WO2009110239A1 - 音響測定装置 - Google Patents

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sound
acoustic
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vector
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羽入敏樹
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Nihon University
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Nihon University
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10—Amplitude; Power
    • G01H3/12—Amplitude; Power by electric means
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
    • H04R1/40—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers
    • H04R1/406—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only by combining a number of identical transducers microphones

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic measurement device, and more particularly to an acoustic measurement device that calculates acoustic information such as acoustic intensity using a plurality of unidirectional microphones.
  • the sound intensity has been measured in order to evaluate noise and analyze sound propagation in a concert hall or the like.
  • the sound intensity is a vector quantity unlike the sound pressure, which is a scalar quantity, and includes not only information such as the volume, frequency, and waveform of the sound from the sound source, but also information on the direction of the sound. is there. That is, it is possible to measure not only the loudness but also from which direction the sound has arrived by the sound intensity.
  • Sound intensity is expressed by the product of sound pressure and particle velocity.
  • the sound pressure level can be easily measured, but the particle velocity cannot be easily measured. Therefore, in general, a method (PP method) is used in which two phase-matched omnidirectional microphones are arranged opposite to each other, arranged backwards, and the particle velocity is determined by finite difference approximation.
  • the PP method is difficult to handle because it is sensitive to the sensitivity difference and phase difference of the microphones, and the interval between the microphones must be strictly managed. Furthermore, it was necessary to change the interval between the microphones depending on the frequency of the sound from the sound source.
  • Patent Document 1 discloses an apparatus that can determine a sound source direction and a sound source level using a level difference database of microphones arranged in opposite directions of 180 degrees.
  • the inventor of the present application performs a predetermined calculation process using a receiving unit composed of a pair of unidirectional microphones whose directivities are arranged in opposite directions by 180 degrees on each axis of orthogonal coordinates.
  • a CC-type acoustic measurement device that detects the direction of sound emitted from a sound source without using a sound source has also been developed (Japanese Patent Application No. 2007-054909).
  • Such a C-C type acoustic measurement apparatus can solve the inconsistency of the inherent phase characteristics existing between the microphones and the frequency dependence of the distance between the microphones.
  • a pair of microphones using at least four unidirectional microphones (four channels) and arranged 180 degrees opposite to each other. are arranged so as to be orthogonal to each other in the x-axis direction and the y-axis direction around the origin of the coordinates.
  • at least six unidirectional microphones (6 channels) are used, and a pair of microphones arranged in the opposite directions of 180 degrees are arranged in the x-axis direction with respect to the origin of coordinates, y They are arranged so as to be orthogonal to the axial direction and the z-axis direction, respectively.
  • the conventional CC type acoustic measurement apparatus requires at least four microphones in two dimensions and at least six microphones in three dimensions.
  • a configuration that can be realized as inexpensively as possible is desired.
  • it is preferable that the number of microphones is as small as possible.
  • at least four microphones in two dimensions and six microphones in three dimensions are necessary. Development of the device was desired.
  • the present invention intends to provide an acoustic measurement device capable of reducing the number of microphones while solving the frequency dependence of the interval between microphones. It is another object of the present invention to provide an acoustic measurement device that can increase robustness by increasing the number of microphones.
  • an acoustic measurement device is a sound receiving unit having a plurality of unidirectional microphones, and the plurality of microphones are unit vectors that point in the maximum sensitivity direction. And a calculation unit that multiplies each unit vector by the measured values of the sound receiving unit and the plurality of microphones of the sound receiving unit, and calculates acoustic information using the vector synthesis. And.
  • the plurality of microphones of the sound receiving unit may be arranged so that the sum of the squares of the respective components of the respective unit vectors is equal.
  • the number of microphones of the sound receiving unit is larger than the number of spatial dimensions of the acoustic information to be calculated.
  • the measured value of each of the plurality of microphones in the sound receiving unit is the sound pressure
  • the calculation unit multiplies each unit vector by the sound pressure of each of the plurality of microphones to calculate a particle velocity vector that is a vector synthesis thereof. Anything to do.
  • the measured value of each of the plurality of microphones of the sound receiving unit is the sound pressure
  • the calculation unit further calculates a non-directional sound pressure that is the sum of the sound pressures of the plurality of microphones. It ’s fine.
  • the arithmetic unit may be any unit that calculates the sound intensity by multiplying the particle velocity vector and the omnidirectional sound pressure.
  • the measured value of each of the plurality of microphones of the sound receiving unit is the sound pressure
  • the calculation unit multiplies each unit vector by the square of the sound pressure of each of the plurality of microphones, and the sound intensity that is the vector composition.
  • a city may be calculated.
  • the sound receiving unit is composed of three microphones, and each microphone may be arranged so that each unit vector faces in a direction from the center of the triangle toward each vertex or from each vertex toward the center of gravity.
  • the sound receiving unit may be composed of four microphones, and each microphone may be arranged so that each unit vector faces in a direction from the center of gravity of the triangular pyramid to each vertex, or from each vertex to the center of gravity.
  • the plurality of microphones in the sound receiving unit may be any one of a cardioid microphone, a super cardioid microphone, a hyper cardioid microphone, and an ultra cardioid microphone.
  • the acoustic measurement device is a sound receiving unit having a plurality of unidirectional microphones, and the plurality of microphones are arranged so that the sum of unit vectors facing the maximum sensitivity direction is zero.
  • the sound receiving unit and a calculation unit that calculates the acoustic information by summing up the measured values of the plurality of microphones of the sound receiving unit may be provided.
