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技術 音計測装置

出願人 学校法人同志社
発明者 坂本眞一渡辺好章
出願日 2004年3月26日 (16年0ヶ月経過) 出願番号 2004-091684
公開日 2005年10月6日 (14年5ヶ月経過) 公開番号 2005-274509
状態 特許登録済
技術分野 機械的振動・音波の測定
主要キーワード 実効値レベル レベルレンジ 微小空気 エネルギー保存の法則 熱電変換器 周波数補正回路 メガホン パラボナアンテナ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2005年10月6日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

温度や湿度振動電気磁気などの影響を受けにくく、しかも大きな音も計測できるような音計測装置を提供することを目的とする。

解決手段

音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器20と、音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器22と、これら低温側熱交換器20と高温側熱交換器22とに挟まれ、音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタック21とを具備するように構成する。そして、熱音響効果を利用し、音エネルギーの入力と逆方向に熱エネルギー移送させ、これによって発生した低温側熱交換器20と高温側熱交換器22との温度差に基づいて音の物理的特性を計測するように構成する。

概要

背景

音圧レベル計測する装置に関しては従来より音計測装置などが知られている。この音計測装置は、非特許文献1などに記載されるように、計測の対象となる音をキャッチするためのマイクロホンと、プリアンプ周波数補正回路実効値レベル回路などの各種回路とを具備してなり、マイクロホンでキャッチされた音をプリアンプで増幅し、周波数補正などを行って音圧レベルなどを出力できるようにしたものである。

ところで、このような音計測装置に使用されるマイクロホンとしては、静電型のマイクロホンが使用されることが多い。この静電型のマイクロホンは、振動膜固定電極とを備え、音の振動によって固定電極との間に蓄えられた静電容量の変化を検出し、これを電気信号として出力するようにしたものである。
低周波音測定方法に関するマニュアル」(平成12年10月) 環境省大気環境

概要

温度や湿度、振動、電気磁気などの影響を受けにくく、しかも大きな音も計測できるような音計測装置を提供することを目的とする。 音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器20と、音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器22と、これら低温側熱交換器20と高温側熱交換器22とに挟まれ、音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタック21とを具備するように構成する。そして、熱音響効果を利用し、音エネルギーの入力と逆方向に熱エネルギー移送させ、これによって発生した低温側熱交換器20と高温側熱交換器22との温度差に基づいて音の物理的特性を計測するように構成する。

目的

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、温度や湿度、振動、電気、磁気などの影響を受けにくく、しかも大きな音を計測できるような音計測装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器と、前記音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器に挟まれ、前記音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタックとを具備してなり、前記音の入力に基づき発生した前記低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて前記入力された音の物理的特性計測する計測手段を設けたことを特徴とする音計測装置

請求項2

前記スタックの導通路が、蛇行する導通路である請求項1に記載の音計測装置。

請求項3

前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器を覆い、前記音の入力方向へ開口する開口部を有する筒状体を設けた請求項1に記載の音計測装置。

請求項4

計測対象となる音を前記高温側熱交換器に集音する集音部を設けた請求項1に記載の音計測装置。

請求項5

前記計測手段が、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する熱電変換器を設け、この熱電変換器からの電気信号に基づいて音の物理的特性を計測するものである請求項1に記載の音計測装置。

請求項6

前記低温側熱交換器と高温側熱交換器とを種類の異なる金属製材料で構成し、前記計測手段が、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差によってそれぞれの低温側熱交換器と高温側熱交換器から生じる電気信号によって音の物理的特性を計測するものである請求項1に記載の音計測装置。

技術分野

0001

本発明は、騒音などを計測するための音計測装置に関するものであり、より具体的には、熱音響効果を利用して音圧レベルなどの音の物理的特性を計測するための音計測装置に関するものである。

背景技術

0002

音圧レベルを計測する装置に関しては従来より音計測装置などが知られている。この音計測装置は、非特許文献1などに記載されるように、計測の対象となる音をキャッチするためのマイクロホンと、プリアンプ周波数補正回路実効値レベル回路などの各種回路とを具備してなり、マイクロホンでキャッチされた音をプリアンプで増幅し、周波数補正などを行って音圧レベルなどを出力できるようにしたものである。

