(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の位置から一定波形の音波を発し、被測定空間によって前記第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、前記第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、前記第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返し（但しＲ≧２）、
前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、Ｒ回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、
前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する
伝播時間測定方法。
【請求項２】
第１の位置から一定波形の音波を発し、被測定空間によって前記第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、前記第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間から、前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を減算した値よりも長くなるように複数回繰り返し、
前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、
前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する
伝播時間測定方法。
【請求項３】
被測定空間の周縁部の互いに異なる複数箇所の間の音波の伝搬時間を、請求項１又は請求項２記載の伝播時間測定方法により各々測定し、
前記複数箇所の間の音波の伝播時間の測定値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４】
第１の位置に配置された音波発生手段から一定波形の音波を発生させ、被測定空間によって前記第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を前記第２の位置に配置された音波検出手段によって検出させる音波検出処理を、前記第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、前記第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返し（但しＲ≧２）、前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、Ｒ回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する第１の伝播時間測定処理、又は、前記音波検出処理を、前記第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間から、前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を減算した値よりも長くなるように複数回繰り返し、前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する第２の伝播時間測定処理により、被測定空間の周縁部の互いに異なる複数箇所の間の音波の伝搬時間を各々測定する伝播時間測定手段と、
前記伝播時間測定手段によって測定された前記複数箇所の間の音波の伝播時間の測定値に基づいて被測定空間内の環境状態を演算する演算手段と、
を含む環境状態測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は伝播時間測定方法、環境状態測定方法及び環境状態測定装置に係り、特に、空間内の音波の伝播時間を測定する伝播時間測定方法、該伝播時間測定方法を利用して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】
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、人体に対して多方向からＸ線を照射し、人体を透過したＸ線量を高感度のセンサで測定し、測定されたＸ線量に基づき人体の横断面に沿った各位置における体内組織のＸ線吸収量をコンピュータにより演算して２次元画像として再構成し、人体の横断面像としてモニタに表示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。また、Ｘ線に代えて超音波を用いることも知られている。
【０００５】
上記のＣＴ技術によれば、測定対象（この場合は人体）内部の状態を非接触で測定することができるので、このＣＴ技術を利用して被測定空間内の温度分布を求めることが提案されている。具体的には、Ｘ線に代えて、媒質の温度によって伝搬時間（速度）が変化する音波を用い、例えば被測定空間を区画している壁体の多数箇所にスピーカ、マイクロフォン、温度センサを設け、スピーカ及びマイクロフォンによって前記多数箇所の間の音波の伝搬時間を各々測定し、被測定空間内の多数箇所の間の音波の伝搬時間から、被測定空間内の温度分布を演算によって求めている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロフォンから出力される信号には、マイクロフォン自体で発生するノイズや被測定空間内で発生する音等に起因する雑音成分が重畳されており、検出対象の音波（温度分布の測定を目的としてスピーカから発せられてマイクロフォンに到達した音波）に相当する信号成分を弁別することは困難である。
【０００７】
これに対して本願発明者等は、上記の雑音成分の周期・振幅のランダム性（不規則性）が高いことに着目し、被測定空間を横切る多数の伝播時間測定区間について、スピーカから音を発し、マイクロフォンから出力された信号の波形を記憶する音波検出処理を各々複数回行い、複数回の処理によって得られた複数の波形の平均に相当する波形を求めれば、雑音成分が除去された信号が得られる可能性があることに想到した。しかし、上記技術の有効性を確認する実験を行ったところ、上記技術を適用しても検出対象の音波に相当する信号成分の弁別は困難であることが明らかとなった。
【０００８】