  • the acoustic measurement device of the present invention has an advantage that the number of microphones can be reduced while solving the frequency dependence of the distance between the microphones. In addition, there is an advantage that robustness can be improved by increasing the number of microphones.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram when a sound field in which a single plane wave arrives at a sound receiving unit is assumed.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram when a sound field where a single plane wave arrives at the sound receiving unit is interpreted as a vector.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the configuration of the acoustic measurement apparatus of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a first embodiment of the acoustic measurement apparatus of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining a second embodiment of the acoustic measurement apparatus of the present invention.
  • FIG. 6 is a simulation result of the second embodiment of the acoustic measurement device of the present invention when the direction of arrival of the sound from the sound source is changed with respect to the horizontal angle.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram when a sound field in which a single plane wave arrives at a sound receiving unit is assumed.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram when a sound field where a single plane wave arrives at
  • FIG. 7 is a simulation result of the second embodiment of the acoustic measurement device of the present invention when the direction of arrival is changed with respect to the elevation angle.
  • FIG. 8 is a simulation result of obtaining the absolute value of the sound intensity by the second embodiment of the sound measuring apparatus of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram when a sound field in which a single plane wave arrives at a sound receiving unit is assumed. As illustrated, assuming a sound field in which a single plane wave P (t) arrives at an angle ⁇ with respect to the x direction, the particle velocity u (t) in the sound field traveling direction is expressed by the following equation. Where ⁇ c is acoustic impedance.
  • the particle velocity u x (t) in the x direction is expressed by the following equation.
  • the x direction component of the sound intensity is expressed by the following equation.
  • Equation 7 Comparing Equation 7 with Equation 2, it can be seen that the particle velocity u x (t) in the x direction is obtained from the difference between the responses of the microphone 1 and the microphone 2 as in the following equation.
  • the sound intensity component in the x direction is expressed as follows.
  • Equation 9 can also be expressed as follows.
  • the sound intensity component in each direction may be obtained in the same manner as the above-described theory, and if the sound intensity component in each direction is synthesized. , The sound intensity I (t) is obtained.
  • the sound intensity component of each dimension is obtained by the difference and addition of the microphone pair of each dimension.
  • the sound intensity is obtained based on such a theory.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram when a sound field where a single plane wave arrives at the sound receiving unit is interpreted as a vector.
  • unit vectors e 1 to e 4 that point in the direction of maximum sensitivity of the microphone as shown.
  • the unit vector e 1 in which the maximum sensitivity direction of the microphone is directed on the x-axis of the orthogonal coordinates has a component of (1, 0).
  • n is the number of microphones (number of channels)
  • K is a particle velocity normalization coefficient that varies depending on the number of channels and the type of microphone.
  • the particle velocity vector is expressed as a vector synthesized by multiplying (weighting) each measured value of a plurality of microphones by each unit vector. That is, when the particle velocity vector is calculated as the acoustic information, each unit vector is multiplied by the sound pressure of each of the plurality of microphones, and this is vector-synthesized.
  • the omnidirectional sound pressure is expressed as the sum of the sound pressures of the plurality of microphones. That is, when calculating omnidirectional sound pressure as acoustic information, the sum of sound pressures of a plurality of microphones may be obtained.
  • the sound intensity is represented by the product of the particle velocity vector thus obtained and the omnidirectional sound pressure. That is, when the sound intensity is calculated as the sound information, the particle velocity vector and the omnidirectional sound pressure may be multiplied.
  • the sound intensity I (t) is expressed by the following equation.
  • G is a normalization coefficient that varies depending on the number of channels and the type of microphone.
  • the acoustic intensity can be directly calculated without obtaining the particle velocity vector when the square sound pressure is considered. That is, when calculating the sound intensity as the sound information, each unit vector is multiplied by the square sound pressure, and this is vector-synthesized.
  • the vector synthesis method of the CC type acoustic measurement device may be performed according to such a theory. Note that vector synthesis includes not only adding vectors but also subtracting from the opposite direction.
  • unit vectors facing the maximum sensitivity direction of each microphone must be spatially balanced. That is, a plurality of microphones are arranged so that the sum of each unit vector becomes zero.
  • the contribution of each dimension is equal as expressed in the following equation. That is, it is arranged so that the sum of the squares of the components of the unit vectors of the plurality of microphones is equal.
  • the number of microphones should be larger than the number of spatial dimensions of the calculated acoustic information vector.
  • the vector synthesis method of the acoustic measurement device of the present invention can be used.
  • the condition of (2) is not necessarily essential, and even if the microphone placement is such that the contribution of each dimension is not equal, it can be dealt with by appropriately correcting if the condition of (1) is satisfied. It is.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining the configuration of the acoustic measurement apparatus of the present invention.
  • the acoustic measurement device of the present invention mainly includes a sound receiving unit 10 and a calculation unit 20.
  • the sound receiving unit 10 has a plurality of microphones, and each microphone has unidirectionality.
  • each of the plurality of microphones is configured such that the sum of unit vectors facing the maximum sensitivity direction becomes zero and each component of each unit vector. Are arranged so that the sum of the squares of is equal. The arrangement positions of the plurality of microphones will be described later.
  • the microphone has unidirectionality. More specifically, these include a cardioid microphone, a super cardioid microphone, a hyper cardioid microphone, an ultra cardioid microphone, and the like. Note that the response (sound pressure) characteristics measured by each microphone may be appropriately changed according to the difference in the directivity characteristics of the microphones used.
  • the information measured by the sound receiving unit is sent to the calculation unit 20.
  • the computing unit 20 is composed of a computing device such as a personal computer or a digital signal processor (DSP).
