JP2004219168A - 伝播音の帯域別音圧解析装置及び解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体等を伝播する超低周波音の長期にわたる連続モニタリングを可能し、さらにその音源としての自然事象の変化、構造物内に発生している変化、状態を判別、把握する。
【解決手段】固体あるいは液体を伝わる伝播音を、所定測定間隔で収音し、中心周波数１，１０，１００及び１ｋＨｚを山形のピークとする２次減衰特性を示す複数の広帯域フィルタ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを介して所定の帯域別音圧値に分別してサンプリングし、対応する帯域別音圧値から、所定周波数領域における卓越周波数あるいはピーク音圧を換算算出するようにした。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
構造物等の固体、液体内を伝わる伝播音を、連続的に収音して複数の広帯域フィルタにより分別して求めた各帯域での音圧値から周波数分布を換算し、伝播音から得られる音源状態を判別、把握するようにした伝播音の帯域別音圧解析装置及び同装置を用いた解析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、音源解析等において、１／３オクターブバンドフィルタ等を用いた分析では周波数の分解能が十分でない場合、ＦＦＴ（高速フーリエ）変換を使用した解析が用いられるのが一般的である。また、従来の音響測定では、たとえば測定対象の周囲に配置された複数本のマイクロホンより、多チャンネル録音テープに規定の時間同時録音を行い、次いで録音データを各チャンネル毎に再生し、騒音計または周波数分析器より時間平均音圧レベルを求め、得られた値より、測定表面の空間的平均音圧レベルを求め、その値を所定の算出式を用いて、所望の音響出力を算出するようになっている。この算出にはパーソナルコンピュータ等が用いられ、その結果はプリンター等に出力されていた（たとえば特許文献１の従来技術参照）。
【０００３】
一方、音源測定の一適用例として、建設現場等において、作業員が作業を行うに当たって発生する作業音に着目し、作業によって異なる特有の作業音の性質を、音圧レベルの変化や周波数特性で把握し、作業内容を自動的に判別するようにした技術が開発されている（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２１９８６６号公報
【特許文献２】
特開２００２−５６０５０公報
【０００５】
ところで、たとえば、土木・建築施設やプラント等のような動きがほとんどない剛体構造や、地盤内や構造物の部材内での不可視な変化状態において、作用荷重による構造物の異常変位の検知、損傷の探知、疲労等による劣化進行の監視、崩壊・倒壊等の把握を可能にするために、特に固体（液体）を媒質として伝播する伝播音（特に低周波音）の取り扱いについての検討がなされている。コンクリート、鋼材を始めとした部材の亀裂探知や疲労チェックを、ＡＥ（アコースティック・エミッション）計測と呼ばれる計測手法により、内部発生音を測定することで識別する技術が、航空機、原子力プラント、大型土木施設等で使用されている。しかし、ＡＥの場合は、人間の可聴帯域（８０〜１６，０００Ｈｚ）及び可聴帯域よりも高い超音波域の周波数が使用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＦＦＴ分析器を用いた周波数分析の場合、特性周波数が明確でない非予測性の高い信号では解析が困難になることがある。また、一旦、録音してからデータを処理する場合には、録音再生のため測定のリアルタイム性が失われ、測定結果に基づく測定条件の変更、対象機器の改善など必要な再測定の機会が失われることが多い。また、録音再生による時間平均音圧レベルの測定は各チャンネル毎に膨大な情報量のデータ処理が必要となり、一定の時間を要し、さらに録音時間分だけ余分にかかる。さらに、一般的なＦＦＴ分析器を備えた測定装置は電源消費量が大きく、電池駆動ではフィールド観測等の長期間にわたる連続記録に適さないなどの問題があった。
【０００７】
また、作業内容を、音圧レベルの変化を検知して自動的に判別しようという技術では、作業員が収音手段としてのマイクロホンを直接身につけて、作業時の発生音を拾うようになっており、またその作業も決まった時間内での限られた作業内容との照会によって実現するものである。また、この技術では、上述した固体及び液体を媒質として伝わる伝播音を連続的に測定、判別するという伝播音の判別、把握に対する解析機能は果たすことができない。
【０００８】
