JPH04236385A - 音響監視装置および監視方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スキューバダイビング
等におけるダイバーの安全管理，危険予知等に好適な水
中の音源等の探査を効率的に行う音響監視装置および監
視方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から水中における音源位置の決定の
技術は軍事など各方面で検討が続けられてきている。閉
じた空間の中での音源位置の決定などは、室内にランダ
ムに配置した複数個のマイクロフォンからその特徴をマ
イクロフォンの設定位置を考慮した座標系で解析するこ
とによって位置決定を行うことなどが行われている。そ
の中で使用される技術は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）
技術を基本としている。すなわち、従来は検出した音の
信号をマイクロフォン等のディテクタ位置による位相情
報を加味してフーリエ変換することによって音源を計算
で求める方法がとられている。また、これらの技術はあ
くまでもパッシブなセンシング技術である。これに対し
魚群探査技術などはアクティブなセンシング技術であっ
て、それぞれに一つのジャンルを形成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術によるパッシブな音源のセンシング技術では、
音源の計算にＦＦＴ技術を利用しているため、計算の量
が膨大になり、これを高速で行うためには大型で高速な
計算機が必要となる欠点があった。また、潜水艦発見技
術などに利用されている水中音源の探査技術は、聴音技
術として確立していることはよく知られていることであ
るが、この技術は秘密のベールに包まれており、その内
容は全く明らかにはされない性格のものであって、基本
的に民間の応用技術とはならない欠点を持っている。

【０００４】近年、スキューバダイビングが盛んになっ
て、これを趣味とする人の数が増えてきているが、その
ホビーとしての性格上、常に危険と隣り合わせている。 このことに伴って出てきている問題が社会的にも認識さ
れはじめ、スキューバダイビングを行っている人の位置
決定、あるいは移動の様子などを効率的に容易に計測す
る技術が求められている。

【０００５】本発明は、このような事情を鑑みてなされ
たものであり、その目的は、水中等の音源の位置を容易
に検出し得る音響監視装置および監視方法を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の音響監視装置においては、一次元状に複数
のマイクロフォンを配置した１または２以上のマイクロ
フォンアレーと、スキャンニングする想定の音源位置に
対応して前記各マイクロフォンで抽出される音の信号の
位相を変調する手段と、該位相を変調する手段の出力信
号を加算しその加算結果のレベルで前記想定の音源位置
に実際の音源位置があるか否かで音源位置を特定する手
段とを具備することを特徴としている。

【０００７】また、同じく上記の目的を達成するための
本発明の音響監視方法においては、まず、想定した音源
位置に対し複数のマイクロフォンで抽出される音の信号
の位相が揃うように変調をかけ、次に、該変調をかけた
実際の音源からの音の信号同士を加算し、次に該加算結
果のレベルをしきい値で判定して実際の音源位置が前記
想定した音源位置にあるか否かを判定し、次に、ある領
域内で前記想定した音源位置をスキャンニングして前記
各過程を繰り返すことにより音源探査を行うことを特徴
としている。

【０００８】

【作用】本発明の音響監視装置および監視方法では、マ
イクロフォンアレーを構成している各マイクロフォンで
抽出した音の信号の位相に個別に変調をかけ、想定の音
源位置に実際の音源があれば各変調出力の位相が揃い、
それらを加算した結果が最大になるようにして、音源位
置の特定を可能にし、その想定の音源位置をスキャンニ
ングすることで、音源を探査する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１０】図１は本発明の第１の実施例を示す基本構
成図であり、図２はこの実施例に使用する一次元マイク
ロフォンアレーの模式図を示している。本実施例を構成
するものとして、１はマイクロフォンアレー、２ａ，２
ｂ，…，２ｋ（以下代表する場合は２と記す）は遅延量
が可変な１１個の遅延器、３は加算器である。マイクロ
フォンアレー１は、１１個のマイクロフォン１ａ，１ｂ
，…，１ｋを例えば１０ｃｍ間隔に基台１１に一列に配
置し、ケーブル１２で遅延器２に接続する。遅延器２は
、各マイクロフォン１ａ，１ｂ，…，１ｋに対応して設
けられ、各マイクロフォン１ａ，１ｂ，…，１ｋの出力
は、各遅延器２ａ，２ｂ，…，２ｋを通して異なる遅延
量を付与され、加算器３に入力されて足し合わされる。 各マイクロフォン１ａ，１ｂ，…，１ｋのアレー配列の
間隔は、検出すべき音源の波長の１／２以下とする。例
えば、１０００Ｈｚの音源を想定するならば、空気中の
音の伝達速度は３４０ｍ／ｓｅｃであるので、一波長の
長さは３４ｃｍである。従って位相は３４ｃｍで３６０
度であるので、この波長の１／２以下、即ち１７ｃｍ以
下の検出アレー配列が望ましい。図２の例ではこの間隔
が１０ｃｍなので、１０００Ｈｚの音源から発出される
音は十分にその位相検知の条件を満足することになる。 アレー配列の間隔は正確に等しいことが望ましいが、作
製後の性能チェック時に位置ずれを検出できる。 遅延器２としては、遅延素子を用いたもののほか、デー
タをディジタル化して遅延したデータをサンプリングす
ることでも実現できる。この場合に、加算器３はディジ
タル構成とすることが可能である。

