音波の検知時刻が各ノード１
２のメモリ等に各々記憶される。

【００３６】ところで本実施形態では、測定対象区間の
音波の伝搬時間を重複して測定しないように（両方向か
ら測定しないように）、音波を発生させるノードｍと、
該ノードｍから発生された音波を測定するノード（測定
対象ノード）を予め定めており、ホストコンピュータ１
４のＲＯＭ１４Ｂには、音波を発生させる各ノードにつ
いて、測定対象ノードのノード番号が各々記憶されてい
る。次のステップ１０６では、ノードｍに対応する測定
対象のノード１２のノード番号（ｎ₁ 、ｎ₂ 、…）を、
ＲＯＭ１４Ｂから取り込むことによって判断し、次のス
テップ１０８では、判断したノード番号に基づいて、測
定対象のノード１２に対して音波の検知時刻を各々問い
合わせ、測定対象のノード１２から送信された音波の検
知時刻を表すデータを各々取り込む。

【００３７】ステップ１１０では、ノードｍから音波が
発生された時刻、及び測定対象の所定数のノード１２の
各々における音波の検知時刻に基づいて、ノードｍのス
ピーカ３０から測定対象のノードｎのマイクロフォン３
２への音波の伝搬時間ｔmnを、測定対象のノード１２に
ついて各々演算し、ＲＡＭ１４Ｃに記憶する。次のステ
ップ１１２では、全ての測定対象区間について音波の伝
搬時間ｔmnを測定したか否か判定する。判定が否定され
た場合にはステップ１１４へ移行し、カウント値ｍの値
を１だけインクリメントしてステップ１０４に戻る。

【００３８】これにより、ステップ１１２の判定が肯定
される迄の間は、音波を発するノード１２を順に切り換
えてステップ１０４〜１１４が繰り返され、全ての測定
対象区間について、音波の検知時刻の測定、音波の伝搬
時間ｔmnの演算が各々行われることになる（所謂ファン
ビーム計測：図５（Ａ）参照）。上記のステップ１０４
〜１１４は、各ノードのスピーカ３０、マイクロフォン
３２、データ処理部３８と共に、請求項２に記載の伝搬
時間測定手段（より詳しくは請求項３に記載の伝搬時間
測定手段）に対応している。

【００３９】なお、上記では全ての測定対象区間につい
て、音波の伝搬時間を各々１回づつ測定しているが、特
に被測定空間２４内でスピーカ３０から発する音波以外
の様々な音が発せられている等の場合には、これらの音
が伝搬時間の測定に際してのノイズとなり、音波の伝搬
時間の測定精度が低下する。これを考慮すると、各測定
対象区間について音波の伝搬時間を各々複数回測定し、
複数の測定値の加重平均を音波の伝搬時間ｔmnとして用
いることが好ましい。

【００４０】ステップ１１２の判定が肯定されるとステ
ップ１１６に移行し、所定方向に平行な多数の仮想経路
（傾きθが等しい全ての仮想経路）に対応する全ての測
定対象区間（図５（Ｂ）において、単一の測定対象区間
に重ねて示した互いに平行な線に相当する区間）の伝搬
時間データｔmnを取り込む。次のステップ１１８では、
予め設定してＲＯＭ１４Ｂに記憶している伝搬時間推定
区間の長さ（仮想スピーカとノード１２の間の長さ
Ｌ_SN、及びノード１２と仮想マイクロフォンの間の長さ
Ｌ_NM）を、所定方向に平行な全ての仮想経路について各
々取り込む。

【００４１】ステップ１２０では、被測定空間外が所定
温度の媒質（空気）で満たされていると仮定して、所定
方向に平行な全ての仮想経路（Ｘ，θ）について、音波
の伝搬時間の推定値ｔ（Ｘ，θ）を各々演算する。伝搬
時間の推定値ｔ（Ｘ，θ）は次の（１）式により求める
ことができる。

【００４２】 ｔ（Ｘ，θ）＝（Ｌ_SN÷ｖ₀ ）＋ｔmn＋（Ｌ_NM÷ｖ₀ ） …（１） 但し、ｖ₀ は空気が所定温度のときの音速であり、ｔm
n、Ｌ_SN及びＬ_NMは仮想経路（Ｘ，θ）に対応する値で
ある。（１）式における第１項及び第３項は、被測定区
間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定したとき
の、仮想経路上の被測定空間外の区間（伝搬時間推定区
間）の音波の伝搬時間の推定値に対応しており、ステッ
プ１２０は請求項２に記載の伝搬時間推定手段に対応し
ている。

