JP2004251751A

JP2004251751A - 音響センサアレイ、音響診断装置及び音響診断方法

Info

Publication number: JP2004251751A
Application number: JP2003042407A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Hayashi; 弘能林
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: JP3867057B2

Abstract

【課題】検査対象の異常を診断する時間を短縮し、診断の性能を向上させる。
【解決手段】各周波数帯域に分解する機能を有する音響センサ１０を、格子状に配設して音響センサアレイ３２を構成する。この音響センサアレイ３２を検査対象３１の近傍に配置して、前記検査対象３１から発する音を計測する。計測された音は各音響センサにおいて周波数帯域に分解され、信号に変換されて情報処理部３４へ出力される。情報処理部３４では全ての音響センサからの前記信号をフェーズドアレイ法により合成し、音圧の強度を示すマップを作成する。そして、このマップに基づいて前記検査対象３１の正常又は異常の診断を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響診断装置に係り、特に検査対象から発せられる音を処理することにより検査対象の正常又は異常の診断をする音響センサアレイ、音響診断装置及び音響診断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車エンジンの組立工場においては、エンジンを組み立てたのち、エンジンを回転させてその回転音を検査員が聞き、音感による官能試験によってエンジンの良否、すなわちエンジンが正常に組み立てられたか否かを判断している。そして、このエンジンの試験は、エンジンをモータによって回転させるいわゆるコールド試験と、エンジンに燃料を供給してエンジンを実際に運転するいわゆるファイアリング試験がある。近年は、コールド試験がファイアリング試験に代わって行なわれるようになっている。
【０００３】
前記ファイアリング試験は、実際に燃料を燃焼してエンジンを運転するために、作業室内が大きな騒音に包まれるなど作業環境が必ずしもよくない。また、作業者の音感による官能試験であるため、エンジンの良否を判定するために多くの経験を必要とするとともに、個人差による判定のばらつきなどを生ずるおそれがあり、作業疲れから検査ミスにつながる心配もある。さらに、自動車エンジンの組立工場においては、各種の自動車に対応した複数種類のエンジンが同一ラインに混在して流れる場合も多く、これら各種のエンジンのエンジン音を聞き分けることも容易でない。
【０００４】
このため、作業者による官能試験を自動化する技術が発明された。この技術として特許文献１の発明が挙げられる。この特許文献１はマイクロホンを用いて検査対象から発せられる音を計測した後に各周波数帯域に分解し、この各周波数帯域を高速フーリエ変換やソノグラム解析などにより特徴量を抽出し、この特徴量を予め求めてある基準の特徴量と比較して正常、異常及び故障を判断する技術である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１０８５１８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１の発明は検査対象から発せられる不具合音を収集するために、マイクロホンの設置位置を検査対象の不具合に応じて決定する必要がある。また、検査したい不具合を自動車エンジンに付与して種種の計測位置において音を計測し、この計測に基づいて最適なマイクロホン位置及び必要なマイクロホンの数を決定していた。また、検査対象からの音を計測した後に、不具合音の特徴を明確にするために複数のバンドパスフィルタを用いて濾波を行うが、濾波をソフトウェアで行うため計算に時間が掛っていた。
【０００７】
本発明は従来技術に更なる改良を加えるものであり、周波数変換機能を有する音響センサを用いることにより診断時間を短縮し、さらに前記音響センサを格子状に配設して、フェーズドアレイ法を用いることにより検査対象の正常又は異常の診断をする性能を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の改良を加えるために、本発明に係る音響センサアレイは、音の入力部と音を周波数帯域に分解する周波数帯域分解部とを一チップに形成した音響センサを格子状に配列して平面体を構成し、検査対象を取り囲むように前記平面体を配置してなることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係る音響診断装置は、入力部と入力した音を周波数帯域に分解する周波数帯域分解部とを一チップ上に有する音響センサを格子状に配列して平面体を構成し、前記平面体により検査対象を取り囲むよう配置してなる音響センサアレイと、前記平面体にはフェーズドアレイ法により前記検査対象の音圧強度のマップを周波数帯域毎に作成する情報処理部とを有することを特徴としている。
【００１０】
この場合、前記情報処理部は前記音圧強度のマップの特徴量を基に前記検査対象の異常診断をする構成を有する構成とできる。また、前記情報処理部で行った前記検査対象の診断結果を表示する機構を備えてなる構成とできる。
【００１１】
また、本発明に係る音響診断方法は、検査対象から発する音を入力すると同時に各周波数帯域に分解する音響センサを格子状に配列して、前記音響センサで入力した音の周波数帯域に分解したデータに基づいてフェーズドアレイ法により音圧強度マップを作成し、前記音圧強度マップの特徴量に基づいて前記検査対象の異常を診断することを特徴としている。
【００１２】
【作用】
上記のように構成した本発明は、音響センサに各周波数帯域に分解する機能を有する構成なので、音響センサで音を受けると直ちに各周波数帯域に分解できる。このため、音響センサで受けた音を回路により周波数帯域に分解する必要がなく、各周波数帯域に分解する時間を短縮できる。また、音響センサを格子状に配列して平面体を構成したので、音の情報量を増やすことができる。