  • the calculation unit 20 calculates omnidirectional sound pressure, particle velocity vector, and sound intensity according to the application of the sound measurement device and the like. For example, when the omnidirectional sound pressure is obtained, the sound pressures of the plurality of microphones may be summed using Equation 11. Further, when obtaining the particle velocity vector, the sound pressure of each of the plurality of microphones is multiplied by each unit vector by using Equation 12, and the vector synthesis is performed. Furthermore, when obtaining the sound intensity, the particle velocity vector and the omnidirectional sound pressure may be multiplied. These may be calculated in combination as appropriate.
  • the arithmetic unit 20 uses Equation 14 to square the sound pressure of each of the plurality of microphones, multiply the squared sound pressure by each unit vector, and obtain a sound intensity by performing vector synthesis. May be.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the sound receiving unit of the first embodiment of the acoustic measurement apparatus of the present invention.
  • the acoustic measuring device of the first embodiment is for measuring two-dimensional acoustic information.
  • the microphones constituting the sound receiving unit are composed of three microphones, a first microphone 11, a second microphone 12, and a third microphone 13.
  • an arrow pointing in the direction of maximum sensitivity of the microphone represents a unit vector.
  • Each microphone is arranged so that each unit vector faces in a direction from the center of gravity of the triangle toward each vertex.
  • the direction of the unit vector may be reversed.
  • the microphones may be arranged so that the unit vector faces in the direction from each vertex of the triangle toward the center of gravity.
  • the plurality of microphones are arranged so that the sum of the unit vectors facing the maximum sensitivity direction becomes zero and the sum of the squares of the respective components of each unit vector is equal. If there are three microphones, the unit vectors are arranged in the direction from the center of gravity of the regular triangle toward each vertex.
  • the acoustic measurement apparatus of the present invention it is possible to interpret a sound field as a vector by adopting such a microphone arrangement.
  • the acoustic measurement device of the present invention requires a minimum of four microphones for measuring two-dimensional particle velocity vectors and acoustic intensity in the past. It will be enough. Even in such a configuration, the particle velocity vector and the sound intensity can be easily obtained by using the equations 12 and 13.
  • the number of microphones is not necessarily limited to three, and four, five, or more can be used depending on the application.
  • the four microphones satisfying the above conditions (1) to (3) are arranged at right angles in the x-axis direction and the y-axis direction with the microphone pair arranged in the opposite direction of 180 degrees centering on the origin of the coordinates. It will be arranged to do.
  • the configuration that can ignore the inconsistency of the inherent phase characteristics existing between the microphones is when four or more microphones are used. Therefore, strictly speaking, in the case of a sound receiving unit composed of three microphones, a measurement error due to a mismatch in phase characteristics may occur, but a sufficient effect can be obtained as compared with the conventional PP method.
  • the interval between the plurality of microphones is not affected as long as it is a single plane wave sound field, but in the case of a plurality of interference sound fields, the interval is preferably close.
  • the sound receiving unit may be configured using a number of microphones. Therefore, if the sound receiving unit is configured by using a large number of microphones, even if one microphone breaks down, the function as an acoustic measurement device can be ensured to some extent although the measurement accuracy is lowered. Therefore, it can be applied to uses where robustness is required.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the sound receiving unit of the second embodiment of the acoustic measurement apparatus of the present invention.
  • the acoustic measurement device of the first embodiment is for measuring two-dimensional acoustic information
  • the acoustic measurement device of the second embodiment is for measuring three-dimensional acoustic information.
  • the microphones constituting the sound receiving unit are composed of four microphones: a first microphone 21, a second microphone 22, a third microphone 23, and a fourth microphone 24.
  • an arrow pointing in the direction of maximum sensitivity of the microphone represents a unit vector.
  • Each microphone is arranged so that each unit vector faces in a direction from the center of gravity of the triangular pyramid (tetrahedron) toward each vertex.
  • the direction of the unit vector may be reversed.
  • the microphones may be arranged so that the unit vector faces in a direction from each vertex of the triangular pyramid toward the center of gravity.
  • the plurality of microphones are arranged so that the sum of the unit vectors facing the maximum sensitivity direction becomes zero and the sum of the squares of the respective components of each unit vector is equal.
  • the unit vectors are arranged in the direction from the center of gravity of the regular tetrahedron to each vertex.
  • the sound field can be interpreted as a vector, and at least six microphones for measuring a three-dimensional particle velocity vector and acoustic intensity are conventionally required. Only a minimum of 4 is enough. Even in such a configuration, the particle velocity vector and the sound intensity can be easily obtained by using the equations 12 and 13.
  • FIG. 6 shows a simulation result of the second embodiment of the acoustic measurement device of the present invention when the direction of arrival of the sound from the sound source is changed with respect to the horizontal angle.
  • the horizontal axis represents the actual sound arrival direction
  • the vertical axis represents the sound arrival direction based on the calculation result.
  • FIG. 7 is a simulation result of the second embodiment of the acoustic measurement device of the present invention when the direction of arrival is changed with respect to the elevation angle.
  • the horizontal axis is the actual sound arrival direction
  • the vertical axis is the sound arrival direction according to the calculation result.
  • FIG. 8 is a simulation result of obtaining the absolute value of the sound intensity in the configuration of the second embodiment of the sound measuring apparatus of the present invention.
  • the horizontal axis is the actual direction of arrival of the sound
  • the vertical axis is the absolute value of the sound intensity according to the calculation result.
  • the three-dimensional arrival direction can be analyzed with high accuracy. It can also be seen that the absolute value of the sound intensity is the same regardless of the direction of arrival of the sound, and the analysis can be performed without deviation with respect to the direction of the sound source.
  • the measurement theory based on the CC method is interpreted as a vector, and therefore there is no frequency dependency of the distance between the microphones, which is an effect of the CC method. Furthermore, since it is not necessary to arrange a plurality of microphones on each axis of orthogonal coordinates in the opposite direction of 180 degrees, the number of microphones can be reduced.
