JP2006254376A - 集音装置及びこれを用いた音響解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンなどの複数箇所に対応させてその周波数を選択的に取り入れることができ、その診断精度を高めることができる集音装置を提供する。
【解決手段】その前側が拡開してコーン状壁面やパラボラ状壁面を有して形成される集音部１１と、集音部１１により集音された音響から所定周波数の共鳴音を抽出する所定円筒長さの共鳴円筒部１２と、共鳴円筒部１２の円筒基端に接続される音響センサ１３と、を備えるように集音装置１０を構成する。
集音装置１０からの音響信号を解析して異常音を検出する音響解析システムであって、音響信号を高帯域又は低帯域に切り換えてフィルタ処理するフィルタ回路と、前記フィルタ処理された音響信号を解析するデータ処理部４６と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はエンジンなどの動力装置から発生する作動音を集音する集音装置及び、この集音装置を用いてその音響信号を解析して装置の稼働状態などを診断するための音響解析システムに関する。

従来、自動車のエンジンなどの異常を検出するような場合には、マイクロフォンなどの音響センサを有する集音装置を用いてその作動音を検出し、その後，フィルタなどで雑音を除去して必要な音響信号を取り出すようにしている。
例えば、エンジンからの音響をマイクロフォンで検出し、マイクロフォンが出力する電気信号のうち不要な帯域をフィルタで遮断して、フィルタの出力信号を信号処理装置で処理する。この処理された電気信号と予め測定しておいた正常時の電気信号とを比較し、異常の有無が診断される。例えばエンジン軸受部分のトラブルをチェックする場合は、音響信号のうち、軸受の固有振動数を含む帯域の成分が診断の対象となる。このような集音装置に関連して例えば以下のような技術のものが知られている。

特許文献１には、一端の頂点から所定の焦点距離離れた位置に焦点を有するとともに頂点と対向する他端に開口を有する回転放物面形状の音反射内壁が形成され、前記頂点と前記開口との間の距離が、前記焦点距離の１０倍以上の値を有するようにして、その集音される音を周囲の雑音から分離して高ＳＮ比の集音を行うようにした集音装置が開示されている。
特許文献２には、開口を有し内部側ほど断面積が小さい錐形の内壁が形成され、前記錐形の頂点近傍に前記開口から入射した音を受音する音センサを設けて、音源から放射される音を周囲の騒音から分離して集音するようにしたものが開示されている。
特開平７−２３１４９５号公報 特開平８−１７２６９２号公報

しかしながら、前記従来の技術の集音装置では、マイクロフォンなどの音響センサに音源から特定の周波数の音響を選択的に直接的に取り入れる機能がなく、その診断精度が音響信号のフィルタ処理などに依存するため、エンジンなどの特定音源の場合に特定周波数の音響の検出感度が低下したり、装置システムが複雑化して経済性やメンテナンス性に欠けたりするという問題があった。

特許文献１や特許文献２に記載の集音器では、回転放物面形状や円錐状に形成される音反射内壁の幾何学的配置が一定なので、音響センサに取得される音響に対してその特定周波数の感度を調整することができず、その検知精度を高められないという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するためになされたもので、エンジンなどの複数箇所に対応させてその周波数を選択的に取り入れることができ、その診断精度を高めることができる集音装置を提供することを目的とする。
また、音響センサにより取得される音響信号をフィードバック処理して診断効率を高めることができ、経済性やメンテナンス性にも優れた集音装置を用いた音響解析システムを提供することを他の目的とする。

前記従来の課題を解決するためになされた本発明の請求項１に記載の集音装置は、その前側が拡開してコーン状壁面やパラボラ状壁面を有して形成される集音部と、前記集音部により集音された音響から所定周波数の共鳴音を抽出する所定円筒長さの共鳴円筒部と、前記共鳴円筒部の円筒基端に接続される音響センサと、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の集音装置は、請求項１において、前記共鳴円筒部にはその円筒長を伸縮して取得される音響の共鳴周波数を設定する共鳴周波数設定部が設けられていることに特徴を有している。

本発明の請求項３に記載の音響解析システムは、集音装置からの音響信号を解析して異常音を検出する音響解析システムであって、前記音響信号を高帯域又は低帯域に切り換えてフィルタ処理するフィルタ回路と、前記フィルタ処理された音響信号を解析するデータ処理部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の音響システムは、請求項３において、前記データ処理部に入力される音響信号のデータに基づいて適正共鳴周波数を設定して、前記集音装置の共鳴周波数設定部を作動させ前記共鳴円筒部の円筒長を前記適正共鳴周波数に調整することに特徴を有している。

