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JP3572594B2 - Signal source search method and apparatus - Google Patents

Signal source search method and apparatus Download PDF

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JP3572594B2
JP3572594B2 JP17003295A JP17003295A JP3572594B2 JP 3572594 B2 JP3572594 B2 JP 3572594B2 JP 17003295 A JP17003295 A JP 17003295A JP 17003295 A JP17003295 A JP 17003295A JP 3572594 B2 JP3572594 B2 JP 3572594B2
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signal
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fitness
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晴夫 浜田
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晴夫 浜田
株式会社ダイマジック
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  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は信号源探査方法及び装置に係り、特に騒音源や振動源等の信号源から出力された信号を複数のセンサで検出してこの検出結果から信号源の位置及び特性を探査する信号源探査方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
フィールド測定の結果から、音源の特性を推定したり、音源位置を探査することは音響分野の広範な応用において重要な情報を提供する。音源の同定・探査が、騒音制御において重要であることは自明であるが、その他、建築音響、音場制御においても重要である。特に、最近の音響技術では、計測から制御へのボーダーがなくなりつつあり、音源の特性や空間位置を正確に把握していることが引き続く高度な制御を効率よく実現するための必須の条件であることが多い。
【0003】
従来、音源等の信号源の発生振動の特性を検出する場合、マイクロホンや振動ックアップ等のセンサを信号源の近傍に設置して行っていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、信号源の位置が特定できない場合、信号源が複数存在する場合、信号源の位置が時間とともに変化する場合等には、従来のような探査の方法では、センサを様々な所に移動したり、多くのサンサを様々な所に設置しなければならず時間と費用がかかるという問題があった。また、信号源によっては、その近傍にセンサを取り付けることができないものもあり、その信号源の特性や位置を特定することが不可能な場合もあった。
【0005】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、センサを予想される信号源の位置に配置することなく、信号源の位置及び特性を検出することができる信号源探査方法及び装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、予め所定の間隔で配設され、それぞれ信号源から伝搬する信号をサンプリングするセンサアレイと、前記センサアレイでサンプリングした複数の観測信号からクロスパワースペクトルマトリックス yyを算出する第1の演算手段と、前記信号源の数を仮定するとともに、前記信号源の探査対象となる領域を細分割し、各分割された領域を示す位置を信号源位置として、前記仮定した各信号源の信号源位置を仮定し、その仮定した信号源位置の信号源から前記センサアレイまでの伝達関数マトリックスを実測又はシミュレーションによって求める第2の演算手段と、前記第1の演算手段によって算出したクロスパワースペクトルマトリックス yyと、前記第2の演算手段によって算出した伝達関数マトリックスとに基づいて、信号源の強さのクロススペクトルマトリックス aaを次式、
aa=[[ H -1 H yy[[ H -1 H H
により算出し、この算出したクロススペクトルマトリックス aaと前記伝達関数マトリックスとに基づいて、モデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′を、次式、
yy′= aa H
により算出し、前記クロスパワースペクトルマトリックス yyと、前記モデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′との差を示す誤差マトリックスを算出する第3の演算手段と、前記第3の演算手段によって算出された誤差マトリックスに基づいて前記仮定した信号源の数及び信号源位置の適応度を算出する第4の演算手段と、前記仮定した信号源の数及び信号源位置の組合せを変更して前記第4の演算手段からそれぞれ適応度を得、これらの適応度のうちから最良の適応度が得られるときの信号源の数及び信号源位置により、信号源の数及び信号源位置を推定する探査手段と、から成ることを特徴としている。
【0007】
本発明によれば、信号源から伝搬する信号を予め所定の間隔で配設されセンサアレイによってサンプリングし、このサンプリングした観測信号からクロスパワースペクトルマトリックス yyを算出する。そして、信号源の数を仮定するとともに、信号源の探査対象となる領域を細分割し、各分割された領域を示す位置を信号源位置として、仮定した各信号源の信号源位置を仮定し、この仮定した信号源位置の信号源からセンサアレイまでの伝達関数マトリックスを実測又はシミュレーションによって求める。次に、このようにして算出したクロスパワースペクトルマトリックス yyと、伝達関数マトリックスとに基づいて、クロスパワースペクトルマトリックス yyと、伝達関数マトリックス及びクロスパワースペクトルマトリックス yyから算出されるモデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′との差を示す誤差マトリックスを算出し、これに基づいて仮定した信号源の数及び信号源位置の適応度を算出する。以上の処理を仮定した信号源の数及び信号源位置の組合せを変更して繰り返し、この繰り返しによって得られる適応度のうちから最良の適応度が得られるときの信号源の数及び信号源位置により、信号源の数及び信号源位置を推定する。これにより、予想される信号源の位置にセンサを配置することなく、信号源の位置及び特性を検出することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る信号源探査方法及び装置の好ましい実施の形態について詳説する。
尚、以下の実施例では探査する信号源を音源とする場合の信号源探査方法及び装置について説明するが、これに限らず本発明は信号源から発生する振動を検出する装置及びその振動の伝達特性が解析できるものであればどのような信号源に対しても適用できる。以下、信号源を音源とする場合の音源探査方法及び装置について詳説する。
【0009】
本実施例の音源探査装置は所定位置に配置した複数のマイクロホン(マイクロホンアレイ)によって音を観測し、これらのマイクロフォンによって観測した観測信号から音場に存在する音源の空間情報を含む諸特性を解析する装置である。まず、その構成を説明する。
図1は音源探査装置の一実施例を示した構成図である。
【0010】
同図に示すように音源探査装置は、マイクロホン10A、10B、10C、10D(以下、マイクロホンアレイといった場合にはこれらのマイクロホンを総称したものとする。)、サンプリング部12、FFT演算部14、音源探査演算部16及び結果表示部18とから構成されている。
マイクロホン10A〜10Dは、所定の配列で音場に設置され、音場を伝搬する音を検出して、この検出した音を検出信号として電気信号に変換してサンプリング部12に出力する。尚、マイクロホン10A〜10Dは、図2に示すようにマイクロホン10Aに対してマイクロホン10B、10C、10Dがそれぞれx、y、z方向に延びた支持棒上に設置された形で配列されている。そして、これらのマイクロホンは、検出する信号の波長の2分の1以下の間隔で設置されている。また、本実施例では4個のマイクロホンを使用しているが、マイクロホンの数は特に4個である必要はない。
【0011】
マイクロホン10A〜10Dから出力された検出信号は、サンプリング部12で所定サンプリング周期でサンプリングされ、FFT演算部14に出力される。サンプリングされた検出信号はFFT演算部14でフーリエ変換されて周波数スペクトルとして音源探査演算部16に出力される。
音源探査演算部16は、各マイクロホンによって検出された検出信号の周波数スペクトルから音源の位置及び各周波数成分の音源の強さ(発生音の周波数スペクトル)を計算し、これらの結果を結果表示部18に出力する。
【0012】
次に、上記音源探査演算部16の行う処理について詳説する。
