JP3121681B2 - ハンマリング音監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電プラントその他の
各種プラントの機器設備に発生するウォータハンマある
いはスチームハンマを、音響信号の過渡的な変動に基づ
いて自動検知するハンマリング音監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、発電プラントや化学プラント
は、非常に多くの機器、設備から構成されている。これ
ら大規模プラントは、長期間に渡り連続して運転され、
また、事故による停止は社会的に大きな影響を及ぼす。
したがって、プラントの機器設備の異常の早期発見およ
び早期対策は、重大な事故を未然に防ぐためにも、機器
設備の有効な保全手段としても非常に価値あることとい
える。

【０００３】特に、蒸気や水等の流体を扱う機器や配管
系統に発生するウォータハンマやスチームハンマ（以
下、ハンマリングと称す。）は、その規模が大きなもの
になると機器設備の破壊に直結し、高温高圧の蒸気の流
出等により大きな事故に発展する可能性がある。

【０００４】また、ハンマリング音は、機器設備の制御
装置の異常やポンプ類の性能劣化または弁シート部のリ
ーク等に起因して発せられる場合が多く、これら機器設
備全般の保全手段としてハンマリング音を監視する意義
は大きい。

【０００５】これらの機器、設備の監視は、従来、現場
の巡視に依るものが多く、時間を要するだけでなく、悪
環境下での作業を伴ない、巡視員への負担は非常に大き
かった。また近年では、熟練者の減少や、産業界全般の
労動力不足もあり、これらの巡視作業を、マイクロホン
や振動センサ等を用いて自動化することが試みられてい
る。

【０００６】特にハンマリング音は、蒸気リーク音等の
ように長時間継続して音が発せられないのが一般的で、
定期的な巡視では捕えられない可能性が高いこともあ
り、センサによる自動監視の要望が強い。

【０００７】発電プラント機器設備への異常検知装置の
適用例を図１３に示す。同図に示すように、監視対象機
器１の近傍には、マイクロホン２が設置されており、こ
のマイクロホン２で捕えた音響信号は音響処理装置３に
よって処理され、異常の有無が判断される。そして、判
断結果は通報装置４に送られ、プラント運転員に通報さ
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ハンマ
リング音は、一般に１秒以下の短い過渡音として発せら
れるため、他の多くの異常音監視装置のように、数十秒
あるいは数分の周期で定期的に音響信号を解析する方法
では、ハンマリング音を捕促できない可能性が高い。

【０００９】そこで、音響信号を連続的に間断無く取り
込んで解析を行う手段が必要となるが、従来は、音響あ
るいは振動信号を連続して監視する方法として、信号の
レベルを連続的にしきい値と比較する手法が一般的に用
いられてきた。

【００１０】しかし、このような方法では、時間軸上で
の波形の特徴を異常判定の基準として扱わない。このた
め、たとえば、図１４に示すハンマリング音波形、図１
５に示すページング音波形から、それぞれ図１６に示す
ハンマリング音実効値波形、図１７に示すページング音
実効値波形を得た場合、ハンマリング音と所内のページ
ング音の外乱音との識別が難かしく、誤検知する可能性
が高いという問題があった。

【００１１】本発明は、かかる従来の事情に対処してな
されたもので、外乱音の影響を受け難く高精度でハンマ
リング音を監視することのできるハンマリング音監視装
置を提供しようとするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明のハン
マリング音監視装置は、マイクロホンを介して得た音響
信号を、ハンマリング音の特徴周波数を選択的に通過さ
せ、時系列データとして取り込む手段と、取り込んだ時
系列データから、音圧がしきい値を越えかつ一定時間持
続している波形をハンマリング音類似波形として抽出
し、このハンマリング音類似波形の中から最大音圧を算
出するとともに該ハンマリング音類似波形の発生時間間
隔の分布から発生時間間隔評価値を算出し、前記最大音
圧と前記発生時間間隔評価値をそれぞれしきい値と比較
してハンマリング音の有無を判断する手段と、前記判定
結果を通報装置に出力する手段とを具備したことを特徴
とする。

【００１３】

【作用】上記構成の本発明のハンマリング音監視装置で
は、取り込んだ時系列データから、音圧がしきい値を越
えかつ一定時間持続している波形をハンマリング音類似
波形として抽出する。

