WO2009153999A1 - 音響エネルギ計測装置並びにこれを用いた音響性能評価装置及び音響情報計測装置 - Google Patents

音響エネルギ計測装置並びにこれを用いた音響性能評価装置及び音響情報計測装置 Download PDF

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acoustic energy
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羽入敏樹
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    • H04R29/004—Monitoring arrangements; Testing arrangements for microphones
    • H04R29/005—Microphone arrays

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic energy measuring device, and more particularly to an acoustic energy measuring device capable of measuring acoustic energy that is not affected by standing waves. Moreover, it is related with the acoustic performance evaluation apparatus which evaluates the acoustic performance of space using such an acoustic energy measuring device. Further, the present invention relates to an acoustic information measuring device capable of measuring not only acoustic energy but also acoustic information such as sound pressure, particle velocity, and sound intensity.
  • a sound level meter using a sound pressure type microphone has been used when performing acoustic performance evaluation in a closed space such as an interior of a building, an automobile, or an aircraft.
  • the presence of a standing wave greatly affects the sound pressure to be measured.
  • the standing wave is a natural vibration that occurs when the size of the closed space matches the wavelength.
  • a standing wave is generated in a closed space, a phenomenon occurs in which a large sound pressure is measured at one measurement position and a small sound pressure is measured at another measurement position.
  • Patent Document 1 discloses a residential acoustic performance measuring apparatus using such an ISO standard.
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 are techniques for correcting the sound field in consideration of standing waves.
  • the technique disclosed in Patent Document 2 measures the standing wave in the trunk room when the sound is output in the car with the car audio, cancels the standing wave by the output of the speaker provided separately, and stands in the trunk room. It eliminates waves and outputs high quality sound into the car.
  • Patent Document 3 measures a standing wave, cancels the standing wave at an arbitrary position with a speaker output, and stabilizes the sound pressure level.
  • JP-A-6-194217 Japanese Patent Laid-Open No. 10-97263 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-2661900
  • Patent Document 2 and Patent Document 3 measure the sound pressure in order to control the distribution of the sound pressure intensity by the standing wave to be constant using the speaker output.
  • the measured sound pressure has not been used for evaluation of acoustic performance (specifically, sound insulation performance) in a closed space.
  • the present invention considers not only sound pressure but also particle velocity, so that acoustic energy that is not affected by standing waves can be measured even in a closed space where standing waves can occur.
  • An energy measuring device is to be provided. It is another object of the present invention to provide an acoustic performance evaluation apparatus capable of objectively evaluating acoustic performance without being affected by standing waves using such an acoustic energy measurement apparatus. Furthermore, the present invention intends to provide an acoustic information measuring device capable of measuring not only acoustic energy but also acoustic information such as sound pressure, particle velocity, and sound intensity.
  • an acoustic energy measuring device includes a sound receiving unit that performs sonoelectric conversion, a sound pressure calculating unit that calculates sound pressure using an output from the sound receiving unit, and And an acoustic energy calculating unit that calculates acoustic energy using an output from the sound pressure calculating unit.
  • a particle velocity calculation unit that calculates the particle velocity using the output from the sound receiving unit is provided, and the acoustic energy calculation unit calculates the acoustic energy using the outputs from the sound pressure calculation unit and the particle velocity calculation unit. It may be a thing.
  • the acoustic energy calculation unit calculates the acoustic energy by adding the potential energy calculated using the output from the sound pressure calculation unit and the kinetic energy calculated using the output from the particle velocity calculation unit. good.
  • the sound receiving unit may include a plurality of unidirectional microphones, and the plurality of microphones may be arranged such that the sum of unit vectors facing the maximum sensitivity direction is zero. .
  • the sound receiving unit may include a characteristic correcting unit that corrects the characteristics of information measured by the sound receiving unit.
  • an acoustic performance evaluation device that uses an acoustic evaluation index based on acoustic energy measured by the acoustic energy measurement device of the present invention may be used.
  • the acoustic information measuring device uses the acoustic energy measuring device of the present invention, and the acoustic information measuring device includes an acoustic intensity calculating unit that calculates an acoustic intensity using at least an output from the sound pressure calculating unit. It may be what you do.
  • At least two or more of the sound pressure by the sound pressure calculation unit, the particle velocity by the particle velocity calculation unit, the acoustic energy by the acoustic energy calculation unit, and the sound intensity by the sound intensity calculation unit are switched to change the acoustic information measurement device. It may be provided with a switching means for outputting the above.
  • the acoustic energy measuring device of the present invention has an advantage that acoustic energy that is not affected by standing waves can be measured. Further, the acoustic performance evaluation apparatus of the present invention has an advantage that objective acoustic performance evaluation that is not affected by standing waves is possible. Furthermore, the acoustic information measuring device of the present invention has an advantage that it can measure not only acoustic energy but also acoustic information such as sound pressure, particle velocity, and sound intensity.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining an acoustic energy measuring device of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram when a sound field in which a single plane wave arrives at the sound receiving unit is assumed.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining an acoustic energy calculation unit of the acoustic energy measuring device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the sound receiving unit of the acoustic energy measuring device according to the present invention.
  • FIG. 5 shows the distribution measurement results in the 63 Hz octave band.
  • FIG. 6 shows distribution measurement results in the 125 Hz octave band.
  • FIG. 7 shows a distribution measurement result in an 80 Hz pure sound.
  • FIG. 5 shows the distribution measurement results in the 63 Hz octave band.
  • FIG. 6 shows distribution measurement results in the 125 Hz octave band.
  • FIG. 7 shows a distribution measurement result in an 80
  • FIG. 8 shows the distribution measurement results for a 125 Hz pure tone.
  • FIG. 9 is a graph showing the spatial deviation of energy at each sound receiving point.
  • FIG. 10 is a graph showing the relative level of energy at each sound receiving point in the 63 Hz octave band.
  • FIG. 11 is a graph showing the relative level of energy at each sound receiving point in an 80 Hz pure tone.
  • FIG. 12 is a graph showing the reverberation attenuation characteristics at each sound receiving point in the 63 Hz octave band.
  • FIG. 13 is a block diagram for explaining the acoustic information measuring apparatus of the present invention.
  • FIG. 14 is a block diagram for explaining another example of the acoustic information measuring device of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining an acoustic energy measuring device of the present invention.
  • the acoustic energy measuring device of the present invention mainly includes a sound receiving unit 1, a sound pressure calculating unit 2, a particle velocity calculating unit 3, and an acoustic energy calculating unit 4.
  • the sound receiving unit 1 performs sound-electric conversion, and is composed of a microphone.
  • the structure and method of the microphone are not limited to specific ones, and may be any as long as information capable of calculating sound pressure and particle velocity can be obtained as will be described later.
  • the sound pressure calculation unit 2 calculates the sound pressure using the output from the sound receiving unit 1. Since the sound receiving unit 1 outputs a signal (voltage or the like) that varies based on the loudness measured by the microphone, the sound pressure P is calculated using the signal. A computer, a DSP (Digital Signal Processor), or the like may be used for these arithmetic processes.
  • a DSP Digital Signal Processor
  • the particle velocity calculator 3 calculates the particle velocity using the output from the sound receiver 1. Similar to the sound pressure calculator 2, the particle velocity u is calculated using an output signal such as a voltage from the sound receiver 1. A computer, DSP, or the like may be used for these arithmetic processes.
  • the particle velocity calculation unit 3 is specified. However, as will be described later, when the acoustic energy can be calculated using only the information from the sound pressure calculation unit without directly obtaining the particle velocity, Since it is not necessary to calculate the velocity, the particle velocity calculation unit is not necessarily provided at this time.