【００１３】
音響センサアレイで計測した音をフェーズドアレイ法により合成して周波数帯域毎の音圧強度のマップを作成するように構成したので、空間指向性の高い音データを計測することができる。このため、検査対象から発している音の位置を音圧強度のマップより特定することができる。また、音響センサに入力した音を周波数帯域に分解する機能を有しているので、音を計測してから音圧強度のマップを作成するまでの時間を短くできる。
【００１４】
また、フェーズドアレイ法により作成した音圧強度のマップから特徴量を抽出し、この特徴量に基づいて検査対象の異常を診断できる。このとき、音圧強度のマップは検査対象から発している音の位置を特定できるので、検査対象の異常個所も特定することができる。
【００１５】
音響センサを格子状に配列して平面を構成する。これらの音響センサは検査対象から発する音を入力すると同時に音を周波数帯域に分解する。分解された各周波数帯域は周波数帯域毎にフェーズドアレイ法により合成される。合成された結果は音圧強度のマップとなり、この音圧強度マップの特徴量を処理することにより検査対象の異常を診断することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る音響センサアレイ、音響診断装置及び音響診断方法の具体的実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。図１に本実施形態に係る音響診断装置の模式図を示す。この音響診断装置３０は音響センサアレイ３２、情報処理部３４及び表示部４２を有する構成である。
【００１７】
前記音響センサアレイ３２は複数の音響センサ１０から構成され、この音響センサの模式図を図２に示す。音響センサ１０はダイアフラム１２、カンチレバー１６、検出回路２２及び位相器２４から構成され、これらが一チップとなるよう基板１４に形成されている。ダイアフラム１２は検査対象３１から発する音を入力し、音の振動としてそのままダイアフラム１２に接続されたカンチレバー１６に伝搬させる構造である。
【００１８】
カンチレバー１６は長さの異なる複数の共振子１８から構成され、それぞれの共振子１８が特定の周波数で共振するように調整されている。これらの共振子１８の先端部と対向する基板１４上に電極２０が設けられ、電極２０と共振子１８とでキャパシタを形成している。前記電極２０は検出回路２２に接続され、この検出回路２２によりカンチレバー１６で周波数分解された音を電気信号に変換する構成である。そして、この電気信号は位相器２４を介して出力される。
【００１９】
このような構成の音響センサ１０を複数用い、互いに密接して板材等の面に格子状に配設し平面体を構成する。そして、この平面体を検査対象３１の両側面及び上面に配置し、検査対象を取り囲むように音響センサアレイ３２を構成する。このとき、音響センサ１０が取付けられた面を検査対象側に配置する。図１には音響センサアレイ３２に配設された音響センサ１０の一部のみを記載している。音響センサ１０への電力供給は前記板材に設けられた電力配線により供給する（図示しない）。また、音響センサ１０で各周波数帯域に分解された電気信号は情報処理部３４へ出力される。
【００２０】
この情報処理部３４は加算器３６、音圧強度マップ作成部３８及び診断部４０より構成される。加算器３６は音響センサアレイ３２に配設されたすべての音響センサ１０と接続され、音響センサ１０から出力された電気信号を加算する構成である。加算器３６の出力側に音圧強度マップ作成部３８が接続され、この音圧強度マップ作成部３８において各計測時間における各周波数帯域の音圧強度のマップを作成する構成である。そして、音圧強度マップ作成部３８の出力側に診断部４０が接続され、この診断部４０で前記音圧強度マップと予め正常な対象の音を計測した音圧強度マップとを比較して正常又は異常の診断をする構成である。診断部４０の出力側に表示部４２が接続され、この表示部４２で正常又は異常の診断結果を表示する。
【００２１】
このように構成した音響診断装置３０を用いて検査対象３１の正常又は異常の診断を行う手順は図３のフローのようになる。まず、音響センサ１０により構成した音響センサアレイ３２内に検査対象３１を設置して検査対象３１を動作させる。音響センサアレイ３２に設けられた音響センサ１０では、検査対象３１から発せられる音をダイアフラム１２で受けるとダイアフラム１２が振動し、この振動がカンチレバー１６へ伝搬される。伝搬された振動によりカンチレバー１６の各共振子１８がそれぞれの共振周波数において共振し、各周波数帯域に分解される。この音響センサ１０には電力が供給されているので、共振子１８が共振することにより上下に振動すると、共振子１８と電極２０とで構成されたキャパシタの容量が変化する。この容量変化を検出回路２２で検出し、前記容量変化を電圧信号に変換して所定時間毎に積算する（ステップ１１０）。そして、この電圧信号は位相器２４を介して情報処理部３４の加算器３６へ出力される。
【００２２】
この加算器３６では複数の音響センサ１０から出力される各周波数帯域の電圧信号を入力し、周波数帯域ごとに加算して音圧強度マップ作成部３８へ信号を出力する。音圧強度マップ作成部３８は前記信号をフェーズドアレイ法に基づいて経過時間毎に各周波数帯域の音圧強度を音圧強度マップとしてまとめていく。このフェーズドアレイ法は開口合成の一種であり、格子状に配設した音響センサ１０で計測する音の信号を位相器２４で適当な時間遅延させる処理を施し、加算器３６で全ての音響センサ１０の信号を加算して、検査対象３１の音圧強度のマップを作成する方法である。
【００２３】
前記音圧強度マップの例を図４に示す。ここで、時間を変数とした各周波数帯域をｆ_ｎ（ｔ）と表し、ｎは各周波数帯域（ｎ＝１，２，………，ｎ）、ｔは時間（ｔ＝１，２，………，ｍ）である。この音圧強度マップは音響センサアレイ３２で計測される音圧強度の等高線を表示し、音圧の強度により色分けされている。また、音圧強度マップは各周波数帯域の経過時間毎にまとめられていく。そして、検査対象３１から発せられる音の計測を終えると、各周波数帯域の経過時間毎にまとめられた音圧強度マップは一枚の画像に統合される。この統合された音圧強度マップを図５に示す（ステップ１２０）。