  • the microphones it is not necessary to arrange the directivities of the microphones 180 degrees opposite to each other, and the microphones can be arranged obliquely, so that the microphones are usually placed at positions facing the sound receiving side of the microphones.
  • the provided terminals are difficult to physically interfere with each other. Therefore, the microphone can be easily arranged and downsized.
  • the number of microphones is not necessarily limited to four, and five, six, or more can be used depending on the application.
  • the arrangement positions of the six microphones satisfying the above conditions (1) to (3) are the microphone pairs arranged in the opposite directions of 180 degrees, with the origin of the coordinates as the center, the x-axis direction, the y-axis direction, and z They are arranged so as to be orthogonal in the axial direction.
  • a configuration that can ignore the inconsistency of the inherent phase characteristics existing between the microphones is when six or more microphones are used. Therefore, strictly speaking, in the case of a sound receiving unit composed of four microphones, a measurement error due to mismatch of phase characteristics may occur, but a sufficient effect can be obtained as compared with the conventional PP method.
  • the interval between the plurality of microphones is not affected if it is a single sound field, but in the case of a plurality of interference sound fields, it is preferable that the intervals be closer.
  • the sound receiving unit may be configured using a number of microphones. Therefore, if the sound receiving unit is configured by using a large number of microphones, even if one microphone breaks down, the function as an acoustic measurement device can be ensured to some extent although the measurement accuracy is lowered. Therefore, it can be applied to uses where robustness is required.
  • acoustic measurement device of the present invention is not limited to the illustrated example described above, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the present invention.

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Abstract

　マイクロホンの間隔の周波数依存性を解決しつつマイクロホンの個数を減らすことが可能な音響測定装置を提供する。 　音響測定装置は、受音部１０と演算部２０とからなる。受音部は、単一指向性の複数のマイクロホンを有する。受音部１０の複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように配置される。演算部２０は、複数のマイクロホンのそれぞれの測定値を各単位ベクトルに乗算し、そのベクトル合成を用いて粒子速度ベクトルや音響インテンシティを算出する。

Description

音響測定装置
　本発明は音響測定装置に関し、特に、単一指向性マイクロホンを複数用いて音響インテンシティ等の音響情報を算出する音響測定装置に関する。
　従来から、騒音の評価やコンサートホール等での音の伝搬の解析等を行うために、音響インテンシティを計測することが行われていた。音響インテンシティとは、スカラ量である音圧とは異なりベクトル量であり、音源からの音が有する音の大きさや、周波数、波形といった情報だけでなく、音の方向に関する情報も含まれるものである。即ち、音響インテンシティにより、音の大きさだけでなく、どの方向から音が到達したのかということも計測できる。
　音響インテンシティは、音圧と粒子速度の積で表されるものである。ここで、音圧レベルは容易に測定するこができるが、粒子速度は容易に測定できるものではない。そのため、一般的には、位相整合された無指向性のマイクロホンを２つ対向配置や背向配置等し、有限差分近似により粒子速度を決定する方式（Ｐ－Ｐ方式）が用いられている。しかしながら、Ｐ－Ｐ方式では、マイクロホンの感度差や位相差に敏感であり、またマイクロホンの間隔も厳密に管理する必要がある等、扱いが難しいものであった。さらに、音源からの音の周波数によってマイクロホンの間隔を変更する必要があるものであった。
　これらの問題点を解決するために、本願発明者は、指向性が１８０度反対向きに配置された単一指向性マイクロホンを複数用い、その指向性情報を用いて音響インテンシティを計測する方式（Ｃ－Ｃ方式）の音響測定装置を種々開発している。例えば、特許文献１では、１８０度反対向きに配置されたマイクロホンのレベル差のデータベースを用いて音源方向及び音源レベルを求めることが可能な装置が開示されている。
