JP2000266832A - 音源方向測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ間隔による音源の波長制限のない、ま
た精度、確度の高い音源方向測定方法と装置を実現す
る。 【解決手段】 ２つのセンサで受信した信号をＦＦＴ処
理し、位相情報を解析して、相関度の高い周波数帯域に
おいて、両信号の位相差の周波数に対する変化率から音
源方向を算出することとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音源方向測定方法
及び装置に関し、特に周波数帯域の広がりを持つ音波の
到来方向を高い信頼度で測定できる音源方向測定方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】到来する音波を解析して音源方向を測定
する音源方向測定装置は、例えば十分に離れた２点、も
しくは３点において到来する水中音の音源方向を測定す
ることにより、３角法を用いて音源の位置を特定するソ
ナー等に広く応用されており、例えば特開平２−６６４
８１号公報には移動する音源から到来する水中音のドッ
プラー効果をも併せて解析することにより、音源の位置
及び移動方向や速度を検出する目標位置検出装置等も提
案されている。

【０００３】図２は、このような従来の音源方向測定装
置の基本原理を説明する概念図であリ、間隔Ｌをおいて
設置された２つのセンサ１１、１２を用いて到来音波を
測定する。間隔Ｌに比べて音源が十分に遠い場合は、到
来音波を平面波と見なすことができるので、同位相の音
波の受信時間差μを計測することにより音速をｃとする
とき、次式にしたがって両センサ１１、１２を結ぶ線分
に対する音源方向の角度θを求めることができる。 θ＝ｃｏｓ^-1（μｃ／Ｌ）・・・（１） さらに例えば、センサ１１に対してセンサ１１、１２を
結ぶ線分と直角方向にセンサ１３を設置してセンサ１１
とセンサ１３を結ぶ線分に対する音源方向の角度を求め
ることによりセンサ平面に対する音源方向を特定するこ
とができる。また、十分に離れた２点で、同様にして音
源方向を特定することにより、両方向線の交点から音源
位置を算出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の音源方向測定装置には、次のような問題点が
あった。すなわち、同位相の音波の受信時間差μを計測
しているため、音波長をλとする時、到来音波のうちλ
／２＞Ｌ（センサ間隔）の周波数成分しか計測に利用す
ることが出来ない。このため、例えば低周波成分の多い
海中雑音を避け、高周波領域で計測するためにはセンサ
間隔Ｌを大きくとることが出来ず、このことにより計測
精度が制約されてしまう問題があった。

【０００５】また、上記制約から通常到来音波の基本波
を用いて受信時間差を計測しているが、基本波長が２Ｌ
以下の音源の測定ができず、また基本波長が２Ｌ以上で
あっても、当該周波数領域に環境雑音が多い場合に正し
い測定が出来ない等、測定可能音源周波数が制約される
問題があった。

【０００６】さらに、音源の周波数が測定可能領域にあ
る場合でも、通常到来音の基本波一波を用いて受信時間
差μを測定するため十分な確信度が得られない場合があ
った。また確信度を上げるために複数の周波数成分を利
用しようとすると上記制約を受ける他、複雑な操作を必
要とする問題点があった。

【０００７】本発明は、かかる問題点を解消し、センサ
間距離により制約されることのない、従って、所望の精
度に応じたセンサ間隔を設定することができ、音源、ま
た測定環境に応じて容易に最適の周波数帯域の到来波を
選択的に解析して音源方向を計測でき、さらに広帯域の
到来波を活用することにより確信度の高い計測結果の得
られる音源方向計測方法及び装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る音源方向測定方法は、ある音源から到
来する音波を、間隔をおいて設置された複数の音波セン
サで受信する段階と、前記複数の音波センサで受信した
前記音波の受信信号間の周波数に対する位相差変化率を
抽出する位相情報抽出段階と、この位相差変化率と前記
間隔及び音速から、前記間隔の方向と前記音波の到来方
向のなす角度を算出する段階とを備えたことを特徴とす
る。

【０００９】また、前記位相情報抽出段階は、前記受信
信号のそれぞれを周波数領域信号に変換するＦＦＴ（高
速フーリエ変換）処理段階と、この周波数領域信号間の
相関度を算出する段階と、この周波数領域信号間の位相
差を算出する段階と、この相関度が一定のしきい値以上
の周波数帯域の、前記位相差の周波数に対する変化率か
ら前記位相差変化率を抽出する段階とを備えたことを特
徴とする。

