JP3977559B2

JP3977559B2 - Propagation time measurement method, environmental condition measurement method and apparatus

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Publication number: JP3977559B2
Application number: JP30347899A
Authority: JP
Inventors: 健一原川; 幸雄石川; 幹雄高橋; 清孝岩本; 啓之亮永井; 孝一水谷
Original assignee: Takenaka Corp
Current assignee: Takenaka Corp
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: JP2001124637A

Description

【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（ｔ_WAVE＝０〜ｔ_LAST：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ｔ_Xを仮定し、ｔ_WAVEが所定値（初期値はｔ_WAVE＝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ｔ_X＋ｔ_WAVE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、ｔ_WAVEの値を０〜ｔ_LAST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ｔ_X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ｔ_X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ｔ_X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ｔ_X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ｔ_X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ｔ_X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ｔ_X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Ｌ_SN、及びノード１２と仮想マイクロフォンの間の長さＬ_NM )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）＝（Ｌ_SN÷ｖ₀）＋ｔmn＋（Ｌ_NM÷ｖ₀） …（１）
但し、ｖ₀は空気が所定温度のときの音速であり、ｔmn、Ｌ_SN及びＬ_NM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】

【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】

【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】

【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】

【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、

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】

【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】

【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】

【００９３】
（14）式を（15）式に代入すると、次の（16）式が得られる。
【００９４】
【数８】

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a propagation time measuring method, an environmental condition measuring method, and an environmental condition measuring apparatus, and more particularly, a propagation time measuring method for measuring a propagation time of a sound wave in a space, and a temperature in the space using the propagation time measuring method. The present invention relates to an environmental state measuring method for measuring an environmental state such as a distribution, and an environmental state measuring apparatus to which the environmental state measuring method can be applied.
[0002]
[Prior art]
In order to control the temperature and humidity in the air-conditioned space to desired values, it is necessary to measure the temperature and humidity in the air-conditioned space, but the temperature and humidity at each location in the air-conditioned space are constant. This is rare, especially in large closed spaces such as dome stadiums and theaters, where the temperature and humidity at each location in the space often vary greatly. For this reason, for example, when air conditioning that satisfies both comfort and energy saving is performed in a large space such as a dome stadium or a theater, or when indoor temperature and humidity are precisely controlled to desired values, the air-conditioned space It is necessary to measure the temperature and humidity distribution inside.
[0003]
However, if the temperature or humidity distribution is to be measured directly with a temperature sensor or humidity sensor, a large number of sensors must be arranged in a matrix in the air-conditioned space including the vicinity of the center of the air-conditioned space. However, it is not realistic to arrange a large number of sensors as described above because the landscape is damaged and the use of the space to be measured is also limited. In dome stadiums, theaters, etc., the temperature of the periphery is measured by a sensor attached to the periphery of the space to be measured (for example, a wall), and the vicinity of the center of the space to be measured is lifted by a balloon or the like. However, with this method, it is impossible to measure the temperature and humidity distribution while an event such as baseball is being performed in the space to be measured.
[0004]
On the other hand, in the medical field, the human body is irradiated with X-rays from multiple directions, the X-ray dose transmitted through the human body is measured by a highly sensitive sensor, and each cross-section of the human body is measured based on the measured X-ray dose. A computed tomography (CT) technique in which the amount of X-ray absorption of tissue in the body at a position is calculated by a computer, reconstructed as a two-dimensional image, and displayed on a monitor as a cross-sectional image of the human body is widely used. It is also known to use ultrasonic waves instead of X-rays.
[0005]
According to the CT technique described above, it is possible to measure the internal state of the measurement target (in this case, the human body) in a non-contact manner. Therefore, it has been proposed to obtain the temperature distribution in the measurement space using this CT technique. ing. Specifically, instead of X-rays, sound waves whose propagation time (velocity) varies depending on the temperature of the medium are used. For example, speakers, microphones, and temperature sensors are provided at many locations on the wall that defines the measurement space. Then, the propagation time of the sound wave between the multiple points is measured by the speaker and the microphone, respectively, and the temperature distribution in the measurement space is obtained by calculation from the propagation time of the sound wave between the multiple points in the measurement space.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the signal output from the microphone is superimposed with noise components caused by noise generated in the microphone itself, sound generated in the space under measurement, etc., and the sound wave to be detected (for the purpose of measuring temperature distribution) It is difficult to discriminate a signal component corresponding to a sound wave emitted from a speaker and reaching a microphone.
[0007]
On the other hand, the inventors of the present application pay attention to the fact that the randomness (irregularity) of the period and amplitude of the noise component is high, and the sound is output from the speaker in a number of propagation time measurement sections that cross the measured space. The signal from which the noise component is removed can be obtained by performing sound wave detection processing for storing the waveform of the signal emitted from the microphone multiple times, and obtaining a waveform corresponding to the average of the multiple waveforms obtained by the multiple processing. I thought that there is a possibility to be obtained. However, when an experiment was conducted to confirm the effectiveness of the above technique, it became clear that it was difficult to discriminate the signal component corresponding to the sound wave to be detected even when the above technique was applied.
[0008]
That is, when sound (sound wave) is emitted from the speaker, the sound wave propagates linearly from the speaker to the microphone (the sound wave directly propagated from the speaker to the microphone without being reflected by an object or the like existing in the measurement space: direct In addition to waves, sound waves (indirect waves: reverberation sound) reflected on an object that exists in the measurement space or a wall when the periphery of the measurement space is partitioned by a wall are also slightly more than direct waves. The microphone arrives with a delay (see FIG. 14).
[0009]
Although the original measurement target is the propagation time of the direct wave, when the sound wave detection process is performed a plurality of times, the sound reaches the microphone as a reverberant sound from the sound wave emitted from the speaker in the nth sound wave detection process (n is an integer). The indirect wave is superimposed on the direct wave propagating directly from the speaker to the microphone among the sound waves emitted from the speaker in the (n + 1) th and subsequent sound wave detection processes, so that the waveform of the signal output from the microphone is greatly distorted and detected. It was difficult to discriminate the signal component corresponding to the target sound wave (direct wave).
[0010]
The present invention has been made in consideration of the above facts, and is a propagation time measuring method capable of measuring the propagation time of a sound wave in a measured space with high accuracy by eliminating the influence of noise components such as reverberation sound. Obtaining is the first purpose.
[0011]
The second object of the present invention is to obtain an environmental condition measuring method and an environmental condition measuring apparatus capable of measuring an environmental condition such as a temperature distribution in a measurement space with high accuracy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the first object, the propagation time measuring method according to the invention described in claim 1 emits a sound wave having a constant waveform from the first position and is separated from the first position by the space to be measured. The sound wave detection process that detects the sound wave that has reached the position ofRepeated R times (provided that R ≧ 2) such that the phase of the timing of sound waves emitted from the first position monotonously increases or decreases monotonously (T / R) with respect to the period T of the sound waves emitted from the first position., With reference to the timing at which sound waves are emitted from the first position,RA waveform corresponding to the average of the waveforms of the sound waves detected by each sound wave detection process, and a waveform corresponding to the averageWhenA waveform of a sound wave emitted from the first position;By repeating one of the waveforms while shifting the waveform along the time axis,A propagation time of a sound wave that propagates directly from the first position to the second position in the measurement space is calculated.
[0013]
When a sound wave having a constant waveform is emitted from the first position, the waveform of the sound wave (indirect wave) that reaches the second position separated from the first position by the space to be measured as a reverberant sound, from the first position Although it is difficult to specify the propagation path to the second position and the propagation time, the above-described waveform, propagation path, and propagation time are always substantially constant.
[0014]
  In the first aspect of the invention, a sound wave detection process for detecting a sound wave that emits a sound wave having a constant waveform from the first position and reaches a second position separated from the first position by the space to be measured,Repeated R times (provided that R ≧ 2) so that the phase of the timing at which sound waves are emitted from the first position monotonously increases or decreases by (T / R) with respect to the period T of sound waves emitted from the first position.. The sound wave detection process can be performed by providing sound wave generation means such as a speaker at the first position and sound wave detection means such as a microphone at the second position.The Like above-mentioned,Since the time for the direct wave to reach the second position after the sound wave is emitted from the first position (the propagation time of the direct wave) is substantially constant,As described above, the sound wave detection process is performed so that the phase of the sound wave emitted from the first position monotonously increases or decreases monotonously (T / R) with respect to the period T of the sound wave emitted from the first position. R when repeatedIf the waveform of the sound wave detected by each sound wave detection process is compared with the timing at which the sound wave is emitted from the first position,Is superimposed onComponents corresponding to reverberationPhases are different from each other.
[0015]
  In the invention of claim 1, with reference to the timing at which the sound wave is emitted from the first position,RSince the waveform corresponding to the average of the waveform of the sound wave detected by each sound wave detection process is obtained, the component corresponding to the reverberant sound superimposed on each waveform isThe phases of the components superimposed on each waveform are different from each otherThus, it is removed in the same manner as other noise components. Note that the waveform corresponding to the average can be obtained by applying, for example, an addition average.
[0016]
  In the invention of claim 1, the waveform corresponding to the averageWhenThe waveform of the sound wave emitted from the first position;By repeating one of the waveforms while shifting the waveform along the time axis,The propagation time of the sound wave that propagates directly from the first position to the second position in the measurement space is calculated. As described above, since the component corresponding to the reverberant sound and other noise is removed from the waveform corresponding to the average,Based on the correlation calculated as aboveThe component corresponding to the sound wave directly propagated from the first position to the second position can be easily discriminated, and the propagation time of the sound wave in the measurement space (the first time) is eliminated by eliminating the influence of noise components such as reverberation sound. (Acoustic wave propagation time from the first position to the second position) can be measured with high accuracy.
[0020]
  And claim for achieving the first object.2The propagation time measurement method according to the invention described above is a sound wave detection process for detecting a sound wave that emits a sound wave having a constant waveform from a first position and reaches a second position separated from the first position by a space to be measured. TheA period of emitting sound waves from the first position isLonger than the value obtained by subtracting the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position from the longest propagation time until the sound wave emitted from the first position reaches the second position.To becomeA waveform corresponding to the average of the waveforms of the sound waves respectively detected by the plurality of sound wave detection processes is obtained on the basis of the timing at which the sound waves are emitted from the first position, and the waveform corresponding to the average.WhenA waveform of a sound wave emitted from the first position;By repeating one of the waveforms while shifting the waveform along the time axis,A propagation time of a sound wave that propagates directly from the first position to the second position in the measurement space is calculated.
[0021]
  Claim2In the described invention,The period of emitting sound waves from the first position isThe longest propagation time until the sound wave emitted from the first position reaches the second position separated from the first position by the space to be measured (the propagation time of the sound wave reaching the second position as reverberant sound) From the value obtained by subtracting the propagation time of a sound wave directly propagating from the first position to the second position (for example, an estimated value or a value obtained by past calculation can be used as this propagation time) LengthSo thatThe sound wave detection process is repeated a plurality of times.
[0022]
As a result, although it may take some time to complete a plurality of sound wave detection processes, the sound wave emitted from the first position in the nth sound wave detection process includes a component corresponding to a reverberant sound. Since the sound wave emitted from the first position in the (n + 1) th sound wave detection process starts to reach the second position after all the second position has been reached, it has occurred in the nth sound wave detection process. It is possible to avoid the component corresponding to the reverberant sound from being superimposed on the sound wave propagating directly from the first position to the second position in the (n + 1) th sound wave detection process.
[0023]
  And claims2In the invention, a waveform corresponding to the average of the waveforms of the sound waves detected by the plurality of sound wave detection processes is obtained with reference to the timing at which the sound waves are emitted from the first position, and the waveform corresponding to the average is obtained.WhenThe waveform of the sound wave emitted from the first position;By repeating one of the waveforms while shifting the waveform along the time axis,Since the propagation time of the sound wave propagating directly from the first position to the second position in the measurement space is calculated, the influence of noise components such as reverberation sound is eliminated, and the propagation time of the sound wave in the measurement space is increased. It can be measured with high accuracy.
[0024]
  Claims to achieve the second objective3The environmental state measuring method according to the invention described above is characterized in that the propagation time of the sound wave between a plurality of different locations on the periphery of the space to be measured is defined in claim 1.Or claim 2Each measurement is performed by the described propagation time measurement method, and the environmental state in the measurement space is calculated based on the measurement value of the propagation time of the sound wave between the plurality of locations.
[0025]
  Claim3In the described invention, the propagation time of the sound wave between a plurality of different positions on the peripheral edge of the space to be measured is defined in claim 1.Or claim 2Since each measurement is performed by the propagation time measurement method described in claim 1,Or claim 2Similar to the invention, the propagation time of sound waves between a plurality of locations can be measured with high accuracy by eliminating the influence of noise components such as reverberation. And claims3In this invention, since the environmental state in the measured space is calculated based on the measured value of the propagation time of the sound wave between a plurality of locations, the environmental state such as the temperature distribution in the measured space can be measured with high accuracy. it can.
[0026]
  Claims3More specifically, the calculation of the environmental state in the measured space in the invention of the present invention is performed by, for example, dividing the measured space into a number of small areas, and using the sound speed in each small area as a variable to detect a certain sound wave from a certain sound wave generator. A large number of equations representing the propagation time of sound waves propagating along the propagation path to the device as the sum of the passage times of sound waves in each small region existing on the propagation path are generated as simultaneous equations. Although it can be realized by substituting it into simultaneous equations, it is preferable to calculate as follows.
[0027]
  In other words, a large number of virtual paths of equal length, each along a certain direction and passing through the measured space at different positions, are set for a plurality of different directions, and each virtual path is set on the virtual path. A section that overlaps the measured space (the intersection of each virtual path and the periphery of the measured space is claimed)3(Corresponding to a plurality of locations described in the above).Or claim 2Measure the propagation time of the sound wave using the described propagation time measurement method, and assume that the sound wave propagation time of the section outside the measured space on the virtual path is filled with a medium of constant temperature outside the measured space. To estimate the propagation time when the sound wave propagates on the virtual path, and based on the estimated value of the sound wave propagation time of each of the many virtual paths along the predetermined direction, the predetermined direction The projection data of the propagation time of the sound wave is obtained for each of the plurality of directions, and the environmental state in the measurement space is calculated based on the projection data of the propagation time of the sound wave for each of the plurality of directions. It is preferable.
[0028]
In the above, since the projection data of the propagation time of the sound wave can be acquired by virtually matching the lengths of the propagation time measurement paths, the calculation method (Fourier domain reconstruction method or filter processing data can be calculated in a short time). Back projection method, two-dimensional filtering method, etc.) can be applied, and the calculation time can be shortened and the apparatus configuration for measuring the propagation time can be simplified.
[0029]
  An environmental condition measuring apparatus according to the invention of claim 4A sound wave having a constant waveform is generated from the sound wave generating means disposed at the first position, and the sound wave that has reached the second position separated from the first position by the space to be measured is disposed at the second position. In the sound wave detection process to be detected by the sound wave detecting means, the phase of the timing of emitting the sound wave from the first position is monotonously increased or decreased monotonously with respect to the period T of the sound wave emitted from the first position. As described above, R times are repeated (where R ≧ 2), and the waveform corresponding to the average of the waveforms of the sound waves detected by the R times of sound wave detection processing is obtained with reference to the timing at which the sound waves are emitted from the first position. The calculation of the correlation between the waveform corresponding to the average and the waveform of the sound wave emitted from the first position is repeated while shifting one waveform along the time axis. Above In the first propagation time measurement process for calculating the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position, or the sound wave detection process, the cycle of emitting the sound wave from the first position is the first So as to be longer than the value obtained by subtracting the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position from the longest propagation time until the sound wave emitted from the position reaches the second position. Repeating a plurality of times, using the timing at which the sound wave is emitted from the first position as a reference, a waveform corresponding to the average of the sound wave waveforms detected by the plurality of sound wave detection processes is obtained, and the waveform corresponding to the average By repeating the calculation of the correlation with the waveform of the sound wave emitted from the first position while shifting one waveform along the time axis, the measurement space is measured from the first position to the first position. Directly to position 2 The second propagation time measurement processing for calculating the propagation time of the wave to be sown,Propagation time of sound waves between different locations on the periphery of the measurement spaceEachAnd a calculation means for calculating an environmental state in the measurement space based on a measured value of the propagation time of the sound wave between the plurality of locations measured by the propagation time measurement means. Therefore, similarly to the invention of claim 3, it is possible to measure the environmental state such as the temperature distribution in the measured space with high accuracy.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
[First Embodiment]
FIG. 1 shows an environmental state measuring apparatus 10 according to the first embodiment. The environmental state measuring apparatus 10 includes a large number of