【００４３】ステップ１２２では、所定方向に平行な全
ての仮想経路（Ｘ，θ）の音波の伝搬時間の推定値ｔ
（Ｘ，θ）に基づいて、投影データｐ（Ｘ，θ）を演算
する。投影データｐ（Ｘ，θ）は次の（２）式によって
求めることができる。

【００４４】 ｐ（Ｘ，θ）＝ｔ（Ｘ，θ）−（Ｌ₀ ÷ｖ₀ ） …（２） ここで、位置（ｘ，ｙ）における音速をｖ（ｘ，ｙ）と
し、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）を（温度分布は音速分布ｆ
（ｘ，ｙ）から容易に算出できる）、 ｆ（ｘ，ｙ）＝（１／ｖ（ｘ，ｙ))−（１／ｖ₀ ） …（３） 上記（３）式のように定義（すなわち、被測定空間外で
はｆ（ｘ，ｙ）＝０となる）すると共に、直線Ｓ（図４
参照）に沿う方向をＸ軸、仮想経路に沿う方向をＹ軸と
する直交座標系Ｘ−Ｙ（直交座標系ｘ−ｙを原点Ｏ周り
に角度θだけ回転させた座標系）を定めると、投影デー
タｐ（Ｘ，θ）と音速分布ｆ（ｘ，ｙ）との関係は、仮
想経路（Ｘ，θ）が積分区間となり、

【００４５】

【数１】

【００４６】となる。（４）式に示したように、投影デ
ータｐ（Ｘ，θ）は、仮想経路（Ｘ，θ）に沿った音速
分布ｆ（ｘ，ｙ）を投影したものである。前述のステッ
プ１２２では、（２）式の演算を所定方向に平行な全て
の仮想経路（Ｘ，θ）（すなわち、距離Ｘが異なり傾き
θが等しい全ての仮想経路）について各々行うので、角
度θが同一の投影データｐ（Ｘ，θ）の集合（平行な投
影データ：parallel projection data）が得られること
になる。

【００４７】次のステップ１２４では全ての方向につい
て投影データｐ（Ｘ，θ）を演算したか否か判定する。
判定が否定された場合にはステップ１１６に戻り、ステ
ップ１２４の判定が肯定される迄、ステップ１１６〜１
２４を繰り返す。全ての方向について仮想経路（Ｘ，
θ）の投影データｐ（Ｘ，θ）の演算を完了すると（な
お全ての方向について仮想経路（Ｘ，θ）の投影データ
ｐ（Ｘ，θ）を演算することは、一般にラドン（Radon)
変換と称されている）、これらの投影データ（Ｘ，θ）
に基づき、フーリエ領域再構成法やフィルタ処理データ
の逆投影法、２次元フィルタリング法等の短時間で演算
可能な演算方法を適用することで、被測定空間２４内の
温度分布を演算することが可能となる。

【００４８】このため、ステップ１２４の判定が肯定さ
れるとステップ１２６へ移行し、先のステップ１２２に
おいて全ての方向について演算した投影データｐ（Ｘ，
θ）に基づいて、被測定空間２４内の温度分布を演算す
る。このステップ１２６は請求項２に記載の環境状態演
算手段に対応しており、以下では、投影データに基づい
て温度分布を演算する演算方法の一例として、フーリエ
領域再構成法について説明する。

【００４９】音速分布ｆ（ｘ，ｙ）の２次元フーリエ変
換をＦ（ｕ，ｖ）とすると、

【００５０】

【数２】

【００５１】フーリエ変換は上記（５）式で定義され
る。また、Ｆ（ｕ，ｖ）からの２次元フーリエ逆変換
は、

【００５２】

【数３】

【００５３】上記（６）式で定義される。一方、直交座
標系ｘ−ｙと直交座標系Ｘ−Ｙとの間には、以下の
（７）式の関係が成り立つ。

【００５４】 ｘ＝Ｘｃｏｓθ−Ｙｓｉｎθ ｙ＝Ｘｓｉｎθ＋Ｙｃｏｓθ …（７） （７）式より、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）は次の（８）式で
表すことができる。

