計測機器システム構成例・活用事例

日本音響学会 技術開発賞受賞
4ch ビームフォーミング 音源可視化システム
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近年の音場の可視化技術の発展には目覚しいものがあります。従来から行われてきた、音圧レベル測定によるコンターマップや音響インテンシティを用いたベクトルマップに加え、多チャンネルのマイクロホンアレイを用いた音響ホログラフィ法やビームフォーミング法により、今までは難しかった音の可視化を高精度かつ迅速に行うことができるようになってきました。

ここで紹介するシステムは、ビームフォーミング法（以降、BF 法）による音の可視化システムです。

これまでのシステムの多くは、測定現場での時間波形収録後に、後処理にて詳細解析を行い、カメラの動画と音圧分布を合わせることで、直感的に音源位置を把握するという方法が主流でした。しかしリアルタイム処理における動画表示は　1  fps 〜 6 fps が標準的なスピードで、特に過渡音や移動音源については、現場で直ぐに解析結果を確認するには至らない場合がほとんどでした。そこで、今回ご紹介する BF 法可視化システムでは、リアルタイム性を重視し、BF 法に関わる信号処理や動画処理を担う FPGA （Field Programmable Gate Array）を内蔵したデータレコーダーを利用したシステムを構築し、25 fps（40 ms 間隔） の処理速度を実現しました。

オートバイのエンジン部分を覆うように 10 ×10 のマイクロホンアレイを設置しています。また、屋外で測定するにあたり、各マイクロホンには防風スクリーンを装着しました。近接場とするため、各マイクロホン間隔を10 cmとし、オートバイとの距離を最近接部分で 8 cmとしました。エンジン回転速度は 3000 回転で固定し10秒間の時間データを測定しています。

計測用マイクロホンは無指向性ですが、その計測用マイクロホンを平面状に多数配置（マイクロホンアレイ）し、測定したデータを 遅延加算処理することで、全体としては指向性マイクロホンになります。
当社では、計測したデータの位相を制御することにより指向性をコントロールして音圧マップを作成します。

例えば、ビームフォーミング法の概念は、マイクロホンアレイフレームの正面から音が入射する場合、各マイクロホンにおける音圧信号はほぼ同相ですので、これらを加算すると大きな信号になり ます。一方、斜めから入射した場合は、各マイクロホンへ到達する時間に差が生じ、これらを加算するとお互いに打ち消しあって、信号が小さくなります。 この様に加算演算することにより指向性マイクロホンになります。

※ビデオ動画の速度は実際より遅くしています。また、音はカットしています。