JP2015014535A - 振動インテンシティ測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の表面上を伝搬する曲げ波等についてベクトルとしての振動インテンシティを計測する。
【解決手段】検出ユニット１２は基板２８と３つのセンサ１８，２０，２２とで構成される。演算ユニット１４において、Ｘ成分演算部４２は、センサ１８，２０からの２つの出力信号に基づいてインテンシティのｘ成分を演算する。Ｙ成分演算部４４は、センサ２０，２２からの２つの出力信号に基づいてインテンシティのｙ成分を演算する。それらの成分に基づきベクトル演算部５０がベクトルとしてインテンシティを演算する。曲げ波に代えて捩じり振動のインテンシティが演算されてもよい。各成分の演算にあたっては簡略化された演算式が利用される。望ましくは、ＰＶＤＦを有する振動センサが利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動インテンシティの測定に関し、特に、対象物上に設けられた複数の検出器からの複数の検出信号に基づいて対象物上を伝搬する波（特に曲げ波）についての振動インテンシティを測定する装置及び方法に関する。

構造物の性能を評価するために、例えば、そこで生じる騒音の分析や防音の対策のために、当該構造物の表面上における振動を解析する必要がある。その場合、対象物の表面上を伝搬する振動エネルギーの流れが「振動インテンシティ」として解析される。例えば、音響的放射を評価するために構造物表面上を伝搬する曲げ波（横波の一種であり、表面波としての屈曲波）について振動インテンシティが解析される。振動インテンシティは振動エネルギーの方向及び大きさをベクトルとして定義したものである。

振動インテンシティを解析するためには、通常、構造物の表面上に多数の（例えば８点乃至１２点の）検出点が設けられ、それぞれの検出点で独立して振動（加速度）が検出される（非特許文献１及び２）。それにより得られた多数の検出信号を処理することにより、ベクトルとしての振動インテンシティが演算される。

なお、特許文献１には、振動インテンシティ検出器が開示されている。その検出器は、ＰＶＤＦシートと、そのシート上において特定方向に所定ピッチで並んだ４つの電極ペアと、により構成されるものである。

特開平７−２０９０７２号公報

本多他「振動インテンシティの基礎的検討」日本機械学会論文集60巻574号51頁以下(1994) 中川他「振動インテンシティによる散逸エネルギの解析」豊田中央研究所Ｒ＆ＤレビューVol.30,No.1(1995) Frank Fahy, Foundations of Engineering Acoustics, Elsevier Academic Press, London, 2001. Takaaki Musha, Tatsuya Kumazawa, Instantaneous structural intensity by the harmonic wavelet transform, Journal of Sound and Vibration, 306 (2007) pp.377-388. Takaaki Musha, Theory and Applications of Instantaneous Intensity Analysis, Lambert Academic Publishing, Saarbrucken, Germany, 2012. G. Pavic, Measurement of Structure Borne Wave Intensity, Part.I: Formulation of Methods, Journal of Sound and Vibration, 49(2) (1976) pp.221-230.

各種の構造物（対象物）の表面上で曲げ波等についての振動インテンシティを簡便に測定したいとの要望があるが、上記従来技術は必ずしもその要望に十分に応えるものではない。特に、従来技術では、対象物表面上に多数の検出点を設定する必要があるため、検出部の構成が複雑化してしまうという問題がある。多数の検出器を設ける場合、対象物で生じている振動それ自体に影響を及ぼし易いという点も指摘できる。

本発明の目的は、対象物の表面上を伝搬する振動のインテンシティを簡便に測定できるようにすることにある。あるいは、そのような振動インテンシティを感度良く測定できる小形かつ軽量の検出部を備えた装置を実現することにある。

本発明に係る振動インテンシティ測定装置は、対象物の表面上に設けられ、第１方向及び第２方向に広がった複数の検出点において振動を検出して複数の検出信号を出力する検出ユニットと、前記複数の検出信号に基づいて振動インテンシティの第１方向成分及び第２方向成分を演算し、前記第１方向成分及び前記第２方向成分から前記振動インテンシティをベクトルとして演算する演算ユニットと、を含むことを特徴とするものである。

上記構成によれば、検出ユニットが対象物の表面上に設けられ、その検出ユニットによって、第１方向及び第２方向の両方向に広がった複数の検出点において振動が検出され、これにより複数の検出信号が得られる。演算ユニットは、複数の検出信号に基づいて２つの方向についてそれぞれ独立して振動インテンシティ成分（第１方向成分、第２方向成分）を求めた上で、それらに基づくベクトル演算により振動インテンシティを演算する。このように、本発明は、二成分の個別的な演算及びそれらの演算結果の合成という簡易な手法により簡易的に振動インテンシティを求めるものである。