そこで、上述の問題点を解消し、フィールドでの長期使用が可能で、従来可聴帯域音と振動領域音の間で微弱な強度で変動している伝播音としての超低周波音の連続モニタリングを可能とし、さらに得られた所定の音圧レベルでの卓越周波数をもとに伝播音の音源としての自然事象の変化、構造物内に発生している変化、状態を判別、把握できる装置およびその解析手法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の帯域別音圧解析装置は、所定測定間隔で、固体あるいは液体を伝わって収音された伝播音を、所定の帯域別音圧値に分別してサンプリングする複数の広帯域フィルタと、サンプリングされた前記伝播音の帯域別音圧レベルを、所定周波数領域における卓越周波数あるいはピーク音圧を換算算出可能な周波数解析部とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
このとき、前記広帯域フィルタは、中心周波数１，１０，１００及び１ｋＨｚを山形のピークとする２次減衰特性を示すようにすることが好ましい。
【００１１】
また同装置を用いた解析方法として、固体あるいは液体を伝わる伝播音を、所定測定間隔で収音して複数の広帯域フィルタを介して所定の帯域別音圧値に分別してサンプリングし、該帯域別音圧値から、所定周波数領域における卓越周波数あるいはピーク音圧を換算算出することを特徴とする。
【００１２】
具体的には、１，１０，１００または１ｋＨｚの帯域別音圧値をもとに、振動領域音周波数、低周波音周波数、可聴帯域音周波数を換算算出させることが好ましい。
【００１３】
同様に、１，１０，１００または１ｋＨｚの帯域別音圧値をもとに、振動領域音ピーク音圧、低周波音ピーク音圧、可聴帯域音ピーク音圧を換算算出させることも好ましい。
【００１４】
前記伝播音は、連続〜６０分の間で、その測定間隔を設定し、収音（測定）することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の伝播音の帯域別音圧解析装置及び解析方法について、添付図面を参照して説明する。まず、本発明の伝播音の帯域別音圧解析装置及び同装置を用いた解析方法において、伝播音の判別は、可聴帯域及び超低周波音を広く利用しての判別を行うことを対象としている。そしてその測定対象（音源）としては、固体（コンクリート構造物、鋼構造物、自然地盤、人工地盤等）、液体（水、油類等）及びその中間の物である水分含有率の高い樹木、生体等をも想定し、それらを音源として伝播された媒質音についての判別、把握を図るものである。媒質音を周波数で分類したとき、超低周波音（５〜１００Ｈｚ）、振動領域音（１〜１０数Ｈｚ）、及び１Ｈｚ以下の振動とをその範疇としている。
【００１６】
図１は、本実施の形態の伝播音の帯域別音圧解析装置のブロック構成図を示している。同図に示したように、本装置１０は入力部としてのマイクロホン１１から得られた音響信号を高感度増幅回路１２を介して増幅し、その音圧信号を複数本の広帯域フィルタ２０により、数種類の周波数帯域別にレベル変換し、Ａ／Ｄ変換器１４によりデジタル化した後に、周波数、音圧算定解析式による解析を行う演算回路１５を経て、所定の周波数信号群として、各種の出力形態で出力部１６から出力される構成からなる。
【００１７】
マイクロホン１１としては設置フィールドに適合した仕様のマイクロホン、たとえば耐水性、防水性等を備えた媒質マイクロホンを使用することが好ましい。マイクロホンを介してのデータ入力（収音）は、所定の計測間隔（たとえば０．２，１，１５，６０秒ごと）で行うことで、記録する情報量を十分少なくすることができ、また消費電力を抑えることにより、フィールド等において長時間での計測を行える。また、計測間隔は必要データの用途、観測期間に応じて連続計測から６０分程度の間の適切な間隔を設定することができる。
【００１８】
本実施の形態では、演算回路１５には演算ソフトウェアがＲＯＭ化されて搭載されている。これにより装置１０は小型化、低消費電力化、高信頼性が果たされ、フィールドでの長期使用が可能になっている。演算ソフトウェアとしては必須のＯＳ，ＢＩＯＳ，計測制御ソフト、周波数換算アプリケーションの他、ユーザーの用途に応じてカスタマイズした各種のアプリケーションを搭載することができる。
【００１９】
出力部のオプションとしては、ＬＣＤ表示、外部記録媒体としてのマルチメディアカード記録、パーソナルコンピュータへの転送（ＲＳ２３２Ｃ）、携帯電話等の通信媒体による外部送信、リレー信号を介しての外部制御装置への出力を可能としている。
【００２０】
また、帯域別音圧値と演算（換算）値を記録（後述する）するようにしているので、記録情報量を少なくでき、消費電力も抑えることができるが、本実施の形態では、装置１０は内蔵あるいは外付けのバッテリー（鉛蓄電池、太陽電池）電源が使用されている。このため音響測定の他、振動計、地震計などの広範囲の観測への応用が可能である。