【００１４】そして、このハンマリング音類似波形の中
から最大音圧を算出するとともに、ハンマリング音類似
波形の発生時間間隔の分布から発生時間間隔評価値を算
出し、これらの最大音圧と発生時間間隔評価値をそれぞ
れしきい値と比較してハンマリング音の有無を判断す
る。すなわち、音圧、持続時間の長短、発生時間間隔に
よって異常なハンマリング音が発生しているか否かを判
断する。したがって、電気的なノイズやページング音等
の外乱音の影響を受け難く高精度でハンマリング音を監
視することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明のハンマリング音監視装置の詳
細を、実施例について図面を参照して説明する。

【００１６】図１は、発電プラントの機器設備を監視す
る本発明の一実施例のハンマリング音監視装置の概略構
成を示すもので、監視対象機器１の近傍には、マイクロ
ホン２が設置されており、このマイクロホン２で捕えた
音響信号は音響処理装置５によって処理され、異常の有
無が判断される。そして、判断結果は通報装置４に送ら
れ、プラント運転員に通報される。

【００１７】上記音響処理装置５は、帯域フィルタおよ
び実効値への変換回路よりなるアナログ入力処理部６
と、実効値の信号をディジタルデータとして取り込むＡ
Ｄ変換部７と、ディジタル化した音響信号を処理して監
視対象機器１の正常・異常を判定する演算部８と、判定
結果を通報装置４に出力する出力部９とから構成されて
いる。

【００１８】次に、図２を参照して音響処理装置５によ
って実施される処理について説明する。なお、図２にお
いて、フィルタリングおよび実効値変換（ステップ１
０、１１）はアナログ入力部６、サンプリング（ステッ
プ１２）はＡＤ変換部７、波形識別と判定用データ算出
および判定（ステップ１３、１４、１５）は演算部８、
出力（ステップ１６）は出力部９によって行われる。

【００１９】マイクロホン２を介して音響処理装置５が
得た音響信号は、まずアナログ入力部６において、ハン
マリング音の特徴周波数帯域の音響信号のみ通過させ、
フィルタリングされる（ステップ１０）。

【００２０】ここで、ハンマリング音の周波数は、その
管径や保温材の有無、内部流体の種類や圧力によって違
ってくるが、概ね１００Ｈz 〜数ＫＨz の中に入るの
で、基本的には１００Ｈz 〜数ＫＨz の音を通過させ
る。ただし１００Ｈz 〜数ＫＨzの範囲内であっても、
外乱音の影響が大きい帯域については、選択的に除去す
ることにより検知能力を向上できる場合もある。本実施
例では、図３に示すようにページング音および蒸気の絞
り音の影響が比較的少ない０．５〜１．５ＫＨz の音響
信号を通過させる。次に、アナログ入力部６において、
図４に示すようなフィルタリング後の波形を、図５に示
すように実効値に変換する（ステップ１１）。

【００２１】実効値への変換は、使用する時定数によっ
て変換後の特性が大きく異なる。瞬間的な音であるハン
マリング音を捕えるためには、時定数は短い方がよい
が、短すぎると低周波の音自身に反応するようになるた
め、フィルタリングの際の通過帯域と合わせて最良値に
設定する必要がある。本実施例においては、変換の際の
時定数を２０ミリ秒前後に設定し、０．５ＫＨz 以上の
波形が実効値への変換後の波形に影響しないようにして
いる。

【００２２】次に、ＡＤ変換部７において、実効値へ変
換後の音響信号を一定のサンプリング周期でディジタル
量として取り込み、時系列データとして記憶する（ステ
ップ１２）。

【００２３】サンプリング周期は、実効値の波形の特徴
を離散化データとして再現できるよう設定する必要が有
り、実効値への変換の際の時定数と合わせて最良値に設
定する。本実施例ではサンプリング周期は２０ミリ秒と
し、実効値への変換の時定数に近い値をとることによ
り、実効値の波形の特徴が捕えられ、かつディジタル量
がなるべく少なくなるようにしている。

【００２４】次に、演算部８において、図６に示すよう
に、入力した時系列データの中から以下の２項目の条件
を満たす波形データを抽出し、ハンマリング音類似波形
として記憶する（ステップ１３）。 （１）音圧： 音圧がしきい値を越えるデータを選択す
る。

