(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路を、互いに異なる複数の方向について各々設定しておき、
前記各仮想経路について、仮想経路上の前記被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を実際に音波を伝搬させて測定し、仮想経路上の被測定空間外の区間の音波の伝搬時間を被測定空間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定して推定することにより、仮想経路上を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値を各々求め、
所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の推定値に基づき、前記所定方向についての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、前記複数の方向について各々行い、
前記複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データに基づいて被測定空間内の環境状態を演算する
環境状態測定方法。
【請求項２】
互いに異なる複数の方向について各々設定された、各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路と、前記被測定空間の周縁と、の交点に相当する箇所に各々配置され、各仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を各々測定する伝搬時間測定手段と、
前記各仮想経路について、仮想経路上の被測定空間外の区間の音波の伝搬時間を、被測定空間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定して各々推定する伝搬時間推定手段と、
前記伝搬時間測定手段によって測定された伝搬時間及び前記伝搬時間推定手段によって推定された伝搬時間から求まる各仮想経路を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値に基づき、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の推定値から前記所定方向についての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、前記複数の方向について各々行う投影データ演算手段と、
前記複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データに基づいて被測定空間内の環境状態を演算する環境状態演算手段と、
を含む環境状態測定装置。
【請求項３】
前記伝搬時間測定手段は、音波を発生する音波発生手段、及び到来した音波を検出する音波検出手段を備えたノードが、前記交点に相当する多数箇所に各々設けられて構成されており、特定のノードの音波発生手段から音波を発生させ、該発生した音波を他の複数のノードの音波検出手段で同時に検出することを、音波発生手段から音波を発生させるノードを切り替えながら繰り返すことにより、前記各仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を測定することを特徴とする請求項２記載の環境状態測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は環境状態測定方法及び装置に係り、特に、空間内の温度分布等の環境状態を測定する環境状態測定方法、及び該環境状態測定方法を適用可能な環境状態測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
被空調空間内の温度や湿度を所望の値に制御するためには、被空調空間内の温度、湿度を測定する必要があるが、被空調空間内の各箇所における温度、湿度が一定であることは稀であり、特にドーム球場や劇場等の閉鎖された大空間では、空間内の各箇所における温度、湿度は大きくばらついていることが多い。このため、例えばドーム球場や劇場等の大空間において快適性と省エネルギーの双方を満足する空気調和を行う場合や、室内の温度や湿度を精密に所望の値に制御する場合には、被空調空間内の温度や湿度の分布を測定する必要がある。
【０００３】
しかし、温度センサや湿度センサによって温度や湿度の分布を直接測定しようとすると、センサを、被空調空間の中央部付近を含む被空調空間内にマトリクス状に多数配設する必要があるが、コストが嵩み景観が損なわれると共に被測定空間の利用も制限されるので、上記のように多数のセンサを配設することは現実的ではない。またドーム球場や劇場等では、被測定空間の周縁部（例えば壁体等）に取付けたセンサにより周縁部の温度等を測定すると共に、風船等でセンサを吊り上げることで被測定空間の中央部付近の温度等を測定することが考えられるが、この方法では、被測定空間内で例えば野球等のイベントが実施されている最中に温度や湿度の分布を測定することは不可能である。
【０００４】
一方、医学の分野では、人体内部の状態を非接触で測定するコンピュータ断層撮影（ＣＴ：Computed Tomography)技術が広く利用されている。ＣＴ技術を利用した医療用のＣＴ装置は、一般的には、多数のＸ線源が一列に配置されていると共に、各Ｘ線源に対して一定方向に一定距離隔てた位置に検出器が各々対向配置されており（すなわち、Ｘ線の伝搬経路の長さを揃えるために、Ｘ線源の配列と平行に検出器が配列される）、Ｘ線源列及び検出器列が一体的に回転可能に構成されている。
