JP2006300640A

JP2006300640A - キャビテーション検出方法

Info

Publication number: JP2006300640A
Application number: JP2005120911A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Muratsubaki; 良司村椿; Nobuhide Takasugi; 信秀高杉; Haruki Nakajima; 晴記中島
Original assignee: Sugino Machine Ltd
Current assignee: Sugino Machine Ltd
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】高価で操作が煩雑な機器を用いることなく又人の感覚に頼ることなくキャビテーションの発生量を簡便に且つ高精度に判定できるキャビテーション検出方法の提供。
【解決手段】液中噴射によるウォータジェットのキャビテーション発生状態を検出する方法において、音響測定手段により前記ウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して測定信号波形を得る工程と、該音響測定手段からの信号出力を高速フーリエ変換処理を行って予め定められた周波数範囲内における発生成分を抽出する、あるいは前記音響測定手段からの信号出力を予め定められた通過周波数帯域のバンドパスフィルタに通して特定周波数成分を抽出する信号処理工程と、を備えた。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えばウォータジェット噴射によるキャビテーションの発生量を判定するためのキャビテーション検出方法に関するものである。

噴射洗浄装置など、従来から水中ウォータジェットを利用する装置では、多くの場合でキャビテーション力を利用している。これは、高速流体中の流速変化で局所的に生じた圧力低下により流体中に発生した気泡（キャビテーション）が高圧部で消滅した際の衝撃力を利用するものである。このようなキャビテーション力を効率良く利用するには、キャビテーションの発生を検出する必要がある。

検出方法としては、まず、予めテストワークなどにウォータジェットを噴射して、そのテストワークに対する目に見える効果に基づいてキャビテーションの有無や発生量を定義する方法が挙げられる。また、ジェットを噴射しているときに、ジェットの発生音を耳で聞く人が、キャビテーションの有無・発生量を判断するという方法や、圧電素子などの圧力センサを設置して、センサに直接ウォータジェットを噴射してキャビテーションを測定するという方法もあった（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１３３３２１号公報

しかしながら、テストワークを使用したキャビテーション発生を判断する方法では、テスト環境と実際の使用状況が大きく異なってしまう可能性があり、正確な判断が困難であった。また、ジェットの発生を人が聞いて判断する場合も、大きな誤差を生じる可能性があり、確実性に乏しい。

また、圧力センサを使用する場合は測定結果は正確ではあるが、機器が高価であると共にセンサの設置など測定を行うための準備に手間がかかり、操作が煩雑となる。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、高価で操作が煩雑な機器を用いることなく、また人の感覚に頼ることなくキャビテーションの発生量を簡便に且つ高精度に判定できるキャビテーション検出方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るキャビテーション検出方法は、液中噴射によるウォータジェットのキャビテーション発生状態を検出する方法において、音響測定手段により前記ウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して測定信号波形を得る工程と、該音響測定手段からの信号出力を高速フーリエ変換処理を行って予め定められた周波数範囲内における発生成分を抽出する信号処理工程と、を備えたものである。

また、請求項２に記載の発明に係るキャビテーション検出方法は、音響測定手段により前記ウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して測定信号波形を得る工程と、該音響測定手段からの信号出力を予め定められた通過周波数帯域のバンドパスフィルタに通して特定周波数成分を抽出する信号処理工程と、を備えたものである。

さらに、請求項３に記載の発明に係るキャビテーション検出方法は、請求項２に記載のキャビテーション検出方法において、前記音響測定手段によりウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して得た信号出力を高速フーリエ変換処理を行って、波形ピークのある周波数帯域を選択する工程と、前記選択された周波数帯域に対応するバンドパスフィルタ回路を作成する工程と、前記各周波数帯域のバンドパスフィルタに前記音響測定手段からの信号出力を通して特定周波数成分を抽出する信号処理工程と、を備えたものである。

本発明においては、簡便な測定器を用いた測定データの変化処理により、人の感覚や複雑な機器に頼ることなく、簡便に精度良くウォータジェットのキャビテーション発生状態を判定することができるという効果がある。

請求項１に記載の本発明においては、音響測定手段によりウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して得た測定信号波形を、信号処理工程にて高速フーリエ変換処理を行って予め定められた周波数範囲内の発生成分を抽出するものである。