望ましくは、前記複数の検出点には、前記第１方向に離間した２つの検出点からなる第１検出点ペアと、前記第２方向に離間した２つの検出点からなる第２検出点ペアと、が含まれ、前記演算ユニットは、前記複数の検出信号における前記第１検出点ペアに対応する第１検出信号ペアに基づいて前記対象物の表面上を伝搬する曲げ波についての振動インテンシティの第１方向成分を演算する第１方向成分演算部と、 前記複数の検出信号における前記第２検出点ペアに対応する第２検出信号ペアに基づいて前記対象物の表面上を伝搬する曲げ波についての振動インテンシティの第２方向成分を演算する第２方向成分演算部と、前記曲げ波についての前記第１方向成分及び前記第２方向成分に基づいて前記曲げ波についての振動インテンシティを演算するベクトル演算部と、を含む。

上記構成によれば、３つ又は４つの検出点において振動が検出される。３つの検出点が定められる場合、その内で１つの検出点が共通又は兼用の検出点となる。その場合でも２つの検出点ペアを観念できる。いずれにしても、上記構成によれば、３つ又は４つといったかなり少数の検出点だけで振動インテンシティを簡易的に計測することが可能であるから、検出ユニットの物量を削減でき、また、演算ユニットの負荷を軽減して迅速に振動インテンシティを演算できる。

望ましくは、前記第１方向成分演算部は、前記第１検出信号ペアに基づいて求められる２つの速度、前記第１検出点ペアを構成する２つの検出点の間隔、及び、前記対象物の弾性を示す係数に基づいて前記第１方向成分を演算し、前記第２方向成分演算部は、前記第２検出信号ペアに基づいて求められる２つの速度、前記第２検出点ペアを構成する２つの検出点の間隔、及び、前記対象物の弾性を示す係数に基づいて前記第２方向成分を演算する。

望ましくは、前記演算ユニットは、前記複数の検出信号に対してフィルタ処理を行うバンドパスフィルタ部と、前記バンドパスフィルタ部における通過帯域の中心周波数を可変する手段と、を含み、前記バンドパスフィルタ部を通過した後の複数の検出信号が前記振動インテンシティの演算で利用される。後述する実施形態では、周波数が一定値であるとういう仮定の下で、振動インテンシティが簡易な計算式で簡略的に演算される。よって、複数の周波数に関してあるいは一定の周波数帯域に亘って振動インテンシティを調査するためにはバンドバスフィルタの通過帯域の中心周波数を段階的に又は連続的に可変するのが望ましい。

望ましくは、前記検出ユニットは、振動を検出する複数のセンサと、前記複数のセンサを搭載しつつ前記測定物の表面上に配置される基板と、を含む。共通の基板上に複数のセンサを配置すればセンサの位置決め誤差を低減でき、特にセンサ間の距離を正確に設定又は特定することが可能となる。

望ましくは、前記複数のセンサは、第１センサと、前記第１センサに対して前記第１方向に隔てて配置された第２センサと、前記第１センサに対して前記第２方向に隔てて配置された第３センサと、を含む。この構成では第１センサが兼用又は共用のセンサとなる。望ましくは、前記基板は柔軟性ある材料で構成される。この構成によれば対象物表面上への密着度を高められるから、振動を高感度に検出できる。

望ましくは、前記演算ユニットで演算された振動インテンシティの時間的変化を示すグラフを表示する表示手段を含む。この構成によれば、振動インテンシティの大きさや向きが時間的にどのように変化しているのかについて容易に理解することが可能となる。

本発明に係る検出ユニットは、対象物の表面上における第１方向及び第２方向に広がった複数の検出点において振動を検出して得られた複数の検出信号に基づいて振動インテンシティの第１方向成分及び第２方向成分を演算し、前記第１方向成分及び前記第２方向成分に基づいて前記振動インテンシティをベクトルとして演算する振動インテンシティ測定装置において利用される検出ユニットであって、前記複数の検出点に設けられ、圧電性を有する高分子樹脂フィルムを含む複数のセンサと、前記複数のセンサを搭載した柔軟な基板と、を含むことを特徴とするものである。圧電性を有する高分子樹脂フィルムとしてはＰＶＤＦフィルムがあげられる。そのような材料を利用した複数のセンサを利用すればセンサ間の特性（特に位相特性）を合わせるのが容易となる。すなわち、１枚の大型フィルムを利用して同じ条件で多数のセンサを製作すればそれらの特性は自然に揃うことになる。

本発明に係る振動インテンシティ測定方法は、対象物の表面上における第１方向及び第２方向に広がった複数の検出点において振動を検出して複数の検出信号を取得する検出工程と、前記複数の検出信号に基づいて振動インテンシティの第１方向成分及び第２方向成分を演算し、前記第１方向成分及び前記第２方向成分に基づいて前記振動インテンシティをベクトルとして演算する演算工程と、を含むことを特徴とするものである。この方法の内で、検出工程では検出ユニットが利用され、演算工程では演算ユニットとしてコンピュータ等が利用される。

