JP2002520614A

JP2002520614A - 音響モニタを用いた異常検出

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Publication number: JP2002520614A
Application number: JP2000560428A
Authority: JP
Inventors: ジェイムズブイ．ラドムスキー，
Original assignee: ホートン，インコーポレイテッド
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2002-07-09
Also published as: WO2000004359A1; CA2337000A1; AU5315699A; CA2337000C; US6507790B1; EP1097362A1

Abstract

(57)【要約】モニタされている音のパワースペクトルを連続的に算出することにより機械またはプロセスの異常を検出し、その動作状況を判断するためのモニタを開示するが、このモニタは学習モードと作動モードという２つのモードを有している。モニタされている機械またはプロセスが正常に作動しているとわかっている場合に、或る期間、モニターは学習モードに設置される。学習モードの期間中は、複数のディジタル帯域通過フィルタの各々からの最大および最小の音響パワー出力が、モニタされている機械またはプロセスの音響識別特性として、データメモリで連続的に保存および更新される。作動モードの期間中は、モニタはリアルタイムフィルタ出力を学習モードの間に記憶された音響識別特性と連続的に比較し、対応する前面パネル感度選択スイッチの設定を超える分だけ、複数帯域通過フィルタのいずれであれ、その出力が音響信号のデシベル上限またはデシベル下限から外れると、パネルランプおよびリレーを始動させる。２つのアラームレヴェルがモニタにより提供されるが、一方は発生している故障を示すための「警告」であり、他方は緊急補正動作を必要とする状況を示すための「危険」である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野）本発明は、一般に、サウンド源を監視するにあたり、その動作情況を判定する
分野に関するものであり、特に、機械状態モニタリング、音響効果、および、デ
ィジタル信号処理の分野に関するものであり、具体的には、音響信号のパワース
ペクトルを得ることを目的とした音響信号のリアルタイムディジタルフィルタリ
ング処理、および、パワースペクトルと発展中の機械の故障を検出する手段とし
て先に判定した基線スペクトルとの比較に関連している。

【０００２】（発明の背景）少なくともここ２５年の間、機械状態モニタリングの分野で商業活動が継続し
ているが、その活動のほぼ全てが、機械振動の周期測定か連続測定のいずれかを
基本としている。音と振動が密接に関連していても、機械の故障を検出する目的
で音響モニタリングが利用されることは稀であった。例えば、回転式機械または
往復運動式機械は、機械の多様な部品を振動させる原因となる動的力（時間の関
数を急速に変化させる力）を生じる。このような振動により、音が機械から放射
されもする。機械の内部で作用している動的力と機械から放射されている音との
間の関係は複雑である。振動スペクトル（周波数の関数としての変位振幅）は、
機械の回転の軸に関する振動変換機の配向はもとより、機械における測定位置で
決まる。音スペクトル（周波数の関数としての音響パワー）は、機械に関連する
マイクロフォンの配向と、マイクロフォンの指向性と、周囲の物体および構造体
の音響特性とで決まる。振動成分の起点は音の有効な放射源ではないかもしれな
いが、その周波数で機械的に共鳴する機械の別な部分へ振動成分が伝達されたの
であれば、この振動成分を聞き取ることも可能である。機械の設計は、とりわけ
、使用された材料の減衰特性は放射された音の強度分布およびスペクトル分布に
多大な影響を及ぼす。

【０００３】良好な状態であり、かつ、適正に機能している機械は、或る振動スペクトルを
有しており、これが今度は、或る音スペクトルを発生し、つまり、基準すなわち
基線として利用できる音響識別特性を発生する。一般に、振動スペクトルまたは
音スペクトルは同じではなく、事実、両者は全く異なっている。しかし、機械の
状態が劣化すると、或いは、突然の故障が起こると、振動スペクトルが変動し、
それ故に、音スペクトルが変動する。劣化する機械の状態は、機械から来る音を
連続的に監視し、パワースペクトルを計算し、このパワースペクトルをメモリに
記憶された基線スペクトルと比較することにより検出することができる。リアル
タイムパワースペクトルが所定量を超える量だけ基線スペクトルから逸脱すると
、アラームが作動状態となり、望ましければ、それと共に、監視されている機械
を自動停止させることができる。

【０００４】かかるモニタにより検出可能である多くのタイプの機械故障が存在し、例えば
、回転不均衡、往復動不均衡、整合不良シャフトまたは曲がったシャフト、損傷
のある回転要素ベアリング、損傷のあるジャーナル軸受け、損傷のあるギアまた
は磨耗したギア、破損した駆動ベルトまたは破損した駆動チェーン、機械的ゆる
み、ジャミング、過負荷、摩擦、風損、衝撃、破裂、空気漏洩、漏水、蒸気漏洩
が存在する。音響モニタは、ボイラー、電気変圧器、流量処理などの非回転式機
器の保護を提供することもできる。

【０００５】振動に基づく機械状態モニタリングの技術と科学は大いに開発されており、振
動を測定する製品や、振動データを収集し、記憶させ、分析し、そして、表示す
る製品が多数、市場で入手できる。近年、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）マイク
ロコンピュータのようなＤＳＰハードウエアの広範な利用可能性のために、この
分野の活動が相当に増大しつつある。これらは、高度演算並行処理を組み入れる
とともに、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のような、振動信号のパワースペクトル
を計算するために広く利用されている、計算に強いＤＳＰアルゴリズムを実現す
るように設計された、高速単一チップコンピュータである。振動分析技術は、市
場で入手できるハードウエアツールおよびソフトウエアツールを使用して、特定
の機械故障を検出および診断するために開発されてきた。通常のアプローチは、
監視下にある機械または研究対象である機械と直接的に接触している振動加速度
計を用いて振動を測定した後、ダイナミック信号アナライザ（ＤＳＡ）として周
知である機器を用いて、結果として生じた信号を処理することである。この機器
は高額であり、機械に取付けた振動加速度計の設置と配向が重要となることがあ
り、ＤＳＡを作動させて、結果として生じた振動スペクトルを正確に解釈するの
に、熟練者が必要となる。

【０００６】機械の問題点の早期検出に関して、多くの場合、トラブルの最初の兆候は機械
がたてる音である。事実、音響モニタリング（人間のオブザーバーによる）は既
存の機械状態モニタリングのうちでも最も古いという議論になるかもしれない。
経験豊富な機械オペレータまたはプラントメンテナンス人員は、機械が正常に作
動している時にはどのような音を機械がたてるかをよく知っているので、機械が
窮迫していることを認識することが多い。機械が遠隔のアクセス不能な場所また
は危険な場所で作動している情況では、或いは、機械が連続的モニタリングを必
要とする別な任意の情況では、事実上、音響モニタが人間のオブザーバーに取っ
て代わることができる。本発明の教示に従った音響モニタは、価格が手頃で、信
頼できる、使い易くて、取り付けも簡単になるよう意図しており、機械障害の診
断または試験よりもむしろ、機械の保護をその目的としている。機械が窮迫して
いるという事実の警報を使用者が受けると、特定の問題を診断するために、より
洗練された機器を使用することができる。高額な振動ベースの機器類を用いて機
械を連続的に監視することは必要ではない。

【０００７】（従来技術の説明）現在、産業上のプロセスや器具を連続的に音響モニタリングに付すことができ
るとして公知である市場で入手可能な製品は１つしかない。すなわち、ウイスコ
ンシン州オコノモウオクのクエストエレクトロニクス（ＱｕｅｓｔＥｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ）により製造されているモデル２６１サウンドレヴェル検出装置／
制御装置である。この製品は本質的にはサウンドレヴェル測定機器であり、出力
リレーがデシベル（ｄＢ）単位で較正される調節可能な閾値を有している。これ
は、マイクロフォンが検知した平方２乗平均（ＲＭＳ）音圧レヴェル（ＳＰＬ）
を測定するとともに、閾値設定を超過した場合にリレーを作動させる。音レヴェ
ル測定用に広く利用されるＡおよびＣ周波数重み付け測定を供与する以外には、
この製品は如何なるタイプのフィルタリングまたはスペクトル分析も実施しない
。これは、信号の全ての周波数成分の結合効果を測定するだけの広帯域機器であ
る。産業衛生学的目的を主として意図して（ノイズ制御と警告）、かかる製品は
、音圧レヴェルが閾値設定を超過した場合に、警告信号を与えるために、または
、機械を自動的に機能停止させるために使用することができる。

