JP2013250111A - 音源探査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、音源から発せられる音を受音して得た受音信号に基づいて音の到来方向を探査する音源探査装置に関し、音源位置を、カメラ撮影とは無関係かつリアルタイムに知らせる。
【解決手段】
音源探査プローブ３０と、受音信号に基づいて音の到来方向を探査する音源探査部５０と、入力されてきた制御信号に基づいて、光ビームの出射方向を調整する調整機構を有しその調整機構で調整された方向に光ビームを出射する音源指示器４０と、音源探査部５０で探査された音の到来方向のデータに基づいて、音源指示器４０から出射された光ビームが音源１１を指し示すように調整機構を制御する制御信号を生成して、その制御信号を調整機構に送るレーザコントロール部６０とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、音源から発せられる音を受音して得た受音信号に基づいて音源を探査する音源探査装置に関する。

音が聞こえてきてもその音の発生源（音源）を特定することが困難な場合がある。このような場面に対処するため、例えば装置や機器の開発や故障解析などの分野において、音源、すなわち異音などの音の発生源を特定する技術が知られている。

特許文献１には、配列されたマイクロフォンで受音して演算により音源を特定するとともに音源近傍をカメラで撮影して、音源を示すマークを音源近傍の画像とともに表示する技術が開示されている。

特開２００４−７７２７７号公報

上掲の特許文献１に開示された、画像を表示し、その画像上に音源を示すマークを表示して音源を認識させる技術は音源の位置が分かり易く、この点では優れた技術である。

しかしながら、機密保持が厳しい開発環境などではカメラの持ち込み自体が禁止されている場面もある。また、環境の明るさが低く、カメラで十分な明るさの撮影ができない場面もあり、このような場面では、上記の技術をうまく生かせない事態が発生するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑み、カメラ撮影とは無関係に音源をリアルタイムに知らせることができる音源探査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の音源探査装置は、
音センサを有するプローブと、
音センサで受音して得た音信号に基づいて音の到来方向を探査する探査部と、
入力されてきた制御信号に基づいて光ビームの出射方向を調整する調整機構を有し、その調整機構で調整された方向に光ビームを出射する指示器と、
探査部で探査された音の到来方向を表わすデータに基づいて、指示器から出射された光ビームが、その到来方向の先にある音源を指し示すように調整機構を制御する制御信号を生成して、その制御信号を調整機構に送る制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明の音源探査装置は、上記指示器を備えたため、カメラ撮影とは無関係にその指示器から出射される光ビームで音源が直接に指し示される。また、本発明の音源探査装置は、上記の調整機構および制御部を備えたため、探査された音源を光ビームでリアルタイムに指し示すことができる。

ここで、本発明の音源探査装置において、上記探査部が、プローブによる受音位置と指示器による光ビーム出射位置との間の幾何学的な位置関係を補正して、指示器の光ビーム出射位置から見たときの音源位置を求めるものであることが好ましい。

プローブによる受音位置と光ビームの出射位置を装置レイアウト上で一致させるのは困難な場合がある。それら受音位置と出射位置とが不一致であり（すなわち視差があり）、その視差を特に考慮しなかった場合は、音源探査自体は正確であっても光ビームが音源を正確には指し示さないおそれがある。本発明において、上記のように幾何学的な位置関係を補正して光ビームの出射位置から見たときの音の到来方向を求めると、上記の視差が存在していても光ビームで音源を正確に指し示すことができる。

また、本発明の音源探査装置において、上記探査部で時系列的に探査された、音の到来方向を表わす複数のデータを記憶しておく記憶部と、探査部で探査された音の到来方向を表わすデータと、記憶部に記憶された、音の到来方向を表わすデータとを切り替えて、制御部に入力する切替部とを備え、
上記制御部が、切替部を経由して入力された、音の到来方向を表わすデータに基づく制御信号を生成するものであることが好ましい。

この構成を採用すると、音源位置をリアルタイムで指し示すことに加え、さらに、収録されたデータに基づいて過去の特定の時点の音源位置を指し示したり、移動する音源位置の移動の履歴のスロー再生など、多彩な処理が可能となる。

