ハイブリッド・シミュレーションによる室内音響の模型実験

4
1巻 2号 (
1
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究
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速
報
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ハ イブ リッ ド ･シ ミュレーシ ョンによる室内音響 の模型実験
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DAKA
1. ま え が
2.ハ イブ リッ ド･シ ミュ レーシ ョンの原理
き
コンサー トホールや劇場 な どの設計 のために, スケー
周知 の ように,線形 ･時不変 な系の物理特性 はすべ て
ルモ デル に よる音響 実験 が しば しば行 われ る. この よう
イ ンパ ル ス応答 に含 まれている. そ こで図 1に示す よう
な音響模型実験 で は,主 として各種 の聴感 的物理量 の測
に, ホール 内の音源か ら受音点 に至 る音響 システムのイ
)
･
2
)
.しか しそれ
定 に よって音響効果 の予測 を行 ってい る1
ンパ ル ス応答 が正確 に測定 で きれ ば, それか ら必要 な物
だ けでな く,設計段 階で ホールの音 を実際 に耳 で確 かめ
理パ ラメー タ を計算 した り, また任意 のサ ンプル音 との
る こ とがで きれ ば,設計 の信頼性 は格段 と向上 す る.
その よ うな 目的 の た め に, これ まで に も速 度 可 変 の
たたみ込 み演算 に よ り, ホールの音響特性 を含 んだ音 を
聞 くこ とが で きる.
デー タレコーダ を利 用 して,音楽 な どの音源信号 を超音
ここで, イ ンパ ル ス応答 の求 め方 として は,最近 で は
波用 ス ピーカか ら模 型 内 に高速再生 し, それ をいったん
音線法 に基 づ くコンピュータ ･シ ミュレー シ ョンに よる
録音 した後 に再 び も との速度 に戻 して再生 す る とい う方
方法 も試 み られてい るが,現時点 で は,複雑 な境界条件
法が試 み られ て きた. しか しこの ようなアナ ログ技術 の
を もつ ホールのイ ンパ ル ス応答 を波動性 まで含 めて計算
み に よ る方 法 で はSN比,周 波 数特 性 等 の 点 で 限 界 が
で きるまで には至 っていない. そ こで,材料 の吸音 率 や
あった.
媒 質 の音響 吸収 な どに関す る相似則 を満 たす こ とに よ り,
一方,最近 で はデ ィジタル技術 の飛躍 的 な発達 によ り,
各種 の信号処 理が きわ めて容 易 となった. そ こで,模型
波動性 を含 めて音場 をシ ミュレー トす る こ とがで きる模
型 実験 の長所 と, い ったんイ ンパ ルス応答 を求 めてお け
実験 とデ ィジ タル信 号 処 理 技術 を組 み合 わせ たハ イ ブ
ば,柔軟性 のあ る処理がで きる とい うデ ィジタル信号処
リッ ド ･シ ミュレー シ ョン手法 が実現可能 となって きた.
理 の長所 を組 み合 わせたのがハ イブ リッ ド ･シ ミュレー
す なわ ち, この方法 で は,複雑 な波動現 象である室 内の
シ ョンの手法 で あ る.
音 の伝搬特性 は模 型 実験 に よってイ ンパ ル ス応答 として
さて,模型 内のイ ンパ ルス応答 の測定 お よび合成 した
測定 し, それ と無響 室録音 の音楽 な ど任意 の信号 とをコ
評価音 の被験者へ の提 示方法 としては, い くつかの方法
ンピュー タ を利用 して合成 す る.
が考 え られ るが, ここで は,最 も基本的 なバ イ ノー ラル
この よ うな手法 につ いて は,す で にEI
sらが最 初 の試
み3)を発表 して い るが,われ われ も音 響模 型実験 に関す
方式 として, ダ ミーヘ ッ ド (
擬似頭) による収音 , ヘ ッ
ドホ ンに よる受聴 の方法 を用 い る こととした. す なわ ち,
る研究 の一環 として,1/1
0
縮 尺模型 を対 象 として同様 の
シ ミュレー シ ョン技術 の開発研究 を行 ってい る.
h(t)
方法等 につ いて検 討 した結果 を述 べ る. この手法 による
聴感実験 お よび シ ミュ レー シ ョン精度 の検討結果等 につ
いて は別途報告 す る予定 で ある.
