【ITニュース解説】Building an acoustic camera with UMA-16 and Acoular

音を見えるようにする技術「アコースティックカメラ」を、比較的手に入りやすい機材とオープンソースのソフトウェアで自作する方法が紹介されている。アコースティックカメラとは、多数のマイクを使って音を捉え、その音が発生した場所を特定し、カメラ映像に重ねて表示する装置である。これにより、騒音の原因調査や機械の異常音検知、製品の音響設計など、様々な分野で「どこから音が出ているのか」を直感的に把握することが可能になる。従来、このようなシステムは非常に高価で専門的な機材が必要であったが、技術の進歩により、より身近なツールで実現できるようになった。

この記事で中心的な役割を果たすのが、ハードウェアの「UMA-16」とソフトウェアの「Acoular」である。UMA-16は、16個の高性能な小型マイクを円形に配置したマイクロホンアレイと呼ばれる装置だ。マイクロホンアレイの最大の特徴は、複数のマイクで同時に音を録音できる点にある。これにより、一つの音源から発せられた音が、それぞれのマイクに到達するまでのわずかな時間差を捉えることができる。この時間差こそが、音源の位置を特定するための最も重要な情報となる。UMA-16はUSBケーブルで直接コンピュータに接続でき、16チャンネルの音声データを簡単に入力できるため、複雑な音響機材の知識がなくても扱いやすい。

一方、ソフトウェアのAcoularは、Pythonというプログラミング言語で利用できるオープンソースのライブラリである。オープンソースであるため誰でも無償で利用でき、音響解析のための高度な計算処理機能を提供する。Acoularが担うのは、UMA-16から入力された16チャンネルの音声データを解析し、音源の位置を割り出す計算処理である。この計算の核となる技術は「音響ビームフォーミング」と呼ばれる。これは、マイクロホンアレイで捉えた各マイクの信号を合成・強調することで、特定の方向から来る音だけを選択的に聞き取る、あるいは音源の位置を特定する信号処理技術の総称である。

ビームフォーミングの基本的な原理は、音の到達時間差の解析にある。ある場所から音が発生すると、その音波は最も近いマイクに最初に到達し、少し遅れて遠いマイクに到達する。Acoularは、まず解析したい空間を仮想的な細かい格子（グリッド）で区切る。そして、その格子の一つ一つの点から音が発生したと仮定し、その場合に16個のマイクそれぞれに音が到達するであろう理論的な時間差を計算する。次に、実際にUMA-16で録音したデータに対して、その計算された時間差を補正するように各マイクの信号のタイミングをずらし、すべてを足し合わせる。もし仮定した点と実際の音源の位置が一致していれば、すべての信号の波形が綺麗に重なり、足し合わせた結果は非常に大きな音圧パワーとして現れる。逆に、仮定した点がずれていれば、波形がうまく重ならず、足し合わせた結果は小さくなる。この計算をすべての格子点について実行し、音圧パワーが最も大きくなった点を地図のように色分けして表示することで、音源の位置と強さを可視化した「音響マップ」が完成する。このマップをカメラで撮影した風景画像に重ね合わせることで、アコースティックカメラが実現される。

この取り組みは、システムエンジニアを目指す者にとって重要な学びを含んでいる。第一に、ハードウェアとソフトウェアを連携させて現実世界の問題を解決する、IoTシステムの基本的な構成を体験できる点である。UMA-16という物理的なセンサーデバイスからデータを取得し、コンピュータ上のソフトウェアAcoularで高度な情報処理を行い、最終的に人間が理解しやすい形（可視化）で出力するという一連の流れは、現代のシステム開発における典型的なモデルと言える。

第二に、データ処理とアルゴリズムの重要性を具体的に示している。UMA-16から得られるのは、単なる16チャンネルの音の波形データに過ぎない。しかし、ビームフォーミングという数学的・物理的な原理に基づいたアルゴリズムを適用することで、そのデータは「音源の位置情報」という全く新しい価値を持つ情報に変換される。大量の生データからいかにして有益な知見を引き出すかという、データサイエンスや機械学習にも通じる本質的な課題を、音響という分野で実践している例である。

最後に、オープンソースソフトウェアを積極的に活用する現代的な開発スタイルを体現している点も重要だ。専門的で高価な商用ソフトウェアに頼らずとも、Acoularのような強力なオープンソースライブラリとPythonという汎用的なプログラミング言語を組み合わせることで、高度な専門システムを低コストで構築できることを示している。これは、開発の選択肢を広げ、イノベーションを加速させる上でエンジニアにとって不可欠なスキルセットである。このように、音の可視化というプロジェクトは、物理世界の現象をデジタル技術で捉え、解析し、価値を創造するという、システムエンジニアリングの醍醐味が詰まった実践的な事例なのである。