すなわち、スピーカから音（音波）を発すると、スピーカからマイクロフォンへ向けて直線的に伝播する音波（被測定空間内に存在する物体等に反射されることなくスピーカからマイクロフォンに直接伝播する音波：直接波）以外に、被測定空間内に存在する物体や、被測定空間の周縁が壁体によって区画されている場合の璧体等に反射した音波（間接波：残響音）も、直接波より若干遅れてマイクロフォンに到達する（図１４参照）。
【０００９】
本来の測定対象は直接波の伝播時間であるが、音波検出処理を複数回行った場合、ｎ回目（ｎは整数）の音波検出処理でスピーカから発せられた音波のうち残響音としてマイクロフォンに到達する間接波が、ｎ＋１回目以降の音波検出処理でスピーカから発せられた音波のうちスピーカからマイクロフォンに直接伝播する直接波に重畳されることで、マイクロフォンから出力される信号の波形が大きく歪み、検出対象の音波（直接波）に相当する信号成分を弁別することは困難であった。
【００１０】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、残響音等の雑音成分の影響を排除して被測定空間内の音波の伝播時間を高精度に測定することができる伝播時間測定方法を得ることが第１の目的である。
【００１１】
また本発明は、被測定空間内の温度分布等の環境状態を高精度に測定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第２の目的である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の目的を達成するために請求項１記載の発明に係る伝播時間測定方法は、第１の位置から一定波形の音波を発し、被測定空間によって前記第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、前記第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、前記第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返し（但しＲ≧２）、前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、Ｒ回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する。
【００１３】
第１の位置から一定波形の音波を発したときに、被測定空間によって第１の位置と隔てられた第２の位置へ残響音として到達する音波（間接波）の波形、第１の位置から第２の位置へ至る伝播経路、及び伝播時間を特定することは困難であるが、上記の波形・伝播経路・伝播時間は常に略一定である。
【００１４】
請求項１記載の発明では、第１の位置から一定波形の音波を発し、被測定空間によって第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返している（但しＲ≧２）。なお、音波検出処理は、例えば第１の位置にスピーカ等の音波発生手段を設けると共に、第２の位置にマイクロフォン等の音波検知手段を設けることで行うことができる。前述のように、第１の位置から音波が発せられてから直接波が第２の位置へ到達する時間（直接波の伝播時間）は略一定であるので、上記のように、第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するように、音波検出処理をＲ回繰り返した場合、Ｒ回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形を、第１の位置から音波が発せられたタイミングを一致させて比較したとすると、各波形に重畳されている残響音に相当する成分の位相は互いに相違する。
【００１５】
請求項１の発明では、第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、Ｒ回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求めているので、各波形に重畳されている残響音に相当する成分は、各波形に重畳されている前記成分の位相が互いに相違していることにより、他の雑音成分と同様に除去される。なお、上記平均に相当する波形は、例えば加算平均等を適用して求めることができる。
【００１６】
そして請求項１の発明では、前記平均に相当する波形と第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する。前述のように、平均に相当する波形からは残響音や他の雑音に相当する成分が除去されているので、上記のようにして演算した相関性に基づいて第１の位置から第２の位置へ直接伝播した音波に相当する成分を容易に弁別することができ、残響音等の雑音成分の影響を排除して被測定空間内の音波の伝播時間（第１の位置から第２の位置へ至る音波の伝播時間）を高精度に測定することができる。
【００２０】
また、第１の目的を達成するために請求項２記載の発明に係る伝播時間測定方法は、第１の位置から一定波形の音波を発し、被測定空間によって前記第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、前記第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間から、前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を減算した値よりも長くなるように複数回繰り返し、前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する。
【００２１】
請求項２記載の発明では、第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が被測定空間によって第１の位置と隔てられた第２の位置に到達する迄の最長伝播時間（残響音として第２の位置に到達する音波の伝播時間）から、第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間（この伝播時間としては、例えば推定値や過去の演算によって得られた値等を用いることができる）を減算した値よりも長くなるように、音波検出処理を複数回繰り返すようにしている。
【００２２】
これにより、複数回の音波検出処理を完了する迄に若干時間がかかる可能性はあるものの、ｎ回目の音波検出処理で第１の位置から発せられた音波が、残響音に相当する成分を含めて全て第２の位置に到達した後に、ｎ＋１回目の音波検出処理で第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達し始めることになるので、ｎ回目の音波検出処理で発生した残響音に相当する成分が、ｎ＋１回目の音波検出処理で第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波に重畳することを回避することができる。