事
東京大学生産技術研究所
第 5部
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受音 点
音源
ルス応答 の測定 , お よび長 時 間信号 のたたみ込 み演算 の
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そ こで,本報 で は この シ ミュレー シ ョン手法 の うち,
まず聴感評価 用 の音響信号 を合成 す る際 に必要 なイ ンパ
a(i)
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図 1 音響 システムの入力 と出力の関係
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43
146
41巻
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生 産
研
究
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速 報
ー
模型 ホ ル 内 の客席 に模型 ダ ミーヘ ッ ドを置 き,音 源 か
相関法 な どが ある。 これ らの方法 はそれぞれ特徴 を もっ
ら両耳 を通 してのイ ンパ ルス応答 を測 定す る。 この応答
てお り,実 験 の 目的 ・内容 によって適 ・不適 が ある。
究
研
本研究 で は,ホ ール な どの室内模型 内のイ ンパ ル ス応
をもとに合成 した信号 をヘ ッ ドホ ンを通 して再生す る と
い う方法 で ある。現在 その基 礎的な段階の実験 として,
答 を浪1定す るための音源 について,周 波数特性 ,出 力,
指 向特性,再現性 な どを検討 した結果,現時点 で はスパ ー
ク放電 音源 が最 も適 当で ある ことが わかった6)η
.
直径 15mmの 球 に両耳 に相 当す る二 つの1/6in.コンデ ン
サ マ イク ロホ ンを埋 め込 んだ きわ めて単純 な模型 ダ ミー
ヘ ッ ドを試作 し,使 用 している。
この シ ミュ レー シ ョン手法 で は,縮 尺模型 お よび模型
ダ ミーヘ ッ ドの精度が 問題 となるが,こ こで はひ とまず
試作 した スパ ー ク放電 音源 の音圧 波形 とそ の エ ネ ル
ギ ー スペ ク トル を図 2に 示す。 スペ ク トル は平坦で はな
それ らが十分 な精度 を もつ もの とし,イ ンパ ルス応答 の
な い。 したが って,こ のパ ルス音 に対す る応 答 が十分 な
いが,測 定 に必要な周波数帯域 内 で極端 なデ ィップ点 は
測定 お よびたたみ込 み演算 による信号合成 に重 点 をお い
SN比 で測定 で きれ ば,逆 フ ィル タ処理 に よ り周波 数特
て,具 体 的な信号処理方法 について検討 した結果 を述 べ
性 の補 正が可能 で ある。
る。
その方法 としては,ま ず補正 目標帯域 (音源 の周 波数
特性 と 1/10縮 尺室内音響模型実験 で重 要 な周 波 数帯域
3.模 型内 の イ ンパ ルス応答 の測定
を考慮 し, lkHz∼ 80kHzと した)を 通過帯域 とす る直
線位相FIRバ ン ドパ ス フ ィル タを設計す る。つ ぎに,図 2
イ ンパ ルス応答 の沢1定方法 としては,矩 形パ ルス な ど
のイ ンパ ル ス を用 い る直接法,ス イー プパ ル ス4)を用 い
のパ ル ス を入力 した ときに,こ のバ ン ドパ ス フ ィル タの
る方法 ,広 帯域 ノイズやM系 列信号 "な どを用 い る相互
イ ンパ ルス応答が出力 され るようなフ ィル タ (逆フ ィル
0
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(a)
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20
Frequency〔
kHz〕
図 2 ス パーク放電パルス波形 ( a ) とェネルギースペ ク トル (b)(演 1,ti巨
離 :50cnl)
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図3
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80
Frequency〔
k Hz〕
逆 フィルタのインパルス応答 (a)と周波数特性 (b)
/
生 産
41巻 2号 (1989.2)
研
究