【００２４】
この一枚に統合された音圧強度マップのデータは診断部４０に出力される。この診断部４０はニューラルネットワーク等で構成すればよい。診断部４０では予め正常な対象の音を計測して音圧強度マップを作成・保存しており、正常な対象の音圧強度マップと検査対象３１の音圧強度マップとを比較して正常又は異常の判断を行う。例えば、
正常：音を測定した時間を通して、周波数帯域の音圧強度と正常な対象の音圧強度とが規定値内である。
異常：音を測定した時間内に、周波数帯域の音圧強度と正常な対象の音圧強度とが規定値外である。
などの診断を行う（ステップ１３０）。この診断は周波数帯域毎に行われ、診断結果を表示部４２に表示する。また、異常と診断したときに、検査対象３１の音圧強度と正常な対象の音圧強度とが異なる箇所を示した音圧強度マップも表示するようにもできる（ステップ１４０）。
【００２５】
この音響診断装置３０に用いられる音響センサ１０の代わりに、マイクロホンや非接触振動計（レーザドップラー振動計）を用いることも可能である。しかし、この場合、音を各周波数帯域に分解した信号に基づいて音圧強度マップを作成するが、それぞれのマイクロホンや非接触式振動計で集音した音を各周波数帯域に分解する必要があり、この分解する計算時間に膨大な時間が掛ってしまう。例えば、一帯域の分解に要する時間をｔ秒、フィルタの個数をｎ個、マイクロホンの本数をａ本とすると、一プロセッサで周波数帯域の分解に要する計算時間は（ｔ×ｎ×ａ）秒となる。これに比べて本実施形態の音響センサでは、音響センサ自体に周波数の分解機能、すなわちカンチレバーを有する構成としているのでリアルタイムに周波数分解を行い、各周波数帯域への分解に要する計算時間を削減している。
【００２６】
このような実施形態に係る音響診断装置３０では、音響センサアレイ３２で受ける検査対象３１からの音をフェーズドアレイ法に基づいて音圧強度マップを作成する。検査対象に異常が有ると正常な対象の音圧強度と音の周波数、音の発生場所、音の時間的変化が異なるので、検査対象の音圧強度マップを正常な音圧強度マップと比較することで、検査対象３１の正常又は異常の診断を行うことができる。また、マイクロホン位置の調整作業やマイクロホンの本数の決定作業が不要となり、チューニング時間の短縮が図れる。また、音響センサに各周波数帯域に分解するカンチレバーを設けた構成なので、各周波数帯域への分解に要する時間を削減でき、検査対象３１の診断を行う時間を短縮できる。また、検査対象３１の異常個所から常に異常音が発していない場合、又は異常音が変化する場合でも、常に音を計測しているので異常音を計測することができ、異常個所を特定できる。
【００２７】
音響センサ１０を格子状に配設して音響センサアレイ３２を構成しているので、検査対象３１から発せられる音の情報量を増やすことができ、診断の性能が向上する。また、音響センサアレイ３２を構成することで分解能を高めることができ、異常箇所を特定する性能が向上する。また、音響センサアレイ３２で得られる音をフェーズドアレイ法により処理しているので、暗騒音に強い安定したデータを得ることができ、診断性能が向上する。
【００２８】
本実施の形態では音響センサ１０に位相器２４を実装した構成としたが位相器２４を実装する構成でなくともよく、この場合音響センサ１０と加算器３６との間に位相器２４を設ける構成とすればよい。
【００２９】
また、音響センサ１０を板材に配設して音響センサアレイ３２を構成すると説明したが、他の実施の形態としてシート上に配設することも可能である。また、部屋の壁面に音響センサを格子状に配設し、部屋全体を音響センサアレイとすることもできる。
【００３０】
また、音響センサアレイ３２は検査対象３１の両側側面と上面を囲む構成でなくともよく、検査対象３１全体を六面で取り囲むように配置することもでき、また、一面のみに音響センサアレイを配置してもよい。
【００３１】
また、本実施形態はフェーズドアレイ法を用いているので、音響センサアレイ３２よりも大きな検査対象も診断できる。すなわち、音響センサ１０に設けられた位相器２４を調整して、音響センサアレイ３２よりも大きい部分の検査対象３１の音を計測する。例えば、音響センサアレイ３２から見て右側の音を計測する場合は音響センサアレイ３２の右側の位相器２４ほど遅れをつけるようにすればよい。また、位相器２４は瞬時に調整することが可能なので、位相器２４の調整により音響センサアレイ３２の正面に位置する検査対象３１や、音響センサアレイ３２からはみ出た検査対象３１を時間の間隔をあけずに計測できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、音の入力部と音を周波数帯域に分解する周波数帯域分解部とを一チップに形成した音響センサを格子状に配列して平面体を構成し、検査対象を取り囲むように前記平面体を配置してなる構成とした。この構成により、マイクロホンの設置位置や本数の最適化を行う必要もなく、周波数変換機能を有する音響センサを用いることにより処理時間を短縮できる。また、音響センサアレイを構成することにより音の情報量を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る音響診断装置を示す図である。
【図２】本実施の形態に係る音響センサを示す図である。
【図３】本実施の形態に係る動作のフローである。
【図４】本実施の形態に係る周波数軸と時間軸とで示した音圧強度マップの図である。
【図５】本実施の形態に係る一枚の画像に統合したときの音圧強度マップの図である。
【符号の説明】
１０………音響センサ、１２………ダイアフラム、１６………カンチレバー、２２………検出回路、２４………位相器、３０………音響診断装置、３１………検査対象、３２………音響センサアレイ、３６………加算器、３８………音圧強度マップ作成部、４０………診断部、４２………表示部。