【００２３】
そして請求項２の発明では、第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、平均に相当する波形と第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算するので、残響音等の雑音成分の影響を排除して被測定空間内の音波の伝播時間を高精度に測定することができる。
【００２４】
第２の目的を達成するために請求項３記載の発明に係る環境状態測定方法は、被測定空間の周縁部の互いに異なる複数箇所の間の音波の伝搬時間を、請求項１又は請求項２記載の伝播時間測定方法により各々測定し、前記複数箇所の間の音波の伝播時間の測定値に基づいて被測定空間内の環境状態を演算する。
【００２５】
請求項３記載の発明では、被測定空間の周縁部の互いに異なる複数箇所の間の音波の伝搬時間を、請求項１又は請求項２記載の伝播時間測定方法により各々測定するので、請求項１又は請求項２の発明と同様に、複数箇所の間の音波の伝播時間を、残響音等の雑音成分の影響を排除して高精度に測定することができる。そして請求項３の発明では、複数箇所の間の音波の伝播時間の測定値に基づい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高精度に測定することができる。
【００２６】
なお、請求項３の発明における被測定空間内の環境状態の演算は、詳しくは、例えば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実現できるが、下記のようにして演算することが好ましい。
【００２７】
すなわち、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（各仮想経路と被測定空間の周縁との交点が請求項３に記載の複数箇所に相当）の音波の伝搬時間を、請求項１又は請求項２記載の伝播時間測定方法により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ことが好ましい。
【００２８】
上記では、伝搬時間測定経路の長さを仮想的に一致させることで、音波の伝搬時間の投影データを取得できるので、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）を適用することができ、演算時間の短縮や伝播時間を測定するための装置構成の簡易化を実現できる。
【００２９】
請求項４記載の発明に係る環境状態測定装置は、第１の位置に配置された音波発生手段から一定波形の音波を発生させ、被測定空間によって前記第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を前記第２の位置に配置された音波検出手段によって検出させる音波検出処理を、前記第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、前記第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返し（但しＲ≧２）、前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、Ｒ回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する第１の伝播時間測定処理、又は、前記音波検出処理を、前記第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間から、前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を減算した値よりも長くなるように複数回繰り返し、前記第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と前記第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を前記第１の位置から前記第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する第２の伝播時間測定処理により、被測定空間の周縁部の互いに異なる複数箇所の間の音波の伝搬時間を各々測定する伝播時間測定手段と、前記伝播時間測定手段によって測定された前記複数箇所の間の音波の伝播時間の測定値に基づいて被測定空間内の環境状態を演算する演算手段と、を含んで構成されているので、請求項３の発明と同様に、被測定空間内の温度分布等の環境状態を高精度に測定することができる。
【００３０】
【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。
【００３１】
〔第１実施形態〕
図１には、本第１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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
ノード１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、…は各々同一の構成であるので、以下ではノード１２Ａ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。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に接続されている。
【００３５】
次に本第１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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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）。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
なお、本実施形態では、音波の伝搬時間の測定に際してノード１２のスピーカ３０から一定波形の音波を発生させる。スピーカ３０から前記一定波形の音波を発生するための音波データ（一定波形（例えば図９（Ａ）に示す波形）の音波をアナログの音声信号に変換し更にデジタルデータに変換したもの）は、各周波数帯域毎に各々生成されてホストコンピュータ１４のＲＯＭ１４Ｂ等に予め記憶されており、ステップ１０２では、ステップ１００で設定した周波数帯域に対応する音波データを全てのノード１２に転送する。次のステップ１０４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を代入する。
