音響カメラ

音響カメラ（またはノイズカメラ）は、音源の位置を特定し、その特徴を判別するために使用される画像装置です。これは、マイクアレイとも呼ばれるマイクロフォンのグループで構成されており、そこから同時に信号が収集され、処理されて音源の位置が表現されます。

用語

音響カメラという用語は、19世紀末に初めて登場しました。生理学者のJRエヴァルト^[1]は、内耳の機能を研究していて、クラドニプレート（現在ではサイマティクスと呼ばれる分野）との類似性を提示しました。これは、プレートの振動モードを視覚的に確認できる装置です。彼はこの装置を音響カメラと呼びました。この用語は、20世紀を通じて^[2]^[3]^{[4]、水中位置特定システム}^[5]や医療で使用されるアクティブシステムなど、さまざまなタイプの音響装置を指すために広く使用されるようになりました。 ^{[6]現在では、特に}光学カメラと組み合わせた場合、音源（媒体は通常空気）の位置を特定するために使用されるトランスデューサーアレイを指します。

テクノロジー

一般原則

音響カメラは、一般的に、マイクアレイとオプションで光学カメラで構成されます。アナログまたはデジタルのマイクは、信号間の位相差を使用できるように、同時に取得されるか、または既知の相対時間遅延で取得されます。音が媒体 (空気、水など) 内を有限の既知の速度で伝播すると、音源はマイクによって異なる時点と異なる音の強度で認識されます。この音の強度は、音源の位置とマイクの位置の両方に依存します。マイクの測定から音響画像を取得する一般的な方法の 1 つは、ビームフォーミングを使用することです。各マイク信号を相対的に遅延させて追加することで、特定の方向から来る信号が増幅され、他の方向から来る信号はキャンセルされます。この結果の信号のパワーが計算され、方向に対応するピクセルのパワーマップに報告されます。このプロセスは、パワーを計算する必要がある各方向で繰り返されます。 $\left(\theta _{0},\phi _{0}\right)$ $\left(\theta _{0},\phi _{0}\right)$

この方法には多くの利点があります。堅牢で、理解しやすく、並列化が可能（各方向を独立して計算できるため）、用途が広く（多くの種類のビームフォーマーが存在）、比較的高速です。ただし、相関のある音源を正しくモデル化せず、生成された音響マップにアーティファクト（サイドローブまたはゴーストソースとも呼ばれる）が含まれるという欠点もあります。DAMAS ^{[7]などのアーティファクトを軽減するさまざまな方法や、CLEAN-SC}^[8]などの相関のある音源を考慮するさまざまな方法が導入されていますが、どちらも計算コストが高くなります。

音源が音響カメラの近くにある場合、異なるマイクによって知覚される相対的な強度と、音響カメラによって波が平面ではなく球状として認識されることで、音源がカメラから遠い場合と比較して新しい情報が追加されます。これにより、音響ホログラフィーなどのより効果的な方法を使用できるようになります。

再投影

遠距離場ビームフォーミングの結果は、平面または非平面の表面に再投影できます。

2次元

一部の音響カメラは、一方向のマイクロフォンアレイ（例えば、同じ方向を向いた長方形のマイクロフォン）を使用する2次元音響マッピングを使用しています。2次元音響マッピングは、検査対象の表面が平面で、音響カメラをその表面に対して垂直に設置できる場合に最適です。しかし、現実世界の物体の表面は平坦ではないことが多く、音響カメラを常に最適な位置に配置できるとは限りません。^[9]

さらに、音響マッピングの2次元法では、ある点における音の強さの計算に誤差が生じます。2次元マッピングでは、3次元の表面を平面に近似するため、各マイクと焦点点の間の距離を比較的簡単に計算できます。ただし、この近似では、異なる点で表面の深さが異なるために生じる距離の違いが無視されます。音響カメラのほとんどの用途では、この誤差は無視できるほど小さいですが、限られた空間では誤差が大きくなります。^[9]

