WO2022091370A1 - 音源方位標定装置 - Google Patents

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WO2022091370A1
WO2022091370A1 PCT/JP2020/040905 JP2020040905W WO2022091370A1 WO 2022091370 A1 WO2022091370 A1 WO 2022091370A1 JP 2020040905 W JP2020040905 W JP 2020040905W WO 2022091370 A1 WO2022091370 A1 WO 2022091370A1
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sound
sound source
microphones
array sensor
sound pressure
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知路 岡
将広 小田
和裕 野村
聡 永野
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Ｊｆｅアドバンテック株式会社
Ｊｆｅスチール株式会社
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    • H04R2430/20—Processing of the output signals of the acoustic transducers of an array for obtaining a desired directivity characteristic

Definitions

  • the present invention relates to a sound source directional control device having an array sensor capable of improving directivity while suppressing an increase in the number of microphones and suppressing the generation of grating gloves.
  • a sound source directional control device having an array sensor in which a plurality of microphones are arranged on a plane is known.
  • a grating glove false signal
  • ⁇ wavelength
  • Patent Document 1 discloses that the generation of grating gloves can be suppressed without setting the microphone arrangement interval to ⁇ / 2 or less by narrowing the search range of the sound source. In this way, by narrowing the search range, the generation of grating gloves can be suppressed without reducing the distance between microphones to ⁇ / 2, but in order to improve the directivity, it is necessary to further increase the opening, and the opening must be increased. Many microphones are needed to suppress the grating glove while increasing it.
  • Patent Document 2 discloses an array sensor that avoids spatial regularity by arranging array elements along the shape of a logarithmic spiral curve.
  • Patent Documents 3 and 4 have rotational symmetry as spatial regularity, but by having a sub-array, the regularity of the phase difference of the sound pressure observed for each microphone is suppressed, thereby suppressing the generation of grating gloves.
  • the technology to be used is disclosed.
  • the present invention has been made in view of such a prior art, and an object thereof is to have an array sensor capable of improving directivity while suppressing an increase in the number of microphones and suppressing the generation of grating gloves.
  • the purpose is to provide a sound source orientation determining device.
  • the features of the present invention that solve such a problem are as follows.
  • (1) The sound pressure in each direction is calculated based on the array sensor having a plurality of microphones for measuring the sound wave and the sound pressure information of the sound wave acquired by the array sensor, and the sound wave is the direction in which the sound pressure becomes maximum.
  • the plurality of microphones are provided at the vertices of two or more cocircular polygons having the same plane and the same center, and have a non-rotational symmetry as a whole. Sound wave orientation setting device placed in.
  • the sound wave orientation setting device which creates a superposed image by superimposing the sound pressure map and the sound pressure map.
  • the sound source directional control device according to any one of (1) to (3), wherein each of the plurality of microphones is provided at the apex of two co-circular polygons.
  • the sound source directional control device is an array sensor in which a plurality of microphones are provided at the vertices of two or more co-circular polygons having the same plane and the same center, and are arranged so as to be non-rotational symmetric as a whole.
  • the array sensor is a sensor that can improve the directivity while suppressing the increase in the number of microphones and suppress the generation of grating gloves
  • the sound source orientation setting device having the array sensor is a sound source with high accuracy. It is a device that can determine the position of occurrence.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the sound source directional control device 10 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an arrangement of microphones 15 in the array sensor 14.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the sound source directional control device 10.
  • FIG. 4 is a diagram showing a simulation result of a sound pressure map of the array sensor 40.
  • FIG. 5 is a diagram showing a simulation result of a sound pressure map of the array sensor 42.
  • FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of a sound pressure map of the array sensor 44.
  • FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of the sound pressure map of the array sensor 14.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of a sound pressure map of the array sensor 46.
  • FIG. 9 is a graph showing sound source intensity ratios of various array sensors.
  • FIG. 10 is a graph showing sound source intensity ratios of various array sensors.
  • FIG. 11 is a graph showing sound source intensity ratios of various array sensors.
  • FIG. 12 is a graph showing sound source intensity ratios of various array sensors.
  • FIG. 13 is a diagram showing a sound source intensity ratio of a 7-9 nonagonal array sensor.
  • FIG. 14 is a diagram showing a sound source intensity ratio of a 9-11 rectangular array sensor.
  • FIG. 15 is a diagram showing a sound source intensity ratio of a 6-7 rectangular array sensor.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of the sound source directional control device 10 according to the present embodiment.
  • 1 (a) is a front view of the sound source directional control device 10
  • FIG. 1 (b) is a sectional view taken along the line AA of FIG. 1 (a)
  • FIG. 1 (c) is a sound source directional control device 10. It is a rear view of.
  • the sound source directional control device 10 includes a camera 12, an array sensor 14, a calculation means 16, a display means 18, an input means 20, and a housing 22.
  • a camera 12 and an array sensor 14 are provided on the front side of the housing 22
  • a calculation means 16 is provided inside the housing 22
  • a display means 18 and an input are provided on the back side of the housing 22.
  • Means 20 are provided.
  • the camera 12 photographs the measurement target and outputs the obtained captured image to the calculation means 16.
  • the captured image is used for the purpose of superimposing the two-dimensional sound pressure map of the sound wave obtained by the beamforming method.
  • the beamforming method refers to a calculation method for obtaining the arrival angle of a sound wave with respect to the front direction of the microphone by using the phase difference of the sound wave measured by a plurality of microphones.
  • the magnification of the camera 12, the width of the field of view, and the like may be appropriately adjusted according to a desired search range.
  • the camera 12 is, for example, a digital camera including an image sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor and a lens.
  • the camera 12 is provided in the center of the array sensor 14. By providing the camera 12 in the center of the array sensor 14, when the captured image is superimposed on the sound pressure map obtained by the beamforming method, the image is superimposed on the sound pressure map regardless of the distance to the measurement target. You can create an image.
  • the array sensor 14 has a plurality of microphones 15.
  • the microphone 15 measures the sound wave emitted from the sound source and outputs the sound pressure information.
  • the plurality of microphones 15 are provided at the vertices of two co-circular polygons having the same plane and the same center, and the plurality of microphones 15 are arranged so as to be non-rotationally symmetric.
  • the microphone 15 measures the sound pressure of a sound wave within a frequency range of 100 kHz from the audible sound.
  • FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of the microphone 15 in the array sensor 14.
  • the array sensor 14 has, for example, 13 microphones 15.
  • the 13 microphones 15 are, for example, the positions of the vertices of the outer concyclical regular hexagon whose circumscribed circle diameter is ⁇ 41 mm and each of the inner concyclical regular hexagons whose circumscribed circle diameter is ⁇ 15.3 mm. It is provided at the position of the apex.
  • the center of the circumscribed circle of the outer concyclical regular hexagon is the same as the center of the circumscribed circle of the inner concyclical regular hexagon, and the camera 12 is provided at the position.
  • 13 microphones 15 are provided at each of the outer symmetry hexagons and the inner symmetry hexagons, which are the same central cocircular polygons.
  • the microphones 15 arranged in this way are non-rotating symmetric as a whole.
  • the non-rotational symmetry means an arrangement in which all the microphones 15 are not simultaneously arranged in the same arrangement as before the rotation while the array sensor 14 is rotated by 360 ° with respect to the center of the circumscribed circle of the concyclic polygon.
  • the directivity can be improved while suppressing the increase in the number of microphones, and the array sensor 14 capable of suppressing the generation of grating gloves. Become.