本発明によれば、対象物の表面上を伝搬する振動のインテンシティを簡便に測定できる。あるいは、そのような振動インテンシティを感度良く測定できる小形かつ軽量の検出部を備えた装置を実現できる。

本発明に係る振動インテンシティ測定装置の好適な実施形態を示すブロック図である。 センサアレイの断面図である。 周波数とセンサ間隔の最大値との関係を示す図である。 インテンシティの表示例を示す図である。 検出ユニットの第２例を示す図である。 検出ユニットの第３例を示す図である。 検出ユニットの第４例を示す図である。 検出ユニットの第５例を示す図である。 検出ユニットの第６例を示す図である。 検出ユニットの第７例を示す図である。 検出ユニットの第８例を示す図である。 捻り振動インテンシティを測定するための構成を示す図である。 ｘ方向に並んだ４つのセンサを示す図である。 ｘ方向に並んだ２つのセンサを示す図である。 二次元配列された４つのセンサを示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
（１）一般的な振動インテンシティ演算方法
対象物として剛性率Ｂをもった２次元的に広がる平板を想定する。その平板の表面上において、ｘ方向に伝搬する振動についてのインテンシティ（振動インテンシティ）は、平面の表面変位をｗとし、ポアソン比をμとした場合、非特許文献３〜５に記載されているように、一般的に、以下の（１）式のように表される。

解析対象となる振動が梁の表面上での振動のような１次元の振動であるならば、上記（１）式は以下の（２）式のように簡略化される。

上記の（２）式を直接的に解くことはできないが、非特許文献６によれば、差分法を用いつつ、以下のように、曲げ波の振動インテンシティを求めることが可能である。すなわち、図１３に示すように、ｘ方向に間隔ｄをもって設定された４つの位置＃１〜＃４に４つの振動センサ（加速度センサ）を配置した上で、各振動センサにより表面変位ｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，ｗ_４を検出すれば、それらを用いて、以下の式（３）〜（６）が成り立ち、

これらから、曲げ波の振動インテンシティが以下の（７）式のように求められる。但し、ｖ_１，ｖ_２，ｖ_３，ｖ_４は４つの位置＃１〜＃４での振動速度である。

この従来の振動インテンシティ演算方法では、計測対象となった方向につき、４つの振動センサを設ける必要がある。表面上の任意の方向に伝搬する曲げ波についても上記各仮定が成り立つとみなせるならば、２つの方向についてそれぞれ振動インテンシティ成分を演算するために、合計８個以上の振動センサを利用する必要がある。このため検出ユニットの大型化、演算回路の複雑化といった問題が生じる。

（２）本実施形態に係る振動インテンシティ演算方法（その１）
伝搬する曲げ波が単一周波数をもった平面波であると仮定できるような場合には、以下の（８）式に示す条件が成立する。ここで、ｋは曲げ波の波数である。

上記（８）式から、上記（２）式を以下の（９）式のように簡略化できる。

一方、以下の差分近似を用いて、

図１４に示すようなｘ軸上で間隔ｄをもって設定された２つの振動センサで検出される振動速度をｖ_１，ｖ_２とすれば、ｘ方向に伝搬する曲げ波についての振動インテンシティが以下の（１２）式のように求められる。

上記（１２）式を導出する過程では幾つかの仮定をしたが、更に、直交する２つの方向（ｘ方向，ｙ方向）について上記（１２）式が成り立つとみなせる状況下においては、ｘ方向及びｙ方向についてそれぞれ上記（１２）式を計算することにより、振動インテンシティのｘ軸方向の成分（ｘ成分）及びｙ軸方向の成分（ｙ成分）を求めることができ、それらの合成により二次元の振動インテンシティについて方向と大きさを求めることが可能である。つまり、振動インテンシティをベクトルとして演算することが可能である。振動インテンシティの簡易計測が優先される用途においてはそのようなベクトル演算を有効に活用できる。この演算方法では、上記のように単一周波数が前提となっているため、センサ信号の処理に当たっては特定の周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ等を利用するのが望ましい。バンドパスフィルタ特性（特に通過帯域の中心周波数）を可変できるように構成すれば、複数の周波数について振動インテンシティを演算することができ、あるいは、一定の周波素帯域にわたって振動インテンシティを演算することが可能である。

なお、振動の伝搬体（対象物）の剛性率Ｂ及びポアソン比μについては、公知材料であれば事前に求めておくことができ、未知材料であれば何らかの手法を利用してそれらのパラメータを実測してもよい。上記（１２）式に含まれる波数ｋについては、ユーザーが入力してもよいし、周波数、剛性率Ｂ及びポアソン比μ等の情報から計算されてもよい。更に周波数や材料名の指定によって波数ｋが自動的に選択されてもよい。

