JPS60135772A - 信号分析装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は信号のフーリエ分析を行なう分析装置に係り、
特に二つのスペクトルを相互に比較する場合に好適な信
号分析装置に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、信号を分析する装置にはフーリエ変換に基づ（ス
ペクトルアナライザーがある。これを用いると、入力信
号に対するサンプリング周波数、データの総数を適宜設
定出来るので、必要な周波数範囲、分解能を得ることが
出来る。

また、入力信号の特定個所を所定の周波数範囲にわたり
、一度に分析出来るため、広く一般に用いられている。

二つの信号のフーリエスペクトルを比較する必要が生じ
た場合には、グラフィックディスプレイあるいはＸ−Ｙ
プロッタに二つの％注油線を重ねて表示し、その相違を
検討した。このため、スペクトルアナライザーには２Ｃ
五以上の入力装置を用意して遂次フーリエ変換を行ない
、結果を表示する。この場合一般に、入力信号（時間−
の振幅データ）において平均化処理を行なう。この平均
化は、ある時間範囲の振幅データを繰返えしアナライザ
ーに取込み、平均櫃蘂計算するものである。計算法には
、ある取込み回数ま、での算術平均値をめる遂次加重平
均、あるいは新しいデータはど全体に占めるつ□エイト
が高くなる主りスポネンシール、アベレージングなどが
ある。これ等の計算により、入力信号の特性が時間的［
’Ｗ化している場合においても、全周波数域にわたる平
均値−を得て比較的正確な相互比較が出来る。時間軸に
おける平均計算によると、波形の振幅の平均値がまると
同時に全周波数域例わたる平均値がめられる。これに対
して、周波数軸における平均計算は、直接フーリエスペ
クトルを嫉うことが出来るため、もとの信号振幅の時間
的変動とは独立にフーリエスペクトルそのものの平均値
をめることが出来る。たとえば、二つの信号のうち、第
１のフーリエスペクトルを比較基準にして第２の信号に
おけるフーリエスペクトルを比較する場合、ある周波数
域の平均値を一致させ、その他の周波数域における二つ
の）−リエスペクトルの比が１以外の値になる場合に第
２のスペクトル値にウェイトを付ける。この第２の信号
の取込みと計算を遂次複数回繰り返えし、第１と第２の
信号のフーリエ−スペクト、　ルの実質的な相違を拡さ
して抽出することが可能である。このような計算祇理法
は前記の時間軸における平均計算では不可能である。

周波数軸上における平均化処理は、もとの信号の振幅□
値とかかわりな（スペクトルの平均値をめたい場合、あ
るいは比較基準のスペクトルをあらかじめ標準スペクト
ルとしてメモリーに記憶して、おき、新たに、測定した
スペクトルと、の相違を門出害る場合に有効である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来の時間軸における平均計
算によっては得られない分析計算法として、基準のスペ
クトルに対して、新たに測定されたスペクトルの相違個
所を拡大するーことにより、相違個所の評価を容易にし
た信号分析−装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

ここ、では、まず本装置で行なう計算法について説明し
、次いで実施例により装置の構成について説明する。

以下、本発明の信号分析装置における計算法の原理を第
１図により説明する。図の直線αは比較基準となるスペ
クトルであり、ここでは直線としている。スペクトルｂ
、は、測定対象信号（以下サンプル信号と言う、）のフ
ーリエスペクトルであり、第１回目の色号取込みとフー
リエ変換の結果、得られたスペクトルであり、周波数ｆ
１　とへの間でスペクトルαとスペクトルＡ。

の平均振幅レベルをあら力傅め０ｔＬＥに基準化してい
る。次に第２回目の信号取込みとフーリエ変換の結果、
スペクトルｂ、が得られたとする。

いま、スペクトルαの振幅、値を５Ｃｆ）　、スペクト
、ルｈＩの振幅値をＢ１（ｆ）、スペクトル値＿の振幅
値をＢ、　Ｃｆ）として、次式を用いてスペクトルｈｓ
のスペクトル値Ａ、、Ｃｆ）’にめる。