0003

ところで、このような音計測装置に使用されるマイクロホンとしては、静電型のマイクロホンが使用されることが多い。この静電型のマイクロホンは、振動膜固定電極とを備え、音の振動によって固定電極との間に蓄えられた静電容量の変化を検出し、これを電気信号として出力するようにしたものである。
低周波音測定方法に関するマニュアル」(平成12年10月) 環境省大気環境

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、このような静電型のマイクロホンは、振動膜と固定電極との間に蓄えられる静電容量の変化を伴うものであるために、その静電容量が変化しないように、一定の温度環境(例えば、−10℃〜+50℃)や一定の湿度環境(例えば、90%以下)のもとで使用しなければならず、また、振動や電気磁気などの悪影響を受けないような場所で使用しなければならない。更に、このような静電型のマイクロホンは、振動膜と固定電極とのギャップ幅の関係により計測可能レベルレンジが60〜120dBと制限され、これよりも大きな音を計測しようとすると振動膜に破損を生じてしまうという問題点があった。

0005

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたもので、温度や湿度、振動、電気、磁気などの影響を受けにくく、しかも大きな音を計測できるような音計測装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器と、前記音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器に挟まれ、前記音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタックとを具備してなり、前記音の入力に基づき発生した前記低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて前記入力された音の物理的特性を計測する計測手段を設けるようにする。

0007

このように構成すれば、入力される音エネルギーと逆方向に熱エネルギー移送する「熱音響効果の原理」を利用することができ、これによって生じた低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差を利用して音の物理的特性を計測することができる。このため、従来のように熱、湿度、振動、電気、磁気などの影響を大きく受けることがなく、また、大きな音エネルギーが入力された場合であっても振動膜の破損を生じることなく確実に音の物理的特性を計測することができるようになる。

0008

また、このようなスタックとして、蛇行する導通路を有するようなものを用いるようにする。

0009

このように構成すれば、導通路が蛇行しているため、作動流体とスタックとの接触面積が多くなり、より多くの熱交換を行うことができる。これにより、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差が大きくなって確実に音の物理的特性を計測することができるようになる。

0010

更に、低温側熱交換器及び高温側熱交換器を覆い、音の入力方向へ開口する開口部を有するような筒状体を設けるようにする。

0011

このように構成すれば、筒状体によって音の入力方向を制限することができるため、センシング指向性を持たせることができるようになる。また、その筒状体を長く構成すれば、その筒状体によって直射日光が低温側熱交換器や高温側熱交換器などに照射されるのを防止することができ、直射日光に照射されて各熱交換器温度ムラを生じさせてしまうというようなことがなくなる。

0012

加えて、計測対象となる音を前記高温側熱交換器に向けて集音する集音部を設けるようにする。

0013

このように構成すれば、集音された大きな音によって低温側熱交換器と高温側熱交換器の温度差を大きくすることができ、この温度差により、より確実に音の物理的特性を計測することができるようになる。なお、このような集音部としては、例えば、パラボナアンテナなどのように焦点を有するものが用いられる。

0014

また、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する場合、この低温側熱交換器や高温側熱交換器に熱電変換器を接続し、この熱電変換器から出力される電気信号に基づいて音の物理的特性を計測する。

0015

このように構成すれば、熱電変換器から電気信号が出力されるため、これに従来の音計測装置に用いられているようなプリアンプや周波数補正回路、実効値レベル化回路、指示計などのような回路を接続するようにすれば、容易に音計測装置を構成することができるようになる。

0016

また、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する場合、低温側熱交換器と高温側熱交換器とを種類の異なる金属製材料で構成し、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差によって生じるそれぞれからの電気信号によって音の物理的特性を計測するように構成する。

0017

このように構成すれば、種類の異なる金属間の温度差によって起電力を発生させるというゼーベック効果を利用することができ、別途新たな熱電変換器を用いなくても電気信号を出力することができるようになる。これにより、比較的安価な音計測装置にすることができるようになる。