　さらに、本願発明者は、直交座標の各軸上に、指向性を１８０度反対向きに配置された単一指向性マイクロホンの対からなる受信部を用いて、所定の演算処理を行うことでデータベース等を用いずに音源から発せられた音の方向を検出するＣ－Ｃ方式の音響測定装置も開発している（特願２００７－０５４９０９）。
　このようなＣ－Ｃ方式による音響測定装置は、マイクロホン相互間に存在する固有の位相特性の不一致やマイクロホンの間隔の周波数依存性を解決できるものであった。
国際公開第２００６／０５４５９９号パンフレット
　しかしながら、従来のＣ－Ｃ方式の音響測定装置では、例えば２次元の方向検出を行う場合には、単一指向性マイクロホンを最低４つ（４チャンネル）用い、１８０度反対向きに配置したマイクロホン対を、座標の原点を中心にｘ軸方向とｙ軸方向で直交するように配置している。また、３次元の方向検出を行う場合には、単一指向性マイクロホンを最低６つ（６チャンネル）用い、１８０度反対向きに配置したマイクロホン対を、座標の原点を中心にｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向にそれぞれ直交するように配置している。そして、マイクロホン対の差分と加算によって、各座標軸方向の音響インテンシティ成分を求め、これを合成することにより音響インテンシティを求めていた。このように、従来のＣ－Ｃ方式の音響測定装置では、２次元では最低４つ、３次元では最低６つのマイクロホンが必要なものであった。
　例えば、玩具等に音源方向測定装置を内蔵し、音源の方向に移動したり回転したりするようなアプリケーションを考えた場合、なるべく安価に実現可能な構成が望まれる。また、このような用途では、測定精度よりも装置の小型化が望まれる場合もある。このような場合、なるべくマイクロホンの数が少ないものが好ましいが、上述の例では２次元では最低４つ、３次元では最低６つのマイクロホンが必要なものであったため、より簡易的な構成の音響測定装置の開発が望まれていた。
　さらに、１８０度反対向きに配置したマイクロホン対を基本とする従来の音響測定装置では、１つのマイクロホンが故障等により機能しなくなると、音響測定装置としてまったく機能しなくなる可能性があった。したがって、ロバスト性が求められるような用途に適用することは難しかった。
　本発明は、斯かる実情に鑑み、マイクロホンの間隔の周波数依存性を解決しつつマイクロホンの個数を減らすことが可能な音響測定装置を提供しようとするものである。また、マイクロホンの個数を増やすことで、ロバスト性を高めることが可能な音響測定装置を提供しようとするものである。
　上述した本発明の目的を達成するために、本発明による音響測定装置は、単一指向性の複数のマイクロホンを有する受音部であって、複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように配置される、受音部と、受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値を各単位ベクトルに乗算し、そのベクトル合成を用いて音響情報を算出する演算部と、を具備するものである。
　ここで、受音部の複数のマイクロホンは、それぞれの単位ベクトルのそれぞれの成分の２乗の総和が等しくなるように配置されれば良い。
　また、受音部の複数のマイクロホンは、その数が、算出する音響情報の空間次元数よりも多ければ良い。
　また、受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値が音圧であり、演算部は、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧を各単位ベクトルに乗算し、そのベクトル合成である粒子速度ベクトルを算出するものであれば良い。
　また、受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値が音圧であり、演算部は、さらに、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧の総和である無指向性の音圧を算出するものであれば良い。
　また、演算部は、粒子速度ベクトルと無指向性の音圧を乗算して音響インテンシティを算出するものであれば良い。
　さらに、受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値が音圧であり、演算部は、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧の２乗を各単位ベクトルに乗算し、そのベクトル合成である音響インテンシティを算出するものであっても良い。
　ここで、受音部は３つのマイクロホンからなり、各マイクロホンは三角形の重心から各頂点に向かう方向、又は各頂点から重心に向かう方向に、各単位ベクトルが向くようにそれぞれ配置されれば良い。
　また、受音部は４つのマイクロホンからなり、各マイクロホンは三角錐の重心から各頂点に向かう方向、又は各頂点から重心に向かう方向に、各単位ベクトルが向くようにそれぞれ配置されても良い。
　また、受音部の複数のマイクロホンは、それぞれカーディオイドマイクロホン、スーパーカーディオイドマイクロホン、ハイパーカーディオイドマイクロホン、ウルトラカーディオイドマイクロホンの何れかであれば良い。
　さらにまた、本発明による音響測定装置は、単一指向性の複数のマイクロホンを有する受音部であって、複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように配置される、受音部と、受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値を総和して音響情報を算出する演算部と、を具備するものであっても良い。
　本発明の音響測定装置には、マイクロホンの間隔の周波数依存性を解決しつつマイクロホンの個数を減らすことができるという利点がある。また、マイクロホンの個数を増やすことで、ロバスト性を高めることができるという利点もある。
図１は、単一平面波が受音部に到来する音場を想定した場合の概念図である。 図２は、単一平面波が受音部に到来する音場をベクトルで解釈した場合の概念図である。 図３は、本発明の音響測定装置の構成を説明するためのブロック図である。 図４は、本発明の音響測定装置の第１実施例を説明するための図である。 図５は、本発明の音響測定装置の第２実施例を説明するための図である。 図６は、音源からの音の到来方向を水平角に対して変化させたときの、本発明の音響測定装置の第２実施例のシミュレーション結果である。 図７は、到来方向を仰角に対して変化させたときの、本発明の音響測定装置の第２実施例のシミュレーション結果である。 図８は、本発明の音響測定装置の第２実施例により音響インテンシティの絶対値を求めたシミュレーション結果である。
符号の説明
　１、２　　マイクロホン（指向性）
　１０　　受音部
　１１～１３　　マイクロホン（指向性）
　２０　　演算部
　２１～２４　　マイクロホン（指向性）
　まず、Ｃ－Ｃ方式の音響測定装置の概念を説明する。図１は、単一平面波が受音部に到来する音場を想定した場合の概念図である。図示のような、単一平面波Ｐ（ｔ）がｘ方向に対して角度θで到来する音場を想定したとき、音場進行方向の粒子速度ｕ（ｔ）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　　但し、ρｃは音響インピーダンスである。