Claims

音の入力部と音を周波数帯域に分解する周波数帯域分解部とを一チップに形成した音響センサを格子状に配列して平面体を構成し、検査対象を取り囲むように前記平面体を配置してなることを特徴とした音響センサアレイ。
音の入力部と入力した音を周波数帯域に分解する周波数帯域分解部とを一チップ上に有する音響センサを格子状に配列して平面体を構成し、前記平面体により検査対象を取り囲むよう配置してなる音響センサアレイと、
前記平面体にはフェーズドアレイ法により前記検査対象の音圧強度のマップを周波数帯域毎に作成する情報処理部と、
を有することを特徴とした音響診断装置。
前記情報処理部は前記音圧強度のマップの特徴量を基に前記検査対象の異常診断をする構成を有することを特徴とした請求項２記載の音響診断装置。
請求項３に記載の音響診断装置において、前記情報処理部で行った前記検査対象の診断結果を表示する機構を備えてなることを特徴とした音響診断装置。
検査対象から発する音を入力すると同時に各周波数帯域に分解する音響センサを格子状に配列して、前記音響センサで入力した音の周波数帯域に分解したデータに基づいてフェーズドアレイ法により音圧強度マップを作成し、前記音圧強度マップの特徴量に基づいて前記検査対象の異常を診断することを特徴とした音響診断方法。