nodes

12A, 12B, 12C,... And a host computer 14, which are connected to each other via a transmission medium 16.
[0032]
The host computer 14 includes a CPU 14A, a ROM 14B, a RAM 14C, and an input / output port 14D, which are connected to each other via a bus 14E. The input / output port 14 </ b> D is connected to the transmission medium 16 via the network transmission unit 49. The input / output port 14D is connected to a display 18 for displaying various information and a keyboard 20 for an operator to input various data, commands, and the like.
[0033]
On the other hand, a large number of nodes 12 are arranged at substantially constant intervals around the entire periphery of the peripheral portion in the peripheral portion of the space to be measured. As an example, FIG. 2 shows a case in which an environmental state is measured in a dome-shaped measurement space 24 (for example, a dome stadium) that is partitioned by a cylindrical wall body 22 and is closed by a roof (not shown). The arrangement of each node 12 is shown, and each node 12 is embedded in the wall body 22. The number and interval of the nodes 12 are not limited to the example shown in FIG. 2, but the number of nodes 12 is desirably an even number. Further, in order to identify each node 12, a node number is assigned to each node for convenience.
[0034]
Since the

nodes

12A, 12B, 12C,... Have the same configuration, the node 12A will be described below. The node 12 </ b> A includes a speaker 30 as a sound wave generation unit and a microphone 32 as a sound wave detection unit, which are arranged in the space to be measured 24. The speaker 30 is connected to the data processing unit 38 via the amplifier 34 and the D / A converter 36, and the microphone 32 is connected to the data processing unit 38 via the filter / amplifier 40 and the A / D converter 42. ing. The data processing unit 38 includes a microcomputer or the like, and is connected to the transmission medium 16 via the network transmission unit 48.
[0035]
Next, the operation of the first embodiment will be described. In the present embodiment, in the temperature distribution calculation process described later, as shown in FIG. 3 as an example, a number of virtual paths are set in advance as paths for estimating the propagation time of sound waves. In FIG. 3, only a virtual route along a certain direction is shown, but actually, as shown in FIG. 5B as an example, a plurality of different directions (for example, 10 ° differ from each other). With respect to (direction), a large number of virtual paths are set in advance.
[0036]
The virtual path is a virtual speaker located on a virtual speaker row arranged so as to be orthogonal to the predetermined direction outside the measured space 24, and a measured space on the opposite side of the virtual speaker row across the measured space 24 24 outside the constant interval L₀(Refer to FIG. 4) is defined as a path connecting virtual microphones positioned on a virtual microphone array arranged in parallel with the virtual speaker array, and each virtual path is defined as a virtual speaker and a virtual microphone. The positions on the virtual speaker row and the virtual microphone row are determined so as to cross the wall body 22 and penetrate the measured space 24 at positions where different nodes 12 are arranged along predetermined directions. . Therefore, the lengths of the virtual paths are equal to each other.
[0037]
Of each virtual path, for a section between a pair of nodes 12 positioned on the same virtual path (measurement target section indicated by a solid line in FIG. 3), the propagation time of the sound wave is actually propagated by transmitting the sound wave. However, the sound wave propagation time cannot be measured for the section between the virtual speaker and the node 12 and between the node 12 and the virtual microphone (propagation time estimation section). For this reason, the ROM 14B of the host computer 14 stores the length of the propagation time estimation section corresponding to each virtual path.
[0038]
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, an orthogonal coordinate system xy having the center O of the measured space 24 as the origin O is defined, and each virtual path is orthogonal to the virtual path and passes through the origin O. It is identified by the length X (distance X) of the straight line S and the angle θ (slope θ) formed by the straight line S and the x axis (referred to as virtual path (X, θ)).
[0039]
Next, a temperature distribution calculation process executed by the host computer 14 when obtaining the environmental state (temperature distribution in the present embodiment) in the measured space 24 will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0040]
In step 100, the frequency band of the sound wave used for measurement is set based on the size of the measured space 24. Specifically, as the frequency band, a value within a frequency band in which the speaker 30 can generate sound waves and the microphone 32 can detect sound waves is set, and as the size of the space to be measured 24 increases (that is, the measurement target) The frequency band is set so as to deviate toward the low frequency side as the distance between the nodes 12 facing each other across the central portion of the space 12 increases. Note that sound waves in a certain frequency band may be used for measurement.
[0041]
In the present embodiment, a sound wave having a constant waveform is generated from the speaker 30 of the node 12 when measuring the propagation time of the sound wave. The sound wave data for generating the sound wave having the constant waveform from the speaker 30 (the sound wave of the constant waveform (for example, the waveform shown in FIG. 9A) converted into an analog voice signal and further converted into digital data) Each of the frequency bands is generated and stored in advance in the ROM 14B or the like of the host computer 14. In step 102, the sound wave data corresponding to the frequency band set in step 100 is transferred to all the nodes 12. In the

next step

104, 1 is substituted into a count value m representing a node number for generating a sound wave.
[0042]
In the present embodiment, a node having a node number m that generates a sound wave (hereinafter simply referred to as a node m) is used so as not to duplicately measure the propagation time of the sound wave in the measurement target section (so as not to measure from both directions), A node (measurement target node) for measuring the sound wave generated from the node m is determined in advance, and the node number of the measurement target node is stored in the ROM 14B of the host computer 14 for each node generating the sound wave. Yes. In step 106, the node number P and the node number (n1, n2,...) Of the node 12 to be measured corresponding to the node m (the node having the node number 1 at first) are read from the ROM 14B.
[0043]
In this embodiment, when measuring the propagation time of a sound wave, the generation of a sound wave from the sound wave generation target node and the measurement of the sound wave reaching the measurement target node (hereinafter collectively referred to as a sound wave detection process) are individually measured. Perform R times (R ≧ 2) for each target section. Furthermore, in the present embodiment, the first sound wave generation start timing from the node m is defined by time, and the second and subsequent sound wave generation start timings from the node m are defined by the sound wave generation start time interval. (The timing for starting the generation of the i (i ≧ 2) th sound wave is defined by the time interval from the start of the i−1th sound wave generation).
[0044]
For this reason, first, in step 108, the sound wave generation time corresponding to the first sound wave generation start timing from the sound wave generation target node m is determined. In the next step 110, the sound wave generation start time interval that defines the second and subsequent sound wave generation start timings from the sound wave generation target node m is determined using a function for generating random numbers. Therefore, R sound waves are generated from the node m at different non-constant time intervals.The
[0045]
In step 112, as the sound wave generation timing, the sound wave generation time determined in step 108 and the sound wave generation start time interval determined in step 110 are notified to each measurement target node. In