【０００８】（発明の要旨）本発明の教示に従った音響モニタは、監視されているサウンド源により生成さ
れた音を連続的に分析し、かつ、結果として生じたパワースペクトルを基線とし
て使用される先に記録された「音響識別特性」と比較することにより、作動情況
の故障を検出する自己内蔵システムである。好ましい形態では、音響モニタが８
オクターブ範囲（３３．１０８ヘルツから８０００ヘルツの中間周波帯）にわた
るリアルタイムの１２分の１オクターブのディジタル帯域通過フィルタリングを
実施し、結果として生じた９６個の帯域フィルタの各々のデシベル単位の音響パ
ワー出力を計算する。分数オクターブ帯域通過フィルタリングは一定パーセンテ
ージの帯域幅分析を生じる、すなわち、各帯域通過フィルタの帯域幅はその中間
周波帯周波数の一定パーセンテージである。１２分の１オクターブの帯域通過フ
ィルタの場合、帯域幅は常に中間周波帯周波数の５．７８パーセントである。こ
のタイプのスペクトル分析は、振動測定について好ましい一定の帯域幅ＦＦＴ分
析とは対照的に、音響学の分野で広く使用されている。信号処理に関して、本発
明の技術に従った音響モニタは、ディジタルフィルタアナライザとして周知の機
器と厳密に同じ方法で機能する。このディジタルフィルタは１９８６年版の米国
国内規格セクション１．１１の「オクターブバンドと分数オクターブバンドのア
ナログフィルタおよびディジタルフィルタの仕様」に随順している。本発明の教
示に従った音響モニタにおけるディジタルフィルタの使用は、アナログフィルタ
とは対照的に、以下の３つの理由で大いに望ましい。（１）ここに記載された９
６個の帯域フィルタのアナログ実装は極めて多数の精密抵抗器、コンデンサ、お
よび、演算増幅器を必要とし、（２）構成要素の時間効果とドリフトにより、時
間が経過して温度が変化するとフィルタ特性が変化させられ、（３）必要ならば
、ソフトウエアで実現されたディジタルフィルタの特性を制御し、シミュレート
し、修正することは容易である。

【０００９】本発明の技術に従った音響モニタは、２種の動作モードを有している。すなわ
ち、学習モードと作動モードである。保護が提供できるようになる前に、サウン
ド源が適正に作動していることが判っている時にはサウンド源がどのような音を
たてるかを学習することができるようにモニタは或る期間、学習モードに設置さ
れる。数分間、数時間、または、数日間、モニタは学習モードのまま維持できる
が、サウンド源が配置されている環境で正常に発生している全ての音を音響モニ
タが経験するのに十分なだけの長さでなければならない。学習モードの間は、９
６個の帯域通過フィルタの各々からの最大および最小音響パワー出力が、監視さ
れているサウンド源の音響識別特性としてデータメモリで連続的に維持され、更
新される。この態様で、熟練したオペレータの判断力と経験を必要とせずに、ア
ラーム限度が自動的に確立される。音響モニタが電源から遮断状態になった時に
はいつでも、データを保存する不揮発性メモリ（ＮＶＭ）に音響識別特性の複製
が維持される。学習モードに在る間は、音響識別特性が１０分ごとにＮＶＭに書
き込まれる。前面パネルのモードスイッチが「学習」から「作動」に切り替わっ
た時も、ＮＶＭに書き込まれる。音響識別特性のＮＶＭの複製は、好ましい形態
でこのために使用される電気的消去可能プログラミング可能リードオンリーメモ
リ（ＥＥＰＲＯＭ）がわずか１００万回の書き込みサイクルの耐性を有している
のが典型的であるので、連続的に更新することはできない。従って、学習モード
の期間中の電源投入中断は、最大で１０分のデータを損失させることとなる。電
源投入が回復された後で、学習モードで継続するのにオペレータの介入が必要と
なる。これは、音響モニタが学習モードで予期せず電力消費量が上がったり、Ｎ
ＶＭに既に記憶されている音響識別特性を崩壊させるのを防ぐためである。

【００１０】作動モードの期間中は、本発明の好ましい形態の音響モニタがリアルタイムフ
ィルタ出力を学習モードの期間中に先に記憶された音響識別特性と連続的に比較
して、９６個の帯域通過フィルタのいずれかの出力が、対応する前面パネル感度
選択スイッチの設定値を超えることにより、音響識別特性のデシベル上限または
デシベル下限から外れているならば、パネルランプおよびリレーを始動させる。
２つのアラーム設定が在る。すなわち、警告と危険である。デシベル単位の警告
レヴェルと危険レヴェルは互いに独立して設定することができ、前面パネルスイ
ッチを使用して、ラッチ式アラーム動作または非ラッチ式アラーム動作のいずれ
かについて、個別に構成することができる。ラッチアラームは、解除ボタンが押
されるまで、或いは、有効な信号を遠隔の解除端末で受信するまでは、たとえ機
械またはこれに類するサウンド源が正常動作に戻っても作動し続ける。非ラッチ
式アラームは、機械またはこれに類するサウンド源が正常に戻ると、自動的に非
作動状態になる。非ラッチ式動作の期間中、ゆっくりと変化する音に遭遇した場
合は、リレーのチャタリングを防止するために、両方のアラームがヒステリシス
を採用する。

【００１１】好ましい形態では、各帯域通過フィルタの音響パワー出力がその出力を２乗し
、かつ、その結果の時間平均を取ることにより算出されるが、これは、波状エネ
ルギーがその振幅の２乗に比例するからである。平均化フィルタの反応時間は、
前面パネル選択スイッチを用いて、１秒から１０００秒まで調節することができ
る。反応時間は、音響パワーのステップ変化の後でフィルタ出力がそれぞれの最
終値の１パーセントの範囲内に落ち着くのに必要な時間と定義される。これは、
音響モニタが作動情況障害に反応するのにかかる時間の長さに必ずしも等しいわ
けではないことに留意されたい。これは１次系の過渡反応を特定する別な方法に
すぎない（反応時間＝４．６０５時定数）。この適用例についての適切な反応時
間を選択することにより、短期間の背景ノイズイベントを無視しながら、合理的
な時間の長さの範囲内で作動情況故障に音響モニタが反応できるようになる。

【００１２】本発明の教示に従った音響モニタは、５つまでの音響識別特性をユーザが記録
および利用できるようにする。この複数音響識別特性の能力は、１つ以上の音響
「動作の局面」に関与している適用例をモニタリングすることを目的として設計
されている。すなわち、サウンド源から放射されている音は本来連続的ではない
かもしれないが、幾つかの個別の動作領域を、各々がそれ自体の音響識別特性を
有している状態で保有しているものと、特徴づけ得る。例えば、製品欠陥を検出
するために音を利用する自動テストスタンドは５種までのテストを実施し得、こ
の時、各々が異なる音響識別特性を生成する。しかし、音響モニタは、どのテス
トが実施されているか、或いは、如何なる動作の局面とサウンド源が関わってい
るかを自動認識することはできず、というのも、追加情報がなければ、動作の１
局面の期間中の正常音を動作の別な局面の異常な情況として音響モニタが解釈し
得るからである。作動モードの期間中、音響モニタはオペレータか、プログラミ
ング可能論理制御装置（ＰＬＣ）のようなホストコントローラのいずれかから、
音響識別特性を変更するようにという指令を受信しなければならない。この指令
は、前面パネル解除ボタンを用いて手動で、或いは、モニタの遠隔解除端末を通
して適切にタイミング設定されたパルスを検知するホストコントローラにより、
与えることができる。

【００１３】学習モードと作動モードの両方の期間中、本発明の教示に従った音響モニタは
、マイクロフォンにより検知された音のリアルタイムパワースペクトルを連続的
に計算する。信号のパワースペクトルは音響学の分野で広く利用されている価値
在る情報であり、リアルタイムでそれを観る能力は、従来から極めて高額であっ
たパワフルな能力を表している。本発明の教示に従った音響モニタは、通常のオ
シロスコープの助けで、下記の重要なデータのグラフィカルな表示をユーザが観
ることができるようにする端末を有している。そのデータとは、すなわち、（１
）音響信号のリアルタイムパワースペクトル、（２）記憶された音響識別特性の
デシベル上限、（３）記憶された音響識別特性のデシベル下限である。トリガ信
号は、オシロスコープの外部トリガ動作を促進するために、音響モニタにより供
与される。いずれの場合でも、表示は、信号のパワースペクトルを測定するため
に使用された９６個のディジタル帯域通過フィルタの全部の時間平均化した音響
パワー出力を同時に示すステップ状グラフの形態を呈する。最も基本的なオシロ
スコープでさえ２個のチャネルを有して、音響識別特性を構成しているデシベル
（ｄＢ）上限および下限の同時表示を可能にする。３個のグラフィカル表示全て
が、オシロスコープ較正のどのような不正確さもユーザが容易に調節できるよう
にする水平（時間）マーカおよび垂直（電圧）マーカを組み入れている。音響学
の分野の実践と矛盾なく、水平スケールはオクターブ単位（周波数の対数的尺度
）で較正され、垂直スケールはデシベル単位（音響パワーの対数的尺度）で較正
される。