  • the acoustic energy calculation unit 4 calculates acoustic energy using outputs from the sound pressure calculation unit 2 and the particle velocity calculation unit 3. Using the sound pressure calculated by the sound pressure calculation unit 2 and the particle velocity calculated by the particle velocity calculation unit 3, the acoustic energy e is calculated by adding these. A computer, DSP, or the like may be used for these arithmetic processes.
  • a computer that perform sound pressure calculation, particle velocity calculation, and acoustic energy calculation may be configured in common.
  • sound pressure calculation, particle velocity calculation, and acoustic energy calculation may be performed using the characteristics of information measured by the sound receiving unit as they are.
  • the correction unit may be provided in the sound receiving unit, and each calculation may be performed after various corrections (weighting and filtering) are performed.
  • various weighting characteristics such as an A characteristic for approximating the noise level (sense amount) and a C characteristic for approximating the sound pressure level (physical quantity) are available. Are known. Therefore, it is possible to calculate the acoustic energy and the like subjected to the desired correction by performing the same correction as the above in the sound receiving unit of the acoustic energy measuring device of the present invention.
  • the acoustic energy measuring device of the present invention can be applied to any structure as long as it can calculate sound pressure and particle velocity.
  • a sound pressure calculation unit that quantifies the magnitude of the pressure fluctuation of a sound wave measured by a sound receiving unit using an omnidirectional microphone is known.
  • the particle velocity calculation unit calculates particle velocity based on the difference in sound pressure measured by the sound receiving unit using a plurality of omnidirectional microphones arranged on the same straight line (PP method). (For example, those disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-045590. These configurations are hereinafter referred to as Example 1).
  • the particle velocity calculation unit may calculate the particle velocity using, for example, two heat rays as the sound receiving unit and a change in the resistance value of the heat rays caused by the passage of air particles (for example, those disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-292667. Hereinafter, these configurations are referred to as Example 2.)
  • a CC measuring device can be applied to the acoustic energy measuring device of the present invention.
  • International Publication No. 2006/054599 discloses a device capable of obtaining sound pressure and particle velocity using a database of difference in level of microphones arranged in the opposite directions of 180 degrees.
  • a predetermined calculation process is performed using a sound receiving unit composed of a pair of unidirectional microphones whose directivities are arranged 180 degrees opposite to each other on orthogonal axes.
  • Example 3 a CC-type acoustic measurement device that detects sound pressure and particle velocity without using a database.
  • These CC-type acoustic measurement apparatuses can measure sound pressure and particle velocity without depending on the frequency of sound from a sound source (hereinafter, these configurations are referred to as Example 3).
  • the CC-type sound receiving unit in Example 3 has a plurality of unidirectional microphones, and each microphone is arranged so that the sum of unit vectors facing the maximum sensitivity direction becomes zero.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram when a sound field in which a single plane wave arrives at the sound receiving unit is assumed.
  • FIG. 2 shows the directivity characteristics when a pair of unidirectional microphones having two sound receiving units are arranged and the direction of the maximum sensitivity direction is directed toward the plus side and the minus side of the x-axis direction, respectively.
  • the particle velocity u (t) in the sound field traveling direction when a sound field in which a single plane wave P (t) arrives at an angle ⁇ with respect to the x direction is expressed by the following equation. Where ⁇ is the air density, c is the speed of sound, and ⁇ c is the acoustic impedance.
  • the particle velocity u x (t) in the x direction is expressed by the following equation.
  • this sound field is measured by a sound receiving unit composed of a unidirectional microphone pair.
  • the unidirectional microphone include various types such as a cardioid microphone, a super cardioid microphone, and a hyper cardioid microphone.
  • a cardioid microphone when used, the responses P 1 (t) and P 2 (t) measured by the two microphones are expressed by the following equations, respectively.
  • the sound pressure calculation unit obtains the sound pressure by adding the measured values of the two microphones in this way.
  • the measured value of each microphone becomes omnidirectional sound pressure as evident from the above-mentioned formula, with such a configuration, omnidirectional sound pressure is easily calculated. It becomes possible.
  • the particle velocity calculation unit obtains the particle velocity component by obtaining the difference between the responses of the two microphones. Also, when obtaining the particle velocity component in the y direction and further in the z direction, the particle velocity component in each direction may be obtained in the same manner as in the above theory, and if the particle velocity component in each direction is vector synthesized, The speed u (t) is obtained.
  • the sound receiving unit, the sound pressure calculating unit, and the particle velocity calculating unit using the CC method as in Example 3 use the difference and addition of the microphone pairs in each dimension. It can be seen that a particle velocity in each dimension and an omnidirectional sound pressure are required.
  • the sound receiving unit, the sound pressure calculating unit, and the particle velocity calculating unit may interpret the CC method with a vector to obtain the sound pressure and the particle velocity.
  • This CC vector synthesis method is described in detail in Japanese Patent Application No. 2008-057260 by the inventor of the present application (hereinafter, these configurations are referred to as Example 4).
  • the omnidirectional sound pressure P (t) and the particle velocity vector u (t) are each expressed by the following equations.
  • n is the number of microphones (number of channels)
  • P i (t) is a unidirectional sound pressure obtained by an i-channel microphone
  • K is a particle velocity that varies depending on the number of channels and the type of microphone.
  • the normalization coefficient, vector e i is a unit vector that faces the maximum sensitivity direction of the i-channel microphone.
  • Example 4 when the sound field is interpreted as a vector, the particle velocity vector is obtained by multiplying (weighting) each unit vector by each measured value of a plurality of unidirectional microphones. It is expressed as a composite. That is, the particle velocity calculation unit may multiply each unit vector by the sound pressure of each of the plurality of unidirectional microphones and vector synthesize them.
  • the omnidirectional sound pressure is expressed as the sum of the sound pressures of a plurality of unidirectional microphones. That is, the sound pressure calculation unit obtains the sum of the sound pressures of the plurality of unidirectional microphones.
  • 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 plurality of microphones constituting the sound receiving unit may satisfy these conditions.
  • 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.
  • this vector synthesis method can be used as the sound receiving unit of the acoustic energy measuring device of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram for explaining an acoustic energy calculation unit of the acoustic energy measuring device according to the present invention.
  • the acoustic energy calculation unit 4 of the acoustic energy measurement device of the present invention includes a potential energy calculation unit 41, a kinetic energy calculation unit 42, and an addition unit 43.
  • the potential energy calculation unit 41 calculates the potential energy V using the sound pressure P that is an output from the sound pressure calculation unit 2.
  • the potential energy V is expressed by the following equation.
  • the kinetic energy calculation unit 42 calculates kinetic energy using the particle velocity u that is an output from the particle velocity calculation unit 3.
  • the kinetic energy T is expressed by the following equation.
  • the particle velocity u is a vector quantity, but the kinetic energy calculation unit 42 uses only the magnitude of the particle velocity as a scalar quantity.
  • the acoustic energy e is obtained by adding the potential energy V and the kinetic energy T. That is, the acoustic energy e is expressed by the following equation using Equations 12 and 13.
  • Equation 14 in order to calculate the acoustic energy, the potential energy calculated using the output from the sound pressure calculating unit, the kinetic energy calculated using the output from the particle velocity calculating unit, Can be added.
  • the acoustic energy is the addition of potential energy and kinetic energy.
  • the present invention is not limited to this in the calculation of the acoustic energy, and it is not always necessary in terms of the formula by appropriately modifying the formula. An expression that does not add the potential energy and the kinetic energy may be used.
  • the kinetic energy of Equation 13 can be expressed only by unidirectional sound pressure. Therefore, by appropriately modifying the formula, the unidirectional sound pressure corresponding to the number of channels of the microphone is output from the sound pressure calculation unit without directly obtaining the particle velocity, and the acoustic energy is calculated using these. When performing the calculation to calculate, it is not necessary to calculate the particle velocity. Therefore, at this time, the particle velocity calculation unit is not necessarily provided.