step

114, 1 is substituted into a count value i representing the number of executions of the sound wave detection process. In the next step 116, it is determined whether or not the sound wave generation timing has arrived, and the process waits until the determination is affirmed. When the sound wave generation timing has arrived, the determination in step 116 is affirmed and the process proceeds to step 118 to instruct the sound wave generation target node m to generate sound waves using the sound wave data previously transferred.
[0046]
When the generation of sound waves is instructed from the host computer 14 via the transmission medium 16 and the network transmission unit 48, the sound wave generation target node m outputs the sound wave data previously transferred to the D / A converter 36. The sound wave data output from the data processing unit 38 is converted into an analog audio signal by the D / A converter 36, amplified by the amplifier 34 at a predetermined amplification factor, and then supplied to the speaker 30. As a result, the sound wave having a constant waveform is emitted from the speaker 30 of the node m at a predetermined sound volume at the sound wave generation timing determined in step 116. It should be noted that the arrangement position of the sound wave generation target node m corresponds to the first position of the present invention.
[0047]
Sound waves emitted from the speaker of the node m are radiated to the entire measurement space 24 and detected by the microphones 32 of the other nodes 12. As a result, an analog audio signal is output from the microphone 32 of each node, and the output audio signal is amplified after the noise is removed by the filter / amplifier 40, and is then amplified by the A / D converter 42 at a constant sampling period. After being sampled and converted into digital data (sound wave measurement data), it is input to the data processing unit 38.
[0048]
In the data processing unit 38 of each measurement target node, when the sound wave generation timing notified from the host computer 14 is reached, the sound wave measurement data sequentially input via the A / D converter 42 until a predetermined time elapses. Is stored in a memory or the like. The arrangement position of each node to be measured corresponds to the second position of the present invention.
[0049]
On the other hand, when the generation of the sound wave is instructed to the sound wave generation target node m, the process proceeds to step 120, and it is determined whether or not the count value i is equal to the number of times R of the sound wave detection process. If the determination is negative, the routine proceeds to step 122 where the count value i is incremented by 1, and the routine returns to step 116. Thereby, in step 116, the arrival of the sound wave generation timing is determined based on the time interval determined in the previous step 110.
[0050]
Since Step 116 to Step 122 are repeated until the determination in Step 120 is affirmed, the measurement target section between the node m and each of the measurement target nodes corresponding to the node m (for example, in FIG. The sound wave detection process is repeated R times at a non-constant period for the measurement target section corresponding to the radial line shown in the drawing of the measurement target space.
[0051]
If the determination in step 120 is affirmed, the process proceeds to step 124 to determine whether or not the sound wave detection process has been performed for all the measurement target sections. If the determination is negative, the process proceeds to step 126, the count value m is incremented by 1, and the process returns to step 106. Thus, until the determination in step 124 is affirmed, the nodes 12 that emit sound waves are sequentially switched, and steps 106 to 126 are repeated (so-called fan beam measurement: see FIG. 5A), and all measurement objects are measured. The sound wave detection process is performed R times for each section.
[0052]
In the node to be measured, when the R sound wave detection processes are completed (R sound wave measurement data are stored in the memory), the propagation time calculation process shown in FIG. 7 is performed. In this propagation time calculation process, first, in step 180, R pieces of sound wave measurement data obtained by R measurements (sound wave detection process) are captured, and in step 182, the sound wave generation time in each sound wave detection process is used as a reference. Average waveform data representing a waveform corresponding to the average of the waveforms represented by each of the sound wave measurement data is generated from the R sound wave measurement data acquired.
[0053]
The sound wave measurement data is data that represents the amplitude of the sound wave detected by the microphone 32 in time series at a time interval corresponding to the sampling period of the A / D converter 42, and the above average waveform data is calculated from the sound wave generation time. The elapsed time is a reference value, the amplitude value when the elapsed time is a certain value is extracted from each of R sound wave measurement data, and the average value of the extracted amplitude values is calculated. The calculation result can be generated by repeating the process gradually and arranging the calculation results in a time series (so-called addition averaging).
[0054]
In the first embodiment, since the execution cycle of the sound wave detection process is non-constant using a random number, among the sound waves generated from the sound wave generation target node, the sound wave is directly propagated from the sound wave generation target node to the measurement target node. The target sound wave (direct wave: measurement target sound wave) is reflected from the sound wave generation target node among the generated sound waves by the wall body 22 or the like of the measurement target space 24 with respect to the timing of the measurement target node. The timing at which the sound wave (reverberation sound) propagating to the node of R arrives at the node to be measured is different every R sound wave detection processes, and a component corresponding to the reverberation sound in the waveform represented by the R sound wave measurement data is superimposed. The positions (timing) are different from each other.
[0055]
Therefore, the component corresponding to the reverberant sound superimposed on each waveform represented by the R sound wave measurement data is other noise components when generating the average waveform data due to the randomness (irregularity) of the superimposed position on each waveform. As shown in FIG. 9B as an example, the waveform that is removed in the same manner as shown in FIG. 9B is a component other than the measurement target sound wave (reverberation sound and other sound waves). The amplitude of the component corresponding to noise) is suppressed to be very small, and the waveform of the sound wave to be measured is reproduced without distortion.
[0056]
This is clear even when compared with a waveform (an example is shown in FIG. 13B) represented by average waveform data obtained when the sound wave detection process is repeated a plurality of times at a constant period. In the waveform shown in FIG. 13B, it can be confirmed that the waveform of the measurement target sound wave is greatly distorted due to the influence of a component corresponding to reverberation sound or other noise. Steps 180 and 182 described above correspond to “determining a waveform corresponding to the average of the waveforms of sound waves detected by a plurality of sound wave detection processes” of the present invention.
[0057]
In the next step 184, the correlation between the waveform represented by the average waveform data and the waveform represented by the sound wave data transferred from the host computer 14 is calculated. Similar to the sound wave measurement data, the sound wave data according to the present embodiment is obtained by changing the amplitude of the sound wave to be generated from the sound wave generation target node from the start of the waveform to the end of the waveform (t_WAVE= 0 to t_LAST: See FIG. 9 (A)), and data expressed in time series at time intervals corresponding to the sampling period.
[0058]
Therefore, the correlation between the waveform represented by the average waveform data and the waveform represented by the sound wave data is a certain value t as the time from when the sound wave is generated until the measurement target sound wave (direct wave) arrives (sound wave propagation time)._XAnd t_WAVEIs a predetermined value (the initial value is t_WAVE= 0), data representing the amplitude value is extracted from the sound wave data, and the corresponding timing (from the sound wave generation time t_X+ T_WAVET is taken out of the average waveform data and represents the amplitude value at the elapsed time)_WAVE0 to t_LASTIt is possible to obtain by multiplying the multiplication results repeatedly while changing in order.
[0059]
The correlation value obtained by the above calculation is the time t from the sound wave generation time._XRepresents the probability that the measurement target sound wave has reached the measurement target node (the correlation value has a positive sign and the absolute value increases, so the probability can be considered higher) ), The above arithmetic processing is performed at time t_XAs shown in FIG. 9C as an example, the correlation value between the waveform represented by the average waveform data and the waveform represented by the sound wave data is changed along the time axis. Data to represent can be obtained.
[0060]
In the next step 186, based on the correlation calculation result in step 184, the time t when the correlation value is maximized._XThe time t when the correlation value is the maximum as the propagation time of the measurement target sound wave (direct wave) from the sound wave generation target node to the measurement target node (own node)_X, And the set propagation time is transferred to the host computer 14 as sound wave propagation time data tmn from the node m to the node n, and the propagation time calculation process is terminated.
[0061]
As described above, the waveform represented by the average waveform data is a waveform in which the amplitude of a component other than the measurement target sound wave (a component corresponding to reverberation sound or other noise) is suppressed to be extremely small. As is clear from FIG. 4, the correlation value obtained by the calculation in step 184 is the time t._XBecomes the maximum positive value when the value of coincides with the propagation time of the sound wave to be measured from the sound wave generation target node to the measurement target node, and the time t_XAlthough the absolute value of the correlation value is somewhat larger even when the value of_XWhen the value of is significantly different from the propagation time, the absolute value of the correlation value is very small. Accordingly, the propagation time can be measured and set accurately.
[0062]
For reference, when the sound wave detection process is repeated a plurality of times at a constant period, the correlation calculation result shows a transition as shown in FIG. 13C as an example. In the example of FIG. 13C, the correlation value in the period after the sound wave to be measured has changed greatly due to the influence of the component corresponding to the reverberant sound, and depending on the correlation value in the period. Propagation time may be misjudged. On the other hand, if the execution cycle of the sound wave detection process is not constant, it is possible to avoid erroneous determination of the propagation time.
[0063]
In each of the nodes to be measured, the propagation time calculation process described above is performed each time R sound wave detection processes are completed, so that all R sound wave detection processes are completed in order from the measurement target section. The propagation time is calculated for each measurement target section, and the propagation time data tmn is transferred to the host computer 14.
[0064]
Note that the above-described steps 184 and 186 are the “waveform corresponding to the average” in the present invention.WhenThe waveform of the sound wave emitted from the first position;By repeating one of the waveforms while shifting the waveform along the time axis,This corresponds to “calculating the propagation time of a sound wave that propagates directly from the first position to the second position in the space to be measured”.
[0065]
On the other hand, in the temperature distribution calculation process (FIG. 6), if the sound wave detection process is performed for all the measurement target sections, the determination in step 124 is affirmed and the process proceeds to step 128, and the propagation times of all the measurement target sections are calculated. It is determined whether or not it is completed, and waits until the determination is affirmed.
[0066]
When the propagation time data tmn of all the measurement target sections is transferred from the node, the determination in step 128 is affirmed and the process proceeds to step 130. The processing after step 130 is claimed.4It corresponds to the calculation means described in.
[0067]
That is, all measurement target sections corresponding to a large number of virtual paths parallel to a predetermined direction (all virtual paths having the same inclination θ) (in FIG. 5B, parallel to each other shown superimposed on a single measurement target section. (Interval corresponding to a straight line) is taken in. In the next step 132, the length of the propagation time estimation section preset and stored in the ROM 14B (the length L between the virtual speaker and the node 12)._SN, And the length L between the node 12 and the virtual microphone_NM ) For each of the virtual paths parallel to the predetermined direction.
[0068]
In step 134, assuming that the outside of the measurement space is filled with a medium (air) having a predetermined temperature, the estimated sound wave propagation time t for all virtual paths (X, θ) parallel to the predetermined direction. (X, θ) are respectively calculated. The estimated value t (X, θ) of the propagation time can be obtained by the following equation (1).
[0069]
t (X, θ) = (L_SN÷ v₀) + Tmn + (L_NM÷ v₀(1)
However, v₀Is the speed of sound when the air is at a predetermined temperature, tmn, L_SNAnd L_NMIs a value corresponding to the virtual route (X, θ). The first term and the third term in the equation (1) are sections outside the measured space on the virtual path (propagation time estimation section) when it is assumed that the outside of the measured section is filled with a medium having a constant temperature. Step 134 corresponds to the propagation time estimation means.
[0070]
In step 136, the projection data p (X, θ) is calculated based on the estimated value t (X, θ) of the propagation time of the sound wave of all virtual paths (X, θ) parallel to the predetermined direction. The projection data p (X, θ) can be obtained by the following equation (2).
[0071]
p (X, θ) = t (X, θ) − (L₀÷ v₀(2)
Here, the sound speed at the position (x, y) is v (x, y), and the sound speed distribution f (x, y) (the temperature distribution can be easily calculated from the sound speed distribution f (x, y)),
f (x, y) = (1 / v (x, y)) − (1 / v₀(3)
As defined in the above equation (3) (that is, f (x, y) = 0 outside the space to be measured), the direction along the straight line S (see FIG. 4) is the direction along the X axis and the virtual path. Is defined as a Y-axis orthogonal coordinate system XY (a coordinate system obtained by rotating the orthogonal coordinate system xy around the origin O by an angle θ), and projection data p (X, θ) and sound velocity distribution f (x , Y), the virtual path (X, θ) is the integration interval,
[0072]
[Expression 1]