【００１４】その好ましい形態では、本発明の教示に従った音響モニタは２つの構成要素か
らなる。すなわち、制御ユニットとマイクロフォンユニットである。制御ユニッ
トは電源、ディジタル信号プロセッサ、ＥＰＲＯＭブートメモリ、不揮発性メモ
リ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、ランプ／リレードライバ、スイッチ
、インジケータランプ、リレー、ねじ端子台を有し、これらは国際安全基準に適
ったＤＩＮレール取付け可能なエンクロージャにパッケージ化される。アナンシ
エータパネルに接続できるリレー出力と、監視されている機械またはプロセスを
制御するために使用することができる別なものとが存在している。マイクロフォ
ンユニットはマイクロフォンをアナログ信号調整回路とともに有しており、これ
らは、産業環境で使用するのに好適な小型で堅牢な封入体に収容されている。制
御ユニットとマイクロフォンユニットは、マイクロフォンユニットの内部で信号
調整回路に直流電力を供給する４導体シールド付ケーブルにより接続される一方
で、ディジタル処理のために制御ユニットに異なる形態の増幅されたマイクロフ
ォン信号を送り返す。この構成は、電気的にノイズが横溢する産業環境における
最大信号対ノイズ比を生成する。

【００１５】本発明の主たる目的は、サウンド源により放出された音をモニタリングおよび
評価するための新規な改良型音響モニタであり、この場合、音響モニタはモニタ
された音のスペクトルを算出するタイプであり、また、音響モニタは、モニタさ
れたサウンド源の音スペクトルが識別特性スペクトルとして算出および記憶され
る学習モードと、モニタされたサウンド源の音スペクトルが連続的に算出され、
かつ、記憶された識別特性スペクトルと比較され、所定の値がそこから外れてい
る分を、可能な補正動作の基礎として認知する作動モードとを有している。

【００１６】本発明の上記目的および利点と上記以外の目的および利点は、図面と関連して
記載される本発明の例示の実施態様の下記の詳細な説明に鑑みると、より明瞭に
なる。

【００１７】本発明の好ましい実施態様は、添付の図面を参照することにより、最もうまく
説明することができる。

【００１８】全ての図面は本発明の基本的教示内容の説明を容易にするために描画されてい
るにすぎず、好ましい実施態様を形成する部品の個数、位置、関係、寸法に関す
る図の参照番号は以下に説明されるか、或いは、下記の説明を読んで理解すれば
、本件技術の範囲に入っていることがわかる。更に、特定の力、重量、類似要件
に一致する厳密な寸法および寸法特性も同様に、以下の説明を読んで理解すれば
、本件技術の範囲内にあることがわかる。

【００１９】同一参照番号は、図面の多様な図に使用された場合は、同一部品または類似部
品を示すものである。更に、「第１」、「第２」、「前」、「上」、「下」など
の語が本件明細書で使用される場合は、これらの語は図面を見ている人の目に映
る通りの、図面に示された構造について言及しているにすぎず、例示の実施態様
の説明を容易にするために利用されているにすぎない。

【００２０】（発明の詳細な説明）サウンド源により生成され、かつ、サウンド源から発射されている音を連続的
に監視して、異常を検出するとともに、サウンド源の動作状況を判断する電子式
音響モニタが図面に示されている。サウンド源としては回転式機械、非回転式機
器、産業プロセス、および、環境を挙げられるが、これらに限定されない。

【００２１】図１を参照すると、本発明の好ましい教示に従ったモニタの好ましい実施態様
が示されており、共通ドレインワイヤを有する２つの個別に遮蔽され、撚り対か
らなる最も好ましい形態を呈する４導体シールド型ケーブル１４により一緒に接
続された、制御ユニット１０と遠隔マイクロフォン１２を有している。一般に、
制御ユニット１０は、直流電源１６、ディジタル信号プロセッサ１８、リードオ
ンリーブートメモリ２０、不揮発性データメモリ２２、アナログデジタルコンバ
ータ２４、４連式のディジタルからアナログへのコンバータ２６、リレー出力端
３０、前面パネルインジケータランプ３２、および、前面パネルスイッチ３４を
備えている。

【００２２】好ましい形態では、電源１６は、交流商用電源から電力を受ける高効率線型電
源であり、アナログとディジタル両方の回路により使用されるように５ボルトの
直流出力を生成している。最も好ましい形態の交流入力では、１００ＶＡＣから
１３０ＶＡＣまたは２００ＶＡＣから２６０ＶＡＣのいずれかの動作に適合する
ようにスイッチにより選択可能である。ＶＤＥ認可電力変圧器の一次巻線および
二次巻線が溶着され、この２元式一次巻線は金属酸化物バリスタにより差動モー
ドの電圧遷移から保護される。変圧器は一次巻線と二次巻線の間に絶縁シュラウ
ドを採用して、優れた絶縁を提供するとともに、共通モード電圧遷移から保護す
る。全波ブリッジ整流器回路はショットキバリア整流器を採用して、可能な限り
高度の変圧器利用を達成している。ブリッジ整流器出力はコンデンサによりフィ
ルタ処理され、低ドロップアウト線型電圧調節器に伝送される。５ボルトの調節
済み直流出力は、プロセッサ回路基盤上の別個のアナログ電源およびディジタル
電源と接地平面とを利用して、回路に分配される。

【００２３】好ましい形態では、ディジタル信号プロセッサ１８はアナログデバイシズ（Ａ
ｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．）により製造されている２５ＭＨｚの
ＡＤＳＰ−２１０１ＤＳＰマイクロコンピュータである。プロセッサ１８は、
ＤＳＰ適用例について最適化された、１６ビットの固定点単一チップのマイクロ
コンピュータである。有効なリセット状態から出発して、プロセッサ１８はブー
トメモリ２０からそのオンチッププログラムメモリにマシン言語指示の複製を作
る。全ての指示が複製されてしまうと、プロセッサ１８は、目下そのプログラム
メモリに駐在している指示の実行を開始する。ブートメモリ２０はプロセッサ１
８に接続されて、好ましい形態では、１回のみプログラミング可能なパッケージ
かＵＶ除去可能なパッケージのいずれかの様式の、産業基準２７Ｃ１２８１６
Ｋ×８ＣＭＯＳＥＰＲＯＭである。

【００２４】不揮発性データメモリ２２はプロセッサ１８により読み出しおよび書き込みが
行われ、好ましい形態では、１０２４ワード×１６ビットとして構成された産業
基準４ワイヤ直列式インターフェイス１６３８４ビット９３Ｃ８６ＡＣＭ
ＯＳＥＥＰＲＯＭである。その機能は、モニタが電源投入停止されるといつで
も、音響識別特性の複製を維持することである。

【００２５】アナログデジタルコンバータ２４は遠隔マイクロフォンユニット１２からアナ
ログ信号を受信し、プロセッサ１８にディジタルデータを出力する。コンバータ
２４は、好ましい形態では、差動電圧入力端と、プロセッサ１８のシリアルポー
トと互換性がある直列データ出力端とを有している１６ビットシグマ−デルタ型
のコンバータである。このタイプのＡ／Ｄコンバータは、本発明によって有効に
採用され得る幾つかの固有特性を有している。すなわち、（１）差動アナログ入
力端は、電気的にノイズが横溢する産業環境においてケーブル１４に容量結合ま
たは誘導結合することができる共通モードノイズの拒否を提供する、（２）アナ
ログ入力はアナログ変調器により極めて高速で連続的に過剰サンプリングされて
、外部サンプリング／保持回路の必要を除去している、（３）変調器出力は直列
状態の２つの有限インパルスレスポンス（ＦＩＲ）ディジタルフィルタにより処
理されて、外付けの耐エイリアシングフィルタの複雑さを大いに減じる、（４）
サンプル速度、ディジタルフィルタコーナー周波数、および、出力ワード速度は
、ディジタル信号プロセッサ１８によりＡ／Ｄコンバータ２４に供給されるクロ
ック信号の周波数に比例する。

