JP5089198B2

JP5089198B2 - 音源位置推定システム

Info

Publication number: JP5089198B2
Application number: JP2007059382A
Authority: JP
Inventors: 武杉山; 靖夫杉本; 浩之和田; 雅直大脇; 健史財満; 恭弘山下
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-03-09
Also published as: JP2008224259A

Description

本発明は、複数のマイクロフォンと撮影装置とを用いて音源の位置を推定するシステムに関するもので、特に、推定する音源の位置が時間的に変化する場合に、その音源位置の変化をリアルタイムで把握するための音源位置推定システムに関する。

従来、音の到来方向を推定する方法としては、多数のマイクロフォンを等間隔に配置したマイクロフォンアレーを構築し、基準となるマイクロフォンに対する各マイクロフォンの位相差から音波の到来方向を推定する、いわゆる音響学的手法が考案されている（例えば、非特許文献１参照）。
一方、計測点に配置された複数のマイクロフォンの出力信号の位相差からではなく、複数のマイクロフォンから互いに交わる直線状に配置された複数のマイクロフォン対を構成し、対となる２つのマイクロフォン間の位相差に相当する到達時間差と、他の対となる２つのマイクロフォンＭｃ，Ｍｄ間の到達時間差との比から音源の方向を推定する方法が提案されている。具体的には、図３に示すように、４個のマイクロフォンＭ１〜Ｍ４を、互いに直交する２直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及びマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）を構成するように配置し、上記マイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）を構成するマイクロフォンＭ１，Ｍ３に入力する音圧信号の位相差と、上記マイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）を構成するマイクロフォンＭ２，Ｍ４に入力する音圧信号の到達時間差との比から、計測点と音源位置との水平角θを推定するとともに、第５のマイクロフォンＭ５を上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ４の作る平面上にない位置に配置して、更に４組のマイクロフォン対（Ｍ５, Ｍ１），（Ｍ５, Ｍ２），（Ｍ５, Ｍ３），（Ｍ５, Ｍ４）を構成し、上記各マイクロフォン対を構成するマイクロフォン間の到達時間差から、計測点と音源位置との成す仰角φを推定する。
これにより、上記マイクロフォンアレーを用いて音源の方向を推定する場合に比較して、少ないマイクロフォン数で音源の方向を正確に推定することができる。また、このとき、ＣＣＤカメラ等の映像採取手段を設けて上記推定された音源方向の映像を撮影し、この映像中に上記推定した音源位置推定エリアと音圧レベルとを表示するようにすれば、騒音源を視覚的に把握することができる（例えば、特許文献１参照）。
大賀寿郎，山崎芳男，金田豊；音響システムとディジタル処理，コロナ社，１９９５特開２００３−１１１１８３号公報

しかしながら、上記従来の方法では、図４に示すように、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５で採取した所定時間内の音圧データ（アナログデータ）をＡ／Ｄ変換し、これをＦＦＴで周波数分析して、特定の周波数の音について上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５間の到達時間差を求めて音源位置を推定した後、上記推定された音源位置が最もよく映っている映像画像を選び出し、その画像中に音源位置の推定エリアを表示した音源位置推定画像を表示するようにしているため、音源の位置をリアルタイムで把握することは困難であった。
なお、上記従来の方法でも、所定間隔毎に所定時間内の音圧データを採取すれば、音源位置の移動状況を把握することも可能であるが、音圧データを間欠的に採取していることから、風などの影響で推定した音源位置が実際の音源位置とずれてしまう場合があり、測定精度が十分とはいえなかった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、音源が移動する場合や、風などにより音源が見かけ上移動する場合でも、音源位置を精度よく推定することのできる音源位置推定システムを提供することを目的とする。