【０００５】
このＣＴ装置により人体内部の状態を測定する場合、被測定者はＸ線源列と検出器列の間に位置され、被測定者に対し各Ｘ線源によって所定方向からＸ線を各々照射し、被測定者を透過したＸ線量を各検出器によって各々検出することにより、前記所定方向についてのＸ線吸収量の投影データ（所定方向から見たＸ線吸収量の分布を表すデータ）を得る。これを、被測定者を回転させずにＸ線源列及び検出器列を所定角度づつ回転させながら１周する迄繰り返し、各方向についてのＸ線吸収量の投影データを各々取得する。
【０００６】
次に、これらの投影データに基づき、公知のフーリエ領域再構成法（２次元フーリエ変換法(2-D fourier-transform method)ともいう）やフィルタ処理データの逆投影法（フィルタード・バックプロジェクション法(filtered back-projection method) 、或いは２次元フィルタリング法(2-D filterring method) 等の演算方法を適用して、コンピュータによって被測定者の横断面に沿った各位置における体内組織のＸ線吸収量（横断面上のＸ線吸収量の分布）を演算する。演算した横断面上のＸ線吸収量の分布は２次元画像として再構成され、人体の横断面像としてモニタに表示される。
【０００７】
上記のＣＴ技術によれば、測定対象（医療用ＣＴ装置では人体）内部の状態を非接触で測定できるので、上記のＣＴ技術を利用し、Ｘ線に代えて、医療用のＣＴ装置でも利用されている音波（特に超音波）を用いれば、被測定空間内の温度分布等の環境状態を求めることは原理的には可能である。すなわち、音波は媒質の温度によって伝搬時間（速度）が変化するので、各方向について音波伝搬時間の投影データを取得すれば、被測定空間内の温度分布を演算できる。
【０００８】
しかしながら、医療用ＣＴ装置の技術をドーム球場や劇場等の大空間内の温度分布等の測定に用いようとすると、音波の伝搬経路の長さを揃えるために、例として図１２に示すように、被測定空間の外部に、音波を発する多数の音波発生装置を一列に配列すると共に、多数の音波検出装置を、被測定空間を挟んで音波発生装置列と平行に配列し、かつ音波発生装置列及び音波検出装置列を一体的に回転可能に構成する必要があるので、実現は殆ど不可能である。また、被測定空間と外部とを区画する壁体に音波透過性をもたせる必要もある。
【０００９】
また、投影データを必要としない演算方法も知られている。すなわち、被測定空間を多数の小領域に区分し、各小領域内の音速を変数とし、或る音波発生装置から或る音波検出装置に至る伝搬経路を伝搬する音波の伝搬時間を、前記伝搬経路上に存在する各小領域の音波の通過時間の和で表した方程式を連立方程式として多数生成し、測定した音波の伝搬時間を連立方程式に代入して解くことによっても、被測定空間内の温度分布を求めることは可能である。
【００１０】
上記演算方法を適用すれば、被測定空間内の周縁（例えば被測定空間を区画している壁体）の多数箇所に音波検出装置及び音波発生装置を配置し、前記多数箇所の間の音波の伝搬時間を測定することで、温度分布を求めることができる。しかし、上記の演算方法では膨大な数の連立方程式を用いる必要があり、これに伴って膨大な数の音波検出装置及び音波発生装置を設ける必要がある。従って、装置構成が非常に複雑になると共に、演算に膨大な時間がかかる、という欠点があり、実用化には適していない。
【００１１】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、被測定空間内の温度分布等の環境状態を測定することを簡易な構成で実現することができる環境状態測定方法及び環境状態測定装置を得ることが目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
被測定空間内の環境状態を測定する場合、前述のように、音波の伝搬時間測定経路の長さを揃えて音波の伝搬時間を測定することは困難であるが、本願発明者は、被測定空間外の環境状態は本来必要のない情報であることに着目し、被測定空間外の区間の音波の伝搬時間については、被測定空間内の環境状態の演算に悪影響を及ぼさないように人為的或いは機械的に設定し、伝搬時間測定経路の長さを仮想的に一致させることにより、音波の伝搬時間の投影データを取得することができ、短時間で演算可能な演算方法（フーリエ領域再構成法やフィルタ処理データの逆投影法、２次元フィルタリング法等）を適用できることに想致した。
【００１３】
上記に基づき、請求項１記載の発明に係る環境状態測定方法は、各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路を、互いに異なる複数の方向について各々設定しておき、前記各仮想経路について、仮想経路上の前記被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を実際に音波を伝搬させて測定し、仮想経路上の被測定空間外の区間の音波の伝搬時間を被測定空間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定して推定することにより、仮想経路上を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値を各々求め、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の推定値に基づき、前記所定方向についての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、前記複数の方向について各々行い、前記複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データに基づいて被測定空間内の環境状態を演算する。