　そして、ｘ方向の粒子速度ｕｘ（ｔ）は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　したがって、音響インテンシティのｘ方向成分は、次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　次に、この音場を単一指向性マイクロホン対で測定することを考える。単一指向性マイクロホンとして、例えばカーディオイドマイクロホンを用いた場合、マイクロホン１及びマイクロホン２で測定されるそれぞれの応答Ｐ１（ｔ）、Ｐ２（ｔ）は、それぞれ次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　これらＰ１（ｔ）、Ｐ２（ｔ）を加算すると、次式のように無指向性の音圧となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　そして、これらＰ１（ｔ）、Ｐ２（ｔ）の差分は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　数７を数２と比べると、ｘ方向の粒子速度ｕｘ（ｔ）は、次式のようにマイクロホン１とマイクロホン２の応答の差分から求められることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　したがって、ｘ方向の音響インテンシティ成分は、以下のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　なお、数９は以下のように表すことも可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　また、ｙ方向やさらにｚ方向の音響インテンシティ成分を求める場合にも、上述の理論と同様に各方向の音響インテンシティ成分を求めれば良く、これらの各方向の音響インテンシティ成分を合成すれば、音響インテンシティＩ（ｔ）が求まる。
　数９からも分かる通り、Ｃ－Ｃ方式では、各次元のマイクロホン対の差分と加算によって各次元の音響インテンシティ成分が求められることが分かる。本願発明者と同一人による特願２００７－０５４９０９では、このような理論に基づき音響インテンシティを求めている。
　さて、以下では、上述のＣ－Ｃ方式の音響インテンシティを求める原理をベクトルで解釈してみる。図２は、単一平面波が受音部に到来する音場をベクトルで解釈した場合の概念図である。図示のような、マイクロホンの感度最大方向を向く単位ベクトルｅ１～ｅ４を考える。ここで、単位ベクトルに関し、例えば図示のように直交座標のｘ軸上にマイクロホンの感度最大方向を向けた単位ベクトルｅ１は、その成分が（１，０）というものである。
　単一平面波Ｐ（ｔ）が到来する音場を想定したとき、無指向性の音圧Ｐ（ｔ）、粒子速度ベクトルｕ（ｔ）、音響インテンシティＩ（ｔ）は、それぞれ次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　　但し、上記の式中、ｎはマイクロホンの数（チャンネル数）で、Ｋはチャンネル数やマイクロホンの形式によって異なる粒子速度正規化の係数である。
　これらの式から分かるように、音場をベクトルで解釈すると、粒子速度ベクトルは、複数のマイクロホンのそれぞれの測定値を各単位ベクトルに乗算（重み付け）してベクトル合成したものとして表されている。即ち、音響情報として粒子速度ベクトルを算出する場合には、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧を各単位ベクトルに乗算し、これをベクトル合成すれば良い。
　また、無指向性の音圧は、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧の総和したものとして表されている。即ち、音響情報として無指向性の音圧を算出する場合には、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧の総和を求めれば良い。
　そして、音響インテンシティは、このようにして求められる粒子速度ベクトルと無指向性の音圧との積で表されている。即ち、音響情報として音響インテンシティを算出する場合には、粒子速度ベクトルと無指向性の音圧を乗算すれば良い。
　さらに、音圧の２乗である２乗音圧を考えた場合には、音響インテンシティＩ（ｔ）は、次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　　但し、上記の式中、Ｇはチャンネル数やマイクロホンの形式によって異なる正規化係数である。
　これらの式から分かるように、音場をベクトルで解釈すると、２乗音圧を考えた場合には音響インテンシティが粒子速度ベクトルを求めずにダイレクトに算出することが可能となる。即ち、音響情報として音響インテンシティを算出する場合には、２乗音圧を各単位ベクトルに乗算し、これをベクトル合成すれば良い。
　Ｃ－Ｃ方式の音響測定装置のベクトル合成法は、このような理論で行われれば良い。なお、ベクトル合成は、ベクトルを加算するものだけではなく、逆方向から考えれば減算するものも含まれるものである。
　ここで、本発明の音響測定装置のベクトル合成法を用いる場合、マイクロホンの感度最大方向を向く単位ベクトルには、以下の条件が加えられる。
　（１）次式に表されるように、各マイクロホンの感度最大方向を向く単位ベクトルが空間的にバランスしていること。即ち、各単位ベクトルの総和がゼロとなるように複数のマイクロホンが配置されること。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　（２）次式に表されるように、各次元の寄与が等しいこと。即ち、複数のマイクロホンのそれぞれの単位ベクトルのそれぞれの成分の２乗の総和が等しくなるように配置されること。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　（３）マイクロホンの数は、算出する音響情報のベクトルの空間次元数よりも多いこと。
　複数のマイクロホンがこれらの条件を満たせば、本発明の音響測定装置のベクトル合成法を用いることが可能である。但し、（２）の条件については必ずしも必須のものではなく、各次元の寄与が等しくならないようなマイクロホンの配置であっても、（１）の条件を満たしていれば適宜補正することで対応可能である。
　以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図３は、本発明の音響測定装置の構成を説明するためのブロック図である。図示の通り、本発明の音響測定装置は、受音部１０と演算部２０から主に構成されている。受音部１０は、複数のマイクロホンを有するものであり、各マイクロホンは、単一指向性を有している。また、上述の（１）～（３）の条件を満たすように、複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように、且つ、それぞれの単位ベクトルのそれぞれの成分の２乗の総和が等しくなるように配置されている。複数のマイクロホンの配置位置については後述する。
