JP2005062093A - 対象音検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 計測対象物が通常使用または稼動状態において、計測対象物の音響放射面から放射される音の検出装置を提供する。
【解決手段】 振動物体１３の音響放射面１２から放射される可聴周波数域の音を検出する対象音検出装置であって、音響放射面１２近傍の音圧を検出する半反射薄膜鏡５と、音響放射面１２及び半反射薄膜鏡５に向けて波長掃引レーザ光を照射するレーザ発振器２と、音響放射面１２及び半反射薄膜鏡５からの反射光を波長掃引レーザ光と干渉させるビームスプリッタ３と全反射鏡４と、音響放射面１２及び半反射薄膜鏡５からの反射光と波長掃引レーザ光との干渉強度を同時に検出するレーザ受光器６と、ドップラシフトによる周波数変化を音響放射面１２及び半反射薄膜鏡５の振動速度に変換する周波数−電圧変換器７，８と、音響放射面１２及び半反射薄膜鏡５の振動速度のクロススペクトルを求めるクロススペクトル演算部１１を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動する物体の特定の音響放射面から放射される音だけを検出する対象音検出方法及びその装置に関する。

従来、振動する物体の特定の音響放射面から放射される音を検出するために、２マイクロホン法による音響インテンシティ計測が用いられている。これは、ある距離だけ隔てて設置された２つのマイクロホンによって計測された音圧から空気粒子速度ベクトルと音圧を近似し、その積から空間を通過する音響エネルギーを表すベクトル量を算出する方法であり、そのベクトルの大きさおよび向きにより音を放射している放射面を特定することで振動する物体の特定の音響放射面から放射される音を検出する方法である（例えば、非特許文献１参照）。
Ｆ.Ｊ.Ｆahy 著、橘 秀樹訳「サウンドインテンシティ理論と応用」オーム社

しかし、２マイクロホン法による音響インテンシティ計測によって振動する物体の特定の音響放射面から放射される音を検出する場合、下記のような問題がある。

（１）空間を通過するすべての音響エネルギーを計測するため、対象とする特定の放射面以外の放射面から放射される音の音響エネルギーを除去することができない。従って、特定の放射面からの放射音の音響エネルギーが、それ以外の放射面からの放射音の音響エネルギーと同等あるいは小さい場合、特定の放射面からの放射音を検出できない。

（２）空間を通過するすべての音響エネルギーを計測するため、対象とする物体以外の物体からの放射音の音響エネルギーを除去することができない。従って、計測対象の物体からの放射音の音響エネルギーが、それ以外の物体からの放射音の音響エネルギーと同等あるいは小さい場合、計測対象の物体からの放射音を検出できない。

（３）空間を通過するすべての音響エネルギーを計測するため、対象とする特定の放射面からの放射音が他の物体で反射して伝搬する反射音の音響エネルギーを除去することができない。従って、正確な放射音の音響エネルギーを算出できず、放射面の特定に誤差が生じるため、振動する物体の特定の音響放射面から放射される音を検出することができない。

（４）放射面からある距離はなれた２次元計測平面上の多数の点において、音響インテンシティを算出する必要があり、その上、１点の音響インテンシティを算出するためにマイクロホン、マイクロホンアンプおよび分析器などが２系列必要となる。従って、計測点数が増えるほど計測器に対するコストが増加する。

これらの問題を解決するためには、高い防音性能を有する無響室内に計測対象物体のみを設置し、音響インテンシティを計測する必要がある。従って、計測対象物が通常の使用状態または稼動状態での計測は不可能であり、複数の機器が組み合わされて使用または稼動している場合には、その一部の機器を対象とした計測は不可能である。また、計測器に対するコストを軽減するには、多数点での計測を少数のマイクロホンおよび分析器などで数回に分けて計測するなどの多大な作業と時間を必要とする。
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、計測系の簡素化によりコストを軽減し、計測対象物が通常使用または稼動している状態において、計測対象物の特定の音響放射面から放射される音の検出方法及びその装置を提供しようとするものである。