  • the calculation means 16 creates a sound pressure map showing the sound pressure intensity of the sound wave for each divided direction by performing beamforming calculation on the sound pressure information measured by the array sensor 14.
  • the calculation means 16 creates a superposed image in which the captured image captured by the camera 12 and the sound pressure map are superimposed.
  • the superposed image is created by superimposing the sound pressure map on the captured image. In the superposed image, the subject and the sound pressure intensity are superimposed and displayed. Therefore, when the user confirms the superposed image, the correspondence between the position of the subject in the captured image and the sound pressure distribution of the sound wave. Can be identified at a glance.
  • the calculation means 16 outputs the created superimposed image to the display means 18, and causes the display means 18 to display the superimposed image.
  • the display means 18 is, for example, an LCD, and displays a superposed image created by the calculation means 16.
  • the input means 20 is, for example, a push switch, and a plurality of input means 20 are provided in the vicinity of the display means 18. When the user presses the input means 20, a predetermined input signal is input to the calculation means 16. Instead of the push switch, or together with the push switch, the touch panel type input means 20 may be used.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of the sound source orientation setting device 10.
  • the display processing of the superposed image in the sound source orientation setting apparatus 10 will be described with reference to FIG.
  • the arithmetic means 16 has a processing unit 30 and a storage unit 32.
  • the processing unit 30 is, for example, a CPU or the like, and controls the operation of the sound source directional control device 10 by using the program or data stored in the storage unit 32, and executes a predetermined operation.
  • the storage unit 32 is, for example, a flash memory capable of updating and recording, an information recording medium such as a built-in hard disk or a hard disk connected by a data communication terminal, a memory card, and a reading / writing device thereof.
  • the storage unit 32 stores in advance a program for realizing various functions of the sound source orientation setting device 10, information used during execution of the program, and the like.
  • the camera 12 captures the measurement target.
  • the camera 12 outputs the captured image to the processing unit 30.
  • the array sensor 14 measures the sound pressure of a sound wave emitted from the direction of the measurement target.
  • the array sensor 14 outputs the measured sound pressure as sound pressure information to the processing unit 30.
  • the processing unit 30 divides the range according to the field of view of the camera into a predetermined number of azimuth divisions, and performs beamforming calculation on the sound pressure information acquired from the array sensor 14, so that the sound pressure corresponding to the shooting area is obtained. Create a map.
  • the processing unit 30 creates a superposed image in which the sound pressure map corresponding to the shooting area is superimposed on the shot image.
  • the processing unit 30 creates a superposed image by, for example, converting a sound pressure map into a transparent image and superimposing it on a captured image.
  • the processing unit 30 displays the created superposed image on the display means 18.
  • a color image that is continuously color-coded into different colors according to the sound pressure intensity may be used.
  • the processing unit 30 receives an instruction from the input means 20 to save the image displayed on the display means 18, the processing unit 30 stores the camera image and the superposed image in the storage unit 32.
  • the sound source directional control device 10 creates a superposed image as described above and displays it on the display means 18.
  • a sound source directional orientation device 10 it is preferable to use an array sensor having high sound source directional orientation performance from the viewpoint of improving the sound source directional orientation accuracy.
  • the sound source directional orientation performance of the array sensor is greatly affected by the arrangement of the plurality of microphones 15.
  • Directivity is an index showing whether or not the sound source sound pressure observed on the sound pressure map (hereinafter referred to as "main lobe") can be displayed sharply.
  • FWHM full width at half maximum
  • the opening is the diameter of a circle passing through a plurality of microphones 15 arranged on the outside, and in the present embodiment, it is the diameter of a co-circular polygon on the outside.
  • the sound source intensity ratio is the intensity ratio of the main lobe to the intensity of the grating glove (false signal), and is calculated by (intensity of the main lobe) / (intensity of the grating glove).
  • a high sound source intensity ratio means that the intensity of the grating glove is sufficiently smaller than the intensity of the main lobe. If the strength of the grating glove can be made smaller than the strength of the main lobe, it is possible to suppress erroneous determination of the sound source orientation by the grating glove, so that a high sound source intensity ratio is advantageous for determining the sound source orientation.
  • the sound pressure maps of various array sensors with different arrangements of the microphones 15 are simulated. confirmed. Since the directivity is determined by the size of the opening, in this simulation, the size of the opening is constant (4 ⁇ : ⁇ is the wavelength of the sound wave), the sound source intensity ratio in the sound pressure map, and the position where the high-intensity Gretin glove is generated. The array sensor was evaluated with.
  • the simulation was performed on the assumption that the sound source is located 5 m in front of the sound source orientation setting device 10, and the search range is ⁇ 85 ° in the vertical direction and ⁇ 85 ° in the horizontal direction with respect to the sound wave (frequency 40 kHz) emitted from the sound source.
  • FIG. 4 is a diagram showing a simulation result of a sound pressure map of the array sensor 40.
  • FIG. 4A is a diagram showing the arrangement of the microphone 15 in the array sensor 40.
  • FIG. 4B is a diagram showing a sound pressure map created based on the sound pressure information acquired by the array sensor 40 shown in FIG. 4A.
  • the microphone intervals are ⁇ / 2 or more. Due to the highly regular arrangement of, the grating gloves of the same strength as the central main lobe are confirmed at the upper, lower, left and right ends. The strength of the main lobe and the strength of the grating glove are the same, and the sound source intensity ratio is as small as 1.0. From this result, the array sensor 40 in which the microphones 15 are arranged in a cross shape cannot suppress the generation of grating gloves. In the present embodiment, both the strength of the main lobe and the strength of the grating glove used for calculating the sound source intensity ratio are the maximum values within the search range.
  • FIG. 5 is a diagram showing a simulation result of the sound pressure map of the array sensor 42.
  • FIG. 5A is a diagram showing the arrangement of the microphone 15 of the array sensor 42.
  • FIG. 5B is a diagram showing a sound pressure map created based on the sound pressure information acquired by the array sensor 42 shown in FIG. 5A.
  • the simulation conditions used to create FIG. 5B are all the same as in FIG. 4 except for the arrangement of the microphone 15.
  • the sound pressure ratio of the array sensor 42 (FIG. 5 (b)) in which seven microphones 15 are arranged at the vertices of the cocircular regular hexagon has a sound source intensity ratio of 1.4. Therefore, the sound source intensity ratio was higher than that of the array sensor 42 shown in FIG. As described above, it was confirmed that the arrangement of the vertices of a single concyclic regular polygon is effective in improving the sound source intensity ratio. However, the strength of the grating glove was still high due to the wide arrangement interval of the microphones 15, and the grating glove was generated around the central main lobe.
  • both the main lobe and the grating glove appear in the field of view, which causes an erroneous determination of the sound source position, which is not preferable. From this result, it was confirmed that the array sensor 42 cannot sufficiently suppress the generation of the grating glove, and the grating glove is generated at a position close to the main lobe, which is not preferable for the determination of the sound source orientation.
  • FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of a sound pressure map of the array sensor 44.
  • FIG. 6A is a diagram showing the arrangement of the microphone 15 of the array sensor 44.
  • FIG. 6B is a diagram showing a sound pressure map created based on the sound pressure information acquired by the array sensor 44 shown in FIG. 6A.
  • the simulation conditions used to create FIG. 6B are all the same as those in FIG. 4 except for the arrangement of the microphone 15.
  • the grating 15 could not be sufficiently suppressed because the arrangement interval of the microphones 15 was wide. As shown in FIG.
  • the sound source intensity ratio was 1.7.
