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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024039091
(43)【公開日】2024-03-22
(54)【発明の名称】音響特性計測方法および装置
(51)【国際特許分類】
G01N 29/46 20060101AFI20240314BHJP
【ＦＩ】
G01N29/46
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022143377
(22)【出願日】2022-09-09
(71)【出願人】
【識別番号】000006714
【氏名又は名称】横浜ゴム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100089875
【弁理士】
【氏名又は名称】野田 茂
(72)【発明者】
【氏名】田所 眞人
【テーマコード（参考）】
2G047
【Ｆターム（参考）】
2G047AA05
2G047AB04
2G047BA03
2G047BB06
2G047BC04
2G047EA15
2G047GD02
2G047GF05
2G047GF21
2G047GG12
2G047GG23
2G047GG33
(57)【要約】 （修正有）
【課題】低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる音響特性計測方法を提供する。
【解決手段】送信部が、媒質内に基準体がある状態と前記試験体がある状態とで音波をそれぞれ放射し、受信部が、基準体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、試験体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得し、データ処理部が、第１測定データと第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、第１時間領域データおよび第２時間領域データから、送信部から基準体を介して受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、第１間接波データと第２間接波データとを周波数領域の基準体データと試験体データとにそれぞれ変換し、基準体データおよび試験体データに基づいて試験体の音響特性を算出する。
【選択図】図４
【解決手段】送信部が、媒質内に基準体がある状態と前記試験体がある状態とで音波をそれぞれ放射し、受信部が、基準体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、試験体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得し、データ処理部が、第１測定データと第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、第１時間領域データおよび第２時間領域データから、送信部から基準体を介して受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、第１間接波データと第２間接波データとを周波数領域の基準体データと試験体データとにそれぞれ変換し、基準体データおよび試験体データに基づいて試験体の音響特性を算出する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
媒質内における試験体の音響特性を音波を用いて計測する方法であって、
送信部が、前記媒質内に基準体がある状態と前記試験体がある状態とで音波をそれぞれ放射し、
受信部が、前記基準体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、前記試験体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得し、
データ処理部が、
前記第１測定データと前記第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、
前記第１時間領域データおよび前記第２時間領域データから、前記送信部から前記基準体を介して前記受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、
前記第１間接波データと前記第２間接波データとを周波数領域の基準体データと試験体データとにそれぞれ変換し、
前記基準体データおよび前記試験体データに基づいて前記試験体の音響特性を算出する、
ことを特徴とする音響特性計測方法。
送信部が、前記媒質内に基準体がある状態と前記試験体がある状態とで音波をそれぞれ放射し、
受信部が、前記基準体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、前記試験体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得し、
データ処理部が、
前記第１測定データと前記第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、