本発明の集音装置によれば、音響から所定周波数の共鳴音を抽出する共鳴円筒部を介して、この共鳴音が音響センサに取り入れられるので、エンジンなどの故障箇所から発生する特定周波数の音響を選択的に取り入れることができ、異常音に対する検出感度や診断精度を高めることができる。
また、共鳴円筒部には取得される音響の共鳴周波数を設定する共鳴周波数設定部を設けることもでき、複数の異常発生箇所を特定するための検出感度などをさらに高めることができる。

また、本発明の音響解析システムによれば、集音装置から取得された音響信号を高帯域又は低帯域に切り換えてフィルタ処理し、この音響信号を解析するので信頼性に優れたデータ処理を行うことができる。
さらに、入力される音響信号のデータに基づいて適正共鳴周波数を設定して共鳴円筒部の円筒長を適正共鳴周波数に調整することもできるので、音響センサにより取得される音響信号のフィードバック処理によりその診断精度に優れた音響解析システムを提供することができる。

（実施の形態１）
図１（ａ）は実施の形態１の集音装置の正面断面図であり、図１（ｂ）はその側面図である。図１において、１０は実施の形態１の集音装置、１１は木質材や合成樹脂材によりコーン状壁面を有して形成される集音部、１２は集音部１１の基端に接続されて集音された音響から所定周波数の共鳴音を抽出するための内径Ｄ、円筒長Ｌの共鳴円筒部、１３は共鳴円筒部１２の円筒基端に接続されるマイクロフォンや圧電素子などの音響センサである。

図示するように、集音部１１は、その断面が短辺Ｄ、長辺Ｅ、高さＨの円錐台状に形成され、この開口した短辺側が共鳴円筒部１２の内径Ｄに合致して接続されるようになっている。集音部１１はポリエチレン、ポリスチレンなどの合成樹脂材や、アルミ合金などの軽金属材などによりメガホン状に形成され、所定の音響特性を保持するようにその厚みや材質などを設定することができる。

共鳴円筒部１２は集音部１１の後端に一体もしくは、集音部１１に着脱できるように別体に配置され部材である。共鳴円筒部１２の円筒長さＬ、円筒内径Ｄは、エンジンなどの特定音源の共鳴周波数に対応した適正値になるように、それぞれ設定されている。なお、共鳴円筒部１２の材質特性及び厚みなどはその音響学的実験などに基づいて、所定のものが適用される。この共鳴円筒部１２の円筒の長さによって共鳴する音を効率よく抽出することができる。

すなわち、共鳴円筒部１２の円筒部分の底部が固定端であることから常に圧力値が最大となる定在波を集音できる。共鳴は円筒の端部の１つ（底部）が閉じているときに、底部の位置変動振幅が最小となる定在波が存在できる。位置変動振幅が最小となる位量では圧力変動は最大となりこの円筒底部にセンサ素子を置くことによって、センサ素子に最大の圧力変動が印可されるようにすることができる。このように閉鎖部をセンサ表面にして圧力波を検知するようにすることで最も効率の良い集音が可能になる。
なお、円筒部分による共鳴は、通常、円筒長がある周波数の４分の１の波長と等しくなる場合にその周波数の定在波が現れて、外部から観測するとこれを共鳴として捉えることができる。

円筒の先側にあたる部分は開放された構造、いわゆる自由端の構造になっている。この自由端から共鳴による音が最大限放射されるためには、自由端で最大の振幅となる定在波である必要がある。したがって、円筒の入り口で最大振幅となり、円筒底部の固定端で最小振幅となる定在波は波長の４分の１となる。
なお、音波は空気の粗密波であり、円筒内部に侵入すると側面などで反射が起こるので、円筒の直径が共鳴周波数の波長の２分の１の寸法では円筒直径方向に定在波が生まれるので好ましくない。

共鳴円筒部１２の内径Ｄは６ｍｍ以上から１０ｍｍ未満の範囲内にすることが好ましい。これによって円筒長を設定した場合の共鳴周波数の種類が少ないので選択が容易になる。
集音部１１の後端と共鳴円筒部１２とはその接続部に切れ目や段差がないようにしているため、接続部に近いコーン状の集音部１１の一部は円筒の一部ともなり、疑似的に円筒の長さが延長されるような効果を生じさせることができる。