【００１４】
請求項１記載の発明では、各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路を、互いに異なる複数の方向について各々設定しておき、各仮想経路について、仮想経路上の被測定空間に重なっている区間についてのみ、実際に音波を伝搬させて音波の伝搬時間を測定している。音波の伝搬時間を測定するためには、伝搬時間を測定する伝搬経路の端部に音波発生手段及び音波検出手段を配置する必要があるが、上記では、仮想経路上の被測定空間に重なっている区間についてのみ音波の伝搬時間を測定するので、伝搬時間の測定を行う音波の伝搬経路が互いに平行でかつ等しい長さとなるように、被測定空間外に音波発生手段及び音波検出手段を配置する必要はなく、被測定空間の周縁部に音波発生手段及び音波検出手段を配置することができる。
【００１５】
また、請求項１の発明では、仮想経路上の被測定空間外の区間については、被測定空間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定して音波の伝搬時間を推定しているので、被測定空間外の区間の音波の伝搬時間の推定値が、被測定空間内の環境状態の演算に悪影響を及ぼすことを防止することができ、仮想経路上を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値として、適切な値を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る仮想経路は互いに等しい長さに設定されるので、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の推定値に基づき、所定方向についての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、複数の方向について各々行うことで、複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データを取得することができ、複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データに基づいて、フーリエ領域再構成法やフィルタ処理データの逆投影法、２次元フィルタリング法等の短時間で演算可能な演算方法を適用して被測定空間内の環境状態を演算することができる。従って請求項１の発明によれば、被測定空間内の温度分布等の環境状態を測定することを簡易な装置構成で実現することができる。
【００１７】
請求項２記載に係る環境状態測定装置は、互いに異なる複数の方向について各々設定された、各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路と、前記被測定空間の周縁と、の交点に相当する箇所に各々配置され、各仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を各々測定する伝搬時間測定手段と、前記各仮想経路について、仮想経路上の被測定空間外の区間の音波の伝搬時間を、被測定空間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定して各々推定する伝搬時間推定手段と、前記伝搬時間測定手段によって測定された伝搬時間及び前記伝搬時間推定手段によって推定された伝搬時間から求まる各仮想経路を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値に基づき、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の推定値から前記所定方向についての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、前記複数の方向について各々行う投影データ演算手段と、前記複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データに基づいて被測定空間内の環境状態を演算する環境状態演算手段と、を含んで構成している。
【００１８】
請求項２記載の発明では、請求項１の発明と同様に、各々一定の方向に沿いかつ互いに異なる位置で被測定空間を貫く等しい長さの多数の仮想経路が、互いに異なる複数の方向について各々設定されており、伝搬時間測定手段は、各仮想経路と被測定空間の周縁との交点に相当する箇所に各々配置され、各仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を各々測定する。また、伝搬時間推定手段は、各仮想経路について、仮想経路上の被測定空間外の区間の音波の伝搬時間を、被測定空間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定して各々推定する。これにより、各仮想経路を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値が求まる。
【００１９】