【００４２】
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番号ｍのノード（以下、単にノードｍという）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）が予め定められており、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。ステップ１０６では、ノードｍ（最初はノード番号１のノード）に対応する測定対象のノード１２のノード数Ｐ及びノード番号（ｎ１  、ｎ２  、…）をＲＯＭ１４Ｂから取り込むことによって判定する。
【００４３】
また本実施形態では、音波の伝播時間の測定に際し、音波発生対象のノードからの音波の発生及び測定対象のノードに到達した音波の測定（以下、音波検出処理と総称する）を、個々の測定対象区間について各々Ｒ回（Ｒ≧２）行う。更に本実施形態では、ノードｍからの１回目の音波の発生開始タイミングを時刻により規定し、ノードｍからの２回目以降の各回の音波の発生開始タイミングについては、音波発生開始の時間間隔によって規定している（ｉ（ｉ≧２）回目の音波の発生を開始するタイミングを、ｉ−１回目の音波の発生を開始してからの時間間隔で規定している）。
【００４４】
このため、まずステップ１０８では、音波発生対象のノードｍからの１回目の音波の発生開始タイミングに相当する音波発生時刻を決定する。また、次のステップ１１０では、音波発生対象のノードｍからの２回目以降の各回の音波発生開始タイミングを規定する音波発生開始の時間間隔を、乱数を発生させる関数を利用して各々決定する。従って、ノードｍからのＲ回の音波の発生は互いに異なる非一定の時間間隔で行われることになる。
【００４５】
ステップ１１２では、音波発生タイミングとして、ステップ１０８で決定した音波発生時刻及びステップ１１０で決定した音波発生開始の時間間隔を測定対象の各ノードに各々通知する。ステップ１１４では、音波検出処理の実行回数を表すカウント値ｉに１を代入する。次のステップ１１６では、音波発生タイミングが到来したか否か判定し、判定が肯定される迄待機する。音波発生タイミングが到来すると、ステップ１１６の判定が肯定されてステップ１１８へ移行し、音波発生対象のノードｍに対し、先に転送した音波データを用いて音波を発生するよう指示する。
【００４６】
音波発生対象のノードｍでは、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から音波の発生が指示されると、先に転送された音波データをＤ／Ａ変換器３６に出力する。データ処理部３８から出力された音波データは、Ｄ／Ａ変換器３６でアナログの音声信号に変換され、増幅器３４によって所定の増幅率で増幅された後にスピーカ３０に供給される。これにより、ノードｍのスピーカ３０からは、ステップ１１６で判定された音波発生タイミングで、一定波形の音波が所定の音量で発せられる。なお、音波発生対象のノードｍの配置位置は本発明の第１の位置に対応している。
【００４７】
ノードｍのスピーカから発せられた音波は被測定空間２４全域に放射され、他のノード１２のマイクロフォン３２で各々検知される。これにより、各ノードのマイクロフォン３２からはアナログの音声信号が出力され、出力された音声信号はフィルタ／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で一定のサンプリング周期でサンプリングされてデジタルのデータ（音波測定データ）に変換された後にデータ処理部３８に入力される。
【００４８】
測定対象の各ノードのデータ処理部３８では、ホストコンピュータ１４から通知された音波発生タイミングになると、所定時間が経過する迄の間、Ａ／Ｄ変換器４２を介して順次入力される音波測定データをメモリ等へ記憶する。なお、測定対象の各ノードの配置位置は本発明の第２の位置に対応している。
【００４９】
一方、音波発生対象のノードｍに対して音波の発生を指示するとステップ１２０へ移行し、カウント値ｉが音波検出処理の実行回数Ｒに等しくなったか否か判定する。判定が否定された場合にはステップ１２２へ移行し、カウント値ｉの値を１だけインクリメントしてステップ１１６に戻る。これにより、ステップ１１６では先のステップ１１０で決定した時間間隔に基づいて音波発生タイミングの到来が判定される。
【００５０】
ステップ１１６〜ステップ１２２はステップ１２０の判定が肯定される迄繰り返されるので、ノードｍとノードｍに対応する測定対象の各ノードとの間の測定対象区間（例えば図５（Ａ）において、単一の測定対象空間の図に重ねて示した放射状の線に相当する測定対象区間）について、非一定の周期で音波検出処理がＲ回繰り返されることになる。
【００５１】
ステップ１２０の判定が肯定されるとステップ１２４へ移行し、全ての測定対象区間について音波検出処理を行ったか否か判定する。判定が否定された場合にはステップ１２６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１０６に戻る。これにより、ステップ１２４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１０６〜１２６が繰り返され（所謂ファンビーム測定：図５（Ａ）参照）、全ての測定対象区間について音波検出処理が各々Ｒ回行われることになる。
【００５２】
測定対象とされたノードでは、Ｒ回の音波検出処理が終了すると（Ｒ個の音波測定データをメモリに記憶すると）、図７に示す伝播時間演算処理を行う。この伝播時間演算処理では、まずステップ１８０において、Ｒ回の測定（音波検出処理）で得られたＲ個の音波測定データを取り込み、ステップ１８２において、各音波検出処理における音波発生時刻を基準として、取り込んだＲ個の音波測定データから、各音波測定データが表す波形の平均に相当する波形を表す平均波形データを生成する。
【００５３】
音波測定データは、マイクロフォン３２で検出された音波の振幅を、Ａ／Ｄ変換器４２のサンプリング周期に相当する時間間隔で時系列に表すデータであり、上記の平均波形データは、音波発生時刻からの経過時間を基準とし、前記経過時間が或る値のときの振幅値をＲ個の音波測定データから各々抽出し、抽出した振幅値の平均値を演算することを、前記経過時間の値を徐々に変化させながら繰り返し、演算結果を時系列に並べることで生成することができる（所謂加算平均）。