例えばテスト用タンク内で、ワーク材料にウォータジェットを当てて壊食試験を行うと同時に、この際のジェット発生音を音響測定手段で測定し、その信号波形を高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴと記す）処理してパワースペクトルを算出して、その波形の任意の範囲内の周波数成分のパワースペクトルの数値積分を行い、実際のワーク材料の壊食量と比較する。ウォータジェットによるキャビテーション発生量とワーク材料の壊食量との間には大きな相関があるため、ジェット発生音量が大きい場合には、壊食量が大きく、即ちキャビテーション発生量が多い、と考えられることから、前記比較検討によりキャビテーションの相対的評価を行うことができる。

従って、以後は、同一ノズルにおいては、ノズル−ワーク間距離、噴射圧力、噴射時間という噴射条件が同じ場合にウォータジェットの発生音の信号波形をＦＦＴ処理し、同じ所定範囲内の周波数成分のパワースペクトルの数値積分を行い、前記相対的評価を行った際の値と比較することによってキャビテーションの発生量を判定することができる。また、この相対的評価から、前記計算処理により得られた数値積分量と壊食量との間に相関関係が確認できれば、検出対象とするノズルに関して、同じ噴射条件下でのウォータジェット噴射時のジェット発生音を測定してその信号波形をＦＦＴ処理して前記所定範囲の周波数成分の数値積分量を求めれば、この値から前記相対評価結果に基づいて該ノズルによるウォータジェット噴射によるキャビテーション発生量を判定することが可能となる。

なお、本発明で利用する音響測定手段としては、例えば、騒音計等の汎用機器を利用すれば良い。この騒音計でのジェット発生音の測定は、マイクをタンク内に向けて固定することによって簡単に行える。

以上のように、ＦＦＴ処理を利用した信号処理工程を行うキャビテーション検出方法では、騒音計などの汎用機器を使用してジェット発生音を測定する以外は、高価で操作に手間の掛かる装置等を必要とすることなく、また人の感覚に頼ることなく従来より高精度でキャビテーション発生量の判定がソフトウエア上での処理のみで簡便に且つ安定的に行うことができる。

また、請求項２に記載の発明においては、音響測定手段によりウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して得た測定信号波形を、信号処理工程にて予め定められた通過周波数帯域のバンドパスフィルタに通して特定周波数成分を抽出するものである。

バンドパスフィルタは、入力信号の周波数成分中の特定の周波数帯域の信号のみを通してそれ以外の信号を減衰させるフィルターであり、例えば、図１（ａ）に示すような、ＯＰアンプ２個と抵抗およびコンデンサで作製した回路から、図１（ｂ）に示すような特定周波数帯域の信号のみを通過させる特性を備えたバンドパスフィルタを構成することができる。

この図１（ｂ）に示す特性を有するバンドパスフィルタに信号波形を通した場合には、１．７ｋＨｚの信号成分が２倍に増幅されると同時に、１ｋＨｚあるいは２．７ｋＨｚといった周辺域の周波数成分は１／２倍に減衰される。この図１に示したバンドパスフィルタの通過前後の信号を比較すると、バンドパスフィルタの通過中心周波数である１．７ｋＨｚの信号電圧は、図２（ａ）に示すように、実線で示すフィルタ通過前に対して点線で示すフィルタ通過後では振幅が２倍に増加されている。これに対して通過周辺周波数である１．０ｋＨｚの信号電圧は、図２（ｂ）に示すように、実線で示すフィルタ通過前に対して点線で示すフィルタ通過後では振幅が１／２になっている。

従って、例えばテスト用タンク内でワーク材料にウォータジェットを当てて壊食試験を行うと同時に、この際のジェット発生音を騒音計等の汎用機器からなる音響測定手段で測定し、得られた信号波形を上記のようなバンドパスフィルタを通過させ、キャビテーション発生時に特に変化が大きい周波数成分だけを抽出して実際のワークの壊食量と比較検討すれば、キャビテーション発生量の相対的評価を行うことができる。