前記第１時間領域データおよび前記第２時間領域データから、前記送信部から前記基準体を介して前記受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、
前記第１間接波データと前記第２間接波データとを周波数領域の基準体データと試験体データとにそれぞれ変換し、
前記基準体データおよび前記試験体データに基づいて前記試験体の音響特性を算出する、
ことを特徴とする音響特性計測方法。
【請求項2】
前記送信部から放射される音波は連続波であり、その周波数が所定範囲の最小周波数から最大周波数まで所定の周波数ステップで掃引されることを特徴とする請求項１に記載の音響特性計測方法。
【請求項3】
前記基準体および前記試験体の設置位置から前記送信部および前記受信部までの距離をＲとし、前記試験体および前記基準体の最大寸法をＤ、前記音波の前記最大周波数での波長をλmaxとすれば、前記距離Ｒは以下の式：
を満足することを特徴とする請求項２に記載の音響特性計測方法。
【数1】
【請求項4】
前記基準体および前記試験体の設置位置から前記送信部および前記受信部までの距離の分解能をΔＲ、有効レンジをＲaliasとし、前記媒質の音速をｃ、測定する周波数点数をＮ、前記音波の帯域幅をＢとすれば、前記距離分解能ΔＲおよび有効レンジＲaliasは、以下の式：
を満足することを特徴とする請求項２に記載の音響特性計測方法。
【数2】
【請求項5】
前記送信部の送波器から放射された前記音波が前記基準体および前記試験体の設置位置へ所定の入射角で入射し、前記基準体あるいは前記試験体の反射面での前記音波の反射波が前記受信部の受波器に入射するように配置され、前記入射角が０°より大きく、前記送波器および前記受波器が前記基準体および前記試験体の設置位置から等距離に位置する、ことを特徴とする請求項１－４のいずれか１項に記載の音響特性計測方法。
【請求項6】
前記データ処理部は、前記基準体データと前記試験体データとの差分を用いて前記試験体の音響特性を算出することを特徴とする請求項１－４のいずれか１項に記載の音響特性計測方法。
【請求項7】
媒質内における試験体の音響特性を音波を用いて計測する装置であって、
前記媒質内に基準体のある状態と試験体のある状態とで音波をそれぞれ放射する送信部と、
前記基準体のある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、前記試験体のある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得する受信部と、
前記第１測定データと前記第２測定データとを用いて前記試験体の音響特性を算出する データ処理部と、
を有し、前記データ処理部が、
前記第１測定データと前記第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、
前記第１時間領域データおよび前記第２時間領域データから、前記送信部から前記基準体を介して前記受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、
前記第１間接波データと前記第２間接波データとを周波数領域の基準体データと試験体データとにそれぞれ変換し、
前記基準体データおよび前記試験体データに基づいて前記試験体の音響特性を算出する、
ことを特徴とする音響特性計測装置。
前記媒質内に基準体のある状態と試験体のある状態とで音波をそれぞれ放射する送信部と、
前記基準体のある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、前記試験体のある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得する受信部と、
前記第１測定データと前記第２測定データとを用いて前記試験体の音響特性を算出する データ処理部と、
を有し、前記データ処理部が、
前記第１測定データと前記第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、
前記第１時間領域データおよび前記第２時間領域データから、前記送信部から前記基準体を介して前記受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、
前記第１間接波データと前記第２間接波データとを周波数領域の基準体データと試験体データとにそれぞれ変換し、
前記基準体データおよび前記試験体データに基づいて前記試験体の音響特性を算出する、
ことを特徴とする音響特性計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は媒質内に配置された音響材料の音響特性計測技術に関する。
【背景技術】
【0002】