また投影データ演算手段は、各仮想経路を音波が伝搬するときの伝搬時間の推定値に基づき、所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の推定値から所定方向についての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、複数の方向について各々行い、環境状態演算手段は、複数の方向の各々についての音波の伝搬時間の投影データに基づいて被測定空間内の環境状態を演算する。従って請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様に、伝搬時間測定手段を被測定空間外に設けることなく、フーリエ領域再構成法やフィルタ処理データの逆投影法、２次元フィルタリング法等の短時間で演算可能な演算方法を適用して被測定空間内の環境状態を演算することができるので、被測定空間内の温度分布等の環境状態を測定することを簡易な構成で実現することができる。
【００２０】
請求項３記載の発明は、請求項２の発明において、前記伝搬時間測定手段は、音波を発生する音波発生手段、及び到来した音波を検出する音波検出手段を備えたノードが、前記交点に相当する多数箇所に各々設けられて構成されており、特定のノードの音波発生手段から音波を発生させ、該発生した音波を他の複数のノードの音波検出手段で同時に検出することを、音波発生手段から音波を発生させるノードを切り替えながら繰り返すことにより、前記各仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を測定することを特徴としている。
【００２１】
請求項３記載の発明では、特定のノードの音波発生手段から音波を発生させ、該発生した音波を他の複数のノードの音波検出手段で同時に検出するので、仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間が、複数の仮想経路について同時に測定される。また、上記の伝搬時間の測定を、音波発生手段から音波を発生させるノードを切り替えながら繰り返すので、音波の伝搬時間の測定に要する時間を短縮することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。図１には、本実施形態に係る環境状態測定装置１０が示されている。環境状態測定装置１０は、多数のノード１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、…と、ホストコンピュータ１４を備えており、これらが伝送媒体１６を介して互いに接続されて構成されている。ホストコンピュータ１４は、ＣＰＵ１４Ａ、ＲＯＭ１４Ｂ、ＲＡＭ１４Ｃ、入出力ポート１４Ｄを備え、これらがバス１４Ｅを介して互いに接続されて構成されている。入出力ポート１４Ｄはネットワーク伝送部４９を介して伝送媒体１６に接続されている。また、入出力ポート１４Ｄには、各種の情報を表示するためのディスプレイ１８と、オペレータが各種のデータやコマンド等を入力するためのキーボード２０が接続されている。
【００２３】
一方、多数のノード１２は、被測定空間の周縁部に、周縁部の全周に亘って略一定の間隔で配置される。例として図２には、円筒状の壁体２２によって区画され、上方が屋根（図示省略）によって閉塞されたドーム状の被測定空間２４（例えばドーム球場等）内の環境状態を測定する場合の各ノード１２の配置が示されており、各ノード１２は壁体２２に埋設されている。なお、ノード１２の数及び間隔は図２に示した例に限定されるものではないが、ノード１２の数は偶数であることが望ましい。また、各ノード１２を識別するために、各ノードには便宜的にノード番号が付与されている。
【００２４】
ノード１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、…は各々同一の構成であるので、以下では図１を参照し、ノード１２Ａの構成について説明する。ノード１２Ａは、各々被測定空間２４内に向けて配置された、音波発生手段としてのスピーカ３０、及び音波検知手段としてのマイクロフォン３２を備えている。スピーカ３０は、増幅器３４、Ｄ／Ａ変換器３６を介してデータ処理部３８に接続されており、マイクロフォン３２は、フィルタ／増幅器４０、Ａ／Ｄ変換器４２を介してデータ処理部３８に接続されている。
【００２５】
音波の伝搬時間の測定を行う場合、ホストコンピュータ１４は、音波を発生させるノード１２を判断し、前記ノード１２から発生すべき音波の波形を表す波形データを全てのノード１２に転送すると共に、前記ノードからの音波の発生時刻を全てのノード１２に通知する。また、音波を発生させるノード１２に対しては通知した発生時刻に音波を発生するよう指示する。
【００２６】
データ処理部３８はマイクロコンピュータ等を含んで構成され、ネットワーク伝送部４８を介して伝送媒体１６に接続されており、伝送媒体１６及びネットワーク伝送部４８を介してホストコンピュータ１４から、前述の波形データが転送されて音波の発生が指示されると、指示された波形の音波を指示された音量で発生させるためのデータを、所定のタイミングでＤ／Ａ変換器３６に出力する。データ処理部３８から出力されたデータは、Ｄ／Ａ変換器３６でアナログの電気信号に変換され、増幅器３４で増幅された後にスピーカ３０に供給される。これにより、スピーカ３０からは、指示された波形の音波が指示された時刻に指示された音量でスピーカ３０から発せられる。
【００２７】
また、マイクロフォン３２から出力される電気信号は、フィルタ／増幅器４０で雑音が除去された後に増幅され、Ａ／Ｄ変換器４２でディジタルデータに変換されてデータ処理部３８に入力される。データ処理部３８は、ホストコンピュータ１４から発生した音波発生時刻になると、Ａ／Ｄ変換器４２を介して入力されるデータに基づき、マイクロフォン３２から出力される電気信号の波形のメモリ等への記憶を開始する。
【００２８】
