全方位音源探査システム Noise Vision について

技術部 高島 和博

1. はじめに

デフレ・・・といわれてかなりの日数が経ちます。暗い話ばかりが目立ちますが、自動車・精密機器などの産業分野では過去の最高利益を更新する企業が多くあるようです。 また、拙宅から比較的に近くにあるテーマパークに久しぶりに行ってみたところ、そこは親子連れで溢れかえっていました。そう、不況なんか無関係のように見える企業が世間にはいくつもあるのです。

いわゆる「勝ち組」と言われる彼らが抜きん出ている点の一つが、製品開発のスピードです。自動車産業をはじめとするワールドワイドな市場を指向する産業では、 製品の開発・製造に関わる時間を大幅に短縮することが国際競争力をつける上で不可欠な条件となってきているのです。スピードを上げる、すなわち工数を抑え、 人件費を削減することがコスト的にも事業展開上有利になることは明らかです。製品の付加価値を決定する要因の一つである騒音・振動問題にもそのコンセプトは求められており、 品質上問題となっている部位をすばやく特定し、効果的な対策を打ち出すことが求められています。例えば、試作品のテストの段階で騒音が問題となるようなサンプルが出てきた場合、 その音の発生源は的確に突き止められ、最終的な製品の製造工程では問題はクリアされていなければなりません。また、製品の出荷検査で不快な音を発する製品を確実にピックアップし、 市場に流通することを未然に防止するといったことも重要です。これらの工程にも、今まで以上のスピードが求められています。

今回ご紹介する「Noise Vision」という製品の開発コンセプトの一つが「スピード」です。Noise Visionは制約の多い、厳しい現場で、 通常の音響測定の手間を大幅に短縮することを目標の一つとして開発した製品です。本稿では、このNoise Visionのコンセプト・特徴と、いくつかの適用事例についてご紹介いたします。

2. Noise Vision前夜

Noise Visionとは・・・というお話をする前に、この製品を開発してきた背景について少しご紹介したいと思います。
まず、「騒音」について一般的に考えて見ましょう。日本音響学会編「音響用語辞典」には「騒音」という言葉について次のように定義しています。

「望ましくない音。例えば音声、音楽などの聴取を妨害したり、生活に障害、苦痛を与えたりする音」

騒音は、そのまま放置しておくと人間に生理的にも精神的にも悪影響を与えます。 したがって人間が受容するときに問題のないところまで何らかの手段で押さえ込む必要があります。この行為を広い意味で「騒音対策」と呼んでいます。
騒音対策のためには、さまざまな手段が取られます。航空機騒音を例として考えてみましょう。

まず最初に取るべき対策は、もともとの騒音発生レベル、すなわち音響パワーレベルを下げること、すなわち騒音源対策です。 ジェットエンジンの低騒音化、空港でのエンジン試運転の規制といったことがこれに該当します。騒音源対策で手に負えない場合、 続いて取られる対策が運行方式の改良や空港施設の計画・改良といった対策です。これには、夜間の離発着を制限する、 空港を住民の生活圏から切り離し海上に設置する・・・といった対策が該当します。さらに、上記の2つの対策を行った上でも、 生活上支障が出る騒音が住民の生活圏で存在する場合には、最後の手段として人間の生活に一番近いところで対策を行います。これは、「空港周辺対策」とも呼ばれ、 学校などの防音工事、住宅の防音工事などがこれに該当します。

さて、この例では3パターンの騒音対策を見てきましたが、この中でどれが一番有効なのでしょうか?答えるのは非常に難しいと思いますが、 乱暴な言い方をすれば、もともと航空機が音を出さなければよい・・・という観点から考えると、騒音源対策と言えるのではないかと思います。 他の二つは騒音源対策が完璧に行われれば不要になると考えられます。