以上の本発明の音源探査装置によれば、カメラ撮影とは無関係に、音源をリアルタイムに指し示すことができる。

本発明の一実施形態としての音源探査装置を示す概略ブロック図である。 図１に示す音源探査装置の機構部分を中心に示した図である。 図１に示す音源探査装置を構成する音源探査部の内部構成を示したブロック図である。 視差補正部による視差の補正を行なわなかった場合に生じる誤差の説明図である。 視差補正部による補正アルゴリズムの説明図である。 図１に示す音源探査装置を構成するレーザコントロール部の内部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の音源探査装置の概要を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

音源探査の手法としては、一般に、ビームフォーミング法（ＢＦ法）、サウンドインテンシティ法（ＳＩ法）、エンベロープインテンシティ法（ＥＩ法）、その他、複数のマイクロホンを使用した方法が知られている。ＳＩ法およびＥＩ法を採用すると直接的に音の到来方向が探査される。ＢＦ法の場合は、音圧の強度分布が分かるため、その音圧の最大位置の方向が音源として求められる。これらの音源探査手法はいずれも広く知られた技術であるとともに、本発明は音源探査の手法自体を問うものではなく、音源探査手法についての詳細説明は省略する。尚、以下に説明する実施形態では、ＥＩ法を採用することを念頭に置いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態としての音源探査装置を示す概略ブロック図である。

図１には、音源探査対象物体であるターゲット１０と、そのターゲット１０上の音源１１を探査してその音源１１を指し示す音源探査装置２０が示されている。音源探査装置２０による音源探査前においては、ターゲット１０上に音源１１が存在するものの、その音源１１がターゲット１０のどの位置に存在しているか分からない状況にある。

この音源探査装置２０は、音源探査プローブ３０と、音源指示器４０と、音源探査部５０と、レーザコントロール部６０と、ディスプレイ７０とを備えている。

音源探査プローブ３０は、ターゲット１０の音源１１から発せられた音を受音して受音信号を得る。この音源探査プローブ３０で得られた受音信号は、音源探査部５０に入力される。音源探査部５０は、音源探査プローブ３０から入力されてきた受音信号に基づいて音の到来方向を表わす角度データが生成される。この角度データは、１つにはディスプレイ７０に入力されて、そのディスプレイ７０上に表示される。このディスプレイ７０上への角度データの表示は、オペレータへの便宜のためであり、本発明にとっては必須の要件ではない。音源探査部５０で生成された角度データは、ディスプレイ７０に入力されることのほか、レーザコントロール部６０に入力される。レーザコントロール部６０では、入力されてきた角度データに基づいて、音源指示器４０を制御する制御信号が生成され、その制御信号が音源指示器４０に入力される。音源指示器４０は、レーザコントロール部６０から入力されてきた制御信号に基づいて、その制御信号に応じた方向にレーザビームを出射する。このレーザビームの出射方向は、そのレーザビームでターゲット１０の音源１１を照射する方向である。ここではレーザビームで音源１１を照射することを、音源１１を指し示すとも表現する。

以下、本実施形態の音源探査装置の各部の詳細を説明する。

図２は、図１に示す音源探査装置の機構部分を中心に示した図である。

この図２に示すように、音源探査プローブ３０と音源指示器４０は、同一の支持部材８０に固定されており、互いの位置関係が固定されている。より具体的には、音源探査プローブ３０は上下に延びた支持部材８０の上部に固定されており、音源指示器４０は、支持梁８１を介して支持部材８０の下部に固定されている。

そして、これら音源探査プローブ３０と音源指示器４０は、音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃと音源指示器４０のレーザビーム出射点４０Ｃがあらかじめ決められた視差Ｄだけ上下方向にのみ離れ、水平面上に投影したときは一致する点となるように、位置が調整されている。