上記のようにマイクロホンアレイによって検出した音の周波数スペクトルから音源の位置及び音源の強さを算出する上で、まず、大きく2つのステップに問題を分離して考える。最初のステップでは、測定音場に複数の離散的な音源が存在する音場モデルを考え、任意に音源の数、及びそれらの空間での位置を与える。つぎに測定されたマイクロホンアレイ出力に最適近似する各モデル音源の強さを最適化手法により決定する。この問題は一般には、非線形最小二乗近似による逆問題として捉えられるが、適切なノルムを導入することで、線形最小二乗問題として定式化して、この逆問題の最適解を与える。この段階で、想定した音源の数、位置に対してのモデル誤差が逆問題の最適解を用いて評価できるので、これを評価関数として採用する。そこで、つぎのステップでは、上述の評価関数を生物集団の適応度として、遺伝的アルゴリズム(Genetic Algorithm;GA) によりモデル音源の数、位置を検索する。従って、本発明における音源同定・探索手法は、マルチチャネル線形最小二乗問題の解法と遺伝的アルゴリズムの探索問題の解法を組み合わせた、音場推定の逆問題に対する1つのハイブリッドな解法として捉えることができる。
【0013】
そこで、以下マルチチャネル線形最小二乗問題の解法と遺伝的アルゴリズムの探索問題の解法について理論的な背景を順に説明しながら、音源の位置及び音源の強さの算出手順について説明する。
本理論は音場における音源を分布した音源の強さ(source strength) として表現される、複数の離散的な音源と仮定する。一般には、それらの音源は互いに相関があると仮定すべきである。ところで、現実の解析、応用においては、音源のオートスペクトル、クロススペクトル情報を知ることが基本となることが多いため、解析はすべて周波数領域で行うこととする。そこで、すべての音源間のクロススペクトルを推定する問題を考える。以下の記述では、簡便のため、音源の数を2、また、マイクロホンアレイのマイクロホン数を3として議論する。これによって一般性が失なわれることがないように、最後に一般的な表現を与える。音源の強さの時間履歴(time histories) のフーリエ変換は複素ベクトルとしてつぎのように表現できる。
【0014】
【数1】

Figure 0003572594
【0015】
フーリエ変換は有限長データに対して次式のように定義する。
【0016】
【数2】
Figure 0003572594
【0017】
そこで、次式で定義されるクロススペクトルマトリックスに着目する。
【0018】
【数3】
Figure 0003572594
【0019】
ここで、Hはconjugate transpose を表し、また、E{}は期待値オペレータを表すものとする(厳密には、このオペレータはデータレコードのアンサンブル平均によってクロススペクトルを推定するプロセスを表している)。
従って、
【0020】
【数4】
Figure 0003572594
【0021】
aaをクロスパワースペクトルマトリックスとして、改めてつぎのように表す。
【0022】
【数5】
Figure 0003572594
【0023】
ここで、それぞれ要素のクロスパワースペクトルは、例えば
【0024】
【数6】
Figure 0003572594
【0025】
であるとする。
問題は、音場に設置されたマイクロホンアレイ位置で観測された音圧の時間的な履歴から、上述のマトリックス aaを最適推定することである。
マイクロホン出力も、それぞれの出力もフーリエ変換を用いて、つぎのような複素ベクトルで表す。
【0026】
【数7】
Figure 0003572594
【0027】
対応するクロスパワースペクトルマトリックス yyは次式で与えられる。
【0028】
【数8】
Figure 0003572594
【0029】
従って、これもつぎのように簡単に表現できる。
【0030】
【数9】
Figure 0003572594
【0031】
本解析では、モデル音源からモデルマイクロホンまでの伝達関数マトリックスを仮定し、解析モデルは次式の関係が成り立つ線形システムとする(図6参照)。すなわち、
【0032】
【数10】
Figure 0003572594
【0033】
たとえばポイントモノポール音源モデルの場合、伝達関数H12 (ω) は音源2からマイクロホン1間の伝達関数を表現し、簡単に次式のように表現できる。
【0034】
【数11】
Figure 0003572594
【0035】
ここで、r12は音源2 からマイクロホン1の間の距離、ρは空気の密度、κは波数である。ここまでの議論から、音源モデルはpoint dipole(双極子)、あるいはpoint quadrupole(四極子)、また、それらの分布している任意の形態としてもよいことは自明である。さらに、モデル音源からモデルマイクロホンまでの伝達関数についても先見情報から導出されたものや、実測値であっていもよい。とりわけ、積分方程式を基礎としたシミューレーション技術によって得られた伝達関数などは、大変有用であるものと思われる。そこで、式(10)の関係をコンパクトにつぎのように書く。
【0036】
【数12】
Figure 0003572594
【0037】
これにより、モデル音源はマイクロホン位置においてつぎのようなクロスパワースペクトルマトリックス yy’ を呈することになる。
【0038】
【数13】
Figure 0003572594
【0039】
従って、我々の最適化問題は、実測されたクロスパワースペクトルマトリックス yyに最も近似するモデル・クロスパワースペクトルマトリックス yy’ を与えるという意味で最良の、音源の強さのベクトルを求める問題として帰着される。そこで、次に誤差マトリックスに対するFrobenius (フロベニウス)ノルムを最小とする最適解を考える。はじめに、誤差マトリックス、
【0040】
【数14】
Figure 0003572594
【0041】
yy yy
を定義する。上式を展開し、次式を得る。
【0042】
【数15】
Figure 0003572594
【0043】
一方、誤差マトリックスのFrobenius ノルムは次式で定義される。
【0044】
【数16】
Figure 0003572594
【0045】
厳密にはこのsquare root であるが、ここでは上式をもってFrobenius ノルムと定義する。従って、Frobenius ノルムは式(15)からつぎのように表されることになる。
【0046】
【数17】
Figure 0003572594
【0047】
Frobenius ノルムを最小とする音源の強さのベクトル、あるいはそのクロススペクトルマトリックス aaは、実測されたクロスパワースペクトルと、モデル・クロスパワースペクトルとの差の二乗和を最小とすることが分かる。従って、このFrobenius ノルム規範は我々の目的に適していると考えられる。
Anciant (1) らは、一般の非線形最小二乗問題の解を、その数値計算手法とともに検討しているが、上述の問題に対するFrobenius ノルム規範の最適解は次式で与えられるとしている。
【0048】
【数18】
Figure 0003572594
【0049】
式(18)が求める解であり、に対するモデルを仮定することで、音源の強さのクロススペクトルマトリックス aaの最良推定が実測値 yyを用いて計算できることを示している。
また、クロススペクトルマトリックス aaの解が与えられると、モデル・クロスパワースペクトルマトリックス yy’ は次式
【0050】
【数19】
Figure 0003572594
【0051】
から計算され、この式(19)を式(14)に代入すれば、このときのFrobenius ノルムが計算できる。尚、Frobenius ノルムはクロススペクトルマトリックス aaの解に対して次式で与えられる。
【0052】
【数20】
Figure 0003572594
【0053】
以上の理論的背景から、想定したモデル音源の位置において誤差(Frobenius ノルム)を最小にするクロススペクトルマトリックス aaを算出することができる。即ち、想定した数と位置のモデル音源において最も測定値と適応する各周波数成分の音源の強さを求めることができる。
また、クロススペクトルマトリックス aaが最適解のときの誤差(Frobenius ノルム)はその想定したモデル音源が実際の音源に対して適応する度合いを示しており、誤差が小さい程適合度が高いといえる。即ち、適合度が高いモデル音源ほど実際の音源を再現しているといえる。
【0054】
そこで以下、この適応度を誤差の逆数で具体的に表現し、想定したモデル音源の良否を評価する。尚、以下誤差の逆数をFitness という。また、適応度の表現方法はこれに限ったものではない。
尚、上記では誤差をFrobenius ノルムで評価したが、誤差の評価にはさまざまな方法があり、これに限ったものではない。
【0055】
また、上記では音源から出力される信号を単一周波数として説明したが、音源から出力される信号がある周波数帯域を持つ場合には周波数成分毎に上記誤差を求めて、例えばこれらの誤差の総和、或いは、これらの誤差の総和の対数をとったものを総合的な誤差として評価する。但し、この場合でもある周波数に着目して上記のように誤差を評価し、これに基づいて音源の位置を探査してもよい。
【0056】
次に、モデル音源の想定方法について説明する。