ちょっと現実離れした話になりましたが、さまざまな騒音対策を必要とされる分野において、騒音源対策は不可欠と言っても過言ではありません。 続いて考えてみたいのが、騒音源対策を実施するうえで必要な技術は何か・・・という点です。先ほどのジェットエンジンの例を持ち出すまでもなく、 最も重要なのは、「ここを対策すれば静かになる」というポイントを見つけ出すことです。また、音源が複数考えられる場合は、 それぞれの音源からの寄与をできるだけ分離して評価することも必要です。これらの技術を総合して、私達は「音源探査」と呼んでいます。

「音源探査」、すなわち音がどこから放射されているかを調べることは、これまでも私達にとって重要なテーマの一つでした。 オーディオ機器のスピーカのように、明らかに音が出ている場所が分かるものなら簡単ですが、騒音低減を商品の付加価値と位置づけているようなものに関しては、 どの部位から音が放射されているのかは一見分からないものがほとんどです。例えば自動車の走行中に、エンジンの音が車室内のどの部位から聞こえてくるか、 言い当てられる人はほとんどいないはずです。
この「音源探査」ですが、これまでも私共はさまざまな形でトライしてきました。

一つは、過去に技術ニュースにも紹介させていただいた「64チャンネル計測システム」に音響ホログラフィというテクニックを組み合わせて、 走行中の自動車の車外騒音の発生部位を探査するシステムです。この方法ではマイクロホンを空間に碁盤の目のようにメッシュ状配置し(ここでは平面マイクロホンアレイと呼びます)、 複数のマイクロホンに到達する音のレベル差・位相差の情報を利用して音源探査を行います。

平面マイクロホンアレイを用いた車外騒音音源探査システム
図-1 平面マイクロホンアレイを用いた車外騒音音源探査システム

このシステムは、移動する音源にも対応でき、利用価値も十分ある方法なのですが欠点も多くありました。 大きな問題の一つは平面マイクロホンアレイを用いたシステム全般に言えることですが、音源の位置は平面マイクロホンアレイの前方に限られるということです。 平面マイクロホンアレイの後方から到来する音に対しては、平面マイクロホンアレイの前方から到来する音との区別が一切つきません。また、 アレイの側方から到来する音に対しては、正面から到来する音に比べて分解能が非常に悪くなります。このような性質のため、 この種のマイクロホンアレイを一般の室内などに持ち込む場合は、平面マイクロホンアレイの後方からの音を何らかの形でブロックするなど、十分な注意が必要でした。 また、実用上の問題として、平面の角度が想定していた角度からずれていると、測定結果ではそのまま誤差となります。 従って平面アレイの設置には十分な注意が必要でセッティングはどうしても時間がかかります。「スピード」という観点から考えると多くの問題がありました。

代表的なもののもう一つは、マイクロホン移動装置MTシリーズと組み合わせて使用する音響インテンシティ計測システムです。

車室内での音響インテンシティ計測の例
図-2 車室内での音響インテンシティ計測の例

音響インテンシティの測定では、センサー部分を通過する音響エネルギーの方向と強さを測定します。 その結果、測定した各点で音響エネルギーの流れを表すベクトル(矢印)が描けます。 基本的にはこの矢印の根元の方向を辿って行けば、音源にたどり着くというシンプルな原理で音源探査を行います。

この方法は、平面マイクロホンアレイがが苦手としていた室内空間でも十分適用できますが、問題も多くあります。一つは、 上記平面マイクロホンアレイのようにメッシュ状に音響インテンシティのセンサーを配置することがコスト的な観点からも容易ではないことです。 従って複数の点で測定を行う場合には、センサーの位置を逐次移動させて測定します。その結果、定常的に出ている音ならば問題ないのですが、 突発的に出る音に対しては適用が難しいというのが現状です。
さらに音響インテンシティの性質上、一点の音響インテンシティベクトルの情報を元に音源探査を行うのは現実的に非常に難しいため、 かなり広範囲をメッシュ状に測定する場合がほとんどです。従って測定自体に非常に時間がかかります。
ここでも「スピード」という観点からは合格点とは言えない状況です。