【００２６】４連式ディジタルからアナログへのコンバータ２６は、プロセッサ１８からデ
ィジタルデータを受信し、任意のオシロスコープ２８にアナログ信号を出力する
。好ましい形態では、コンバータ２６は、プロセッサ１８のシリアルポートから
データを受信し、かつ、任意のオシロスコープ２８上にデータのグラフィカル表
示を生成するようにタイミング設定されたアナログ電圧を生成する４つの個別の
１０ビットＤ／Ａコンバータから構成されている。４つのディジタルからアナロ
グへのコンバータ（ＤＡＣ）チャネルは、前面パネルねじ端末で利用できる、下
記のアナログ信号を生成する。すなわち（１）音響信号のリアルタイムパワース
ペクトル、（２）記憶された音響識別特性のデシベル上限、（３）記憶された音
響識別特性のデシベル下限、（４）オシロスコープ２８の外部トリガ動作を促進
するためのトリガ信号を生成する。データがＤＡＣレジスタに書き込まれた後、
４個のＤＡＣ出力全てが同時に更新され、従って、オシロスコープ２８のスクリ
ーン上への垂直方向に整列したデータ表示を確保する。

【００２７】リレー出力３０は監視されている機械またはプロセスの状況を遠隔発信し、自
動的動作停止をもたらすと同時に、ランプ３２がリレー出力３０の状態を示す。
パネルスイッチ３４は、音響モニタを構成し、その動作を制御する。

【００２８】遠隔マイクロフォンユニット１２は、産業環境で使用するのに好適な小型の高
荷重封入体にマイクロフォン３６とアナログ信号調整回路３８とを収容している
。好ましい形態としては、マイクロフォン１６はエレクトレットコンデンサタイ
プに属し、撥水剤で処理された焼結ステンレス鋼サウンドポートを備えた堅牢な
ステンレス鋼ハウジングにパッケージングされている。この特定のマイクロフォ
ンは、過酷な温度条件および湿度条件に耐えるように設計されているとともに、
機械的衝撃に対する高い耐性を有している。マイクロフォン３６は、埃や他の汚
染物からマイクロフォン３６を保護し、かつ、マイクロフォン３６を振動から隔
絶するのに役立つ弾性発泡ウインドスクリーンの内部に搭載されている。マイク
ロフォン３６は、遮蔽型ケーブルにより信号調整回路３８を有する回路基盤に接
続されている。利用できる最も撓み性のあるケーブルはこのために使用されて、
回路基盤からマイクロフォン３６への振動の伝達を最小限に抑える。電気設計、
回路基盤レイアウト、接地、および、遮蔽は、アナログ信号経路への電気ノイズ
の導入を最小限にするための、マイクロフォンユニット１２の設計上の重要な要
因である。

【００２９】好ましい形態では、信号調整回路３８は、マイクロフォン３６により生成され
た極めて低レヴェルの単一端電圧を増幅し、マイクロフォン電圧を差動電圧に変
換し、ケーブル１４を駆動する。ケーブル１４の電力対は遠隔マイクロフォンユ
ニット１２に制御ユニット１０からの５ボルト直流電力を供給する。ケーブル１
４の信号対は、ディジタル処理に備えて、制御ユニット１０に差動アナログ信号
を逆伝送する。信号調整回路３８の電圧利得は、遠隔マイクロフォンユニット１
２において回路基盤上に配置された２５回転トリミング電位差計により、０から
１００までに調節することができる。以下の技術がアナログ信号経路の信号対ノ
イズ比を最大限にするために採用されてきた。すなわち、（１）マイクロフォン
３６に可能な限り物理的に接近して所要の増幅を全て行う、（２）ケーブル１４
に容量結合または誘導結合することができる共通モードの電気ノイズを拒絶する
ように、差動電圧としてアナログ信号を送信する、（３）容量結合型（電界型）
干渉から信号導線を保護するために遮蔽型ケーブルを使用する、（４）信号導線
の正味ループ面積を低減することにより誘導結合型干渉を低減するために撚り対
のケーブルを使用する。実際には、遠隔マイクロフォンユニット１２は監視され
ているサウンド源に極めて近接して堅固に取り付けて、背景音響ノイズピックア
ップを最小限に抑えるべきである。上記方策のすべてがノイズ床を低下させる効
果を有しており、それゆえ、音響モニタのダイナミックレンジを増大させる。

【００３０】リレー出力端３０、前面パネルインジケータランプ３２、および、前面パネル
スイッチ３４の機能は、制御ユニット１０の前面パネルの好ましい形態を示して
いる図２を参照することにより最良に理解することができる。音響モニタは、以
下の４つの起こりえる状態のうちの１つを常に呈している。すなわち、「ＯＫ」
「警告」「危険」「待機」である。これらの状態は、以下の３つの電気機械的リ
レーの接点に接続されたリレー出力端３０により、アナンシェータパネルまたは
機械制御装置のような外部装置に信号で送られる。すなわち、ＳＰＤＴＯＫリ
レー、ＳＰＤＴ警告リレー、ＤＰＤＴ危険リレーの３つである。リレー出力
端３０は２つのグループに分割される。すなわち、「共通」「ＯＫ」「警告」「
危険」「待機」と標識を付された５つのアナンシェータ端末と、「共通」「正常
に開（Ｎ．Ｏ．）」「正常に閉（Ｎ．Ｃ．）」の標識を付された３つの制御端末
である。リレーのうちの１つだけが１度に作動され、アナンシェータ「共通」端
子は「ＯＫ」「警告」「危険」または「待機」のいずれかの端末と接触状態に入
り、制御ユニット１０の状態を発信するように、接点が配線されている。更に、
制御ユニット１０が「危険」状態にあるときはいつでも、制御「共通」端子は制
御「Ｎ．Ｏ．」端子と接触状態になり、そうでなければ、制御「Ｎ．Ｃ．」端子
と接触状態になる。この特性により、音響モニタが危険な状態を検出した場合に
は、監視されているサウンド源の自動動作停止することが可能となる。

【００３１】図１に集合的に描かれた前面パネルインジケータランプ３２が、図２に個別に
示されている。最も好ましい形態では、ランプ３２は緑色の「ＯＫ」ランプ４０
と、黄色の「警告」ランプ４２と、赤の「危険」ランプ４４とを有しており、こ
れらは、対応する「ＯＫ」リレー、「警告」リレー、「危険」リレーに電力が投
入されるといつでも、オン状態になる。これらランプのいずれもオン状態になら
ない場合は、制御ユニット１０が「待機」状態になる。制御ユニット１０が学習
モードである時はいつでも、橙色の「学習」ランプ４６がオン状態になる。赤色
の「故障」ランプ４８が点灯して、オペレータが待たなければならないこと、或
るいは、オペレータが間違ったことを示す。「故障」ランプ４８は、制御ユニッ
ト１０がハードウエアエラーまたはソフトウエアエラーを検出したときはいつで
も、連続的に点灯する。制御ユニット１０は、作動期間中にはパワーアップ時に
連続的に自己試験を行う。

【００３２】図１に集合的に示された前面パネルスイッチ３４は、図２により詳細に示され
ている。最も好ましい形態では、スイッチ３４は、５ボルト電源をオン状態とオ
フ状態にする「パワー」スイッチ５０、学習モードまたは作動モードのいずれか
を選択する「モード」スイッチ５２、警告アラームおよび危険アラームのラッチ
式動作または非ラッチ式動作のいずれかをそれぞれに選択する「警告機能」スイ
ッチ５４および５６、他のスイッチの設定に依存して、ラッチされたアラーム状
況を解除し、既存の音響識別特性を消去し、或いは、異なる音響識別特性を選択
する「解除」ボタン５８を含み、時間長「解除」ボタン５８が押された状態にあ
る。スイッチ６０、６２、６４は１０点回転式選択スイッチである。「反応時間
」選択スイッチ６０は、秒単位で較正されるが、ディジタル平均化フィルタが音
響パワーの突然の繁華に応答するのにかかる時間の長さを制御する。「警告レヴ
ェル」選択スイッチ６２は、デシベル単位で較正されるが、警告アラームの感度
を制御する。「危険レヴェル」選択スイッチ６４も、デシベル単位で較正される
が、危険アラームの感度を制御する。調節可能なフィルタ反応時間とアラーム感
度は、作動状況故障の信頼できる検出を行い、故障アラームが最小限に抑えられ
ることを確実にするのに不可欠である。

【００３３】音響モニタを通るアナログ信号およびディジタル信号の流れはサウンド源で始
まり、具体的には、振動する機械要素により圧力変化が周囲の空気を通って、マ
イクロフォンユニット１２に達するまで伝播され、マイクロフォン３６により電
圧の対応する変化に変換され、増幅され、アナログ信号設定回路３８により微分
形式に変換され、ケーブル１４を通って制御ユニット１０に送信され、低域耐エ
イリアシングフィルタによりフィルタ処理され、規則的な間隔でサンプリングさ
れ、アナログデジタルコンバータ２４によりディジタル形式に変換され、次いで
、９６個のディジタル帯域通過フィルタのバンクによりスペクトル分析を目的と
して、ディジタル信号プロセッサ１８のシリアルポートに搬送される。