上記では、与えられたモデル音源の数、位置に対して、音源の強さのクロススペクトルマトリックス aaの最良推定を議論した。しかしながら、モデル音源の数、位置について推定を行なうためには、何らかの音源位置探査アルゴリズムが必要となる。例えば、3次元空間のメッシュ上の点として音源位置を与えて、モデル音源の数との組み合わせで、すべての組み合わせについて評価を行うことができるが、実用上困難な場合もある。たとえば、空間の32点のみを対象として、8つのモデル音源を想定した大変小規模の探査の場合でも、その組み合わせは、10のオーダーとなる。そこで本実施例では、遺伝子アルゴリズムを音源探査に適用する。以下、遺伝子アルゴリズムについて説明する。
【0057】
ここでの探索問題は、図3に示すように、可能なモデル音源の組み合わせ(変数x)に対して、評価関数が複雑な形状を呈し、その全体像が既知でないという特徴がある。また、変数xの取りうるオーダーも実際の応用では、1000bit程度は必要であるため、探索点は、およそ10300 個となり、全探索による解法は事実上不可能で、いわゆるNP完全な問題である。探索空間を効率よく探索し、実用上の最適解をすみやかに発見する探索アルゴリズムとして遺伝的アルゴリズム(GA)が有効であるとされて、現在、様々な工学的な応用で用いられつつある。GAでは、探索問題を、生物の進化の過程を模倣した方法によって解く。さらにGAでは、探索空間の探索点を、1点づつ順番に探索するのではなく、複数個の探索点を同時に用いる。また、各探索点が、遺伝子(gene)をもつ仮想的な生物であるとみなす。各個体に対して、それぞれの環境との適応度(fitness) が計算される。本実施例では、前述のFrobenius ノルムを用いて適応度を評価するものとする。低い適応度をもつ個体を淘汰(selection) して消滅させ、高い適応度を有する個体を増殖(multiplication)させ、親の形質を継承した遺伝子をもつ子孫の個体を生成する世代交代シミュレーションによって、進化すなわち、よりよい探索が進んでいく。
世代交代では、遺伝子の交差(crossover) 、突然変異(mutation)と呼ばれる操作が行われる。
【0058】
図4は、遺伝子アルゴリズムを用いた音源探査アルゴリズムを説明したフローチャートである。
まず、初期世代の個体(individual)と染色体(chromosome)を決定する(ステップS10)。染色体は複数の遺伝子(gene)から構成される。また、それぞれの遺伝子の位置は、遺伝子座(locus) と呼ばれる一種の座標によって規定される。個々の個体の染色体の内部表現を遺伝子型(genotype)と称する。本実施例の音源探査アルゴリズムに適用する場合、音場における検索点の数(メッシュ上の点の数)を遺伝子の数として所定の配列でこれらの検索点を配列して染色体を構成する。そして、各検索点においてモデル音源が存在する場合の遺伝子を1、存在しない場合の遺伝子を0としてモデル音源の1配置形態を1つの個体として図5で示すようにビットコードで表現する。即ち、音場のメッシュ上の各点に各ビットを対応させてモデル音源を想定するビットを1とする。
【0059】
初期世代の個体を決定する場合、まず個体数と1個体におけるモデル音源の数を決定する。尚、以下の説明において、個体数を40、1個体におけるモデル音源の数を4とする。個体数とモデル音源の数を決定した後、モデル音源を配置する位置をランダムに決定して初期世代の個体を生成する。
次に、上記のようにして生成した40個の各個体のFitness を計算する(ステップS12)。そして、40個の個体の中からFitness が最大となる個体と、その個体と合わせて合計20個となるように残りの個体を選出する(淘汰と増殖)(ステップS14)。この残りの個体を選出する際には、Fitness が大きい個体程高い確立で選出されるようにする。
【0060】
次に、淘汰と増殖によって選出された20個の個体からランダムに2個の個体を抽出して組み合わせ、10個の組を作る。そして、それぞれの組毎に遺伝子を組かえて2個の個体を新たに増殖させる(遺伝子の交差)(ステップS16)。即ち、淘汰と増殖によって選出された個体から遺伝子の交差によって新たに20個の個体を生成し、合計40個の個体を生成する。尚、遺伝子を交差する際にどのビットから交差するかはランダムに決定する。
【0061】
次に、上記のように増殖した20個の個体に対して突然変異を発生させる(ステップ18)。突然変異は音源の数を変化させずに音源の位置をある確立で変化させる操作で、例えば、0.02%の確立で発生させる。
以上のようにして新しい世代の個体を生成し、生成した20個の個体に対してFitness を計算する(ステップS20)。そして、40個の個体の中でFitness が最大となる個体を検索し、その値が所定の閾値以上か否かを判断する(ステップS22)。この閾値は、実際の音源に対して想定したモデル音源(個体)が十分適応すると経験的に判断されるFitness の値を示している。もし、Fitness の最大値が閾値以上の場合には、以上の処理を終了し、その個体のモデル音源の位置を実際の音源の位置とする。
【0062】
逆にFitness の最大値が閾値より小さい場合には、ステップS14に戻り、上記処理を繰り返す。
以上のようにして、Fitness が所定の閾値を越える個体を遺伝子アルゴリズムを用いて検出し、実際の音源の位置を探査する。但し、上記で想定したモデル音源の数が実際の音源の数より少ない場合には上記処理を繰り返してもFitness が閾値を越える個体を検出することはできないため、上記処理をある程度繰り返し行ってもFitness が閾値を越える個体を検出することができない場合には、モデル音源の数を増やして同様の処理を行う。
【0063】
以上、上述した音源探査アルゴリズムをまとめると基本的にはつぎのように要約される。
(1)音源探査の対象なるフィールドにおいて、マイクロホンアレイを用いて、音場をサンプルし、マトリックスSyyを得る。
(2)モデル音源からモデルマイクロホンまでの伝達関数マトリックスHを設定する。通常、音源の先験的な情報から、シミュレーションあるいは実測データ(インパルス応答など)を用いて構築する。
(3)モデル音源の数を設定する。
(4)与えられたモデル音源の数に対し、遺伝子アルゴリズムを用いて、音源位置を探索していく。その際、Frobenius ノルムに基づく音源の強さのクロススペクトルマトリックス aaの最良推定を行い、この最適解によってもたらされるFrobenius ノルムを用いて適応度を評価する。
(5)(3)〜(4)をモデル音源の数を増やしながら繰り返す。
(6)適応度が、十分な適応度に達するか、あるいは飽和するかを観測し、モデル音源の数、また、最良の適応度を示す空間位置をもって音源位置を推定する。また、応用によっては、(2)の伝達関数マトリックスを変更して再度、音源探査を実行することで、重要な情報を得る場合もあるものと思われる。
【0064】
【実施例】
上記音源探査装置の実行例として、無響室においてラウドスピーカを音源として、5つのマイクロホンにより構成されるマイクロホンアレイで空間をサンプルし、音源探査を実行した簡単な例を示す。音源位置推定の軌跡を世代ごとにプロットしたものを図7に示す。実験では、ラウドスピーカ1,2,3がランダムノイズで駆動されており、図7はラウドスピーカ1についての探査結果である。サンプリング周波数48KHz、平均加算数32回で、FFT処理を施し、1KHzオクターブバンドの周波数成分に対して、クロススペクトルマトリックスSaaの最良推定を行っている。また、モデル音源は、ポイントモノポールを仮定し、仮想生物の個体数は50、モデル音源を位置させるメッシュは初期値を10×10からスタートさせ、適応度によりメッシュ間隔をつめて実行するように設定した。GAの各種パラメータにも依存するが、この簡単な設定では、ほぼ100回程度の世代交代で現実の音源位置をほぼ正確に推定可能であった。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の信号源探査方法及び装置によれば、センサアレイによってサンプリングした信号からクロスパワースペクトルマトリックス yyと、信号源位置を仮定することによって理論的に算出されるモデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′との差を示す誤差マトリックスに基づいて、仮定した信号源の数及び信号源位置の適応度を評価し、これに基づいて信号源位置及び特性を探査するようにしたため、センサアレイを予想される信号源の位置に配置することなく、信号源の位置及び特性を検出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は音源探査装置の一実施例を示した構成図である。
【図2】図2はマイクロホン10A、10B、10C、10Dの配置を示した図である。
【図3】図3は可能なモデル音源の組み合わせ(変数x)に対して、評価関数の形状を示した図である。
【図4】図4は遺伝子アルゴリズムを用いた音源探査アルゴリズムを説明したフローチャートである。
【図5】図5はモデル音源を遺伝子として表現したビットコードの一例を示した図である。
【図6】図6はモデル音源、マイクロホン及び伝達関数の関係を説明した図である。
【図7】図7は音源探査装置を実行結果を示した図である。
【符号の説明】
10…マイクロホンアレイ
12…サンプリング部
14…FFT演算部
16…音源探査演算部