音響材料の設計および開発において、媒質中に配置された材料の音響特性（反射率、透過率、音速、損失等）の測定は不可欠である。このような音響特性の測定技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、被測定物が存在する状態と存在しない状態の各々において、音波を被測定物へ放射してそれぞれの周波数特性を計測する。続いて、存在する状態での周波数特性が存在しない状態での周波数特性を基準に正規化される。正規化された周波数特性が時間領域に変換され、時間領域データの波形からノイズが検出される。こうして検出されたノイズを除去することで真値の時間領域データおよび周波数領域データを取得することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第４５７２６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、音波が被測定物に垂直に入射するのではなく、入射角θ（＞０°）で入射し、その反射波を測定する場合、次に述べるように測定システムが大規模となり実現が困難になるという問題が生じ得る。
【0005】
被測定物を中心とする半径Ｒの円周上に送波器ＴＸと受波器ＲＸとが配置され、送波器ＴＸから放射された音波が被測定物に入射角θで入射し、被測定物で反射した音波が受波器ＲＸに到達するものとする。この場合、受波器ＲＸに到達する音波には、被測定物で反射した音波（以下、間接波という。）だけでなく、送波器ＴＸから媒質を通して直接到達する直接波も存在する。直接波は被測定物の情報を持たないために、測定システムは到達した音波から直接波を除去する必要がある。以下、具体的に説明する。
【0006】
一例として、送信波としてパルス波（山数Ｎ個の正弦波）を用いる場合、先端と後端の山では信号の歪が顕著になるために、通常、Ｎ≧３に設定される。その場合、直接波と被測定物を経由する間接波を時間的に分離するためには次式（１）の条件が必要である。
【0007】
【数1】
【0008】
ここで、Ｌindirectは間接波の経路長、Ｌdirectは直接波の経路長、λは音波の波長である。被測定物と送波器ＴＸおよび受波器ＲＸとの距離Ｒ＝２［ｍ］、入射角θ＝４５°とすれば、Ｎ＝３では波長λ＜０．３９０５［ｍ］となる。すなわち、音波は周波数ｆ＞３．８ｋＨｚの高周波域でなければ、直接波と間接波を区別できない、したがって被測定物の特性を正しく計測できないことが分かる。低周波数ｆ＝１ｋＨｚで測定しようとすれば、Ｒ＞７．７［ｍ］となり、大きなスペースを必要とする。このように低周波数で音響特性を計測をしようとすれば、ますます大きなスペースが必要となり、実現が困難になる。
【0009】
本発明は上記事情に鑑み案出されたものであり、本発明の目的は、低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる音響特性計測方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記目的を達成するため本発明の一実施形態は、媒質内における試験体の音響特性を音波を用いて計測する方法であって、送信部が、前記媒質内に基準体がある状態と前記試験体がある状態とで音波をそれぞれ放射し、受信部が、前記基準体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、前記試験体がある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得し、データ処理部が、前記第１測定データと前記第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、前記第１時間領域データおよび前記第２時間領域データから、前記送信部から前記基準体を介して前記受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、前記第１間接波データと前記第２間接波データとを周波数領域の基準体特性データと試験体特性データとにそれぞれ変換し、前記基準体データおよび前記試験体データに基づいて前記試験体の音響特性を算出する、ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、前記送信部から放射される音波は連続波であり、その周波数が所定範囲の最小周波数から最大周波数まで所定の周波数ステップで掃引され得る。
本発明の一態様によれば、前記基準体および前記試験体の設置位置から前記送信部および前記受信部までの距離をＲとし、前記試験体および前記基準体の最大寸法をＤ、前記音波の前記最大周波数での波長をλmaxとすれば、前記距離Ｒは以下の式：
本発明の一態様によれば、前記送信部から放射される音波は連続波であり、その周波数が所定範囲の最小周波数から最大周波数まで所定の周波数ステップで掃引され得る。
本発明の一態様によれば、前記基準体および前記試験体の設置位置から前記送信部および前記受信部までの距離をＲとし、前記試験体および前記基準体の最大寸法をＤ、前記音波の前記最大周波数での波長をλmaxとすれば、前記距離Ｒは以下の式：
【0011】
【数2】
本発明の一態様によれば、前記基準体および前記試験体の設置位置から前記送信部および前記受信部までの距離の分解能をΔＲ、有効レンジをＲaliasとし、前記媒質の音速をｃ、測定する周波数点数をＮ、前記音波の帯域幅をＢとすれば、前記距離分解能ΔＲおよび有効レンジＲaliasは、以下の式：
【0012】
【数3】