【００１１】このような構成の実施例による音源検出方
法は、以下に述べる手順で実現される。

【００１２】（１）ある音源位置を想定し、このときの
各マイクロフォン１ａ，１ｂ，…，１ｋの位相情報を加
味して、すべてのマイクロフォンでの採取データの位相
が揃うように各遅延器２の遅延量を設定する。

【００１３】（２）各マイクロフォンで抽出された実際
の音源からの音の信号をそれぞれ遅延器２を通し、それ
らの各遅延器２の出力を加算器３で足し合わせる。

【００１４】（３）加算器３の出力は、もしも実際の音
源が上記想定した音源位置に一致していれば、各遅延器
２の出力の位相が揃うので最大となる。従って、この加
算器３の出力を、あるしきい値で判定してしきい値を超
えているか否かにより、想定した音源位置に実際の音源
があるか否かを判定する。

【００１５】（４）ある平面範囲内の各点について想定
した音源位置をスキャンニング（走査）して、以上の各
手順（１）〜（３）を繰り返し行い、音源位置を特定す
る。このときの各点についての位相情報は、容易に計算
により求められ、図示省略の制御手段等から与える。も
ちろん計算で求めた位相情報を記憶しておいて与えても
良い。

【００１６】以上のように構成した第１の実施例の作用
を述べる。

【００１７】本実施例は、位相変調技術を用いてパッシ
ブセンシング技術とスキャンニング技術との組み合わせ
を行って、音場計測における効率化を行っている。本実
施例では、あらかじめ複数のマイクロフォン等のディテ
クタで採取されるデータに位相情報（位相バイアス）を
加味することによって、この位置情報のもとでの音場強
度を採取しようとするものである。この方法では同一時
刻での全体の音場情報を採取することはできないが、位
相をスキャンニングにより変化させることによって特定
の位置にある音源を容易に検出できることになるので、
装置構成の方法についても簡単化でき、特に時間的に連
続した音源がある場合においては有効となる。このよう
に、本実施例によれば、従来例のようなＦＦＴ技術を用
いることなく音源位置を検出できるため、大型で高速な
計算機は不要である。また、音源検出の過程において、
位相バイアスを付与して音の検出を行い足し合わせるこ
と、あるいは検出信号に制御された遅延をかけることに
よって位相を変化させて足し合わせることによって、こ
の検出したい音以外の音は互いに相殺されて音量は低減
化するので、検出したい音が際立つ結果となりＳ／Ｎの
良い信号が得られる。

【００１８】以上に述べた実施例を有効に行う方法とし
ては、直交するｘｙの二方向に検出感度を有する二次元
の音場センサを用いる方法がある。位相を変化させる時
間は原則的にはかなりの早さで行うことができるので、
例えばｘ方向の位相スキャンを１０Ｈｚ、ｙ方向のスキ
ャンを５００Ｈｚで行うことによってｘ方向の空間分解
を１／５０とすることができるし、この場合のｙ方向の
サンプリング時間を４０μｓｅｃという比較的長い時間
を選択しても５０×５０のデータを０．１ｓｅｃで得る
ことができる。使用の目的によってはこのように１００
ｍｓｅｃの短い時間でスキャンを終了する必要はなく、
特に海中のダイバーの安全管理などの目的においては５
ｓｅｃ程度の時間で充分と言える。建物の中に設置し、
外部からの侵入者の音をとらえたい場合などには、侵入
者をとらえるのはゆっくりしたスキャン速度で充分と考
えられるが、どこへ移動するか、今どこにいるかなどの
情報については早いスキャン速度が望まれる。この点で
本実施例の方法は用途に応じた柔軟な設計が可能である
。また、サンプリング時間については現在のパソコンレ
ベルでも５μｓｅｃ程度は簡単に実現できるので、さら
に精細度を向上させることができる。

【００１９】次に具体的な測定配置例を示す第２の実施
例を説明する。図３，図４および図５，図６は、その測
定配置例と、マイクロフォンアレーの各測定端子位置の
位相バイアスの例を示す図である。この配置例では、図
２に示した１１個のマイクロフォン１ａ，１ｂ，…，１
ｋをアレー配列した一次元マイクロフォンアレー１−１
，１−２を十字形にして、残響を少なくするために１０
ｍ×１０ｍの床面を有する無響室４の中央に、その床面
から２ｍ上に配置し、一方、床面上に接地したスピーカ
音源５を所定の場所に移動できる構成としている。音源
５には、連続して１０００Ｈｚの周波数の音を適当な音
量で発生させる。図４に示した表は、各マイクロフォン
１−１，１−２を構成しているマイクロフォン１ａ，１
ｂ，…，１ｋの検出信号に印加する遅延時間を中心のマ
イクロフォン１ｆを基準としてその差を示したものであ
る。もちろん、これはある特定位置に音源が存在する場
合の計算例であって、この場合は図に示したｘ＝１ｍ，
ｙ＝２ｍの位置に音源がある場合のバイアス例である。 この位置に音源５があるとき、各マイクロフォンアレー
１−１，１−２の両方の加算出力があるしきい値以上に
なり、音源５の位置を特定することができる。図５，図
６は、音源位置が図３に示した場合と異なった例を示し
ている。この例での（ｂ）の位相バイアスは音源位置が
深さ２ｍ，ｘ＝０ｍ，ｙ＝３ｍの位置にある場合の印加
遅延時間を同様に示す。もちろん、以上の方法を拡張し
て、マイクロフォンアレー１−１，１−２からの深さを
も考慮することができる。