18…結果表示部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a signal source searching method and apparatus, and more particularly to a signal source for detecting a signal output from a signal source such as a noise source or a vibration source with a plurality of sensors, and searching the position and characteristics of the signal source from the detection result. The present invention relates to an exploration method and apparatus.
[0002]
[Prior art]
Estimating the characteristics of a sound source from a result of a field measurement and searching for a sound source position provide important information in a wide range of applications in the acoustic field. It is obvious that identification and exploration of sound sources is important in noise control, but it is also important in building acoustics and sound field control. In particular, in recent acoustic technology, the border from measurement to control is disappearing, and accurate understanding of the characteristics and spatial position of the sound source is an essential condition for efficient realization of continuous advanced control. Often.
[0003]
Conventionally, when detecting characteristics of generated vibration of a signal source such as a sound source, a sensor such as a microphone or a vibration pickup is installed near the signal source.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the position of the signal source cannot be specified, when there are a plurality of signal sources, or when the position of the signal source changes with time, the sensor is moved to various places by the conventional exploration method. In addition, there is a problem that it takes a lot of time and money to install many sansa in various places. Further, some signal sources do not allow a sensor to be mounted in the vicinity thereof, and in some cases, it is impossible to specify the characteristics and position of the signal source.
[0005]
The present invention has been made in view of such a problem, and provides a signal source searching method and apparatus capable of detecting the position and characteristics of a signal source without disposing a sensor at a position of an expected signal source. The purpose is to do.
[0006]
[Means for solving the problem]
The present invention provides a sensor array which is provided at a predetermined interval in advance and samples signals propagated from a signal source, and calculates a cross power spectrum matrix S yy from a plurality of observation signals sampled by the sensor array. The arithmetic means and the number of the signal sources are assumed, and a region to be searched by the signal source is subdivided, and a position indicating each divided region is set as a signal source position, and a signal of each of the assumed signal sources is set. A second calculating means for assuming a source position and calculating a transfer function matrix H from the signal source at the assumed signal source position to the sensor array by actual measurement or simulation, and a cross power spectrum calculated by the first calculating means a matrix S yy, based on the transfer function matrix H calculated by the second arithmetic means, Shin Source of strength following equation cross spectrum matrix S aa of
S aa = [[H H H ] -1 H H] S yy [[H H H] -1 H H] H
And a model cross power spectrum matrix S yy ′ is calculated based on the calculated cross spectrum matrix S aa and the transfer function matrix H by the following equation:
S yy ′ = H S aa H H
And an error matrix E indicating a difference between the cross power spectrum matrix S yy and the model cross power spectrum matrix S yy ′, and an error matrix E calculated by the third arithmetic means. A fourth calculating means for calculating the fitness of the assumed number of signal sources and the signal source position based on the error matrix E; and changing the combination of the assumed number of signal sources and the signal source position by changing the fourth number. And exploring means for estimating the number of signal sources and the signal source position by the number of signal sources and the position of the signal source when the best fitness is obtained from these fitness values. , Characterized by comprising.