音源探査プローブ３０は、正４面体の各頂点に対応した位置に４つのマイクロホン３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが配置されている。ＥＩ法による音の到来方向の探査では、それら４つのマイクロホン３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄを各頂点とする正４面体の重心位置における、音源１１（図１参照）からの音の到来方向が算出される。すなわち、この音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃはこの正４面体の重心位置である。

音源指示器４０は、レーザ光を発光するレーザ光源４１と、そのレーザ光源４１で発光されたレーザ光を反射してターゲット１０（図１参照）に向かわせるミラー４２を備えている。レーザ光はこのミラー４２で反射した後この音源指示器４０から出射されるため、ミラー４２におけるレーザ光の反射点がこの音源指示器４０としてのレーザ光の出射点４０Ｃとなる。

また、音源指示器４０はさらに、ミラー４２の、レーザ光の反射点が回転中心線上に存在するようにそのミラー４２を固定した第１の回転台４３と、その第１の回転台４３を回転させるための第１のモータ４４を備えている。第１の回転台４３の周面にはギア歯列が形成され、第１のモータ４４の回転軸と第１の回転台４３の周面が図示しないギアで連結されていて、第１の回転台４３は第１のモータ４４の回転に応じて回転する構成となっている。

また、レーザ光源４１、第１の回転台４３、および第１のモータ４４は、第２の回転台４５上に配置されている。ここで、レーザ光源４１は、このレーザ光源４１から発せられてミラー４２に向かうレーザ光の光路が第２の回転台４５の回転中心線と一致する位置および姿勢に配置されている。この第２の回転台４５は、２段の円盤からなる基台４９に支持されており、この基台４９にはさらに、この第２の回転台４５を回転させるための第２のモータ４６も支持されている。この第２のモータ４６の回転軸４６ａにはギア４７が固定されており、このギア４７は第２の回転台４５の周面に形成されたギア歯列と噛み合っている。この第２のモータ４６が回転すると、その回転がギア４７を介して第２の回転台４５に伝達されて第２の回転台４５が回転する。

図３は、音源探査部の構成を示したブロック図である。

音源探査プローブ３０を構成する４つのマイクロホン３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄそれぞれでの受音で得られた４つの信号は音源探査部５０のＡＤコンバータ５１で４系列のディジタル信号に変換されて、ＥＩ演算部５２に入力される。このＥＩ演算部５２では、それら４系列のディジタル信号に基づいてエンベロープインテンシティ法（ＥＩ法）のアルゴリズムに従った演算が実行され、これにより、音の到来方向が算出される。ここで算出される音の到来方向は、音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃ（図２参照）に向かってきた音の到来方向である。

このＥＩ演算部５２での演算で得られた角度データは、１つにはメモリ５３に入力されてメモリ５３に角度データの履歴が記憶される。

また、ＥＩ演算部５２で得られた角度データは、切替器５４を経由してディスプレイ７０に入力され、このディスプレイ７０上に角度データが表示される。さらに、この角度データは、切替器５４を経由して視差補正部５５にも入力される。ＥＩ演算部５２で得られる角度データは、音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃから眺めたときの音源１１(図１参照)の方向を表わすデータであり、視差補正部５５は、この角度データを受け取って、その角度データを、音源指示器４０のレーザ光出射点４０Ｃから眺めたときの音源の方向を表わす補正後角度データに変換する。入力された角度データを補正後角度データに変換するにあたっては、音源までの距離Ｄ（図５参照；後述する）の情報が必要であり、ここではオペレータによりその距離Ｄが測定されあるいは推定されて、あらかじめ入力されている。この視差補正部５５で得られた補正後角度データは、レーザコントロール部６０に入力される。

また、この音源探査部５０では、メモリ５３に記憶されている角度データをオペレータの操作に応じて読み出すことができる。

このメモリ５３から読み出された角度データは再生コントロール部５６に入力される。この再生コントロール部５６は、ある一時点の角度データを抽出して出力したり、あるいは時系列的な角度データを、メモリ５３に実際に取り込まれた時間間隔よりも長い時間間隔でゆっくりと出力したりなど、オペレータの操作に応じて角度データの再生をコントロールする役割りを担っている。この再生コントロール部５６から出力された角度データも、切替器５４を経由して視差補正部５５に入力され、補正後角度データに変換される。