本発明の一態様によれば、前記送信部の送波器から放射された前記音波が前記基準体および前記試験体の設置位置へ所定の入射角で入射し、前記基準体あるいは前記試験体の反射面での前記音波の反射波が前記受信部の受波器に入射するように配置され、前記入射角が０°より大きく、前記送波器および前記受波器が前記基準体および前記試験体の設置位置から等距離に位置することができる。
本発明の一態様によれば、 前記データ処理部は、前記基準体データと前記試験体データとの差分を用いて前記試験体の音響特性を算出することができる。
前記目的を達成するため本発明の他の実施形態は、媒質内における試験体の音響特性を音波を用いて計測する装置であって、前記媒質内に基準体のある状態と試験体のある状態とで音波をそれぞれ放射する送信部と、前記基準体のある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第１測定データを取得し、前記試験体のある状態で検知した音波に基づいて周波数領域の第２測定データを取得する受信部と、前記第１測定データと前記第２測定データとを用いて前記試験体の音響特性を算出する データ処理部と、を有し、前記データ処理部が、前記第１測定データと前記第２測定データとを第１時間領域データと第２時間領域データとにそれぞれ変換し、前記第１時間領域データおよび前記第２時間領域データから、前記送信部から前記基準体を介して前記受信部に到達した間接波を示す第１間接波データおよび第２間接波データをそれぞれ抽出し、前記第１間接波データと前記第２間接波データとを周波数領域の基準体データと試験体データとにそれぞれ変換し、前記基準体データおよび前記試験体データに基づいて前記試験体の音響特性を算出する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明の実施形態によれば、時間領域の測定データから窓関数により間接波の部分だけを抽出し、基準体の間接波データと試験体の間接波データをそれぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の基準体データと試験体データとから試験体の音響特性を算出する。間接波だけを抽出することで、低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
本発明の一態様によれば、連続波の周波数を所定範囲内で所定の周波数ステップで掃引することで被測定物の周波数毎の特性を一度の掃引で取得できる。
本発明の一態様によれば、治具の大きさ、すなわち被測定物から送信部および受信部までの距離Ｒに制限がある場合でも、Ｄおよび／またはλを調整することにより治具の大きさを制限内に収めることができる。
本発明の一態様によれば、帯域幅Ｂが広いほど分解能ΔＲは小さくなり、直接波と間接波との分離に有利となる。また有効レンジＲaliasは周波数点数Ｎに比例して大きくなるので信号分離に有利となる。
本発明の一態様によれば、音波が被測定物の反射面に対して斜めに入射する場合でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
本発明の一態様によれば、 基準体データと試験体データとの差分を用いて試験体の音響特性を算出するので、マルチパスに起因するノイズを除去することができ、低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
本発明の一態様によれば、連続波の周波数を所定範囲内で所定の周波数ステップで掃引することで被測定物の周波数毎の特性を一度の掃引で取得できる。
本発明の一態様によれば、治具の大きさ、すなわち被測定物から送信部および受信部までの距離Ｒに制限がある場合でも、Ｄおよび／またはλを調整することにより治具の大きさを制限内に収めることができる。
本発明の一態様によれば、帯域幅Ｂが広いほど分解能ΔＲは小さくなり、直接波と間接波との分離に有利となる。また有効レンジＲaliasは周波数点数Ｎに比例して大きくなるので信号分離に有利となる。
本発明の一態様によれば、音波が被測定物の反射面に対して斜めに入射する場合でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
本発明の一態様によれば、 基準体データと試験体データとの差分を用いて試験体の音響特性を算出するので、マルチパスに起因するノイズを除去することができ、低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の一実施形態による音響特性計測方法を実現するシステムの概略的構成を例示する模式図である。
【図2】本実施形態における音波の周波数掃引の一例を示すグラフである。
【図3】本実施形態による音響特性計測装置の一例を示すブロック図である。
【図4】本実施形態による音響特性計測装置の機能構成を例示するブロック図である。
【図5】本実施形態による音響特性計測方法の一例を示すフローチャートである。
【図6】本実施形態における基準体ＦＤＲ処理の流れを説明するための模式図である。
【図7】本実施形態における試験体ＦＤＲ処理の流れを説明するための模式図である。
【図8】本実施形態における基準体および試験体特性データから音響特性を算出する一例を説明するための模式図である。
