(57)【要約】【課題】トンネル内の音場を、高処理能力を有する処理装置を利用することなく短時間で予測可能なトンネル音場シミュレーション装置を提供する。【解決手段】音響特性記憶部１には、トンネル内音響特性、例えば距離減衰特性、Ｄ値が、少なくともトンネル内音源と受音点との位置関係に依存するものとして記憶される。予測演算部２は、入力部３から入力された予測条件および音響特性記憶部１に記憶された情報を利用して、トンネル音場の予測情報を演算する。予測演算部２は、インパルス応答、音圧分布、明瞭度指標値の少なくとも１つを予測演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル内の音場を予測するトンネル音場シミュレーション装置であって、
トンネル内音響特性を示す情報を記憶する音響特性記憶部と、
前記音響特性記憶部に記憶された情報を利用してトンネル音場の予測情報を演算する予測演算部とを有し、
前記トンネル内音響特性は、少なくともトンネル内音源と受音点との位置関係に依存するものとして記憶されるものであるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項２】
請求項１記載のシミュレーション装置であって、
前記トンネル内音響特性は、トンネルの断面情報に対応して複数種類記憶されるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項３】
請求項２記載のシミュレーション装置であって、
前記トンネルの断面情報は、断面形状と車線数によって特定されるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載のシミュレーション装置であって、
前記トンネル内音響特性は、使用される音源の指向特性に対応して複数種類記憶されるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載のシミュレーション装置であって、
前記トンネル内音響特性には、距離減衰特性が含まれるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項６】
請求項５記載のシミュレーション装置であって、
前記予測演算部は、インパルス応答の初期反射音部の演算に際して、前記距離減衰特性を利用するものであるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項７】
請求項５又は６記載のシミュレーション装置であって、
前記予測演算部は、音圧分布の演算に際して、前記距離減衰特性を利用するものであるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項記載のシミュレーション装置であって、
前記トンネル内音響特性には、直接音と反射・残響音のエネルギー比であるＤ値が含まれるトンネル音場シミュレーション装置。
【請求項９】
請求項８記載のシミュレーション装置であって、
前記予測演算部は、明瞭度指標値を演算するに際して、前記Ｄ値を利用するものであるトンネル音場シミュレーション装置。
明瞭度の指標となる子音明瞭度損失を簡単に求めることができる。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項記載のシミュレーション装置であって、
前記予測演算部は、１つの音源部による予測情報を用いて、複数の音源部による予測情報を演算するものであるトンネル音場シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル内の音場を予測するトンネル音場シミュレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
拡声システムの設計に際しては、拡声音響の明瞭度を向上させるために、事前に音場を予測して検討することが重要である。音場の予測は、一般に、境界要素法や有限要素法等の波動方程式を解く方法、虚像法や音線法と呼ばれる幾何音響理論を用いた方法が用いられる。
【０００３】
一方、同一断面が連続するトンネルの音場は、次のような特徴を有する。１つは、距離減衰が少ないということであり、２つ目は、暗騒音が大きいということであり、３つ目は、低音域での残響時間長いということである。
【０００４】
距離減衰が少ないということは、隣接するスピーカからの音の減衰量が少なく音に時間差ができて２重に聞こえるということであり、しかも、隣接するスピーカからの音は逆方向からの到来するため、両耳で聞くと、特に激しいエコー現象になるということである。明瞭度を悪化させる主な要因は、ノイズ、エコー、残響であり、トンネル内の拡声システムの設計に際して、音場を予測することは特に重要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法でトンネルの音場を精度よくかつ効率的に予測することは非常に困難である。キルヒホッフの積分方程式等の波動方程式を解く方法は、境界の音響特性とスピーカ等の駆動面の振動特性を入力し、目的に応じた解析（インパルス応答解析）を実施し、インパルス応答を求めるものであるが、時間的にもデータ量的にも、実施が困難である。すなわち、モデル化されたトンネルを解析したい周波数に対応する大きさ（波長λの１／４）にトンネルを要素分割して各要素に対して音圧と粒子速度を各々算出する必要があり、例えば４ｋＨｚの周波数の音を解析するためには、約２ｃｍ（＝λ／４）四方の要素に分割して演算する必要があり、現状のコンピュータで算出することは、非常に難しい。