[0007]
According to the present invention, sampled by a pre arranged at a predetermined interval the sensor array signals propagating from the signal source, calculates the cross power spectrum matrix S yy from the observed signal sampling. Then, while assuming the number of signal sources, the area to be searched for the signal source is subdivided, and the position indicating each divided area is set as the signal source position, and the assumed signal source position of each signal source is assumed. The transfer function matrix H from the signal source at the assumed signal source position to the sensor array is obtained by actual measurement or simulation. Next, based on the cross power spectrum matrix S yy calculated in this way and the transfer function matrix H , a model calculated from the cross power spectrum matrix S yy , the transfer function matrix H and the cross power spectrum matrix S yy An error matrix E indicating a difference from the cross power spectrum matrix S yy ′ is calculated, and based on this, the assumed number of signal sources and the fitness of the signal source position are calculated. The above process is repeated by changing the combination of the number of signal sources and the position of the signal source assuming the above processing, and by the number of signal sources and the position of the signal source when the best fitness is obtained from the fitness obtained by this repetition. , The number of signal sources and the source position. Thus, the position and characteristics of the signal source can be detected without disposing the sensor at the expected position of the signal source.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a signal source searching method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
In the following embodiments, a method and an apparatus for searching for a signal source in the case where the signal source to be searched is a sound source will be described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is not limited to this. The present invention can be applied to any signal source whose characteristics can be analyzed. Hereinafter, a sound source searching method and apparatus when a signal source is used as a sound source will be described in detail.
[0009]
The sound source detection device of this embodiment observes sound with a plurality of microphones (microphone arrays) arranged at predetermined positions, and analyzes various characteristics including spatial information of a sound source present in a sound field from observation signals observed by these microphones. It is a device to do. First, the configuration will be described.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a sound source detection device.
[0010]
As shown in FIG. 1, the sound source detection device includes microphones 10A, 10B, 10C, and 10D (hereinafter, these microphones are collectively referred to as a microphone array), a sampling unit 12, an FFT operation unit 14, a sound source. It comprises a search operation unit 16 and a result display unit 18.
The microphones 10 </ b> A to 10 </ b> D are installed in a sound field in a predetermined arrangement, detect sound propagating in the sound field, convert the detected sound into an electric signal as a detection signal, and output the signal to the sampling unit 12. The microphones 10A to 10D are arranged such that the microphones 10B, 10C, and 10D are mounted on support rods extending in the x, y, and z directions with respect to the microphone 10A, as shown in FIG. These microphones are arranged at an interval equal to or less than half the wavelength of the signal to be detected. Further, in this embodiment, four microphones are used, but the number of microphones does not need to be particularly four.
[0011]
The detection signals output from the microphones 10A to 10D are sampled by the sampling unit 12 at a predetermined sampling cycle, and output to the FFT operation unit 14. The sampled detection signal is Fourier-transformed by the FFT operation unit 14 and output to the sound source search operation unit 16 as a frequency spectrum.
The sound source search calculation unit 16 calculates the position of the sound source and the intensity of the sound source (frequency spectrum of the generated sound) from the frequency spectrum of the detection signal detected by each microphone, and displays these results in the result display unit 18. Output to
[0012]
Next, the processing performed by the sound source search calculation unit 16 will be described in detail.
In calculating the position of the sound source and the strength of the sound source from the frequency spectrum of the sound detected by the microphone array as described above, the problem is first divided into two major steps. In the first step, a sound field model in which a plurality of discrete sound sources exist in the measured sound field is considered, and the number of sound sources and their positions in space are arbitrarily given. Next, the strength of each model sound source that optimally approximates the measured microphone array output is determined by an optimization technique. This problem is generally regarded as an inverse problem by nonlinear least-squares approximation. By introducing an appropriate norm, the problem is formulated as a linear least-squares problem, and an optimal solution to the inverse problem is given. At this stage, since the model error with respect to the assumed number and positions of the sound sources can be evaluated using the optimal solution of the inverse problem, this is adopted as the evaluation function. Therefore, in the next step, the number and the position of the model sound source are searched by the genetic algorithm (Genetic Algorithm; GA) using the above evaluation function as the fitness of the biological population. Therefore, the sound source identification and search method according to the present invention can be regarded as one hybrid solution to the inverse problem of sound field estimation, which combines the solution of the multi-channel linear least squares problem and the solution of the search problem of the genetic algorithm. .
[0013]
Therefore, a procedure for calculating the position of the sound source and the strength of the sound source will be described below, while sequentially explaining the theoretical background of the solution of the multi-channel linear least squares problem and the solution of the search problem of the genetic algorithm.
This theory assumes that the sound source in the sound field is a plurality of discrete sound sources, expressed as the source strength of the distributed sound source. In general, it should be assumed that the sources are correlated with each other. By the way, in the actual analysis and application, it is often necessary to know the auto spectrum and cross spectrum information of the sound source. Therefore, all the analysis is performed in the frequency domain. Therefore, consider the problem of estimating the cross spectrum between all sound sources. In the following description, for convenience, the number of sound sources is two, and the number of microphones in a microphone array is three. Finally, a general expression is given so that this does not lose generality. The Fourier transform of the time history of the intensity of the sound source can be expressed as a complex vector as follows.
[0014]
(Equation 1)
Figure 0003572594
[0015]
The Fourier transform is defined as follows for finite-length data.
[0016]
(Equation 2)
Figure 0003572594
[0017]
Therefore, attention is paid to a cross spectrum matrix defined by the following equation.
[0018]
(Equation 3)
Figure 0003572594
[0019]
Here, H represents the conjugate transport, and E {} represents the expected value operator (strictly, this operator represents the process of estimating the cross spectrum by ensemble averaging of data records).
Therefore,
[0020]
(Equation 4)
Figure 0003572594
[0021]
S aa is represented as a cross power spectrum matrix again as follows.
[0022]
(Equation 5)
Figure 0003572594
[0023]
Here, the cross power spectrum of each element is, for example,
(Equation 6)
Figure 0003572594
[0025]
And
The problem is to optimally estimate the above-mentioned matrix S aa from the temporal history of sound pressure observed at the position of the microphone array installed in the sound field.
Both the microphone output and each output are represented by the following complex vector using the Fourier transform.