【図9】本実施形態における基準体測定データおよび試験体測定データの周波数に帯する受波レベルを示すグラフである。
【図10】窓関数を適用しない場合のＦＤＲ測定結果に基づく反射低減量の周波数特性を示すグラフである。
【図11】本実施形態による窓関数を適用した場合のＦＤＲ測定結果に基づく反射低減量の周波数特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成要素は単なる例示であって、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨ではない。
【0016】
１．システム構成
図１に例示するように、被測定物１１、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸは媒質１０内に所定の位置関係で設置される。以下、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸの長手方向をＺ軸方向とし、音波はＸＹ平面内の方向に伝播するものとする。また、図１に、被測定物１１、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸのＺ軸方向からみた位置関係を併記する。
図１に例示するように、被測定物１１、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸは媒質１０内に所定の位置関係で設置される。以下、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸの長手方向をＺ軸方向とし、音波はＸＹ平面内の方向に伝播するものとする。また、図１に、被測定物１１、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸのＺ軸方向からみた位置関係を併記する。
【0017】
媒質１０は音が伝播する液体あるいは気体などの流体である。被測定物１１は媒質１０内の所定位置に設置される。被測定物１１は、たとえば音波を反射する板状の物質であり、以下に詳述する基準体あるいは試験体である。送波器ＴＸは電気信号に従って媒質１０中に被測定物１１へ向けて平面波を放射する。受波器ＲＸは媒質１０を通して到達した音波を電気信号に変換する。
【0018】
Ｚ軸方向から見た位置関係に示すように、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸは被測定物１１の設置位置から半径Ｒの円周上に位置し、共に被測定物１１の法線１２を中心として互いに反対方向に角度θだけ傾いた位置にあるものとする。言い換えれば、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸと被測定物１１とは、送波器ＴＸからの平面波が被測定物１１の法線１２に対して入射角θで入射し、その反射波が受波器ＲＸに到達するように配置されている。以下、被測定物１１で反射して受波器ＲＸに到達した音波を間接波、送波器ＴＸから受波器ＲＸに直接到達した音波を直接波という。図１において、間接波の経路がＬ１、直接波の経路がＬ２である。Ｌ１とＬ２との距離差ΔＬは上述した式（１）で求められ、従って直接波と間接波との受波器ＲＸでの到達時間差を算出できる。
【0019】
本実施形態による音響特性計測装置は、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸと、周波数分析器２０と、音響特性計測器１００とを有する。ここでは、送信部が周波数分析器２０，パワーアンプ２１，分配器２２、減衰器２３および送波器ＴＸからなり、受信部が周波数分析器２０、音圧計２４および受波器ＲＸからなるものとする。
【0020】
周波数分析器２０の発振信号端子ＯＳＣから出力された発振信号はパワーアンプ２１で増幅され、分配器２２を通して送波器ＴＸへ供給される。発振信号の一部は分配器２２から減衰器２３を通して周波数分析器２０のチャンネルＣＨ１に戻され、これにより音波の送波タイミングを識別できる。送波器ＴＸから放射された音波は媒質１０中を伝播し、一部は受波器ＲＸに直接到達し、一部は媒質１０の容器の壁あるいは被測定物１１で反射して受波器ＲＸに到達する。受波器ＲＸおよび音圧計２４は到達波を電気信号に変換して周波数分析器２０のチャンネルＣＨ２に出力する。
【0021】
周波数分析器２０は、被測定物１１を配置した状態での受波器ＲＸへの到達波を分析し、周波数領域の測定データとして音響特性計測器１００へ出力する。なお、送波器ＴＸから放射される音波は連続波であり、その送波タイミング、周波数および振幅は音響特性計測器１００により制御されるものとする。
【0022】
図２に例示するように、送波器ＴＸから放射される音波の周波数は、所定時間間隔ｔ毎に所定の周波数ステップΔｆで掃引される。周波数は最小周波数ｆｍｉｎと最大周波数ｆｍａｘとの間で掃引される。
【0023】
なお、送波器ＴＸおよび受波器ＲＸと被測定物１１との間の距離Ｒは可能な限り下式（２）の遠方界基準を満足することが望ましい。
【0024】
【数4】
【0025】