発明の効果

0018

本発明では、音の入力方向の下流側に設けられる低温側熱交換器と、前記音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器と、前記低温側熱交換器及び高温側熱交換器に挟まれ、前記音の入力方向に貫通する多数の導通路を有するスタックとを具備してなり、前記音の入力に基づき発生した前記低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて前記入力された音の物理的特性を計測する計測手段を設けるように構成したので、熱音響効果によって生じた低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差を用いて音の物理的特性を計測できるようになる。このため、従来のマイクロホンを用いた音計測装置のように、熱や湿度、振動、電気、磁気などの影響を大きく受けることがなくなり、また、大きな音エネルギーが入力された場合であっても確実に音圧レベルなどの音の物理的特性を計測することができるようになる。

発明を実施するための最良の形態

0019

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態における音計測装置1における音センサ2の断面概略図を示したものであり、図2はその音センサ2を含む音計測装置1の機能ブロック図を示したものである。また、図3から図6は、他の実施の形態において使用されるスタック21や音センサ2、音計測装置1の構造などを示したものである。

0020

この実施の形態における音計測装置1は、熱音響効果を利用する音センサ2と、この音センサ2に入力された音の物理的特性を計測する計測装置からなる。

0021

このうち、音センサ2は、音エネルギーの進行方向に対して下流側に設けられる低音側熱交換器20と、その音エネルギーの進行方向に対して上流側に設けられる高温側熱交換器22と、これら低音側熱交換器20及び高温側熱交換器22に密着するように挟まれて設けられるスタック21とを設けて構成される。

0022

このスタック21は、音エネルギーの進行方向に貫通する多数の導通路21aを有し、比較的比熱の低い多孔性セラミックなどで構成される。また、このスタック21における音の入力方向の下流側に設けられる低音側熱交換器20は、銅などのような比較的熱伝導性の高い金属材料によって形成され、薄く構成された金属材料の内側にスタック21の導通路21aに対応した開口部20aを設けて構成される。また、スタック21における音の入力方向の上流側に設けられる高温側熱交換器22についても同様に、銅などのような比較的熱伝導性の高い金属材料で形成され、薄く構成された金属材料の内側にスタック21の導通路21aに対応した開口部22aを設ける。そして、これら低音側熱交換器20、高温側熱交換器22の開口部20a・22aとスタック21の導通路21aを直線状に貫通させ、熱音響効果によって生じた低音側熱交換器20と高温側熱交換器22との温度差に基づいて音圧レベルなどのような音の物理的特性を計測する。

0023

次に、この熱音響効果の原理を図3を用いて説明する。

0024

まず、空気などの作動流体中にスタック21や低音側熱交換器20、高温側熱交換器22からなる音センサ2を設け、この音センサ2に音を入力すると、その音エネルギーは高温側熱交換器22側からスタック21を経て低音側熱交換器20側へと移送される。そして、その音の振動によってスタック21の導通路21a内に存在している作動流体が揺らぎ始め、その際、微小空気塊の断熱膨張収縮などによって微小空気塊に蓄えられていた熱エネルギーがスタック21内に蓄積される。そして、その熱エネルギーは、エネルギー保存の法則によって音エネルギーの移送方向と逆方向へ移送され、その結果、高温側熱交換器22が熱せられ、低音側熱交換器20と高温側熱交換器22との間に温度差が生じることとなる。

0025

このような熱音響効果の原理を用いた音センサ2の低音側熱交換器20及び高温側熱交換器22には、熱電変換器24が接続される。この熱電変換器24は、低音側熱交換器20と高温側熱交換器22との間に生じた温度差に対応した起電力を発生するもので、例えば、ゼーベック効果を利用した半導体素子などが用いられる。このゼーベック効果を利用した半導体素子としては、現在最も効率が良いとされているビスマステルル系半導体素子シリコンゲルマニウム系半導体素子などを用いると良い。そして、これらの素子を低音側熱交換器20や高温側熱交換器22に接続して、それぞれの温度差に対応した起電力を発生する。なお、この熱電変換器24については、低温側熱交換器20及び高温側熱交換器22からの電気信号が微弱な場合、この微弱な電気信号を検出しうる電気回路などによって構成することもできる。