上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、振動する物体の特定の音響放射面から放射される可聴周波数域の音を検出する対象音検出方法であって、前記特定の音響放射面及びこの音響放射面近傍に設けた音圧検出手段に向けて波長掃引レーザ光を放射し、前記特定の音響放射面からの反射光及び前記音圧検出手段からの反射光を前記波長掃引レーザ光と干渉させ、前記特定の音響放射面からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度及び前記音圧検出手段からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度を同時に検出し、次いで前記特定の音響放射面からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記特定の音響放射面の振動速度に変換すると共に、前記音圧検出手段からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記音圧検出手段の振動速度に変換し、次いで前記特定の音響放射面の振動速度と前記音圧検出手段の振動速度のクロススペクトルを求め、前記特定の音響放射面からの可聴周波数域の放射音が他の物体で反射して伝搬する反射音と、前記特定の音響放射面以外の音響放射面及び前記振動物体以外の物体からの可聴周波数域の放射音を除去して前記特定の音響放射面から放射される可聴周波数域の音だけを検出するようにした。

請求項２に係る発明は、振動する物体の特定の音響放射面から放射される可聴周波数域の音を検出する対象音検出装置であって、前記特定の音響放射面近傍の音圧を検出する音圧検出手段と、前記特定の音響放射面及び前記音圧検出手段に向けて波長掃引レーザ光を照射するレーザ照射手段と、前記特定の音響放射面からの反射光及び前記音圧検出手段からの反射光を夫々前記波長掃引レーザ光と干渉させる干渉手段と、前記特定の音響放射面からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度及び前記音圧検出手段からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度を同時に検出する干渉強度検出手段と、この干渉強度検出手段が検出した前記特定の音響放射面からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記特定の音響放射面の振動速度に変換すると共に、前記音圧検出手段からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記音圧検出手段の振動速度に変換する変換手段と、前記特定の音響放射面の振動速度と前記音圧検出手段の振動速度のクロススペクトルを求める演算手段を備える。

以上説明したように本発明によれば、従来技術が必要とする高い防音性能を有する無響室などを用いることなく、計測対象物が通常使用または稼動している状態において、計測対象物の特定の音響放射面から放射される音を検出することができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る対象音検出装置の実施例１の構成図、図２は信号発生器からレーザ発振器へ注入される電流の変化図、図３はレーザ発振器が照射するレーザ光の周波数の変化図、図４はレーザ受光器に入射する全反射鏡及び半反射薄膜鏡からのレーザ光の周波数の変化図、図５はレーザ受光器に入射する全反射鏡、半反射薄膜鏡及び音響反射面からのレーザ光の周波数の変化図、図６はレーザ受光器に入射する全反射鏡、半反射薄膜鏡及び音響反射面からのレーザ光の干渉によるビート信号の強度分布図、図７は本発明に係る対象音検出装置の実施例２の構成図、図８は本発明に係る対象音検出装置の実施例３の構成図である。

本発明に係る対象音検出装置の実施例１は、図１に示すように、信号発生器１、レーザ発振器２、ビームスプリッタ３、全反射鏡４、半反射薄膜鏡５、レーザ受光器６、周波数−電圧変換器７，８、Ａ／Ｄ変換器９，１０およびクロススペクトル演算部１１からなる。

信号発生器１は、レーザ発振器２への注入電流を時々刻々に変化させる電気信号を発生する。レーザ発振器２は、信号発生器１によって注入された電流の大きさに比例して周波数が変化するレーザ光（波長掃引レーザ光）を半反射薄膜鏡５及び音響放射面１２に照射する。

ビームスプリッタ３は、レーザ発振器２が照射したレーザ光を全反射鏡４の方向と半反射薄膜鏡５の方向に分ける機能と、全反射鏡４によって反射されたレーザ光をレーザ受光器６の方向に透過する機能と、半反射薄膜鏡５によって反射されたレーザ光をレーザ受光器６の方向に反射する機能を有している。全反射鏡４は、ビームスプリッタ３からのレーザ光をビームスプリッタ３の方向に完全反射する。ビームスプリッタ３と全反射鏡４により、音響放射面１２及び半反射薄膜鏡５からの反射光は、夫々レーザ発振器２からのレーザ光と干渉する。

音圧検出手段としての半反射薄膜鏡５は、ビームスプリッタ３からのレーザ光のうち半分を透過し、残りの半分をビームスプリッタ３の方向に反射すると共に、音響放射面１２から放射される音波の音圧に比例して振動する。なお、半反射薄膜鏡５は、例えば高分子膜に金属を蒸着させて形成される。