ここで、Ｄは被測定物１１の最大寸法、λは最大周波数ｆｍａｘでの波長である。上記式（２）は被測定物１１上での位相の変動がπ/８以下となる基準から導出される。例えば治具の大きさ等に制約がある場合（Ｒに制約がある場合）には、Ｄおよび／またはλで調整することができる。
【0026】
また、周波数と距離分解能ΔＲおよび有効レンジＲaliasとの関係は媒質１０の音速c、周波数点数Ｎ、帯域幅Ｂにより下式（３）で得られる。
【0027】
【数5】
【0028】
したがって、帯域幅Ｂが広いほど分解能ΔＲは小さくなり、直接波と間接波との分離に有利となる。有効レンジＲaliasは周波数点数Ｎに比例して大きくなり信号分離に有利となる。これらは所要の条件を満足する値に設定すれば良い。
【0029】
以下詳述するように、本実施形態によれば、被測定物１１として基準体を設置した状態と試験体を設置した状態とでそれぞれの周波数領域の測定データを取得する。これらの測定データを用いて音響特性計測器１００は試験体の音響特性を算出する。
【0030】
２．音響特性計測方法
図３に例示するように、音響特性計測器１００はコンピュータからなり、プロセッサあるいはＣＰＵ等のデータ処理部１０１と、記憶部１０２と、表示部１０３と、プログラムを格納するメモリ１０４と、を含む。データ処理部１０１は、メモリ１０４からプログラムを実行することで、周波数分析器２０の音波周波数を制御する周波数制御部２００、逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部２０１、窓関数Ｗを適用する目標応答領域抽出部２０２、フーリエ変換（ＦＦＴ）部２０３、および音響特性演算部２０４の各機能を実現する。記憶部１０２は、周波数分析器２０から入力した周波数領域の測定データ、逆フーリエ変換により得られた時間領域データ、窓関数Ｗおよびフーリエ変換により得られた周波数領域の基準体データおよび試験体データを記憶する。
図３に例示するように、音響特性計測器１００はコンピュータからなり、プロセッサあるいはＣＰＵ等のデータ処理部１０１と、記憶部１０２と、表示部１０３と、プログラムを格納するメモリ１０４と、を含む。データ処理部１０１は、メモリ１０４からプログラムを実行することで、周波数分析器２０の音波周波数を制御する周波数制御部２００、逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）部２０１、窓関数Ｗを適用する目標応答領域抽出部２０２、フーリエ変換（ＦＦＴ）部２０３、および音響特性演算部２０４の各機能を実現する。記憶部１０２は、周波数分析器２０から入力した周波数領域の測定データ、逆フーリエ変換により得られた時間領域データ、窓関数Ｗおよびフーリエ変換により得られた周波数領域の基準体データおよび試験体データを記憶する。
【0031】
図４は、図３に示す音響特性計測器１００の機能構成を模式的に示したものである。以下、図４～図８を参照しながら、本実施形態による音響特性計測方法について詳細に説明する。なお、基準体を設置した状態で得られたデータには添え字「ｒｅｆ」を付加し、試験体を設置した状態で得られたデータには添え字「ｔｐ」を付加して区別するものとする。
【0032】
２．１）基準体計測
まず、媒質１０内の所定位置に被測定物１１として基準体を設置する。基準体は所定サイズの板形状を有する所定の材料からなる。基準体は、たとえばステンレス製の板である。
まず、媒質１０内の所定位置に被測定物１１として基準体を設置する。基準体は所定サイズの板形状を有する所定の材料からなる。基準体は、たとえばステンレス製の板である。
【0033】
図５のステップ３０１において、データ処理部１０１は、周波数制御部２００により周波数分析器２０を制御して送波器ＴＸから放射される音波の周波数ｆを上述したように所定ステップΔｆで掃引する。これによりデータ処理部１０１は、周波数分析器２０から基準体を設置した状態での周波数領域の受波レベルを基準体測定データＤ１ｒｅｆとして入力する。周波数毎の受波レベルを示す基準体測定データＤ１ｒｅｆの一例が図６に示される。
【0034】
図５のステップ３０２において、データ処理部１０１は、逆フーリエ変換部２０１により基準体測定データＤ１ｒｅｆを逆フーリエ変換して時間領域の測定データＤ２ｒｅｆを生成する。時間領域の測定データＤ２ｒｅｆの一例を図６に示す。
【0035】
図６に例示するように、時間領域の測定データＤ２ｒｅｆにおいて、送波時点から時間ｔ１ｒｅｆ経過時にピークＰ１ｒｅｆが現れ、続いて時間ｔ２ｒｅｆ経過時にピークＰ２ｒｅｆが現れ、さらに時間が経過したときに複数の小さなピークが現れる。媒質１０内の音速ｃは一定であるから、受波器ＲＸに到達するまでに経過時間は到達波の経路長を反映している。したがって最も早い経過時間ｔ１ｒｅｆは直接波の到達を示し、経過時間ｔ２ｒｅｆは間接波の到達を示していると考えられる。さらに後続する複数のピークは、容器壁などで反射して受波器ＲＸに到達したマルチパスを示していると考えられる。
【0036】
そこで、本実施形態によれば、ｔ２ｒｅｆ経過時のピークＰ２ｒｅｆの前後所定範囲を間接波を示すデータとして抽出する。この間接波は基準体で反射した音波であるから、基準体の音響特性を反映している。
【0037】