  • a relatively strong grating glove of the same size as the main lobe was generated over a wide area around the central main lobe.
  • the phase difference of the sound pressure acquired by each microphone 15 has regularity, and this regularity is generated. It is considered to be.
  • a relatively high-strength grating glove having the same size as the main lobe is generated over a wide area around the main lobe, it causes an erroneous determination of the sound source orientation, which is not preferable. From this result, it was confirmed that the array sensor 44 is not preferable for the orientation of the sound source.
  • FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of the sound pressure map of the array sensor 14.
  • FIG. 7A is a diagram showing the arrangement of the microphone 15 in the array sensor 14.
  • FIG. 7 (b) is a diagram showing a sound pressure map created based on the sound pressure information acquired by the array sensor 14 shown in FIG. 7 (a).
  • the simulation conditions used to create FIG. 7B are all the same as in FIG. 4 except for the arrangement of the microphone 15.
  • the sound source intensity ratio was 2.2, and a relatively high-intensity gray tin glove of the same size as the main lobe was not generated over a wide area around the main lobe.
  • the microphone 15 is arranged so as to be non-rotationally symmetric as a whole, the regularity of the phase difference of the sound pressure acquired by the microphone 15 is avoided. Therefore, it is considered that the generation of relatively high-strength grating gloves of the same size as the main lobe was suppressed.
  • the array sensor 14 is an array sensor that can suppress the generation of grating gloves while suppressing the increase in the number of microphones 15.
  • the size of the opening is fixed, but the above tendency does not change even if the size of the opening is changed. Therefore, the array sensor 14 arranged so that the microphones 15 are non-rotationally symmetric as a whole at the apex of two co-circular polygons having the same plane and the same center is oriented while suppressing an increase in the number of microphones 15. It is an array sensor that can improve the performance and suppress the generation of gray tin gloves. Since the sound source direction setting device 10 according to the present embodiment has such an array sensor 14, it is a device capable of setting the sound source direction with high accuracy.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of a sound pressure map of the array sensor 46.
  • FIG. 8A is a diagram showing the arrangement of the microphone 15 in the array sensor 46.
  • FIG. 8B is a diagram showing a sound pressure map created based on the sound pressure information acquired by the array sensor 46 shown in FIG. 8A.
  • the simulation conditions used to calculate FIG. 8B are all the same as those in FIG. 4 except for the arrangement of the microphone 15.
  • the position of the microphone 15 of the array sensor 14 shown in FIG. 7 is changed to the circumscribed circle of the outer concyclical regular hexagon or the inner cocircular regular hexagon.
  • the two microphones 15 are placed close to each other by moving them by 15 ° or ⁇ 15 ° along the line. Even with the array sensor 46 in which the placement position of the microphone 15 is moved in this way, the sound source intensity ratio is 1.7, and the grating is relatively strong and has the same size as the main lobe over a wide area around the main lobe. No robe occurred.
  • the inner and outer concyclic polygons are not limited to regular polygons, but may be within ⁇ 15 ° in the circumferential direction of the circumscribed circle from the apex of each concyclic regular polygon. For example, it was confirmed that the arrangement position of the microphone 15 may be moved. However, since the inner and outer co-circular polygons are regular polygons, the generation of Gretin gloves is suppressed and the sound source intensity ratio is increased, so the inner and outer co-circular polygons are co-circular regular polygons. Is preferable. In the example of the array sensor 14 shown in FIG. 7, an example in which the microphone 15 is arranged at the apex of each of the two concircular regular polygons is shown, but the number of the concyclic polygons is not limited to two and is two or more. Should be
  • a sound source directional control device 10 having a camera 12 and a display means 18 is shown, but the present invention is not limited to this.
  • the sound source directional control device 10 does not have to have the display means 18.
  • the calculation means 16 performs beamforming calculation on the sound pressure information measured by the array sensor 14, calculates the sound pressure in each direction of the search range arbitrarily set as necessary, and obtains the sound pressure.
  • the direction in which the sound pressure is maximized is defined as the arrival direction of the sound wave.
  • the preferable arrangement of the microphones is further confirmed.
  • the observation field is set to 50 ° in the horizontal direction and 30 ° in the vertical direction, and a sound pressure map when sound sources are installed at the four corners of the observation field is created by simulation, and the sound source intensity calculated from the sound pressure map is created.
  • the arrangement of the microphone 15 was evaluated by the ratio.
  • the circumscribing circle of the inner concyclic regular polygon is described as “inner circle”
  • the circumscribing circle of the outer concyclic regular polygon is described as "outer circle”.
  • FIG. 9 is a graph showing the sound source intensity ratios of various array sensors.
  • the horizontal axis is aperture / (wavelength ⁇ number of microphones) (1 / piece), and the vertical axis is the sound source intensity ratio.
  • the grating glove is more likely to be generated when the opening is large, but is less likely to be generated when the wavelength of the sound wave is long or the number of microphones 15 is large. Therefore, the sound source intensity ratio of each array sensor was compared using the value obtained by dividing the aperture (diameter of the outer circle) by the wavelength and the number of microphones on the horizontal axis. In the nm square in FIG.
  • the number n on the left side indicates the number of vertices of the inner concircular regular polygon
  • the number m on the right side indicates the number of vertices of the outer concircular regular polygon. That is, the 10-11 polygon means an array sensor in which the inner side is a concyclical regular decagon and the outer side is a concyclical regular 11-sided polygon with a microphone 15 provided at each apex.
  • the diameter of the inner circle was 7 mm or more, and the value was set so that the sound source intensity ratio was the largest.
  • the method of determining the diameter of the inner circle is the same in FIGS. 9-12, and the display method of the array sensor is the same in FIG. 9-15.
  • the sound source intensity ratio of the array sensor having an odd number of vertices of the outer concircular regular polygon is the sound source intensity of the array sensor having an even number of vertices of the outer concircular regular polygon. It was higher than the ratio. Since the simulation conditions are the same for each array sensor, a high sound source intensity ratio indicates that the occurrence of grating gloves is suppressed. From the results shown in FIG. 9, as the array sensor used in the sound source orientation setting device 10, it is preferable to use an array sensor in which the number of vertices of the outer cocircular regular polygon is an odd number. It was confirmed that the outbreak could be suppressed. In the case of an array sensor in which the microphone 15 is provided at each vertex of three or more concyclic polygons, the number of vertices of the outermost concyclic polygon may be an odd number.
  • FIG. 10 is a graph showing sound source intensity ratios of various array sensors.
  • the horizontal axis of FIG. 10 is aperture / (wavelength ⁇ number of microphones) (1 piece), and the vertical axis is sound source intensity ratio / number of microphones (1 piece).
  • the value of the sound source intensity ratio / the number of microphones decreased as the number of microphones 15 of the array sensor increased.
  • the number of microphones 15 is changed from 24 (11-13 squares) to 28 (13-15 squares)
  • the value of the sound source intensity ratio / the number of microphones is greatly reduced. This indicates that even if the number of microphones is increased to exceed 24, the effect of increasing the sound source intensity ratio by increasing the microphones is small, and from this, it is preferable that the number of microphones in the array sensor is 24 or less. I understand.
  • the opening of the outer concyclic regular polygon becomes large, the value of the sound source intensity ratio / the number of microphones decreases.
  • the appearance range of the Gretin glove gradually expands over a wide range, so that the opening of the outer concyclic regular polygon is 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ n or less ( ⁇ ). : Wavelength of sound wave, n: Number of total microphones).