図４は、視差補正部５５による視差の補正を行なわなかった場合に生じる誤差の説明図である。

ターゲット１０の音源１１から発せられた音は、音源探査プローブ３０で受音されて音源探査部５０（図３参照）でその音源１１の方向を表わす角度データが算出されるが、視差補正部５５での補正を行なう前の角度データは、音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃから眺めたときの音源１１の方向を表わすデータである。したがって、この角度データに基づいて音源指示器４０（図１，図２参照）を調整してレーザ光を出射すると、そのレーザ光は、音源１１と音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃとを結ぶ線分と平行に進み、そのレーザ光は、視差Ｙと同じ距離だけ音源１１とは異なった点を指し示す結果となり、視差Ｙがそのまま誤差となってあらわれることになる。

図５は、視差補正部による補正アルゴリズムの説明図である。

音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃと音源指示器４０からのレーザ光の出射点４０Ｃは、視差Ｙだけ離れている。また、ここでは音源１１が存在することが想定される音源想定面との間の距離をＤとしている。

視差補正部による補正前の角度データは、この図５に示すモデルでは角度θである。ここでは以下の演算式に基づいて角度θを表わす角度データが出射点４０Ｃから音源を眺めたときの角度φを表わす補正後角度データに変換される。

Ｄ・ｔａｎφ＝Ｄ・ｔａｎθ＋Ｙ
の関係があり、したがって、角度φは、
φ＝ａｔａｎ（（Ｄ・ｔａｎθ＋Ｙ）／Ｄ）
となる。

ここでは、一軸方向（上下方向）にのみ視差が存在する場合について説明したが、視差がＸ，Ｙ，Ｚの３軸ともずれている場合であっても、ここで説明した概念を各軸ごとに適用することにより、視差が補正された補正後角度データを算出することができる。

図６は、図１に示す音源探査装置２０を構成するレーザコントロール部の内部構成を示すブロック図である。

音源探査部５０の視差補正部５５（図３参照）では視差Ｙが補正された後の角度データである補正後角度データが生成され、その生成された補正後角度データがレーザコントロール部６０の角度指示部６１に入力される。この角度指示部６１は、音源探査部５０から入力されてきた補正後角度データを音源指示器４０から出射されるレーザ光の垂直方向の角度と水平方向の角度とに分けそれぞれ垂直角駆動モータドライブ６２と水平角駆動モータドライブ６３に送る。垂直角駆動モータドライブ６２は、音源指示器４０に備えられた第１のモータ４４を駆動してミラー４２を角度指示部６１から指示された垂直角度に傾ける。また、これと同様に水平角駆動モータドライブ６３は、音源指示器４０に備えられた第２のモータ４６を駆動して、レーザ光源４１、ミラー４２、第１のモータ４４の組を回転させることにより、ミラー４２を、角度指示部６１から指示された水平角度の方向にレーザ光を反射する向きに回転させる。角度指示部６１はさらに、ミラー４２の角度調整が終了した時点で、レーザドライブ６４に、レーザ光源４１によるレーザ光の発光を指示する。するとレーザ光源４１からレーザ光が発光され、そのレーザ光がミラー４２で反射され、音源１１（図１参照）に向かって進み、音源を照射することによってその音源を指し示す。

このように、本実施形態の音源探査装置２０によれば、例えばカメラの持ち込みが不可能な環境下などにおいても、音源をリアルタイムに指し示すことができる。また、本実施形態の音源探査装置２０によれば、角度データをメモリ５３に記憶しておいて、過去のある時点の音源位置を指し示したり、音源が移動する場合の音源の移動軌跡をスロー再生することも可能である。

図７は、本発明の第２実施形態の音源探査装置の概要を示す模式図である。これまで説明してきた第１実施形態の音源探査装置の構成要素に対応する構成要素には、第１実施形態の音源探査装置を表わす図面において付した符号と同一の符号を付して示し、第１実施形態との相違点について説明する。