[0073]
It becomes. As shown in the equation (4), the projection data p (X, θ) is a projection of the sound velocity distribution f (x, y) along the virtual path (X, θ). In the above-described step 110, since the calculation of the expression (2) is performed for all virtual paths (X, θ) parallel to the predetermined direction (that is, all virtual paths having different distances X and the same inclination θ), the angle θ A set of projection data p (X, θ) having the same (parallel projection data) is obtained.
[0074]
In the next step 138, it is determined whether or not the projection data p (X, θ) has been calculated for all directions. If the determination is negative, the process returns to step 130, and steps 130 to 138 are repeated until the determination in step 138 is affirmed. When the calculation of the projection data p (X, θ) of the virtual path (X, θ) is completed for all directions (note that the projection data p (X, θ) of the virtual path (X, θ) is calculated for all directions. This is generally called Radon transform), and based on these projection data (X, θ), a short time such as Fourier domain reconstruction method, back projection method of filtering data, two-dimensional filtering method, etc. It is possible to calculate the temperature distribution in the space to be measured 24 by applying the calculation method that can be calculated by.
[0075]
For this reason, when the determination in step 138 is affirmed, the process proceeds to step 140, and the temperature distribution in the measured space 24 is calculated based on the projection data p (X, θ) calculated in all directions in the previous step 136. Calculate. This step 140 corresponds to the environmental state calculation means, and hereinafter, a Fourier domain reconstruction method will be described as an example of a calculation method for calculating a temperature distribution based on projection data.
[0076]
If the two-dimensional Fourier transform of the sound velocity distribution f (x, y) is F (u, v),
[0077]
[Expression 2]

[0078]
The Fourier transform is defined by the above equation (5). Also, the two-dimensional inverse Fourier transform from F (u, v) is
[0079]
[Equation 3]

[0080]
It is defined by the above equation (6).
[0081]
On the other hand, the relationship of the following formula (7) is established between the orthogonal coordinate system xy and the orthogonal coordinate system XY.
[0082]
x = X cos θ−Y sin θ
y = Xsin θ + Y cos θ (7)
From the equation (7), the sound speed distribution f (x, y) can be expressed by the following equation (8).
[0083]
f (x, y) = f (X cos θ−Y sin θ, X sin θ + Y cos θ)
= F '(X, Y) (8)
Note that f ′ (X, Y) is a function obtained by rotating f (x, y) around the origin O by an angle −θ. Using the equation (8) to convert the Fourier transform definition equation of the equation (5) to a variable,
[0084]
[Expression 4]