本願の請求項１に記載の発明は、互いに交わる２つの直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対を有するマイクロフォン群と音源方向の映像を撮影する撮影手段とを備え、上記マイクロフォン群で採取した音源から伝播する音の音圧信号と音源の方向を撮影した映像とから、所定時間毎の音源位置のデータが表示された映像を表示する音源位置推定システムであって、上記マイクロフォン群を構成する各マイクロフォンで採取した音圧信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、上記撮影手段で撮影した映像信号を画像データに変換して出力する映像入出力手段と、上記Ａ／Ｄ変換された音圧波形データを時系列的に並べるとともに、上記時系列的に並べられた音圧波形データから、所定時間毎に、前後の音圧波形データが時間的に連続しているか、もしくは、その一部が時間的に重複している所定量の音圧波形データを取出す音圧データ取出手段と、上記取出された音圧波形データを周波数解析して上記２組のマイクロフォン対を構成するマイクロフォン間のそれぞれの位相差を求め、この求められた２組のマイクロフォン対の位相差の比から音源の方向を推定する音源方向推定手段と、上記推定された音源方向のデータと上記撮影された映像の画像データとを合成するデータ合成手段と、上記推定された音源位置が表示された映像を表示する表示手段とを備え、上記撮影手段は音源方向の映像を連続して撮影し、上記映像入出力手段は上記所定時間と同じ間隔で上記画像データをデータ合成手段に出力し、上記表示手段は、上記所定時間毎の音源位置のデータが表示された映像を表示することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の音源位置推定システムにおいて、上記マイクロフォン群に、上記２組のマイクロフォン対の作る平面上にない第５のマイクロフォンを追加するとともに、音源方向推定手段では、上記２組のマイクロフォン対を構成するマイクロフォン間の位相差と、上記第５のマイクロフォンと上記２組のマイクロフォン対を構成する４個のマイクロフォンのそれぞれとで構成される４組のマイクロフォン対を構成するマイクロフォン間の位相差とを用いて音源の方向を推定するようにしたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の音源位置推定システムにおいて、上記各マイクロフォンで観測した音圧信号と各マイクロフォンのうちの特定のマイクロフォンで観測した音圧信号との位相差と、上記推定された音源方向から音が伝達されると仮定して逆算した上記各マイクロフォンに入力する音圧信号と上記特定のマイクロフォンに入力する音圧信号との位相差とを比較し、上記位相差の差から音源位置の推定結果の良否を判定する判定手段を設けたものである。

本発明によれば、互いに交わる２つの直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対を有するマイクロフォン群に入力する音圧信号をデジタル信号（音圧波形データ）に変換し、この変換された音圧波形データを時系列的に並べ、上記時系列的に並べられた音圧波形データから所定時間毎に所定量の音圧波形データを取出して音源の方向を推定するとともに、撮影手段により音源方向の映像を連続的に撮影して得られた画像データと上記音源方向のデータと上記画像データとを合成し、この合成された所定時間毎の音源位置のデータが表示された映像から音源位置を推定するようにしたので、音源の位置をリアルタイムで推定することができる。したがって、音源が移動する場合や、風などにより音源位置が変化した場合でも音源位置を精度よく推定することができる。このとき、上記所定時間毎に音源方向の映像を採取して、所定時間毎の音源位置のデータが表示された映像を表示するようにすれば、音源の位置の変化を確実に把握することができる。
上記マイクロフォン群としては、音源位置が、計測点と音源位置間の水平角θのみで十分に推定可能である場合には、互いに交わる２つの直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対を有するマイクロフォン群を準備し、水平角θと仰角φとが必要な場合には、上記２組のマイクロフォン対に、上記２組のマイクロフォン対の作る平面上にない第５のマイクロフォンとから成るマイクロフォン群を準備して、上記各マイクロフォン間の位相差を用いて音源の方向を推定するようにすれば、少ないマイクロフォン数で、効率よくかつ正確に音源の方向を推定することができる。
また、各マイクロフォンで観測した音圧信号と上記推定された音源方向から音が伝達されると仮定して逆算した音圧信号とを比較して推定された音源位置が妥当であるかどうかを判定する判定手段を設けるようにすれば、振幅が小さい場合などに生じ易い誤判定を避けることができる。

以下、本発明の最良の形態について、図面に基づき説明する。
図１は本発明の最良の形態に係る音源探査システムの概要を示す図で、Ｍ１〜Ｍ５は図示しない音源からの雑音の音圧レベルを測定するための測定用のマイクロフォン、１１は音源位置近傍の映像を採取するためのＣＣＤカメラ（以下、カメラという）、１２はローパスフィルタを備えた増幅器、１３はＡ／Ｄ変換器、１４は上記Ａ／Ｄ変換された音圧信号のデータ(以下、音圧波形データという)から、所定時間毎に所定量の音圧波形データを取出す音圧信号取出手段、１５は上記取出された音圧波形データから各マイクロフォン間の位相差を求め、この求められた位相差から音源の方向を推定する音源方向推定手段、１６は上記推定された音源位置の推定結果の妥当性を判定する判定手段、１７は上記カメラ１１で連続的に撮影された映像信号を入力し、所定時間毎に撮影方向の画像データを出力する映像入出力手段、１８は上記判定手段１６の推定結果が妥当であると判断された推定音源位置のデータと上記映像入出力手段１７から出力される画像データとを合成するデータ合成手段、１９はこのデータ合成手段１８で合成された、画像中に音源位置の推定エリアが表示された音源位置推定画像を表示する音源位置表示手段である。
また、２０は上記各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５を所定の位置に配列するためのマイクロフォンフレーム、３０は三脚から成る支持部材３１と、この支持部材３１の上部に配設された回転台３２とから成る測定用基台で、上記カメラ１１は上記回転台３２上に設置される。上記マイクロフォンフレーム２０を回転させることにより、上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５とカメラ１１とを水平面内で同時に回転させることができる。