　また、マイクロホンは、単一指向性を有するものであるが、より具体的には、これらは、例えばカーディオイドマイクロホン、スーパーカーディオイドマイクロホン、ハイパーカーディオイドマイクロホン、ウルトラカーディオイドマイクロホン等が挙げられる。なお、使用するマイクロホンの指向性の特性の違いに応じて、各マイクロホンで測定される応答（音圧）特性を適宜変更すれば良い。
　そして、受音部で測定された情報は、演算部２０に送られる。演算部２０は、例えばパーソナルコンピュータやデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等の演算装置からなるものである。演算部２０は、音響測定装置の用途等に応じて、無指向性の音圧や粒子速度ベクトル、音響インテンシティを算出するものである。例えば、無指向性の音圧を求める場合には、数１１を用いて、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧を総和すれば良い。また、粒子速度ベクトルを求める場合には、数１２を用いて、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧を各単位ベクトルに乗算し、それをベクトル合成すれば良い。さらに、音響インテンシティを求める場合には、粒子速度ベクトルと無指向性の音圧を乗算すれば良い。これらは適宜組み合わせて算出されても良い。
　さらに、演算部２０では、数１４を用いて、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧を２乗し、２乗音圧を各単位ベクトルに乗算し、これをベクトル合成することで音響インテンシティを求めても良い。
　さて、以下に複数のマイクロホンの配置位置についてより詳細に説明する。図４は、本発明の音響測定装置の第１実施例の受音部を説明するための図である。なお、図示例では、マイクロホンの指向性のみを示しており、マイクロホンの外観を表すものではない。第１実施例の音響測定装置は、２次元の音響情報を測定するためのものであり。図示の通り、本発明の音響測定装置の第１実施例は、受音部を構成するマイクロホンが、第１マイクロホン１１、第２マイクロホン１２、第３マイクロホン１３の３つからなるものである。なお、図中のマイクロホンの感度最大方向に向いている矢印が単位ベクトルを表している。そして、各マイクロホンは、三角形の重心から各頂点に向かう方向に各単位ベクトルが向くように配置されている。なお、単位ベクトルの向きは、逆向きであっても良い。即ち、三角形の各頂点から重心に向かう方向に単位ベクトルが向くようにマイクロホンが配置されても良い。上述のように、複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように、且つ、それぞれの単位ベクトルのそれぞれの成分の２乗の総和が等しくなるように配置されるものであれば、３つのマイクロホンの場合には、正三角形の重心から各頂点に向かう方向に各単位ベクトルが向くように配置されることになる。
　本発明の音響測定装置では、このようなマイクロホンの配置とすることで音場をベクトルとして解釈することが可能となる。このように構成することで、本発明の音響測定装置は、２次元の粒子速度ベクトルや音響インテンシティを測定するためのマイクが、従来では最低４つ必要だったのが、最低３つあれば足りるものとなる。このような構成であっても、数１２や数１３を用いれば容易に粒子速度ベクトルや音響インテンシティを求めることが可能である。
　なお、２次元の測定において、マイクロホンの数は３つに限定されるものでは必ずしも無く、用途等に応じて４つや５つ、さらにはそれ以上用いることも可能である。なお、上述の（１）～（３）の条件を満たした４つのマイクロホンの配置位置は、１８０度反対向きに配置したマイクロホン対を、座標の原点を中心にｘ軸方向とｙ軸方向で直交するように配置したものとなる。
　２次元のＣ－Ｃ方式の音響測定装置において、マイクロホン相互間に存在する固有の位相特性の不一致について無視できる構成は、マイクロホンを４つ以上用いた場合となる。したがって、厳密には３つのマイクロホンからなる受音部の場合には、位相特性の不一致による測定誤差が生じ得るが、従来のＰ－Ｐ方式のものと比べれば十分な効果が得られる。
　また、複数のマイクロホンの間隔については、単一平面波音場であれば影響はないが、複数の干渉音場の場合には、間隔は近づけたほうが好ましい。
　さらに、本発明の音響測定装置によれば、数多くのマイクロホンを用いて受音部を構成しても良い。したがって、マイクロホンを多く用いて受音部を構成すれば、仮に１つのマイクロホンが故障したとしても、測定精度は落ちるものの、音響測定装置としての機能はある程度確保することが可能となる。したがって、ロバスト性が求められるような用途にも適用することが可能となる。
　次に、本発明の音響測定装置の第２実施例を説明する。図５は、本発明の音響測定装置の第２実施例の受音部を説明するための図である。なお、図示例では、マイクロホンの指向性のみを示しており、マイクロホンの外観を表すものではない。第１実施例の音響測定装置では、２次元の音響情報を測定するためのものであったが、第２実施例の音響測定装置は、３次元の音響情報を測定するためのものである。図示の通り、本発明の音響測定装置の第２実施例は、受音部を構成するマイクロホンが、第１マイクロホン２１、第２マイクロホン２２、第３マイクロホン２３、第４マイクロホン２４の４つからなるものである。なお、図中のマイクロホンの感度最大方向に向いている矢印が単位ベクトルを表している。そして、各マイクロホンは、三角錐（四面体）の重心から各頂点に向かう方向に各単位ベクトルが向くように配置されている。なお、単位ベクトルの向きは、逆向きであっても良い。即ち、三角錘の各頂点から重心に向かう方向に単位ベクトルが向くようにマイクロホンが配置されても良い。上述のように、複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように、且つ、それぞれの単位ベクトルのそれぞれの成分の２乗の総和が等しくなるように配置されるものであれば、４つのマイクロホンの場合には、正四面体の重心から各頂点に向かう方向に各単位ベクトルが向くように配置されることになる。
　本発明の音響測定装置の第２実施例でも、音場をベクトルとして解釈することが可能となり、３次元の粒子速度ベクトルや音響インテンシティを測定するためのマイクが、従来では最低６つ必要だったのが、最低４つあれば足りるものとなる。このような構成であっても、数１２や数１３を用いれば容易に粒子速度ベクトルや音響インテンシティを求めることが可能である。
　ここで、本発明の音響測定装置の第２実施例を、シミュレーションにより解析した結果を示す。まず、単一の平面波として１００Ｈｚの正弦波が到来するシンプルな３次元音場を想定する。そして、受音部への音場の到来角を、０度～３５０度の１０度ステップで変化させたときの、４つのマイクロホンの応答を計算し、その４チャンネル分の応答波形を用いて、数１３から音響インテンシティを算出した。さらに、これを平均して３次元平均インテンシティベクトルを計算し、音源からの音の到来方向、音響インテンシティの絶対値を計算した。この結果を図６～図８に示す。