[0085]
It becomes.
[0086]
Also in the spatial frequency domain, as in the real domain, if the coordinate system (U, V) obtained by rotating the coordinate system (u, v) about the origin by an angle θ is the coordinate system (U, V), Like (7),
u = U cos θ−V sin θ
v = Usinθ + Vcosθ (10)
Also
U = u cos θ + V sin θ
V = −usin θ + v cos θ (11)
From the equation (10), F (u, v) is

It can be expressed as. By substituting these equations into equation (9), the following equation (13) can be obtained.
[0087]
[Equation 5]

[0088]
From the equation (13), it can be seen that the spectrum of the object rotated in the real region (in this case, the sound speed distribution f (x, y)) is the same as the spectrum of the original object rotated by the same angle.
[0089]
According to the equations (7) and (8), the equation (4) relating to the projection data p (X, θ) can be expressed as the following equation (14).
[0090]
[Formula 6]

[0091]
In the equation (14), since the sound velocity distribution f (x, y), that is, f ′ (x, y) is 0 outside the space to be measured, the integration interval is expanded to ± ∞. Further, the Fourier transform related to the X axis of the projection data p (X, θ) can be expressed by the following equation (15).
[0092]
[Expression 7]

[0093]
Substituting equation (14) into equation (15) yields the following equation (16).
[0094]
[Equation 8]