【００３４】ディジタル信号プロセッサ１８のディジタルフィルタリングは、１６ビットの
固定点演算を利用するソフトウエアに実装されて、３種の不定インパルス応答（
ＩＩＲ）フィルターにより達成される。すなわち、（１）１２個の６次１２分の
１オクターブバターワース帯域通過フィルタ、（２）１個の８次逆チェビシェフ
低域通過フィルタ、（３）１個の１次調節可能時定数平均化フィルタ、の３種で
ある。６次バターワース帯域通過フィルタは、３個の２次セクションをカスケー
ド接続することにより実現され、この場合、下記の異なる等式を利用して、各セ
クションが算出される。

【００３５】

【式１】同様に、８次逆チェビシェフ低域通過フィルタは４個の２次セクションをカスケ
ード接続することにより実現されるが、この場合、各セクションは下記の異なる
等式から算出される。

【００３６】

【式２】上記異なる等式では、記号は以下のように定義される。

【００３７】

【式３】先の異なる等式に在るフィルタ係数は、ディジタルフィルタ設計、分析、シミュ
レーションを意図した市場で入手可能なソフトウエアパッケージを用いて、算出
された。いくつかのかかるソフトウエアパッケージは販売されており、かかるソ
フトウエアの有用性と用途は当業者にはよくわかっている。

【００３８】ヘルツ単位で表現された周波数の関数としてのディジタルフィルタの等級応答
は、このフィルタにより処理されているデータのサンプル速度で決まる。２：１
の周波数比を示すオクターブを基本とした対数周波数スケールを用いて作業する
ことは、音響学の分野では習慣的である。トップオクターブとして公知である、
ディジタル信号プロセッサ１８により分析される最高周波数オクターブで作動す
るフィルタは、アナログデジタルコンバータ２４から直接的に受信されたサンプ
ルを処理する。トップオクターブとしては、サンプル速度はＡ／Ｄコンバータの
出力ワード速度に等しい。次に低いオクターブについてデータを得るために、ト
ップオクターブのサンプルが最初にディジタル耐エイリアシングフィルタ（８次
逆チェビシェフ低域通過フィルタ）を通過する。次いで、デシメーションとして
周知のプロセスを利用して、サンプル速度が他の全ての出力サンプルを捨てるこ
とにより２分割される。デシメートサンプルが次に、トップオクターブで使用さ
れたのと同じ１２分の１オクターブ帯域通過フィルタにより処理される。ディジ
タル耐エイリアシングフィルタは、サンプルストリームがデシメーション処理さ
れると、帯域通過フィルタによりカバーされる周波数範囲に高周波数成分が混入
されるのを防ぐ。低域フィルタリング、デシメーション、帯域通過フィルタリン
グのこのプロセスは、８オクターブが分析され終わるまで、反復される。８オク
ターブ範囲にわたって１２分の１オクターブ帯域通過フィルタを提供するために
９６個の個別の帯域通過フィルタを採用することは必要ではないことをここで認
識することができる。フィルタは各オクターブについて同一であり、サンプル速
度だけが変化するので、１２個の帯域通過フィルタと１個の低域耐エイリアシン
グフィルタだけしか必要ではない。

【００３９】８オクターブ範囲にわたってリアルタイムでフィルタリングを実施するために
、ディジタル信号プロセッサ１８は適切なシーケンスで各オクターブについての
データを処理および記憶しなければならないが、この間、新たなサンプルはアナ
ログデジタルコンバータ２４から連続的に受信される。これは、連続ループで作
動する８個のフィルタ／デシメータ段がオクターブ０から７までの間に帯域通過
フィルタリングを実施しながら達成されるが、この場合、オクターブ０は最低周
波数オクターブであり、オクターブ７は最高オクターブである。第１段はＡ／Ｄ
コンバータ２４からデータを受信し、オクターブ７帯域通過フィルタリングを実
施し、Ａ／Ｄコンバータの出力ワード速度の半分のサンプル速度で第２段用の帯
域制限された入力データを生成する。第２段は第１段からデータを受信し、オク
ターブ６帯域通過フィルタリングを実施し、Ａ／Ｄコンバータの出力ワード速度
の４分の１であるサンプル速度で第３段用の帯域制限された入力データを生成し
、第８段のフィルタリングとデシメーションを通して同様の処理を行うが、第８
段はＡ／Ｄコンバータの出力ワード速度の１２８分の１のサンプル速度で第７段
からデータを受信し、オクターブ０帯域通過フィルタリングを実施する（８つの
フィルタ／デシメータ段からのデシメートサンプルは捨てられる）。

【００４０】アナログデジタルコンバータ２４は遠隔マイクロフォンユニット１２から受信
された差動アナログ信号を連続的にサンプリングし、サンプルを符号を付した（
２の補数）１６ビットデータワードへと変換する。ディジタル信号プロセッサ１
８のシリアルポートがＡ／Ｄコンバータ２４からデータワードを受信するたびご
とに、中断が発生する。ディジタル信号プロセッサ１８により実施されるディジ
タルフィルタリングの全てが、シリアルポート受信中断と関与する中断サービス
ルーチンで発生する。オクターブ７データは、シリアルポートによりデータワー
ドが受信されるたびごとに、処理されなければならない。１個の追加オクターブ
についてのデータも、１２８個の中断サイクルごとの最後の中断を例外として、
同一中断期間中に処理されなければならない。フィルタ／デシメータシーケンス
が、すなわち、オクターブ０からオクターブ６が処理されなければならない次数
が、ディジタル信号プロセッサ１８のプログラムメモリ中のルックアップテーブ
ルに記憶され、それは以下の如きものである。

【００４１】

【式４】上記シーケンスから分かるように、各オクターブについてのデータは以下の頻度
で処理される。

【００４２】オクターブ７中断するたびごとにオクターブ６１つおきの中断ごとにオクターブ５３つおきの中断ごとにオクターブ４７つおきの中断ごとにオクターブ３１５おきの中断ごとにオクターブ２３１おきの中断ごとにオクターブ１６３おきの中断ごとにオクターブ０１２７おきの中断ごとに先に説明したディジタルフィルタアナライザからの所望の出力は、９６個の帯
域通過フィルタの１つごとの時平均化音響パワー出力である。この情報を得るた
めに、各帯域通過フィルタの出力が最初に２乗され、次いで、以下のように実現
された１次平均化フィルタにより処理される。

【００４３】

【式５】ここでは、Ｋは「応答時間」選択スイッチ６０の位置と、フィルタリングされて
いるオクターブとで決まる。極めて近い近似のせいで、Ｋはｔ／ｔａｕに等しく
、ｔはサンプリング間隔であり、ｔａｕはフィルタの時定数であり、その両方が
秒単位で表されている。上記等式では、ｘ（ｎ）はフィルタ入力であり、ｙ（
ｎ）はフィルタ出力であり、ｙ（ｎ−１）は先のフィルタ出力である。

【００４４】ディジタル信号プロセッサ１８は、前述の平均化フィルタからの９６個のダブ
ルプレシジョン（３２ビット）出力を更に処理して、９６個の所要のフィルタ帯
域のうちの１つずつについての対数（デシベル）スケールに基づいて音響パワー
を獲得する。人間の聴覚システムの非常にダイナミックな範囲のせいで（１２０
ｄＢ）、デシベル（ｄＢ）スケールに基づいて音響パワーを表現することが習慣
である。ディジタル信号プロセッサ１８のバイナリ特性のせいで、習慣的特性（
基数ｅ）の対数または共通（基数１０）の対数よりはむしろ、フィルタ出力の基
数２の対数を算出するのが便利である。更に、ディジタル信号プロセッサ１８は
、１５の分数ビットが後に続く１の符号ビット（最上位ビット）からなる１６ビ
ットの正負符号付き（２の補数）分数フォーマットである数字について計算を実
施するのに最適である。帯域通過フィルタ出力を２乗し、その結果を平均化フィ
ルタで平滑にした後、結果として生じる時平均化音響パワーは、常に正である３
２ビットの分数として表現される。それゆえに、対数スケールに基づいて、各帯
域通過フィルタのパワー出力は０ｄＢのフルスケールレヴェル（制限のある事例
について）から、典型例では約−７２ｄＢであるシステムのノイズ床まで変動す
る。ディジタル信号プロセッサ１８における音響パワーの数値表現は、特定の次
元を有する物理的測定では表せないという点で、絶対的ではない。音響パワーの
相対測定は本発明の教示に従った音響モニタを目的として必要とされる全ての測
定であるが、その理由は、測定されるのが、絶対スペクトルの変化ではなく、故
障を示すサウンド源から放出された音のパワースペクトルの変化だからである。
リアルタイムパワースペクトルを基線スペクトル（音響識別特性）と比較するこ
とは簡単である。というのも、作動モードの間は、基線スペクトルが記録されて
いた場合、アナログ信号およびディジタル信号の経路が学習モードの期間の経路
と同じであるからである。従って、システム利得および周波数応答のユニット対
ユニットの変動は相殺される。