（３）本実施形態に係る振動インテンシティ演算方法（その２）
以下に波数ｋを用いない演算方法について説明する。平板上の曲げ波については更に以下の（１３）式が成り立ち（但し、ｍは質量面密度であり、ωは角周波数である）、

加えて、表面加速度α_１，α_２については、単振動の場合に、以下のように表されるので、

上記の（１２）式は以下の（１６）式のように書き換えることができる。

上記（１６）式には波数ｋが含まれていないので、それを特定することなく、振動インテンシティを演算することが可能である。なお、波数ｋは、対象物が板の場合に、通常、周波数の関数となるところ、波数ｋを容易に特定できないような場合に上記（１６）式を活用できる。

上記（１６）式を用いた演算をｘ方向及びｙ方向に独立して適用した上で、２つの方向での演算結果を直交座標系上で合成することにより、振動インテンシティをベクトルとして簡易に演算することが可能である。なお、上記（１６）式中において、位相を９０度変える部分は例えば移相器により実現可能である。

上記（１２）式及び（１６）式のいずれも例えばパーソナルコンピュータ等の情報処理装置を利用して計算を行うことが可能である。もちろん専用ハードウエアによってその計算が行われてもよい。それらの計算式には積分処理が含まれているが、本実施形態では、リアルタイムで各時刻の振動インテンシティを演算することが可能であり、つまり瞬時インテンシティの時間変化を観測することが可能である。

（４）捩じり振動のインテンシティの演算方法
対象物の表面上を伝搬する振動の内で、音響的放射に関わるのは上記の曲げ波であり、曲げ波について振動インテンシティを計測すべき必要性が高いが、上記の演算手法を応用し又は発展させて、平板上を伝搬する捩じり振動についてインテンシティを演算することも可能である。以下にそれを説明する。

平板上において一次元方向（ｘ方向）に伝搬する捻り振動のインテンシティは、上記（１）式に基づき、以下の（１７）式のように表される。

ここで、図１３に示されるようなセンサアレイを前提とする。センサアレイは、二次元的に設定された４つの位置＃１〜＃４に配置された４つの振動センサ（加速度センサ）により構成されるものである。４つの位置＃１〜＃４での表面変位をｗ_１，ｗ_２，ｗ_３，ｗ４で表し、それらの位置で計測される振動速度をｖ_１，ｖ_２，ｖ_３，ｖ_４で表すものとする。以下のような差分近似から、

捩じり振動の振動インテンシティを以下の（２０）式に示すように計算できる。

上記（２０）式を直交する２つの方向に個別適用すれば捩じり振動についてベクトルとしてのインテンシティを簡易に求めることが可能である。なお、この場合においてはセンサアレイを各方向の演算で共用することが可能である。

（５）センサアレイ
曲げ波等の振動インテンシティをベクトルとして求める場合、各計測地点で振動（加速度）を高精度に求める必要がある。しかしながら、従来の一般的な加速度センサにおいてはセンサ間においてどうしても特性のバラツキが認められる。そこで、本実施形態では、特性が揃い易い薄膜状の高分子圧電材であるＰＶＤＦ（Polyvinylidene Fluoride:ポリフッ化ビニリデン）シートを利用した複数のセンサを利用している。ＰＶＤＦシートは軽く、柔軟であり、堅牢なものである。そのようなシートを利用して複数のセンサを同時に製作すれば、個々のセンサの感度や帯域特性を高められる他、センサ間における位相の整合度を高められる。よって、振動インテンシティの計測精度あるいは計測の信頼性を高められる。軽量であれば対象物の振動への影響を非常に小さくできる。そのような複数の振動センサを共通の基板上に配置すれば位置決め精度を向上できる。共通の基板として、硬質基板を用いることも可能であるが、軟質基板を用いれば対象物表面上に検出ユニットを密着して配置することが容易となる。特に平面でない例えば湾曲した面に対する配置に際しては軟質基板を利用するのが望ましい。軟質基板の材料としては、柔軟性を有する樹脂やゴム材料をあげることができる。センサアレイの具体例については後に説明する。

（６）曲げ波のインテンシティ測定
図１には、本発明に係る振動インテンシティ測定装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示すブロック図である。振動インテンシティ測定装置１０は、各種構造物としての対象物の表面上において曲げ波のインテンシティを測定するものである。対象物としては、音源構造物、振動体、吸音材等を挙げることができる。対象物は固定物であってもよいし、移動物であってもよい。

図１において、振動インテンシティ測定装置１０は、大別して、検出ユニット１２及び演算ユニット１４を有している。検出ユニット１２は、対象物１６の表面上に設けられるユニットである。具体的には、検出ユニット１２は、センサアレイ１７及び基板２８を有している。基板２８は、本実施形態において、柔らかく薄いシート状の部材として構成されており、その材料としては樹脂やゴム材を挙げることができる。もちろん、硬質の基板２８を利用することも可能である。