  • ⁇ Wavelength of sound wave
  • n Number of total microphones
  • the sound source intensity ratio is 1.7 or more at (opening / wavelength): 3.8 (directional FWHM: 15 °), and a predetermined sound source intensity ratio is secured while securing an opening of a predetermined size.
  • FIG. 11 is a graph showing sound source intensity ratios of various array sensors.
  • the horizontal axis of FIG. 11 is the aperture / wavelength, and the vertical axis is the sound source intensity ratio.
  • the 4-5 pentagonal array sensor satisfied the above criteria, but the 3-5 pentagonal array sensor did not meet the above criteria. From this result, it was confirmed that the number of microphones 15 included in the array sensor is preferably 9 or more.
  • FIG. 12 is a graph showing sound source intensity ratios of various array sensors.
  • the horizontal axis of FIG. 12 is aperture / (wavelength ⁇ number of microphones) (1 / piece), and the vertical axis is the sound source intensity ratio.
  • the sound source intensity ratio of the 8-7 square array sensor and the sound source intensity ratio of the 8-9 square array sensor became almost the same.
  • the sound source intensity ratio of the 9-10 decagon is lower than the sound source intensity ratio of the 10-9 decagon, but the amount of decrease is almost the same as the amount of decrease due to the positive and odd squares on the outside confirmed in FIG. Met.
  • the sound source intensity ratio of the 7-8 square is also lower than the sound source intensity ratio of the 8-7 square, but the amount of decrease is the same as the amount of decrease due to the positive and odd squares on the outside confirmed in FIG. It was almost the same. From these results, the number of vertices of the outer concircular regular polygon does not have to be greater than the number of vertices of the inner circle, and the number of vertices of the inner concyclic polygon is that of the outer concyclic polygon. It was confirmed that it may be more than the number of vertices.
  • FIG. 13 shows the diameter of the outer concyclical regular nonagon circumscribed circle (hereinafter, may be referred to as “outer circle”) of the 7-9 square array sensor and the inner concircular regular hexagonal circumscribed circle. It is a figure which shows the sound source intensity ratio of the array sensor which changed the diameter of a circle (hereinafter, may be referred to as "inner circle”).
  • the horizontal axis of FIG. 13 is the diameter / wavelength of the outer circle, and the vertical axis is the diameter / wavelength of the inner circle.
  • the simulation conditions carried out to obtain FIG. 13-15 are the same as those in FIG.
  • FIG. 14 is a diagram showing the sound source intensity ratio of the array sensor in which the diameter of the outer circle of the 9-11 rectangular array sensor and the diameter of the inner circle are changed.
  • FIG. 15 is a diagram showing the sound source intensity ratio of the array sensor in which the diameter of the outer circle of the 6-7 square array sensor and the diameter of the inner circle are changed.
  • the horizontal axis is the diameter / wavelength of the outer circle
  • the vertical axis is the diameter / wavelength of the inner circle.
  • the sound source intensity ratio can be increased by setting the diameter / wavelength of the inner circle to 3.0 or less, that is, setting the diameter of the inner circle to 3 ⁇ ⁇ or less ( ⁇ : wavelength of sound wave). Understand. It can be seen that by setting the diameter / wavelength of the inner circle to 2.5 or less, the sound source intensity becomes higher, and by setting the diameter / wavelength of the inner circle to 2.0, the sound source intensity ratio becomes higher. From these results, it can be seen that the diameter / wavelength of the inner circle is preferably 3.0 or less, more preferably 2.5 or less, and even more preferably 2.0.
  • the diameter of the inner circle is smaller than 7 mm, it may be difficult to arrange the microphone 15 and the camera 12, so the diameter of the inner circle is preferably 7 mm or more.
  • the diameter of the circumscribed circle of the innermost concyclic polygon may be 3.0 ⁇ ⁇ or less.