音響センサ１３は、共鳴円筒部１２からの音圧を受ける音響検知端が直径Ｄの円形状のセンサ素子である。このセンサとしては、一般的なコンデンサマイクの他、エレクトレット型のマイク、圧電素子を用いたものなどが適用できる。エレクトレット型のマイクは、金属コーティングを有するエレクトレット素子の薄膜と金属板を平行に配置し、音圧によって薄膜が振動することで金属コーティングと金属板との間に電流が流れるようにしたものである。エレクトレット素子は、外部電界が消失した後にも電荷が残る性質を有する高分子またはセラミック等の材料であり、圧電素子を用いたセンサはその音圧によって結晶にひずみが生じるときの起電力を利用したものである。

実施の形態１の集音装置１０は、以上説明したように、音響から所定周波数の共鳴音を抽出するための所定円筒長さＬの共鳴円筒部１２を備えているので、エンジンなどの故障箇所から発生する特定周波数の音響を選択的に取り入れることができ、異常音に対する検出感度や診断精度を高めることができる。

（実施の形態２）
図２（ａ）は、実施の形態２の集音装置の正面断面図であり、図２（ｂ）は同集音装置の共鳴周波数設定部における側面断面図及び分解説明図である。
図２において、２０は実施の形態２の集音装置、２１はそのコーン状又はパラボラ状の壁面を介してエンジンなどの被測定対象物からの音響を取り入れるための集音部、２２は集音部２１の基端に接続され内筒２２ａ及び内筒２２ａに嵌合してスライドする外筒２２ｂを備えた共鳴円筒部、２３は共鳴円筒部２２の円筒基端に接続される音響センサ、２４は共鳴円筒部２２の円筒長Ｌを所定値に設定するための共鳴周波数設定部である。
集音部２０及び音響センサ２３は、前記実施の形態１と同様の素材及び構成のものが適用できる。なお、集音部２１を必要に応じて省略して被測定対象物に共鳴円筒部２２の開口端を直に接続するようにして、これを集音装置として適用することも可能である。
共鳴周波数設定部２４は、図２（ｂ）に示すように、内筒２２ａに突設されたガイドピン２４ａと、外筒２２ｂに弓状に湾曲して設けられガイドピン２４ａが嵌合するガイド溝２４ｂと、を有して構成される。これによって、共鳴円筒部２２の外筒２２ｂを把持して回転させることにより、図示しない係止部材により規制された内筒２２ａのガイドピン２４ａを、外筒２２ｂのガイド溝２４ｂ内を移動させる。こうして、共鳴円筒部２２の円筒長さＬを所定値に設定して、共鳴周波数となる音響が効率的に取得されるようにしている。
なお、共鳴周波数設定部の駆動機構として、円筒及び外筒などからなる二重円筒を相対的にスライド伸縮させるサーボモータやシリンダ機構を設け、これをマイクロコンピュータなどの制御装置を介して自動又は手動により制御することもできる。

実施の形態２の集音装置２０は、以上説明したように、共鳴周波数設定部２４が設けられて構成されているので、実施の形態１の効果に加えて、共鳴円筒部２２に取得される音響の共鳴周波数を適宜設定することができる。これによって、エンジンなどの複数箇所から発生する異常音やその動作状態を精度よく特定することができる。さらに、集音装置２０に接続されるデータ処理装置と連携させて、集音装置２０で得られた音響信号の解析結果をもとに、共鳴円筒部２２の円筒長さＬを、共鳴周波数設定部２４を用いて適正値にフィードバックさせ、共鳴音響成分を効率的に取得するような適正化処理を行うことも可能になる。

（実施の形態３）
図３（ａ）は、実施の形態３の集音装置の正面断面図であり、図３（ｂ）は同集音装置の左側面図である。図３において、３０は実施の形態３の集音装置、３１はそのパラボラ状壁面を有して被測定対象物からの音響を取り入れるための集音部、３２は開口した集音部３１の前部中央に支持部材を３４を介して被測定対象物に対して逆向きに取り付けられた共鳴円筒部、３３は共鳴円筒部３２の円筒基端に接続された音響センサである。
共鳴円筒部３２は、その開口部が前記実施の形態１、２のものに対して逆向きに、しかも、この開口部はパラボラ状壁面の焦点位置となるように配置される。なお、集音部３０及び音響センサ３３は前記実施の形態１と同様の素材及び構成のものが適用される。
なお、共鳴円筒部３２は、共鳴周波数設定部である図示しないサーボモータにより、その円筒長さが伸縮できるスライド機構を備えており、これによって規定の円筒長に設定することも可能になっている。