[0026]
(Equation 7)
Figure 0003572594
[0027]
The corresponding cross power spectrum matrix S yy is given by:
[0028]
(Equation 8)
Figure 0003572594
[0029]
Therefore, this can also be easily expressed as follows.
[0030]
(Equation 9)
Figure 0003572594
[0031]
In this analysis, a transfer function matrix from the model sound source to the model microphone is assumed, and the analysis model is a linear system that satisfies the following relationship (see FIG. 6). That is,
[0032]
(Equation 10)
Figure 0003572594
[0033]
For example, in the case of a point monopole sound source model, the transfer function H 12 (ω) represents a transfer function between the sound source 2 and the microphone 1 and can be easily expressed as the following equation.
[0034]
(Equation 11)
Figure 0003572594
[0035]
Here, r 12 is the distance between the sound source 2 and the microphone 1, ρ o is the density of air, and κ is the wave number. From the above discussion, it is obvious that the sound source model may be a point dipole (dipole) or a point quadrupole (quadrupole), or any form in which these are distributed. Further, the transfer function from the model sound source to the model microphone may be derived from foresight information or may be an actually measured value. In particular, transfer functions obtained by simulation techniques based on integral equations are considered to be very useful. Therefore, the relationship of equation (10) is compactly written as follows.
[0036]
(Equation 12)
Figure 0003572594
[0037]
Accordingly, the model sound source presents the following cross power spectrum matrix S yy ′ at the microphone position.
[0038]
(Equation 13)
Figure 0003572594
[0039]
Therefore, our optimization problem is to find the best sound source intensity vector a in the sense of giving the model cross power spectrum matrix S yy ′ that is closest to the actually measured cross power spectrum matrix S yy. Will be returned. Therefore, next, an optimal solution for minimizing the Frobenius norm for the error matrix is considered. First, the error matrix,
[0040]
[Equation 14]
Figure 0003572594
[0041]
E = S yy - S yy '
Is defined. By expanding the above equation, the following equation is obtained.
[0042]
(Equation 15)
Figure 0003572594
[0043]
On the other hand, the Frobenius norm of the error matrix is defined by the following equation.
[0044]
(Equation 16)
Figure 0003572594
[0045]
Strictly speaking, the square root is used, but here, the above equation is used to define the Frobenius norm. Accordingly, the Frobenius norm is expressed as follows from Expression (15).
[0046]
[Equation 17]
Figure 0003572594
[0047]
It can be seen that the sound source intensity vector a or the cross spectrum matrix S aa that minimizes the Frobenius norm minimizes the sum of squares of the difference between the actually measured cross power spectrum and the model cross power spectrum. Therefore, this Frobenius norm norm is considered suitable for our purpose.
Anciant (1) and others study the solution of a general nonlinear least-squares problem together with its numerical calculation method. The optimum solution of the Frobenius norm criterion for the above problem is given by the following equation.
[0048]
(Equation 18)
Figure 0003572594
[0049]
Equation (18) is a solution to be found, and shows that by assuming a model for H , the best estimation of the cross-spectral matrix S aa of the intensity of the sound source can be calculated using the measured value S yy .
Also, given the solution of the cross spectrum matrix S aa , the model cross power spectrum matrix S yy ′ is given by the following equation:
[Equation 19]
Figure 0003572594
[0051]
By substituting equation (19) into equation (14), the Frobenius norm at this time can be calculated. The Frobenius norm is given by the following equation with respect to the solution of the cross spectrum matrix S aa .
[0052]
(Equation 20)
Figure 0003572594
[0053]
From the above theoretical background, it is possible to calculate the cross spectrum matrix S aa that minimizes the error (Frobenius norm) at the assumed model sound source position. That is, it is possible to obtain the intensity of the sound source of each frequency component that most adapts to the measured value among the model sound sources of the assumed number and positions.
The error (Frobenius norm) when the optimal solution cross-spectral matrix S aa is indicates the degree of adaptation to the assumed model tone the actual sound sources, it can be said that a high fitness as the error is small. In other words, it can be said that a model sound source having a higher degree of matching reproduces an actual sound source.
[0054]
Therefore, hereinafter, this fitness is specifically expressed by the reciprocal of the error, and the quality of the assumed model sound source is evaluated. Hereinafter, the reciprocal of the error is referred to as “Fitness”. The method of expressing the fitness is not limited to this.
In the above description, the error was evaluated using the Frobenius norm, but there are various methods for evaluating the error, and the method is not limited to this.
[0055]
In the above description, the signal output from the sound source is described as a single frequency. However, when the signal output from the sound source has a certain frequency band, the above error is obtained for each frequency component, and for example, the sum of these errors is calculated. Alternatively, a logarithm of the sum of these errors is evaluated as a total error. However, in this case, the error may be evaluated as described above by focusing on a certain frequency, and the position of the sound source may be searched based on the error.
[0056]
Next, a method of assuming a model sound source will be described.
In the above, the best estimation of the cross-spectral matrix S aa of the intensity of the sound source for a given number and position of model sound sources has been discussed. However, in order to estimate the number and position of the model sound sources, some sound source position search algorithm is required. For example, a sound source position is given as a point on a mesh in a three-dimensional space, and all combinations can be evaluated in combination with the number of model sound sources. However, it may be practically difficult. For example, targeting only the 32-point space, even in the case of eight very small exploration model sound source is assumed, the combination becomes 10 7 order. Therefore, in the present embodiment, the genetic algorithm is applied to sound source search. Hereinafter, the genetic algorithm will be described.
[0057]
As shown in FIG. 3, the search problem here is characterized in that the evaluation function has a complicated shape for a possible combination of model sound sources (variable x), and the entire image is not known. Further, in the Possible order also practical applications of variable x, for about 1000bit is required, the search point becomes approximately 10 300, solution by full search is practically impossible, so-called NP-complete problems . Genetic algorithms (GA) are considered to be effective as a search algorithm for efficiently searching a search space and quickly finding a practical optimum solution, and are currently being used in various engineering applications. In GA, the search problem is solved by a method that mimics the evolutionary process of living things. Further, in the GA, a plurality of search points are simultaneously used instead of searching for search points in a search space one by one in order. Also, each search point is regarded as a virtual creature having a gene. For each individual, the fitness for each environment is calculated. In this embodiment, the fitness is evaluated using the above-mentioned Frobenius norm. Evolution is carried out by generational alteration simulations in which individuals with low fitness are eliminated by selection (selection), individuals with high fitness are multiplied, and individuals of offspring having genes that inherit the characteristics of the parent are generated. That is, a better search proceeds.
In alternation of generation, operations called crossover and mutation are performed.
[0058]
FIG. 4 is a flowchart illustrating a sound source search algorithm using a genetic algorithm.