【００４５】オシロスコープデータ観察特性の動作は、監視されているサウンド源のリアル
タイムパワースペクトルと、デシベル上限６８およびデシベル下限７０からなる
記憶された音響識別特性とを示している図３を参照することにより、最もうまく
説明される。図３は、４連式ディジタルからアナログへのコンバータ２６のチャ
ネルＡ、Ｂ、Ｃが同時に表示され、その間にチャネルＤからのトリガ信号を外部
で利用しながらオシロスコープ２８を誘発させた場合の、図１の任意の（複数チ
ャネル）オシロスコープ２８のスクリーンの拡大図を本質的に示すグラフである
。オシロスコープスクリーン上には、垂直方向スケールがデシベル単位で較正さ
れ（２０ｄＢ／分割数）、−８０ｄＢから０ｄＢの範囲をカバーする。水平方向
スケールは８オクターブ範囲（９．６分割）にわたり１２分の１オクターブ帯域
（１０帯域／分割数）で較正される。リアルタイム音響パワー６６、ｄＢ上限６
８およびｄＢ下限７０は、各フィルタ帯域ごとに、９６ステップのグラフィカル
表示上の水平方向階段部分として現れる。図３では１２段が最上オクターブフィ
ルタ帯域について示されており、他の７オクターブも類似する様相を呈している
。ｘ軸上の数（ログ周波数）は最上オクターブ帯域通過フィルタのヘルツ単位の
帯域エッジ周波数を表している。ｙ軸上の数（ログパワー）は最上オクターブ帯
域通過フィルタのデシベル単位の相対音響パワー出力を表している。

【００４６】警告アラームおよび危険アラームの動作は図３を再度参照することにより理解
することができるが、ここでは、「警告レヴェル」選択スイッチ６２の設定に等
しい量だけデシベル上限６８の一部が上へ変位されて警告上限６８Ａを生成し、
これに等しい量だけデシベル下限７０が下に変位されて警告下限７０Ａを生成し
ている。類似の態様で、デシベル上限６８の一部は「危険レヴェル」選択スイッ
チ６４の設定に等しい量だけ上に変位されて危険上限６８Ｂを生成し、これに等
しい量だけデシベル下限７０が下に変位されて危険下限７０Ｂを生成している。
デシベル上限６８およびデシベル下限７０は監視されているサウンド源の音響識
別特性を構成し、９６個の帯域フィルタの１つごとにつき、学習モードの期間中
に観察された音響パワー出力の範囲を表してる。従って、警告アラーム限界６８
Ａおよび７０Ａが警告アラームについての誤差帯域を限定すると同時に、感度が
「警告レヴェル」選択スイッチ６２により制御されていること、また、危険アラ
ーム限界６８Ｂおよび７０Ｂが危険アラームについての誤差帯域を限定すると同
時に、感度が「危険レヴェル」選択スイッチ６４により制御されていることが分
かる。例えば、リアルタイムパワースペクトル６６は警告アラーム限界６８Ａお
よび７０Ａの範囲に入り、そのためアラームは生成されないが、リアルタイムパ
ワースペクトル６６Ａは警告アラーム限界６８Ａの範囲外であり、そのため警告
アラームが活動状態となる。

【００４７】警告アラームおよび危険アラームばかりか、学習モードおよび作動モードの動
作が、図４のディジタル信号フロー図を参照しながら更に理解される。この図は
、９６個のフィルタ帯域のうちの１つについてのディジタルサンプルの流れを示
しているとともに、この図に描かれた動作の全てがディジタル信号プロセッサ１
８によりソフトウエアで実現されているけれども、電気的概略図の形態で提示さ
れている。各フィルタ帯域について、適切なオクターブごとのサンプルが６次１
２分の１オクターブバターワース帯域通過フィルタ７２により最初に処理され、
２乗器７４により２乗され、１次平均化フィルタ７６により平滑化され、次いで
、バイナリ（基数２）対数コンバータ７８によるデシベル表示へと変換される。
１次平均化フィルタ７６の反応時間と、それゆえ、その時定数とは、「反応時間
」選択スイッチ６０により制御される。対数コンバータ７８の出力は、帯域通過
フィルタ７２のデシベル単位の時平均化音響パワー出力に比例している。この時
点で、信号経路は「モード」スイッチ５２により決定されるが、このスイッチが
学習モード（上位置）か作動モード（下位置）のいずれかを選択する。学習モー
ドでは、対数コンバータ７８の出力がサンプルごとに基づいて連続的に比較され
、この時、音響識別特性はディジタル信号プロセッサ１８のランダムアクセスメ
モリ（ＲＡＭ）８０に駐在している。メモリ８０Ａから読み出されたデシベル上
限は信号フロー図の上部で処理される。メモリ８０Ｂから読み出されたデシベル
下限は、信号フロー図の下部で処理される。不揮発性メモリ（ＮＶＭ）２２に既
に存在している場合には、有効音響識別特性が、学習モードに入る前に、作動モ
ードの期間にわたりディジタル信号プロセッサ１８によりＲＡＭ８０へとロード
される。この場合、学習モードは既存の音響識別特性のデシベル上限およびデシ
ベル下限を拡張する。ＮＶＭ２２に既存の音響識別特性が存在しない場合は、デ
シベル上限がメモリ８０Ａにおいて初期条件９２により初期化され、デシベル下
限はメモリ８０Ｂで初期条件８４により初期化される。初期条件８２は最小音響
パワー（−８０ｄＢ）に対応し、初期条件８４は最大音響パワー（０ｄＢ）に対
応する。デシベル上限は、メモリ８０Ａを備えたループで作業しながら、比較器
８６により決定される。対数コンバータ７８からサンプルが受信されるたびごと
に、サンプルは比較器８６により、メモリ８０Ａから読み出された対応するデシ
ベル上限と比較される。サンプルが限界より高い場合は、比較器８６がサンプル
の値を既存の限界に上書きし、従って、問題のフィルタ帯域について、メモリ８
０Ａで新たなデシベル上限を確立する。類似の態様で、デシベル下限は、メモリ
８０Ｂを備えたループで作業しながら、比較器８８により決定される。対数比較
器７８から受信したサンプルがメモリ８０Ｂから読み出した対応するデシベル下
限よりも低い場合は、比較器８８がサンプルの値で既存の限界を上書きし、従っ
て、問題のフィルタ帯域について、メモリ８０Ｂで新たなデシベル下限を確立す
る。このプロセスは、「モード」スイッチ５２が学習モード位置にある限りは、
連続する。学習モードの期間は、ＲＡＭ８０に記憶された音響識別特性は１０分
ごとにＮＶＭ２２に書き込まれ、再度その時、「モード」スイッチ５２が学習モ
ード位置から作動モード位置に移動する。

【００４８】「モード」スイッチ５２が作動モード位置にある場合には、サンプルストリー
ムは対数コンバータ７８の出力から比較器９８および１００の非反転入力まで方
向づけられ、更に、比較器１０２および１０４の反転入力に向けられる。比較器
９８、１００、１０２、１０４は、出力論理状態が変化すると、振動を阻止する
ためにヒステリシスを採用する。比較器９８についての基準レヴェルは選択スイ
ッチ６２により設定された「警告レヴェル」とメモリ８０Ａから読み出された対
応するデシベル上限との加算ユニット９０により算出された、和である。比較器
９８は、非反転入力端のレヴェルが基準レヴェルに達するとオン状態になる（論
理１を出力する）が、デシベル上限と基準レヴェルの演算平均に均等な値まで非
反転入力端のレヴェルが降下すると、オフ状態になる（論理０を出力する）。比
較器１００についての基準レヴェルは選択スイッチ６４により設定された「危険
レヴェル」とメモリ８０Ａから読み出された対応するデシベル上限との加算ユニ
ット９２により計算された和である。非反転入力端におけるレヴェルが基準レヴ
ェルに達すると、比較器１００はオン状態になり、非反転入力端におけるレヴェ
ルが警告基準レヴェルと危険基準レヴェルの演算平均に等しい値まで降下すると
、オフ状態になる。比較器１０２についての基準レヴェルは、メモリ８０Ｂから
読み出されたデシベル下限から、選択スイッチ６２により設定された「警告レヴ
ェル」を減算した、減算ユニット４４により算出された差に等しい。反転入力端
におけるレヴェルが基準レヴェルより下に降下すると、比較器１０２はオン状態
になり、反転入力端におけるレヴェルがデシベル下限と基準レヴェルの演算平均
に均等な値よりも上に上昇する。比較器１０４についての基準レヴェルはメモリ
８０Ｂから読み出されたデシベル下限から、選択スイッチ６４により設定された
「危険レヴェル」を減算した、減算ユニット９６により算出された差に等しい。
反転入力端におけるレヴェルが基準レヴェルよりも降下すると比較器１０４がオ
ン状態になり、反転入力端におけるレヴェルが警告基準レヴェルおよび危険基準
レヴェルの演算平均に等しい値よりも上に上昇する。