【００５４】
本第１実施形態では、音波検出処理の実行周期を乱数を用いて非一定としているので、音波発生対象のノードから発生された音波のうち、音波発生対象のノードから測定対象のノードに直接伝播する音波（直接波：測定対象音波）が測定対象のノードに到達するタイミングに対し、前記発生された音波のうち音波発生対象のノードから被測定空間２４の壁体２２等で反射されて測定対象のノードに伝播する音波（残響音）が測定対象のノードに到来するタイミングがＲ回の音波検出処理で毎回相違し、Ｒ個の音波測定データが表す波形における残響音に相当する成分が重畳されている位置（タイミング）も互いに相違する。
【００５５】
従って、Ｒ個の音波測定データが表す各波形に重畳されている残響音に相当する成分は、各波形への重畳位置のランダム性（不規則性）により、平均波形データ生成時に他の雑音成分と同様に除去され、平均波形データが表す波形は、例として図９（Ｂ）にも示すように、測定対象のノードに到来した音波のうち、測定対象音波以外の成分（残響音や他の雑音に相当する成分）の振幅が非常に小さく抑制されると共に、測定対象音波の波形が歪みなく再現された波形となる。
【００５６】
これは、音波検出処理を一定周期で複数回繰り返した場合に得られる平均波形データが表す波形（一例を図１３（Ｂ）に示す）と比較しても明らかである。図１３（Ｂ）に示す波形では、残響音や他の雑音に相当する成分の影響により、測定対象音波の波形が大きく歪んでいることが確認できる。なお、上述したステップ１８０、１８２は本発明の「複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め」ることに対応している。
【００５７】
次のステップ１８４では、平均波形データが表す波形とホストコンピュータ１４から転送された音波データが表す波形との相関性を演算する。本実施形態に係る音波データは、音波測定データと同様に、音波発生対象ノードから発生すべき音波の振幅（の推移）を、波形の始まりから波形の終わり（ｔWAVE＝０〜ｔLAST：図９（Ａ）参照）に亘り、前記サンプリング周期に相当する時間間隔で時系列に表すデータである。
【００５８】
従って、平均波形データが表す波形と音波データが表す波形との相関性は、音波発生時刻から測定対象音波（直接波）が到達する迄の時間（音波の伝播時間）として或る値ｔX を仮定し、ｔWAVEが所定値（初期値はｔWAVE＝０）のときの振幅値を表すデータを音波データから取り出すと共に、対応するタイミング（音波発生時刻からｔX ＋ｔWAVE経過したタイミング）における振幅値を表すデータを平均波形データから取り出し、両者を乗算することを、ｔWAVEの値を０〜ｔLAST迄順に変化させながら繰り返し、乗算結果を積算することで求めることができる。
【００５９】
上記の演算によって求まる相関性の値は、音波発生時刻から時間ｔX が経過したときに測定対象音波が測定対象のノードに到達した確からしさを表しており（相関性の値が符号が正でかつ絶対値が大きくなる程、前記確からしさが高いとみなすことができる）、上記の演算処理を、時間ｔX の値を徐々に変化させながら繰り返すことで、例として図９（Ｃ）に示すように、平均波形データが表す波形と音波データが表す波形との相関性の値の時間軸に沿った推移を表すデータを得ることができる。
【００６０】
次のステップ１８６では、ステップ１８４における相関性の演算結果に基づいて、相関性の値が最大になるときの時間ｔX の値を求め、音波発生対象のノードから測定対象のノード（自ノード）への測定対象音波（直接波）の伝播時間として、相関性の値が最大のときの時間ｔX を設定し、設定した伝播時間を、ノードｍからノードｎへの音波の伝播時間データｔmnとしてホストコンピュータ１４へ転送し、伝播時間演算処理を終了する。
【００６１】
前述のように、平均波形データが表す波形は、測定対象音波以外の成分（残響音や他の雑音に相当する成分）の振幅が非常に小さく抑制された波形であるので、図９（Ｃ）からも明らかなように、ステップ１８４の演算によって求まる相関性の値は、時間ｔX の値が音波発生対象のノードから測定対象のノードへの測定対象音波の伝播時間に一致したときに正の最大値となり、時間ｔX の値がその前後の値のときにも相関性の値の絶対値は多少大きいものの、時間ｔX の値が前記伝播時間と大きく異なる値のときには相関性の値の絶対値は非常に小さな値となる。従って、伝播時間を正確に測定・設定することができる。
【００６２】
参考までに、音波検出処理を一定周期で複数回繰り返した場合、相関性の演算結果は、一例として図１３（Ｃ）のような推移を示す。図１３（Ｃ）の例では、特に残響音に相当する成分の影響により、測定対象音波が到達した後の期間における相関性の値が大きく変動しており、前記期間における相関性の値によっては伝播時間が誤判定される可能性がある。これに対し、音波検出処理の実行周期を非一定とすれば、伝播時間を誤判定することを回避できる。
【００６３】
測定対象とされた各ノードにおいて、Ｒ回の音波検出処理が終了する毎に上述した伝播時間演算処理が各々行われることにより、Ｒ回の音波検出処理が完了した測定対象区間から順に、全ての測定対象区間について伝播時間が各々演算され、伝播時間データｔmnがホストコンピュータ１４に転送されることになる。
【００６４】
なお、上述したステップ１８４、１８６は、本発明における「平均に相当する波形と第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する」ことに対応している。
【００６５】
一方、温度分布演算処理（図６）では、全ての測定対象区間について音波検出処理を行うと、ステップ１２４の判定が肯定されてステップ１２８へ移行し、全ての測定対象区間の伝播時間の演算が完了したか否か判定し、判定が肯定される迄待機する。
【００６６】
全ての測定対象区間の伝播時間データｔmnがノードから転送されると、ステップ１２８の判定が肯定されてステップ１３０へ移行する。なお、ステップ１３０以降の処理は請求項４に記載の演算手段に対応している。
【００６７】
すなわち、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１３２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。
【００６８】
ステップ１３４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。