センサアレイ１７は、図１の構成において、３つのセンサ１８，２０，２２より構成されている。すなわち、ｘ方向に距離ｄを隔てて配置された２つのセンサ１８，２０が設けられており、それと一部重複しつつ、ｙ方向において間隔ｄをもって配置された２つのセンサ２０，２２が設けられている。センサ２０は、図１に示される構成例において、２つの方向（すなわちｘ方向及びｙ方向）について共用されている兼用センサである。後に説明するように、ｘ方向について２つのセンサを配置し、ｙ方向についても２つのセンサを配置し、これにより合計４つのセンサを利用するようにしてもよい。

各センサ１８，２０，２２は、本実施形態において、圧電性高分子樹脂フィルムであるＰＶＤＦフィルムを利用した加速度センサである。その具体的な構成例については後に図２を用いて説明する。各センサ１８，２０，２２は基板２８の表面上に固定されている。各センサ１８，２０，２２は、ｘ方向及びｙ方向の両方向に直交するｚ方向の変位（対象物の表面変位）を感知する加速度センサである。

なお、図１においては、曲げ波が符号２４によって模式的に表されている。曲げ波２４は、対象物１６の表面１６Ａ上を伝搬する波である。表面１６Ａに対して基板２８の裏面が密着した状態をもって検出ユニット１２が配置されている。表面１６Ａにおいて曲げ波２４が伝搬する際に生じる振動が基板２８を介して各センサ１８，２０，２２において検出される。図１に示される基板２８は正方形を有しており、それは薄いフィルム状の形態をもっている。符号２６は検出中心を示しており、それは例えばベクトルの基点とみなされる。

次に、演算ユニット１４について説明する。３つのセンサ１８，２０，２２から出力された３つの検出信号が、３つの入力回路３０，３２，３４に与えられている。各入力回路３０，３２，３４は、例えば、プリアンプ、Ａ／Ｄ変換器等を有する。各入力回路３０，３２，３４において、検出信号に対する前処理が実行される。処理後の３つの検出信号が３つのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３６，３８，４０に入力される。本実施形態において、ＢＰＦ３６，３８，４０の帯域特性につき、中心周波数及び帯域幅を可変可能である。図示されていない制御部によって、それらが可変設定される。計測対象となる周波数に応じて周波数条件が選択され、その周波数条件に従ってＢＰＦ３６，３８，４０の通過帯域の中心周波数が設定される。例えば、中心周波数を段階的に切り替えながら、個々の周波数について曲げ波のインテンシティが順次演算されるように構成してもよい。

Ｘ成分演算部４２は、曲げ波２４のインテンシティの内でｘ方向成分を演算するためのモジュールである。同様に、Ｙ成分演算部４４は曲げ波２４のインテンシティの内でｙ方向成分を演算するモジュールである。Ｘ成分演算部４２及びＹ成分演算部４４に対しては制御部から必要なパラメータ情報が与えられている。本実施形態では、Ｘ成分演算部４２及びＹ成分演算部４４が、上述した（１２）式または（１６）式を実行することにより、各方向についてのインテンシティ成分を演算している。より詳しくは、Ｘ成分演算部４２は、ｘ方向に隔てて配置された２つのセンサ１８，２０からの２つの検出信号に基づいて、上述した（１２）式または（１６）式を実行することにより、インテンシティのｘ成分を求めている。これと同様に、Ｙ成分演算部４４は、ｙ方向に隔てて配置された２つのセンサ２０，２２からの２つの検出信号に基づき、上述した（１２）式または（１６）式を実行することにより、インテンシティのｙ成分を演算している。（１２）式および（１６）式の導出にあたってはいくつかの仮定がなされており、そのような仮定が厳密には満たされない場合であっても、本実施形態によれば、簡易な構成および簡易な演算をもって曲げ波のインテンシティに相当する情報を求めることが可能である。

ちなみに、（１２）式および（１６）式において、加速度から速度を求めるにあたっては例えば積分処理が実行される。（１６）式中には９０度位相シフトの部分が含まれており、それを実行するためには移相演算を行えばよい。それらの計算式を繰り返し実行して、各時刻のインテンシティ（瞬時インテンシティ）をリアルタイムで順次演算することが可能である。

平均回路４６，４８は必要において設けられる。すなわち、上述のように演算されたｘ成分およびｙ成分についてそれぞれ個別的に平均化処理が必要な場合に平均回路４６，４８が利用される。平均化処理前の２つの信号をベクトル演算部５０や表示処理部５２に出力するようにしてもよい。各平均回路４６，４８は上記のように各成分に対する平均化処理を実行するものであり、そのような処理によればＳ／Ｎ比を向上できるという利点が得られる。