【００４９】比較器９８および１０２の出力はＯＲゲート１０８の入力端に接続される。そ
れゆえ、ＯＲゲート１０８の出力は、９６個の帯域通過フィルタのいずれかのリ
アルタイム音響パワー出力が、「警告レヴェル」選択スイッチ６２の設定よりも
大きい量だけ、音響識別特性のデシベル上限またはデシベル下限から逸れる。Ｏ
Ｒゲート１０８の出力は、最大のパワーの逸れが「警告レヴェル」選択スイッチ
６２の設定の半分よりも下に降下するまでは、論理１のままである。

【００５０】比較器１００および１０４の出力はＯＲゲート１０６の入力に接続される。そ
れゆえ、ＯＲゲート１０６の出力は、９６個の帯域通過フィルタのいずれかのリ
アルタイム音響パワー出力が「危険レヴェル」選択スイッチ６４の設定よりも大
きい量だけ、音響識別特性のデシベル上限またはデシベル下限から逸れた時はい
つでも、論理１となる。ＯＲゲート１０６の出力は、最大のパワーの逸れが「警
告レヴェル」選択スイッチ６２と「危険レヴェル」選択スイッチ６４の設定の演
算平均より下に降下する。

【００５１】好ましい形態では、ディジタル信号プロセッサ１８は、「危険レヴェル」選択
スイッチ６４の設定が「警告レヴェル」選択スイッチ６２よりも大きくない限り
、１ヘルツの速度で連続して赤の「故障」ランプ４８を点灯し、かつ、音響モニ
タの正常動作を一時停止するようにプログラミングされている。それゆえ、ＯＲ
ゲート１０６の出力が論理１である場合は、ＯＲゲート１０８の出力も論理１と
なる。ＯＲゲート１０８の出力は、ＯＲゲート１０６の出力が論理０でない限り
、ＡＮＤゲート１１０の出力が論理１には等しくならないような態様で、ＡＮＤ
ゲート１１０によりゲート制御される。反転入力を得ると、ＡＮＤゲート１１２
の出力は、ＯＲゲート１０６および１０８の出力が両方とも論理０に等しいとき
のみ、論理１に等しくなる。それゆえ、ＡＮＤゲート１１２の出力は、制御ユニ
ット１０がＯＫ状態である場合は、論理１となり、ＡＮＤゲート１１０の出力は
「警告」状態で論理１となり、また、ＯＲゲート１０６の出力は「危険」状態で
論理１となる。制御ユニット１０は一度に１つの状態しか採り得ないので、３つ
の出力のうちの１つだけが論理１となることができる。「モード」スイッチ５２
が作動モード位置にない限り、ＡＮＤゲート１１４、１１６、１１８の出力が論
理１に等しくなれないような態様で、上記論理信号はＡＮＤゲート１１４、１１
６、１１８により更にゲート制御される。ＡＮＤゲート１１８の出力が論理１で
ある場合は、緑色のＯＫランプ４０がオン状態となり、ＯＫリレー１２０が始動
される。ＡＮＤゲート１１６の出力が論理１である場合、黄色の「警告」ランプ
４２はオン状態となり、「警告」リレー１２２が始動される。ＡＮＤゲート１１
４の出力が論理１となると、赤色の「危険」ランプ４４がオン状態となり、「危
険」リレー１２４が始動される。「モード」スイッチ５２が学習モード位置にあ
る場合は、前面パネルインジケータランプ４０、４２、４４はオフ状態になり、
リレー１２０、１２２、１２４は非活動状態となり、橙色「学習」ランプ４６が
オン状態になる。

【００５２】図１および図４に集合的に示されたリレー出力端３０は、ユーザ取り付け式配
線を意図した他の後退ねじ端子と一緒に、図２に個別的に示されている。端子１
２６（ライン）および端子１２８（ニュートラル）は交流電力入力接続部である
。１１５ＶＡＣまたは２３０ＶＡＣのいずれかの名目ライン電圧を選択するため
のライン電圧選択スイッチが制御ユニット１０の背面パネル上にある。好ましい
形態では、リレー出力端３０は、「ＯＫ」「共通」「警告」「待機」「危険」と
それぞれに標識を付された５つのアナンシェータ端子１３０、１３２、１３４、
１３６、１３８を有している。好ましい形態のリレー出力端３０は、「Ｎ．Ｏ．
（正常に開）」、「共通」「Ｎ．Ｃ．（正常に閉）」とそれぞれに標識を付され
た３つの制御端子１４０、１４２、１４４を有している。端子１４６はアース（
保護）接地である。任意のオシロスコープ２８が、「パワースペクトル」「ｄＢ
上限」「ｄＢ下限」「スコープトリガ」とそれぞれに標識を付された端子１４８
，１５０、１５２、１５４に接続されている。「解除」と標識を付された端子１
５６は５ボルトないし３０ボルトの直流信号を受信し、前面パネル「解除」ボタ
ン５８として同一機能を実施する。４導体シールド型ケーブル１４は、遠隔マイ
クロフォンユニット１２から出ているが、「アナログ＋５Ｖ」「アナログ接地」
「マイクロフォン（−）」「マイクロフォン（＋）」とそれぞれに標識を付され
た端子１５８、１６０、１６２、１６４に接続している。任意のオシロスコープ
２８の接地リードが、ケーブル１４のドレインワイヤがそうであるように、アナ
ログ接地端子１６０、すなわち、制御ユニット１０の最も安定した接地点に接続
される。

【００５３】従って、ここに開示された発明は、その意図または一般的特性から逸脱しない
他の特定の形態で実施することができるが、それらの形態の幾つかが先に示され
てきたが、ここに記載された実施態様はあらゆる点で例示であって、限定ではな
いと見なすべきである。本発明の範囲は先の説明よりはむしろ、添付の特許請求
の範囲の各請求項により示されるべきであって、請求項の均等の解釈および範囲
に入るあらゆる変更は、本発明の範囲に包含されるものと意図している。

【図面の簡単な説明】

【図１】電源、ディジタル信号プロセッサ、ブートメモリ、不揮発性デ
ータメモリ、Ａ／Ｄコンバータ、４連Ｄ／Ａコンバータ、リレー出力端、インジ
ケータランプ、前面パネルスイッチを有している制御ユニットと、マイクロフォ
ンおよび信号調整エレクトロニクスを有しているマイクロフォンユニットとから
構成されている、音響モニタの主要なハードウエア要素を示す機能的ブロック図
である。

【図２】インジケータランプ、ユーザ作動型スイッチ、ユーザ取り付け
型配線のためのねじ端子を示している、図１の音響モニタの制御ユニットの前面
パネルの図である。

【図３】作動モード期間にサウンド源から放出された音の、音響識別特
性のデシベル上限およびデシベル下限、警告アラーム限度、危険アラーム限度、
リアルタイムパワースペクトルを示すグラフである。