以上のようなバンドパスフィルタを用いたキャビテーション発生量評価に有効な周波数成分だけを抽出してウォータジェットのキャビテーション効果を判定する方法によれば、騒音計などの汎用機器を使用してジェット発生音を測定する以外は、高価で操作に手間の掛かる装置等を必要とすることなく、また人の感覚に頼ることもなく、さらに特定の周波数帯域に限定した測定により雑音に対処してより高精度なキャビテーション発生量の判定が行えるだけでなく、ジェット発生音測定直後の処理に必要な計算が少なくて済み、キャビテーション発生量評価を現場などでリアルタイムで行うことができる。

なお、バンドパスフィルタを用いた信号処理工程を備えたキャビテーション検出方法において、抽出すべき周波数帯域を予め特定しておくが、その具体的な方法は特に限定するものではないが、例えば、音響測定手段による測定波形信号を高速フーリエ変換処理して得られる波形データを利用する方法が好適なものとして挙げられる。

この場合、バンドパスフィルタを用いて抽出すべき周波数帯域を決定するために、例えば騒音計等によりウォータジェット噴射時のジェット発生音を、測定可能な周波数範囲全域において測定し、この全体の波形信号を高速フーリエ変換処理し、得られた波形データから波形の大きなピークのある周波数帯域を特定する。

従って、このように特定された周波数帯域に対応するバンドパスフィルタ回路をそれぞれ作製し、当初の波形データを各バンドパスフィルタに通して抽出した信号成分と実際のワーク壊食量とを比較検討することにより、各周波数帯域のバンドパスフィルタの中から、最適な結果が得られるものを選択し、以後、同一噴射条件下におけるノズルのウォータジェット噴射時のキャビテーション発生量の判定にこの選択されたバンドパスフィルタによる信号処理結果を利用すれば良い。

なお、ジェット噴射の環境や、ノズルの種類、ノズルワーク間距離等の条件が異なればこの波形の大きなピークが現れる周波数帯域も異なるため、環境、条件に応じてその都度判定に適した周波数帯域に応じたバンドパスフィルタ回路を選択すればよい。

本発明の第１の実施例として、テスト用タンク内でのワークに対する異なるノズルでのウォータジェット噴射による壊食試験を行い、ジェット発生音の波形データをＦＦＴ処理してノズルごとのキャビテーション評価を行った例を以下に示す。

本テストでは、図３に示すように、テストタンク１内に充填した水中で行うものであり、水中に固定したテストワーク２に対して噴射ノズル３を一定の距離で設置し、タンク内に向けてノズル３から所定距離位置にマイク４を固定した騒音計により、テストワーク２へ噴射されるウォータジェットの発生音を測定するものである。

本テストでは、テストワーク２としてアルミ板を用い、各ノズル３ごとに、同じノズル−ワーク間距離、同じ噴射圧力、噴射時間でウォータジェットを当て、それぞれ噴射開始数分経過後からのジェット発生音を測定し、得られた波形信号について、周波数０〜１２．５ｋＨｚの範囲内の波形データをＦＦＴ処理した。ノズル３は、ノズル口径や長さ等の異なる各種のもの（No.1、No.18、No.22、No.23、No.33、No.59、No.62、No.73 ）を用意してそれぞについて壊食試験を行い、各ノズルごとの波形データをＦＦＴ処理して、図４に示すようなＦＦＴ波形（０〜８ｋＨｚ）を得た。図４には、ノズルNo.1、No.22、No.23、No.31、No.59の場合を周波数範囲０〜８ｋＨｚまでのＦＦＴ波形データを例示した。

各ノズルについて得られたＦＦＴ波形データのうち、それぞれ０〜１２．５ｋＨｚ範囲内周波数帯域の数値積分量を求めると共に、各ノズル３でのジェット噴射で生じたテストワーク２のキャビテーション効果による壊食量を質量減少分として測定した。両結果を、図５に示すように比較検討することによって、数値積分量からキャビテーションの発生量を相対的に評価することができる。以降、同一ノズルについては同じ噴射条件においてジェット発生音の測定波形信号を処理して数値積分量を求めれば、前記評価結果に基づいてキャビテーション発生量を高精度に判定することができる。