ベクトル演算部５０は、ｘ方向について求められたインテンシティ成分およびｙ方向について求められたインテンシティ成分に基づいて、ベクトルとしてのインテンシティを演算するモジュールである。すなわち、曲げ波のエネルギーについて方向および大きさを求めるものである。ベクトル演算部５０から表示処理部５２へベクトル情報が出力される。

表示処理部５２は、表示部５４における表示画面上に表示する画像を生成する機能を備えている。本実施形態においては、表示処理部５２は、時間軸上において各時刻での瞬時インテンシティを表したグラフを生成する機能を有している。例えば、そのようなグラフは、ｔ軸、ｘ軸およびｙ軸を有する三次元グラフである。表示部５４においては、図１に示される構成によって計測された計測結果が表示される。そのような計測結果には上述したベクトルとしての曲げ波のインテンシティが含まれる。２つの成分が独立して表示されてもよい。また各センサの検出値が別途表示されてもよい。

図１に示した構成によれば、従来方法に比べ、簡易な構成及び簡易な演算でベクトルとしての曲げ波のインテンシティを演算することが可能であるので、実用性の高い装置を提供できる。特に、個々のセンサ１８，２０，２２としてＰＶＤＦを利用したセンサを用いたので、複数のセンサ間で位相特性を自然に揃えることができる。つまり、事後的な位相合わせ調整等が不要となる。よって、簡単な製造方法を適用しつつも高精度な検出を実現できる。特に、そのようなセンサは軽量であるので、対象物それ自身の振動に与える影響も小さい。さらに、本実施形態においては、検出ユニット１２が有する基板２８が柔らかいので、対象物の表面形状が平面でないような場合であっても、密着度を高められるという利点が得られる。

なお、図１に示した構成においては、３つの検出信号が並列的に処理されていたが、もちろん時分割処理を適用することも可能である。演算ユニット１４については、入力インターフェイス部分を除き、その主要部分を実質的にコンピュータで構成することも可能である。あるいはその主要部分を専用ハードウエアで構成してもよい。

上述した実施形態においては、各センサと演算ユニットの間が信号線により接続されていたが、それらの間を無線接続するようにしてもよい。その場合においては、検出ユニット１２側に送信機が設けられ、演算ユニット１４側に受信機が設けられる。そのような構成によれば、複数のケーブルを配設したことに起因して生じる対象物１６の振動への影響を防止あるいは軽減できる。

図２には、図１に示した検出ユニットの断面図が示されている。その断面図においては特にセンサ１８，２０の断面が示されている。図２に示されるように、対象物１６の表面上には基板２８が設けられ、その基板２８上に複数のセンサ１８，２０が設けられている。もう１つのセンサについては図示省略されている。図２においては、基板２８がある程度の厚みをもった部材として描かれているが、実際にはそれは薄いシート状の部材である。

各センサ１８，２０は互いに同一の構造を有しており、ここではセンサ１８を代表として、その構造を説明する。センサ１８はＰＶＤＦフィルム５８を有し、それが圧電材料として機能する。フィルム５８の表面および裏面には薄い電極層が形成されている。それらの電極層に対しては図示されていないリードが接続されている。フィルム５８の上方には重り６０が設けられている。重り６０の運動を妨げない限りにおいて、ケース５６内が樹脂等の材料によりモールドされてもよい。上述したように、個々のセンサ１８，２０としてＰＶＤＦフィルムを用いたものを利用すれば、複数のセンサ間において位相合わせが基本的に不要となり、また各センサを小型化でき、また軽量化することが可能である。図２に示したセンサ構造は一例であって、他の構造を採用することも可能である。

図３には、検出器アレイを構成するに際しての条件として、周波数とセンサ間隔最大値との関係が示されている。符号６２は対象物が厚い場合における特性を示しており、符号６４は対象物が薄い場合における特性を示している。横軸は周波数であり、縦軸はセンサ間のピッチが取り得る最大値を表している。図示されるように周波数に応じてセンサ間の間隔を必要に応じて調整するのが望ましい。また対象物の厚みや構造に応じてその間隔を適宜設定するのが望ましい。

図４には表示部の画面上に表示されるグラフの一例が示されている。このグラフ６６は三次元グラフであり、３つの軸すなわちｔ軸（時間軸）、ｘ軸、ｙ軸を有している。時間軸上における各時刻上にベクトル６６ａが表示され、これによって時間軸上に沿って複数のベクトル６６ａからなるベクトル列が構成されている。各ベクトル６６ａはそれぞれの時刻における曲げ波の瞬時インテンシティ（大きさ、向き）を表している。このようなグラフ６６に基づいてインテンシティの時間的な変化を視覚的に容易に認識することが可能である。もちろん他の表示例を採用してもよい。