0026

そして、この熱電変換器24には、図2ブロック図に示すような計測装置が接続される。この計測装置は、プリアンプ30、周波数補正回路31、実効値レベル化回路32、指示器33などを具備して構成される。

0027

このうちプリアンプ30は、熱電変換器24から出力された起電力による電気信号をある一定のレベルまで増幅するものである。

0028

また、周波数補正回路31は、このようにプリアンプ30によって増幅された電気信号を音圧レベルに変換するに際して、人間の聴覚に対応した周波数重み付けなどの補正処理を行うものである。人間の聴覚によって音を聞く場合、同じ音圧レベルでも高い音と低い音では、違う音の大きさに感じられ、例えば、高い音の方がうるさい音として感じられやすい傾向がある。このため、人間の聴覚に対応すべく、例えば、低音部分における重み付けを軽くするなどのような周波数の補正処理を行う。一般に、前述のように補正された音圧レベルは、A特性音圧レベルと称されるもので、これ以外にも用途に応じてB、C、D、E、F特性などに応じた補正を行う。

0029

実効値レベル化回路32は、周波数補正回路31によって補正された周波数を指示器33に出力するための物理量に変換する。この実効値レベル化回路32は、実効値検波回路32a、動特性回路32b、対数演算回路32cを具備して構成され、このうち実効値検波回路32aは、2乗回路などによって周波数の実効値を演算する。また、動特性回路32bは、指示器33を早く動作させるための動特性や指示器33を遅く動作させるための動特性などを持たせるものである。例えば、早い動特性としては125msなどに設定され、一方、遅い動特性としては1sなどに設定される。対数演算回路32cは、このようにして演算された実効値を音圧レベルとしてのデシベル値に変換するものである。

0030

指示器33は、アナログ式メータデジタル式のメータなどによって構成されるもので、実効値レベル化回路32によって演算されたデシベル値を表示するものである。

0031

このようなプリアンプ30、周波数補正回路31、実効値レベル化回路32、指示器33などは、一般に現在市販されているマイクロホンを用いた音計測装置に用いられているため、このように既に存在する回路などを利用することができる。

0032

次に、このように構成された音計測装置1を計測する場合の動作について説明する。

0033

まず、音源に対して音センサ2の指向方向を向けると、その音源から発せられた音エネルギーは音センサ2内に入力され、高温側熱交換器22からスタック21内に移送される。この音エネルギーがスタック21内に移送されると、その音の振動によってスタック21内の微小空気塊が振動を始め、その振動によって断熱膨張、収縮などを繰り返す。そして、その際、微小空気塊に蓄えられていた熱がスタック21の内壁に蓄積され、エネルギー保存の法則によって、その熱エネルギーが音エネルギーの移送方向と逆方向である高温側熱交換器22側に移送される。これにより低音側熱交換器と高温側熱交換器22との間に温度差が発生し、この温度差によって熱電変換器24から電気信号が出力される。この電気信号は、計測装置3のプリアンプ30によって増幅された後、周波数補正回路31によってA特性〜F特性などのような種々の特性に対応した周波数の重み付け処理などの補正がなされ、実効値化レベル回路によって実効値化される。そして、実効値化レベル回路の対数演算回路32cによってこの実効値をデシベル値に変換し、この値を指示器33に出力させるようにする。

0034

このように上記実施の形態によれば、熱音響効果の原理を利用して低音側熱交換器20・高温側熱交換器22との間に生じた温度差から音の物理的特性を計測するようにしたので、従来のように極めて狭い範囲に限定された温度環境や湿度環境のもとで使用しなければならないというようなことがなくなり、また、振動や電気、磁気にも弱くなるということもなくなる。また、非常に大きな音が入力された場合であっても、従来のように振動膜が破損してしまうというようなこともなくなる。