また、上記処理と並行してデータ処理部３８は、前記メモリ等への記憶したデータに基づいて、マイクロフォン３２から出力される電気信号の波形と、ホストコンピュータ１４から転送された波形データが表す波形との相関性を演算し、相関性が最大値となった波形の電気信号がマイクロフォン３２から出力された時刻を、音波の到来時刻（検知時刻）としてメモリ等に記憶する。そして、ネットワーク伝送部４８及び伝送媒体１６を介してホストコンピュータ１４から音波の検知時刻の問い合わせがあった場合には、記憶している音波の検知時刻を表すデータをホストコンピュータ１４に送信する。
【００２９】
次に本実施形態の作用を説明する。本実施形態では、後述する温度分布演算処理において、音波の伝搬時間の推定を行う経路として、例として図３に示すように、多数の仮想経路を予め設定している。なお、図３では或る一定の方向に沿った仮想経路のみを示しているが、実際には、一例として図５（Ｂ）にも示すように、互いに異なる複数の方向（例えば１０°ずつ異なる方向）について、各々多数の仮想経路が予め設定されている。
【００３０】
仮想経路は、被測定空間２４外に所定方向に直交するように配置された仮想スピーカ列上に位置している仮想スピーカと、被測定空間２４を挟んで仮想スピーカ列と反対側の被測定空間２４外に一定の間隔Ｌ0 （図４参照）を隔てて仮想スピーカ列と平行に配置された仮想マイクロフォン列上に位置している仮想マイクロフォンと、を結ぶ経路として定義されており、仮想スピーカ及び仮想マイクロフォンは、各仮想経路が、各々所定方向に沿いかつ互いに異なるノード１２が配置されている位置で壁体２２と交差して被測定空間２４を貫くように、仮想スピーカ列及び仮想マイクロフォン列上での位置が定められている。従って、各仮想経路の長さは互いに等しくされている。
【００３１】
各仮想経路のうち、同一の仮想経路上に位置している一対のノード１２の間の区間（図３に実線で示す測定対象区間）については、実際に音波を伝搬させることによって音波の伝搬時間を測定するが、仮想スピーカとノード１２の間、及びノード１２と仮想マイクロフォンの間の区間（伝搬時間推定区間）については、音波の伝搬時間を測定することはできない。このため、ホストコンピュータ１４のＲＯＭ１４Ｂには、各仮想経路に対応して伝搬時間推定区間の長さが各々記憶されている。
【００３２】
なお、本実施形態では、図４に示すように、被測定空間２４の中心を原点Ｏとする直交座標系ｘ−ｙを定義し、仮想経路の各々を、仮想経路に直交し原点Ｏを通る直線Ｓの長さＸ（距離Ｘ）、及び前記直線Ｓとｘ軸との成す角度θ（傾きθ）によって識別する（仮想経路（Ｘ，θ）と称する）。
【００３３】
次に図６のフローチャートを参照し、被測定空間２４内の環境状態（本実施形態では温度分布）を求める場合にホストコンピュータ１４で実行される温度分布演算処理について説明する。
【００３４】
ステップ１００では、被測定空間２４の大きさに基づき、測定に用いる音波の周波数帯域を設定する。具体的には、周波数帯域として、スピーカ３０が音波を発生可能でマイクロフォン３２が音波を検知可能な周波数帯域内の値を設定すると共に、被測定空間２４の大きさが大きくなるに従って（すなわち被測定空間１２の中央部を挟んで対向するノード１２間の距離が大きくなるに従って）、周波数帯域が低周波側に偏倚するように設定する。なお、一定の周波数帯域の音波を測定に用いてもよい。
【００３５】
次のステップ１０２では、音波を発生させるノード番号を表すカウント値ｍに１を代入し、ステップ１０４では、先に設定した周波数帯域も考慮して、ノード番号ｍのノード１２（以下、単にノードｍという）から発生すべき音波の波形を表す波形データを全てのノード１２に転送すると共に、ノードｍからの音波の発生時刻を全てのノード１２に通知し、更にノードｍに対しては、通知した発生時刻に音波を発生するよう指示する。これにより、ノードｍのスピーカ３０からは、指示された時刻に指示された波形の音波が所定の音量で発生され、発生された音波は、被測定空間２４全域に放射されて他のノード１２のマイクロフォン３２で各々検知され（図５（Ａ）において、単一の測定対象区間に重ねて示した放射状の線に相当する測定対象区間の音波の伝搬時間が各々検知される）、音波の検知時刻が各ノード１２のメモリ等に各々記憶される。
【００３６】
ところで本実施形態では、測定対象区間の音波の伝搬時間を重複して測定しないように（両方向から測定しないように）、音波を発生させるノードｍと、該ノードｍから発生された音波を測定するノード（測定対象ノード）を予め定めており、ホストコンピュータ１４のＲＯＭ１４Ｂには、音波を発生させる各ノードについて、測定対象ノードのノード番号が各々記憶されている。次のステップ１０６では、ノードｍに対応する測定対象のノード１２のノード番号（ｎ1 、ｎ2 、…）を、ＲＯＭ１４Ｂから取り込むことによって判断し、次のステップ１０８では、判断したノード番号に基づいて、測定対象のノード１２に対して音波の検知時刻を各々問い合わせ、測定対象のノード１２から送信された音波の検知時刻を表すデータを各々取り込む。
【００３７】
ステップ１１０では、ノードｍから音波が発生された時刻、及び測定対象の所定数のノード１２の各々における音波の検知時刻に基づいて、ノードｍのスピーカ３０から測定対象のノードｎのマイクロフォン３２への音波の伝搬時間ｔmnを、測定対象のノード１２について各々演算し、ＲＡＭ１４Ｃに記憶する。次のステップ１１２では、全ての測定対象区間について音波の伝搬時間ｔmnを測定したか否か判定する。判定が否定された場合にはステップ１１４へ移行し、カウント値ｍの値を１だけインクリメントしてステップ１０４に戻る。
【００３８】