【００２０】次に、同じく具体的な測定配置例を示す第
３の実施例を述べる。この実施例は、で示した構成のマ
イクロフォンアレーを水中用に作製し、図３，図５の第
２の実施例中の無響室４を水槽（プール）に代えて実施
したものである。この場合、水中での音の速さは空気中
に比較して著しく大きく、従って一波長の長さが空気中
よりも長いので、アレー間隔は実質的には空気中の場合
よりも広くできる特徴を持っている。実験を行った場所
は、一般的なプールであったので壁に反射した音がかな
り強く検出されたが、第２の実施例で述べたような位相
制御を加味した検出を行うことによって、充分減少させ
得ることが分かった。単一マイクを使い、パルス音源を
使用することによって残響を測定し、この値とマイクロ
フォンアレーを用いた本実施例の検出結果とを比較した
ところ、単一マイクに比べて−２５ｄＢの実効音圧の低
減化が図れた。さらに水中にダイバーを入れ、実際にア
クアラング呼吸の音を検出したところ、位相のスキャン
ニングによって５０ｃｍ程度の分解能で位置検出が可能
であった。

【００２１】さらに、具体的な測定配置例を示す第４の
実施例を述べる。図７は、その配置例を示す平面図であ
る。本実施例では、第１の実施例で使用したマイクロフ
ォンアレー１を４組（１−１，１−２，１−３，１−４
）用意し、これを図に記すように四角の形状に配列する
。第２の実施例と同一の実験を実施したところ、この方
法によっても音源位置の検出が可能であることが確認さ
れた。また、第３の実施例に示したと同様の実験を水中
で実施することによって、第３の実施例とほぼ同様な検
出感度が得られた。

【００２２】なお、３個のマイクロフォンアレーを三角
形に配置した場合でも同様な効果が得られることが確認
され、これらのことは、いずれもマイクロフォンアレー
の配置状況をふまえた位相のスキャンニング制御を行う
ことによって実施ができることを示している。このよう
に本発明は、その主旨に沿って種々に応用され、種々の
実施態様を取り得るものである。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
音響監視装置および監視方法によれば、例えば、水中で
の音源の位置検出が簡単な構成で容易にできるため、水
中で現在どこの位置にダイバーが居るかについての情報
が容易に得られ、この手段を用いて監視を行うことがで
きるので、ダイバーの安全管理，危険予知，ダイビング
ポイントからの逸脱防止などに使用できる。また、マイ
クロフォンで抽出される音の信号の位相を変えて加算す
るので、雑音レベルが相殺されて低減し、Ｓ／Ｎが向上
する利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す基本構成図

【図２
】上記実施例に使用するマイクロフォンアレーの模式図

【図３】本発明の第２の実施例の測定配置例を示す図

【
図４】図３の位相バイアス例を示す図

【図５】上記第２
の実施例の別な測定配置例を示す図

【図６】図５におけ
る位相バイアス例を示す図

【図７】本発明の第４の実施
例の測定配置を示す平面図

【符号の説明】

１，１−１，１−２，１−３，１−４…マイクロフォン
アレー、１ａ，１ｂ，…，１ｋ…マイクロフォン、２，
２ａ，２ｂ，…，２ｋ…遅延器、３…加算器、５…音源
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一次元状に複数のマイクロフォンを配
   置した１または２以上のマイクロフォンアレーと、スキ
   ャンニングする想定の音源位置に対応して前記各マイク
   ロフォンで抽出される音の信号の位相を変調する手段と
   、該位相を変調する手段の出力信号を加算しその加算結
   果のレベルで前記想定の音源位置に実際の音源位置があ
   るか否かで音源位置を特定する手段とを具備することを
   特徴とする音響監視装置。
2. 【請求項２】　　まず、想定した音源位置に対し複数の
   マイクロフォンで抽出される音の信号の位相が揃うよう
   に変調をかけ、次に、該変調をかけた実際の音源からの
   音の信号同士を加算し、次に該加算結果のレベルをしき
   い値で判定して実際の音源位置が前記想定した音源位置
   にあるか否かを判定し、次に、ある領域内で前記想定し
   た音源位置をスキャンニングして前記各過程を繰り返す
   ことにより音源探査を行うことを特徴とする音響監視方
   法。