  • the microphones 15 are provided at the vertices of two co-circular polygons having the same plane and the same center and arranged so as to be non-rotationally symmetric as a whole, the following 1 It was confirmed that it is preferable to arrange the microphone 15 as described in ⁇ 5, and that the generation of the gray tin glove can be suppressed by this. 1. 1. The number of vertices of the outer concyclic polygon is odd. 2. 2. The number of microphones 15 of the array sensor is 24 or less. 3. 3. The number of microphones 15 of the array sensor is 9 or more. 4. The aperture of the array sensor is 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ n or less ( ⁇ : wavelength of sound wave, n: number of microphones). 5. The diameter of the inner circle is 3.0 ⁇ ⁇ or less ( ⁇ : wavelength of sound wave).

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Abstract

マイクロホンの数の増大を抑制しながら指向性を向上させ、且つ、グレーチングローブの発生を抑制できるアレイセンサを有する音源方位標定装置を提供する。　音源方位標定装置であって、音波を測定する複数のマイクロホンを有するアレイセンサと、アレイセンサによって取得される音波の音圧情報に基づいて各方向の音圧を算出し、前記音圧が最大となる方向を音波の到来方向として標定する演算手段と、を有し、複数のマイクロホンは、同一平面であって中心が同じ２以上の共円多角形の頂点にそれぞれ設けられ、全体として非回転対称となるように配置される。

Description

音源方位標定装置
　本発明は、マイクロホンの数の増大を抑制しながらも指向性を向上させ、且つ、グレーチングローブの発生を抑制できるアレイセンサを有する音源方位標定装置に関する。
　音源位置を探索する装置として、平面上に複数のマイクロホンを配置したアレイセンサを有する音源方位標定装置が知られている。当該装置において、高指向性を達成するには、開口を大きくする必要がある。また、マイクロホン毎に観測される音圧の位相差の規則性により、マイクロホン配置によってはグレーチングローブ（偽信号）が発生し、誤標定の原因となる。このグレーチングローブが実領域（音源から１８０°以内の位置）に発生することを防止するには、マイクロホンの間隔をλ（波長）／２以下にする必要がある。
　一方、特許文献１には、音源の探索範囲を狭めることでマイクロホンの配置間隔をλ／２以下にしなくてもグレーチングローブの発生を抑制できることが開示されている。このように、探索範囲を狭めることで、マイクロホンの間隔をλ／２以下にしなくてもグレーチングローブの発生を抑制できるものの指向性を向上させるには、さらに開口を大きくする必要があり、開口を大きくしつつグレーチングローブを抑制するには、多くのマイクロホンが必要になる。
　空間規則性を回避するようにマイクロホンを配置し、マイクロホン毎に観測される音圧の位相差の規則性を抑制することによって、グレーチングローブの発生を抑制する技術も考案されている。例えば、特許文献２には、対数うずまき曲線の形に沿ってアレイの素子を配置することで空間規則性を回避したアレイセンサが開示されている。特許文献３、４には、空間規則性として回転対称性を有するものの、サブアレイを有することでマイクロホン毎に観測される音圧の位相差の規則性を抑制し、これによりグレーチングローブの発生を抑制する技術が開示されている。
国際公開第２０１８／０５６２１４号 特開平１０－７０４１２号公報 特開２０１１－１５０５０号公報 特表２００５－５２１２８３号公報
　グレーチングローブの発生を抑制するために、特許文献２～４に開示されたようにマイクロホンを配置した場合、指向性を確保するために開口を大きく取りながらマイクロホン数を少なくするとマイクロホンの配置間隔が広がり、探索範囲内においてグレーチングローブの発生を効果的に抑制することが難しくなる。一方、特許文献１に開示されたアレイセンサのようにマイクロホンの間隔を狭めてグレーチングローブが探索範囲内に入らないようにすると、開口が小さくなり指向性が確保できなくなる、という課題があった。本発明はこのような従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的は、マイクロホンの数の増大を抑制しながらも指向性を向上させ、且つ、グレーチングローブの発生を抑制できるアレイセンサを有する音源方位標定装置を提供することである。
　このような課題を解決する本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）音波を測定する複数のマイクロホンを有するアレイセンサと、前記アレイセンサによって取得される音波の音圧情報に基づいて各方向の音圧を算出し、前記音圧が最大となる方向を音波の到来方向として標定する演算手段と、を有し、前記複数のマイクロホンは、同一平面であって中心が同じ２以上の共円多角形の頂点にそれぞれ設けられ、全体として非回転対称となるように配置される、音源方位標定装置。
（２）測定対象を撮影するカメラをさらに有し、前記演算手段は、前記アレイセンサによって取得される音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成するとともに、前記カメラによって取得される撮影画像と前記音圧マップとを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する、（１）に記載の音源方位標定装置。
（３）前記カメラは、前記共円多角形の中心に設けられる、（２）に記載の音源方位標定装置。
（４）前記複数のマイクロホンのそれぞれは、２つの共円多角形の頂点に設けられる、（１）から（３）の何れか１つに記載の音源方位標定装置。
（５）前記共円多角形は正多角形である、（１）から（４）の何れか１つに記載の音源方位標定装置。
（６）前記２以上の共円多角形のうち、最も外側にある共円多角形の頂点の数は奇数である、（１）から（５）の何れか１つに記載の音源方位標定装置。
（７）前記複数のマイクロホンの数は９個以上２４個以下である、（１）から（６）の何れか１つに記載の音源方位標定装置。
（８）前記音波の波長をλとすると、前記２以上の共円多角形のうち、最も内側にある共円多角形の外接円の直径は３．０×λ以下である、（１）から（７）の何れか１つに記載の音源方位標定装置。
（９）前記音波の波長をλとし、前記複数のマイクロホンの数をｎとすると、前記２以上の共円多角形のうち、最も外側にある共円多角形の外接円の直径は０．５×λ×ｎ以下である、（１）から（８）の何れか１つに記載の音源方位標定装置。
　本発明に係る音源方位標定装置は、複数のマイクロホンが同一平面であって中心が同じ２以上の共円多角形の頂点にそれぞれ設けられ、全体として非回転対称となるように配置されるアレイセンサを有する。当該アレイセンサは、マイクロホンの数の増大を抑制しながらも指向性を向上させ、且つ、グレーチングローブの発生を抑制できるセンサとなるので、当該アレイセンサを有する音源方位標定装置は、高い精度で音源発生位置を標定できる装置となる。
図１は、本実施形態に係る音源方位標定装置１０の全体構成を示す図である。 図２は、アレイセンサ１４におけるマイクロホン１５の配置を示す図である。 図３は、音源方位標定装置１０の機能ブロック図である。 図４は、アレイセンサ４０の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。 図５は、アレイセンサ４２の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。 図６は、アレイセンサ４４の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。 図７は、アレイセンサ１４の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。 図８は、アレイセンサ４６の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。 図９は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。 図１０は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。 図１１は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。 図１２は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。 図１３は、７－９角形のアレイセンサの音源強度比を示す図である。 図１４は、９－１１角形のアレイセンサの音源強度比を示す図である。 図１５は、６－７角形のアレイセンサの音源強度比を示す図である。