図５のステップ３０３において、データ処理部１０１は、目標応答領域抽出部２０２により所定窓幅Ｗを有する窓関数を時点ｔ２ｒｅｆの測定データＤ２ｒｅｆに適用し、間接波データＤ３ｒｅｆを抽出する。窓関数の幅ＷはピークＰ２ｒｅｆを含む振幅の山だけを覆う時間長に適宜設定される。間接波データＤ３ｒｅｆの一例を図６に示す。図６に示すように、窓関数が適用されることで、測定データＤ２ｒｅｆのピークＰ２ｒｅｆを含む間接波データＤ３ｒｅｆだけが抽出され、他のピーク波形部分は除去される。すなわち、基準体の情報が含まれる間接波データＤ３ｒｅｆだけが抽出され、フーリエ変換部２０３へ出力される。
【0038】
図５のステップ３０４において、データ処理部１０１は、フーリエ変換部２０３により時間領域の間接波データＤ３ｒｅｆを周波数領域のデータへ変換し、基準体データＤ４ｒｅｆとして記憶部１０２に格納する。基準体データＤ４ｒｅｆの一例を図６に示す。
【0039】
２．２）試験体計測
続いて、媒質１０内の所定位置に被測定物１１として試験体を設置する。試験体は、基準体とは異なる材料で形成されたサンプルである。たとえば基準体がステンレス板であれば、試験体はセラミック材料からなる。試験体を設置した状態で、上述したステップ３０１～３０４と同じ処理が実行される。
続いて、媒質１０内の所定位置に被測定物１１として試験体を設置する。試験体は、基準体とは異なる材料で形成されたサンプルである。たとえば基準体がステンレス板であれば、試験体はセラミック材料からなる。試験体を設置した状態で、上述したステップ３０１～３０４と同じ処理が実行される。
【0040】
図５のステップ３０５において、データ処理部１０１は、周波数制御部２００により周波数分析器２０を制御して送波器ＴＸから放射される音波の周波数ｆを上述したように所定ステップΔｆで掃引する。これによりデータ処理部１０１は、周波数分析器２０から試験体を設置した状態での周波数領域の受波レベルを基準体測定データＤ１ｔｐとして入力する。周波数毎の受波レベルを示す基準体測定データＤ１ｔｐの一例が図７に示される。
【0041】
図５のステップ３０６において、データ処理部１０１は、逆フーリエ変換部２０１により試験体測定データＤ１ｔｐを逆フーリエ変換して時間領域の測定データＤ２ｔｐを生成する。時間領域の測定データＤ２ｔｐの一例を図７に示す。
【0042】
図７に例示するように、時間領域の測定データＤ２ｔｐにおいて、送波時点から時間ｔ１ｔｐ経過時にピークＰ１ｔｐが現れ、続いて時間ｔ２ｔｐ経過時にピークＰ２ｔｐが現れ、さらに時間が経過したときに複数の小さなピークが現れる。上述したように、最も早い経過時間ｔ１ｔｐは直接波の到達を示し、経過時間ｔ２ｔｐは間接波の到達を示していると考えられる。さらに後続する複数のピークは、容器壁などで反射して受波器ＲＸに到達したマルチパスを示していると考えられる。
【0043】
図５のステップ３０７において、データ処理部１０１は、目標応答領域抽出部２０２により上述した窓関数を時点ｔ２ｔｐの測定データＤ２ｔｐに適用し、間接波データＤｆｐを抽出する。間接波データＤ３ｔｐの一例を図７に示す。図７に示すように、窓関数が適用されることで、測定データＤ２ｔｐのピークＰ２ｔｐを含む間接波データＤ３ｔｐだけが抽出され、他のピーク波形部分は除去される。すなわち、試験体の情報が含まれる間接波データＤ３ｔｐだけが抽出され、フーリエ変換部２０３へ出力される。
【0044】
図５のステップ３０８において、データ処理部１０１は、フーリエ変換部２０３により時間領域の間接波データＤ３ｔｐを周波数領域のデータへ変換し、試験体データＤ４ｔｐとして記憶部１０２に格納する。試験体データＤ４ｔｐの一例を図７に示す。
【0045】
２．３）試験体音響特性の算出
図５のステップ３０９において、データ処理部１０１は、記憶部１０２に格納された基準体データＤ４ｒｅｆと試験体データＤ４ｔｐとの差分を用いて、基準体データＤ４ｒｅｆを基準とした試験体の音響特性（反射低減量ＥＲ、反射位相等）を算出する（図８参照）。基準体データＤ４ｒｅｆと試験体データＤ４ｔｐとの差分を用いることで、容器や治具に起因するノイズを除去することができ、試験体の正確な音響特性を取得できる。こうして得られた試験体の音響特性は表示部１０３に表示可能である。
図５のステップ３０９において、データ処理部１０１は、記憶部１０２に格納された基準体データＤ４ｒｅｆと試験体データＤ４ｔｐとの差分を用いて、基準体データＤ４ｒｅｆを基準とした試験体の音響特性（反射低減量ＥＲ、反射位相等）を算出する（図８参照）。基準体データＤ４ｒｅｆと試験体データＤ４ｔｐとの差分を用いることで、容器や治具に起因するノイズを除去することができ、試験体の正確な音響特性を取得できる。こうして得られた試験体の音響特性は表示部１０３に表示可能である。
【0046】
３．測定例
図１に示すシステム構成において、連続波を使用して反射低減量ＥＲを測定した。測定条件は以下の通りである。
・周波数
低周波：1～20kHz（Δｆ＝50Hzステップ）…Ｎ＝381点
高周波：20～80kHz（Δｆ＝50Hzステップ）…Ｎ＝1201点
合計Ｎ＝1582点で20kHzは両方に含まれる。
・入射角θ＝+45°
・基準体（ref）：50mmtSUS板