これにより、ステップ１１２の判定が肯定される迄の間は、音波を発するノード１２を順に切り換えてステップ１０４〜１１４が繰り返され、全ての測定対象区間について、音波の検知時刻の測定、音波の伝搬時間ｔmnの演算が各々行われることになる（所謂ファンビーム計測：図５（Ａ）参照）。上記のステップ１０４〜１１４は、各ノードのスピーカ３０、マイクロフォン３２、データ処理部３８と共に、請求項２に記載の伝搬時間測定手段（より詳しくは請求項３に記載の伝搬時間測定手段）に対応している。
【００３９】
なお、上記では全ての測定対象区間について、音波の伝搬時間を各々１回づつ測定しているが、特に被測定空間２４内でスピーカ３０から発する音波以外の様々な音が発せられている等の場合には、これらの音が伝搬時間の測定に際してのノイズとなり、音波の伝搬時間の測定精度が低下する。これを考慮すると、各測定対象区間について音波の伝搬時間を各々複数回測定し、複数の測定値の加重平均を音波の伝搬時間ｔmnとして用いることが好ましい。
【００４０】
ステップ１１２の判定が肯定されるとステップ１１６に移行し、所定方向に平行な多数の仮想経路（傾きθが等しい全ての仮想経路）に対応する全ての測定対象区間（図５（Ｂ）において、単一の測定対象区間に重ねて示した互いに平行な線に相当する区間）の伝搬時間データｔmnを取り込む。次のステップ１１８では、予め設定してＲＯＭ１４Ｂに記憶している伝搬時間推定区間の長さ（仮想スピーカとノード１２の間の長さＬSN、及びノード１２と仮想マイクロフォンの間の長さＬNM）を、所定方向に平行な全ての仮想経路について各々取り込む。
【００４１】
ステップ１２０では、被測定空間外が所定温度の媒質（空気）で満たされていると仮定して、所定方向に平行な全ての仮想経路（Ｘ，θ）について、音波の伝搬時間の推定値ｔ（Ｘ，θ）を各々演算する。伝搬時間の推定値ｔ（Ｘ，θ）は次の（１）式により求めることができる。
【００４２】
ｔ（Ｘ，θ）＝（ＬSN÷ｖ0 ）＋ｔmn＋（ＬNM÷ｖ0 ）      …（１）
但し、ｖ0 は空気が所定温度のときの音速であり、ｔmn、ＬSN及びＬNMは仮想経路（Ｘ，θ）に対応する値である。（１）式における第１項及び第３項は、被測定区間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定したときの、仮想経路上の被測定空間外の区間（伝搬時間推定区間）の音波の伝搬時間の推定値に対応しており、ステップ１２０は請求項２に記載の伝搬時間推定手段に対応している。
【００４３】
ステップ１２２では、所定方向に平行な全ての仮想経路（Ｘ，θ）の音波の伝搬時間の推定値ｔ（Ｘ，θ）に基づいて、投影データｐ（Ｘ，θ）を演算する。投影データｐ（Ｘ，θ）は次の（２）式によって求めることができる。
【００４４】
ｐ（Ｘ，θ）＝ｔ（Ｘ，θ）−（Ｌ0 ÷ｖ0 ）              …（２）
ここで、位置（ｘ，ｙ）における音速をｖ（ｘ，ｙ）とし、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）を（温度分布は音速分布ｆ（ｘ，ｙ）から容易に算出できる）、
ｆ（ｘ，ｙ）＝（１／ｖ（ｘ，ｙ))−（１／ｖ0 ）          …（３）
上記（３）式のように定義（すなわち、被測定空間外ではｆ（ｘ，ｙ）＝０となる）すると共に、直線Ｓ（図４参照）に沿う方向をＸ軸、仮想経路に沿う方向をＹ軸とする直交座標系Ｘ−Ｙ（直交座標系ｘ−ｙを原点Ｏ周りに角度θだけ回転させた座標系）を定めると、投影データｐ（Ｘ，θ）と音速分布ｆ（ｘ，ｙ）との関係は、仮想経路（Ｘ，θ）が積分区間となり、
【００４５】
【数１】
0003699269.tif 000002
【００４６】
となる。（４）式に示したように、投影データｐ（Ｘ，θ）は、仮想経路（Ｘ，θ）に沿った音速分布ｆ（ｘ，ｙ）を投影したものである。前述のステップ１２２では、（２）式の演算を所定方向に平行な全ての仮想経路（Ｘ，θ）（すなわち、距離Ｘが異なり傾きθが等しい全ての仮想経路）について各々行うので、角度θが同一の投影データｐ（Ｘ，θ）の集合（平行な投影データ：parallel projection data）が得られることになる。
【００４７】
次のステップ１２４では全ての方向について投影データｐ（Ｘ，θ）を演算したか否か判定する。判定が否定された場合にはステップ１１６に戻り、ステップ１２４の判定が肯定される迄、ステップ１１６〜１２４を繰り返す。全ての方向について仮想経路（Ｘ，θ）の投影データｐ（Ｘ，θ）の演算を完了すると（なお全ての方向について仮想経路（Ｘ，θ）の投影データｐ（Ｘ，θ）を演算することは、一般にラドン（Radon)変換と称されている）、これらの投影データ（Ｘ，θ）に基づき、フーリエ領域再構成法やフィルタ処理データの逆投影法、２次元フィルタリング法等の短時間で演算可能な演算方法を適用することで、被測定空間２４内の温度分布を演算することが可能となる。
【００４８】
このため、ステップ１２４の判定が肯定されるとステップ１２６へ移行し、先のステップ１２２において全ての方向について演算した投影データｐ（Ｘ，θ）に基づいて、被測定空間２４内の温度分布を演算する。このステップ１２６は請求項２に記載の環境状態演算手段に対応しており、以下では、投影データに基づいて温度分布を演算する演算方法の一例として、フーリエ領域再構成法について説明する。
【００４９】
音速分布ｆ（ｘ，ｙ）の２次元フーリエ変換をＦ（ｕ，ｖ）とすると、
【００５０】
【数２】
0003699269.tif 000003
【００５１】
フーリエ変換は上記（５）式で定義される。また、Ｆ（ｕ，ｖ）からの２次元フーリエ逆変換は、
【００５２】
【数３】
0003699269.tif 000004
【００５３】
上記（６）式で定義される。