　以下、発明の実施形態を通じて本発明を説明する。図１は、本実施形態に係る音源方位標定装置１０の全体構成を示す図である。図１（ａ）は、音源方位標定装置１０の正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図であり、図１（ｃ）は音源方位標定装置１０の背面図である。
　本実施形態に係る音源方位標定装置１０は、カメラ１２と、アレイセンサ１４と、演算手段１６と、表示手段１８と、入力手段２０と、筐体２２とを有する。図１に示した例では、筐体２２の正面側にカメラ１２およびアレイセンサ１４が設けられ、筐体２２の内部に演算手段１６が設けられ、筐体２２の背面側に表示手段１８および入力手段２０が設けられる。
　カメラ１２は、測定対象を撮影し、得られた撮影画像を演算手段１６に出力する。撮影画像は、ビームフォーミング法で得られた音波の２次元音圧マップと重ね合わせる目的で用いられる。ここで、ビームフォーミング法とは、複数のマイクロホンで測定される音波の位相差を用いて、当該マイクロホンの正面方向に対する音波の到来角度を求める計算手法をいう。カメラ１２の倍率、視野の広さ等は、所望の探索範囲に応じて、適宜調節されてよい。カメラ１２は、例えば、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサと、レンズを備えるデジタルカメラである。
　カメラ１２は、アレイセンサ１４の中心に設けられる。カメラ１２をアレイセンサ１４の中心に設けることで、撮影画像をビームフォーミング法で得られた音圧マップと重ね合わせる際に、測定対象までの距離によらずズレなく、音圧マップとの重ね合わせ画像を作成できる。
　アレイセンサ１４は、複数のマイクロホン１５を有する。マイクロホン１５は、音源から発せられた音波を測定し、音圧情報を出力する。本実施形態において、複数のマイクロホン１５は、同一平面であって中心が同じ２つの共円多角形の頂点にそれぞれ設けられ、複数のマイクロホン１５の全体が非回転対称となるように配置される。マイクロホン１５は、可聴音から周波数１００ｋＨｚの範囲内の音波の音圧を測定する。
　図２は、アレイセンサ１４におけるマイクロホン１５の配置を示す図である。本実施形態に係る音源方位標定装置１０において、アレイセンサ１４は、例えば、１３個のマイクロホン１５を有する。１３個のマイクロホン１５は、例えば、外接円の直径がφ４１ｍｍである外側の共円正７角形の各頂点の位置と、外接円の直径がφ１５.３ｍｍである内側の共円正６角形の各頂点の位置とにそれぞれ設けられる。外側の共円正７角形の外接円の中心は、内側の共円正６角形の外接円の中心と同じであり、当該位置にカメラ１２が設けられる。
　本実施形態に係る音源方位標定装置１０では、１３個のマイクロホン１５が同じ中心の共円多角形である外側の共円正７角形と、内側の共円正６角形の各頂点とにそれぞれ設けられており、このように配置されたマイクロホン１５は、全体として非回転対称となる。ここで、非回転対称とは、共円多角形の外接円の中心に対してアレイセンサ１４を３６０°回転させる間に、全てのマイクロホン１５が同時に回転前と同じ配置にならない配置を意味する。このように、複数のマイクロホン１５を全体として非回転対称となるように配置することで、マイクロホンの数の増大を抑制しながらも指向性を向上でき、グレーチングローブの発生を抑制できるアレイセンサ１４となる。
　演算手段１６は、アレイセンサ１４で測定された音圧情報に対してビームフォーミング計算を行うことで、分割された方位ごとに音波の音圧強度を示した音圧マップを作成する。演算手段１６は、カメラ１２によって撮影された撮影画像と音圧マップとを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する。重ね合わせ画像は、音圧マップを撮影画像に重ね合わせることで作成される。重ね合わせ画像では、被写体と音圧強度とが重ね合わされて表示されるので、使用者が当該重ね合わせ画像を確認することで、撮影画像中の被写体の位置と音波の音圧分布との対応関係が一目で判別できる。演算手段１６は、作成した重ね合わせ画像を表示手段１８へ出力し、表示手段１８に重ね合わせ画像を表示させる。
　表示手段１８は、例えば、ＬＣＤであり、演算手段１６で作成された重ね合わせ画像を表示する。入力手段２０は、例えば、プッシュスイッチであり、表示手段１８の近傍に複数設けられる。使用者が入力手段２０を押圧することで、所定の入力信号が演算手段１６に入力される。プッシュスイッチに代えて、またはプッシュスイッチとともにタッチパネル方式の入力手段２０を用いてもよい。
　図３は、音源方位標定装置１０の機能ブロック図である。図３を用いて、音源方位標定装置１０における重ね合わせ画像の表示処理について説明する。演算手段１６は、処理部３０と、格納部３２を有する。処理部３０は、例えば、ＣＰＵ等であって、格納部３２に格納されたプログラムやデータを用いて、音源方位標定装置１０の動作を制御し、所定の演算を実行する。格納部３２は、例えば、更新記録可能なフラッシュメモリ、内蔵あるいはデータ通信端子で接続されたハードディスク、メモリーカード等の情報記録媒体およびその読み書き装置である。格納部３２には、音源方位標定装置１０が有する種々の機能を実現するためのプログラムや、当該プログラム実行中に使用する情報等が予め格納されている。
　カメラ１２は、測定対象を撮影する。カメラ１２は、撮影画像を処理部３０に出力する。アレイセンサ１４は、測定対象の方向から発せられる音波の音圧を測定する。アレイセンサ１４は、測定した音圧を音圧情報として処理部３０に出力する。
　処理部３０は、カメラの視野に応じた範囲を予め定められた方位分割数に分け、アレイセンサ１４から取得した音圧情報に対してビームフォーミング計算を行うことで、撮影領域に対応した音圧マップを作成する。処理部３０は、撮影領域に対応した音圧マップを撮影画像に重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する。処理部３０は、例えば、音圧マップを透過画像にして撮影画像に重ね合わせることで重ね合わせ画像を作成する。
　処理部３０は、作成した重ね合わせ画像を表示手段１８に表示する。表示手段１８に表示する重ね合わせ画像に用いる音圧マップとしては、音圧強度に応じて連続的に異なる色に色分けさえたカラー画像を用いてよい。処理部３０は、入力手段２０から表示手段１８に表示された画像を保存する指示が入力されると、処理部３０は、格納部３２にカメラ画像および重ね合わせ画像を格納する。
　本実施形態に係る音源方位標定装置１０は、上記のようにして重ね合わせ画像を作成して表示手段１８に表示する。このような音源方位標定装置１０においては、音源方位標定精度を高める観点で、音源方位標定性能の高いアレイセンサを用いることが好ましい。アレイセンサの音源方位標定性能は、複数のマイクロホン１５の配置に大きく影響される。
　音源方位標定性能の指標としては、指向性と音源強度比の２つがある。指向性とは、音圧マップに観測される音源音圧(以後、「メインローブ」と記載する）をシャープに表示できるか否かを示す指標であり、指向性が高い程、メインローブの半値全幅（ＦＷＨＭ）が狭くなるので音源方位の標定に有利になる。指向性を高めるには、アレイセンサの開口を大きくすることが有効である。開口とは外側に配置された複数のマイクロホン１５を通る円の直径であり、本実施形態では、外側の共円多角形の直径である。
　音源強度比とは、グレーチングローブ（偽信号）の強度に対するメインローブの強度比であり、（メインローブの強度）／（グレーチングローブの強度）で算出される。音源強度比が高いことは、メインローブの強度に比べてグレーチングローブの強度が十分小さいことを意味する。メインローブの強度に対してグレーチングローブの強度を小さくできれば、グレーチングローブによる音源方位の誤判定を抑制できるので、音源強度比が高いことは音源方位の標定に有利になる。音源強度比を高くするには、マイクロホン１５の数を多くしてマイクロホン１５の配置間隔を狭くすることが有効であるが、製品コストおよび演算負荷軽減の観点からマイクロホン１５の数はなるべく少ない方が好ましい。
　そこで、マイクロホン１５の数の増大を抑制しながらグレーチングローブの発生を抑制できる音源方位標定性能の高いアレイセンサを検討するべく、マイクロホン１５の配置を変えた種々のアレイセンサの音圧マップをシミュレーションにより確認した。指向性は開口の大きさによって定まることから、本シミュレーションでは開口の大きさを一定（４λ：λは音波の波長）とし、音圧マップにおける音源強度比と、高い強度のグレーチングローブが発生した位置とでアレイセンサを評価した。シミュレーションは、音源方位標定装置１０の正面５ｍの位置に音源があるとし、当該音源から発せられる音波（周波数４０ｋＨｚ）に対し上下方向±８５°、左右方向±８５°を探索範囲として実施した。
　図４は、アレイセンサ４０の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）は、アレイセンサ４０におけるマイクロホン１５の配置を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したアレイセンサ４０によって取得される音圧情報に基づいて作成される音圧マップを示す図である。