【００５５】 ｆ（ｘ，ｙ）＝ｆ（Ｘｃｏｓθ−Ｙｓｉｎθ，Ｘｓｉｎθ＋Ｙｃｏｓθ） ＝ｆ'(Ｘ，Ｙ） …（８） なお、ｆ'(Ｘ，Ｙ）はｆ（ｘ，ｙ）を原点Ｏ周りに角度
−θだけ回転させることで得られる関数である。（８）
式を用いて（５）式のフーリエ変換の定義式を変数変換
すると、

【００５６】

【数４】

【００５７】となる。また、空間周波数領域において
も、実領域と同様に、座標系（ｕ，ｖ）に対して原点周
りに角度θだけ回転させることで得られる座標系を座標
系（Ｕ，Ｖ）とすると、先の（７）式と同様に、 ｕ＝Ｕｃｏｓθ−Ｖｓｉｎθ ｖ＝Ｕｓｉｎθ＋Ｖｃｏｓθ …（10） また Ｕ＝ｕｃｏｓθ＋Ｖｓｉｎθ Ｖ＝−ｕｓｉｎθ＋ｖｃｏｓθ …（11） の関係があり、（10）式よりＦ（ｕ，ｖ）は、 Ｆ（ｕ，ｖ）＝Ｆ（Ｕｃｏｓθ−Ｖｓｉｎθ，Ｕｓｉｎθ＋Ｖｃｏｓθ） ＝Ｆ'(Ｕ，Ｖ） …（12） と表すことができる。これらの式を（９）式に代入する
ことにより、次の（13）式を得ることができる。

【００５８】

【数５】

【００５９】（13）式より、実領域において回転した物
体（この場合は音速分布ｆ（ｘ，ｙ))のスペクトルは、
元の物体のスペクトルを同じ角度だけ回転したものと同
じになることがわかる。

【００６０】（７）式及び（８）式によれば、投影デー
タｐ（Ｘ，θ）に関する（４）式は次の（14）式のよう
に表すことができる。

【００６１】

【数６】

【００６２】なお、（14）式では音速分布ｆ（ｘ，
ｙ）、すなわちｆ'(ｘ，ｙ）が被測定空間外では０であ
るため、積分区間を±∞に拡大している。また、投影デ
ータｐ（Ｘ，θ）のＸ軸に関するフーリエ変換は、次の
（15）式で表すことができる。

【００６３】

【数７】

【００６４】（14）式を（15）式に代入すると、次の
（16）式が得られる。

【００６５】

【数８】

【００６６】（16）式は先の（13）式においてＶ＝０と
したときの式に一致するので、 Ｐ（Ｕ，θ）＝Ｆ'(Ｕ，０） が成り立つ。

【００６７】このように、傾きθが同一の全ての仮想経
路の投影データｐ（Ｘ，θ）に対して、（15）式に従っ
てＸ軸に関するフーリエ変換（１次元フーリエ変換）を
行った結果Ｐ（Ｕ，θ）は、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）の２
次元フーリエ変換Ｆ（ｕ，ｖ）のθ方向成分（フーリエ
変換Ｆ（ｕ，ｖ）のｕ軸に対して角度θだけ傾いた直線
（すなわちＵ軸）上の値）に等しい（これを２次元断層
定理（projection slice theorem）という）。

【００６８】従って、各方向について各々求めた投影デ
ータに対して各々フーリエ変換を行って座標系（ｕ，
ｖ）上に放射状に並べれば、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）の２
次元フーリエ変換Ｆ（ｕ，ｖ）を得ることができる。そ
して、このＦ（ｕ，ｖ）に対し、先の（６）式に従って
２次元フーリエ逆変換を行うことにより、音速分布ｆ
（ｘ，ｙ）を求めることができる。

【００６９】ステップ１２６では、まず上記で説明した
フーリエ領域再構成法、或いは公知のフィルタ処理デー
タの逆投影法や２次元フィルタリング法等の短時間で演
算可能な演算方法を適用して投影データｐ（Ｘ，θ）か
ら音速分布ｆ（ｘ，ｙ）を求める。次に、求めた音速分
布ｆ（ｘ，ｙ）から（３）式に基づいて被測定空間２４
内の各位置における音速ｖ（ｘ，ｙ）を演算し、音速ｖ
と音波が伝搬する媒体（空気）の温度Ｔとの関係を表す
次の（17）式に基づき、被測定空間２４内における温度
分布Ｔ（ｘ，ｙ）を演算する。