[0095]
Since the equation (16) matches the equation when V = 0 in the previous equation (13),
P (U, θ) = F ′ (U, 0)
Holds.
[0096]
As described above, a result P (U, U, Fourier transform (one-dimensional Fourier transform) related to the X axis is performed on the projection data p (X, θ) of all virtual paths having the same inclination θ according to the equation (15). θ) is a θ-direction component of the two-dimensional Fourier transform F (u, v) of the sound velocity distribution f (x, y) (a straight line inclined by an angle θ with respect to the u-axis of the Fourier transform F (u, v) (ie, (The value on the U-axis)) (this is called the two-dimensional slice theorem).
[0097]
Therefore, if each of the projection data obtained for each direction is subjected to Fourier transform and arranged radially on the coordinate system (u, v), the two-dimensional Fourier transform F (u, v) of the sound velocity distribution f (x, y) is obtained. v) can be obtained. Then, the sound velocity distribution f (x, y) can be obtained by performing a two-dimensional inverse Fourier transform on the F (u, v) according to the above equation (6).
[0098]
In step 140, the projection data p (X, X, X) is first applied by applying a computation method that can be computed in a short time, such as the Fourier domain reconstruction method described above, or the known back-projection method or two-dimensional filtering method of filtered data. The sound speed distribution f (x, y) is obtained from θ). Next, the sound velocity v (x, y) at each position in the measured space 24 is calculated from the calculated sound velocity distribution f (x, y) based on the equation (3), and the sound velocity v and the sound wave propagation medium ( The temperature distribution T (x, y) in the measured space 24 is calculated based on the following equation (17) representing the relationship with the temperature T of (air).
[0099]
v = 331.45 + 0.607 ・ T [m / sec] (17)
In the next step 142, the temperature distribution in the measured space 24 obtained as described above is displayed on the display 18 in the form of a contour map shown in FIG. 8 as an example, and the process ends. Instead of displaying on the display 18, data representing the temperature distribution and humidity distribution in the measured space 24 may be output to an air conditioner that performs air conditioning in the air-conditioned space 24. Thereby, it becomes possible for the air conditioner to perform air conditioning that satisfies both comfort and energy saving, for example, on the measurement space 24.
[0100]
In the present embodiment, a large number of nodes 12 are provided at the periphery of the space to be measured 24, and sound waves are actually transmitted in a section (measurement target section between the nodes 12) that overlaps the space to be measured 24 on the virtual path. The propagation time tmn is measured by propagation, and the temperature outside the measurement space 24 is measured for the section outside the measurement space 24 (the propagation time estimation section between the virtual speaker and the node 12 and between the node 12 and the virtual microphone). Is the predetermined temperature, and the sound velocity when the air is at the predetermined temperature v₀Is used to estimate the propagation time of the sound wave and calculate the estimated value t (X, θ) of the propagation time. Therefore, the projection data p (X, θ) is provided without providing many nodes 12 outside the measured space 24. Based on the projection data p (X, θ), an arithmetic method that can be calculated in a short time, such as a Fourier domain reconstruction method, a back projection method of filter processing data, or a two-dimensional filtering method is applied. It is possible to calculate the environmental state in the measured space. Therefore, the configuration of the environmental state measuring device 10 can be simplified and the time required for calculating the temperature distribution can be shortened.
[0101]
Further, in the present embodiment, when measuring the propagation time tmn in the measurement target section, the sound wave detection process including the generation of the sound wave from the sound wave generation target node and the measurement of the sound wave reaching the measurement target node is performed at a non-constant period. And a plurality of times (R times), and using the sound wave generation time as a reference, a waveform corresponding to the average of the sound wave waveforms detected by the plurality of sound wave detection processes is obtained, and the waveform and the sound wave generation target node are generated. Since the propagation time is obtained by calculating the correlation with the waveform of the sound wave, the propagation time of the sound wave can be measured with high accuracy by eliminating the influence of noise components such as reverberation sound. Therefore, the calculation accuracy of the temperature distribution can be further improved.
[0103]
  Also,In the above, as a comparative example of the present invention, when the execution of the R sound wave detection process is started, the execution period (time interval) of each sound wave detection process is determined using a random number. Instead, according to the first aspect of the present invention, when the R sound wave detection process is executed, the timing at which the sound wave is emitted from the sound wave generation target node with respect to the period T of the sound wave generated from the sound wave generation target node is Repeated R times so that the phase monotonously increases or decreases monotonously (T / R) (where R ≧ 2).
[0104]
As an example, if the original waveform (sine wave) shown in FIG. 10 (A) is superposed with a waveform (phase waveform opposite in phase) by π with respect to the original waveform, as shown in FIG. 10 (B). In addition, when both waveforms cancel each other, the waveform always has a zero amplitude. When a sound wave having a constant waveform is emitted from a sound wave generation target node, the waveform and propagation time of the sound wave (indirect wave) that reaches the measurement target node as a reverberation sound is always substantially constant. (2k + 1) T / 2 (k = 0, 1, 2,...) In units of 1/2 (T / 2) of the period T of the sound wave generated from the sound wave generation target node from the sound wave generation time of the processing: That is, if a sound wave is generated in the second sound wave detection process when a time corresponding to (odd multiple of (T / 2)) has elapsed, the reverberant sound generated by the first sound wave detection process and the second sound wave are generated. The reverberant sound generated by the detection process reaches the measurement target node as a sound wave having an opposite phase, and the amplitude of the reverberation sound component detected by the microphone 32 of the measurement target node is reduced.
[0105]
  Therefore, the above principle is applied when executing R times of sound wave detection processing, for example, each time of sound wave detection processing.Generate sound waves from the target nodeIf the execution cycle of each process is set so that the cycle changes by (T / 2), the amplitude of the reverberation sound component detected by the microphone 32 of the measurement target node can be changed.Than the comparative example mentioned aboveCan be small.
[0106]
Further, as an example, when a waveform having a phase shift of 2π / 5 with respect to the original waveform is superimposed on the original waveform (sine wave) shown in FIG. 11A, the waveform shown in FIG. On the other hand, when a waveform whose phase is shifted by 4π / 5 is further superimposed, the waveform shown in FIG. 11C is obtained, and when a waveform whose phase is shifted by 6π / 5 with respect to the original waveform is further superimposed, the waveform shown in FIG. When a waveform with a phase shift of 8π / 5 is further superimposed on the original waveform, the waveform always has a zero amplitude as shown in FIG. The example shown in FIG. 11 is a case where five waveforms are superimposed, but when superimposing N waveforms, if the phase of each waveform is delayed or accelerated by (2π / N), the amplitude is similar to the above. Always has a waveform of 0 (FIG. 10 described above shows the case of N = 2).
[0107]
  Therefore, the above principle is applied when executing R sound wave detection processes, and for example, the execution period of each process is set so that the execution period of each sound wave detection process monotonously increases or decreases monotonously (T / R). For example, the amplitude of the reverberation sound component detected by the microphone 32 of the node to be measured isThan the comparative example mentioned aboveCan be small.
[0108]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Since the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, the same reference numerals are given to the respective parts, and the description of the configuration is omitted. Hereinafter, the second embodiment will be described as the operation of the second embodiment. The temperature distribution calculation process according to the embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 12 and only the parts different from the temperature distribution calculation process according to the first embodiment.
[0109]
  In the temperature distribution calculation processing according to the second embodiment, the number and node numbers of measurement target nodes corresponding to the sound wave generation target node m are determined (step 106), and the first time from the sound wave generation target node m is determined. After the sound wave generation time corresponding to the sound wave generation start timing is determined (step 108), in the next step 150, the longest propagation time of the reverberant sound that reaches each node to be measured from the sound wave generation target node m (claim)2(Corresponding to “the longest propagation time until the sound wave emitted from the first position reaches the second position”).
[0110]
The determination of the longest propagation time of the reverberant sound is performed by, for example, measuring the longest propagation time of the reverberant sound in advance for each node that is the target of sound wave generation or for each measurement target section, and storing the result in a memory or the like. It may be performed by fetching from a memory or the like, or the propagation path of the reverberant sound that is reflected by the wall body 22 or the like from the sound wave generation target node m and reaches each measurement target node is estimated by simulation or the like, and the longest propagation You may perform by calculating the time which a sound wave propagates along a path | route as the longest propagation time. Alternatively, the above longest propagation time may be calculated in advance and stored in a memory or the like, and the corresponding calculation result may be taken in.
[0111]
  In step 152, the sound wave generation start time interval that defines the second and subsequent sound wave generation start timings from the sound wave generation target node m is greater than or equal to a predetermined value than the longest propagation time of the reverberant sound determined in step 150. Set a large value. Note that the processing after the next step 112 is the same as the temperature distribution calculation processing according to the first embodiment. Step 152 is a claim along with Steps 112 to 122 described in the first embodiment.2"Sound wave detection processing for detecting a sound wave having a constant waveform from the first position and reaching the second position,"The period of emitting sound waves from the first position isLonger than the value obtained by subtracting the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position from the longest propagation time until the sound wave emitted from the first position reaches the second position.To become"Repeat multiple times".
[0112]
  In the above, claims2Described in“Sound from the first positionperiodAsThe sound wave generation target node m is set based on the longest propagation time of reverberant sound reaching each measurement target node, and a value larger than the longest propagation time by a predetermined value is set. However, the present invention is not limited to this. Without sound wavesIssueThe period is set based on the propagation time of the sound wave directly propagating from the sound wave generation target node m to each measurement target node from the longest propagation time of the reverberation sound reaching the measurement target nodes from the sound wave generation target node m. May be.