  • the characteristics of acoustic energy in a situation where standing waves are generated in a closed space will be described.
  • the sound pressure and the particle velocity have a phase shifted relationship.
  • the particle velocity square is the minimum value
  • the sound pressure square is the minimum value.
  • the square of the speed is the maximum value.
  • the potential energy and the kinetic energy are proportional to the square of the sound pressure and the particle velocity, respectively.
  • the relationship between the potential energy and the kinetic energy is such that the kinetic energy has the minimum value when the potential energy is the maximum value, and conversely, the kinetic energy has the maximum value when the potential energy is the minimum value. That is, the kinetic energy and the potential energy are each changed by the influence of the standing wave, but since the change is the mutual delivery of energy, the acoustic energy that is the sum of the two becomes a stable value. For this reason, the acoustic energy is a value that is not affected by the presence of the standing wave.
  • the measurement value greatly changes depending on the measurement position due to the influence of the standing wave in the closed space where the standing wave is generated. According to this, it is possible to measure acoustic energy that is not affected by the standing wave, and to obtain a measurement value that does not depend on the measurement position.
  • the sound receiving unit is a three-dimensional 6-channel configuration using three pairs of cardioid microphones having directivity 180 degrees opposite to each other on each axis of orthogonal coordinates.
  • a CC probe and a regular tetrahedral CC probe having a four-channel configuration using four cardioid microphones arranged from the apex of the regular tetrahedron toward the center of gravity are used. And measured.
  • the measurement conditions are as follows.
  • Measurement sound field Rectangular reverberation room (width 5m x depth 4m x height 3m)
  • Measurement physical quantity sound pressure, particle velocity, acoustic energy
  • Sound pressure is also measured with an omnidirectional microphone.
  • Measurement pattern Measured at the intersection point of a 1 m-interval matrix on a horizontal surface with a height of 1.5 m. Measured at 5 points with different measurement items: Impulse response, pure tone (80 Hz, 125 Hz)
  • a distribution measurement result is shown as a measurement result. 5 shows the distribution measurement results for the 63 Hz octave band, FIG. 6 shows the 125 Hz octave band, FIG. 7 shows the 80 Hz pure sound, and FIG. 8 shows the 125 Hz pure sound.
  • P omni is the potential energy due to the omnidirectional microphone
  • E P is the potential energy due to the synthesized sound pressure P of 6 or 4 channels
  • E k is the kinetic energy
  • E is the acoustic energy density
  • u x , u y and u z represent the result of each component of the particle velocity vector. Note that the distribution is is normalized at the maximum value, only the particle velocity vector, u x, u y, is normalized in all data common maximum value of u z.
  • FIG. 9 is a graph showing the spatial deviation (difference between the maximum value and the minimum value) of E P , E k , E at the five sound receiving points P1 to P5.
  • the sound receiving points P1 to P5 are the same as the measurement environment shown in FIG. From this figure, it can be seen that the deviation of E P and E k is large in the 63 Hz band considered to be strongly influenced by the mode, but the spatial deviation decreases in the high sound range. However, regarding the acoustic energy density E, it can be seen that the deviation is always small regardless of the frequency.
  • the 63Hz band is the largest deviation of E P, about 10 dB, E k is is about 4dB, the deviation of E is accommodated in 2dB below.
  • the spatial deviations of E P , E k , and E are substantially equal.
  • FIG. 10 shows the relative levels of E P , E k , and E at the respective sound receiving points P1 to P5 in the 63 Hz octave band
  • FIG. 11 shows the 80 Hz pure tone.
  • the relative level is a level normalized with the maximum value among E P , E k and E.
  • the sound receiving points P1 to P5 are the same as the measurement environment shown in FIG. From these figures, it can be seen that E P varies the most, especially 30 dB or more in the 80 Hz pure tone. On the other hand, it can be seen that the deviation of E k is small and the deviation of E is even smaller and stable. In the standing wave field, it can also be seen that E k is generally higher than E P.
  • FIG. 12 is a graph showing the reverberation attenuation characteristics of E P , E k , and E at each sound receiving point. These results are for the 63 Hz octave band. As shown, for the reverberation decay properties, E P is significantly differs from the measurement position. On the other hand, it was found that E was almost unchanged.
  • the acoustic energy measuring device of the present invention can measure acoustic energy that is not affected by standing waves.
  • an acoustic performance evaluation device may be realized using the acoustic energy measurement device of the present invention having such characteristics. That is, the acoustic performance evaluation apparatus of the present invention uses the acoustic energy measured by the above-described acoustic energy measurement apparatus as an acoustic evaluation index.
  • acoustic energy is measured by an acoustic energy measuring device in a closed space such as a building room, an automobile room, and an aircraft room, and the acoustic performance is evaluated as an acoustic evaluation index using the measured acoustic energy.
  • the logarithm of the acoustic energy may be taken and displayed in dB, or a multilevel evaluation may be performed.
  • an acoustic performance evaluation apparatus capable of objective acoustic evaluation that is not affected by standing waves can be realized.
  • FIG. 13 is a block diagram for explaining the acoustic information measuring apparatus of the present invention.
  • the acoustic information measuring device of the present invention mainly includes a sound receiving unit 1, a sound pressure calculating unit 2, a particle velocity calculating unit 3, an acoustic energy calculating unit 4, and an acoustic intensity calculating unit 5. It is configured.
  • the acoustic information measuring device adds the acoustic intensity calculation unit 5 to the above-described acoustic energy measuring device, and can calculate the acoustic intensity in addition to the acoustic energy.
  • the sound intensity includes not only information such as sound volume, frequency, and waveform, but also information related to the direction of sound, and is a physical quantity with a wide range of applications such as noise identification and surveillance camera systems.
  • the sound intensity calculation unit 5 calculates the sound intensity using the outputs from the sound pressure calculation unit 2 and the particle velocity calculation unit 3. More specifically, the sound intensity calculation unit 5 obtains the sound intensity using the sound pressure output from the sound pressure calculation unit 2 and the particle velocity output from the particle velocity calculation unit 3. .
  • the sound intensity is information on a vector amount given by the product of the sound pressure P expressed by a scalar amount and the particle velocity u expressed by a vector amount. That is, the sound intensity is given by the following equation.
  • the sound pressure calculating unit is used by using the output from the omnidirectional microphone.
  • the sound intensity is calculated by multiplying the sound pressure calculated by 2 and the particle velocity calculated by the particle velocity calculating unit 3 based on the difference between the sound pressures in the sound intensity calculating unit 5.
  • the particle velocity calculated by the particle velocity calculator 3 from the change in resistance value of the two heat rays is used. Calculate the sound intensity.
  • Equation 15 is as follows: Can be expressed as
  • the sound intensity calculation unit 5 outputs the unidirectional sound pressure of each microphone from the sound pressure calculation unit 2 based on the output from the unidirectional microphone pair.
  • the sound intensity may be calculated by adding and subtracting using only one unidirectional sound pressure and multiplying these results.
  • the sound intensity can be calculated by squaring and subtracting two unidirectional sound pressures. In such a case, regarding the sound intensity calculation, only the unidirectional sound pressure information from the sound pressure calculation unit may be used, and the output from the particle velocity calculation unit may not be used.
  • 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 sound intensity calculation unit multiplies the particle velocity vector and the omnidirectional sound pressure to obtain the sound intensity. Calculate the city.
  • 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 microphone format.
  • the sound intensity calculation unit 5 squares the sound pressure from the sound pressure calculation unit 2 based on the output from the unidirectional microphone pair, and uses this squared sound pressure as each unit vector.