First, an initial generation individual and a chromosome are determined (step S10). A chromosome is composed of a plurality of genes. In addition, the position of each gene is defined by a kind of coordinates called a locus. The internal representation of the chromosome of an individual individual is referred to as genotype. When applied to the sound source search algorithm of this embodiment, the number of search points (the number of points on the mesh) in the sound field is used as the number of genes, and these search points are arranged in a predetermined array to form a chromosome. At each search point, the gene when the model sound source is present is 1 and the gene when the model sound source is not present is 0, and one arrangement form of the model sound source is represented by a bit code as one individual as shown in FIG. That is, each bit is made to correspond to each point on the mesh of the sound field, and the bit assumed to be a model sound source is set to 1.
[0059]
When determining the individuals of the initial generation, first, the number of individuals and the number of model sound sources in one individual are determined. In the following description, it is assumed that the number of individuals is 40 and the number of model sound sources in one individual is 4. After determining the number of individuals and the number of model sound sources, the position where the model sound sources are arranged is determined at random to generate individuals of the initial generation.
Next, the Fitness of each of the forty individuals generated as described above is calculated (step S12). Then, out of the forty individuals, the remaining individuals are selected (selection and multiplication) so that the total fitness becomes 20 in total, together with the individual having the highest Fitness (step S14). When selecting the remaining individuals, individuals having larger Fitness are selected with higher probability.
[0060]
Next, two individuals are randomly extracted from the twenty individuals selected by selection and multiplication and combined to form a set of ten individuals. Then, the genes are recombined for each pair, and two individuals are newly proliferated (intersection of the genes) (step S16). That is, 20 new individuals are generated by crossing genes from individuals selected by selection and propagation, and a total of 40 individuals are generated. When crossing genes, the bit from which to cross is determined at random.
[0061]
Next, mutations are generated in the 20 individuals that have proliferated as described above (step 18). Mutation is an operation in which the position of a sound source is changed at a certain probability without changing the number of sound sources, and is generated, for example, at a probability of 0.02%.
The individuals of the new generation are generated as described above, and the Fitness is calculated for the generated 20 individuals (step S20). Then, an individual having the largest Fitness is searched from among the forty individuals, and it is determined whether or not the value is equal to or greater than a predetermined threshold (step S22). This threshold value indicates a Fitness value that is empirically determined that the model sound source (individual) assumed to the actual sound source is sufficiently adapted. If the maximum value of Fitness is equal to or larger than the threshold, the above processing is terminated, and the position of the model sound source of the individual is set as the actual position of the sound source.
[0062]
Conversely, if the maximum value of Fitness is smaller than the threshold, the process returns to step S14, and the above processing is repeated.
As described above, individuals whose Fitness exceeds a predetermined threshold are detected by using the genetic algorithm, and the actual position of the sound source is searched. However, if the number of model sound sources assumed above is smaller than the actual number of sound sources, it is not possible to detect individuals whose Fitness exceeds the threshold value even if the above processing is repeated. If it is not possible to detect an individual exceeding the threshold, the same processing is performed by increasing the number of model sound sources.
[0063]
As described above, the sound source search algorithm described above is basically summarized as follows.
(1) In a field to be searched for a sound source, a sound field is sampled using a microphone array to obtain a matrix S yy .
(2) Set a transfer function matrix H from the model sound source to the model microphone. Usually, it is constructed using simulation or actual measurement data (such as impulse response) from a priori information of a sound source.
(3) Set the number of model sound sources.
(4) For a given number of model sound sources, a sound source position is searched using a genetic algorithm. At this time, the best estimation of the cross-spectral matrix S aa of the intensity of the sound source based on the Frobenius norm is performed, and the fitness is evaluated using the Frobenius norm obtained by this optimal solution.
(5) Repeat (3) to (4) while increasing the number of model sound sources.
(6) Observe whether the fitness reaches a sufficient fitness or saturate, and estimate the sound source position based on the number of model sound sources and the spatial position showing the best fitness. Depending on the application, it is considered that important information may be obtained by changing the transfer function matrix of (2) and executing the sound source search again.
[0064]
【Example】
As an execution example of the sound source searching device, a simple example in which a loudspeaker is used as a sound source in a anechoic room, a space is sampled by a microphone array composed of five microphones, and a sound source search is executed. FIG. 7 shows a locus of sound source position estimation plotted for each generation. In the experiment, the loudspeakers 1, 2, and 3 were driven by random noise, and FIG. 7 shows a search result for the loudspeaker 1. FFT processing is performed at a sampling frequency of 48 KHz and an average number of additions of 32, and the best estimation of the cross spectrum matrix S aa is performed for the frequency component of the 1 KHz octave band. Also, assuming that the model sound source is a point monopole, the number of virtual creatures is 50, the mesh for locating the model sound source is started from an initial value of 10 × 10, and the mesh interval is reduced according to the fitness and executed. Set. Although it depends on various parameters of the GA, with this simple setting, the actual sound source position can be estimated almost exactly in about 100 generation changes.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the signal source searching method and apparatus of the present invention, the cross power spectrum matrix S yy and the model cross calculated theoretically by assuming the signal source position from the signal sampled by the sensor array are used. Based on the error matrix E indicating the difference from the power spectrum matrix S yy ′, the number of assumed signal sources and the fitness of the signal source position are evaluated, and based on this, the signal source position and characteristics are searched. , The position and characteristics of the signal source can be detected without placing the sensor array at the expected signal source position.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a sound source detection device.
FIG. 2 is a diagram showing an arrangement of microphones 10A, 10B, 10C, and 10D.
FIG. 3 is a diagram showing the shape of an evaluation function for a possible combination of model sound sources (variable x).
FIG. 4 is a flowchart illustrating a sound source search algorithm using a genetic algorithm.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a bit code expressing a model sound source as a gene.
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between a model sound source, a microphone, and a transfer function.