これらのシステムの問題点を列挙すると、次のようになります。

スピード - speed

セッティング、測定、解析。上記の方法はいずれもどこかにボトルネックがあります。
業務としてシステマチックに音源探査を行うためには、解決しなければならない問題です。

方向 - direction

音の到来方向を仮定せず、室内でも利用できるものが求められます。

サイズ - size

スピードとも関係しますが、小さな空間に持ち込めるコンパクトで軽量なものが求められます。

イメージ - image

音が発生している方向に何があるのか、何から音が発生しているのか。 これがすぐにはっきりしないと騒音対策までのスピードの足を引っ張ります。 より明確に、音源と思われる位置に何が存在するのかを示すインターフェイスが必要です。

一言でいうと、Noise Visionはこれまでに抱えていた上記の問題点を解決することを目標にして開発した音源探査システムです。

3. 全方位音源探査システム Noise Vision の概要

Noise Visionは、次の大きな特徴を持っています。

1. 球バッフルマイクロホンを採用し、すべての方向に対する音源探査を実現

Noise Visionのセンサーは、球バッフルマイクロホンと呼ばれる球の表面に配置したマイクロホンアレイです。
球は幾何学的に考えると、球の中心に対して特定の方向に何らかの重み付けをする形ではありません。つまりどの方向についても平等な形をしているのです。
この特徴を生かし、球を取り囲むすべての方向から到来する音に対して音源探査を行うことができるシステムNoise Visionを作り上げました。

Noise Vision システム
図-3 Noise Vision システム

写真のシステムでは、球の半径は260mmで表面に16個のマイクロホンを配しています。それぞれのマイクロホンで得られた音圧レベル差、 位相差の情報を最大限利用し音源探査の計算を行います。このセンサーを使って十分な精度で音源探査できるのは、200Hz弱~3000Hz弱程度になります。 現在、適用可能な周波数範囲を広げるための改良をハードウェア、ソフトウェアに渡り行っています。

2. 球表面に12個のCCDカメラを配置

これまで音の測定システムといえば、センサーはマイクロホンのみで構成されるものがほとんどでした。これに対してNoise Visionは球表面にCCDカメラを配置。 音源探査した結果と該当する方向の写真を重ねて表示します。問題となる場所、つまり音が放射されている場所を写真上で的確に発見できるのです。(図4)

球バッフルマイクロホンに内臓されたカメラと写真と合成された音源探査解析例
図-4 球バッフルマイクロホンに内臓されたカメラと写真と合成された音源探査解析例

さらにこのカメラにはもう一つ大きな役割があります。センサーを設置した時点で写真を撮り、音源探査結果に重ねて表示するということは、 座標がカメラを基準に決定されるということに相当します。球というセンサー形状と相まって、カメラを内蔵することにより、 これまではシビアな調整が必要であったセッティング作業が大幅に短縮されるのです。

3. コンパクトなハードウェア構成

Noise Visionは図3の4点の部品で構成されます。ノートパソコンと比べてみると、そのコンパクトさがお分かりいただけると思います。 センサー部分にしても、重さは10kgに満たず、大人一人で容易に設置することができます。

4. 使いやすいアプリケーションソフトウェア。スピードと精度を両立した音源探査アルゴリズム

Noise Visionは使い勝手にも十分な注意を払いました。音声データ及び写真の収録・確認を容易にする「Noise Vision収録システム」。 さらに、球バッフルマイクロホン用にカスタマイズした音源探査アルゴリズムの特徴を最大限に生かす「Noise Vision解析システム」。
開発のキーワードの一つである「スピード」にも十分な注意を払い、結果を出力するまでの時間を大幅に短縮しています。 データの収録から簡単な音源探査の分析まで、対象にもよりますが数分である程度の結果を得ることができます。

4. Noise Visionの利用分野について

これまでの音源探査システムにはない特徴を多く備えているNoise Visionですが、次のような用途に対して特に有効です。

  1. 小空間内での音源探査

    近年、特に高級車ではエンジンがかかっているのかどうかも判らないような静かな車が出現してきました。自動車騒音の場合、 様々な原因で発生した音が、これまた様々な部位を伝わって車室内に伝播してきます。
    自動車の車内騒音の場合、現象は次の4つに大別できます。