　図４（ａ）に示すように、９個のマイクロホン１５を間隔λで等間隔に十字状に配置したアレイセンサ４０の音圧マップ(図４（ｂ）)では、マイクロホン間隔がλ／２以上の規則性の高い配置であるので、中心のメインローブと同じ強度のグレーチングローブが上下左右の端部に確認される。メインローブの強度とグレーチングローブの強度とが同じであり、音源強度比は１．０と小さい。この結果から、マイクロホン１５を十字状に配置したアレイセンサ４０では、グレーチングローブの発生を抑制できない。本実施形態において、音源強度比を算出するのに用いるメインローブの強度およびグレーチングローブの強度はともに探索範囲内の最大値である。
　図５は、アレイセンサ４２の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。図５（ａ）は、アレイセンサ４２のマイクロホン１５の配置を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示したアレイセンサ４２によって取得される音圧情報に基づいて作成される音圧マップを示す図である。図５（ｂ）を作成するのに用いたシミュレーションの条件は、マイクロホン１５の配置以外は全て図４と同じである。
　図５（ａ）に示すように、７個のマイクロホン１５を共円正７角形の頂点にそれぞれ配置したアレイセンサ４２の音圧マップ(図５（ｂ）)では音源強度比が１．４になり、図４に示したアレイセンサ４２よりも音源強度比が高くなった。このように、単一の共円正多角形の頂点配置は音源強度比の向上に有効であることが確認された。しかしながら、マイクロホン１５の配置間隔が広いために、グレーチングローブの強度は依然高く、且つ、中心のメインローブの周囲にグレーチングローブが発生した。このように、メインローブとグレーチングローブとが近接していると、メインローブとグレーチングローブとが共に視野内に現れ、音源位置の誤判定の原因になるので好ましくない。この結果から、アレイセンサ４２は、グレーチングローブの発生を十分に抑制できず、且つ、メインローブに近い位置でグレーチングローブが発生するため、音源方位の標定に好ましくないことが確認された。
　図６は、アレイセンサ４４の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。図６（ａ）は、アレイセンサ４４のマイクロホン１５の配置を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示したアレイセンサ４４によって取得される音圧情報に基づいて作成される音圧マップを示す図である。図６（ｂ）を作成するのに用いたシミュレーションの条件もマイクロホン１５の配置以外は全て図４と同じである。図５（ａ）に示した単一の共円正多角形の頂点に配置した場合は、マイクロホン１５の配置間隔が広いので、グレーチングローブを十分に抑制できなかった。マイクロホン１５の配置間隔を狭くするために、図６（ａ）に示すように、１６個のマイクロホン１５を同じ中心であって２つの共円正８角形の頂点にそれぞれ配置したアレイセンサ４４の音圧マップを確認した。
　図６（ａ）に示したアレイセンサ４４の音圧マップ（図６（ｂ））では、音源強度比が１．７となった。しかしながら、中心のメインローブの周囲に広範囲にわたり、メインローブと同等サイズの比較的強度の高いグレーチングローブが発生した。このグレーチングローブは、アレイセンサ４４を構成する複数のマイクロホン１５に回転対称性が存在するために、それぞれのマイクロホン１５によって取得される音圧の位相差に規則性が生じ、この規則性により発生したものと考えられる。上述したように、メインローブ周辺の広範囲にわたり、メインローブと同等サイズの比較的強度の高いグレーチングローブが発生すると、音源方位の誤判定の原因になるので好ましくない。この結果から、アレイセンサ４４は、音源方位の標定に好ましくないことが確認された。
　図７は、アレイセンサ１４の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。図７（ａ）は、アレイセンサ１４におけるマイクロホン１５の配置を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示したアレイセンサ１４によって取得される音圧情報に基づいて作成される音圧マップを示す図である。図７（ｂ）を作成するのに用いたシミュレーションの条件もマイクロホン１５の配置以外は全て図４と同じである。
　図７（ａ）に示すように、１３個のマイクロホン１５を同じ中心であって外側の共円正７角形の頂点と内側の共円正６角形の頂点とにそれぞれ配置したアレイセンサ１４の音圧マップ（図７（ｂ））では音源強度比が２．２となり、且つ、メインローブの周囲の広範囲にわたり、メインローブと同等サイズの比較的強度の高いグレーチングローブが発生しなかった。図７（ａ）に示したアレイセンサ１４は、マイクロホン１５が全体として非回転対称となるように配置されているので、マイクロホン１５によって取得される音圧の位相差の規則性が回避され、これにより、メインローブと同等サイズの比較的強度の高いグレーチングローブの発生が抑制されたものと考えられる。
　これらの結果から、アレイセンサ１４は、マイクロホン１５の数の増大を抑制しつつグレーチングローブの発生を抑制できるアレイセンサであることが確認された。上記シミュレーションでは開口の大きさを一定としたが、開口の大きさを変えたとしても上記傾向は変わらない。したがって、同一平面であって中心が同じ２つの共円多角形の頂点にマイクロホン１５が全体として非回転対称となるように配置されたアレイセンサ１４は、マイクロホン１５の数の増大を抑制しながら指向性を向上でき、且つ、グレーチングローブの発生を抑制できるアレイセンサとなる。本実施形態に係る音源方位標定装置１０は、このようなアレイセンサ１４を有することから、高い精度で音源方位を標定できる装置となる。
　図７に示したアレイセンサ１４の例においては、外側、内側ともに共円正多角形のそれぞれの頂点にマイクロホン１５を配置した例を示したが、内側、外側ともに共円正多角形に限らない。図８は、アレイセンサ４６の音圧マップのシミュレーション結果を示す図である。図８（ａ）は、アレイセンサ４６におけるマイクロホン１５の配置を示す図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示したアレイセンサ４６によって取得される音圧情報に基づいて作成される音圧マップを示す図である。図８（ｂ）を算出するのに用いたシミュレーションの条件もマイクロホン１５の配置以外は全て図４と同じである。
　図８（ａ）に示したアレイセンサ４６は、図７に示したアレイセンサ１４のマイクロホン１５の位置を、外側の共円正７角形の外接円または内側の共円正６角形の外接円に沿って１５°または－１５°移動させて、２つのマイクロホン１５を近接配置させたものである。このようにマイクロホン１５の配置位置を移動させたアレイセンサ４６であっても音源強度比は１．７となり、且つ、メインローブの周囲の広範囲にわたり、メインローブと同等サイズの比較的強度の高いグレーチングローブが発生しなかった。
　この結果から、内側の共円多角形および外側の共円多角形は正多角形に限らず、それぞれの共円正多角形の頂点から外接円の円周方向に±１５°の範囲内であればマイクロホン１５の配置位置を移動させてもよいことが確認された。但し、内側および外側の共円多角形が正多角形であることでグレーチングローブの発生を抑制し、音源強度比が高められるので、内側および外側の共円多角形は共円正多角形であることが好ましい。図７に示したアレイセンサ１４の例においては２つの共円正多角形のそれぞれの頂点にマイクロホン１５を配置した例を示したが、共円多角形の数は２つに限らず、２以上であればよい
　図１に示した例ではカメラ１２および表示手段１８を有する音源方位標定装置１０を示したが、これに限らない。例えば、重ね合わせ画像を無線通信により他の表示手段に伝送する場合には、音源方位標定装置１０は表示手段１８を有さなくてもよい。さらに、例えば、音源方位標定装置１０が、音波の到来方向を標定するだけの装置であれば、カメラ１２および表示手段１８を有さなくてもよい。この場合に演算手段１６は、アレイセンサ１４によって測定された音圧情報に対してビームフォーミング計算を行って、必要に応じて任意に設定された探索範囲の各方向の音圧を算出し、当該音圧が最大となる方向を音波の到来方向として標定する。
　次に、マイクロホン１５を、同一平面であって中心が同じ２以上の共円多角形の頂点に全体として非回転対称となるように配置することを前提として、さらに、好ましいマイクロホンの配置について確認した結果を説明する。この確認では、観測視野を左右方向５０°、上下方向３０°とし、観測視野の４つの隅に音源を設置した場合の音圧マップをシミュレーションにより作成し、当該音圧マップから算出される音源強度比によりマイクロホン１５の配置を評価した。以下の説明において、内側の共円正多角形の外接円を「内側円」と記載し、外側の共円正多角形の外接円を「外側円」と記載する。
　図９は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。図９において、横軸は開口／（波長×マイクロホン数）（1／個）であり、縦軸は音源強度比である。グレーチングローブは、開口が大きくなると発生しやすくなる一方で、音波の波長が長くなる、あるいは、マイクロホン１５の数が多くなると発生しにくくなる。このため、横軸に開口（外側円の直径）を波長およびマイクロホン数で除した値を用いて、各アレイセンサの音源強度比を比較した。図９におけるｎ－ｍ角形は、左側の数字ｎが内側の共円正多角形の頂点の数を示し、右側の数字ｍが外側の共円正多角形の頂点の数を示す。すなわち、１０－１１角形は、内側が共円正１０角形であり、外側が共円正１１角形のそれぞれの頂点にマイクロホン１５を設けたアレイセンサを意味する。内側円の直径は７ｍｍ以上であって、音源強度比が最も大きくなる値とした。この内側円の直径の定め方は、図９－１２において同じであり、アレイセンサの表示方法は図９－１５において同じである。
