2020/05/04

超音波技術の応用

2018年8月の弊社ブログで超音波発信システムを自作したという記事を書きました。

これは、自動車の制御で距離を計測するため超音波(100kHz程度以下)を用いているようになってきたということを紹介するものでした。超音波は、様々な場面で活用されています。

昨年、私は自分の心臓の断面を、超音波検査の動画で見る機会がありましたが、医療の世界でも広範囲に超高周波音(3MHz~10MHzまたはそれ以上)が使われるようになってきています。心臓だけでなく、様々な臓器をこの超音波検査で見ることができますが、現在新型コロナウイルスで問題となる肺の場合、空洞部があることで現在の試験装置では難しいようです。

自動車の制御では超音波を空間に放射して反射音を得ますが、体の中の場合には、精度よく、より高い周波数で反射音を得る必要があります。
肺には空洞部があるため、おそらく、一般的な医療用の超音波検査機械より低い周波数を使用する必要があると思われます。新型コロナウイルスに感染した肺のCT検査には、雲のような白い影が生じるようです。もしこれを超音波検査によって診断ができるようになればCTよりも安価に多くの検査ができるのではないかと専門外ですが思っています。

騒音制御工学会の機関紙『騒音制御』のVol.44 No.2 2020.4号には、超音波音と環境との関係ですが、「超高周波音の計測評価とその応用」という特集が掲載されていました。超音波の様々な分野への応用の研究が進められているようです。

以下、特集のタイトルです。
1) 解説 可聴域を超える超高周波の生理・心理・行動的効果―ハイパーソニック.エフェクトを中心に― 仁科 エミ 著
2) 解説 可聴域を超えた周波数帯域での音響標準 高橋弘宜 他 著
3) 技術資料 超高周波を豊富に含む自然環境音を用いた情報環境医療 本田 学 著
4) 技術資料 高周波非可聴音を含む音楽が認知症高齢者への受動的音楽療法に及ぼす影響の実地研究  川勝 真喜 他 著
5) 技術資料 高周波ピップ音に対する聴性脳幹反応と心理音響測定  桐生 昭吾 著
※ピップ音とは「一般的なABR測定では、クリック音と呼ばれる広帯域なパルス性の音刺激を用いるので周波数選択性に乏しい。筆者らはある程度周波数選択性のある刺激音(以後ピップ音と呼ぶ)を用いて高周波音に対するABRの測定を行っている。」
6) 技術資料 パラメトリックスピーカの放射音場の特性 土屋健伸 著
7) 技術資料 野外におけるコウモリの超高周波音とその利用戦略 藤岡 慧明 他著
8) 書評 生き物と音の辞典 生物音響学会編

今回の機関紙『騒音制御』の特集は超高周波音(超音波)が耳では聞こえないけれど、脳血流を増大させる効果があり、それらの発見から認知症にも効果がありそうなことが報告されています。

また、音と環境というテーマも最近多く目につくようになりました。
朝日新聞2020年3月2日(月)の朝刊には、『「音」で害虫をだまし討ち』というタイトルで、『科学の扉』の特集記事がありました。要約すると以下のような記事です。
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1) ブドウの害虫ヨコバイの求愛を目的に出す振動(300Hz程度)出して、繁殖を妨害する。イタリアの北部トレンティーノで行われている方法
2) 森林総合研究所の高梨氏の松枯れにかかわるマツノマダラカミキリを天敵のキツツキなどが歩く時の振動をまねて、松の幹を揺らすと産卵が経る。その研究の応用で、トマトにつく害虫オンシツコナジラミの防除にも利用。これも300Hzの振動。
3) 東北学院大学の松尾教授らのグループはイチゴの害虫であるハスモンヨトウと呼ばれるガを超音波で防除する。ガはこうもりの出す超音波が苦手とのこと。
4) 超音波スピーカを作るJRCSは様々な作物向けにスピーカを出荷する予定。
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このJRCSは海洋事業に係る業務を行っている会社で、運搬してくる穀物などに害虫(たとえばアジア型マイマイ蛾)がいる場合にどう防除するかという観点からこの超音波によるシステムを考えたようです。
音や振動の害虫への応用は、騒音・振動問題が発生する可能性はありますが、農薬のように残留しないのはメリットであり、期待したいと思います。

超音波スピーカや発信システムを探すと様々なもの(例えばAVISOFT BIOACOUSTIC)があり、主として、野生動物の防御を目的としたものも多かったと思います。
林の中で笛を吹くと、鳥たちが応答し始めます。音を介して環境とコミュニケーションをとる方法もこれからの新しい技術と思われます。

2020/04/23

関宿(せきじゅく)の風景

3/6(金)、滋賀県の甲賀市で仕事の予定があり、測定用の機材が多いため、横浜を3/5に車で出発しました。甲賀近くでは雪が降っている寒い日でした。仕事は無事に終わり、1泊して、3/7(土)の帰りに少し寄り道をして、亀山市にある旧東海道の関宿(東海道47番目の宿場町)に寄ってみました。今も歴史的な古い町並みが1.8kmにもわたって残されているところです。重要伝統的建造物群保存地区(重伝建)にも指定されています。参勤交代や、お伊勢参りの人々で賑わった宿場町とのこと。
この日は良いお天気でしたが、午前中だったこともあり、また新型コロナウイルスが流行し始めており(まだ緊急事態宣言や外出自粛要請の前でしたが)、観光客はあまりいませんでした。
古い町並みの距離が長く、途中三味線教室から三味線の音が聞こえてくるなど、江戸時代に戻ったような感じがしました。
町の中心部のほど近くに美しいお寺がありました。このお寺は地蔵院(通称・関のお地蔵さん)という名前で、お寺のサイトによると、なんと『天平13(741)年、奈良東大寺の僧行基が、諸国に流行した天然痘から人々を救うため、この関の地に地蔵菩薩を安置したと伝えられています』とのこと。
奈良時代も天然痘という感染症で苦労したことが偲ばれます。この時期にお参りできたのも何かの導きかと感じました。新型コロナウイルスの1日も早い終息を祈ります。