実施の形態３の集音装置３０は、以上説明したように、集音部３１となるパラボラ状壁面の焦点位置に逆向きに開口して配置された共鳴円筒部３２を有するので、パラボラ状壁面の有する集音効率性と、共鳴円筒部３２の周波数選択性とを複合させ、被測定対象物に対する指向性に優れるとともに、高信頼性の音響データを取得することができる。

（実施の形態４）
図４は実施の形態４の集音装置を用いた音響解析システムの構成図である。
図４において、４０は実施の形態４の音響解析システム、４１は実施の形態１の集音装置１０から取得されるアナログ音響信号を増幅するためのアンプ、４２は音響信号を高波長域フィルタ側又は低波長域フィルタ側に切り換えるための切替回路、４３は入力される音響信号から高波長成分を取り出すための高波長域フィルタ回路（遮断周波数可変ハイパスフィルタ）、４４は低波長成分を取り出すための低波長域フィルタ回路（遮断周波数可変ハイパスフィルタ）、４５は入力信号を時間的に分割し、ｔ時刻から（ｔ−１）時刻の値を差し引いた数値をｔ時刻の信号として出力するためのスイッチング微分回路、４６はマイクロコンピュータなどからなるデータ処理部、４７はデータ解析結果などを表示させるための液晶パネルやＬＥＤなどの表示部、４９はアナログ回路電源４９ａやマイコン電源４９ｂに所定の電力を供給するための乾電池である。

音響解析システム４０は、集音装置１０の共鳴円筒部１１を介して取得された音響信号を高帯域又は低帯域に切り換えて高波長域フィルタ回路４３や低波長域フィルタ回路４４でフィルタ処理し、データ処理部４６でこの音響信号を解析するので、信頼性と効率性に優れたデータ処理を行うことができる。

表１は、例えば、共鳴公式（Ｌ＝（２（ｎ−１）＋１）×ｋ・Ｖ／４ｆ、但し、ｆ：共鳴周波数、Ｌ：円筒長、Ｖ：空気中の音速、ｎ：共鳴波が得られるときの波長の倍数（共鳴波の次数）、ｋ：単位換算係数である）などを適用して得られる共鳴円筒部の円筒長Ｌとこれに対応する共鳴周波数ｆとの対照データであり、図５は表１のデータから円筒内径ＤがＤ＝８ｍｍでその前記共鳴波の次数ｎが１、２、３、４である場合のデータを抜粋して得られた共鳴円筒部の円筒長Ｌと共鳴周波数ｆとの関係を示すグラフである。

図５に示されるように、共鳴円筒部１１の円筒内径Ｄを８ｍｍにしたケースでは、例えば周波数ｆ＝２０ＫＨｚに対応する１次共鳴波、２次共鳴波、３次共鳴波、４次共鳴波となる円筒長Ｌ（センサ位置）はそれぞれ約２ｍｍ、約１１ｍｍ、約１９ｍｍ、約３０ｍｍとなることがわかる。逆に共鳴円筒部１１の円筒長ＬをＬ＝４ｍｍとなるように固定した場合は、この共鳴周波数ｆが、例えば約２０ＫＨｚと４０ＫＨｚとでそれぞれ極大値となるように変化する。従って、円筒長Ｌを、その適用条件毎に共鳴現象が得られるような適正値に設定して、集音部１１からの音響を共鳴円筒部１２を介して取得してこれをデータ処理することにより、音響信号から特定周波数の成分を効率的に抽出して、その解析精度や故障箇所などの診断精度を向上させることが可能であることがわかる。

こうして、実施の形態４の音響解析システム４０は、集音装置１０の共鳴円筒部１２を介して取得された音響信号を高帯域又は低帯域に切り換えてフィルタ処理し、この音響信号を解析するので、信頼性に優れたデータ処理を行うことができ、このようなデータをデータベースに多数蓄積しておき、取得した音響信号のデータと比較して、エンジンなどに発生する異常音の位置を的確に特定したり、その稼働状況の良否を判定したりすることができる。