【００７０】 ｖ＝ 331.45 ＋ 0.607・Ｔ 〔ｍ／秒〕 …（17） 次のステップ１２８では、上記により得られた被測定空
間２４内の温度分布を、例として図７に示すコンターマ
ップ等の形態でディスプレイ１８に表示し、処理を終了
する。なお、ディスプレイ１８への表示に代えて、被空
調空間２４内の空気調和を行う空調装置に対し、被測定
空間２４内の温度分布及び湿度分布を表すデータを出力
するようにしてもよい。これにより、空調装置が被測定
空間２４に対し、例えば快適性と省エネルギーの双方を
満足する空気調和を行うことも可能となる。

【００７１】以上説明したように、本実施形態では、被
測定空間２４の周縁部に多数のノード１２を設け、仮想
経路上の被測定空間２４に重なっている区間（ノード１
２の間の測定対象区間）については、実際に音波を伝搬
させて伝搬時間ｔmnを測定し、被測定空間２４外の区間
（仮想スピーカとノード１２の間、及びノード１２と仮
想マイクロフォンの間の伝搬時間推定区間）について
は、被測定空間２４外の気温が所定温度であると仮定
し、空気が所定温度のときの音速ｖ₀ を用いて音波の伝
搬時間を推定し、伝搬時間の推定値ｔ（Ｘ，θ）を演算
しているので、被測定空間２４外にノード１２を多数設
けることなく投影データｐ（Ｘ，θ）を得ることがで
き、この投影データｐ（Ｘ，θ）に基づき、フーリエ領
域再構成法やフィルタ処理データの逆投影法、２次元フ
ィルタリング法等の短時間で演算可能な演算方法を適用
して被測定空間内の環境状態を演算することができる。
従って、環境状態測定装置１０の構成を簡単にすること
ができると共に、温度分布の演算に要する時間を短縮す
ることができる。

【００７２】なお、上記では音波の伝搬時間の投影デー
タから温度分布を演算していたが、これに限定されるも
のではなく、例えば壁体２２の壁面近傍の温度を温度セ
ンサによって測定し、壁面近傍の温度の測定値に基づい
て前記温度分布を補正するようにしてもよい。

【００７３】また、上記ではドーム球場等のように床面
が円形の被測定空間２４内の環境状態を測定する場合を
例に説明したが、本発明によれば、音波発生手段及び音
波検出手段を被測定空間の周縁部に設けることで被測定
空間内の温度分布を求めることができるので、一例とし
て図８乃至図１０にも示すように、任意の形状の空間を
被測定空間として採用して、任意の形状の空間内の温度
分布を求めることができる。なお、図８乃至図１０では
ノードを特に示していないが、ノードは、例えば各図に
示した仮想経路と、被測定空間の周縁と、の交点に相当
する箇所に各々配置すればよい。

【００７４】また本発明は、例えば図１１に示した中央
部が括れている形状等の複雑な形状の空間にも適用可能
である。複雑な形状の空間を被測定空間とする場合に
は、例えば図１１に被測定空間Ａ、Ｂとして示すよう
に、被測定空間を複数の空間に分割し、各空間の周縁部
に各々ノードを配置すると共に、各空間毎に別々に仮想
経路を設定し（図１１の仮想経路Ａ、Ｂ参照）、各空間
毎に独立に温度分布を演算した後に、前記複数の空間の
境界部において温度分布が滑らかに変化するように、各
空間毎に独立に演算した温度分布を各々補正すればよ
い。これにより、被測定空間が複雑な形状であっても、
該空間の温度分布を求めることができる。

【００７５】更に、上記では環境状態として温度分布の
みを演算する場合を例に説明したが、これに限定される
ものではなく、複数種の周波数の音波について減衰量を
各々測定して減衰率分布を求めることにより、被測定空
間内の湿度分布も併せて演算したり、他の環境状態の演
算も行うようにしてもよい。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように請求項１及び請求項
２記載の発明は、仮想経路上の被測定空間に重なってい
る区間の音波の伝搬時間を実際に音波を伝搬させて測定
すると共に、被測定空間外の区間の音波の伝搬時間を被
測定区間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定し
て推定し、 所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の
音波の伝搬時間の推定値に基づき、所定方向についての
音波の伝搬時間の投影データを求めることを、複数の方
向について各々行って被測定空間内の環境状態を演算す
るので、被測定空間内の温度分布等の環境状態を測定す
ることを簡易な構成で実現することができる、という優
れた効果を有する。