一方、直交座標系ｘ−ｙと直交座標系Ｘ−Ｙとの間には、以下の（７）式の関係が成り立つ。
【００５４】
ｘ＝Ｘｃｏｓθ−Ｙｓｉｎθ
ｙ＝Ｘｓｉｎθ＋Ｙｃｏｓθ                              …（７）
（７）式より、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）は次の（８）式で表すことができる。
【００５５】
0003699269.tif 000005
なお、ｆ'(Ｘ，Ｙ）はｆ（ｘ，ｙ）を原点Ｏ周りに角度−θだけ回転させることで得られる関数である。（８）式を用いて（５）式のフーリエ変換の定義式を変数変換すると、
【００５６】
【数４】
0003699269.tif 000006
【００５７】
となる。
また、空間周波数領域においても、実領域と同様に、座標系（ｕ，ｖ）に対して原点周りに角度θだけ回転させることで得られる座標系を座標系（Ｕ，Ｖ）とすると、先の（７）式と同様に、
ｕ＝Ｕｃｏｓθ−Ｖｓｉｎθ
ｖ＝Ｕｓｉｎθ＋Ｖｃｏｓθ                              …（10）
また
Ｕ＝ｕｃｏｓθ＋Ｖｓｉｎθ
Ｖ＝−ｕｓｉｎθ＋ｖｃｏｓθ                            …（11）
の関係があり、（10）式よりＦ（ｕ，ｖ）は、
0003699269.tif 000007
と表すことができる。これらの式を（９）式に代入することにより、次の（13）式を得ることができる。
【００５８】
【数５】
0003699269.tif 000008
【００５９】
（13）式より、実領域において回転した物体（この場合は音速分布ｆ（ｘ，ｙ))のスペクトルは、元の物体のスペクトルを同じ角度だけ回転したものと同じになることがわかる。
【００６０】
（７）式及び（８）式によれば、投影データｐ（Ｘ，θ）に関する（４）式は次の（14）式のように表すことができる。
【００６１】
【数６】
0003699269.tif 000009
【００６２】
なお、（14）式では音速分布ｆ（ｘ，ｙ）、すなわちｆ'(ｘ，ｙ）が被測定空間外では０であるため、積分区間を±∞に拡大している。また、投影データｐ（Ｘ，θ）のＸ軸に関するフーリエ変換は、次の（15）式で表すことができる。
【００６３】
【数７】
0003699269.tif 000010
【００６４】
（14）式を（15）式に代入すると、次の（16）式が得られる。
【００６５】
【数８】
0003699269.tif 000011
【００６６】
（16）式は先の（13）式においてＶ＝０としたときの式に一致するので、
Ｐ（Ｕ，θ）＝Ｆ'(Ｕ，０）
が成り立つ。
【００６７】
このように、傾きθが同一の全ての仮想経路の投影データｐ（Ｘ，θ）に対して、（15）式に従ってＸ軸に関するフーリエ変換（１次元フーリエ変換）を行った結果Ｐ（Ｕ，θ）は、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）の２次元フーリエ変換Ｆ（ｕ，ｖ）のθ方向成分（フーリエ変換Ｆ（ｕ，ｖ）のｕ軸に対して角度θだけ傾いた直線（すなわちＵ軸）上の値）に等しい（これを２次元断層定理（projection slice theorem）という）。
【００６８】
従って、各方向について各々求めた投影データに対して各々フーリエ変換を行って座標系（ｕ，ｖ）上に放射状に並べれば、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）の２次元フーリエ変換Ｆ（ｕ，ｖ）を得ることができる。そして、このＦ（ｕ，ｖ）に対し、先の（６）式に従って２次元フーリエ逆変換を行うことにより、音速分布ｆ（ｘ，ｙ）を求めることができる。
【００６９】
ステップ１２６では、まず上記で説明したフーリエ領域再構成法、或いは公知のフィルタ処理データの逆投影法や２次元フィルタリング法等の短時間で演算可能な演算方法を適用して投影データｐ（Ｘ，θ）から音速分布ｆ（ｘ，ｙ）を求める。次に、求めた音速分布ｆ（ｘ，ｙ）から（３）式に基づいて被測定空間２４内の各位置における音速ｖ（ｘ，ｙ）を演算し、音速ｖと音波が伝搬する媒体（空気）の温度Ｔとの関係を表す次の（17）式に基づき、被測定空間２４内における温度分布Ｔ（ｘ，ｙ）を演算する。
【００７０】
ｖ＝ 331.45 ＋ 0.607・Ｔ  〔ｍ／秒〕                    …（17）
次のステップ１２８では、上記により得られた被測定空間２４内の温度分布を、例として図７に示すコンターマップ等の形態でディスプレイ１８に表示し、処理を終了する。なお、ディスプレイ１８への表示に代えて、被空調空間２４内の空気調和を行う空調装置に対し、被測定空間２４内の温度分布及び湿度分布を表すデータを出力するようにしてもよい。これにより、空調装置が被測定空間２４に対し、例えば快適性と省エネルギーの双方を満足する空気調和を行うことも可能となる。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態では、被測定空間２４の周縁部に多数のノード１２を設け、仮想経路上の被測定空間２４に重なっている区間（ノード１２の間の測定対象区間）については、実際に音波を伝搬させて伝搬時間ｔmnを測定し、被測定空間２４外の区間（仮想スピーカとノード１２の間、及びノード１２と仮想マイクロフォンの間の伝搬時間推定区間）については、被測定空間２４外の気温が所定温度であると仮定し、空気が所定温度のときの音速ｖ0 を用いて音波の伝搬時間を推定し、伝搬時間の推定値ｔ（Ｘ，θ）を演算しているので、被測定空間２４外にノード１２を多数設けることなく投影データｐ（Ｘ，θ）を得ることができ、この投影データｐ（Ｘ，θ）に基づき、フーリエ領域再構成法やフィルタ処理データの逆投影法、２次元フィルタリング法等の短時間で演算可能な演算方法を適用して被測定空間内の環境状態を演算することができる。従って、環境状態測定装置１０の構成を簡単にすることができると共に、温度分布の演算に要する時間を短縮することができる。