【００２５】ただし、発電プラントにおいては暗騒音が
常時変動するため、本実施例では、図７に示すように、
入力データの平均値に音圧変動しきい値を加算したもの
を音圧しきい値として用いる。たとえば、音圧変動しき
い値を２．０Ｐａとすれば、入力データの平均レベルが
１．５Ｐａのときの音圧しきい値は、双方を加算して
３．５Ｐａとなる。 （２）持続時間： 上記（１）を満たすデータのうち、
一定時間範囲内で連続するデータを抽出する。

【００２６】ハンマリング音は一般的に１秒以内の短い
音であり、一方、周波数帯が近いため誤検知の要因にな
り易いページング音は１秒以上の長い時間持続する場合
が多い。また電気的なノイズ等はハンマリング音より短
い場合が多い。そこで、図８に示すように、持続時間が
短かければ電気的なノイズ等、また長ければページング
音等の外乱と考え除外する。本実施例においては、持続
時間の範囲を０．１〜０．３秒としている。したがっ
て、本例のサンプリング周期は２０ミリ秒であることか
ら、５点ないしは３０点連続して音圧しきい値を越えた
場合ハンマリング音類似波系として記憶されることにな
る。次に、演算部８において、以前に記憶したハンマリ
ング音類似波形の中から判定用に以下のデータを算出す
る（ステップ１４）。 （１）最大音圧

【００２７】図６に示すようにハンマリング音類似波形
のデータの中で最大の音圧を示すデータを求める。本実
施例においては、記憶しているハンマリング音類似波形
の全てのデータのうち、最近の３分間に保存されたもの
に限って処理を行い、それ以前の古いデータが影響して
継続的に異常の通報が行われる事態を回避している。 （２）発生時間間隔評価値

【００２８】図９に示すように、記憶されている各ハン
マリング音類似波形における音圧極大点間の時間差を、
発生時間間隔として算出する。そして全データに対し
て、ハンマリング特有の時間間隔で記憶されているデー
タが占める割合を発生時間間隔評価値として算出する。
ハンマリング音は一般的に数秒乃至１０数秒の間隔で発
生する場合が多いことから、ハンマリング音と見なす時
間間隔はこの数秒乃至１０数秒の範囲を基準に設定す
る。本例では１秒以上３０秒以下とし、下式で発生時間
間隔評価値を算出する。 発生時間間隔評価値＝１秒以上３０秒以下のデータ数／
総数 ただし、総数０の場合には発生時間間隔評価値は０とす
る。

【００２９】次に、演算部８において、上記ステップ１
４で算出された最大音圧および発生時間間隔評価値を、
それぞれしきい値と比較することによって、ハンマリン
グ音発生の有無を判定する（ステップ１５）。

【００３０】本実施例では、最大音圧しきい値：１０Ｐ
ａ、発生時間間隔しきい値：０．５とし、最大音圧およ
び発生時間間隔評価値が双方ともしきい値を超えていた
場合ハンマリング音が発生したと判定する。上記判定結
果は、出力部９に導がれ、ハンマリング音発生の有無や
最大音圧等のデータが通報装置４に出力される（ステッ
プ１６）。図１０に出力装置４の表示例を示す。この例
では、判定結果、最大音圧、発生時間間隔評価値、実効
値時間波形が表示されている。以上のように、本実施例
によれば、ページング音等の外乱音を除去できるため高
精度でハンマリング音の監視が可能となる。図１１は、
発電プラントの機器設備を監視する他の実施例のハンマ
リング音監視装置の構成を示すものである。

【００３１】発電プラントでハンマリング音が発生する
可能性が高いのは、一般にプラント起動時であるが、個
々の機器のレベルで見るとハンマリング音が発生するタ
イミングが異なるものが多い。そこで本実施例では発電
プラント構内に複数本のマイクロホン２を分散して設置
し、プラント運転操作に応じて、ハンマリングの発生す
る可能性の高い機器にマイクロホンを切り換えて監視を
行うよう構成されている。図１１中の信号切換装置２０
は運転操作に従って、マイクロホンの切換を行うように
構成されている。