また、このような評価によって、各ノズルについて、キャビテーション発生がほとんど無いもの（例えばNo.59、No.22 ）、キャビテーション発生量が小さいもの（例えばNo.23、No.1、No.31）、キャビテーション発生量が大きいもの（例えばNo.18、No.33、No.62、No.66、No.73）という評価、分類も可能となる。ここで、前記数定積分量とキャビテーション発生量との間に相関関係が認められ、ジェット音量が大きいほどキャビテーション発生量が多いと言えることから、未知のノズルに関しても、同じ噴射条件において、そのジェット発生音を測定して得られた波形信号をＦＦＴ処理した波形データの前記特定の周波数帯域の数値積分量を求めれば、前記相対評価結果に基づいてキャビテーション発生量を判定するこができる。

本発明の第２の実施例として、テスト用タンク内でのワークに対する異なるノズルでのウォータジェット噴射による壊食試験を行い、ジェット発生音の波形データを図１に回路構成および特性を示したバンドパスフィルタに通して特定の周波数帯域の信号成分を抽出してノズルごとのキャビテーション評価を行った例を以下に示す。

本実施例では、図３に示した同じテスト用タンク１にて、同様にアルミ板からなるテストワーク２に対して各種ノズル３（No.1、No.18、No.20、No.22、No.68、No.70 ）からのウォータジェット噴射を行い、それぞれタンク内に向けてノズル３から所定距離位置に固定された騒音計のマイク４で各ジェット発生音を測定した。

その騒音計によって測定された波形データは、図６（ａ）に一例を示す通り、振幅こそ大きいが広い範囲の周波数成分が重なっているため、このままではキャビテーション発生量を比較判断するのは困難である。これに対して、この騒音計で測定した信号波形を図１の中心周波数１．７ｋＨｚ付近のバンドパスフィルタを通過させると、図６（ｂ）に示すように、他の周波数成分が除去されてキャビテーション発生量の比較判断が非常に容易になる。

例えば、図７に示すように、この抽出された特定の周波数成分から数値積分量を求め、テストワーク２の壊食量を測定して比較検討することができ、この結果に基づいて、同一ノズルについては同じ噴射条件においてキャビテーション発生量を現場で判定することができる。また、図７に示したようにこのバンドパスフィルタによる信号処理結果に基づいた評価結果からも、各ノズルについて、キャビテーション発生がほとんど無いもの（例えばNo.22 ）、キャビテーション発生量が小さいもの（例えばNo.1）、キャビテーション発生量が大きいもの（例えばNo.18、No.20、No.68、No.78）という評価、分類も可能となる。また、ジェット発生音量とキャビテーション発生量との間に相関関係があれば、同一噴射条件下におけるウォータジェット噴射時のキャビテーション発生量は、そのジェット発声音の測定波形信号をバンドパスフィルタに通して抽出した前記特定周波数成分から数値積分量を求めれば、そのノズルのキャビテーション発生量を前記相対評価結果に基づいて判定することができる。

なお、以上のようなキャビテーション発生量の判定のためのバンドパスフィルタによって抽出すべき周波数帯域を音響測定手段による波形データから特定する方法として、以下のようにＦＦＴ処理を利用する方法が適している。

例えば、騒音計で測定したジェット発生音の波形信号をＦＦＴ処理して得た図４の波形データを用いた場合を例に説明する。この場合、ＦＦＴ波形データは、予めキャビテーション発生量の大小が判っている複数個のノズルについて、後に実際に検出対象となるノズルのウォータジェット噴射と同じ条件下で得たジェット発生音の波形信号に基づいたものとして検討する。特に、キャビテーション発生量が大きいノズルとキャビテーション発生量が小さいノズルとに着目するが、ここでは大きいものとしてNo３１ノズルと小さいものとしてNo２２ノズルとする。

即ち、No３１ノズルにおいて波形データの数値が大きくなっていると共にNo２２ノズルにおいて波形データの数値が小さくなっている周波数帯域を探す。図４のＦＦＴ波形データにおいて、この両ノズルで数値の大小が大きく開いている周波数帯域として、０．５ｋＨｚ周辺、２ｋＨｚ周辺、５．５ｋＨｚ周辺が挙げられる。

これらを比較すると、０．５ｋＨｚ周辺ではNo３１ノズルの数値（ｄＢ）がNo１、No２３のノズルの数値よりも低く逆転しておりキャビテーション発生量との相関性がない箇所があり、これに対して２ｋＨｚ周辺および５．５ｋＨｚ周辺では共に全ノズルの数値がキャビテーション発生量の順番通りにならんでいる。