[0113]
By the above processing, the R sound wave detection processing is executed at a period (time interval) longer than the longest propagation time of the reverberant sound by a predetermined time (time interval), so that the component corresponding to the reverberant sound is removed from the measurement target node. Sound wave measurement data representing the waveform is obtained. Accordingly, as in the first embodiment, the influence of noise components such as reverberation can be eliminated and the propagation time of the sound wave can be measured with high accuracy, and the calculation accuracy of the temperature distribution can be improved.
[0114]
In the above description, the temperature distribution is calculated from the projection data of the propagation time of the sound wave. However, the present invention is not limited to this. For example, the temperature in the vicinity of the wall surface of the wall 22 is measured by the temperature sensor, and the temperature in the vicinity of the wall surface is measured. The temperature distribution may be corrected based on the measured value.
[0115]
Further, in the above, a virtual path is set so as to penetrate the measured space 24, and the propagation time of the sound wave propagating on the virtual path is estimated by estimating the propagation time of the sound wave for the section outside the measured space 24 in the virtual path. Although the temperature distribution is obtained by obtaining time, the present invention is not limited to this. For example, the space to be measured is virtually divided into a number of regions (voxels), and a sound wave is generated between a certain pair of places. The distance that the sound wave crosses each region existing between the pair of locations when the sound wave propagates, and the propagation time of the sound wave between the pair of locations and the propagation speed when the sound wave crosses the region The relationship is expressed by a mathematical expression using the distance that the sound wave crosses each region, and a simultaneous equation is established for each of the plurality of locations, and the propagation time of the sound wave between the measured locations is substituted into the simultaneous equations. , Where the propagation speed is unknown For calculating the propagation speed when crossing waves, may be obtained temperature distribution by calculating the temperature of each area from the propagation speed.
[0116]
In the above description, the case where the environmental state in the measurement space 24 having a circular floor surface is measured as in the case of a dome sphere or the like has been described as an example. However, according to the present invention, the sound wave generation means and the sound wave detection means are measured. Since the temperature distribution in the space to be measured can be obtained by providing the peripheral edge of the space, a space having an arbitrary shape can be adopted as the space to be measured, and the temperature distribution in the space having an arbitrary shape can be obtained.
[0117]
Furthermore, in the above description, the case where only the temperature distribution is calculated as the environmental state has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the attenuation rate distribution is obtained by measuring attenuation amounts of sound waves having a plurality of types of frequencies. Accordingly, the humidity distribution in the space to be measured may be calculated together, or other environmental conditions may be calculated.
[0118]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, said embodiment contains the embodiment of the matter described below other than the embodiment of the matter described in the claim.
[0121]
【The invention's effect】
  As described above, according to the first aspect of the present invention, the sound wave detection process for detecting a sound wave that emits a sound wave having a constant waveform from the first position and arrives at the second position separated from the first position by the space to be measured. The, Repeated R times so that the phase of the timing of sound wave emission from the first position increases or decreases monotonously (T / R) with respect to the period T of the sound wave emitted from the first position (where R ≧ 2).Using the timing at which the sound wave is emitted from the first position as a reference, a waveform corresponding to the average of the sound wave waveforms detected by the plurality of sound wave detection processes is obtained, and the second space is measured from the first position. Calculates the propagation time of the sound wave that directly propagates to the position of the sound, so that it is possible to measure the propagation time of the sound wave in the measurement space with high accuracy by eliminating the influence of noise components such as reverberation sound Have
[0122]
  According to the second aspect of the present invention, the sound wave detection process for detecting the sound wave that has emitted a sound wave having a constant waveform from the first position and has arrived at the second position, and the cycle of emitting the sound wave from the first position is the first position. It is repeated several times so that it becomes longer than the value obtained by subtracting the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position from the longest propagation time until the sound wave emitted from the first position reaches the second position. Using the timing at which the sound wave is emitted from the first position as a reference, a waveform corresponding to the average of the sound wave waveforms detected by the plurality of sound wave detection processes is obtained, and the second space is measured from the first position. Calculates the propagation time of the sound wave that directly propagates to the position of the sound, so that it is possible to measure the propagation time of the sound wave in the measurement space with high accuracy by eliminating the influence of noise components such as reverberation sound Have
[0123]
  According to the third aspect of the present invention, the propagation time of sound waves between a plurality of different locations on the peripheral portion of the space to be measured is measured by the propagation time measuring method according to the first or second aspect, and the space between the plurality of locations is measured. Since the environmental state in the measured space is calculated based on the measured value of the propagation time of the sound wave, it has an excellent effect that the environmental state such as the temperature distribution in the measured space can be measured with high accuracy. .
[0124]
  According to the fourth aspect of the present invention, a sound wave having a constant waveform is generated from the sound wave generating means arranged at the first position, and the sound wave that has reached the second position separated from the first position by the space to be measured is In the sound wave detection processing to be detected by the sound wave detection means arranged at the position 2, the phase of the sound wave emitted from the first position is monotonically (T / R) with respect to the period T of the sound wave emitted from the first position. Repeated R times so as to increase or decrease monotonously (where R ≧ 2), and corresponds to the average of the waveform of the sound wave detected by the sound wave detection process of R times with reference to the timing at which the sound wave was emitted from the first position. By calculating the correlation between the waveform corresponding to the average and the waveform of the sound wave emitted from the first position while shifting one of the waveforms along the time axis, Inside the first The first propagation time measurement process for calculating the propagation time of the sound wave directly propagating from the device to the second position or the sound wave detection process is performed from the first position with a period for emitting the sound wave from the first position. Repeated several times so as to be longer than the value obtained by subtracting the propagation time of the sound wave propagating directly from the first position to the second position from the longest propagation time until the received sound wave reaches the second position, Based on the timing at which sound waves are emitted from one position, a waveform corresponding to the average of the waveforms of sound waves detected by a plurality of sound wave detection processes is obtained, and the waveform corresponding to the average and the first position are emitted. Propagation of a sound wave that propagates directly from the first position to the second position in the measured space by repeating the calculation of the correlation with the waveform of the sound wave while shifting one waveform along the time axis. Second to calculate time By the sowing time measurement process, the propagation time of sound waves between different locations on the periphery of the space to be measured is measured, and the measured time of the propagation time of sound waves between the measured locations is measured. Therefore, it is possible to measure the environmental state such as the temperature distribution in the measured space with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an environmental state measuring apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a plan view of a space to be measured showing the arrangement of nodes.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a virtual path composed of a measurement target section and a propagation time estimation section superimposed on a plan view of a measured space.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing an orthogonal coordinate system xy set for a space to be measured and a distance X and an inclination θ of a straight line S for identifying each virtual path.
FIGS. 5A and 5B are conceptual diagrams illustrating the relationship between the measurement order of propagation time data and the processing order of propagation time data. FIGS.
FIG. 6 is a flowchart showing the contents of temperature distribution calculation processing according to the first embodiment executed by a host computer.
FIG. 7 is a flowchart showing the contents of propagation time calculation processing executed at each node to be measured.
FIG. 8 is an image diagram showing a display example of a temperature distribution in a measurement space.
9A is an example of a waveform of a sound wave generated from a node, and FIG. 9B is an example of a waveform represented by average waveform data obtained from R (R ≧ 2) sound wave measurement data. , (C) are diagrams each showing an example of a correlation calculation result.
10A is a diagram showing an original waveform, and FIG. 10B is a diagram showing a waveform in which a waveform whose phase is shifted by π is superimposed on the original waveform.
11A is an original waveform, FIG. 11B is a waveform in which a waveform shifted in phase by 2π / 5 is superimposed on the original waveform, and FIG. 11C is a phase shift of 2π / 5, 4π / 5 in the original waveform. (D) is a waveform obtained by superimposing waveforms shifted in phase by 2π / 5, 4π / 5, 6π / 5 on the original waveform, and (E) is a waveform obtained by superimposing 2π / 5, 4π on the original waveform. It is a diagram which shows the waveform which each superimposed the waveform from which the phase shifted | deviated by / 5,6 (pi) / 5,8 (pi) / 5.
FIG. 12 is a flowchart showing the contents of temperature distribution performance processing executed by the host computer according to the second embodiment.
13A is an example of a waveform of a sound wave generated from a node, and FIG. 13B is a waveform represented by average waveform data when a sound wave detection process is executed a plurality of times at a constant period as a comparative example of the present invention. An example, (C), is a diagram showing an example of a correlation calculation result.
FIG. 14 is an image diagram showing an example of a sound wave propagation path when a sound wave generated from a speaker is detected by a microphone;
[Explanation of symbols]
10 Environmental condition measuring device
12 nodes
14 Host computer
24 Measurement space
30 Speaker
32 microphone