【０００６】
幾何音響理論を用いた方法は、音源と受音点との位置関係から音源の経路を求めるものであるが、トンネルのような反射性の高い壁に囲まれた場所の場合、反射回数を増やさないと精度の高いインパルス応答は、導き出せない。反射回数を増やすと、計算量が指数関数的に増加し、実用的なレベルのインパルス応答を算出することは非常に困難である。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、トンネル内の音場を、高処理能力を有する処理装置を利用することなく短時間で予測可能なトンネル音場シミュレーション装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のトンネル音場シミュレーション装置は、トンネル内音響特性を示す情報を記憶する音響特性記憶部と、前記音響特性記憶部に記憶された情報を利用してトンネル音場の予測情報を演算する予測演算部とを有し、前記トンネル内音響特性は、少なくともトンネル内音源と受音点との位置関係に依存するものとして記憶されるものである。このように構成すると、予測演算量を減らすことができ、高処理能力を有する処理装置を利用することなく短時間でトンネル音場を予測することができる。
【０００９】
本発明のシミュレーション装置は、前記トンネル内音響特性として、トンネルの断面情報に対応して複数種類記憶するものである。トンネル音場は、トンネルの断面情報とトンネル長さに依存するので、複数の断面に対応したトンネル内音響特性を記憶しておくことにより、トンネルの種類にかかわらず予測が可能となる。
【００１０】
本発明のシミュレーション装置は、前記トンネルの断面情報として、断面形状と車線数によって特定するものである。大部分のトンネルの断面は、断面形状と車線数によってほぼ特定できるので、予測を行う際の音響空間の特定が簡単になる。
【００１１】
また、本発明のシミュレーション装置における前記トンネル内音響特性は、使用される音源の指向特性に対応して複数種類記憶されるものである。したがって、音源として使用されるスピーカとして、異なる指向特性を有するものでも適確な予測が可能となる。
【００１２】
本発明のシミュレーション装置における前記トンネル内音響特性には、距離減衰特性が含まれるものである。
【００１３】
また、本発明のシミュレーション装置における前記予測演算部は、インパルス応答の初期反射音部の演算に際して、前記距離減衰特性を利用するものである。
【００１４】
また、本発明のシミュレーション装置における前記予測演算部は、音圧分布の演算に際して、前記距離減衰特性を利用するものである。こうすると、幾何音響理論を用いた方法によるインパルス応答の予測、音圧の予測を行う際の演算量を減らすことができる。
【００１５】
本発明のシミュレーション装置における前記トンネル内音響特性には、直接音と反射・残響音のエネルギー比であるＤ値が含まれるものである。
【００１６】
また、本発明のシミュレーション装置における前記予測演算部は、明瞭度指標値を演算するに際して、前記Ｄ値を利用するものである。こうすると、明瞭度の指標となる子音明瞭度損失を簡単に求めることができる。
【００１７】
本発明のシミュレーション装置における前記予測演算部は、１つの音源部による予測情報を用いて、複数の音源部による予測情報を演算するものである。したがって、複数音源を設定する場合でも、トンネル内の音場を簡単に予測することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態のトンネル音場シミュレーション装置の概略構成を示す図であり、音響特性記憶部１、予測演算部２、入力部３、表示部４、模擬音声信号生成部５、スピーカ６を含む。
【００１９】
音響特性記憶部１は、トンネル内音響特性を示す情報を記憶するものであり、トンネル内音響特性を、少なくともトンネル内音源と受音点との位置関係に依存するものとして記憶される。また、記憶される特性として、距離減衰特性と、直接音と反射・残響音のエネルギー比であるＤ値の少なくとも一方が含まれる。
【００２０】
予測演算部２は、音響特性記憶部１に記憶された情報を利用して、トンネル音場の予測情報を演算するものであり、具体的には、所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成される。予測演算部２は、インパルス応答、音圧分布、明瞭度指標値の少なくとも１つを予測演算する。
【００２１】
入力部３は、トンネル音場シミュレーション装置によって予測値を得る際に必要な情報を入力するもので、少なくとも予測情報（インパルス応答、音圧分布、明瞭度指標値）の種類、予測しようとするトンネルに関する情報、トンネル内の音源となるスピーカに関する情報を入力する。入力は、表示部４に表示されたメニュー情報、あるいはガイダンス情報にしたがって行うようにするのが好ましい。