次に、本例の音源位置推定システムを用いて音源の位置を推定して表示する方法について、図１及び図２を参照して説明する。
マイクロフォンフレーム２０に搭載されるマイクロフォンＭ１〜Ｍ５の配置は、上記図３に示したものと同様で、４個のマイクロフォンＭ１〜Ｍ４を、互いに直交する２直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及びマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）を構成するように配置するとともに、第５のマイクロフォンＭ５を上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ４の作る平面上にない位置、詳細には、マイクロフォンＭ１〜Ｍ４の作る正方形を底面とする四角錐の頂点の位置に配置する。これにより、更に４組のマイクロフォン対（Ｍ５, Ｍ１）〜（Ｍ５, Ｍ４）が構成される。
上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の向きの初期設定としては、上記直交する２直線の交点を通り上記２直線とほぼ４５°をなす方向を予想される音源位置に向けることが好ましく、ＣＣＤカメラ１１の撮影方向もこれと同じ方向に設定する。
各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５に入力した音は音圧信号として増幅器１２に送られ、ノイズが取り除れた後増幅されてＡ／Ｄ変換器１３に送られる。
Ａ／Ｄ変換器１３では、上記増幅された音圧信号（アナログ信号）をデジタル信号（音圧波形データ）に変換して音圧信号取出手段１４に送る。
音圧信号取出手段１４では、時間的に連続して送られてくる各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５のＡ／Ｄデータ（音圧波形データ）から、所定時間（例えば、１／３０秒）毎に、予め設定された通過期間（例えば、１／２０秒）分の音圧波形データを１つのデータユニット（以下、ＦＦＴユニットという）として、音源方向推定手段１５に送る。
なお、音圧波形データの取出し間隔である所定時間とデータ量に相当する通過時間とを上記のように設定すると、時間順に取出すＦＦＴデータが前後で一部同じデータを含むことになる。これに対して、同じデータを含まないように所定時間と通過期間とを設定することも可能であるが、本例のように、一部同じデータを含むようにした方が、同じデータ数でも音源位置の推定間隔を短くすることができるので、音源の位置をより連続的に推定することができる。

音源方向推定手段１５では、上記ＦＦＴユニットのデータであるＡ／Ｄ変換された音圧波形データをＦＦＴにて周波数解析し、各周波数毎にマイクロフォンＭ１〜Ｍ５間のそれぞれの位相差を求め、この求められた位相差から各周波数毎に音源の方向を推定する。
なお、本例では、位相差に代えて、位相差に比例する物理量である到達時間差を用いて上記水平角θ及び仰角φを求めている。
各マイクロフォン対（Ｍｉ, Ｍｊ）のマイクロフォンＭｉとマイクロフォンＭｊとの間の到達時間差をＤ_ijとすると、音の入射方向である水平角θと仰角φとは以下の式（１），（２）で表わせるので、各マイクロフォンＭ１〜Ｍ５の出力信号をＦＦＴを用いて周波数分析し、対象となる周波数ｆにおける各マイクロフォンＭ_ｉ，Ｍ_ｊ間の到達時間差Ｄ_ijを算出することにより、上記水平角θ及び仰角φを求めることができる。

すなわち、互いに直交する２直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３）及びマイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）を構成するマイクロフォンＭ１，Ｍ３に入力する音圧信号の到達時間差Ｄ₁₃と、上記マイクロフォン対（Ｍ２，Ｍ４）を構成するマイクロフォンＭ２，Ｍ４に入力する音圧信号の到達時間差Ｄ₂₄との比から、計測点と音源位置との水平角θを推定し、上記到達時間差Ｄ₁₃，Ｄ₂₄と、上記第５のマイクロフォンＭ５と他のマイクロフォンＭ１〜Ｍ４との到達時間差Ｄ_5j（ｊ＝１〜４）とから計測点と音源位置との成す仰角φを推定する。
なお、上記到達時間差Ｄ_ijは、２つのマイクロフォン対（Ｍ_ｉ，Ｍ_ｊ）に入力される信号のクロススペクトルＰ_ij（ｆ）を求め、更に、対象とする上記周波数ｆの位相角情報Ψ（ｒａｄ）を用いて、以下の式（３）を用いて算出される。