そこで、これらの中から全ノズルにおいてキャビテーション発生量と数値（ｄＢ）とが相関関係にある箇所を選択すればよい。例えば、２ｋＨｚを中心とした周波数帯域を選択した場合、２ｋＨｚ周辺帯域を増幅するバンドパスフィルタ回路、例えば図１（ａ）に示すような回路を作成すればよい。

このバンドパスフィルタを使って抽出する周波数帯域に応じて、抵抗（Ｒ１〜Ｒ５）およびコンデンサＣを以下の式のように決定する。
Ｒ２＝Ｒ３＝１／２πｆＣ
Ｒ１＝１０×Ｒ２
Ｒ４＝Ｒ５＝１０ｋΩ（固定）
Ｃ＝０．０１μＦ（固定）
ここで、中心周波数ｆ＝２ｋＨｚに設定することにより、Ｒ２＝Ｒ３≒８．０ｋΩとなる。このバンドパスフィルタの周波数特性は図１（ｂ）に示すとおりであり、中心周波数は丁度２ｋＨｚになってはいないが、これは抵抗やコンデンサの誤差による変動である。

以上のようにして選択した周波数帯域に応じたバンドパスフィルタを用いることによって、この周波数帯域を選択するための波形データを得たウォータジェット噴射条件と同じ条件において、検出対象とするノズルによるジェット発生音を測定して得られた信号波形から特定の周波数成分だけを抽出して実際のワークの壊食量と比較検討することにより、キャビテーション発生量の相対的評価を行うことができる。

本発明に用いることのできるバンドパスフィルタの一例を示す説明図であり、（ａ）はバンドパスフィルタ回路図、（ｂ）は、該バンドパスフィルタの通過周波数帯域を示す線図である。図１のバンドパスフィルタ通過前後の信号の変化を示す線図であり、（ａ）は周波数成分１．７ｋＨｚの場合、（ｂ）は周波数成分１．０ｋＨｚの場合をそれぞれ示す。本発明の実施例におけるウォータジェット壊食試験を行った際の状態を示す説明図である。本発明の第１実施例におけるウォータジェット壊食試験で測定したジェット発生音の波形データのＦＦＴ処理による演算結果の一部を示す線グラフである。第１実施例の各ノズルごとのＦＦＴ処理後パワースペクトルの数定積分量と壊食量とを比較検討した棒グラフである。本発明の第２実施例におけるウォータジェット壊食試験の測定結果を示す線図であり、（ａ）は騒音計による測定波形であり、（ｂ）は（ａ）の波形データをバンドパスフィルタに通過させた後の波形データである。第２実施例の各ノズルごとにバンドパスフィルタ処理後の波形データの数値積分量と壊食量とを比較検討した棒グラフである。

符号の説明

１：テスト用タンク
２：テストワーク
３：噴射ノズル
４：騒音計マイク

Claims

液中噴射によるウォータジェットのキャビテーション発生状態を検出する方法において、
音響測定手段により前記ウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して測定信号波形を得る工程と、
該音響測定手段からの信号出力を高速フーリエ変換処理を行って予め定められた周波数範囲内における発生成分を抽出する信号処理工程と、を備えたことを特徴とするキャビテーション検出方法。
液中噴射によるウォータジェットのキャビテーション発生状態を検出する方法において、
音響測定手段により前記ウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して測定信号波形を得る工程と、
該音響測定手段からの信号出力を予め定められた通過周波数帯域のバンドパスフィルタに通して特定周波数成分を抽出する信号処理工程と、を備えたことを特徴とするキャビテーション検出方法。
前記音響測定手段によりウォータジェット噴射時に発生するジェット音を測定して得た信号出力を高速フーリエ変換処理を行って、波形ピークのある周波数帯域を選択する工程と、
前記選択された周波数帯域に対応するバンドパスフィルタ回路を作成する工程と、
前記各周波数帯域のバンドパスフィルタに前記音響測定手段からの信号出力を通して特定周波数成分を抽出する信号処理工程と、を備えたことを特徴とする請求項２に記載のキャビテーション検出方法。