（７）検出ユニットの他の構成例
図５には、検出ユニットの第２例が示されている。検出ユニット６７は基板６８及び３つのセンサ１８，２０，２２を有している。符号２６は検出中心を示している。基板６８は、図１に示したものとは異なり、三角形の形態を有している。すなわち、センサ間においてできる限り弾性的結合が生じないように、また、検出ユニット６７が軽量化されるように、基板６８の形態が定められている。

図６には、検出ユニットの第３例が示されている。検出ユニット６９は基板７０と３つのセンサ１８，２０，２２とを有し、基板７０は図示されるようにＬ字形を有している。符号２６は検出中心を示している。このような構成によれば、各センサにおける位置決め精度を確保しつつも、センサ間における弾性的結合をより小さくすることが可能である。しかも基板７０の量が少なくなっているので、検出ユニット全体としてより軽量化が図られている。

図７には、検出ユニットの第４例が示されている。検出ユニット７２は２つのサブユニット７４Ａ，７４Ｂにより構成され、それらは互いに同一の構成を有している。サブユニット７４Ａは、Ｙ方向に伸長した基板と、その上に配置された２つのセンサ７８，８０と、により構成されている。サブユニット７４Ｂも同様の構成を有している。ちなみに符号８２は検出中心を示している。

このような構成によれば、サブユニット７４Ａと同じ形態のものを複数製造しておくことにより、状況に応じて必要な個数のサブユニットを利用して検出ユニットを構成できるという利点が得られる。また、このような構成によれば、ｘ方向とｙ方向とにおいてピッチを異ならせることも可能である。但し、２つのサブユニット７４Ａ，７４Ｂ間における位置決め誤差が生じやすくなるため、そのような誤差を軽減するための配慮が必要となる。

図８には、検出ユニットの第５例が示されている。検出ユニット８４は、サブユニット８６Ａおよびサブユニット８６Ｂを有している。サブユニット８６Ａはｙ方向に伸長した基板とその両端部に設けられたセンサ８８，９０とを有している。サブユニット８６Ｂはｘ方向に伸長した基板とその両端に設けられたセンサ８９，９０とを有している。このような構成により、検出ユニット８４全体として見て、Ｔ字形のユニット形態が実現されている。

このような構成においては、サブユニット８６Ａにおいてｙ方向についてのインテンシティ成分が計測されることになり、サブユニット８６Ｂにおいては、Ｘ方向についてのインテンシティ成分が計測されることになる。

ちなみに、上記の図７に示した検出ユニット７２においては、４つのセンサを同時に利用するようにしてもよいし、その中から３つのセンサを選択して利用するようにしてもよい。後述する捻り波のインテンシティの測定にあたっては４つのセンサが利用される。

図９には、検出ユニットの第６例が示されている。検出ユニット９２は、十字型に配置された基板を有しており、その内でｘ方向に伸長した基板９４にはその両端にセンサ９８，１００が設けられ、ｙ方向に伸長した基板９６の両端にはセンサ１０２，１０４が設けられている。このような構成によれば検出中心を十字形の中心に位置できる。図８に示した第５例と同様に、図８に示した第６例においても、それぞれのサブユニット毎にインテンシティ成分が計測される。

図１０には、検出ユニットの第７例が示されている。検出ユニット１０６は、正方形の基板１０８と、その四隅に設けられたセンサ１１０〜１１６とを有している。検出中心が符号１１８で示されている。

図１１には、検出ユニットの第８例が示されている。検出ユニット１２０は、基板１２２とその四隅に設けられたセンサ１２４〜１３０とを有している。基板１２０の中央部分は開口１２２Ａとなっており、その部分をくり抜いたことにより、検出ユニット１２０の軽量化が図られている。また同時に個々のセンサ間における弾性的結合が軽減されている。このような構成によれば、４つのセンサ間における位置決め精度を確保しつつも、センサ全体としての軽量化を図り、またセンサ間における相互の影響を軽減できるという利点が得られる。

（８）捩じり振動のインテンシティ測定
図１２には捻り振動のインテンシティを測定する装置１３４が概略的に示されている。装置１３４は検出ユニット１３６と演算ユニット１３８とで構成される。検出ユニット１３６は対象物の表面上に貼り付けられるものであり、図１０に示した検出ユニット１０６と同様の構成を有している。すなわち検出ユニット１３６は、四角形の基板１４０と、その上面側に設けられた４つのセンサからなるセンサアレイ１４２と、により構成されている。

演算ユニット１３８に対しては４つのセンサから出力された４つの検出信号が与えられており、図示の例においては、それらの信号に対する処理を行う４つのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１４３が設けられている。但し、帯域制限等を行う必要が無ければそのようなＢＰＦを設けなくてよい。信号処理後の４つの検出信号が捩じり振動インテンシティ演算部１４４に送られている。その演算部１４４は上述した（２０）式を実行するものであり、望ましくはｘ方向およびｙ方向について捩じり振動のインテンシティ成分が演算される。それによりベクトルとしての捩じり振動インテンシティが演算される。そのような捩じり振動インテンシティをベクトルとして時刻毎に演算したうえで、図４に示したような３次元グラフを形成してもよい。