【００２２】
表示部４は、入力のためのメニュー情報、あるいはガイダンス情報を出力すると共に、予測演算部２によって演算された予測情報を表示するものである。予測された音圧分布を表示する場合、各受音点毎、周波数帯域毎に算出した音圧レベルを、レベルに応じた色を設定して視覚的に表示することが可能である。また、予測された明瞭度指標値を表示する場合も、明瞭度の分布特性を視覚的に表示することができる。
【００２３】
模擬音声信号生成部５は、予測演算部２で演算したインパルス応答に基づく模擬音声信号を演算して出力するもので、ＤＳＰ等によって構成される。そして、その出力は、スピーカ６に送られ、実際に試聴するために利用される。模擬音声信号生成部５及びスピーカ６は、省略可能である。
【００２４】
入力部３、表示部４、模擬音声信号生成部５の動作を含むトンネル音場シミュレーション装置全体の動作は、予測演算部２を構成するプロセッサ又は図示しない制御用のプロセッサによって制御される。
【００２５】
次に、音響特性記憶部１に記憶されるトンネル内音響特性について、さらにくわしく説明する。図２は、トンネル内音源と受音点との間の距離ｒと減衰量との関係を示したものである。減衰量は、音源であるスピーカの指向特性Ｑ毎に、予め演算又は実測によって求める。このような距離減衰量情報は、所定の関数式で記憶しても、具体的数値を表形式で記憶してもよい。
【００２６】
トンネルの音場をシミュレートするには、トンネルの幾何学的形状及び壁面、底面の反射係数が必要であるが、トンネルの断面形状は、ほぼ２種類（四角形と丸形）であり、幅は、車線数に依存するためほぼ３種類（１〜３車線幅）であり、高さもほぼ幅に依存するため、６種類程度の形状について求めておくだけで充分である。また、トンネルの壁面及び底面の材料は、ほぼ同一であるので、その反射係数も同一とみなすことができる。
【００２７】
したがって、距離減衰量情報は、トンネルの幾何学的形状（断面形状、車線数によって特定）に対応して、図２に示すような特性情報を、複数記憶しておくだけで、大部分のトンネルについてシミュレートが可能となる。距離減衰量情報は、インパルス応答の初期反射音の演算、音圧分布の演算に利用される。
【００２８】
図３は、トンネル内音源と受音点との間の距離ｒとＤ値との関係を示したものである。Ｄ値は、直接音と反射・残響音のエネルギー比を示す音響物理指標値であり、明瞭度指標値の１つである子音明瞭度損失（％ＡＬｃｏｎｓ）の演算に利用される。Ｄ値も距離減衰量情報と同様、音源であるスピーカの指向特性Ｑ毎、トンネルの幾何学的形状毎に予め演算又は実測によって求める。記憶方法も距離減衰量情報と同様、所定の関数式又は表形式の具体的数値が採用できる。関数式を用いる場合は、トンネルの幾何学的形状及び壁面の材料等のバリエーションを増やすことができる。
【００２９】
子音明瞭度損失（％ＡＬｃｏｎｓ）は、残響時間をＲＴとすると、％ＡＬｃｏｎｓは、ＲＴとＤ値を利用して得られる。残響時間ＲＴは、予め音響特性記憶部１に記憶しておいても、演算によって求めてもよい。
【００３０】
本発明のトンネル音場シミュレーション装置の予測動作を、図４〜図６の概略フロー図を用いて説明する。図４は装置全体の概略動作を示し、図５及び図６は、それぞれインパルス応答及び明瞭度指標を算出する際の概略動作を示す。
【００３１】
シミュレーションを行うに際しては、まずシミュレーションの条件情報の入力を入力部３を利用して行う。ステップＳ１０１では、トンネルに関する情報を入力する。トンネルの種類を断面形状、車線数で区別する場合には、表示部４に表示されたメニュー情報を選択することによって入力するのが好ましい。トンネルの長さは、数値情報として入力する。
【００３２】
次いで、ステップＳ１０２では、音源となるスピーカに関する情報を入力する。具体的には、スピーカの種類及び設置位置を入力する。シミュレーションに必要なスピーカの指向特性Ｑは、直接入力するようにしてもよいが、予め選択可能なスピーカの機種に対応して記憶させたものを用いるのが好ましい。
【００３３】
ステップＳ１０３では、予測情報、すなわちどのような情報をシミュレーションによって得るかを設定し、ステップＳ１０４では、受音点情報、すなわちトンネル内のどの位置又は領域における予測情報を得るかを設定する。受音点情報は、１又は複数の特定の位置を指定してもよいし、間隔情報を指定してもよい。
【００３４】
シミュレーション条件が設定されると、ステップＳ１０５でシミュレーションを実行し、ステップＳ１０６でその結果を出力する。
【００３５】
続いて、予測演算部２によるインパルス応答の予測処理について、図５を用いて説明する。インパルス応答の算出は、初期部（初期反射音部）の算出と後期部（後期反射音部）の算出に分けて実施し、初期部の算出に音響特性記憶部１に記憶した距離減衰特性を利用する。なお、図５は、１つの受音点におけるインパルス応答の算出フローを示したものであり、複数の受音点について算出する場合には、受音点を変化させて同様の処理を繰り返す。