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1 1 1 1 1速1 1 1 1報
1111111ll:￨￨l
く,な どの 方法鋤を採用 した,
夕)を 求 める (図 3)。 最終 的 に,模 型 内 で測定 したイ ン
パ ルス応答 に この逆 フ ィル タをたたみ込 む ことによ り,
必要 な帯域 の情報 を含 むイ ンパルス応答 が 得 られ る。
4 信 号処理 と測定 システム
図 4に 沢1定お よび信号処理 シス テムを示す。 この 中 で,
イ ンパ ルス応答の測定 はパ ー ソナル コンピュー タ (NEC
PC98XL)を 使用 し,12bit ADコ ンバ ー タ (最高 サ ンプ
リング周波数400kHz)を 通 してのデー タの取 り込 み,お
ような長時間信号 とイ ンパ ルス応答 をたたみ込 む方法 と
よび 同期加算処 理 を行 う。また音源信号 は,い つたんデ ィ
ジタルオ ー デ ィオテー プ レコー ダ (DAT)に 録音 したあ
ンター フェー ス (MTT DA1 98B)を 介 して
と,DATイ
デ ィジタルデー タの形でPC98XLに 転送 す る。
ま overlap―save
して, overlap―
add method あ る ￨ゝヤ
methodが 工 夫 されて い るの。 その うち ここで は前者 の方
つ ぎに これ らのデー タを フロ ッピー デ ィスクを介 して
転送
生研 ・
計算機室 の大型計算機 (FACOM M380Q)に
ニ つの時間信号 のたたみ込 みにはFFTを 用 い るが,音
一
楽 や音声信号 のデー タは 般 に長大 となるため, 1回 の
FFTで 処理 す る ことは実際 には無理 である。そ こで この
法 を用 い る こととした。 この方法 は原信号 をFFT可 能 な
し,前 述 の逆 フ ィル タ処理お よびたたみ込 み演 算 を行 う.
長 さ (セグメ ン ト)に 分割 し,そ れ らの分割信号 とイ ン
その結果 を再 びPC98XLに 転送 し,そ の ままデ ィジタル
デー タの形 でDATに 転送す る。最終的 に このテー プを再
パ ルス応答 とのたたみ込 みを順次行 い,最 後 にそれ らの
結果 を加算接続す る方法 であ る。 その場 合,原 信号 を分
割す る長 さ として は,イ ンパ ルス応答 の演1定時間長 と同
生す る ことによ り,ホ ールの音響特性 が付加 された音 を
じとした。
たたみ込 み演 算 の実例 として,次 章 で述 べ る実験 で用
いたデー タ長 な どのパ ラメー タ と演算時間 を表 1に 示す。
この例 でわか る とお り,ホ ール な どの聴感評価実験 に必
以上 に述 べ た たた み込 み演 算 は大型計 算機 を用 い て
聞 くことがで きる.
行 ったが,そ のプ ログ ラ ミングにあた って は,演 算 の効
率化 をはか るた めに,1)三 角関数 のテー ブルの作成,2)
要 な20∼30秒程度 の長 さの信号 について も,前 述 のアル
基数 8の 実数型 ル ー チ ンの使 用 ,3)正 変換 は周波 数間引
ゴ リズ ム を用 い ることによ り,比 較 的短時間 でたたみ込
き型,逆 変換 は時間間引 き型 として ビ ッ ト逆転操作 を省
み演算 が可能 で ある。
Ⅳ1 0 d e l R o o m
たL ( ′)
たR ( ′)
Personal
Computer
図 4 測 定 。信 号処 理 シス テ ム
148
研
究
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速
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生
報 ￨￨lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllil11!llllllllllll
表 1 た たみ込み演算 の例
(2 chインパ ルス応答 と l ch音源信号 の場合,
時間 ・周波数 は実物換算値)
(a)
サ ンプ リング周波 数
32 kHz
イ ンパルス応答の長 さ 65536(2.Os)X2ch
音源信号 の長 さ
セグメン トの長 さ
65536
FFTの 長 さ
FFTの 計算回数
正 変換 :2回
LeftMicrophone
￨ ￨ 1 1 1 ' ' ' 1
1048576(32.8s)
(b)Right rvlicrophone
131072
(インパ ル ス応 答 ,2 ch)
16回 (音源信号 , l ch)
逆変換 :32回
(たたみ込まれた信号, 2 ch)
計算時間