  • the sound intensity may be calculated by multiplication and vector synthesis. That is, in this case, regarding the calculation of the sound intensity, only the output from the sound pressure calculation unit may be used, and the output from the particle velocity calculation unit may not be used.
  • the acoustic information measuring device of the present invention not only the acoustic energy but also the acoustic intensity can be calculated while the basic configurations of the acoustic energy measuring device and the sound receiving unit are the same. Further, in calculating the sound intensity, a configuration using only the sound pressure calculation unit of the acoustic energy measuring device or a configuration using both the sound pressure calculation unit and the particle velocity calculation unit may be used.
  • Such an acoustic information measuring device of the present invention may be used to realize an acoustic performance evaluation device. That is, the acoustic performance evaluation apparatus of the present invention can use the acoustic energy and the intensity measured by the above-described acoustic energy measurement apparatus as an acoustic evaluation index. This makes it possible to evaluate acoustic performance based on more information.
  • FIG. 14 is a block diagram for explaining another example of the acoustic information measuring device of the present invention.
  • the acoustic information measuring device of the present invention includes a sound receiving unit 1, a sound pressure calculating unit 2, a particle velocity calculating unit 3, an acoustic energy calculating unit 4, an acoustic intensity calculating unit 5, and a switching unit. 6 is mainly composed. That is, the acoustic information measuring device of the present invention is configured to be able to output information on sound pressure, particle velocity, acoustic energy, and acoustic intensity using a switching unit.
  • the switching unit 6 switches the sound pressure P by the sound pressure calculation unit 2, the particle velocity u by the particle velocity calculation unit 3, the acoustic energy e by the acoustic energy calculation unit 4, and the sound intensity I by the sound intensity calculation unit 5.
  • This is selectively output from the acoustic information measuring device.
  • an example is shown in which all these pieces of acoustic information (P, u, e, I) can be switched.
  • the present invention is not limited to this, and the acoustic information is not limited to this. Any one that can switch and output at least two of them is acceptable. Of course, all the acoustic information may be displayed as a list.
  • the acoustic information measuring apparatus of the present invention particularly when those used C-C method as described above in Example 3 and Example 4, by obtaining a unidirectional acoustic pressure P i by the output from the sound receiving unit 1 Using this, the particle velocity u, the acoustic energy e, and the acoustic intensity I can be obtained only by calculation processing. Therefore, all of the acoustic information can be calculated by a single measurement.
  • the acoustic information measuring device of the present invention is configured so that the information calculated in this way can be selectively output using the switching unit 6.
  • the acoustic information measuring device of the present invention may be a device that can replace the sound level meter that has been used to evaluate the sound pressure performance.
  • the acoustic energy measuring device, the acoustic performance evaluation device, and the acoustic information measuring device of the present invention are not limited to the above illustrated examples, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course.

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Abstract

　音圧だけでなく粒子速度も考慮することにより、定在波が発生し得る閉空間においても、定在波の影響を受けない音響エネルギを測定可能な音響エネルギ計測装置を提供する。 　音響エネルギを計測する音響エネルギ計測装置は、受音部１と音圧算出部２と粒子速度算出部３と音響エネルギ算出部４とから構成される。受音部１は、音電変換を行うものである。音圧算出部２は、受音部１からの出力を用いて音圧を算出するものである。粒子速度算出部３は、受音部１からの出力を用いて粒子速度を算出するものである。そして、音響エネルギ算出部４は、音圧算出部２及び粒子速度算出部３からの出力を用いて音響エネルギを算出するものである。

Description

音響エネルギ計測装置並びにこれを用いた音響性能評価装置及び音響情報計測装置