【００６９】
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１３４は伝搬時間推定手段に対応している。
【００７０】
ステップ１３６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。
【００７１】
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、
【００７２】
【数１】
0003977559.tif 000002
【００７３】
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１１０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。
【００７４】
次のステップ１３８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１３０に戻り、ステップ１３８の判定が肯定される迄、ステップ１３０〜１３８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。
【００７５】
このため、ステップ１３８の判定が肯定されるとステップ１４０へ移行し、先のステップ１３６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１４０は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。
【００７６】
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、
【００７７】
【数２】
0003977559.tif 000003
【００７８】
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、
【００７９】
【数３】
0003977559.tif 000004
【００８０】
上記（６）式で定義される。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
ｆ（ｘ，ｙ）＝ｆ（Ｘｃｏｓθ−Ｙｓｉｎθ，Ｘｓｉｎθ＋Ｙｃｏｓθ）
＝ｆ'(Ｘ，Ｙ）                              …（８）
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、
【００８４】
【数４】
0003977559.tif 000005
【００８５】
となる。
【００８６】
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、
0003977559.tif 000006
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。
【００８７】
【数５】
0003977559.tif 000007
【００８８】
（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。
【００８９】
（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。
【００９０】
【数６】
0003977559.tif 000008
【００９１】
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。
【００９２】
【数７】
0003977559.tif 000009
【００９３】
（14）式を（15）式に代入すると、次の（16）式が得られる。
【００９４】
【数８】
0003977559.tif 000010
【００９５】
（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。
【００９６】
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）。
【００９７】
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。
【００９８】
ステップ１４０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。
【００９９】
ｖ＝ 331.45 ＋ 0.607・Ｔ  〔ｍ／秒〕                    …（17）
次のステップ１４２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８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。
【０１００】
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。
【０１０１】
また、本実施形態では、測定対象区間の伝搬時間ｔmnの測定に際し、音波発生対象のノードからの音波の発生及び測定対象のノードに到達した音波の測定から成る音波検出処理を、非一定の周期で複数回（Ｒ回）行い、音波発生時刻を基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、該波形と音波発生対象のノードから発生された音波の波形との相関性を演算して伝播時間を求めているので、残響音等の雑音成分の影響を排除して音波の伝播時間を高精度に測定することができる。従って、温度分布の演算精度を更に向上させることができる。
【０１０３】
また、上記では本発明の比較例として、Ｒ回の音波検出処理の実行を開始する際に、各回の音波検出処理の実行周期（時間間隔）を乱数を用いて決定する態様を説明したが、これに代えて請求項１記載の発明では、Ｒ回の音波検出処理の実行に際し、発生される音波発生対象のノードから発する音波の周期Ｔに対し、音波発生対象のノードから音波を発するタイミングを、その位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返す（但しＲ≧２）。
【０１０４】
例として、図１０（Ａ）に示す原波形（正弦波）に、原波形に対してπだけ位相のずれた波形（逆位相の波形）を重畳したとすると、図１０（Ｂ）に示すように、双方の波形が互いに打ち消し合うことで振幅が常に０の波形となる。音波発生対象のノードから一定波形の音波を発したときに、測定対象のノードに残響音として到達する音波（間接波）の波形・伝播時間は常に略一定であるので、例えば１回目の音波検出処理の音波発生時刻から、音波発生対象のノードから発生される音波の周期Ｔの１／２（Ｔ／２）を単位として、（２ｋ＋１）Ｔ／２（ｋ＝０，１，２，…：すなわち（Ｔ／２）の奇数倍）に相当する時間が経過したときに、２回目の音波検出処理の音波発生を行えば、１回目の音波検出処理によって生じた残響音と、２回目の音波検出処理によって生じた残響音と、が逆位相の音波として測定対象のノードに到達することになり、測定対象のノードのマイクロフォン３２によって検出される残響音成分の振幅が小さくなる。