約1 2 0 秒( F A C O M , C P U T I M E )
5.縮 尺模 型 コンサ ー トホ ー ル にお ける実験例
イ ンパ ルス応答 の測定時間長 としては,少 な くとも残
響時間程度 の長 さは必要 と考 え られ る。 そとで,第 一段
階 の実験 として,1800人収容 の コンサ ー トホールの 1/10
縮尺模型 において,サ ンプ リング周波数320kHzで 216の
長 さ (実物換算 で2.048s)の イ ンパ ルス応答 を演l定した。
予備実験 として,前 述 のスパ ー ク放電音源 を用 い,同 期
加算 の 回数 を変 えて測定 したイ ンパ ルス応答 か ら楽音 を
合成 した結果,十 分 なSN比 を得 るには200∼300回の 同
蜃
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20
40
60
80
100
Time llnd
120
140
160
図 5 模 型ダ ミーヘ ッドにより浪1定した 1/10縮尺 コンサー ト
ホール模型のイ ンパ ルス応答
る こ とが わ か った 。
しか し,実 験 技術 として確 立 す るた め に は まだ まだ検
討 の 余 地 が あ り,理 想 的 なイ ンパ ル ス応答 を測 定 す るた
め の音 源 お よび 受音 シス テ ム の 改 良,SN比
の 改善 な ど
につ い て,今 後 さ らに研 究 を進 め る予定 で あ る。
11月29日受理)
(1988年
参 考
文 献
1)橘 ,石 井 :「音響模 型 実験 にお ける相 似 則 と実験 手
法」,日 本音響学会誌,32巻 ,10号 (1976)
2) M.BarrOn: “ OBJECTIVE MEASURES IN CON―
期加算 が必要 で ある ことが わかった.256回の 同期力日
算を
行 った場合,測 定所 要時間 は模型 ダ ミーヘ ッ ドの片耳 に
つ き約 10分である。 この ように して演1定した模型 ダ ミー
CERT HALLS AND THEIR USE IN ACOUSTIC
SCALEン 10DELS'', Proc.Vancouver Symp.(12th
ついての イ ンパ ルス応答 の例
3)H.Els and J.Blauert: “ A MEASURING SYSTEA/1
FOR ACOUSTIC SCALE MODELS'', Proc Van‐
ヘ ッ ドの両耳 (L,R)に
を図 5に 示す。
以上 に述 べ た方法 による聴感評価実験 はまだ行 って い
ないが,試 聴実験 の結果,従 来 のアナ ログ手法 によった
場合 に比 べ て音質 が はるか に改善 され,ホ ール 内 の場所
による聴感 的印象 の違 い な どが十分識別 で きることが確
認 された.
180
ICA),(1986)
couver Symp.(12th ICA),(1986)
4) N.Aoshirna: 'tComputer― generated pulse signal
apphed for sound measurement'', J.Acoust Soc.
Am.69(1981)
st Hadamard
5 ) H . A l r u t z a n d M R . S c h r o e dAe rF:a“
Transform Ⅳ Ietllod for the Evaluation ofン
Ieasure‐
ments Using Psёudorandom Test Signals", 1lth lnt.
6.あ
と が
き
ホー ル な どの音響設計 の段階 で,縮 尺模型 を用 いて音
響効果 を実 際 に耳 で確 かめ るための方法 として,模 型 内
のイ ンパ ルス応答 を測定 し, これ と無響室 な どで録 音 し
た音 楽 や音声信号 をたたみ込 む手法 について基礎的検討
を行 った。 その結果,実 用的な処理時間で評価用信号が
合成 で きる こと,ま た各種 の条件 の違 いによる音 の変化
を調 べ る うえで,こ の シ ミュレー シ ョン手法 が有効 であ
Congr.Acoust., Paris(1983)
高,矢 野,橘 :「ハ イブ リッド音響模型実験 に関す る
6)日
基 礎 的検 討」
,日 本 音 響 学 会 講 演 論 文 集,2-7-8
(1988.3)
7)日 高,矢 野,橘 :「ハ イブ リッドシ ミュレー ションによ
る室内音響の模型実験」,日 本音響学会建築音響研究会
資料,AA-8808,(1988)
8)AV.Oppenheim,R.W.Shafer著
タル信号処理 (上)」
,コ ロナ社
, 伊達訳 :「 ディジ
200