　本発明は音響エネルギ計測装置に関し、特に、定在波の影響を受けることのない音響エネルギを計測可能な音響エネルギ計測装置に関する。また、このような音響エネルギ計測装置を用いて空間の音響性能を評価する音響性能評価装置に関する。さらに、音響エネルギだけでなく、音圧や粒子速度、音響インテンシティ等の音響情報を計測可能な音響情報計測装置に関する。
　従来から、建築室内、自動車室内、航空機室内等の閉空間における音響性能評価を行うときには、音圧型マイクを用いたサウンドレベルメータが使用されている。
　しかしながら、閉空間において音圧測定を行う場合、定在波の存在が測定される音圧に大きく影響する。ここで、定在波とは、閉空間の寸法が波長と一致した場合等に生じる固有振動のことである。閉空間に定在波が発生すると、ある測定位置では大きな音圧が測定され、別の測定位置では小さい音圧が測定されるといった現象が生じる。
　したがって、建築室内等の閉空間において音響性能評価を行う場合、定在波の影響により、１点のみの音圧測定では、空間の遮音性能等の音響性能を正確に評価できないという問題があった。このような問題に対し、ＪＩＳやＩＳＯでは、空間内の複数点での音圧測定とその測定値の平均化が定められており、音響性能評価の正確性向上を図ろうとしている。例えば、特許文献１には、このようなＩＳＯ規格を用いた住宅音響性能測定装置が開示されている。
　また、定在波を考慮して音場を補正する技術として、特許文献２や特許文献３がある。特許文献２に開示される技術は、カーオーディオで車内に音を出力した場合、トランクルーム内の定在波を測定し、別に設けられたスピーカの出力により定在波を打ち消し、トランクルーム内の定在波をなくし、良質な音を車内に出力するものである。特許文献３も同様に、定在波を測定し、任意の位置の定在波をスピーカ出力で打ち消し、音圧レベルを安定させるものである。
特開平６－１９４２１７号公報 特開平１０－９７２６３号公報 特開平２０００－２６６１９００号公報
　しかしながら、ＩＳＯやＪＩＳの規格を用いた特許文献１のように、複数点で音圧測定を行い、それらを平均化したとしても、特に低周波領域では、定在波の影響により位置の違いによる音圧の変動が大きく、限られた数点の測定値の平均では正しい評価が行えないという問題があった。また、測定位置によって音圧が大きく異なる特性を利用して、意図的に低い値（騒音が少ない）となるように測定することも可能であり、音響性能評価の客観性を担保することが困難であるという指摘もあった。
　また、特許文献２や特許文献３に開示の技術は、スピーカ出力を用いて定在波による音圧強度の分布が一定となるように制御するために音圧を測定している。しかしながら、測定された音圧は、閉空間の音響性能（具体的には遮音性能）の評価に用いられるようなものではなかった。
　本発明は、斯かる実情に鑑み、音圧だけでなく粒子速度も考慮することにより、定在波が発生し得る閉空間においても、定在波の影響を受けない音響エネルギを測定可能な音響エネルギ計測装置を提供しようとするものである。また、このような音響エネルギ計測装置を用いて、定在波の影響を受けない客観的な音響性能評価が可能な音響性能評価装置を提供しようとするものである。さらに、音響エネルギだけでなく、音圧や粒子速度、音響インテンシティ等の音響情報を計測可能な音響情報計測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、本発明による音響エネルギ測定装置は、音電変換を行う受音部と、受音部からの出力を用いて音圧を算出する音圧算出部と、音圧算出部からの出力を用いて音響エネルギを算出する音響エネルギ算出部と、を具備するものである。
　さらに、受音部からの出力を用いて粒子速度を算出する粒子速度算出部を具備し、音響エネルギ算出部は、音圧算出部及び粒子速度算出部からの出力を用いて音響エネルギを算出するものであっても良い。
　ここで、音響エネルギ算出部は、音圧算出部からの出力を用いて算出するポテンシャルエネルギと、粒子速度算出部からの出力を用いて算出する運動エネルギとを加算して音響エネルギを算出すれば良い。
　また、受音部は、単一指向性の複数のマイクロホンを有し、該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ものであっても良い。
　さらに、受音部は、受音部により測定される情報の特性を補正する特性補正部を具備しても良い。
　また、本発明の音響エネルギ計測装置により計測される音響エネルギに基づき音響評価指標とする音響性能評価装置であっても良い。
　さらに、本発明の音響エネルギ計測装置を用いる音響情報計測装置であって、該音響情報計測装置は、少なくとも音圧算出部からの出力を用いて音響インテンシティを算出する音響インテンシティ算出部を具備するものであっても良い。
　さらに、音圧算出部による音圧、粒子速度算出部による粒子速度、音響エネルギ算出部による音響エネルギ、音響インテンシティ算出部による音響インテンシティのうちの少なくとも２つ以上をそれぞれ切り替えて音響情報計測装置の出力とする切替手段を具備するものであっても良い。
　本発明の音響エネルギ計測装置には、定在波の影響を受けない音響エネルギを計測可能であるという利点がある。また、本発明の音響性能評価装置には、定在波の影響を受けない客観的な音響性能評価が可能であるという利点がある。さらに、本発明の音響情報計測装置には、音響エネルギだけでなく、音圧や粒子速度、音響インテンシティ等の音響情報を計測可能であるという利点がある。
図１は、本発明の音響エネルギ計測装置を説明するためのブロック図である。 図２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３は、本発明の音響エネルギ計測装置の音響エネルギ算出部を説明するためのブロック図である。 図４は、本発明の音響エネルギ計測装置の受音部の構成を説明するための図である。 図５は、６３Ｈｚオクターブ帯域における分布測定結果である。 図６は、１２５Ｈｚオクターブ帯域における分布測定結果である。 図７は、８０Ｈｚ純音における分布測定結果である。 図８は、１２５Ｈｚ純音における分布測定結果である。 図９は、各受音点におけるエネルギの空間偏差を表わしたグラフである。 図１０は、６３Ｈｚオクターブ帯域における各受音点でのエネルギの相対レベルを表わしたグラフである。 図１１は、８０Ｈｚ純音における各受音点でのエネルギの相対レベルを表わしたグラフである。 図１２は、６３Ｈｚオクターブ帯域における各受音点での残響減衰特性を表わしたグラフである。 図１３は、本発明の音響情報計測装置を説明するためのブロック図である。 図１４は、本発明の音響情報計測装置の他の例を説明するためのブロック図である。
　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１は、本発明の音響エネルギ計測装置を説明するためのブロック図である。図示の通り、本発明の音響エネルギ計測装置は、受音部１と、音圧算出部２と、粒子速度算出部３と、音響エネルギ算出部４とから主に構成されている。
　受音部１は、音電変換を行うものであり、マイクロホンから構成されるものである。マイクロホンの構造や方式については、特定のものには限定されず、後述のように、音圧と粒子速度を算出可能な情報が得られるものであれば、如何なるものであっても良い。
　音圧算出部２は、受音部１からの出力を用いて音圧を算出するものである。受音部１からは、マイクロホンにより測定された、音の大きさに基づき可変する信号（電圧等）が出力されるため、これを用いて音圧Ｐを算出する。これらの演算処理には、コンピュータやＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等が用いられれば良い。
　粒子速度算出部３は、受音部１からの出力を用いて粒子速度を算出するものである。音圧算出部２と同様に、受音部１からの電圧等の出力信号を用いて粒子速度ｕを算出する。これらの演算処理にも、コンピュータやＤＳＰ等が用いられれば良い。
　ここで、図示例では粒子速度算出部３を明記したが、後述するように、粒子速度を直接求めることなく、音圧算出部からの情報のみを用いて音響エネルギを算出できる場合には、粒子速度をあえて算出しなくても良いため、このときには粒子速度算出部は必ずしも設けなくても良い。
　そして、音響エネルギ算出部４は、音圧算出部２及び粒子速度算出部３からの出力を用いて音響エネルギを算出するものである。音圧算出部２により算出された音圧と、粒子速度算出部３により算出された粒子速度を用いて、これらを加算処理することで音響エネルギｅを算出する。これらの演算処理に、コンピュータやＤＳＰ等が用いられれば良い。
　なお、音圧算出や粒子速度算出、音響エネルギ算出を行うコンピュータやＤＳＰ等は、共通のもので構成しても良い。なお、コンピュータ等の電子計算機上で機能するプログラムによりこれらの演算処理部を実現しても良い。
　また、本発明の音響エネルギ計測装置では、受音部により測定される情報の特性をそのまま用いて音圧算出や粒子速度算出、音響エネルギ算出を行っても良いが、例えば、特性を補正する特性補正部を受音部に設け、これにより種々の補正（重み付けやフィルタリング）を行った上で各算出を行っても良い。例えば、音の周波数に対して人間の耳の感度が異なることから騒音レベル（感覚量）を近似するためのＡ特性や、音圧レベル（物理量）を近似するＣ特性等、種々の重み付け特性が知られている。したがって、これらと同様の補正を、本発明の音響エネルギ計測装置の受音部でも行うことにより、所望の補正が施された音響エネルギ等も算出することが可能となる。