１０ 振動インテンシティ測定装置、１２ 検出ユニット、１４ 演算ユニット、１６ 対象物、１７ センサアレイ、１８，２０，２２ センサ、２４ 曲げ波、３６，３８，４０ バンドパスフィルタ、４２ Ｘ成分演算部、４４ Ｙ成分演算部、５０ ベクトル演算部。

Claims (10)

1. 対象物の表面上に設けられ、第１方向及び第２方向に広がった複数の検出点において振動を検出して複数の検出信号を出力する検出ユニットと、
   前記複数の検出信号に基づいて振動インテンシティの第１方向成分及び第２方向成分を演算し、前記第１方向成分及び前記第２方向成分から前記振動インテンシティをベクトルとして演算する演算ユニットと、
   を含むことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
2. 請求項１記載の振動インテンシティ測定装置において、
   前記複数の検出点には、前記第１方向に離間した２つの検出点からなる第１検出点ペアと、前記第２方向に離間した２つの検出点からなる第２検出点ペアと、が含まれ、
   前記演算ユニットは、
   前記複数の検出信号における前記第１検出点ペアに対応する第１検出信号ペアに基づいて前記対象物の表面上を伝搬する曲げ波についての振動インテンシティの第１方向成分を演算する第１方向成分演算部と、
   前記複数の検出信号における前記第２検出点ペアに対応する第２検出信号ペアに基づいて前記対象物の表面上を伝搬する曲げ波についての振動インテンシティの第２方向成分を演算する第２方向成分演算部と、
   前記曲げ波についての前記第１方向成分及び前記第２方向成分に基づいて前記曲げ波についての振動インテンシティを演算するベクトル演算部と、
   を含むことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
3. 請求項２記載の振動インテンシティ測定装置において、
   前記第１方向成分演算部は、前記第１検出信号ペアに基づいて求められる２つの速度、前記第１検出点ペアを構成する２つの検出点の間隔、及び、前記対象物の弾性を示す係数に基づいて前記第１方向成分を演算し、
   前記第２方向成分演算部は、前記第２検出信号ペアに基づいて求められる２つの速度、前記第２検出点ペアを構成する２つの検出点の間隔、及び、前記対象物の弾性を示す係数に基づいて前記第２方向成分を演算する、
   ことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動インテンシティ測定装置において、
   前記演算ユニットは、
   前記複数の検出信号に対してフィルタ処理を行うバンドパスフィルタ部と、
   前記バンドパスフィルタ部における通過帯域の中心周波数を可変する手段と、
   を含み、
   前記バンドパスフィルタ部を通過した後の複数の検出信号が前記振動インテンシティの演算で利用される、
   ことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
5. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動インテンシティ測定装置において、
   前記検出ユニットは、
   振動を検出する複数のセンサと、
   前記複数のセンサを搭載しつつ前記測定物の表面上に配置される基板と、
   を含むことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
6. 請求項５記載の振動インテンシティ測定装置において、
   前記複数のセンサは、
   第１センサと、
   前記第１センサに対して前記第１方向に隔てて配置された第２センサと、
   前記第１センサに対して前記第２方向に隔てて配置された第３センサと、
   を含むことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
7. 請求項５記載の振動インテンシティ測定装置において、
   前記基板は柔軟性ある材料で構成された、
   ことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動インテンシティ測定装置において、
   前記演算ユニットで演算された振動インテンシティの時間的変化を示すグラフを表示する表示手段を含む、
   ことを特徴とする振動インテンシティ測定装置。
9. 対象物の表面上における第１方向及び第２方向に広がった複数の検出点において振動を検出して得られた複数の検出信号に基づいて振動インテンシティの第１方向成分及び第２方向成分を演算し、前記第１方向成分及び前記第２方向成分に基づいて前記振動インテンシティをベクトルとして演算する振動インテンシティ測定装置において利用される検出ユニットであって、
   前記複数の検出点に設けられ、圧電性を有する高分子樹脂フィルムを含む複数のセンサと、
   前記複数のセンサを搭載した柔軟な基板と、
   を含むことを特徴とする検出ユニット。
10. 対象物の表面上における第１方向及び第２方向に広がった複数の検出点において振動を検出して複数の検出信号を取得する検出工程と、
    前記複数の検出信号に基づいて振動インテンシティの第１方向成分及び第２方向成分を演算し、前記第１方向成分及び前記第２方向成分に基づいて前記振動インテンシティをベクトルとして演算する演算工程と、
    を含むことを特徴とする振動インテンシティ測定方法。