3次元

3 次元音響カメラは、表面の深さを考慮して 2 次元カメラの誤差を修正し、マイクと各空間点の間の距離を正確に測定します。これらのカメラはより正確な画像を生成しますが、分析対象のオブジェクトまたは空間の 3 次元モデルが必要です。さらに、音響カメラがモデルの一部ではない空間の点から音を拾うと、その音がモデル内のランダムな空間にマッピングされるか、音がまったく表示されない可能性があります。3 次元音響カメラは、室内などの限られた空間の分析にも使用できますが、これを行うには、全方向性のマイクアレイ (たとえば、それぞれが異なる方向を向いた球状のマイク) が必要です。これは、3 次元モデルを持つという最初の要件に加えて必要です。^[9]

アプリケーション

音響カメラには多くの用途がありますが、そのほとんどは騒音低減に重点を置いています。このカメラは、車両（自動車、飛行機^{[10]など）、電車、風力タービン}^[11]などの構造物、採掘^[12]や掘削などの重機操作の騒音放出を改善するために頻繁に使用されています。

音響カメラは、製品の外部放出を測定するだけでなく、自動車、^[9]、電車、飛行機の客室内の快適性を向上させるためにも使用されます。球面音響カメラは、マイクの3次元配置により全方向の音源を特定できるため、この種のアプリケーションに適しています。

機械や機械部品に発生する障害のトラブルシューティングは、音響カメラで行うことができます。問題がどこにあるかを見つけるために、正常に機能している機械の音響マッピングと、機能不全の機械の音響マッピングを比較することができます。

音響カメラの同様のセットアップは、列車の運行中に客車内の騒音を調査するために使用できます。あるいは、カメラを線路近くの屋外に設置して、通過する列車を観察することもできます。これにより、列車内で聞こえる騒音を別の視点から観察できます。さらに、屋外のセットアップを使用して、線路のカーブによって発生する列車の車輪のきしみ音を調べることもできます。

音響カメラは、人や自動車による騒音公害の法的取り締まりに役立てられるかもしれない。疫学者のエリカ・ウォーカーは、これは騒音問題に対する「怠惰な」解決策だと述べ、音響カメラが少数民族の居住地区の過剰な取り締まりに使用される可能性があると懸念を表明した。^[13]

課題

ダイナミックレンジ

イメージングプレーンの有効ダイナミックレンジは、対象領域内で達成可能な最大コントラストとして解釈できます。音響カメラのダイナミックレンジに関連する固有の課題は、音の波長とアレイのサイズに依存することです。これらの物理的な制約は、複数の低周波音源を解像することを目指す遠距離音響カメラにとって困難をもたらします。低周波の問題に対処するには、アパーチャサイズをかなり大きくする必要があるため、この周波数範囲内では決定的ではない、または決定的ではない結果になることがよくあります。これは、特に低周波音を含むアプリケーションにおいて、音響カメラのダイナミックレンジを拡張する際に直面する固有の課題を強調しています。

遠距離場における低周波

遠距離音響カメラで特定できる最低周波数は、主にアレイの開口部（最大寸法）のサイズによって決まります。低周波の問題、特に 300 Hz 未満の問題を扱う場合、効果的な音源特定には大きなアレイサイズが必要になるため、課題が生じます。代わりに、スタンドアロンまたはアレイ構成の音響ベクトルセンサーや近距離音響カメラなど、非定常の問題に対処するための貴重なツールとして機能する効果的なソリューションがいくつかあります。一方、音響強度プローブや粒子速度プローブを使用した直接音響マッピングを採用する方法は、時間的に定常な音源を識別して視覚化するための堅牢な代替手段となります。^[14]

計算能力

音響カメラに必要な信号処理は非常に集中的であり、強力なハードウェアと十分なメモリストレージが必要です。このため、信号処理はデータの記録後に行われることが多く、たまにしか発生しない音やさまざまな場所で発生する音の分析にカメラを使用することが妨げられたり、不可能になったりする可能性があります。リアルタイムで信号処理を行うカメラは、サイズが大きく高価になる傾向があります。ハードウェアと信号処理の改善は、これらの困難を克服するのに役立ちます。信号処理の最適化は、多くの場合、計算の複雑さ、ストレージ要件、およびメモリ帯域幅（データ消費率）の削減に重点を置いています。^[15]