Claims

A sound wave detection process for emitting a sound wave having a constant waveform from the first position and detecting a sound wave that has reached a second position separated from the first position by a space to be measured is performed on the sound wave emitted from the first position. Repeated R times (provided that R ≧ 2) so that the phase of the timing of emitting a sound wave from the first position monotonously increases or decreases monotonously with respect to the period T (T / R),
Using the timing at which the sound wave is emitted from the first position as a reference, obtain a waveform corresponding to the average of the sound wave waveforms detected by the R sound wave detection processes,
By calculating the correlation between the waveform corresponding to the average and the waveform of the sound wave emitted from the first position while shifting one waveform along the time axis, the inside of the space to be measured is A propagation time measurement method for calculating a propagation time of a sound wave that directly propagates from a first position to the second position.

A sound wave detection process for emitting a sound wave having a constant waveform from a first position and detecting a sound wave that has reached a second position separated from the first position by a space to be measured is emitted from the first position. A value obtained by subtracting the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position from the longest propagation time until the sound wave emitted from the first position reaches the second position. Repeated several times to be longer,
With reference to the timing at which the sound wave is emitted from the first position, a waveform corresponding to the average of the waveform of the sound wave detected by a plurality of sound wave detection processes is obtained,
By calculating the correlation between the waveform corresponding to the average and the waveform of the sound wave emitted from the first position while shifting one waveform along the time axis, the inside of the space to be measured is A propagation time measurement method for calculating a propagation time of a sound wave that directly propagates from a first position to the second position.

The propagation time of sound waves between a plurality of different locations on the periphery of the space to be measured is measured by the propagation time measurement method according to claim 1 or 2, respectively.
An environmental condition measuring method for calculating an environmental condition in a measurement space based on a measurement value of a propagation time of a sound wave between the plurality of locations.

A sound wave having a constant waveform is generated from the sound wave generating means disposed at the first position, and the sound wave that has reached the second position separated from the first position by the space to be measured is disposed at the second position. In the sound wave detection process to be detected by the sound wave detecting means, the phase of the timing of emitting the sound wave from the first position is monotonously increased or decreased monotonously with respect to the period T of the sound wave emitted from the first position. As described above, R times are repeated (where R ≧ 2), and the waveform corresponding to the average of the waveforms of the sound waves detected by the R times of sound wave detection processing is obtained with reference to the timing at which the sound waves are emitted from the first position. The calculation of the correlation between the waveform corresponding to the average and the waveform of the sound wave emitted from the first position is repeated while shifting one waveform along the time axis. Above In the first propagation time measurement process for calculating the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position, or the sound wave detection process, the cycle of emitting the sound wave from the first position is the first So as to be longer than the value obtained by subtracting the propagation time of the sound wave directly propagating from the first position to the second position from the longest propagation time until the sound wave emitted from the position reaches the second position. Repeating a plurality of times, using the timing at which the sound wave is emitted from the first position as a reference, a waveform corresponding to the average of the sound wave waveforms detected by the plurality of sound wave detection processes is obtained, and the waveform corresponding to the average By repeating the calculation of the correlation with the waveform of the sound wave emitted from the first position while shifting one waveform along the time axis, the measurement space is measured from the first position to the first position. Directly to position 2 The second propagation time measurement processing for calculating the propagation time of sound waves sowing, the propagation time measuring means for each measure the propagation time of the sound wave between the mutually different positions of the periphery of the measurement space,
A computing means for computing an environmental state in the space under measurement based on a measured value of the propagation time of the sound wave between the plurality of locations measured by the propagation time measuring means;
Environmental condition measuring device including