特許 7220804 音源方位標定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-02

(45)【発行日】2023-02-10

(54)【発明の名称】音源方位標定装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 3/00 20060101AFI20230203BHJP

   H04R 1/40 20060101ALI20230203BHJP

【ＦＩ】

H04R3/00 320

H04R1/40 320A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021557264

(86)(22)【出願日】2021-09-08

(86)【国際出願番号】 JP2021033022

(87)【国際公開番号】W WO2022091591

(87)【国際公開日】2022-05-05

【審査請求日】2022-05-19

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2020/040905

(32)【優先日】2020-10-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】390000011

【氏名又は名称】ＪＦＥアドバンテック株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100184859

【弁理士】

【氏名又は名称】磯村 哲朗

(74)【代理人】

【識別番号】100123386

【弁理士】

【氏名又は名称】熊坂 晃

(74)【代理人】

【識別番号】100196667

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100130834

【弁理士】

【氏名又は名称】森 和弘

(72)【発明者】

【氏名】岡 知路

(72)【発明者】

【氏名】小田 将広

(72)【発明者】

【氏名】野村 和裕

(72)【発明者】

【氏名】永野 聡

【審査官】冨澤 直樹

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５３０５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０５６２１４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１３７３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－０８６３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５２１２８３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ ３／００

Ｈ０４Ｒ １／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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（但し、前記２以上の共円多角形の頂点の数の全てが奇数となる構成を除く）ように配置される、音源方位標定装置。

【請求項2】

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、
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、音源方位標定装置。

【請求項3】

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、
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、音源方位標定装置。

【請求項4】

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、
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、音源方位標定装置。

【請求項5】

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から請求項４の何れか一項に記載の音源方位標定装置。

【請求項6】

前記カメラは、共円多角形の中心に設けられる、請求項５に記載の音源方位標定装置。

【請求項7】

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６の何れか一項に記載の音源方位標定装置。

【請求項8】

共円多角形は正多角形である、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。

【請求項9】

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８の何れか一項に記載の音源方位標定装置。

【請求項10】

前記演算手段は、前記複数のマイクロホンでそれぞれ取得された前記複数の音圧情報の時間を想定音源方位とマイクロホンの配置とに基づいて設定された分だけずらし、時間をずらした前記複数の音圧情報を加算した加算値を算出し、前記想定音源方位を変化させながら複数の加算値を求めたときに、複数の加算値のうち最大の加算値になる前記想定音源方位を音波の到来方向として標定する、請求項１から請求項９の何れか一項に記載の音源方位標定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１８／０５６２１４号

【文献】特開平１０－７０４１２号公報

【文献】特開２０１１－１５０５０号公報

【文献】特表２００５－５２１２８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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、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）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。
（１０）前記演算手段は、前記複数のマイクロホンでそれぞれ取得された前記複数の音圧情報の時間を想定音源方位とマイクロホンの配置とに基づいて設定された分だけずらし、時間をずらした前記複数の音圧情報を加算した加算値を算出し、前記想定音源方位を変化させながら複数の加算値を求めたときに、複数の加算値のうち最大の加算値になる前記想定音源方位を音波の到来方向として標定する、（１）から（９）の何れか１つに記載の音源方位標定装置。

【発明の効果】

【0008】

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。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】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】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】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】図４は、音波の到来方向の一例を示す模式図である。

【図5】図５は、音波情報が複数のマイクロホンによって検出される様子を示す模式図である。

【図6】図６は、各マイクロホンによって検出された音圧情報の一例を示すグラフである。

【図7】図７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8】図８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9】図９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10】図１０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11】図１１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12】図１２は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第１グラフである。

【図13】図１３は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第２グラフである。

【図14】図１４は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第３グラフである。

【図15】図１５は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第４グラフである。

【図16】図１６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17】図１７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18】図１８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。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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の範囲内の音波に感度を持ち、取得された音圧情報は、演算手段によりバンドパスフィルター処理された任意の測定周波数に対してビームフォーミング計算を実施される。なお、マイクロホン１５が、所定の広帯域の音波に対し感度を有する場合について例示しているが、単一波長もしくは狭帯域の音波に対し感度を有するものであってもよい。

【0015】

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、大気中を伝搬する４０ｋＨｚの音波（波長約８．７ｍｍ）が測定対象であるとき、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。なお、測定する音波の周波数及び共円正ｎ角形の外接円の大きさは、これに限定されるものではなく、例えば可聴音（例えば２０Ｈｚ）から周波数１００ｋＨｚの範囲内から測定周波数を選択し、その周波数（波長）に応じて共円正ｎ角形の外接円の大きさを適宜設定することができる。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

表示手段１８は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）であってよく、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ってよく、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替えて、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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

処理部３０は、アレイセンサ１４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、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。この際、処理部３０は、例えば各マイクロホン１５で検出される音圧情報の時間差（位相差）から音源の方位を標定するいわゆる遅延和法を用いたビームフォーミング計算によって音波の到来方向を標定する。

【0023】

図４は、音波の到来方向の一例を示す模式図である。図４に示すように、音波の到来方向は、音源が存在する方位であり、マイクロホン１５の配置面（ＸＹ面）に対し直交する方向（Ｚ方向）に対する方位角θと、配置面（ＸＹ面）上の基準となる任意の方向（例えばＹ方向）に対する方位角φとによって到来角（θ、ψ）として表現される。処理部３０は、複数のマイクロホン１５において検出された音圧情報を用いて、遅延和法によって到来角（θ、ψ）を決定する。