【００７２】
なお、上記では音波の伝搬時間の投影データから温度分布を演算していたが、これに限定されるものではなく、例えば壁体２２の壁面近傍の温度を温度センサによって測定し、壁面近傍の温度の測定値に基づいて前記温度分布を補正するようにしてもよい。
【００７３】
また、上記ではドーム球場等のように床面が円形の被測定空間２４内の環境状態を測定する場合を例に説明したが、本発明によれば、音波発生手段及び音波検出手段を被測定空間の周縁部に設けることで被測定空間内の温度分布を求めることができるので、一例として図８乃至図１０にも示すように、任意の形状の空間を被測定空間として採用して、任意の形状の空間内の温度分布を求めることができる。なお、図８乃至図１０ではノードを特に示していないが、ノードは、例えば各図に示した仮想経路と、被測定空間の周縁と、の交点に相当する箇所に各々配置すればよい。
【００７４】
また本発明は、例えば図１１に示した中央部が括れている形状等の複雑な形状の空間にも適用可能である。複雑な形状の空間を被測定空間とする場合には、例えば図１１に被測定空間Ａ、Ｂとして示すように、被測定空間を複数の空間に分割し、各空間の周縁部に各々ノードを配置すると共に、各空間毎に別々に仮想経路を設定し（図１１の仮想経路Ａ、Ｂ参照）、各空間毎に独立に温度分布を演算した後に、前記複数の空間の境界部において温度分布が滑らかに変化するように、各空間毎に独立に演算した温度分布を各々補正すればよい。これにより、被測定空間が複雑な形状であっても、該空間の温度分布を求めることができる。
【００７５】
更に、上記では環境状態として温度分布のみを演算する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、複数種の周波数の音波について減衰量を各々測定して減衰率分布を求めることにより、被測定空間内の湿度分布も併せて演算したり、他の環境状態の演算も行うようにしてもよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１及び請求項２記載の発明は、仮想経路上の被測定空間に重なっている区間の音波の伝搬時間を実際に音波を伝搬させて測定すると共に、被測定空間外の区間の音波の伝搬時間を被測定区間外が一定温度の媒質で満たされていると仮定して推定し、  所定方向に沿った多数の仮想経路の各々の音波の伝搬時間の推定値に基づき、所定方向についての音波の伝搬時間の投影データを求めることを、複数の方向について各々行って被測定空間内の環境状態を演算するので、被測定空間内の温度分布等の環境状態を測定することを簡易な構成で実現することができる、という優れた効果を有する。
【００７７】
請求項３記載の発明は、請求項２の発明において、特定のノードの音波発生器から音波を発生させ、該発生した音波を他の複数のノードの音波検出器で同時に検出することを、音波発生器から音波を発生させるノードを切り替えながら繰り返して音波の伝搬時間を測定するので、上記効果に加え、音波の伝搬時間の測定に要する時間を短縮することができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る環境状態測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】ノードの配置を示す被測定空間の平面図である。
【図３】測定対象区間及び伝搬時間推定区間から成る仮想経路を、被測定空間の平面図に重ねて示す概念図である。
【図４】被測定空間に対して設定した直交座標系ｘ−ｙ、各仮想経路を識別するための直線Ｓの距離Ｘ及び傾きθを示す概念図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、伝搬時間データの測定順序と、伝搬時間データの処理順序と、の関係を示す概念図である。
【図６】ホストコンピュータで実行される温度分布演算処理を示すフローチャートである。
【図７】被測定空間内の温度分布の表示例を示すイメージ図である。
【図８】被測定空間の他の例を示す平面図である。
【図９】被測定空間の他の例を示す平面図である。
【図１０】被測定空間の他の例を示す平面図である。
【図１１】被測定空間の他の例を示す平面図である。
【図１２】医療用ＣＴ装置の技術を、ドーム球場等の建築物内の空間の環境状態の測定に用いた場合の問題点を説明するための、被測定空間の平面図である。
【符号の説明】
１０    環境状態測定装置
１２    ノード
１４    ホストコンピュータ
２４    被測定空間
３０    スピーカ
３２    マイクロフォン
【図１】
0003699269.tif 000012
【図２】
0003699269.tif 000013
【図３】
0003699269.tif 000014
【図４】
0003699269.tif 000015
【図５】
0003699269.tif 000016
【図６】
0003699269.tif 000017
【図７】
0003699269.tif 000018
【図８】
0003699269.tif 000019
【図９】
0003699269.tif 000020
【図１０】
0003699269.tif 000021
【図１１】
0003699269.tif 000022
【図１２】
0003699269.tif 000023