【００１０】またさらに、本発明に係る音源方向測定装
置は、間隔をおいて設置され、到来音波を時間領域電気
信号に変換する２つの音波センサと、この時間領域電気
信号のそれぞれを周波数領域信号に変換する２チャンネ
ルＦＦＴ処理部と、この周波数領域信号の相関度が一定
のしきい値以上の周波数帯域の、位相差の周波数に対す
る変化率と前記間隔及び音速から前記間隔の方向と前記
音波の到来方向のなす角度を算出する位相情報解析部と
を備えたことを特徴とする。

【００１１】従って、本発明の音源方向測定方法及び測
定装置によれば、受信波長によってセンサ間隔の制約を
受けないため、所望の精度に応じたセンサ間隔を設定す
ることができる。また、相関度を参照することにより、
音源、また測定環境に応じて容易に最適の周波数帯域の
到来波を選択することができ、広帯域の到来波を活用す
ることにより確信度の高い計測結果を得ることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明では、両センサ１１、１２
の受信時間差μによって生ずる到来音波の位相差φの周
波数による変化（周波数微分）を抽出することにより、
受信時間差μを得て、上記（１）式により音源方向を求
める。図２を参照して、同一音源から両センサ１１、１
２に到来する音波のある周波数成分の位相差φは当該周
波数をｆとするとき下式によって表される。 φ＝２πｆ・μ・・・（２） 従って（１）式より、 φ＝２πｆ・（Ｌｃｏｓθ／ｃ）・・・（３） が得られる。ここで、センサ間αと音源周波数ｆの波長
λとの比をｒとすると、その関係は下記の式で表せる。 λ＝ｃ／ｆ ｃ：水中音速（ｍ／ｓ） ｒ＝λ／α 図３はセンサ間隔Ｌ（ｍ）、音源周波数ｆの波長λとの
比ｒを、ｒ＝５．５Ｅ^-4〜３、音源方向の角度θ＝０°
〜１８０°（１０°ステップ）の範囲で、（３）式に従
って位相差φ（度）の変化を表したグラフ図で、図３に
見られるように位相差φのグラフの傾き、すなわちその
周波数微分φ’＝ｄφ／ｄｆを求めることにより、１０
°〜１７０°の範囲で十分実用的に音源方向を計測する
ことができる。

【００１３】すなわち、センサ受信信号から位相差の周
波数に対する変化率φ’が抽出できれば、次式により音
源方向の角度θを算出することができる。 θ＝ｃｏｓ^-1（ｃφ’／２πＬ）・・・（４） この位相差変化率は、例えば両センサ１１、１２の受信
信号を２チャンネルＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理
し、クロススペクトラムの位相情報を解析することによ
り、両受信信号間の相関度と共に容易に求めることがで
きる。

【００１４】以下、図面を参照して本発明の実施の形態
について説明する。図１は、本発明に係る音源方向測定
装置の一実施形態を説明するブロック図であり、間隔を
おいて設置された２つのセンサ１１及び１２と、この２
つのセンサ１１及び１２の受信信号を周波数領域信号に
変換する２チャンネルＦＦＴ部１３と、この周波数領域
信号の、相関度の高い周波数帯域の最尤位相変化率φ’
を抽出し、（４）式に従って音源方向の角度θを算出す
る位相情報解析部１４とを備えている。

【００１５】図５及び図６は本実施形態の動作を説明す
るための実測データ例であり、図４に示す環境で測定を
行った。図４を参照して、実測は、間隔Ｌ＝αｍでセン
サ１１、１２を設置した剛体をセンサ間隔α（ｍ）に対
して水深約１０α（ｍ）、実海面下約６α（ｍ）に吊下
し、送波器を音源位置１〜７の各点に吊下して、ｒ≒１
〜３のランダムノイズを送波した。図５及び図６はそれ
ぞれ、音源位置２及び６からの受信信号を２チャンネル
ＦＦＴ部１３で周波数領域信号に変換し、位相情報解析
部１４で解析して得られた位相差及び相関度の例であ
る。