参考文献

^ エワルド、JR (1898)。ウィーンクリニックヴォッヘンシュリフト。11：721。{{cite journal}}: CS1 maint: 無題の定期刊行物 (リンク)
^ Whitman, RL; Ahmed, M.; Korpel, A. (1972). 「レーザースキャン音響カメラの進捗報告」.音響ホログラフィー. 20. Springer US: 11–32. doi :10.1007/978-1-4615-8213-7_2. ISBN 978-1-4615-8215-1。
^ 米国特許 3895340、「音響カメラ装置」
^ Hansen, Rolf Kahrs; Andersen, Poul Arndt (1993). 「水中画像撮影のための 3D 音響カメラ」.音響画像. 20. Springer US: 723–727. doi :10.1007/978-1-4615-2958-3_98. ISBN 978-1-4613-6286-9。
^ Haslett, RWG; Pearce, G.; Welsh, AW; Hussey, K. (1966). 「水中音響カメラ」. Acta Acustica United with Acustica . 17, 4 . S. Hirzel Verlag: 187–203.
^ Maginness, MG; Plummer, JD; Meindl, JD (1974). 「送信受信アレイを使用した音響画像センサー」。音響ホログラフィー。 Springer US: 619–631. doi :10.1007/978-1-4757-0827-1_36. ISBN 978-1-4757-0829-5。
^ Brooks, Thomas F.; Humphreys, William M. (2004)。「音響源のマッピングのためのデコンボリューションアプローチ」。NASA発明開示。LAR-16907-1。NASA ラングレー研究。
^ Sijtsma, P. (2007). 「空間音源コヒーレンスに基づくCLEAN」. International Journal of Aeroacoustics . 6 (4): 357–374. doi :10.1260/147547207783359459. S2CID 122396368.
^ abcd Meyer, Andy、Döbler, Dirk。「3D マイクアレイを使用した車内騒音源の特定」BeBeC 会議録 (2006)。
^ Leon, Brusniak; Underbrink, James R.; Stoker , Robert W. (2006). 「大口径フェーズドアレイを使用した航空機騒音源の音響イメージング」AIAA/CEAS 航空音響会議12。
^ Gwang-Se, Lee; Cheong, Cheolung; Shin, Su-Hyun; Jung, Sung-Soo (2012). 「ピッチおよび失速制御風力タービンの騒音源の位置特定と識別のケーススタディ」。応用音響学。73 8 : 817–827。
^ Oberholster, Abrie J. 「鉱業業界の問題の解決」。Siemens Digital Industries Software。プレトリア大学。 2021年11月12日閲覧。
^ Demopoulos A (2023年10月4日). 「警笛を鳴らせ！騒音カメラは『潜在的に致命的な』騒音公害を軽減できるか？」。ガーディアン。
^ 音源定位ソリューション
^ Zimmermann, B.; Studer, C.、「FPGA ベースのリアルタイム音響カメラプロトタイプ」、Circuits and Systems (ISCAS)、2010 IEEE 国際シンポジウムの議事録、vol.、no.、pp.1419、1419、2010 年 5 月 30 日 - 2010 年 6 月 2 日

さらに読む

Abrie J.、Oberholster。「音源を効率的に特定する」、プレトリア大学論文 2021 年。

外部リンク

http://blog.prosig.com/2010/03/15/comparison-between-sound-intensity-probes-and-acoustic-cameras/