FIG. 7 is a diagram showing an execution result of the sound source detection device.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 microphone array 12 sampling unit 14 FFT calculation unit 16 sound source search calculation unit 18 result display unit

Claims (4)

信号源から伝搬する信号を予め所定の間隔で配設されセンサアレイによってサンプリングし、このサンプリングした観測信号からクロスパワースペクトルマトリックス yyを算出する第1の工程と、
前記信号源の数を仮定するとともに、前記信号源の探査対象となる領域を細分割し、各分割された領域を示す位置を信号源位置として、前記仮定した各信号源の信号源位置を仮定する第2の工程と、
前記仮定した信号源位置の信号源から前記センサアレイまでの伝達関数マトリックスを実測又はシミュレーションによって求める第3の工程と、
前記第1の工程で算出したクロスパワースペクトルマトリックス yyと、前記第3の工程で算出した伝達関数マトリックスとに基づいて、信号源の強さのクロススペクトルマトリックス aaを次式、
aa=[[ H -1 H yy[[ H -1 H H
により算出し、この算出したクロススペクトルマトリックス aaと前記伝達関数マトリックスとに基づいて、モデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′を、次式、
yy′= aa H
により算出し、前記クロスパワースペクトルマトリックス yyと、前記モデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′との差を示す誤差マトリックスを算出する第4の工程と、
前記第4の工程手段で算出された誤差マトリックスに基づいて前記仮定した信号源の数及び信号源位置の適応度を算出する第5の工程と、
前記第2の工程において、前記仮定した信号源の数及び信号源位置の組合せを変更して前記第2の工程から第5の工程を繰り返し、この繰り返しによって得られる適応度のうちから最良の適応度が得られるときの信号源の数及び信号源位置により、信号源の数及び信号源位置を推定する第6の工程と、
から成ることを特徴とする信号源探査方法。
A first step of sampling a signal propagating from a signal source at a predetermined interval in advance by a sensor array and calculating a cross power spectrum matrix S yy from the sampled observation signal;
While assuming the number of the signal sources, the area to be searched by the signal source is subdivided, and the position indicating each divided area is set as the signal source position, and the assumed signal source position of each signal source is assumed. A second step of:
A third step of determining a transfer function matrix H from the signal source at the assumed signal source position to the sensor array by actual measurement or simulation;
Based on the cross power spectrum matrix S yy calculated in the first step and the transfer function matrix H calculated in the third step, the cross spectrum matrix S aa of the signal source strength is expressed by the following equation:
S aa = [[H H H ] -1 H H] S yy [[H H H] -1 H H] H
And a model cross power spectrum matrix S yy ′ is calculated based on the calculated cross spectrum matrix S aa and the transfer function matrix H by the following equation:
S yy ′ = H S aa H H
And a fourth step of calculating an error matrix E indicating a difference between the cross power spectrum matrix S yy and the model cross power spectrum matrix S yy ′.
A fifth step of calculating the fitness of the assumed number of signal sources and the signal source position based on the error matrix E calculated by the fourth step means;
In the second step, the combination of the assumed number of signal sources and the position of the signal source is changed to repeat the second to fifth steps, and the best adaptation is obtained from the fitness obtained by the repetition. A sixth step of estimating the number of signal sources and the position of the signal source by the number of signal sources and the position of the signal source when the degree is obtained;
A signal source searching method characterized by comprising:
前記第6の工程は、前記仮定した信号源の数及び信号源位置の組み合わせの1つを1つの個体とし、予め設定した複数の個体を作成し、各個体に対応して得られる適応度に基づいて遺伝的アルゴリズムを用いて十分な適応度が得られるか又は適応度が飽和するまで順次世代交代させ、この操作を信号源の数を変えて実行することにより、信号源の数及び信号源位置を探査することを特徴とする請求項1の信号源探査方法。In the sixth step, one of the assumed combination of the number of signal sources and the position of the signal source is regarded as one individual, a plurality of preset individuals are created, and the fitness obtained corresponding to each individual is determined. By using a genetic algorithm on the basis of which the next generation is alternated until sufficient fitness is obtained or the fitness is saturated, and performing this operation with a different number of signal sources, the number of signal sources and the number of signal sources 2. The method according to claim 1, wherein the position is searched. 予め所定の間隔で配設され、それぞれ信号源から伝搬する信号をサンプリングするセンサアレイと、
前記センサアレイでサンプリングした複数の観測信号からクロスパワースペクトルマトリックス yyを算出する第1の演算手段と、
前記信号源の数を仮定するとともに、前記信号源の探査対象となる領域を細分割し、各分割された領域を示す位置を信号源位置として、前記仮定した各信号源の信号源位置を仮定し、その仮定した信号源位置の信号源から前記センサアレイまでの伝達関数マトリックスを実測又はシミュレーションによって求める第2の演算手段と、
前記第1の演算手段によって算出したクロスパワースペクトルマトリックス yyと、前記第2の演算手段によって算出した伝達関数マトリックスとに基づいて、信号源の強さのクロススペクトルマトリックス aaを次式、
aa=[[ H -1 H yy[[ H -1 H H
により算出し、この算出したクロススペクトルマトリックス aaと前記伝達関数マトリックスとに基づいて、モデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′を、次式、
yy′= aa H
により算出し、前記クロスパワースペクトルマトリックス yyと、前記モデルクロスパワースペクトルマトリックス yy′との差を示す誤差マトリックスを算出する第3の演算手段と、
前記第3の演算手段によって算出された誤差マトリックスに基づいて前記仮定した信号源の数及び信号源位置の適応度を算出する第4の演算手段と、
前記仮定した信号源の数及び信号源位置の組合せを変更して前記第4の演算手段からそれぞれ適応度を得、これらの適応度のうちから最良の適応度が得られるときの信号源の数及び信号源位置により、信号源の数及び信号源位置を推定する探査手段と、
から成ることを特徴とする信号源探査装置。
A sensor array which is arranged at a predetermined interval in advance and samples a signal propagated from a signal source,
First calculating means for calculating a cross power spectrum matrix S yy from a plurality of observation signals sampled by the sensor array;
While assuming the number of the signal sources, the area to be searched by the signal source is subdivided, and the position indicating each divided area is set as the signal source position, and the assumed signal source position of each signal source is assumed. A second calculating means for obtaining a transfer function matrix H from the signal source at the assumed signal source position to the sensor array by actual measurement or simulation;
On the basis of the cross power spectrum matrix S yy calculated by the first calculation means and the transfer function matrix H calculated by the second calculation means, a cross spectrum matrix S aa of the strength of the signal source is expressed by the following equation:
S aa = [[H H H ] -1 H H] S yy [[H H H] -1 H H] H
And a model cross power spectrum matrix S yy ′ is calculated based on the calculated cross spectrum matrix S aa and the transfer function matrix H by the following equation:
S yy ′ = H S aa H H
A third calculating means for calculating an error matrix E indicating the difference between the cross power spectrum matrix S yy and the model cross power spectrum matrix S yy ′.
Fourth calculating means for calculating the assumed number of signal sources and the fitness of the signal source position based on the error matrix E calculated by the third calculating means;
The combination of the assumed number of signal sources and the position of the signal source is changed to obtain fitness values from the fourth calculating means, respectively, and the number of signal sources when the best fitness value is obtained from these fitness values. Exploration means for estimating the number of signal sources and the position of the signal source, and
A signal source searching device, comprising:
前記センサアレイは、前記信号源の観測しようとする信号の波長の2分の1以下の間隔で配設されるセンサを含む請求項3の信号源探査装置。4. The signal source search device according to claim 3, wherein the sensor array includes sensors arranged at an interval of one half or less of a wavelength of a signal to be observed by the signal source.
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