【００２１】
図２は、本発明の広帯域バンドパスフィルタ２０の概略構成を示したブロック構成図である。本発明では、周波数分析を行う際に、帯域を重ねる減衰特性を有する広帯域バンドパスフィルタ２０を採用している。特に本実施の形態では、図３に示した発生超低周波音の音圧−周波数換算模式図に重ねて示したように、中心周波数が１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１ｋＨｚで、２次（６ｄＢ／ｏｃｔ）の減衰特性を示す広帯域バンドパスフィルタ２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ）が設けられている。これらの広帯域バンドパスフィルタ２０の通過信号と、全帯域（バンドパスフィルタを介さない）通過信号に関してＤＣ４Ｖの直流電圧出力回路１３（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ）を介して音圧レベル変換し、それぞれの帯域音圧値を同時記録するようになっている。そして４帯域の帯域別音圧値をもとに、あらかじめＲＯＭ化された算出式プログラムにより３周波数を換算出力する。換算周波数としては、１００Ｈｚ〜１ｋＨｚの間の可聴音帯域でピークが一つとなっている卓越周波数があるとした周波数（Ｆｘ）、１０〜１００Ｈｚの低周波音領域でピークが一つとなっている卓越周波数があるとした周波数（Ｆｙ）と、１〜１０Ｈｚの振動域にピークが一つとなっている卓越周波数があるとした周波数（Ｆｚ）の３周波数を得る。なお、各バンドパスフィルタの特性としては、中心周波数１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、１ｋＨｚに山形のピークを有し２次減衰特性を示すブロードなバンドパスフィルタとして設定した。これらのバンドパスフィルタ間の中間周波数は、帯域別音圧値の分布比率によって判別することができる。すなわち、中間周波数は、重なっている所定のバンドパスフィルタ間での周波数分布の比として表される。
【００２２】
具体的には、Ｆ_１：振動領域音周波数（Ｈｚ）は、Ｐ_１１：１Ｈｚ帯域別音圧値（μＰａ）とＰ_２：１０Ｈｚ帯域別音圧値（μＰａ）とからの算出式（式１）により算出され、Ｆ_２：低周波音周波数（Ｈｚ）は、Ｐ_２１：１０Ｈｚ帯域別音圧値（μＰａ）とＰ_３：１００Ｈｚ帯域別音圧値（μＰａ）とからの算出式（式２）により算出され、Ｆ_５：可聴帯域音周波数（Ｈｚ）は、Ｐ_３１：１００Ｈｚ帯域別音圧値（μＰａ）とＰ_４：１ｋＨｚ帯域別音圧値（μＰａ）とからの算出式（式５）により算出される。また、中間の周波数、Ｆ_３：１〜１００（Ｈｚ）、Ｆ_４：１０〜１０００（Ｈｚ）、Ｆ_６：１〜１０００（Ｈｚ）についても同様に（式３），（式４）及び（式６）から求めることができる。
【００２３】
［数１］

ここで、ａ_１〜_６：周波数係数
【００２４】
同様にして振動領域音、低周波音、可聴帯域音ごとのピーク音圧、平均音圧も算出することができる。これらの算出式は、さらに可聴帯域周波数（４０〜４，０００Ｈｚ）を想定するような場合には、特に低音域、中音域、高温域の周波数、ピーク音圧、特定周波数および音圧を算出することができる。
【００２５】
次に、実際に斜面等のフィールドに設置された伝播音の帯域別音圧解析装置を用いた伝播音判別としての音の連続モニタリングについて図４を参照して説明する。ここで、音の連続モニタリングとは、超低周波音を中心とした音の音圧強度、音圧変化度合、卓越周波数、周波数変化度合等の連続計測（モニタリング）をさし、これにより、構造物に発生する劣化損傷の診断、異常の検出、崩壊前兆の予知、地盤、河床、地下水脈等の自然物の現象の観測や状態の監視に適用可能とすることを意図している。そのため、所定の計測位置に据え付けられた状態で長期間にわたり自動的にかつ連続的に作動する本装置が有効となる。
【００２６】
まず、設置された装置について、予備モニタリングを行う。たとえば１ヶ月程度の短期のデータ収集を行う（ステップ１００：Ｓ１００）。このとき並行してその地点での経時データとして雨量、風速の変化を観測しておく。取得した音圧レベルデータをもとに想定される特定現象の抽出を行い、解析対象のキャリブレーションを作成する（ステップ１１０）。抽出する現象データとしては、降雨音、風の影響音（樹木根振動音）、落石音、陥没音、漏水音の抽出と解析を行う。各現象の音圧レベル解析結果をもとにバックグラウンド値（平均値、標準偏差値）、降雨時周波数、風の影響音（樹木根振動音）周波数を算出する（ステップ１２０）。また、オプションとして異常状態の判断基準を設定し（ステップ１３０）、連続した監視状態において、判断基準に従って異常状態を知らせる警告等を発するようにすることもできる。これらの前処理の後、長期の斜面モニタリングによるデータ収集を開始する（ステップ１４０）。この連続モニタリングの間に斜面状態の監視情報として、伝播音の帯域別音圧解析装置で収集された音圧信号から、斜面に亀裂が生じたり、侵食の進行状態、小崩落発生状態、落石発生の有無、降雨及び風の状態を判別、把握することができる（ステップ１５０）。