【００３２】各マイクロホン２で捕らえた音響信号のう
ち何れか１つが、プラント運転操作に応じて信号切換装
置２０で選択され、音響処理装置５に入力される。例え
ばプラント起動時の高圧ヒータのドレン弁開の操作が行
われる際には高圧ヒータ付近のマイクロホンに切換え
る。なお、他の部分は前述した実施例と同様に構成され
ているので、同一部分には同一符号を付して、重複した
説明は省略する。

【００３３】本実施例においては、前述した実施例と同
様な効果を得ることができるとともに、発電プラントの
運転操作に伴って種々の機器設備に発生するハンマリン
グ音を比較的小型の監視装置により検知することができ
るという効果を得ることができる。

【００３４】上記各実施例では、ハンマリング音類似波
形を識別する際に、音圧と持続時間とを用いたが、この
ような波形識別の基準に、音の立ち上がり時の変化率を
加えることもできる。

【００３５】すなわち、ハンマリング音は、言葉の意味
する如く、衝撃的な音である。従って、たとえば弁の開
閉に伴うような数秒から数＋秒のオーダで徐々に変化す
る過渡的な動音や、一般的な回転機の起動時のー過性の
音のように数秒オーダで変化する音とは異なり、数１０
ミリ秒でピークに達する。そこで、音の立ち上がり時の
変化率をハンマリング音類似波形算出の基準の１つに付
加することにより、弁の開閉等に伴う外乱音を除去する
ことができる。

【００３６】この場合、図１２に示すように、音圧しき
い値を超えた直後の点と、そのーつ前の点の音圧差ΔＸ
をサンプリング時間Δｔで除すことにより、音の立ち上
がり時の変化率を算出する。そして、音圧しきい値との
比較、持続時間の判断も行い、３つの条件が全て成立し
た場合にハンマリング音類似波形として記憶する。

【００３７】このようにすれば、弁の開閉や回転機の起
動時に発生する音の立ち上がり時の変化率が低い外乱音
による誤検知を防ぐことが可能となり、検知の精度がさ
らに向上する。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明のハンマリング音監
視装置によれば、外乱音の影響を受け難く高精度でハン
マリング音を監視することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例のハンマリング音監視装
置の構成を示す図。

【図２】図１のハンマリング音監視装置の動作を説明す
るための図。

【図３】ハンマリング音の特徴周波数を説明するための
図。

【図４】入力されたハンマリング音波形の例を示す図。

【図５】実効値変換したハンマリング音波形の例を示す
図。

【図６】ハンマリング類似音データおよび最大音圧レベ
ルの算出方法を説明するための図。

【図７】音圧レベルのしきい値を説明するための図。

【図８】ハンマリング類似音データ算出の方法を説明す
るための図。

【図９】発生時間間隔評価値の算出方法を説明するため
の図。

【図１０】出力装置への判定結果の表示例を示す図。

【図１１】本発明の他の実施例のハンマリング音監視装
置の構成を示す図。

【図１２】音の立ち上がり時の変化率を説明するための
図。

【図１３】監視対象機器の異常に対する従来の検知手法
を説明するための図。

【図１４】ハンマリング音波形の例を示す図。

【図１５】ページング音波形の例を示す図。

【図１６】ハンマリング音実効値波形の例を示す図。

【図１７】ページング音実効値波形の例を示す図。

【符号の説明】

１ ……監視対象機器 ２ ……マイクロホン ４ ……通報装置 ５ ……音響処理装置 ６ ……アナログ入力処理部 ７ ……ＡＤ変換部 ８ ……演算部 ９ ……出力部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロホンを介して得た音響信号を、
   ハンマリング音の特徴周波数を選択的に通過させ、時系
   列データとして取り込む手段と、 取り込んだ時系列データから、音圧がしきい値を越えか
   つ一定時間持続している波形をハンマリング音類似波形
   として抽出し、このハンマリング音類似波形の中から最
   大音圧を算出するとともに該ハンマリング音類似波形の
   発生時間間隔の分布から発生時間間隔評価値を算出し、
   前記最大音圧と前記発生時間間隔評価値をそれぞれしき
   い値と比較してハンマリング音の有無を判断する手段
   と、 前記判定結果を通報装置に出力する手段とを具備したこ
   とを特徴とするハンマリング音監視装置。