　図６は、音源からの音の到来方向を水平角に対して変化させたときの、本発明の音響測定装置の第２実施例のシミュレーション結果である。ここで、横軸が実際の音の到来方向であり、縦軸が計算結果による音の到来方向である。また、図７は、到来方向を仰角に対して変化させたときの、本発明の音響測定装置の第２実施例のシミュレーション結果である。ここでも、横軸が実際の音の到来方向であり、縦軸が計算結果による音の到来方向である。さらに、図８は、本発明の音響測定装置の第２実施例の構成で、音響インテンシティの絶対値を求めたシミュレーション結果である。ここで、横軸が実際の音の到来方向であり、縦軸が計算結果による音響インテンシティの絶対値である。
　これらの図から明らかな通り、３次元到来方向が精度良く解析できている。また、音響インテンシティの絶対値も音の到来方向に関わらず同じ大きさとなっており、音源の方向に対して偏り無く解析できることが分かる。
　このように、本発明の音響測定装置では、Ｃ－Ｃ方式による測定理論をベクトルで解釈しているため、Ｃ－Ｃ方式の効果であるマイクロホンの間隔の周波数依存性はない。さらに、複数のマイクロホンを直交座標の各軸上に、指向性を１８０度反対向きに配置する必要がないため、マイクロホンの個数を減らすことが可能となった。
　また、本発明の音響測定装置では、マイクロホンの指向性を１８０度反対向きに配置する必要がなく、マイクロホン同士を斜めに配置することも可能なため、マイクロホンの受音側に対向する位置に通常設けられる端子同士等が物理的に干渉しづらい。したがって、マイクロホンの配置も容易で且つ小型化も可能である。
　なお、３次元の測定において、マイクロホンの数は４つに限定されるものでは必ずしも無く、用途等に応じて５つや６つ、さらにはそれ以上用いることも可能である。なお、上述の（１）～（３）の条件を満たした６つのマイクロホンの配置位置は、１８０度反対向きに配置したマイクロホン対を、座標の原点を中心にｘ軸方向とｙ軸方向とｚ軸方向で直交するように配置したものとなる。
　３次元のＣ－Ｃ方式の音響測定装置において、マイクロホン相互間に存在する固有の位相特性の不一致について無視できる構成は、マイクロホンを６つ以上用いた場合となる。したがって、厳密には４つのマイクロホンからなる受音部の場合には、位相特性の不一致による測定誤差が生じ得るが、従来のＰ－Ｐ方式のものと比べれば十分な効果が得られる。
　また、複数のマイクロホンの間隔については、単一音場であれば影響はないが、複数の干渉音場の場合には、間隔は近づけたほうが好ましい。
　さらに、本発明の３次元の音響測定装置によれば、数多くのマイクロホンを用いて受音部を構成しても良い。したがって、マイクロホンを多く用いて受音部を構成すれば、仮に１つのマイクロホンが故障したとしても、測定精度は落ちるものの、音響測定装置としての機能はある程度確保することが可能となる。したがって、ロバスト性が求められるような用途にも適用することが可能となる。
　なお、本発明の音響測定装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

Claims (11)

  1. 　音響測定装置であって、該装置は、
    　単一指向性の複数のマイクロホンを有する受音部であって、前記複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように配置される、受音部と、
    　前記受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値を各単位ベクトルに乗算し、そのベクトル合成を用いて音響情報を算出する演算部と、
    　を具備することを特徴とする音響測定装置。
  2. 　請求項１に記載の音響測定装置において、前記受音部の複数のマイクロホンは、それぞれの単位ベクトルのそれぞれの成分の２乗の総和が等しくなるように配置されることを特徴とする音響測定装置。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の音響測定装置において、前記受音部の複数のマイクロホンは、その数が、算出する音響情報の空間次元数よりも多いことを特徴とする音響測定装置。
  4. 　請求項１乃至請求項３の何れかに記載の音響測定装置において、前記受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値が音圧であり、前記演算部は、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧を各単位ベクトルに乗算し、そのベクトル合成である粒子速度ベクトルを算出することを特徴とする音響測定装置。
  5. 　請求項１乃至請求項４の何れかに記載の音響測定装置において、前記受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値が音圧であり、前記演算部は、さらに、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧の総和である無指向性の音圧を算出することを特徴とする音響測定装置。
  6. 　請求項５に記載の音響測定装置において、前記演算部は、粒子速度ベクトルと無指向性の音圧を乗算して音響インテンシティを算出することを特徴とする音響測定装置。
  7. 　請求項１乃至請求項３の何れかに記載の音響測定装置において、前記受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値が音圧であり、前記演算部は、複数のマイクロホンのそれぞれの音圧の２乗を各単位ベクトルに乗算し、そのベクトル合成である音響インテンシティを算出することを特徴とする音響測定装置。
  8. 　請求項１乃至請求項７の何れかに記載の音響測定装置において、前記受音部は３つのマイクロホンからなり、各マイクロホンは三角形の重心から各頂点に向かう方向、又は各頂点から重心に向かう方向に、各単位ベクトルが向くようにそれぞれ配置されることを特徴とする音響測定装置。
  9. 　請求項１乃至請求項７の何れかに記載の音響測定装置において、前記受音部は４つのマイクロホンからなり、各マイクロホンは三角錐の重心から各頂点に向かう方向、又は各頂点から重心に向かう方向に、各単位ベクトルが向くようにそれぞれ配置されることを特徴とする音響測定装置。
  10. 　請求項１乃至請求項９の何れかに記載の音響測定装置において、前記受音部の複数のマイクロホンは、それぞれカーディオイドマイクロホン、スーパーカーディオイドマイクロホン、ハイパーカーディオイドマイクロホン、ウルトラカーディオイドマイクロホンの何れかであることを特徴とする音響測定装置。
  11. 　音響測定装置であって、該装置は、
    　単一指向性の複数のマイクロホンを有する受音部であって、前記複数のマイクロホンは、その感度最大方向を向く単位ベクトルの総和がゼロとなるように配置される、受音部と、
    　前記受音部の複数のマイクロホンのそれぞれの測定値を総和して音響情報を算出する演算部と、
    　を具備することを特徴とする音響測定装置。
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