【図４】ディジタルサンプルが帯域通過フィルタ出力端から演算処理、
比較、記憶、および、検索からなる多様な段階を通って移動する時に、前面パネ
ルインジケータランプおよびリレー出力を作動させる前にディジタルサンプルが
採る経路を追跡することにより図１の音響モニタの学習モードおよび作動モード
の動作を例示する、ディジタル信号のフロー図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷＦターム(参考） 2G024 AD01 AD21 BA11 CA13 FA04 FA06 FA14 2G064 AA01 AA11 AB13 AB22 BD02 CC02 CC26 CC42 CC52 CC58 CC62 DD09 DD15 【要約の続き】正動作を必要とする状況を示すための「危険」である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転式機械、非回転式機器、産業プロセス、産業環境のよう
な遠隔に位置するサウンド源により発生され、そこから発射される音を連続的に
監視して、異常を検出し、それらの作動状況を判断するための電子式モニタであ
って、該サウンド源に近接して戦略的に配置可能な、信号を発生するためのマイ
クロフォン手段を有して、該サウンド源から発射された該音を検出するセンサー
手段と、該マイクロフォン手段により生成された該信号の調整を行い、該信号を
差動アナログ信号に変換するアナログ信号手段と、制御ユニットと、該アナログ
信号調整手段に直流電力を供給し、該アナログ信号調整手段から該制御ユニット
へ該差動アナログ信号を搬送してディジタル処理に備えるケーブル手段と、規則
正しい間隔で該差動アナログ信号をサンプリングして該差動アナログ信号をディ
ジタルサンプルストリームに変換するアナログディジタルコンバータ手段と、該
ディジタルサンプルストリームを連続的に処理して、該サウンド源から発射され
た該音のリアルタイムパワースペクトルを得るためのディジタルフィルタ手段と
、メモリ手段と、既に分かっている不具合が無く正常に該サウンド源が作動して
いると分かっている期間に発生された該パワースペクトルの音響識別特性の複製
を算出して該メモリ手段に記憶させる手段を有する学習モード手段と、該サウン
ド源の望ましくない劣化のレヴェルを示すことができる所定の大きさを有してい
る該音響識別特性の複製に関するｄＢ警告上限およびｄＢ警告下限と、比較器手
段および警告手段と、該サウンド源の後続動作期間中に該パワースペクトルの試
験の複製を連続的に算出し、該比較器手段により該ｄＢ上限および該ｄＢ下限と
該試験の複製のそれぞれについての比較を行い、該ｄＢ上限および該ｄＢ下限に
達すると、該警告手段により警告を発する手段を有している作動モード手段とを
組み合わせて有している、モニタ。
【請求項２】前記アナログディジタルコンバータ手段は、前記センサーが
前記サウンド源により発射された関連する音の全てに遭遇するように十分な期間
前記差動アナログ信号をサンプリングする、請求項１に記載のモニタ。
【請求項３】前記学習モード手段および前記作動モード手段と関連する学
習モードおよび作動モードを有し、前記メモリ手段が、該学習モードおよび作動
モードの期間にわたり前記比較器手段と協働し得るＲＡＭ手段を有している、請
求項１に記載のモニタ。
【請求項４】前記メモリ手段が、複数音響識別特性を記憶し、かつ、前記
ＲＡＭ手段と協働し得る不揮発性データメモリを有している、請求項３に記載の
モニタ。
【請求項５】前記ディジタルフィルタ手段が帯域通過型フィルタ手段を有
している、請求項１に記載のモニタ。
【請求項６】前記ケーブル手段が、共通ドレインワイヤを有する２つの別
個に遮蔽された、撚り対を有しているケーブルを備えている、請求項１に記載の
モニタ。
【請求項７】前記サウンド源として、回転式機械、非回転式機器、および
、それら以外の音生成プロセスが挙げられる、請求項１に記載のモニタ。
【請求項８】危険な作動状況を示すことができる所定の大きさを有するｄ
Ｂ危険上限およびｄＢ危険下限を有している、請求項１に記載のモニタ。
【請求項９】ディジタルフィルタ手段の機能を実施するようにプログラミ
ングされたマイクロコンピュータを有している、請求項１に記載のモニタ。
【請求項１０】前記マイクロコンピュータが、前記学習モード手段および
前記作動モード手段の機能を実施するように更にプログラミングされている、請
求項９に記載のモニタ。
【請求項１１】前記マイクロコンピュータが、ｄＢ警告上限およびｄＢ警
告下限を算出するように、かつ、前記比較器手段および前記警告手段の機能を実
施するように更にプログラミングされている、請求項１０に記載のモニタ。
【請求項１２】前記マイクロコンピュータがディジタル信号プロセッサで
ある、請求項１１に記載のモニタ。
【請求項１３】前記学習モード手段が、前記サウンド源の異なる作動状況
を監視する際に使用するための複数の音響識別特性の複製をシーケンシャルに算
出し、記憶するために利用することができる、請求項２に記載のモニタ。
【請求項１４】前記複数の音響識別特性の複製が不揮発性データメモリに
記憶されている、請求項１３に記載のモニタ。
【請求項１５】前記作動モード手段がリアルタイムで作動可能である、請
求項２に記載のモニタ。
【請求項１６】前記帯域通過型フィルタ手段が、８オクターブ範囲にわた
り、リアルタイム１２分の１オクターブディジタル帯域通過フィルタ処理を実施
する、請求項５に記載のモニタ。
【請求項１７】前記帯域通過型フィルタ手段が、９６個の結果として生じ
た帯域通過フィルタの各々のデシベル単位の音響パワー出力を算出する、請求項
１６に記載のモニタ。
【請求項１８】前記帯域通過フィルタの各々の前記音響パワーが、前記帯
域通過フィルタの出力を２乗するとともに、その結果の平均を求めることにより
算出される、請求項１７に記載のモニタ。
【請求項１９】前記学習モード手段が、数分から数日の期間にわたり選択
的に作動可能である、請求項２に記載のモニタ。
【請求項２０】前記学習モード手段と前記作動モード手段とを交互に選択
するための手動制御手段を有している、請求項２に記載のモニタ。
【請求項２１】回転式機械、非回転式機器、産業プロセス、産業環境のよ
うな遠隔に位置するサウンド源により発生され、そこから発射される音を連続的
に監視して、異常を検出し、それらの作動状況を判断するためのモニタであって
、該サウンド源に近接して戦略的に配置可能な、信号を発生するためのマイクロ
フォン手段を有して、該サウンド源から発射された該音を検出するセンサー手段
と、該マイクロフォン手段により生成された該信号の調整を行い、該信号を差動
アナログ信号に変換するアナログ信号手段と、制御ユニットと、該アナログ信号
調整手段に直流電力を供給し、該アナログ信号調整手段から該制御ユニットへ該
差動アナログ信号を搬送してディジタル処理に備えるケーブル手段と、規則正し
い間隔で該差動アナログ信号をサンプリングして該差動アナログ信号をディジタ
ルサンプルストリームに変換するアナログディジタルコンバータ手段と、該ディ
ジタルサンプルストリームを連続的に処理して、該サウンド源から発射された該
音のリアルタイムパワースペクトルを得るためのディジタルフィルタ手段と、メ
モリ手段と、既に分かっている不具合が無く正常に該サウンド源が作動している
と分かっている期間に発生された該パワースペクトルの音響識別特性の複製を得
るために、該ディジタルサンプルストリームへのアクセスと処理をそれぞれに行
う学習モード手段と、該サウンド源の作動状況の異常を示すことができる該音響
識別特性に所定の値を加算し、該音響識別特性から所定の値を減算することによ
り、それぞれ該音響識別特性の複製に関するｄＢ上限値およびｄＢ下限値を算出
する作動モード手段であって、該作動モード手段が、該ディジタルサンプルスト
リームにアクセスし、該サウンド源の後続動作の期間にわたり該パワースペクト
ルの試験の複製をシーケンシャルに算出する比較器手段を有し、該比較器手段に
よりｄＢ上限値およびｄＢ下限値と該試験の複製についてのそれぞれの比較を行
い、該限界値のいずれに達しても、警告信号を発する、作動モード手段と、該学
習モードおよび作動モードを選択的に選ぶスイッチ手段とを組み合わせて有して
いる、モニタ。
【請求項２２】前記学習モード手段が、１個以上のサウンド源に対応する
１個以上の音響識別特性の複製を得て、記憶するために利用される、請求項２１
に記載のモニタ。
【請求項２３】前記ｄＢ上限値および前記ｄＢ下限値が第１組の限界値と
第２組の限界値を有し、各組の限界値が前記音響識別特性の複製にまたがり、該
第１組の限界値が、発生している故障を表す警告制限組であり、該第２組の限界
値が、緊急補正動作を必要とする状況を表す危険制限組である、請求項２１に記
載のモニタ。
【請求項２４】前記比較器手段が、前記第１組および前記第２組の限界値
に関して作動可能である第１のユニットおよび第２のユニットを有している、請
求項２３に記載のモニタ。
【請求項２５】前記比較器手段の前記第１のユニットおよび前記第２のユ
ニットを可能化するための別個のスイッチ手段を有している、請求項２４に記載
のモニタ。
【請求項２６】前記比較器手段の前記第１のユニットおよび前記第２のユ
ニットに接続された警告信号出力手段および危険信号出力手段を有している、請
求項２４に記載のモニタ。