（実施の形態５）
図６は実施の形態５に係る集音装置を用いた音響解析システムの構成図である。
図６に示すように実施の形態５の音響解析システムは、実施の形態２の集音装置２０から取得されるアナログ音響信号をアンプ４１で増幅し、高波長域フィルタ回路４３又は低波長域フィルタ回路４４でフィルタリングした後、スイッチング微分回路４５を介しデータ処理部４６で取り込まれたデータの解析処理がなされ、この解析結果をもとに円筒長Ｌを再設定するフィードバック処理がなされる。
すなわち、共鳴円筒部２２の円筒長Ｌを、サーボモータなどを備えた共鳴周波数設定部２４を用いて制御することで適正値に設定するようになっている。
実施の形態５の音響解析システム５０は、集音装置２０を介して入力される音響信号のデータに基づいて適正共鳴周波数を設定して、共鳴円筒部２２の円筒長Ｌを適正共鳴周波数に調整するフィードバック処理がなされる。こうして、再構成された音響信号のデータによりデータ解析処理を行って、この解析結果を表示部４７に表示させることができ、音響センサにより取得される音響信号の信頼性、安定性が高められ、エンジンなどの動力装置の作動状態を診断する場合に、その診断精度に優れた音響解析システムを提供することができる。

以上、本実施の形態に係る集音装置及びこれを用いた音響解析システムについて説明したが、本発明は、これら実施の形態のものに限定されるものではない。すなわち、本発明は集音部から取得された音響から共鳴円筒部における共鳴現象を利用して、特定の周波数成分を効果的に抽出することを要旨とするものであり、これに該当する概念のものは本発明の適用範囲である。例えば、本実施の形態では、被測定対象物としてエンジンを例に説明したが、生産設備における動力装置などの稼働状態を判定するために用いることもできる。

（ａ）実施の形態１の集音装置の正面断面図である。（ｂ）その側面図である。 （ａ）実施の形態２の集音装置の正面断面図である。（ｂ）共鳴周波数設定部における側面断面図及び分解説明図である。 （ａ）実施の形態３の集音装置の正面断面図である。（ｂ）同集音装置の側面図である。 実施の形態４の集音装置を用いた音響解析システムの構成図である。 共鳴円筒部の円筒長Ｌと共鳴周波数ｆとの関係を示すグラフである。 実施の形態５の集音装置を用いた音響解析システムの構成図である。

符号の説明

１０ 実施の形態１の集音装置
１１ 集音部
１２ 共鳴円筒部
１３ 音響センサ
２０ 実施の形態２の集音装置
２１ 集音部
２２ 共鳴円筒部
２２ａ 内筒
２２ａ 外筒
２３ 音響センサ
２４ 共鳴周波数設定部
２４ａ ガイドピン
２４ｂ ガイド溝
３０ 実施の形態３の集音装置
３１ 集音部
３２ 共鳴円筒部
３３ 音響センサ
３４ 支持部材
４０ 実施の形態４の音響解析システム
４１ アンプ
４２ 切替回路
４３ 高波長域フィルタ回路（遮断周波数可変ハイパスフィルタ）
４４ 低波長域フィルタ回路（遮断周波数可変ハイパスフィルタ）
４５ スイッチング微分回路
４６ データ処理部
４７ 表示部
４９ 乾電池
４９ａ アナログ回路電源
４９ｂ マイコン電源
５０ 実施の形態５の音響解析システム

Claims (4)

1. その前側が拡開してコーン状壁面やパラボラ状壁面を有して形成される集音部と、前記集音部により集音された音響から所定周波数の共鳴音を抽出する所定円筒長さの共鳴円筒部と、前記共鳴円筒部の円筒基端に接続される音響センサと、を備えたことを特徴とする集音装置。
2. 前記共鳴円筒部にはその円筒長を伸縮して取得される音響の共鳴周波数を設定する共鳴周波数設定部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の集音装置。
3. 請求項１又は２記載の集音装置からの音響信号を解析して異常音を検出する音響解析システムであって、前記音響信号を高帯域又は低帯域に切り換えてフィルタ処理するフィルタ回路と、前記フィルタ処理された音響信号を解析するデータ処理部と、を備えたことを特徴とする音響解析システム。
4. 前記データ処理部に入力される音響信号のデータに基づいて適正共鳴周波数を設定して、前記集音装置の共鳴周波数設定部を作動させ前記共鳴円筒部の円筒長を前記適正共鳴周波数に調整することを特徴とする請求項３記載の音響解析システム。

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