【００３６】
ステップＳ２０１では、１つのスピーカから受音点への音線経路を算出する。音線経路の算出は、音線法又は虚像法を用いる。次いで、スピーカから受音点までの到達距離を算出した音線経路にしたがって算出し、さらに到達時間を算出する（ステップＳ２０２）。また、音響特性記憶部１の距離減衰値を参照し、受音点における到達レベルを得る（ステップＳ２０３）。
【００３７】
ステップＳ２０２及びＳ２０３の処理を、算出した音線経路すべてについて実行後（ステップＳ２０４）、頭部伝達関数を考慮した補正を行い（ステップＳ２０５、時間軸上で加算する（ステップＳ２０６）。
【００３８】
複数の音線に基づく応答が得られた後、ステップＳ２０７で後部残響音を付加して、１つのスピーカによるインパルス応答とする。付加する後部残響音は、トンネルの種類に応じて、予め実測残響音を登録しておき、初期応答に時間軸上で付加する。残響時間周波数特性を利用して残響音を自動生成してもよい。
【００３９】
ステップＳ２０１からＳ２０７までの処理は、設定されたスピーカ毎に実行され、すべてのスピーカについての処理が終了すると（ステップＳ２０８）、スピーカ毎のインパルス応答を時間軸上で加算して複数スピーカによるインパルス応答とする（ステップＳ２０９）。
【００４０】
次に、予測演算部２による明瞭度の予測処理について、図６を用いて説明する。ステップＳ３０１では、明瞭度を算出しようとする受音点と設定されたスピーカとの距離を算出する。複数のスピーカが設定されている場合には（ステップＳ３０２で判断）、ステップＳ３０３で、最も近い位置のスピーカによる直接成分と残響成分を算出する。具体的には、図５で説明した方法と同様の方法で、受音点に到来するエネルギーレベルを算出し、音響特性記憶部１に記憶されたＤ値を利用してその直接成分と残響成分に分離する。
【００４１】
次いで、最短距離のスピーカ以外のスピーカからの音の到達時間を求め、最短距離のスピーカに対する遅れを算出する（ステップＳ３０４）。遅れが所定値（例えば、３０〜５０ｍｓ程度）以下かどうかを判断する（ステップＳ３０５）。所定値以下である場合には、そのスピーカによる直接成分と残響成分をステップＳ３０３と同様の方法で算出する（ステップＳ３０６）。そして、最短距離のスピーカによる直接成分と残響成分に、成分毎に加算する（ステップＳ３０７）。
【００４２】
ステップＳ３０５で、遅れが所定値以下でないと判断された場合は、そのスピーカによる全エネルギー成分を最短距離のスピーカによる残響成分に加算する（ステップＳ３１０）。
【００４３】
すべてのスピーカについて、上記した処理を実行後、ステップＳ３０８で、加算された直接成分と残響成分の比を求め、新たなＤ値を求める。そして、ステップＳ３０９で、子音明瞭度損失（％ＡＬｃｏｎｓ）を算出する。設定されたスピーカが１つである場合は、ステップＳ３１１で、音響特性記憶部１からＤ値を読出し、読み出したＤ値に基づいて、ステップＳ３０９で、子音明瞭度損失（％ＡＬｃｏｎｓ）を算出する。
【００４４】
なお、図６は、図５と同様、１つの受音点における明瞭度の算出フローを示したものであり、複数の受音点について算出する場合には、受音点を変化させて同様の処理を繰り返す。また、明瞭度の出力に際しては、分布状況を明瞭度レベル毎に色分けして可視表示すると、設計検証が簡単になる。
【００４５】
次に、トンネル内の音圧分布の予測について説明する。音圧分布は、図５を用いて説明したインパルス応答の予測と同様の距離減衰値を用いて行う。そして、各受音点について、周波数帯域毎に音圧を算出する。また、音圧分布の出力は、明瞭度と同様、分布状況をレベル毎に色分けして可視表示するのが好ましい。
【００４６】
なお、明瞭度や音圧の分布を予測する場合には、予測すべき受音点の位置を直接設定する代わりに、予測しようとする領域、及び予測密度を設定することにより、自動的に受音点を生成するようにするのが好ましい。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、トンネル内の音場を、高処理能力を有する処理装置を利用することなく短時間で予測可能なトンネル音場シミュレーション装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のトンネル音場シミュレーション装置の概略構成を示す図
【図２】トンネル内音源と受音点との間の距離ｒと減衰量との関係を示す図
【図３】トンネル内音源と受音点との間の距離ｒとＤ値との関係を示す図
【図４】本発明のトンネル音場シミュレーション装置の予測動作の概略フローを示す図
【図５】インパルス応答を算出する際の概略動作フローを示す図
【図６】明瞭度指標を算出する際の概略動作フローを示す図
【符号の説明】
１・・・音響特性記憶部
２・・・予測演算部
３・・・入力部
４・・・表示部
５・・・模擬音声信号生成部
６・・・スピーカ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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