ＡＩ−＜ｆ＞　＝　Ｂｔ　（７）　（１）ここで、ｆは
周波数を表わす。式＋１１　ｆ２１を対数化すると１．
スペクトルｈｓのレベルＬ、　Ｃｆ）は次式のように表
わされる。

２０１０１Ａ１（ｆ）　＝　２０Ｊｃ＋ｐＢ、　（ｆ）
　ｆ３１Ｌｔ　（ｆ）　＝　２ｏ、ｌｏ　ｇｅｔ　Ｃｆ
　）すなわち、式（１）で最初に取込んだスペクトルＢ
１（ｆ）をＡｌ　Ｃｆ）と定義し、式（２）で２番目に
取込んだスペクトルＢｔ　Ｃｆ’）を用いて、二つの振
幅の比Ｂ、　Ｃｆ）／５Ｃｆ）をめ、Ｃ乗した後ＡＩ　
（ｊ）と・の槓をめる。これをスペクトルＡ、　（ｆ）
とする、。

ここで１．定数Ｃは二つの振幅比の拡大率を表わしてい
て、Ｃ＝ｔと定義すれば、二つの信号の変化分だけ加算
される。比較基準の信号に対してサンプル信号の変化分
が比較的大きな場合には、たとえばｃ　＝　ｏ、５のよ
、うに定義して、加算された結果が大きくなり遇ぎない
ように、脚整することか可能である。

信号がＭ回取込まれた後の振幅レベルＬＭは次式で表わ
される。

ＢＭＣｆ） ＬＭ　＝　２０１！０　ｇ）Ｍ−１−１−２０，Ｃ，１
０ｆｗｙＴ（５）信号を２回取込む図１の例においては
、Ｃ＝１と定義して信号スペクトルｂ１とす、からスペ
クトルｂｓを得る。スペクトルｈｓは周波数が４以上で
スペクトルαより振幅レベルが低いことがわかる。その
他の周波数域では、振幅レベルの変化は零である。また
、変化の大きさは、信号を２回計算処理していることか
ら、実際には、１／２である。この計算によれば、信号
の取込みごとに、変化の傾向が異なる周波数域における
振幅の変化分は零に近づき、一定の変化が存在する場合
には、計算ごとに変化分は拡大する。また、あらかじめ
、ある周波数範囲におけるスペクトルの平均値でスペク
トル全体を基準化しておけば、それ以外の周波数域にお
けるスペクトルの変化を調べることが可能である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図により説明する。

第２図は本発明の信号分析装置の概略ブロック図である
。図において、１は無響室あるいは防音室と呼ばれるも
ので、この中に測定対象物Ｔを置く。無響室１は外来の
騒音を極力排除するために設けるものである。マイクロ
ホン２によって、サンプルＴの音響信号を検出する。検
出された信号は、マイクアンプ５、測定用アンプ４によ
り、信号を所定の振幅にしてインタフェイス５へ入力さ
れる。インターフェイス５により、アナログ信号を所定
のサンプリング周波数でサンプリングしてディジタル信
号へ変換する。

ディジタル化された信号は本発明の装置１００のメモリ
ーへ記録される。記録が終ると、このデータをもとにし
て、フーリエ変換および本発明における計算を実行する
。計算が終了すると、グラフィックディスプにイ６ある
いはＸ−Ｙプロッ□り７に結果を表示する。

次に、本発明の装置１ム０を第°５図を用いて説明する
。図において、インターフェイス５により、アナログ信
号がディジタル化された後、これを一旦ランダムアクセ
スメモリ（ＲＡＭ　）　ａにストアする。