・試験体（tp）：SSA（2019-044K）
図１に示すシステム構成において、連続波を使用して反射低減量ＥＲを測定した。測定条件は以下の通りである。
・周波数
低周波：1～20kHz（Δｆ＝50Hzステップ）…Ｎ＝381点
高周波：20～80kHz（Δｆ＝50Hzステップ）…Ｎ＝1201点
合計Ｎ＝1582点で20kHzは両方に含まれる。
・入射角θ＝+45°
・基準体（ref）：50mmtSUS板
・試験体（tp）：SSA（2019-044K）
【0047】
図９は、周波数分析器２０から出力される周波数領域の基準体測定データＤ１ｒｅｆおよび試験体測定データＤ１ｔｐを示す。
【0048】
図１０は、基準体測定データＤ１ｒｅｆおよび試験体測定データＤ１ｔｐから単純にＤ１ｔｐ／Ｄ１ｒｅｆを計算し、窓関数を適用せずに反射減衰量ＥＲを求めた結果である。この場合、直接波が存在するために、標準手順で測定したデータ（白丸）とＦＤＲ測定結果（実線）とが全く異っている。なお、標準手順は、パルス波（原則３波以上）を用いた以下の手順である。
（１）基準体を取り付ける。
（２）周波数を設定する。
（３）オシロスコープで確認しながらパルス波の山数を設定する。
（４）オシロスコープで受波レベルを読み取り記録する。
（５）適当なゼロクロスポイントから受波時間を読み取り記録する。
（６）周波数を設定しながら、上記（３）～（５）を繰り返す。
（７）基準体を取り外し試験体を取り付ける。
（８）設定パラメータ等を基準体の場合と同様にして、上記（２）～（６）を繰り返す。
（９）基準体のデータを基準として試験体の特性データ（主として反射減衰量）を取得する。
（１）基準体を取り付ける。
（２）周波数を設定する。
（３）オシロスコープで確認しながらパルス波の山数を設定する。
（４）オシロスコープで受波レベルを読み取り記録する。
（５）適当なゼロクロスポイントから受波時間を読み取り記録する。
（６）周波数を設定しながら、上記（３）～（５）を繰り返す。
（７）基準体を取り外し試験体を取り付ける。
（８）設定パラメータ等を基準体の場合と同様にして、上記（２）～（６）を繰り返す。
（９）基準体のデータを基準として試験体の特性データ（主として反射減衰量）を取得する。
【0049】
これに対して、図１１は窓関数により間接波のみを抽出して反射減衰量ＥＲを求めた結果である。窓関数により直接波やマルチパスの影響が除去されるために、低周波数から高周波数までの広い範囲で標準手順で測定したデータ（白丸）と本実施形態による測定結果（実線）とがよく一致している。
【0050】
４．効果
以上述べたように、本実施形態によれば、時間領域の測定データから窓関数により間接波の部分だけを抽出し、基準体の間接波データと試験体の間接波データをそれぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の基準体特性データと試験体特性データとの差分から試験体の音響特性を算出する。間接波だけを抽出することで、直接波やマルチパスに起因するノイズを除去することができ、低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
以上述べたように、本実施形態によれば、時間領域の測定データから窓関数により間接波の部分だけを抽出し、基準体の間接波データと試験体の間接波データをそれぞれ周波数領域に変換し、周波数領域の基準体特性データと試験体特性データとの差分から試験体の音響特性を算出する。間接波だけを抽出することで、直接波やマルチパスに起因するノイズを除去することができ、低周波域の音波でもスペースを大きくすることなく正確な音響特性計測が可能となる。
【0051】
また音響特性計測器１００が周波数分析器２０を制御して音波の周波数を掃引し、その時の測定データから自動で試験体の音響特性を計測可能である。したがって、従来のように周波数毎に受波レベルをオシロスコープで読み取る必要がなく、測定作業の自動化が容易になる。即ち、短時間で高密度なデータ取得が可能である他、オシロスコープ読取りでの属人性を排除でき、再現性のあるデータを取得できる。また従来の手法で複素反射係数を得るためには受波レベルと音波の到来時間をそれぞれ別に読み取る必要があったが、本実施形態による方法では振幅と位相を一括して得ることができる。
【符号の説明】
【0052】
１０ 媒質
１１ 被測定物（基準体または試験体）
１２ 被測定物の反射面の法線
ＴＸ 送波器
ＲＸ 受波器
２０ 周波数分析器
１００ 音響特性計測器
１０１ データ処理部
１０２ 記憶部
１０３ プログラムメモリ
１０３ 表示部
２００ 周波数制御部
２０１ 逆フーリエ変換部
２０２ 目標応答領域抽出部
２０３ フーリエ変換部
２０４ 音響特性演算部
１１ 被測定物（基準体または試験体）
１２ 被測定物の反射面の法線
ＴＸ 送波器
ＲＸ 受波器
２０ 周波数分析器
１００ 音響特性計測器
１０１ データ処理部
１０２ 記憶部
１０３ プログラムメモリ
１０３ 表示部
２００ 周波数制御部
２０１ 逆フーリエ変換部
２０２ 目標応答領域抽出部
２０３ フーリエ変換部
２０４ 音響特性演算部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】