【００２７】
【実施例１】
以下に実施例として、斜面観測データにおいて、地盤の振動を検出することにより、崖崩れ検知モニタとしての適用事例について図５（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。地すべりの多発している崖の近くに地中マイクロフォンを埋設し、地中に伝播する音から地すべり振動を検出したものである。計測間隔５分間隔、計測日数１日間での観測データである。音圧値データ（ａ）から、可聴音演算値（ｂ）、低周波演算値（ｃ）、振動演算値（ｄ）を求め、その間の状態経時変化を求めている。前半２００データ程は台風通過に伴う強い降雨によって生じた地上音が地中に伝播して検出された状態が示されている。この降雨による伝播音は可聴周波数（１００〜１ｋＨｚ）において、よく検出されている。また、２６０番目のデータと２８０番目のデータ付近で特異な振動として地盤の振動が検出されている。周波数が１．５Ｈｚ付近を示し、観測対象斜面に地すべりが発生したことを示している。
【００２８】
【実施例２】
別の実施例として、河床に地中マイクロフォンを埋設し、掃流砂量の検出を行なった観測例について図６（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。同図は、計測間隔１０分間隔、計測日数１日間での観測データと、それぞれ音圧値データ（ａ）から、可聴音演算値（ｂ）、低周波演算値（ｃ）、振動演算値（ｄ）を求めたグラフである。河川水位の増大に伴って流量が増え、流量と可聴音域の信号には関連性が認められる。流水音は可聴音域の７００Ｈｚ付近で検出されている。流量が増えるに従い掃流砂が発生し、これに伴う振動成分が２〜３Ｈｚ付近で検出されている。このように、河川の掃流砂量の状態観測に対して、本装置による連続観測の適用可能性が確認できた。
【００２９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の装置によれば、フィールドでの伝播音としての超低周波音の長期にわたる連続モニタリングが可能になり、さらに得られた所定の音圧レベルでの卓越周波数をもとに伝播音の音源としての自然事象の変化、構造物内に発生している変化、状態を判別、把握できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の伝播音の帯域別音圧解析装置の構成を示した概略ブロック構成図。
【図２】図１のバンドパスフィルタの構成を示した概略ブロック構成図。
【図３】発生超低周波音の音圧と周波数との関係を示した換算模式図。
【図４】連続モニタリングの実施例として斜面モニタリング作業、解析例を示したフローチャート。
【図５】実施例としての斜面観測データを示したグラフ。
【図６】他の実施例としての河床の掃流砂量の検出観測データを示したグラフ。
【符号の説明】
１０ 帯域別音圧解析装置
２０ 広帯域バンドパスフィルタ

Claims (6)

1. 所定測定間隔で、固体あるいは液体を伝わって収音された伝播音を、所定の帯域別音圧値に分別してサンプリングする複数の広帯域フィルタと、サンプリングされた前記伝播音の帯域別音圧値から、所定周波数領域における卓越周波数あるいはピーク音圧を換算算出可能な周波数解析部とを備えたことを特徴とする伝播音の帯域別音圧解析装置。
2. 前記広帯域フィルタは、中心周波数１，１０，１００及び１ｋＨｚを山形のピークとする２次減衰特性を示すことを特徴とする伝播音の帯域別音圧解析装置。
3. 固体あるいは液体を伝わる伝播音を、所定測定間隔で収音して複数の広帯域フィルタを介して所定の帯域別音圧値に分別してサンプリングし、該帯域別音圧値から、所定周波数領域における卓越周波数あるいはピーク音圧を換算算出することを特徴とする伝播音の帯域別音圧解析方法。
4. １，１０，１００または１ｋＨｚの帯域別音圧値をもとに、振動領域音周波数、低周波音周波数、可聴帯域音周波数を換算算出するようにしたことを特徴とする請求項３記載の伝播音の帯域別音圧解析方法。
5. １，１０，１００または１ｋＨｚの帯域別音圧値をもとに、振動領域音ピーク音圧、低周波音ピーク音圧、可聴帯域音ピーク音圧を換算算出するようにしたことを特徴とする請求項３記載の伝播音の帯域別音圧解析方法。
6. 前記伝播音は、連続〜６０分の間で、その測定間隔を設定したことを特徴とする請求項３記載の伝播音の帯域別音圧解析方法。

Images