ＲＡＭ８より読出された信号は、離散的フーリエ変換（
ＤＦＴ　）の計算を行なうＤＦＴプロセッサー９によっ
てフーリエ変換される。これ等はリードオンリーメモリ
（ＲＯＭ　）　２０に記録されたプログラムに従って遂
次行なわれる。インターフェイス５におけるサンプリン
グ周波数、データの総数などは、あらかじめコントロー
ルパネル１９において設定され、その情報はＲＯＭ２　
ｏのプロ］グラムが伝達する。ＤＦＴプロセッサー′９
における計算条件に対しても同様である。

ＤＦＴプロセッサー９の次段はアナログスイッーチ１０
であり、ここで信号の経路を二つに分ける。

経路２１は比較基準のスペクトルを形成する処理、・回
路べ信号を導（ものであり、経路２２はサンプルの信号
を導くものである。コントロールパネル１９によって経
路２１が選択されｔ本のｉ−１飴げＤＦＴプロセンサー
９の出力信号は７−リエスペクトルの振幅値を基準化す
る演算回路１１へ入力される。演算回路１１では、コン
トロールパネル１９において指示された周波数範囲にお
ける振幅の平均値、あるいはポイント周波数における振
幅値を１．０として他の周波数域の振幅値を基準化する
。演算回路１１の出力信号は、ある取込み回数までの算
術平均値をめる遂次加重平均面％１２へ入力される。信
号の取込み回数は、あらかじめコントロールパネル１９
において指定され、その情報はＲＯＭ２０におけるプロ
グラムによりコントロールされて、インターフェイス５
から遂次加重平均回路１２に到る計算処理を繰り返す。

割算されたスペクトルは、１（ＡＭ１５にストアされる
。

次に、これまでの計算処理の内容を第４図のフローチャ
ートを用いて詳しく説明する。第４図において○で囲ま
れた数字はステップを示す。

図において、第１ステツプから第５ステツプにいたる計
算は、比較基準となるスペクトル′ｆａ：４くものであ
る。第１ステツプでは、アナログ信号をサンプリングし
ている。本実施例における一例では、サンプリング周波
数は２０．４８ＫＨｚ　、サンプルデータの総数は２０
４８個である。その結果測定対象が発生する音響信号を
０．１秒間記録することになる。記録を終えると計算を
開始する。

第２ステツプでは、２０４８個のデータに対して次式の
ような離散的７−リエ変換を行なう。

′　２ ここで、ｙ（ａ）は時間軸における振幅のデータであり
、第５図５のインターフェイスで取込み、ＲＡＪＶ＋４
６に記録されているデータである。Ｎはデータの総数で
ある。右辺の第２項はハニングオペレーションと呼ばれ
る重み関数である。ここで、ｘ（Ｋ）における奇数項は
実数を、偶数項は虚数を表わすように計算されるので、
次式により７−リエスペクトルをめる。

Ｚ（ｉ）　＝　、ｚ’　（ｉ　）　−１−、ｚ’　（ｉ
−１−１）　（７１ｉ＝１３５　・・・　・・・　−１ ２ Ｎは２０４８個であるから、Ｚｉの総数は１０２４個で
ある。また、サンプリング周波数は２０．４８ＫＨ２で
あるから、フーリエスペクトルの周波数の上限は１０２
４ＤＨ２となる。したがって、２ＱＨ３の間隔ごとに振
幅値が並ぶことＶＣなる。

次にステップ（３）では、フーリエスペクトルの値を基
準化する。基準化の方法の一つは、次式により全スペク
トル値の二乗和の平方根で個々のスペクトル値を割るの
である。

α（ｉ）　＝　−（Ｌ）　／αＴ（９）また別の方法と
して、ある周波数範囲を指定して１番目からｍ番目のス
ペクトル値の平均値で基準化する。すなわち、 α（ｉ）＝α（Ｌ）／α　ａυ Ｍ　Ｔ である。