0035

なお、上述の実施の形態では、音センサ2として直線状の導通路21aを有するスタック21を用いているが、このようなスタック21では低音側熱交換器20と高温側熱交換器22との間に大きな温度差を発生されることができない可能性がある。この場合、図3に示すようなスタック210を用いるようにしても良い。図3に示すスタック210は、微小球状セラミクスなどを敷き詰めて構成したもので、これによって蛇行した導通路210aを形成するようにしたものである。このような蛇行した導通路210aを設けるようにすれば、作動流体とスタック210の内壁との接触面積を大きくすることができるため、より大きな熱交換が可能となってスタック210の両端での温度差を大きくすることができるようになる。なお、蛇行する導通路を有するスタックの構成については微小球状のセラミクスを敷き詰める構成に限らず、種々の態様のものを用いることができる。

0036

また、上記実施の形態では、図1に示すように低音側熱交換器20・高温側熱交換器22を表出させたものを用いているが、図4に示すように、両端に開口部23aを有するような筒状体23で覆うようにしても良い。この筒状体23は、低音側熱交換器20や高温側熱交換器22、スタック21を内側に設けたもので、また、低音側熱交換器20や高温側熱交換器22から突出させた鍔部23bを設けるようにしたものである。このように構成すれば、筒状体23の軸方向の指向性を持たせることができ、計測対象の音を特定して確実に計測することができるようになる。また、鍔部23bを設けるようにしたので、低音側熱交換器20や高温側熱交換器22などに直射日光が照射されるのを防止することができ、直射日光の照射による各熱交換器の温度ムラの発生を防止して誤計測を防ぐことができるようになる。

0037

また、上記実施の形態では、音源から発せられた直接音を計測するようにしたが、図5に示すようなパラボナアンテナ状集音器4を設け、この集音器4によって集音された音を計測するようにしても良い。この場合、集音器4からの反射音が入力される方向に高温側熱交換器22を設けるようにするとともに、集音器4によって大きく増幅された音圧レベルを元の音圧レベルに戻すための補正回路などを設けるようにする。このように構成すれば、大きな音圧によってスタック21の両端での温度差を大きくすることができ、この大きな温度差に基づく大きな電気信号を検出することによって確実に音圧レベルを計測することができるようになる。なお、この集音器4については、パラボナアンテナ形状に限定されることなく、メガホンなどのようなものを用い、これを高温側熱交換器22側に設けるようにしても良い。

0038

また、上記実施の形態では、低温側熱交換器と高温側熱交換器との温度差に基づいて電気信号を出力する場合、この低温側熱交換器や高温側熱交換器に熱電変換器を接続し、この熱電変換器から出力される電気信号に基づいて音の物理的特性を計測するようにしたので、従来の音計測装置に用いられているようなプリアンプや周波数補正回路、実効値レベル化回路、指示計などのような回路を接続するようにすれば、容易に音計測装置を構成することができるようになる。

0039

また、上記実施の形態では、熱電変換素子によって温度差に基づく電気信号を出力するようにしているが、図6に示すような構成を用いることもできる。図6は、低音側熱交換器20と高温側熱交換器22とを種類の異なる金属材料で形成し、ゼーベック効果によってそれぞれの低音側熱交換器20や高温側熱交換器22から発生する電気信号(起電力)を出力するようにしたものである。この金属材料としては、例えば、銅とコンスタンタン(銅とニッケル合金)などの組み合わせが考えられ、このようにすることによって、半導体などのような比較的高価な熱電変換素子を用いることなく安価に構成することができるようになる。

図面の簡単な説明

0040

本発明の一実施の形態における音計測装置の音センサ近傍の拡大図
同形態における音計測装置の機能ブロック図
第二の実施の形態におけるスタックの断面概略図
第三の実施の形態における音センサの断面概略図
第四の実施の形態における音センサに集音器を取り付けた状態図
第五の実施の形態における音計測装置の概略図

符号の説明

0041

1・・・音計測装置
2・・・音センサ
3・・・計測装置
4・・・集音器
20・・・低温側熱交換器
20a・・・開口部
21・・・スタック
21a・・・導通路
210・・・スタック
210a・・・導通路
22・・・高温側熱交換器
22a・・・開口部
23・・・筒状体
23a・・・開口部
23b・・・鍔部
24・・・熱電変換器

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