    A)エンジン音

    エンジンの回転数に同期した振動や音が、エンジンマウントや防音処理を行っている部分から車室内に伝播してくる成分です。 細かく分けると、エンジン自体から発生する振動・音に起因するものと、吸気系・排気系システムに起因するものに分けられます。

    B)ギアノイズ

    トランスミッション(変速機)で発生する成分です。エンジン回転数とは同期せず、純音成分に近い場合もあるため耳につくことがあります。

    C)ロードノイズ

    路面上とタイヤの接触が原因で発生する成分です。伝播経路は、サスペンションを通じて伝播してくる振動成分と、 空気伝播で車室内に到達する成分の2種類に大別できます。

    D)風騒音(風音)

    車は高速で移動するため、空力特性を考慮したデザインがなされています。しかし一般的に、ドアミラーやワイパーなどは、空気のスムーズな流れを妨げるため、 空気の流れに渦が生じ、風騒音が発生します。これがシールの弱い部分などを通じて車室内に伝播してきます。

    騒音対策を行うにあたり、音源から受音点までの経路のうち、どの部位で対策を行うかが問題になるのですが、対策に先駆けてまず把握すべきことは、 どの部分からどの程度のレベルの音が車室内に放射されているかという点です。これを知ることで、騒音対策の大きな手がかりを得ることができます。
    自動車の場合、特にある程度騒音対策が実施された後の車では、車内で人が入って聴取してもどこが音源になっているかわからない場合が多くあります。 また、音源の方向を仮定しにくいことも特徴の一つです。このような状況では、Noise Visionが大きな力を発揮します。

    写真は、Noise Visionを助手席に設置し、100km/hで高速道路を実走行した場合の音源探査結果です。1600Hzの1/3オクターブバンドを解析した結果では、 ドアミラー付近で生じた風切音が音源として観測されている様子がわかります。

    走行中の自動車の車室内音源探査例走行中の自動車の車室内音源探査例
    走行中の自動車の車室内音源探査例図-5 走行中の自動車の車室内音源探査例
    (1600Hz、1/3オクターブバンド)

    この例では、実走行中の車内騒音を対象にしていますが、本システムは突発的に発生し、クレームの原因にもなりやすい異音などの探査にも利用できます。
    さらにこの手法は自動車に限らず、航空機や電車など、小空間で静粛性を要求される場合には強力な手段になります。

  2. 屋外騒音の音源探査

    屋外騒音の場合でも、その音の発生箇所を的確に判断し、対策を施さなければならないことには変わりはありません。
    ここに示す例は、鉄橋を通過する列車の騒音源の探査を行ったものです。電車が通過している際の鉄橋は、 どの場所からも満遍なく音が放射されているわけではありません。このような場合でも、評価点に寄与する「最大の音源となっている場所」を探し出し、 対策することで評価点での騒音レベルの低減が効率的に狙えるのです。

    この測定では、鉄橋から20m程度離れた場所にNoise Visionシステムを設置し、鉄橋を列車が通過する際の音源探査を行いました。 125Hz・1/1オクターブバンドの解析結果では、「ゴトン」という低周波音が鉄橋の下部から放射され、左手との堤防の間でこもっている様子がわかります。 2000Hz・1/1オクターブバンドの結果では、レールの継ぎ目から発生する耳障りな音が探査できています。

    鉄橋を通過する電車に対する音源探査例 125Hz鉄橋を通過する電車に対する音源探査例 2000Hz
    図-6 鉄橋を通過する電車に対する音源探査例
    (左:125Hz 1/1オクターブバンド、右:2000Hz 1/1オクターブバンド)

    余談ですが、私どものWEBサイトで、電車騒音の音源探査結果をアニメーション解析した事例がご覧いただけます。 紙面では表現できませんが、Noise Visionは時間的に変化する騒音源に対しても有効であることがご覧いただけます。 [http:/system/nsvision.html]