【0024】

図５は音波情報が複数のマイクロホンによって検出される様子を示す模式図であり、図６は各マイクロホンによって検出された音圧情報の一例を示すグラフである。なお、説明の容易のために、図５及び図６では、３つのマイクロホン１５ａ～１５ｃを並べた場合について例示する。音波が到来角（θ、ψ）から到来すると、マイクロホン１５ａを基準マイクとしたとき、マイクロホン１５ｂにはマイクロホン１５ａに対して時間差τだけずれて音波が到達する。マイクロホン１５ａとマイクロホン１５ｂに波が到達する時間差τ（ｓ）は、音速をｖ（ｍｍ／ｓ）、方位角θ、マイクロホン１５ａ、１５ｂの距離Ｌ＝ｄ（ｍｍ）とすると、下記式（１）により求められる。

【0025】

τ＝（Ｌ×ｓｉｎθ）／ｖ ・・・（１）

【0026】

なお、図５及び図６では、方位角θに起因して時間差τ（位相差）が生じることを示しているが、方位角ψに起因した時間差τも生じる。方位角ψに対する考え方も式（１）と同一であり、時間差τは到来角（θ、ψ）に応じて変化する。

【0027】

式（１）において、マイクロホン間隔に対して十分遠方にある音源から音波が到来することを前提とすると、基準のマイクロホン１５ａに対して距離Ｌが間隔２ｄだけ離れたマイクロホン１５ｃでの音波の到来時間は時間差２τになる。したがって、図６に示すように、各マイクロホン１５ａ～１５ｃで検出した音圧情報は基準のマイクロホン１５ａからの距離Ｌに応じた時間差τ分だけずれている。これらを利用して、処理部３０は音波の到来角（θ、ψ）を標定する。

【0028】

具体的には、処理部３０は、複数のマイクロホン１５においてそれぞれ取得された音圧情報の時間を時間差τ分ずらし、時間をずらした複数の音圧情報を加算した加算値を算出する。なお、処理部３０には、到来角（θ、ψ）に対応した複数の異なる時間差τが予め設定されており、この複数の異なる時間差τは、距離Ｌに応じて複数のマイクロホン１５毎にそれぞれ設定されている。処理部３０は、設定された複数の異なる時間差τを用いて、ずらす時間を変化させて複数の加算値を求める。

【0029】

到来角（θ、ψ）に対応する時間差τで加算された加算値は各音圧情報の波形の位相が揃うため最大になる。一方、複数の加算値のうち、到来角（θ、ψ）に対応していない時間差τで加算された加算値は、位相が揃わずに互いに打ち消し合って大きくならない。そこで、処理部３０は、音源探索範囲内で想定する想定到来角（θ‘、ψ’）を逐次変化させて求まる複数の加算値のうち、最大の加算値になる想定到来角を音源の方位として標定する。

【0030】

このように、上述した遅延和法によって方位を標定する場合、ビーム幅を狭くして指向性を高めつつ、グレーチングローブの発生を抑制した特性のアレイセンサ１４を用いることが望ましい。この点、複数のマイクロホン１５が図２のように配置されたアレイセンサ１４の場合、ビーム幅が狭くグレーチングローブの発生を抑制した特性を得ることができる（後述する図１０参照）。よって、遅延和法による方位の標定を高精度に行うことができる。

【0031】

なお、図５～図７において、処理部３０が時間差τに基づいて到来角（θ、ψ）を標定する遅延和法について例示したが、これに限定されず公知の種々の方法を適用することができる。例えば、各マイクロホン１５ａ～１５ｃが同時刻に観測した音圧情報を２次元の空間的な音圧場と捉えて、空間的に２次元フーリエ変換を実施することにより求められる空間波数と到来角（θ、ψ）に相関があることを利用しても遅延和法によるビームフォーミング計算とほぼ等価な音源方位標定結果が得られる。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。なお、本シミュレーションでは，測定波長に対して開口を一定としてスケールを一般化したものであり、測定波長が変化すれば、開口（実寸法）はその波長変化に応じて変化する。指向性は測定する音波の波長に対する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測定する音波の波長に対して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、気温２５℃、１気圧の空気中の音速(約348m/s)を用い、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。

【0037】

図７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７（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７（ｂ）は、図７（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。

【0038】

図７（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７（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。

【0039】

図８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８（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８（ｂ）は、図８（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８（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７と同じである。

【0040】

図８（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８（ｂ）)では音源強度比が１．４になり、図７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。

【0041】

図９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９（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９（ｂ）は、図９（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９（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７と同じである。図８（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９（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。

【0042】

図９（ａ）に示したアレイセンサ４４の音圧マップ（図９（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。

【0043】

図１０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１０（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１０（ｂ）は、図１０（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１０（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７と同じである。

【0044】

図１０（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１０（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１０（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。

【0045】

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。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。

【0046】

図１０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１１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１１（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１１（ｂ）は、図１１（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１１（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７と同じである。

【0047】

図１１（ａ）に示したアレイセンサ４６は、図１０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。

【0048】

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１０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

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

図１２は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第１グラフである。図１２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１２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１２～図１５において同じであり、アレイセンサの表示方法は図１２～図１７において同じである。

【0052】

図１２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１２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。

【0053】

図１３は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第２グラフである。図１３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１３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。

【0054】

図１３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。

【0055】

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。

【0056】

図１４は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第３グラフである。図１４の横軸は開口／波長であり、縦軸は音源強度比である。図１４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。

【0057】

図１５は、種々のアレイセンサの音源強度比を示す第４グラフである。図１５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１５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１２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１２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。

【0058】

図１６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１６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１６～図１８を求めるために実施したシミュレーション条件は、図１２と同じである。

【0059】

図１７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１８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１７、図１８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。

【0060】

図１６～図１８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。

【0061】

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）。

【符号の説明】

【0062】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】