【０１０５】
従って、Ｒ回の音波検出処理の実行に際して上記原理を適用し、例えば各回の音波検出処理で音波発生対象のノードから音波を発生させる周期が（Ｔ／２）ずつ変化するように各回の処理の実行周期を設定すれば、測定対象のノードのマイクロフォン３２によって検出される残響音成分の振幅を前述した比較例よりも小さくすることができる。
【０１０６】
また、例として図１１（Ａ）に示す原波形（正弦波）に、原波形に対して２π／５だけ位相のずれた波形を重畳すると図１１（Ｂ）に示す波形になり、原波形に対して４π／５だけ位相のずれた波形を更に重畳すると図１１（Ｃ）に示す波形になり、原波形に対して６π／５だけ位相のずれた波形を更に重畳すると図１１（Ｄ）に示す波形になり、原波形に対して８π／５だけ位相のずれた波形を更に重畳すると、図１１（Ｅ）に示すように振幅が常に０の波形となる。図１１に示した例は５個の波形を重畳した場合であるが、Ｎ個の波形の重畳に際して個々の波形の位相を（２π／Ｎ）ずつ遅らせるか又は早くすれば、上記と同様に振幅が常に０の波形となる（先に説明した図１０はＮ＝２の場合を示している）。
【０１０７】
従って、Ｒ回の音波検出処理の実行に際して上記原理を適用し、例えば各回の音波検出処理の実行周期が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するように各回の処理の実行周期を設定すれば、測定対象のノードのマイクロフォン３２によって検出される残響音成分の振幅を前述した比較例よりも小さくすることができる。
【０１０８】
〔第２実施形態〕
次に本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態は第１実施形態と同一の構成であるので、各部分に同一の符号を付して構成の説明を省略し、以下第２実施形態の作用として、本第２実施形態に係る温度分布演算処理について、図１２のフローチャートを参照し、第１実施形態に係る温度分布演算処理と異なる部分についてのみ説明する。
【０１０９】
本第２実施形態に係る温度分布演算処理では、音波発生対象のノードｍに対応する測定対象のノードの数及びノード番号を判定し（ステップ１０６）、音波発生対象のノードｍからの１回目の音波の発生開始タイミングに相当する音波発生時刻を決定（ステップ１０８）した後に、次のステップ１５０において、音波発生対象のノードｍから測定対象の各ノードへ到達する残響音の最長伝播時間（請求項２に記載の「第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間」に相当）を判定する。
【０１１０】
残響音の最長伝播時間の判定は、例えば音波発生対象となる各ノード毎、或いは測定対象区間毎に予め残響音の最長伝播時間を測定してメモリ等に記憶しておき、対応する測定結果をメモリ等から取り込むことで行ってもよいし、音波発生対象のノードｍから壁体２２等で反射されて測定対象の各ノードに到達する残響音の伝播経路をシミュレーション等によって推定し、最長の伝播経路を音波が伝播する時間を最長伝播時間として演算することで行ってもよい。また、上記の最長伝播時間の演算を予め行ってメモリ等に記憶しておき、対応する演算結果を取り込むことで行ってもよい。
【０１１１】
そしてステップ１５２では、音波発生対象のノードｍからの２回目以降の各回の音波発生開始タイミングを規定する音波発生開始の時間間隔として、ステップ１５０で判定した残響音の最長伝播時間よりも所定値以上大きな値を設定する。なお、次のステップ１１２以降の処理は、第１実施形態に係る温度分布演算処理と同じである。ステップ１５２は、第１実施形態で説明したステップ１１２〜ステップ１２２と共に、請求項２に記載の「第１の位置から一定波形の音波を発し、第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間から、第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を減算した値よりも長くなるように複数回繰り返」すことに対応している。
【０１１２】
なお、上記では請求項２に記載の「第１の位置から音波を発する周期」として、音波発生対象のノードｍから測定対象の各ノードへ到達する残響音の最長伝播時間を基準とし、該最長伝播時間より所定値以上大きな値を設定しているが、これに限定されるものではなく、音波を発する周期は、音波発生対象のノードｍから測定対象の各ノードへ到達する残響音の最長伝播時間から、音波発生対象のノードｍから測定対象の各ノードへ直接伝播する音波の伝播時間を基準として設定してもよい。
【０１１３】
上記処理により、Ｒ回の音波検出処理は残響音の最長伝播時間よりも所定時間以上長い周期（時間間隔）で実行されるので、測定対象のノードでは、残響音に相当する成分が除去された波形を表す音波測定データが得られる。従って、第１実施形態と同様に、残響音等の雑音成分の影響を排除して音波の伝播時間を高精度に測定することができ、温度分布の演算精度を向上させることができる。
【０１１４】
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。
【０１１５】
また、上記では被測定空間２４を貫くように仮想経路を設定し、仮想経路のうち被測定空間２４外の区間については音波の伝播時間を推定することにより、仮想経路上を伝播する音波の伝播時間を求めて温度分布を求めていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば被測定空間を仮想的に多数の領域（ボクセル）に区切り、或る一対の箇所の間を音波が伝搬した際に前記一対の箇所の間に存在する各領域を音波が横切る距離を求め、前記一対の箇所の間の音波の伝搬時間と、前記各領域を音波が横切る際の伝搬速度との関係を、前記各領域を音波が横切る距離を用いて数式で表すことを前記複数箇所の間について各々行って連立方程式を立て、測定した複数箇所の間の音波の伝搬時間を連立方程式に代入し、伝搬速度が未知の領域について音波が横切る際の伝搬速度を演算し、伝搬速度から各領域の温度を演算することによって温度分布を求めるようにしてもよい。
【０１１６】