  3. 一般の室内での音源探査

    室内においても音の発生源を特定したい場合が多くあります。例えば最近、テレビの報道などではマンションなどで発生する異音が採り上げられています。 夜中に不思議な音が聞こえて困っておられる方が多くいらっしゃるようです。この技術ニュースでもこの異音の測定について採り上げたことがありますが、 いつ発生するか予測しにくく、原因も不明なことが多いため(予測できて、原因がはっきりしていれば「異音」なんて言葉はないでしょうが・・・)、 計測するにしても大変な労力を必要とします。このような状況でもNoise Visionを用いた計測で発生している音の到来方向を把握できれば、有効な対策のための手がかりをつかむことができます。

    話は変わりますが、次の例は航空機騒音に対して、一般の家屋でどのような部分が室内に対して仮想的な音源になるかを測定したものです。 先にも触れましたが航空機騒音は深刻な騒音問題の一つで、空港の近辺で騒音の影響が大きいエリアの住宅には、空港公団などから防音工事の助成があります。 その大きな柱の一つが、防音サッシの施工助成です。ただし、防音サッシを施工することで室内が本当に静かになっているか確かめる必要があります。

    家屋内での設置例
    図-7 家屋内での設置例

    つまり、防音サッシを施工することで、その性能が十分に発揮され、室内が十分に静かになっているかを検証する必要が生じるのです。 これまでの測定方法では、仮想的な音源と思しき部分に対して集中的に測定を行い、音のモレのようなものを直接的に発見するようなプロセスを取っていました。 この方法では、過渡的に通過する航空機に対して、マイクロホンを動かしながら測定を行うわけにもいきませんので、膨大なマイクロホンを怪しいと思われるエリアに設置する必要があります。 このような測定では、設置に膨大な手間がかかり、スピードの点から必ずしも満足できるパフォーマンスは得られませんでした。

    そこで今回、航空機の騒音に対してNoise Visionシステムを室内に設置し、音源探査を行ってみた例が図8です。航空機騒音の卓越周波数である、 250Hz 1/1オクターブバンド、2000Hz 1/1オクターブバンドを対象に解析を行いました。250Hzの結果では、防音サッシよりも、廊下が音源となっている様子がわかります。 これは、対象とした家屋が古い日本家屋であり、廊下部分は板一枚で構成されているためです。すなわち、防音サッシと比べて極端に遮音性能が低い床が室内に対して音源になっているのです。 Noise Visionでは、写真と音源探査結果を重ねて表示するため、このように弱点箇所をはっきりと把握することができます。2000Hzの結果では、 防音サッシの下枠部分が音源となっている様子がわかります。実はこの防音サッシは施工されてからかなりの年数が経過しているため、サッシの下枠部分に隙間が生じ、 高周波の音はそこから室内に漏れているのです。
    Noise Visionは一度の測定で、周波数ごとに音源強度分布の結果を導き出せますので、このような用途には最適です。



    図-8 航空機騒音に対する家屋内での音源探査例
    (左:250Hz 1/1オクターブバンド、右:2000Hz 1/1オクターブバンド)
    上段:斜め上のカメラ、中段:正面のカメラ、下段:斜め下のカメラの画像をそれぞれ表示

5. おわりに

今回は、Noise Visionの手始めのご紹介としてNoise Visionの開発背景、システムの特徴、それにいくつかの適用事例についてご紹介させていただきました。 Noise Visionはまだ誕生して間もない製品です。ぜひ、興味をもたれた方はお気軽にお問い合わせください。実際に使用を想定される現場でデモンストレーションさせていただくことも可能です。 Noise Visionの性能向上を目指した改良は、今後も継続していく所存です。皆様のご要望を吸収して、より使いやすく、皆様にとってより強力なツールとなる製品にしていきたいと考えております。 今後の技術ニュースでも、この手法を使った事例についてご紹介させていただく機会を作りたいと思います。

おすすめの記事

■ 製品サービス