工繊大ら,光で音の伝搬の可視化と音源位置を特定

京都工芸繊維大学,神戸大学,産業技術総合研究所らは,人間の耳に聞こえない,超音波が伝搬する様子を動画像観察するのと同時に,音を発するスピーカの位置を3次元的に特定することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

一般的に,音の計測に使われるマイクロホンは音場への挿入が必要なため,計測対象である音場を乱してしまい,計測精度に影響を及ぼす。これに対し,光を用いた音場計測技術は,音源の性質を変えずに音源近傍の音場を計測できるというメリットがある。

研究グループは,ディジタルホログラフィを応用した,物体を3次元的に動画像記録できる技術を用いて,音場を乱すことなく高精度に計測する技術に関する研究を行なった。具体的には物体を3次元的に,かつ高速に動画像記録できる技術を用いて,スピーカから発される超音波を記録した。

研究グループが発明した,並列位相シフトディジタルホログラフィと呼ばれる,光の干渉によりできた干渉縞をディジタル的に記録して物体の3次元情報を取得するディジタルホログラフィを応用した物体の3次元情報を動画像記録できる技術を用いることで,時間的空間的に変化する音場を動画像として観察に成功した。

音場中では,媒質中に疎密の変化が生じる。よって,光波が音場を通過するとき光波には位相変化が生じる。ディジタルホログラフィは音場によって生じる光波の位相変化を捉えられるので,時々刻々と変化する音場の様子を動画像として可視化できる。また光波の位相を計測することで,音場の可視化だけでなく,音圧分布や周波数分布など,音に関する様々な情報の2次元分布を一度にかつ高空間分解能で取得できるという。

音の波長をより多く記録範囲に収め,音の伝搬する様子を観察しやすくするため,レンズを用いて物体の像を縮小するような光学系を構築した。まず,スピーカから発される超音波の伝搬の様子を動画として可視化した。さらに,得られた結果から,光の位相の時間変化の周波数スペクトルを求めることで,スピーカから発される音が40,000Hzであることを定量的に確認できた。

また,超音波を発するスピーカを2つに増やすことで,3次元的な音源の定位もできることを示した。さらに,2つのスピーカが発する40,000 Hz,41,000Hzの音を正確に計測できていることを確認した。この技術は可聴音にも適用できるという。

研究グループは今回行なった超音波の動画像可視化が,音響製品の設計と評価,構造物,自動車のエンジン・モーターなどの振動解析など種々の製品検査や,産業分野や体内の超音波画像診断など医療分野に期待できるとしている。

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