2021 Fiscal Year Annual Research Report
光学的音響計測による音源近接空間のセンシングと音源の記述
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20H02103
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
及川 靖広 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70333135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
矢田部 浩平 早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (20801278)
池田 雄介 東京電機大学, 未来科学部, 教授 (80466333)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 光学的音響計測 / 偏光高速度干渉計 / 音場 / 音源 / 最適化信号処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，偏光高速度カメラを組み込んだ干渉計を用いた光学的音響計測手法を適用し音源に近接した空間の音場の計測法を確立し，その振る舞いをミクロに計測可能にする．それを基に音源を音響現象として記述することにより音源と音場を統一的に扱う手法を確立することを目指している．
本年度は、昨年度の成果をさらに発展させ，より高度な手法による光学的な歪の補正，既存技術による測定との比較と計測機器として重要となる校正方法の確立等を目指し，新型コロナ感染症の影響により購入を予定していた物品の品不足が発生し，研究計画を一部変更し延長したが，以下のことを実施した．
(1)位相共役光発生における応答時間を利用することにより，音による光の位相変化に影響を与えることなく時間的に変化しない光学部品が影響を与える位相歪のみを除去する方法を検討した．
(2)球面波や平面波を用いた校正用音場を提案し，その生成，それを用いた校正方法を提案した．また，3Dプリンタを用いて作成した校正用プレートを作成し，それを用いた校正方法との比較，検証をした．校正プログラムの開発，それを用いた光学歪みの計測と補正，その評価を行った．
(3)音の物理モデルである波動方程式に基づいた最適化処理を導入することにより測定結果から物理現象と矛盾することのないものを抽出することが可能であることに着目し，音による光の位相変化のみを抽出するアルゴリズムを導出した．実測結果に対して提案アルゴリズムの有効性を明らかにした．従来手法であるマイクロホンを用いた計測との比較を行い，音場を定量的に計測可能であることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前述の通り本年度は，昨年度の成果をさらに発展させ，より高度な手法による光学的な歪の補正，既存技術による測定との比較と計測機器として重要となる校正方法の確立等に取り組んだ．
具体的には，時間的に変化しない光学部品が影響を与える位相歪のみを除去するために，位相共役光の利用を検討した．理論と実験によってそれらを補正する手法を提案，確認したが，偏光高速度干渉計に組み込むには光学系の構築の仕方，現象の安定化にまだ課題が多く残っており，今後引き続き検討を加えていく．また，超音波素子を用いて球面波や平面波を生成し，それを用いた測定系の校正方法を確立した．超音波素子は正確な周波数・波面の強力な音場を生成することができ，測定系を校正するためにその音場を用いることが有効である．特に光学的歪みの除去，音圧校正を可能とした．3Dプリンタを用いて作成した校正用プレートを用いての校正と比較検証を行った．校正プログラムを開発し，それを用いて日々の実験を行うことができる環境を確立した．さらに，音の物理モデルである波動方程式に基づいた最適化処理を導入することにより計測結果から物理モデルと矛盾することのない成分を抽出可能であること，SNRの改善に対して提案アルゴリズムが有効性であることを確認した．最適化処理に用いるパラメータによりその効果は変化し，適した値の選択，その選択方法の検討を加え，計測結果のノイズレベルに基づく目安を立てることができること，引き続き検討を加えていく必要があることが確認できた．
以上，システムの高精度化とそれを用いた基礎的な実験など，当初予定していた実施計画をほぼ達成するとともに，次年度に向けての課題を確認することができた．それら成果を学会，論文等で発表した．したがって、本研究は概ね順調に進展していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
新型コロナ感染症の影響により購入を予定していた物品の品不足が発生し，研究計画を一部変更し延長したが，計測システムの校正方法の開発，光学歪みの計測手法・校正方法の評価を行った．さらに改善すべき課題は残っているものの，計測システムとして確立できてきた．2022年度は本年度の成果をさらに発展させ，音源の記述，音源と音場を統一的に扱う手法の確立をめざし，実験によって様々な音源に対して有効であることを明らかにするため，以下のことを実施する．
(1)発音体の記述：キルヒホッフの積分公式の逆問題を解くことにより，閉曲面内の音圧分布（構築したシステムでの計測結果）から音源を囲む閉曲面上の音圧と粒子速度を求め，音響現象として音源を記述する手法を確立する．
(2)空力音の記述：気流内部に設置した角柱やエッジなどから発生する空力音に対して，流れと音の同時可視化計測とそれぞれの成分への分離手法を確立する．音の成分は波動方程式を満たすことや伝搬速度が一定であることに着目し，空間スペクトル領域でのフィルタリング処理や最適化処理などによる分離を検討する．
(3)スパース最適化信号処理を用いた仮想音源推定：音源の記述である音響現象を生じさせる仮想点音源の集合をスパース最適化信号処理により求める．測定結果，数値計算結果を比較し，提案手法の妥当性，有効性を明らかにする．
得られた結果を取りまとめ，学会発表，論文発表を行う．
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