　ここで、本発明の音響エネルギ計測装置における、受音部と音圧算出部と粒子速度算出部の構成について具体的に説明する。本発明の音響エネルギ計測装置では、音圧と粒子速度を算出できる構造であれば、如何なるものであっても適用可能である。例えば、音圧算出部は、無指向性マイクロホンを用いた受音部により測定された音波の圧力変動の大きさを数値化するものが知られている。また、粒子速度算出部は、同一直線上に並べられた複数の無指向性マイクロホンを用いた受音部により測定された音圧の差により粒子速度を計算するもの（Ｐ－Ｐ方式）であっても良い（例えば特開２００１－０４５５９０号公報に開示のもの。以下、これらの構成を例１と記す。）。
　また、粒子速度算出部は、例えば受音部として２本の熱線を用い、空気の粒子が通過することによる熱線の抵抗値の変化を用いて、粒子速度を算出するものであっても良い（例えば特開２００７－２９２６６７号公報に開示のもの。以下、これらの構成を例２と記す。）。
　また、例えば、本願発明者は、単一指向性マイクロホンを複数用いて、これらの指向性情報から音響情報を計測する方式（Ｃ－Ｃ方式）の計測装置を種々開発している。本発明の音響エネルギ計測装置は、このようなＣ－Ｃ方式の計測装置を適用することも可能である。例えば、国際公開第２００６／０５４５９９号パンフレットでは、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圧や粒子速度を求めることが可能な装置が開示されている。また、特願２００７－０５４９０９では、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音部を用いて、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圧や粒子速度を検出するＣ－Ｃ方式の音響測定装置も開発している。これら、Ｃ－Ｃ方式の音響測定装置では、音源からの音の周波数依存性もなく、音圧や粒子速度を計測できるものである（以下、これらの構成を例３と記す）。
　例３におけるＣ－Ｃ方式の受音部は、単一指向性の複数のマイクロホンを有するものであり、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各マイクロホンが配置される。
　以下に、Ｃ－Ｃ方式の受音部及び音圧算出部、粒子速度算出部の概念を説明する。図２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には、受音部が２つの単一指向性マイクロホンが対となり、その感度最大方向の向きがｘ軸方向のプラス側とマイナス側にそれぞれ向けて配置された場合の指向特性が示されている。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の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、ρは空気密度を、ｃは音速を、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
　次に、この音場を単一指向性マイクロホン対からなる受音部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は、例えばカーディオイドマイクロホンや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等、種々のものが挙げられる。例えばカーディオイドマイクロホンを用いた場合、２つのマイクロホン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-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　これらＰ１（ｔ）、Ｐ２（ｔ）を加算すると、次式のように無指向性応答となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　音圧算出部では、このように２つのマイクロホンの測定値を加算することで、音圧を求める。なお、各マイクロホンの測定値を加算したものは、上述の式からも明らかな通り、無指向性の音圧となるため、このような構成であれば、容易に無指向性音圧を算出することが可能となる。
　次に、粒子速度算出部について説明する。まず、上述のＰ１（ｔ）、Ｐ２（ｔ）の差分は次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　数６と数２を用いれば、ｘ方向の粒子速度ｕｘ（ｔ）は、次式のように２つのマイクロホンの応答の差分から求められることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　したがって、粒子速度算出部では、このように２つのマイクロホンの応答の差分を求めることで、粒子速度成分を求める。また、ｙ方向やさらにｚ方向の粒子速度成分を求める場合にも、上述の理論と同様に各方向の粒子速度成分を求めれば良く、これらの各方向の粒子速度成分をベクトル合成すれば、粒子速度ｕ（ｔ）が求まる。
　なお、上述の説明は、単一平面波が受音部に到来する音場を想定したものであるが、本発明はこれに限定されず、干渉音場や近距離音場であっても、同様の理論により粒子速度を求めることが可能である。
　このように、本発明の音響エネルギ計測装置において、例３のようなＣ－Ｃ方式を用いた受音部、音圧算出部、粒子速度算出部では、各次元のマイクロホン対の差分と加算によって、各次元の粒子速度と無指向性の音圧が求められることが分かる。
　また、本発明の音響エネルギ計測装置においては、受音部、音圧算出部、粒子速度算出部を、Ｃ－Ｃ方式をベクトルで解釈して音圧と粒子速度を求めても良い。なお、このＣ－Ｃベクトル合成方式は、本願発明者による特願２００８－０５７２６０に詳細は記載されているものである（以下、これらの構成を例４と記す。）。
　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）は、それぞれ次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　　但し、上記の式中、ｎはマイクロホンの数（チャンネル数）、Ｐｉ（ｔ）はｉチャンネルのマイクロホンにより得られる単一指向性の音圧、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、ベクトルｅｉは、ｉチャンネルのマイクロホンの感度最大方向を向く単位ベクトルである。
　例４においては、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、複数の単一指向性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、粒子速度算出部では、複数の単一指向性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、複数の単一指向性マイクロホンのそれぞれの音圧の総和として表されている。即ち、音圧算出部では、複数の単一指向性マイクロホンのそれぞれの音圧の総和を求める。
　ここで、例４のＣ－Ｃベクトル合成方式における受音部の複数のマイクロホンについて、その感度最大方向を向く単位ベクトルには、以下の条件（１）～（３）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-M000010
 　（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-M000011
 　（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。
　このように、例４のＣ－Ｃベクトル合成方式を用いた音響エネルギ計測装置では、その受音部を構成する複数のマイクロホンは、これらの条件を満たせば良い。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。
　複数のマイクロホンがこれらの条件を満たす限り、本発明の音響エネルギ計測装置の受音部としてこのベクトル合成法を用いることが可能である。
　さて、本発明の音響エネルギ計測装置では、このようにして求められた音圧と粒子速度を用いて、音響エネルギを算出している。以下、図３を用いて音響エネルギ算出部の具体的な構成について説明する。図３は、本発明の音響エネルギ計測装置の音響エネルギ算出部を説明するためのブロック図である。図示の通り、本発明の音響エネルギ計測装置の音響エネルギ算出部４は、ポテンシャルエネルギ算出部４１と、運動エネルギ算出部４２と、加算部４３とからなる。
　ポテンシャルエネルギ算出部４１は、音圧算出部２からの出力である音圧Ｐを用いて、ポテンシャルエネルギＶを算出するものである。ここで、ポテンシャルエネルギＶは、次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　また、運動エネルギ算出部４２は、粒子速度算出部３からの出力である粒子速度ｕを用いて、運動エネルギを算出するものである。ここで、運動エネルギＴは、次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 なお、粒子速度ｕはベクトル量であるが、運動エネルギ算出部４２においては、粒子速度の大きさのみをスカラ量として用いている。
　そして、音響エネルギｅは、ポテンシャルエネルギＶと運動エネルギＴの加算で求まる。即ち、数１２と数１３を用いて、音響エネルギｅは次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　したがって、数１４からも明らかな通り、音響エネルギを算出するためには、音圧算出部からの出力を用いて算出するポテンシャルエネルギと、粒子速度算出部からの出力を用いて算出する運動エネルギとを加算すれば良い。