そして、レーザ発振器２、ビームスプリッタ３、全反射鏡４およびレーザ受光器６は、振動しないように固定される。半反射薄膜鏡５は、振動物体１３の音響放射面１２の近傍に、音響放射面１２とは非接触で設置される。

この時、ビームスプリッタ３と全反射鏡４の距離、ビームスプリッタ３と半反射薄膜鏡５の距離、ビームスプリッタ３と音響放射面１２の距離には、差を設けておく。

レーザ受光器６は、入射したレーザ光の強度に比例した電気信号を出力する。例えば、２つのレーザ光を干渉させてレーザ受光器６に入射させれば、レーザ受光器６は２つのレーザ光の周波数の差に等しい周波数のビート信号を出力する。周波数−電圧変換器７，８は、レーザ受光器６から出力される電気信号のうち、特定周波数範囲の周波数変化に比例した電圧を出力する。

Ａ／Ｄ変換器９，１０は、周波数−電圧変換器７，８が出力したアナログ電気信号を、ある一定時間間隔のデジタル信号に変換する。クロススペクトル演算部１１は、Ａ／Ｄ変換器９，１０から出力されるデジタル信号を演算処理してクロススペクトルを算出する。

以上のように構成した本発明に係る対象音検出装置の実施例１の動作及び対象音検出方法について説明する。

信号発生器１は、図２に示すように、一定振幅で一定周期の鋸波になるように制御された電流をレーザ発振器２へ注入する。すると、レーザ発振器２は、注入された電流の変化に伴って、図３に示すように、照射するレーザ光の周波数を変化させる。

次いで、ビームスプリッタ３は、レーザ発振器２が照射したレーザ光を全反射鏡４の方向と半反射薄膜鏡５の方向に分配する。半反射薄膜鏡５の方向に分配されたレーザ光は、半反射薄膜鏡５によってビームスプリッタ３の方向に反射するレーザ光と、振動物体１３の音響放射面１２へ照射するレーザ光に分けられる。また、音響放射面１２へ照射されたレーザ光は、音響放射面１２でビームスプリッタ３の方向に反射する。

この時、半反射薄膜鏡５は、音響放射面１２から放射される音波の音圧に比例して振動しており、半反射薄膜鏡５からの反射光の周波数は、ドップラ効果により、半反射薄膜鏡５の振動速度に比例して変化する。また、音響放射面１２も振動しているので、音響放射面１２からの反射光の周波数も、ドップラ効果により、音響放射面１２の振動速度に比例して変化する。

次いで、半反射薄膜鏡５からの反射光は、ビームスプリッタ３で反射し、レーザ受光器６に入射する。この時、ビームスプリッタ３と全反射鏡４の距離と、ビームスプリッタ３と半反射薄膜鏡５の距離の差によって、レーザ発振器２から照射されたレーザ光が全反射鏡４を経てレーザ受光器６に到達するまでの時間と、半反射薄膜鏡５を経てレーザ受光器６に到達するまでの時間に差が生じる。

例えば、ビームスプリッタ３と全反射鏡４の距離よりも、ビームスプリッタ３と半反射薄膜鏡５の距離の方が長い場合には、図４に示すように、半反射薄膜鏡５からの反射光Ｌ２が全反射鏡４からの反射光Ｌ１よりも遅れてレーザ受光器６に入射する。

そこで、全反射鏡４からの反射光Ｌ１と半反射薄膜鏡５からの反射光Ｌ２を干渉させてレーザ受光器６に入射させることによって、図６に示すように、２つの反射光Ｌ１，Ｌ２の周波数の差に等しい周波数のビート信号Ｂ１がレーザ受光器６から出力される。

レーザ受光器６から出力されたビート信号Ｂ１は、ドップラ効果により、半反射薄膜鏡５の振動速度に比例して周波数が変化している。更に、周波数−電圧変換器７により、周波数の変化を電圧値の変化に変換することで、半反射薄膜鏡５の振動速度に比例した電気信号が得られる。

同時に、ビームスプリッタ３と全反射鏡４の距離及びビームスプリッタ３と半反射薄膜鏡５の距離よりも、ビームスプリッタ３と振動物体１３の音響放射面１２の距離が長い場合には、図５に示すように、音響放射面１２からの反射光Ｌ３が全反射鏡４及び半反射薄膜鏡５からの反射光Ｌ１，Ｌ２よりも遅れてレーザ受光器６に入射する。