本例では、更に、判定手段１６を設けて、上記推定した音源方向（水平角θ及び仰角φ）が妥当な値がどうかを判定する。具体的には、判定手段１６は、例えば、特定マイクロフォンをマイクロフォンＭ５とした場合、上記各マイクロフォンＭ１〜Ｍ４で観測した音圧信号と特定マイクロフォンＭ５の音圧信号との位相差と、上記推定された音源方向から音が伝達されると仮定して逆算した上記各マイクロフォンＭ１〜Ｍ４に入力する音圧信号と上記特定マイクロフォンＭ５の音圧信号との位相差とを比較し、上記位相差の差が所定の角度を超えた場合には、上記推定された音源方向が妥当でないと判断し、上記推定音源方向のデータを破棄する。上記位相差の差が所定の角度以内である場合には、上記推定音源方向のデータをデータ合成手段１８に送る。
一方、ＣＣＤカメラ１１は音源位置近傍の映像を連続的に撮影し、その映像データを映像入力手段１７に送る。この映像入出力手段１７では、上記送られてきた映像信号をデジタル信号(画像データ)に変換するとともに、上記所定時間と同じ間隔で、上記画像データをデータ合成手段１８に出力する。
上記推定結果が妥当であると判断された場合には、データ合成手段１８にて、推定音源位置のデータと上記カメラ１１で撮影した音源方向の映像とを合成し、上記推定音源位置を音源位置推定エリアとして映像上に表示した音源位置推定画像を音源位置表示手段１９のディスプレイ上に表示する。
上記映像音源位置推定画像は、図２に示すように、上記所定時間（１／３０秒）毎にディスプレイ上に表示されるので、映像としては連続した映像となる。このように、本発明の音源探査システムでは、音源の位置をリアルタイムで推定して表示することができるので、音源が移動する場合や、風などにより音源が見かけ上移動する場合でも、音源の位置を間欠的に推定していた従来例に比較して、音源位置を精度よく推定することができる。
また、上記判定は到達時間差Ｄ_ijを用いても可能であるが、位相差を用いた方が、妥当かどうかを「角度ずれ」として把握できるので、本例では、位相差を用いて判定した。
また、ＣＣＤカメラ１１と上記推定した音源方向との角度差が所定の角度以上ずれた場合には、上記マイクロフォンフレーム２０の回転台３２を回転させて、上記ＣＣＤカメラ１１とマイクロフォンＭ１〜Ｍ５とを、前回推定した音源方向に回転させるようにすれば、音源位置が移動した場合でも、推定音源位置を映像上に確実に表示することができるので、音源の状態を更に的確に把握することができる。

このように、本実施の形態では、互いに直交する２直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３），（Ｍ２，Ｍ４）と上記マイクロフォンＭ１〜Ｍ４の作る正方形を底面とする四角錐の頂点の位置に配置したマイクロフォンＭ５に入力した音圧信号をＡ／Ｄ変換した後、音圧信号取出手段１４を用いて、所定時間毎に、予め設定された通過期間分の音圧信号を１つのデータユニット（ＦＦＴユニット）として取出して音源方向推定手段１５に送り、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５に入力する音圧信号の到達時間差Ｄから、計測点と音源位置とのなす水平角θと仰角φを推定するとともに、ＣＣＤカメラ１１により音源位置近傍の映像を連続的に撮影し、この映像に上記推定された音源位置を示す音源推定エリアを表示した映像をディスプレイ上に表示するようにしたので、音源の位置をリアルタイムで推定することができる。また、音源が移動する場合や、風などにより音源が見かけ上移動する場合でも、音源の位置をリアルタイムで推定すれば、音源位置変化についても精度よく推定することができる。
また、判定手段１６を設けて、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５で観測した音圧信号と上記推定された音源方向から音が伝達されると仮定して逆算した音圧データとを比較して、上記推定された音源方向が妥当であるかどうかを判定したので、反射面がある場合や振幅が小さい場合などに発生し易い誤判定を避けることができ、音源位置の推定精度を更に向上させることができる。