　なお、数１４では音響エネルギはポテンシャルエネルギと運動エネルギの加算となっているが、音響エネルギ算出処理に当たり、本発明はこれに限定されず、適宜式変形等を行うことで、数式の上では必ずしもポテンシャルエネルギと運動エネルギの加算とならないような式となるものであっても良い。さらには、粒子速度については、数７や数９を用いれば数１３の運動エネルギについては、単一指向性の音圧のみで表すことが可能となる。したがって、適宜式変形等を行うことで、粒子速度を直接求めることなく、音圧算出部からマイクロホンのチャンネル数に応じた単一指向性音圧を出力するようにし、これらを用いて音響エネルギを算出する演算を行う場合には、粒子速度をあえて算出しなくても良くなる。よって、このときには粒子速度算出部は必ずしも設けなくても良いことになる。
　ここで、閉空間において定在波が発生している状況における音響エネルギの特性について説明する。定在波が発生している状態において、音圧と粒子速度は、位相がずれた関係を有している。例えば、９０度の位相ずれが生じている場合について説明すると、音圧の２乗が最大値のとき粒子速度の２乗が最小値となり、逆に、音圧の２乗が最小値のとき粒子速度の２乗が最大値となる。一方、数１２と数１３からも分かるように、ポテンシャルエネルギと運動エネルギは、それぞれ音圧と粒子速度の２乗に比例するものである。したがって、ポテンシャルエネルギと運動エネルギの関係も、ポテンシャルエネルギが最大値のとき運動エネルギが最小値となり、逆に、ポテンシャルエネルギが最小値のとき運動エネルギが最大値となる。つまり、運動エネルギとポテンシャルエネルギはそれぞれ定在波の影響で変化するものであるが、その変化は互いのエネルギの受け渡しであるため、両者の加算値である音響エネルギは安定した値となる。このため、音響エネルギは、定在波の存在に影響を受けない値である。
　したがって、音圧のみを測定する従来の測定手法では、定在波が生じる閉空間において、定在波の影響により測定値が測定位置によって大きく変化していたが、本発明の音響エネルギ計測装置によれば、定在波の影響を受けない音響エネルギを測定することが可能となり、測定位置に依存しない測定値を得ることが可能となる。
　ここで、受音部としてＣ－Ｃ方式のカーディオイドマイクロホンプローブを用いて音響エネルギを実測した結果について具体的に説明する。受音部として、図４（ａ）に示されるように、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カーディオイドマイクロホンの対を３対用いた６チャンネル構成の３次元Ｃ－Ｃプローブと、図４（ｂ）に示されるように、正四面体頂点から重心に向けて配置された４つのカーディオイドマイクロホンを用いた４チャンネル構成の正四面体Ｃ－Ｃプローブをそれぞれ使って測定を行った。測定条件としては以下の通りである。
　　　　測定音場：矩形残響室（幅５ｍ×奥行き４ｍ×高さ３ｍ）
　　　測定物理量：音圧、粒子速度、音響エネルギ
　　　　　　　　　なお、比較として音圧については無指向性マイクロホ
　　　　　　　　　ンでも測定
　　測定パターン：高さ１．５ｍの水平面上で１ｍ間隔の行列の交点ポイ
　　　　　　　　　ントで測定
　　　　　　　　　高さを変えた５点で測定
　　　　測定項目：インパルス応答、純音（８０Ｈｚ，１２５Ｈｚ）
　測定結果として、分布測定結果を示す。図５は、６３Ｈｚオクターブ帯域、図６は、１２５Ｈｚオクターブ帯域、図７は、８０Ｈｚ純音、図８は、１２５Ｈｚ純音におけるそれぞれの分布測定結果である。図中、Ｐｏｍｎｉが無指向性マイクロホンによるポテンシャルエネルギを、ＥＰが６チャンネル又は４チャンネルの合成音圧Ｐによるポテンシャルエネルギを、Ｅｋが運動エネルギを、Ｅが音響エネルギ密度を、ｕｘ，ｕｙ，ｕｚが粒子速度ベクトルの各成分の結果を表わしている。なお、分布は最大値で正規化してあるが、粒子速度ベクトルだけは、ｕｘ，ｕｙ，ｕｚの全データ共通の最大値で正規化してある。
　これらの図を見ると、空間分布にモード特有の規則的な山谷が現れていることが分かる。また、オクターブ帯域より純音の分布のほうが、空間偏差が大きいことが分かる。次に、ＰｏｍｎｉとＥＰの分布を比較してみると略同様の分布となっており、６チャンネル又は４チャンネルのカーディオイドマイクロホンの応答を、数５に示されるようにスカラ加算すれば無指向性マイクロホンと同等な音圧算出が可能であることがこの結果からも分かる。そして、Ｅｋを見てみると、ＥＰと異なる分布を示しており、すべてではないがＥＰの谷がＥｋの山に、又はその逆になっていることが多い。したがって、音圧だけを考慮したＥＰに比較して、両者を加算した音響エネルギ密度Ｅの空間偏差は小さくなる傾向であることが分かる。また、粒子速度ベクトルのｘ，ｙ成分ｕｘ，ｕｙの分布を見てみると、それぞれ軸方向にある壁際で値が極めて小さくなる等、粒子速度の成分毎の特徴を測定によって捉えることができていることも分かる。
　これらの結果からも分かるように、定在波音場では、音圧と粒子速度は著しく異なった振る舞いを見せる。したがって、従来技術のように音圧だけでこのような音場を観測するのは、音場のある一面を見ているに過ぎず、それのみによって音場を評価することはできない。
　次に、高さを変えた５点測定の結果を示す。図９は、５点の各受音点Ｐ１～Ｐ５におけるＥＰ，Ｅｋ，Ｅの空間偏差（最大値と最小値の差）を表わしたグラフである。なお、各受音点Ｐ１～Ｐ５については、図５等に示される測定環境と同様である。この図を見ると、モードの影響を強く受けていると考えられる６３Ｈｚ帯域では、ＥＰ，Ｅｋの偏差が大きいが、高音域になると空間偏差が減少していることが分かる。しかしながら、音響エネルギ密度Ｅについては、周波数に関わらず偏差は常に小さいことが分かる。より詳しくは、６３Ｈｚ帯域では、ＥＰの偏差が最も大きく、約１０ｄＢ、Ｅｋは約４ｄＢ程度であるが、Ｅの偏差は２ｄＢ以下に収まっている。１２５Ｈｚ帯域よりも高い周波数帯域では、ＥＰ，Ｅｋ，Ｅの空間偏差は略同等となっている。
　次に、各受音点Ｐ１～Ｐ５でのＥＰ，Ｅｋ，Ｅの相対レベルについて説明する。図１０は、６３Ｈｚオクターブ帯域における、図１１は、８０Ｈｚ純音における、それぞれの各受音点Ｐ１～Ｐ５でのＥＰ，Ｅｋ，Ｅの相対レベルを表わしている。なお、相対レベルは、ＥＰ，Ｅｋ，Ｅの中の最大値で正規化したレベルである。また、各受音点Ｐ１～Ｐ５については、図５等に示される測定環境と同様である。これらの図から、ＥＰが最も大きく変動し、特に８０Ｈｚ純音では３０ｄＢ以上も変動していることが分かる。これに対して、Ｅｋの偏差は小さく、また、Ｅの偏差はさらに小さく安定していることが分かる。なお、定在波音場では、ＥＰよりもＥｋのほうが総じて大きいレベルであることも分かる。
　さらに、５点の各受音点におけるＥＰ，Ｅｋ，Ｅの残響偏差について説明する。図１２は、各受音点におけるＥＰ，Ｅｋ，Ｅの残響減衰特性をそれぞれ表わすグラフである。なお、これらの結果は６３Ｈｚオクターブ帯域の場合である。図示のように、残響減衰特性についても、ＥＰは測定位置によって大きく異なることが分かる。一方、Ｅについては、殆ど変わらないことが分かった。
　以上の実測結果から、小空間における低音域等、定在波音場では、音圧の変動が特に大きく、ＥＰの偏差が大きくなることが分かる。さらに、ＥＰとＥｋの空間分布が著しく異なることも分かる。一方、Ｅの偏差は低く、周波数依存性も高くないことが分かる。そして、定在波音場では、ＥＰよりもＥｋのほうが総じて大きいことからも、ＥＰだけでなくＥｋの観測も併せて行うことが、音場評価に重要であることは明らかである。このように、音響エネルギＥは定在波の影響を受けないことが実測からも明らかとなった。
　以上説明したように、本発明の音響エネルギ計測装置は、定在波の影響を受けない音響エネルギを計測することが可能である。
　また、このような特徴を有する本発明の音響エネルギ計測装置を用いて、音響性能評価装置を実現しても良い。即ち、本発明の音響性能評価装置は、上述の音響エネルギ計測装置により計測される音響エネルギを用いて音響評価指標とするものである。これは、建築室内、自動車室内、航空機室内等の閉空間において、音響エネルギ計測装置により音響エネルギを測定し、測定された音響エネルギを用いて音響評価指標として、音響性能を評価するものである。評価においては、音響エネルギの対数をとってｄＢ表示する等しても良いし、複数レベルによる段階評価等であっても良い。これにより、定在波の影響を受けない客観的な音響評価が可能な音響性能評価装置が実現可能となる。
　次に、上述の音響エネルギ計測装置を用いた本発明の音響情報計測装置について説明する。図１３は、本発明の音響情報計測装置を説明するためのブロック図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしているため、重複説明は省略する。図示の通り、本発明の音響情報計測装置は、受音部１と、音圧算出部２と、粒子速度算出部３と、音響エネルギ算出部４と、音響インテンシティ算出部５とから主に構成されている。即ち、本発明の音響情報計測装置は、上述の音響エネルギ計測装置に音響インテンシティ算出部５を付加し、音響エネルギ以外に音響インテンシティも算出可能としたものである。
　なお、音響インテンシティには、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り、騒音特定や監視カメラシステム等、応用範囲の広い物理量である。