そこで、全反射鏡４からの反射光Ｌ１と音響放射面１２からの反射光Ｌ３を干渉させてレーザ受光器６に入射させることによって、図６に示すように、２つの反射光Ｌ１，Ｌ３の周波数の差に等しい周波数のビート信号Ｂ２がレーザ受光器６から出力される。

ここで、音響放射面１２からの反射光Ｌ３と全反射鏡４からの反射光Ｌ１の周波数の差は、半反射薄膜鏡５からの反射光Ｌ２と全反射鏡４からの反射光Ｌ１の周波数の差よりも大きいため、半反射薄膜鏡５によるビート信号Ｂ１よりも高い周波数のビート信号Ｂ２がレーザ受光器６から出力される。

レーザ受光器６から出力されたビート信号Ｂ２は、ドップラ効果により、音響放射面１２の振動速度に比例して周波数が変化している。更に、周波数−電圧変換器８により、周波数の変化を電圧値の変化に変換することで、音響放射面１２の振動速度に比例した電気信号が得られる。

このように、２つのビート信号Ｂ１，Ｂ２の周波数の変化は、２つの周波数−電圧変換器７，８を用いて、別々に電圧の変化に変換されるので、半反射薄膜鏡５の振動速度に比例した電気信号と音響放射面１２の振動速度に比例した電気信号を別々に取り出すことができる。

周波数−電圧変換器７，８から出力されたアナログ電気信号は、２つのＡ／Ｄ変換器９，１０によって、別々に、ある一定時間間隔のデジタル信号に変換され、それらのクロススペクトルがクロススペクトル演算部１１において算出される。このような演算処理により、振動物体１３の音響放射面１２近傍の音圧に比例した半反射薄膜鏡５の振動速度に含まれるスペクトル成分うち、音響放射面１２の振動速度には含まれていないスペクトル成分が除去される。

また、計測対象の音響放射面１２の近傍で計測しているため、計測対象の音響放射面１２からの放射音が他の物体に反射して伝搬する反射音と、計測対象の音響放射面１２の振動速度との間には、大きな時間差が生じるため、クロススペクトル演算時に反射音は除去される。

従って、計測対象の音響放射面１２からの放射音が他の物体に反射して伝搬する反射音と、計測対象の音響放射面１２以外の放射面および振動物体１３以外の物体からの放射音を除去し、計測対象の音響放射面１２が振動することにより放射されている音だけを検出することができる。

また、ビームスプリッタ３からのレーザ光を光ファイバで半反射薄膜鏡５まで導くと共に、半反射薄膜鏡５を光ファイバの先端に装着してセンサプローブを構成することができる。このセンサプローブを産業用ロボットに把持させて計測対象物の特定の音響放射面に位置決めすることにより、家電製品などの製造ラインにおいて行うオンライン検査に適用することができる。

次に、本発明に係る対象音検出装置の実施例２では、図７に示すように、レーザ受光器６からのアナログ電気信号をＡ／Ｄ変換器１４によって、ある一定時間間隔のデジタル信号に変換する。更に、デジタル処理を行う周波数−電圧変換部１５，１６によって、半反射薄膜鏡５の振動速度に比例したデジタル信号と音響放射面１２の振動速度に比例したデジタル信号を抽出する。

このように、周波数−電圧変換部１５，１６をデジタル信号処理技術によって実現することで、クロススペクトル演算部１１を含めて１台の計算機で処理を行うことができ、計測器に対するコストの軽減が実現できる。なお、図１と同符号の構成要素については、実施例１と同様なので説明を省略する。

次に、本発明に係る対象音検出装置の実施例３では、図８に示すように、実施例２の構成に加えて、ビームスプリッタ３と半反射薄膜鏡５の間にビームスプリッタ１７を設置し、更に全反射鏡１８と半反射薄膜鏡１９を設けている。また、半反射薄膜鏡１９及びこれに対向する音響放射面１２の振動速度を夫々算出する周波数−電圧変換部２０，２１と、これらの振動速度のクロススペクトルを算出するクロススペクトル演算部２２を設けている。

半反射薄膜鏡１９及びこれに対向する音響放射面１２の振動速度を、周波数−電圧変換部２０，２１により、夫々算出し、これらの振動速度のクロススペクトルをクロススペクトル演算部２２により求める。このような周波数−電圧変換部とクロススペクトル演算部の組み合わせを増やすことで、一組のレーザ発振器２とレーザ受光器６によって音響放射面１２の多点の同時計測が可能になる。なお、図１と同符号の構成要素については、実施例１と同様なので説明を省略する。