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、任意の形状の空間を被測定空間として採用し、任意の形状の空間内の温度分布を求めることができる。
【０１１７】
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。
【０１１８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記の実施形態は、特許請求の範囲に記載した事項の実施態様以外に、以下に記載する事項の実施態様を含んでいる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明は、第１の位置から一定波形の音波を発し被測定空間によって第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返し（但しＲ≧２）、第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、被測定空間内を第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算するので、残響音等の雑音成分の影響を排除して被測定空間内の音波の伝播時間を高精度に測定することができる、という優れた効果を有する。
【０１２２】
請求項２記載の発明は、第１の位置から一定波形の音波を発し第２の位置に到達した音波を検出する音波検出処理を、第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間から、第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を減算した値よりも長くなるように複数回繰り返し、第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、被測定空間内を第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算するので、残響音等の雑音成分の影響を排除して被測定空間内の音波の伝播時間を高精度に測定することができる、という優れた効果を有する。
【０１２３】
請求項３記載の発明は、被測定空間の周縁部の互いに異なる複数箇所の間の音波の伝搬時間を、請求項１又は請求項２記載の伝播時間測定方法により各々測定し、複数箇所の間の音波の伝播時間の測定値に基づい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高精度に測定することができる、という優れた効果を有する。
【０１２４】
請求項４記載の発明は、第１の位置に配置された音波発生手段から一定波形の音波を発生させ、被測定空間によって第１の位置と隔てられた第２の位置に到達した音波を第２の位置に配置された音波検出手段によって検出させる音波検出処理を、第１の位置から発する音波の周期Ｔに対し、第１の位置から音波を発するタイミングの位相が（Ｔ／Ｒ）ずつ単調増加又は単調減少するようにＲ回繰り返し（但しＲ≧２）、第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、Ｒ回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する第１の伝播時間測定処理、又は、前記音波検出処理を、第１の位置から音波を発する周期が、第１の位置から発せられた音波が第２の位置に到達する迄の最長伝播時間から、第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を減算した値よりも長くなるように複数回繰り返し、第１の位置から音波が発せられたタイミングを基準として、複数回の音波検出処理によって各々検出した音波の波形の平均に相当する波形を求め、前記平均に相当する波形と第１の位置から発せられた音波の波形との相関性を演算することを、一方の波形を時間軸に沿ってずらしながら繰り返すことで、被測定空間内を第１の位置から第２の位置へ直接伝播する音波の伝播時間を演算する第２の伝播時間測定処理により、被測定空間の周縁部の互いに異なる複数箇所の間の音波の伝搬時間を各々測定し、測定した複数箇所の間の音波の伝播時間の測定値に基づい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高精度に測定することができる、という優れた効果を有する。
【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第１実施形態に係る温度分布演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図７】  測定対象の各ノードで実行される伝播時間演算処理の内容を示すフローチャートである。
【図８】  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９】  本実施形態における、（Ａ）はノードから発生される音波の波形の一例、（Ｂ）はＲ（Ｒ≧２）個の音波測定データから求めた平均波形データが表す波形の一例、（Ｃ）は相関性演算結果の一例を各々示す線図である。
【図１０】  （Ａ）は原波形、（Ｂ）は原波形にπだけ位相のずれた波形を重畳した波形を示す線図である。
【図１１】  （Ａ）は原波形、（Ｂ）は原波形に２π／５だけ位相のずれた波形を重畳した波形、（Ｃ）は原波形に２π／５，４π／５だけ位相のずれた波形を各々重畳した波形、（Ｄ）は原波形に２π／５，４π／５，６π／５だけ位相のずれた波形を各々重畳した波形、（Ｅ）は原波形に２π／５，４π／５，６π／５，８π／５だけ位相のずれた波形を各々重畳した波形を示す線図である。
【図１２】  第２実施形態に係るホストコンピュータで実行される温度分布演処理の内容を示すフローチャートである。
【図１３】  本発明の比較例として音波検出処理を一定周期で複数回実行した場合の、（Ａ）はノードから発生される音波の波形の一例、（Ｂ）は平均波形データが表す波形の一例、（Ｃ）は相関性演算結果の一例を各々示す線図である。
【図１４】  スピーカから発生された音波をマイクロフォンで検出する場合の音波の伝播経路の一例を示すイメージ図である。
【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】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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