メーカーリンク

https://www.sonavu.com
https://precisereliability.com/product/sdt-sonavu/
https://www.cae-systems.de/en/
https://www.sevenbel.com/ja
https://www.sorama.eu/
https://www.acoustic-camera.com/
https://www.distran.ch/
https://www.fluke.com/en-us/product/industrial-imaging/sonic-industrial-imager-ii900
https://nlacoustics.com/
https://web2.norsonic.com/product-cat/acoustic-camera/
https://www.plm.automation.siemens.com/global/en/products/simcenter/simcenter-sound-camera.html
http://www.signalinterface.com/index.html
http://smins.co.kr/en/
https://www.microflown.com/products/sound-localization-systems/near-field-acoustic-camera
https://www.bksv.com/
https://acsoft.co.uk/product/acoustic-camera/
https://www.flir.com/products/si124/
サウンドカム

[first_acoustic_camera-1] エワルド、JR (1898)。ウィーンクリニックヴォッヘンシュリフト。11：721。{{cite journal}}: CS1 maint: 無題の定期刊行物 (リンク)

[laser_scanned_ac-2] Whitman, RL; Ahmed, M.; Korpel, A. (1972). 「レーザースキャン音響カメラの進捗報告」.音響ホログラフィー. 20. Springer US: 11–32. doi :10.1007/978-1-4615-8213-7_2. ISBN 978-1-4615-8215-1。

[pat_us_ac-3] 米国特許 3895340、「音響カメラ装置」

[Underwater-4] Hansen, Rolf Kahrs; Andersen, Poul Arndt (1993). 「水中画像撮影のための 3D 音響カメラ」.音響画像. 20. Springer US: 723–727. doi :10.1007/978-1-4615-2958-3_98. ISBN 978-1-4613-6286-9。

[underwater_ac_first-5] Haslett, RWG; Pearce, G.; Welsh, AW; Hussey, K. (1966). 「水中音響カメラ」. Acta Acustica United with Acustica . 17, 4 . S. Hirzel Verlag: 187–203.

[active_ac-6] Maginness, MG; Plummer, JD; Meindl, JD (1974). 「送信受信アレイを使用した音響画像センサー」。音響ホログラフィー。 Springer US: 619–631. doi :10.1007/978-1-4757-0827-1_36. ISBN 978-1-4757-0829-5。

[DAMAS-7] Brooks, Thomas F.; Humphreys, William M. (2004)。「音響源のマッピングのためのデコンボリューションアプローチ」。NASA発明開示。LAR-16907-1。NASA ラングレー研究。

[CLEAN-SC-8] Sijtsma, P. (2007). 「空間音源コヒーレンスに基づくCLEAN」. International Journal of Aeroacoustics . 6 (4): 357–374. doi :10.1260/147547207783359459. S2CID 122396368.

[Car-9] Meyer, Andy、Döbler, Dirk。「3D マイクアレイを使用した車内騒音源の特定」BeBeC 会議録 (2006)。

[aircraft_imaging-10] ^ Leon, Brusniak; Underbrink, James R.; Stoker , Robert W. (2006). 「大口径フェーズドアレイを使用した航空機騒音源の音響イメージング」AIAA/CEAS 航空音響会議12。

[wind_turbine-11] Gwang-Se, Lee; Cheong, Cheolung; Shin, Su-Hyun; Jung, Sung-Soo (2012). 「ピッチおよび失速制御風力タービンの騒音源の位置特定と識別のケーススタディ」。応用音響学。73 8 : 817–827。

[Solving_issues_in_the_mining_industry-12] Oberholster, Abrie J. 「鉱業業界の問題の解決」。Siemens Digital Industries Software。プレトリア大学。 2021年11月12日閲覧。

[13] Demopoulos A (2023年10月4日). 「警笛を鳴らせ！騒音カメラは『潜在的に致命的な』騒音公害を軽減できるか？」。ガーディアン。

[14] 音源定位ソリューション

[FPGA-15] Zimmermann, B.; Studer, C.、「FPGA ベースのリアルタイム音響カメラプロトタイプ」、Circuits and Systems (ISCAS)、2010 IEEE 国際シンポジウムの議事録、vol.、no.、pp.1419、1419、2010 年 5 月 30 日 - 2010 年 6 月 2 日