第４ステツプにおける平均値の計算は、次式の遂次加算
平均による。

α（ｉ）−α　（ｉ）十壁仕り２犯訂９　圓Ｍ　Ｊ／−
１Ｍ ここで、ＺＭ（ｉ）はｙ回目のデータ取込みとＤＦＴに
よって得られるフーリエスペクトルであり、６Ｍ（ｉ）
とα、−１（ｔ）は平均値を表わしている。

第５ステツプでは計算回数を評価し、所定の回数の計算
が終了すると、第６ステツプから第１０ステツプにいた
るサンプル信号のサンプリングと計算に移行する。この
移行は、第５図のコントロールパネル１９により指示す
ることによって行なわれる。

次Ｋ、再び第３図により、比較を必要とするサンプル信
号の計算処理回路について説明する。

コントロールパネル１９により、サンプルの信号処理が
開始されると、インターフェイス５からＤＦＴプロセッ
サー９に到る前記と同じ計算が行なわれる。アナログス
イッチ１０は、経路２２と接続されているため、ＤＦＴ
プロセッサー９の出力信号は演算回路１４に入力され、
コントロールパネル１９によって指示された、ある周波
数範囲の平均値、あるいはポイント周波数における振幅
値を１．０として、他の周波数における振幅値を基準化
する。基準化の演算回路１４の出力信号は、演算と対数
化回路１５に入力され、ここで式（５）におけル２０　
、Ｃ，ｌｏｇ（ＢＭ（ｆ　）　、／Ｓ（ｆ　）　、　Ｍ
　）　２　ｉ７）　計算力実行される。第１回月の信号
取込みにおける計算の結果は、加算回路１６において基
準スペクトルに加算され、ＲＡＭ１７にストアされる。

２回目以上の信号の取込みと計算においては、演算と対
数化回路１５の結果は、加算回路１６によって、ＲＡ　
Ｍｌ　７のスペクトル値に加算することになる。。

所定の回数の信号取込みと計算が終了すると、ＲＯＭ１
８にストアされている周波数の情報とスべクトル値が糾
み合わされ、グラフィックディスプレイ６Ｖｃ表示され
る。ＲＡＭ１７には、票１５にストアされている基準ス
ペクトル、加算回路１６による計算結果、ＲＯＭ１８に
ストアされている周波数の情報の５種のデータをストア
して、ＲＯＭ２０のグラフィックプログラムの指示を待
つのである。

次に、再び第４図により基準スペクトルと比較を必要と
するサンプル信号の計算フローを説明する。第６．第７
ステツプの計算は前記第１第２ステツプの計算と同じで
ある。第８ステツプは、スペクトルの基準化計算である
が、第６ステツプの計算と同じである。第９ステツプで
は、前記したような基準スペクトルと新たに測定された
信号のスペクトルの比が計算され、対数化した後、一つ
前の信号取込みにおける計算結果に加算される。第１０
ステツプでは、信号取込みの回数を評価する。たとえば
、あらかじめＪ＝ｓと指示しておけば、５回目の計算が
実行されると、グラフィックプログラムへ移行するので
ある。

上記の実施例においては、周波数軸上で平均計算を行な
って基準スペクトルを作成したが、従来から一般に行な
われているように、時間軸上で平均値をめてもよい。第
５図は時間軸における遂次加算平均を行なうための計算
フローである。遂次加算平均そのものは次式で表わされ
る。

バ鏝を立ユω　［３ ＹＭ（ｉ）　：　ＹＭ、（ｉ）　＋ ここで、ｙＭ（’　）は時間軸の３番目のデータにおけ
るＭ回目の信号取込みによる振幅値であり、ＹＭ（ｉ）
はＭ回目のＹＭ−１（ｉ）はＭ−１回目の平均値を表わ
している。