この図７を図２と対比すると分かるように、この図７に示す第２実施形態の音源探査装置の場合、音源探査プローブ３０と音源指示器４０の双方を共通に支持する支持部材は備えられていない。すなわち、この第２実施形態の音源探査装置の場合、その音源探査の環境に応じて、音源探査プローブ３０と音源指示器４０を別々に、それぞれ適切な位置に配置することができる。ただしこの場合、音源探査プローブ３０の中心点Ｃと音源指示器４０のレーザ光出射点４０Ｃとの間の視差は、図２の場合のように一次元的に固定された距離Ｙではなくなる。

したがって、この第２実施形態の音源探査装置の場合、音源探査プローブ３０と音源指示器４０をそれぞれ適切な位置に配置した後、音源探査前に、音源探査プローブ３０の中心点３０Ｃと音源指示器４０のレーザ光出射点４０Ｃとの間の３次元的な位置関係が測定され、その測定データが、音源探査部５０の視差補正部５５（図３参照）に入力される。この場合、視差補正部５５では、３次元的なディメンションを持った視差の補正が行なわれて補正後角度データが生成される。あるいは、この第２実施形態の音源探査装置の場合、あらかじめ位置が分かっている音源から音を出力させ、その音を音源探査プローブ３０で受音して受音信号を得るとともに、音源指示器４０のミラー４２の向きを手動調整しレーザ光でその既知の音源を指し示させて、そのときの第１および第２のモータ４４，４６の回転角度を読み取る機能を持たせ、受音信号から算出された音の到来方向とレーザ光の出射方向とを対応づける演算を行うことにより、３次元的な視差の情報を得る構成としてもよい。

１０ ターゲット
１１ 音源
２０ 音源探査装置
３０ 音源探査プローブ
３０Ｃ 中心点
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ マイクロホン
４０ 音源指示器
４０Ｃ レーザビーム出射点
４１ レーザ光源
４２ ミラー
４３ 第１の回転台
４４ 第１のモータ
４５ 第２の回転台
４６ 第２のモータ
４６ａ 回転軸
４７ ギア
４９ 基台
５０ 音源探査部
５１ ＡＤコンバータ
５２ ＥＩ演算部
５３ メモリ
５４ 切替器
５５ 視差補正部
５６ 再生コントロール部
６０ レーザコントロール部
６１ 角度指示部
６２ 垂直角駆動モータドライブ
６３ 水平角駆動モータドライブ
７０ ディスプレイ
８０ 支持部材
８１ 支持梁

Claims (3)

1. 音センサを有するプローブと、
   前記音センサで受音して得た音信号に基づいて音の到来方向を探査する探査部と、
   入力されてきた制御信号に基づいて光ビームの出射方向を調整する調整機構を有し、該調整機構で調整された方向に光ビームを出射する指示器と、
   前記探査部で探査された音の到来方向を表わすデータに基づいて、前記指示器から出射された光ビームが、該到来方向の先にある音源を指し示すように前記調整機構を制御する制御信号を生成して、該制御信号を該調整機構に送る制御部とを備えたことを特徴とする音源探査装置。
2. 前記探査部が、前記プローブによる受音位置と前記指示器による光ビーム出射位置との間の幾何学的な位置関係を補正して、前記指示器の光ビーム出射位置から見たときの音源位置を求めるものであることを特徴とする請求項１記載の音源探査装置。
3. 前記探査部で時系列的に探査された、音の到来方向を表わす複数のデータを記憶しておく記憶部と、
   前記探査部で探査された音の到来方向を表わすデータと、前記記憶部に記憶された、音の到来方向を表わすデータとを切り替えて、前記制御部に入力する切替部とを備え、
   前記制御部が、前記切替部を経由して入力された、音の到来方向を表わすデータに基づく制御信号を生成するものであることを特徴とする請求項１又は２記載の音源探査装置。
   
   

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