【００１６】例えば、図５の位相差の周波数変化を見る
と海面反射の影響によると思われる周期的なばらつきが
見られるが、相関度を参照して十分な相関が得られるｒ
≒１〜３の帯域の位相変化率から、例えば最小二乗法等
により最尤値を推定することにより、十分に確信度の高
い位相変化率が得られることが解る。海底反射の影響を
受ける図６についても同様のことがいえる。

【００１７】位相情報解析部１４では、このようにし
て、相関度が一定のしきい値以上の周波数帯域を選定
し、位相変化率の最尤値φ’を求め、（３）式に従っ
て、音源方向とセンサ間を結ぶ線分のなす角度θを算
出、出力する。

【００１８】図４の各音源位置１〜７に付した矢印は、
このようにして測定された音源方向と、実際の音源方向
との差を摸式的に示したものである。音源入射角が鋭角
になる音源位置１、２、７では海面、海底の影響や近距
離音源からの球面波を平面波で近似していること等によ
り若干の誤差が見られるが、音源位置３〜６では十分に
正確な音源方向の角度θを得ることが出来た。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように本発明に係る音源測定
方法及び装置によれば、音源に位相変化率を検出できる
だけの帯域幅があれば、センサ間隔Ｌによる波長の制約
を受けることなく音源方向を求めることができる。一般
にソナー等の計測対象が純音源に近いことはまれである
ので従来の音源測定装置に比べ、応用性の高い音源測定
装置を得ることができる。

【００２０】また、機械雑音等のように純音に近いスパ
イク性の音源についても、その高調波等の複数のスパイ
クを解析することにより、位相変化率を求めることがで
きるので、やはり応用性の高い音源測定装置を得ること
ができる。

【００２１】また、（３）式の示すようにセンサ間隔Ｌ
を広げることにより、位相差φの解像度を高めることが
できるので、従来の音源測定装置に比べ精度の高い測定
が可能となる。

【００２２】またさらに、相関度を参照することによ
り、雑音の多い周波数帯を除外して、有意な広帯域での
位相差情報から最尤位相変化率を求めることができるの
で確度の高い測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る音源方向測定装置の一実施形態を
説明するブロック図である。

【図２】音源方向測定の原理を説明する概念図である。

【図３】周波数による位相差の変化を表したグラフ図で
ある。

【図４】図１の音源方向測定装置による実測例を説明す
る摸式図である。

【図５】図４の音源位置２からの受信信号の位相差、相
関度の実測例を示すグラフ図である。

【図６】図４の音源位置６からの受信信号の位相差、相
関度の実測例を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１〜７ 音源位置 １１、１２ センサ １４ ２チャンネルＦＦＴ １５ 位相情報解析部

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月２６日（１９９９．１１．
２６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石前 浩蔵 神奈川県横浜市港北区新吉田町781番地 ジェイ・アール・シー特機株式会社内 Ｆターム(参考） 5J083 AA05 AB12 AC17 AC32 AD18 AE07 AF01 BE07 BE39 BE43 CA07

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ある音源から到来する音波を、間隔をお
   いて設置された複数の音波センサで受信する段階と、 前記複数の音波センサで受信した前記音波の受信信号間
   の周波数に対する位相差変化率を抽出する位相情報抽出
   段階と、 この位相差変化率と前記間隔及び音速から、前記間隔の
   方向と前記音波の到来方向のなす角度を算出する段階と
   を備えたことを特徴とする音源方向測定方法。
2. 【請求項２】 前記位相情報抽出段階は、 前記受信信号のそれぞれを周波数領域信号に変換するＦ
   ＦＴ（高速フーリエ変換）処理段階と、 この周波数領域信号間の相関度を算出する段階と、 この周波数領域信号間の位相差を算出する段階と、 この相関度が一定のしきい値以上の周波数帯域の、前記
   位相差の周波数に対する変化率から前記位相差変化率を
   抽出する段階とを備えたことを特徴とする請求項１に記
   載の音源方向測定方法。
3. 【請求項３】 間隔をおいて設置され、到来音波を時間
   領域電気信号に変換する２つの音波センサと、 この時間領域電気信号のそれぞれを周波数領域信号に変
   換する２チャンネルＦＦＴ処理部と、 この周波数領域信号の相関度が一定のしきい値以上の周
   波数帯域の、位相差の周波数に対する変化率と前記間隔
   及び音速から前記間隔の方向と前記音波の到来方向のな
   す角度を算出する位相情報解析部とを備えたことを特徴
   とする音源方向測定装置。