なお、上記最良の形態では、マイクロフォンＭ１〜Ｍ５を用いて、計測点と音源位置とのなす水平角θと仰角φとを推定したが、音源位置が水平角θだけで十分な場合には、マイクロフォンＭ５を省略して、互いに交わる２つの直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対（Ｍ１，Ｍ３），（Ｍ２，Ｍ４）のみを用いればよい。
また、上記例では、ＣＣＤカメラ１１の撮影方向と推定した音源方向との角度差が所定の角度以上ずれた場合には、上記マイクロフォンフレーム２０の回転台３２を回転させて、上記ＣＣＤカメラ１１とマイクロフォンＭ１〜Ｍ５とをともに推定した音源方向へ回転させたが、ＣＣＤカメラ１１のみを回転させるようにしてもよい。
このようにマイクロフォンＭ１〜Ｍ５のみは最初に設定した位置とし、カメラのみを移動させる構成は、風などにより音源が見かけ上移動した場合や、仮想壁の角度を変えてその反射の状態をシミュレーションする防音壁のシミュレーションなどに特に有効である。
なお、上記例では、音源位置の撮影間隔である所定時間を１／３０秒とし、取出す音圧波形データの量を表わす通過期間を１／２０秒としたが、これに限るものではなく、音源の種類や必要測定精度等により適宜決定すればよい。また、ディスプレイ上に表示される映像としては必ずしも連続した映像である必要はなく、音源位置の測定直後に音源位置表示画面が表示される構成であればよい。

以上説明したように、本発明によれば、音源が移動する場合や、風などにより音源が見かけ上移動する場合でも、音源位置を精度よく推定することができるので、騒音源の推定だけでなく、防音壁の評価や防音壁を構築するためのシミュレーションなどに適用すれば、防音対策を効率よく行うことができる。

本発明の最良の形態に係わる音源位置推定システムを示す図である。本発明による音源位置の推定方法を説明するための図である。従来マイクロフォン対を用いた音源探査方法におけるマイクロフォンの配列を示す図である。従来の音源位置の推定方法を説明するための図である。

符号の説明

Ｍ１〜Ｍ５マイクロフォン、１１ＣＣＤカメラ、１２増幅器、
１３Ａ／Ｄ変換器、１４音圧信号取出手段、１５音源方向推定手段、
１６判定手段、１７映像入出力手段、１８データ合成手段、
１９音源位置表示手段、２０マイクロフォンフレーム、３０測定用基台、
３１支持部材、３２回転台。

Claims

互いに交わる２つの直線上にそれぞれ所定の間隔で配置された２組のマイクロフォン対を有するマイクロフォン群と音源方向の映像を撮影する撮影手段とを備え、上記マイクロフォン群で採取した音源から伝播する音の音圧信号と音源の方向を撮影した映像とから、所定時間毎の音源位置のデータが表示された映像を表示する音源位置推定システムであって、
上記マイクロフォン群を構成する各マイクロフォンで採取した音圧信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
上記撮影手段で撮影した映像信号を画像データに変換して出力する映像入出力手段と、
上記Ａ／Ｄ変換された音圧波形データを時系列的に並べるとともに、上記時系列的に並べられた音圧波形データから、所定時間毎に、前後の音圧波形データが時間的に連続しているか、もしくは、その一部が時間的に重複している所定量の音圧波形データを取出す音圧データ取出手段と、
上記取出された音圧波形データを周波数解析して上記２組のマイクロフォン対を構成するマイクロフォン間のそれぞれの位相差を求め、この求められた２組のマイクロフォン対の位相差の比から音源の方向を推定する音源方向推定手段と、
上記推定された音源方向のデータと上記撮影された映像の画像データとを合成するデータ合成手段と、
上記推定された音源位置が表示された映像を表示する表示手段とを備え、
上記撮影手段は音源方向の映像を連続して撮影し、
上記映像入出力手段は上記所定時間と同じ間隔で上記画像データをデータ合成手段に出力し、
上記表示手段は、上記所定時間毎の音源位置のデータが表示された映像を表示することを特徴とする音源位置推定システム。
上記マイクロフォン群に、上記２組のマイクロフォン対の作る平面上にない第５のマイクロフォンを追加するとともに、音源方向推定手段では、上記２組のマイクロフォン対を構成するマイクロフォン間の位相差と、上記第５のマイクロフォンと上記２組のマイクロフォン対を構成する４個のマイクロフォンのそれぞれとで構成される４組のマイクロフォン対を構成するマイクロフォン間の位相差とを用いて音源の方向を推定することを特徴とする請求項１に記載の音源位置推定システム。
上記各マイクロフォンで観測した音圧信号と各マイクロフォンのうちの特定のマイクロフォンで観測した音圧信号との位相差と、上記推定された音源方向から音が伝達されると仮定して逆算した上記各マイクロフォンに入力する音圧信号と上記特定のマイクロフォンに入力する音圧信号との位相差とを比較し、上記位相差の差から音源位置の推定結果の良否を判定する判定手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音源位置推定システム。