　さて、音響インテンシティ算出部５は、音圧算出部２及び粒子速度算出部３からの出力を用いて音響インテンシティを算出するものである。より具体的には、音響インテンシティ算出部５は、音圧算出部２から出力される音圧と、粒子速度算出部３から出力される粒子速度を用いて、音響インテンシティを求めるものである。
　ここで、音響インテンシティとは、スカラ量で表わされる音圧Ｐとベクトル量で表わされる粒子速度ｕの積で与えられるベクトル量の情報である。即ち、音響インテンシティは次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　本発明の音響情報計測装置において、上述の例１のように、受音部１に複数の無指向性マイクロホンアレイを用いた場合には、無指向性マイクロホンからの出力を用いて音圧算出部２により算出された音圧と、音圧の差分により粒子速度算出部３により算出された粒子速度とを、音響インテンシティ算出部５において乗算することで、音響インテンシティを算出する。また、上述の例２のように、粒子速度算出用に２本の熱線を用いた場合には、２本の熱線の抵抗値の変化から粒子速度算出部３により算出された粒子速度を用いて音響インテンシティを算出する。
　さらに、本発明の音響情報計測装置において、受音部１に上述の例３のような、単一指向性マイクロホン対を用いた場合、数５と数７を用いれば、数１５は以下のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　したがって、この場合には、音響インテンシティ算出部５では、単一指向性マイクロホン対からの出力に基づき、音圧算出部２から各マイクロホンの単一指向性音圧を出力するようにし、これら２つの単一指向性音圧のみを用いて、加算及び減算し、これらの結果を乗算することで音響インテンシティを算出すれば良い。さらに、数１６から明らかなように、２つの単一指向性音圧をそれぞれ２乗して減算することでも、音響インテンシティが算出可能である。このような場合、音響インテンシティ算出に関しては、音圧算出部からの単一指向性音圧情報のみを用いれば良く、粒子速度算出部からの出力を用いなくても良い。
　またさらに、本発明の音響情報計測装置において、上述の例４のような、ベクトル合成法を用いた場合には、数８と数９を用いれば、数１５は以下のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 　　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、上述の例４のように音場をベクトルで解釈すると、音響インテンシティ算出部では、粒子速度ベクトルと無指向性の音圧との乗算を行うことで、音響インテンシティを算出すれば良い。
　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-M000018
 　　但し、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、上述の例４の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、音響インテンシティは粒子速度ベクトルを求めずにダイレクトに算出可能となる。したがって、この場合には、音響インテンシティ算出部５では、単一指向性マイクロホン対からの出力に基づく音圧算出部２からの音圧を２乗し、この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算出すれば良い。即ち、この場合、音響インテンシティ算出に関しては、音圧算出部からの出力のみを用いれば良く、粒子速度算出部からの出力を用いなくても良い。
　このように、本発明の音響情報計測装置によれば、音響エネルギ計測装置と受音部等の基本構成は同様のものとしつつ、音響エネルギだけでなく、音響インテンシティも算出可能となる。また、音響インテンシティ算出にあたっては、音響エネルギ計測装置の音圧算出部のみを用いる構成であっても音圧算出部と粒子速度算出部の両方を用いる構成であっても良い。
　このような本発明の音響情報計測装置を用いて、音響性能評価装置を実現しても良い。即ち、本発明の音響性能評価装置は、上述の音響エネルギ計測装置により計測される音響エネルギや音響インテンシティを音響評価指標とすることが可能である。これにより、より多くの情報に基づく音響性能の評価が可能となる。
　次に、上述の音響情報計測装置の他の例について説明する。図１４は、本発明の音響情報計測装置の他の例を説明するためのブロック図である。図中、図１３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしているため、重複説明は省略する。図示の通り、本発明の音響情報計測装置は、受音部１と、音圧算出部２と、粒子速度算出部３と、音響エネルギ算出部４と、音響インテンシティ算出部５と、切替部６とから主に構成されている。即ち、本発明の音響情報計測装置は、切替部を用いて音圧や粒子速度、音響エネルギや音響インテンシティの情報をそれぞれ出力可能に構成したものである。
　切替部６は、音圧算出部２による音圧Ｐ、粒子速度算出部３による粒子速度ｕ、音響エネルギ算出部４による音響エネルギｅ、音響インテンシティ算出部５による音響インテンシティＩをそれぞれ切り替えて選択的に音響情報計測装置の出力とするものである。なお、図示例では、これらすべての音響情報（Ｐ，ｕ，ｅ，Ｉ）をそれぞれ切り替え可能なように構成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、これらの音響情報のうち少なくとも２つ以上を切り替えて出力できるものであれば良い。さらに、すべての音響情報を一覧表示するようにしても勿論構わない。
　本発明の音響情報計測装置では、特に上述の例３や例４のようなＣ－Ｃ方式を用いたものの場合、受音部１からの出力により単一指向性の音圧Ｐｉを求めれば、これを用いて粒子速度ｕ、音響エネルギｅ、音響インテンシティＩが演算処理のみで求めることが可能となる。したがって、一度の測定により、これらすべての音響情報を算出可能である。本発明の音響情報計測装置では、このように算出された情報を切替部６を用いて選択的に出力できるように構成している。上述のように、Ｃ－Ｃ方式を用いたものの場合には、無指向性の音圧を算出することも可能であり、さらに、ベクトル合成法を用いれば粒子速度ベクトルも算出可能である。
　例えば、このような音響情報計測装置をポータブルな測定器として構成した場合には、測定現場において切替部を構成するスイッチ等を切り替えるのみで、簡単に複数の音響情報を選択的に出力させることが可能となる。したがって、本発明の音響情報測定装置は、これまで音圧性能評価を行っていたサウンドレベルメータに代わる装置となり得るものもある。
　なお、本発明の音響エネルギ計測装置や音響性能評価装置、音響情報計測装置は、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。
　１　　受音部
　２　　音圧算出部
　３　　粒子速度算出部
　４　　音響エネルギ算出部
　５　　音響インテンシティ算出部
　６　　出力切替部
　４１　　ポテンシャルエネルギ算出部
　４２　　運動エネルギ算出部
　４３　　加算部

Claims (8)

  1. 　音響エネルギを計測する音響エネルギ計測装置であって、該音響エネルギ計測装置は、
    　音電変換を行う受音部と、
    　前記受音部からの出力を用いて音圧を算出する音圧算出部と、
    　前記音圧算出部からの出力を用いて音響エネルギを算出する音響エネルギ算出部と、
    　を具備することを特徴とする音響エネルギ計測装置。
  2. 　請求項１に記載の音響エネルギ計測装置であって、さらに、前記受音部からの出力を用いて粒子速度を算出する粒子速度算出部を具備し、
    　前記音響エネルギ算出部は、前記音圧算出部及び粒子速度算出部からの出力を用いて音響エネルギを算出することを特徴とする音響エネルギ計測装置。
  3. 　請求項２に記載の音響エネルギ計測装置において、前記音響エネルギ算出部は、前記音圧算出部からの出力を用いて算出するポテンシャルエネルギと、前記粒子速度算出部からの出力を用いて算出する運動エネルギとを加算して音響エネルギを算出することを特徴とする音響エネルギ計測装置。
  4. 　請求項１乃至請求項３の何れかに記載の音響エネルギ計測装置において、前記受音部は、単一指向性の複数のマイクロホンを有し、該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ことを特徴とする音響エネルギ計測装置。
  5. 　請求項１乃至請求項４の何れかに記載の音響エネルギ計測装置において、前記受音部は、受音部により測定される情報の特性を補正する特性補正部を具備することを特徴とする音響エネルギ計測装置。
  6. 　請求項１乃至請求項５の何れかに記載の音響エネルギ計測装置により計測される音響エネルギに基づき音響評価指標とする音響性能評価装置。
  7. 　請求項１乃至請求項５の何れかに記載の音響エネルギ計測装置を用いる音響情報計測装置であって、該音響情報計測装置は、少なくとも前記音圧算出部からの出力を用いて音響インテンシティを算出する音響インテンシティ算出部を具備することを特徴とする音響情報計測装置。
  8. 　請求項７に記載の音響情報計測装置であって、さらに、前記音圧算出部による音圧、粒子速度算出部による粒子速度、音響エネルギ算出部による音響エネルギ、音響インテンシティ算出部による音響インテンシティのうちの少なくとも２つ以上をそれぞれ切り替えて音響情報計測装置の出力とする切替手段を具備することを特徴とする音響情報計測装置。
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