本発明は、従来技術が必要とする高い防音性能を有する無響室などを使用することなく、計測対象物が通常使用または稼動している状態において、計測対象物の特定の音響放射面から放射される音を検出することができる。

また、半反射薄膜鏡を光ファイバの先端に装着してセンサプローブを構成し、このセンサプローブを産業用ロボットに把持させて計測対象物の特定の音響放射面に位置決めすることにより、家電製品などの製造ラインにおいて行うオンライン検査に適用することができる。

また、周波数−電圧変換部をデジタル信号処理技術によって実現することで、クロススペクトル演算部を含めて１台の計算機で処理を行うことができ、計測器に対するコストの軽減が実現できる。

更に、周波数−電圧変換部とクロススペクトル演算部の組み合わせを増やすことで、一組のレーザ発振器とレーザ受光器によって音響放射面の多点の同時計測が可能になる。

本発明に係る対象音検出装置の実施例１の構成図 信号発生器からレーザ発振器へ注入される電流の変化図 レーザ発振器が照射するレーザ光の周波数の変化図 レーザ受光器に入射する全反射鏡及び半反射薄膜鏡からのレーザ光の周波数の変化図 レーザ受光器に入射する全反射鏡、半反射薄膜鏡及び音響反射面からのレーザ光の周波数の変化図 レーザ受光器に入射する全反射鏡、半反射薄膜鏡及び音響反射面からのレーザ光の干渉によるビート信号の強度分布図 本発明に係る対象音検出装置の実施例２の構成図 本発明に係る対象音検出装置の実施例３の構成図

符号の説明

１…信号発生器、２…レーザ発振器、３…ビームスプリッタ、４，１８…全反射鏡、５，１９…半反射薄膜鏡、６…レーザ受光器、７，８，１５，１６，２０，２１…周波数−電圧変換器、９，１０，１４…Ａ／Ｄ変換器、１１，２２…クロススペクトル演算部、１２…音響放射面、１３…振動物体。

Claims (2)

1. 振動する物体の特定の音響放射面から放射される可聴周波数域の音を検出する対象音検出方法であって、前記特定の音響放射面及びこの音響放射面近傍に設けた音圧検出手段に向けて波長掃引レーザ光を放射し、前記特定の音響放射面からの反射光及び前記音圧検出手段からの反射光を前記波長掃引レーザ光と干渉させ、前記特定の音響放射面からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度及び前記音圧検出手段からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度を同時に検出し、次いで前記特定の音響放射面からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記特定の音響放射面の振動速度に変換すると共に、前記音圧検出手段からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記音圧検出手段の振動速度に変換し、次いで前記特定の音響放射面の振動速度と前記音圧検出手段の振動速度のクロススペクトルを求め、前記特定の音響放射面からの可聴周波数域の放射音が他の物体で反射して伝搬する反射音と、前記特定の音響放射面以外の音響放射面及び前記振動物体以外の物体からの可聴周波数域の放射音を除去して前記特定の音響放射面から放射される可聴周波数域の音だけを検出することを特徴とする対象音検出方法。
2. 振動する物体の特定の音響放射面から放射される可聴周波数域の音を検出する対象音検出装置であって、前記特定の音響放射面近傍の音圧を検出する音圧検出手段と、前記特定の音響放射面及び前記音圧検出手段に向けて波長掃引レーザ光を照射するレーザ照射手段と、前記特定の音響放射面からの反射光及び前記音圧検出手段からの反射光を夫々前記波長掃引レーザ光と干渉させる干渉手段と、前記特定の音響放射面からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度及び前記音圧検出手段からの反射光と前記波長掃引レーザ光との干渉強度を同時に検出する干渉強度検出手段と、この干渉強度検出手段が検出した前記特定の音響放射面からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記特定の音響放射面の振動速度に変換すると共に、前記音圧検出手段からの反射光のドップラシフトによる周波数変化を前記音圧検出手段の振動速度に変換する変換手段と、前記特定の音響放射面の振動速度と前記音圧検出手段の振動速度のクロススペクトルを求める演算手段を備えることを特徴とする対象音検出装置。