以上の計算処理によって得られるスペクトルの例を第６
図に示す。第６図（Ａ）では、基準スペクトルαとサン
プル信号の第１回取込みにより得られたスペクトルｂが
示されている。二つの信号スペクトルは５００Ｈｚから
１ＫＨｚにおいて平均レベルが一致するように基準化さ
れている。

第６図（Ｂ）はサンプル信号を５回取込み、計算した結
果を示している。実質的なスペクトルの差は５ＫＨｚ以
上に存在することがわ”かる。

次に、上記の実施例ではフーリエスペクトルそのものに
対する計算例を示したが、周波数軸のある区間に存在す
る複数個のフーリエスペクトル値を１個の値で代表させ
、もとのスペクトル値の個数よりはるかに少ない個数で
表現したスペクトルに対１−．て平均化その他の計算を
行なってもよい。このような例として、オクターブ分析
スペクトルがある。これは、対数化された周波数軸を等
間隔に分割し、この区間にはいるフーリエスペクトル値
から次式により代表値を定める。

発 すなわち　Ｍ回目の信号取込みとＤＦＴ計算により得ら
れるフーリエスペクトルαＭＣｊ）を周波数軸上でノ＝
Ｐからｊ＝ｔにわたる二乗和をめて、その周波数区間に
おける中心周波数のエネルギーとするのである。たとえ
は、５１２個のフーリエスペクトル値から５０個のエネ
ルギースペクトル値を得るのである。以上の計算処理は
基準信号とサンプル信号の両方に対して行ない、本発明
の計算処理を適用する。

また、本発明の詳細な説明した式（＋ｉから（４）の計
算式に対して、類似の式により同程度の効果を得ること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、二つの信号の振幅周波数特性を比較す
る場合、ある周波数域のフーリエスペクトル値を平均値
で一致させ、他の周波数域の変化分を複数回の信号取込
みと計算によって拡大するため、従来よりスペクトルの
変化を容易に評価出来ることになった　たとえば、サン
プルの信号を５回取込む場合を考えると、１ｃｔｓの差
がある場合には５ｄＢＶＣ拡大して表示されるため（Ｃ
＝１として計ｇ）、差は一目瞭然である。また、最小０
　、２ｄｎ程度の差かあれは、１ｄｎの差と【、て確証
出来ることになり、このような微小な差も評価出来るこ
とになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明したスペクトル図、第２図
は本発明の一実施例を示した機器ブロック図、第６図は
本発明の一実施例を示す回路ブロック図、第４図は本発
明の一実施例を示す計算の概略フローチャート、第５図
は同じく本発明の一実施例を示す計算の概略７０−チャ
−）、＠６図（Ａ）　、　（Ｂ）は本発明の分析計算に
よる結果の例を示した特性図である。 ５・・・インターフェイス、８，１５．１７・・・票、
１８．２０・・・識、９・・・ＤＦＴプロセッサー、１
０・・・アナログスイッチ、１１．１４・・・基準化回
路、１２・・・平均化回路、１．５・・・演算と対数化
回路、１６・・・加算回路、１９・・・コントロールパ
ネル、６・・・グラフィックディスプレイ。 、・　１代腎弁計　−“　′Ａ　ゞ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 時間的に振幅が変化する第１．第２の二組の信号のうち
   、第一の信号に対し、任意の回数だけ信号の取込みをす
   るとともに取込んだ信号をフーリエ変換して平均スペク
   トルを得る演算手段と、該平均スペクトルを比較基準ス
   ペクトルとなし、第２の信号に対し、任意の回数だけ信
   号の取込みをするとともに、取込んだ信号をフーリエ変
   換して複数個のスペクトルを得る演算手段と該複数個の
   スペクトルを一個ずつ上記基準スペクトルと比較して変
   化分′をめる演算手段と、該変化分のスペクトルを任意
   の割合で累積して上記第二の信号スペクトルを得る演算
   手段により、上記第一と第二の信号スペクトルの相違を
   拡大すること′４ｒ：特徴とした信号分析装置