【００７７】請求項３記載の発明は、請求項２の発明に
おいて、特定のノードの音波発生器から音波を発生さ
せ、該発生した音波を他の複数のノードの音波検出器で
同時に検出することを、音波発生器から音波を発生させ
るノードを切り替えながら繰り返して音波の伝搬時間を
測定するので、上記効果に加え、音波の伝搬時間の測定
に要する時間を短縮することができる、という効果を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態に係る環境状態測定装置の概略構成
を示すブロック図である。

【図２】ノードの配置を示す被測定空間の平面図であ
る。

【図３】測定対象区間及び伝搬時間推定区間から成る仮
想経路を、被測定空間の平面図に重ねて示す概念図であ
る。

【図４】被測定空間に対して設定した直交座標系ｘ−
ｙ、各仮想経路を識別するための直線Ｓの距離Ｘ及び傾
きθを示す概念図である。

【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、伝搬時間データの測定順
序と、伝搬時間データの処理順序と、の関係を示す概念
図である。

【図６】ホストコンピュータで実行される温度分布演算
処理を示すフローチャートである。

【図７】被測定空間内の温度分布の表示例を示すイメー
ジ図である。

【図８】被測定空間の他の例を示す平面図である。

【図９】被測定空間の他の例を示す平面図である。

【図１０】被測定空間の他の例を示す平面図である。

【図１１】被測定空間の他の例を示す平面図である。

【図１２】医療用ＣＴ装置の技術を、ドーム球場等の建
築物内の空間の環境状態の測定に用いた場合の問題点を
説明するための、被測定空間の平面図である。

【符号の説明】

１０ 環境状態測定装置 １２ ノード １４ ホストコンピュータ ２４ 被測定空間 ３０ スピーカ ３２ マイクロフォン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる
   位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路
   を、互いに異なる複数の方向について各々設定してお
   き、 前記各仮想経路について、仮想経路上の前記被測定空間
   に重なっている区間の音波の伝搬時間を実際に音波を伝
   搬させて測定し、仮想経路上の被測定空間外の区間の音
   波の伝搬時間を被測定空間外が一定温度の媒質で満たさ
   れていると仮定して推定することにより、仮想経路上を
   音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値を各々求め、 所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時
   間の推定値に基づき、前記所定方向についての音波の伝
   搬時間の投影データを求めることを、前記複数の方向に
   ついて各々行い、 前記複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影
   データに基づいて被測定空間内の環境状態を演算する環
   境状態測定方法。
2. 【請求項２】 互いに異なる複数の方向について各々設
   定された、各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置
   で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路と、前
   記被測定空間の周縁と、の交点に相当する箇所に各々配
   置され、各仮想経路上の被測定空間に重なっている区間
   の音波の伝搬時間を各々測定する伝搬時間測定手段と、 前記各仮想経路について、仮想経路上の被測定空間外の
   区間の音波の伝搬時間を、被測定空間外が一定温度の媒
   質で満たされていると仮定して各々推定する伝搬時間推
   定手段と、 前記伝搬時間測定手段によって測定された伝搬時間及び
   前記伝搬時間推定手段によって推定された伝搬時間から
   求まる各仮想経路を音波が伝搬するときの伝搬時間の推
   定値に基づき、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々
   の音波の伝搬時間の推定値から前記所定方向についての
   音波の伝搬時間の投影データを求めることを、前記複数
   の方向について各々行う投影データ演算手段と、 前記複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影
   データに基づいて被測定空間内の環境状態を演算する環
   境状態演算手段と、 を含む環境状態測定装置。
3. 【請求項３】 前記伝搬時間測定手段は、音波を発生す
   る音波発生手段、及び到来した音波を検出する音波検出
   手段を備えたノードが、前記交点に相当する多数箇所に
   各々設けられて構成されており、特定のノードの音波発
   生手段から音波を発生させ、該発生した音波を他の複数
   のノードの音波検出手段で同時に検出することを、音波
   発生手段から音波を発生させるノードを切り替えながら
   繰り返すことにより、前記各仮想経路上の被測定空間に
   重なっている区間の音波の伝搬時間を測定することを特
   徴とする請求項２記載の環境状態測定装置。