　図９に示すように、外側の共円正多角形の頂点の数が奇数であるアレイセンサの音源強度比は、外側の共円正多角形の頂点の数が偶数であるアレイセンサの音源強度比よりも高くなった。シミュレーション条件は各アレイセンサで同じなので、音源強度比が高いことはグレーチングローブの発生が抑制されていることを示す。図９に示した結果から、音源方位標定装置１０に用いられるアレイセンサとしては、外側の共円正多角形の頂点の数が奇数であるアレイセンサを用いることが好ましく、これにより、グレーチングローブの発生を抑制できることが確認された。３以上の共円多角形の各頂点にマイクロホン１５が設けられるアレイセンサの場合には、最も外側の共円多角形の頂点の数が奇数であればよい。
　図１０は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。図１０の横軸は開口／（波長×マイクロホン数）（１／個）であり、縦軸は音源強度比／マイクロホン数（１／個）である。図１０に示すように、音源強度比／マイクロホン数の値は、アレイセンサのマイクロホン１５の数が増えるに従って小さくなった。特に、マイクロホン１５の数が２４個（１１－１３角形）から、２８個（１３－１５角形）になると音源強度比／マイクロホン数の値が大きく低下している。これは、２４個を超えてマイクロホン数を増やしても、マイクロホン増加による音源強度比の増加の効果が小さいことを示しており、このことから、アレイセンサにおけるマイクロホンの数は２４個以下が好ましいことがわかる。
　図１０に示すように、外側の共円正多角形の開口が大きくなると、音源強度比／マイクロホン数の値が低下する。また、外側の共円正多角形の開口を広くすると、グレーチングローブの出現範囲が徐々に広範囲に広がっていくので、外側の共円正多角形の開口は０．５×λ×ｎ以下（λ：音波の波長、ｎ：全マイクロホンの数）であることが好ましい。一方、上述したように、指向性を高めるには開口を大きくすることが有効である。このため、共円正多角形の開口は、０．５×λ×ｎであることがより好ましいといえる。
　一方、アレイセンサのマイクロホン１５の数が少なくなると、マイクロホンの配置間隔が広がりグレーチングローブが発生し易くなるので、音源強度比が低下することが懸念される。そこで、（開口／波長）：３．８（指向性ＦＷＨＭ：１５°）において音源強度比が１．７以上であることを、所定の大きさの開口を確保しつつ所定の音源強度比を確保するための判断基準とし、当該判断基準を満たす最小のマイクロホン１５の数の確認を行った。
　図１１は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。図１１の横軸は開口／波長であり、縦軸は音源強度比である。図１１に示すように、４－５角形のアレイセンサは上記判断基準を満たしたが、３－５角形のアレイセンサは上記判断基準を満たさなかった。この結果から、アレイセンサが有するマイクロホン１５の数は９個以上であることが好ましいことが確認された。
　図１２は、種々のアレイセンサの音源強度比を示すグラフである。図１２の横軸は、開口／（波長×マイクロホン数）（１／個）であり、縦軸は音源強度比である。図１２に示すように、８－７角形のアレイセンサの音源強度比と８－９角形のアレイセンサの音源強度比とがほぼ同等になった。９－１０角形の音源強度比は、１０－９角形の音源強度比よりも低くなっているが、その下がり幅は図９で確認された外側が正奇数角形であることによる下がり幅とほぼ同等であった。同様に、７－８角形の音源強度比も８－７角形の音源強度比よりも低くなっているが、その下がり幅は図９で確認された外側が正奇数角形であることによる下がり幅とほぼ同等であった。これらの結果から、外側の共円正多角形の頂点の数は、内側円の頂点の数より多くなくてもよく、内側の共円多角形の頂点の数が、外側の共円多角形の頂点の数より多くてもよいことが確認された。
　図１３は、７－９角形のアレイセンサの外側の共円正９角形の外接円（以後、「外側円」と記載する場合がある。）の直径と、内側の共円正７角形の外接円（以後、「内側円」と記載する場合がある。）の直径を変えたアレイセンサの音源強度比を示す図である。図１３の横軸は外側円の直径／波長であり、縦軸は内側円の直径／波長である。図１３－１５を求めるために実施したシミュレーション条件は、図９と同じである。
　図１４は、９－１１角形のアレイセンサの外側円の直径と、内側円の直径を変えたアレイセンサの音源強度比を示す図である。さらに、図１５は、６－７角形のアレイセンサの外側円の直径と、内側円の直径を変えたアレイセンサの音源強度比を示す図である。図１４、図１５において横軸は外側円の直径／波長であり、縦軸は内側円の直径／波長である。
　図１３－１５に示すように、内側円の直径／波長を３．０以下、すなわち内側円の直径を３×λ以下（λ：音波の波長）にすることで音源強度比が高くなることがわかる。内側円の直径／波長を２．５以下にすることで、音源強度がより高くなり、内側円の直径／波長を２．０にすることで、音源強度比がさらに高くなることがわかる。これらの結果から、内側円の直径／波長は３．０以下であることが好ましく、２．５以下がより好ましく、２．０とすることがさらに好ましいことがわかる。一方、内側円の直径が７ｍｍより小さくなると、マイクロホン１５およびカメラ１２の配置が困難になる場合があるので、内側円の直径は７ｍｍ以上であることが好ましい。３以上の共円多角形の各頂点にマイクロホン１５が設けられるアレイセンサの場合には、最も内側にある共円多角形の外接円の直径を３.０×λ以下とすればよい。
　以上の結果をまとめると、マイクロホン１５が同一平面であって中心が同じ２つの共円多角形の頂点にそれぞれ設けられ、全体として非回転対称となるように配置されたアレイセンサにおいては、下記１－５に記載した通りにマイクロホン１５を配置することが好ましく、これにより、グレーチングローブの発生を抑制できることが確認された。
１．外側の共円多角形の頂点の数は奇数である。
２．アレイセンサのマイクロホン１５の数は２４個以下である。
３．アレイセンサのマイクロホン１５の数は９個以上である。
４．アレイセンサの開口は０．５×λ×ｎ以下である（λ：音波の波長、ｎ：マイクロホン数）。
５．内側円の直径は３．０×λ以下である（λ：音波の波長）。
　１０　音源方位標定装置
　１２　カメラ
　１４　アレイセンサ
　１５　マイクロホン
　１６　演算手段
　１８　表示手段
　２０　入力手段
　２２　筐体
　３０　処理部
　３２　格納部
　４０　アレイセンサ
　４２　アレイセンサ
　４４　アレイセンサ
　４６　アレイセンサ

Claims (9)

  1. 　音波を測定する複数のマイクロホンを有するアレイセンサと、
    　前記アレイセンサによって取得される音波の音圧情報に基づいて各方向の音圧を算出し、前記音圧が最大となる方向を音波の到来方向として標定する演算手段と、を有し、
    　前記複数のマイクロホンは、同一平面であって中心が同じ２以上の共円多角形の頂点にそれぞれ設けられ、全体として非回転対称となるように配置される、音源方位標定装置。
  2. 　測定対象を撮影するカメラをさらに有し、
    　前記演算手段は、前記アレイセンサによって取得される音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成するとともに、前記カメラによって取得される撮影画像と前記音圧マップとを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する、請求項１に記載の音源方位標定装置。
  3. 　前記カメラは、前記共円多角形の中心に設けられる、請求項２に記載の音源方位標定装置。
  4. 　前記複数のマイクロホンのそれぞれは、２つの共円多角形の頂点に設けられる、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の音源方位標定装置。
  5. 　前記共円多角形は正多角形である、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の音源方位標定装置。
  6. 　前記２以上の共円多角形のうち、最も外側にある共円多角形の頂点の数は奇数である、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の音源方位標定装置。
  7. 　前記複数のマイクロホンの数は９個以上２４個以下である、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の音源方位標定装置。
  8. 　前記音波の波長をλとすると、
    　前記２以上の共円多角形のうち、最も内側にある共円多角形の外接円の直径は３．０×λ以下である、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の音源方位標定装置。
  9. 　前記音波の波長をλとし、
    　前記複数のマイクロホンの数をｎとすると、
    　前記２以上の共円多角形のうち、最も外側にある共円多角形の外接円の直径は０．５×λ×ｎ以下である、請求項１から請求項８の何れか一項に記載の音源方位標定装置。
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