関宿の街並み




地蔵院
地蔵院より
鐘楼:多分雪囲い、鐘の音が出にくいのではと心配してしまいます。

欄間には象など異国情緒があふれる題材がありました

2020/03/16

鶯と室内音響

昔から不思議に思っていたのですが、鶯は、目の前で鳴いてはいてもほとんど姿が見えません。それはなぜかということを、仮説を立てて、室内音響の指標を基に考えてみることにしました。

室内音響の最も有名な指標は残響時間です。明治33年(1900)ボストンシンフォニーを設計するためにSabineが作った指標です。これが室内音響の歴史の始まりです。

現在では劇場などの残響時間の測定方法はISO3382-1:2009-06-15(JISにはまだない)で定められていて、ノイズ断続法とインパルス応答2乗積分法の2種類が規定されています。
ISOではインパルス応答からは、残響時間をはじめ以下のような指標も分析することができます

AnnexA
Sound strength,G,
Early decay time(EDT)
Clarity,C80,
Definition,D50
Centre time Ts
Early lateral energy fraction ASW JLF
Late lateral sound level LEV Lj

AnnexB
Inter-aural cross correlation (IACC)

Annex C
Acoustic parameters measured on orchestra platforns
Early support, STEarly
Late support STLATE

以上がISO3382-1の音響指標ですが、イエンス・ブラウエルト他編著『空間音響』から、頭部音響伝達関数という指標を紹介します。本書の16ページ、「頭部音響伝達関数」の章より、
音源からの音波が人の両耳(鼓膜)に到達する経路は、壁の反射、回折、散乱等の室の伝達系と、頭部音響伝達関数と呼ばれる頭部や耳介による反射、回折、共振等の伝達系に分けることができる。それらの系を経て鼓膜に到達した音響信号は音刺激となり、その結果、受聴者は次の3つの特性をもった聴覚事象すなわち音像を知覚する。
1. 時間・・・リズム感、逐次感、持続感など
2. 空間・・・方向感、距離感、広がり感等
3. 室・・・大きさ、ピッチ、音色など
とあります。
頭部音響伝達関数を評価する場合には、頭の形や大きさだけでなく、耳介や耳道や鼓膜の音響特性まで忠実に似せないと聴覚事象の空間特性に顕著な違いが現れると書かれています。

以上が音響設計の主な指標となっています。

この最後の頭部音響伝達関数で、音の方向感や距離感などを感覚的にとらえることになりますが、これを利用して鳥や昆虫が音を出して、自分の位置をだましているのではないかと考えてみました。

以下に鶯の鳴き声の波形を示します。「ホーホケキョ」の中でも、瞬間、瞬間で発生する周波数が多少異なっていることがわかります。この周波数が異なることで音の方向感・距離感が異なって聞こえると想像できます。このことで鶯は見つけられないように対応しているのではないかいうのが今回の仮説です。

音の方向と、人の頭や顔の形、鼻や耳の位置で音の周波数が変化します。しかも人によってその特性が変わります。したがって音の特性が変化しない場合には、ある方向、またはある距離から聞えていると感じますが、音源の特性が突然変化すると違った方向や距離に変化したと感じるのです。

録音は昨年のものですが、我が家の庭で3月12日(木曜日)の朝、今年初めて鶯が鳴きました。また、桜の開花(3/14東京、この日は雪も降りましたが)も始まりました。

上段:鶯の鳴き声を約6分ほど録音したもの
下段:上段の赤丸部分の鶯の鳴き声を拡大したもの


上の波形を1~4の部分に分けて周波数分析


FFT分析

2020/01/14

荏田宿のお囃子

2020年も始まり、私が所属しているお囃子グループは地元の高齢者施設など、要望があったところを回って獅子舞を披露してきました。獅子舞と面踊りを行います。だんだんと地域に溶け込んできていることを感じます。

昨年の秋には荏田宿の例大祭が10月5日(宵宮)、10月6日(日)にありました。例大祭は秋の収穫を感謝するお祭りです。しかし昨秋は台風が目白押しに来襲し、その間を縫ってのお祭りになりました。幸い当日は台風は避けられたのですが、隣町の驚神社のお祭りは台風19号の直撃を受け、10月12日の宵宮は中止になりました。この驚神社のお囃子連から、わが荏田宿のお囃子の会はお囃子を習い始め、今年2020年で4年になります。今年の目標は荏田宿の人で自立して演奏ができるようにすることと、若い人を獲得することです。お囃子の舞台には子供たちが興味を持って参加してくれたので、今後は新たなメンバーが増えることを期待します。
自然災害が増えている昨今、コミュニティの必要性を強く感じます。お囃子は地域のつながりを作るという重要な役割も担っています。

昨年秋のお祭り

宵宮の始まり(宿自治会館前)

子どもたちが興味を持って太鼓をたたいてくれるようになった
子ども神輿

お祭りが終了して、獅子をのぞき込んでいる子供たち

翌週は隣町の宮元のお祭りがありましたが、10月12日(土)の宵宮は台風19号のために中止、翌日、昼より素晴らしい天気になり、お祭りを始められるようになった。

子どもの屋台、子供が参加している理想的な形

大人の神輿、大人が参加できる体制があることも素晴らしい

牛込獅子舞、子供による獅子踊りとその周辺の10名ほどの笛の演奏が驚き神社で奉納される