JP4209793B2 - 音響信号に基づく異常診断方法及び該方法を実行するために用いるプログラム - Google Patents

Description

本発明は、異常発生の検出対象となる各種の産業機器や室内等の診断対象から発生する音響信号に基づいて、診断対象で異常が発生しているか否かを診断する音響信号に基づく異常診断方法及び該方法を実行するために用いるプログラムに関するものである。

音響信号を用いて機器の異常を判定しようとする手法は多いが、様々な変動音・雑音を含む信号の中から有効な音響信号のデータを区別することは難しい。例えば漏洩音に対しては、特開平７−８３７８７号公報［特許文献１］のように、共鳴状雑音環境（電磁音、気柱共鳴音など）において得られた音響信号から共鳴音雑音を除去する従来の方法の一例が示されている。この従来の方法は、監視対象の音響信号について周波数スペクトルのピークを求め、共鳴状雑音として計測した周波数スペクトルからこのピークを除去することにより補正された音響信号の周波数スペクトルを用いて、音響を監視するものである。
特開平７−８３７８７号

従来の方法では、対象音が漏洩音などの広い周波数帯域に比較的平坦な特性を有する音についての状態監視に対しては有効である。しかしながら、従来の方法では、狭帯域の周波数にピークを有する音については、共鳴状雑音として扱っているため、有用な情報として活用されていないという問題がある。

本発明の目的は、従来の方法では検出できないような異常の発生を、診断できるようにした音響信号に基づく異常診断方法及び該方法を実行するために用いるプログラムを提供することにある。

本発明は、診断対象から発生する音響信号に基づいて、診断対象で発生する異常を診断する方法を対象とする。本発明の方法では、まず診断対象が正常な状態にあるときに、音響信号を周波数分析して得た周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて、各周波数または各周波数帯域の音圧とその周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の周波数または周波数帯域に対応する音圧との相対的な差を相対的音圧差として求める。そして次に、少なくとも正常状態の音響信号収集を実施して、先に求めた周波数または周波数帯域と相対的音圧差との相関関係を基準にして、各周波数または各周波数帯域において前記異常が発生している可能性のある異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値とを定める。実際の診断時においては、診断対象から得た音響信号を周波数分析して各周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて診断時における前述の相対的音圧差を求める。そして各周波数または各周波数帯域における診断時の相対的音圧差が、各周波数または各周波数帯域における異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値により定まる範囲を逸脱したときに、その診断対象において異常が発生したと診断する。

ここで１つの周波数帯域には、複数の周波数が含まれることになる。したがって周波数帯域における音圧とは、例えば、その周波数帯域に含まれる各周波数における音圧の積分値として定義することができる。また「その周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の周波数または周波数帯域に対応する音圧」とは、対象とする周波数または周波数帯域の前後（周波数の値で見た前後）の１以上の周波数または周波数帯域の音圧の平均値や中間値（最大値と最小値の中間の値）等のように、その周波数帯域における音圧の代表値となるものである。すなわち対象とする周波数を基準にして見た場合、その対象とする周波数の前後２つの他の周波数の音圧の代表値を求め、その代表値と対象とする周波数の音圧との差を取ったものが、相対的音圧差となる。周波数帯域を対象とする場合も同様である。

本発明では、診断時においても相対的音圧差を求めて、各周波数または各周波数帯域における診断時の相対的音圧差と、各周波数または各周波数帯域における異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値とを対比する。このようにすると異常が原因となって発生する信号成分の卓越があまり大きくない場合でも、相対的音圧差には卓越の変化が比較的大きな音圧差となって現れることが試験によって確認された。その結果、本発明によれば、従来の方法では診断できなかったタイプの異常（異常が原因となって発生する信号成分の卓越があまり大きくならないタイプの異常）の発生を診断することが可能になった。

なお相対的音圧差を求める場合において、「その周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の周波数または周波数帯域に対応する音圧」を求める際に、「周辺の１以上の周波数または周波数帯域」の数を幾つにするかは、音響信号の周波数特性によって任意に定めることになる。一般的には、周波数の値で見た前後２〜４個の周波数または周波数帯域を対象とするのが好ましいと考えられている。しかしながら異常の種類によっては、音響信号の周波数スペクトル中に複数の卓越が同時に現れるような場合もある。そのような場合には、「周辺の１以上の周波数または周波数帯域」の数を定める場合に、周波数の値で見た前方と後方とで採択する周波数または周波数帯域の数を異ならせてもよく、また前方または後方側のいずれか一方側の他の１以上の周波数または周波数帯域を採択するようにしてもよい。いずれにしても異常の種類や程度に応じた好ましい相対的な音圧差の取り方を、事前の試験により定めておくことになる。

本発明の方法をコンピュータを用いて実現する際に用いるプログラムは次の構成を有する。すなわち、診断対象が正常な状態にあるときに、音響信号を周波数分析して得た周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて、各周波数または各周波数帯域の音圧とその周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の周波数または周波数帯域に対応する音圧との相対的な差を相対的音圧差として求め、周波数または周波数帯域と相対的音圧差との相関関係を基準にして定めた各周波数または各周波数帯域において異常が発生する可能性のある異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値を記憶手段に記憶する機能と、診断時において、診断対象から得た音響信号を周波数分析して各周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて診断時の相対的音圧差を求める機能と、各周波数または各周波数帯域における診断時の相対的音圧差が、各周波数または各周波数帯域における異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値により定まる範囲を逸脱したか否かにより、診断対象において異常が発生したか否かを判定する機能とをコンピュータに実現させるためのプログラムである。

なお、本発明の方法及び本発明のプログラムにおいて、異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値を定める場合には、正常状態の音響信号を収集してその収集したデータに基づいて定めてもよく、また予め異常の発生を伴う試験を実施して収集したデータに基づいて定めてもよく、その定め方は任意である。

本発明によれば、従来の方法では診断できなかったタイプの異常（異常が原因となって発生する信号成分の卓越があまり大きくならないタイプの異常）の発生を診断することが可能になる効果が得られる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、大型の回転機械の内部に配置されている可動部に異常が発生しているか否かを診断する際に、本発明の方法を実施する場合の実施の形態の一例の構成を概略的に示す図である。図２は、図１の実施の形態をコンピュータを利用して実現する場合に用いる診断用プログラムのアルゴリズムの一部の概略を示すフローチャートである。図１において、１は内部に可動部または動作部を有する回転機械である。本実施の形態では、回転機械１から例えば１ｍ離れた位置にマイクロフォン２を設置して、回転機械１が発生する音響信号を採取する。回転機械１から出る音響信号の中にはこの回転機械の内部で動く各動作部から発生した音が混在している。しかしながら回転機械１が正常なときと、回転機械１の内部の動作部に異常が発生したときとでは、回転機械１から発生する音響信号には変化が生じる。

そこで本実施の形態では、最初に回転機械１が正常な状態において、マイクロフォン２で検出した音響信号（例えば図３に概略的示すような信号波形を有するもの）を周波数分析器３で周波数分析する（図２のステップＳＴ１及び２）。周波数分析器３では、例えばフーリエ変換により音響信号を周波数と音圧との関係として分析する。フーリエ変換を用いずに複数種類のフィルタを用意して、フィルタ処理により音響信号の周波数を分析してもよい。周波数分析器３で分析した結果は、図４に示すように周波数と音圧との関係になる。

相対的音圧差演算手段４は、まず診断対象である回転機械１が正常な状態にあるときに、音響信号を周波数分析して得た周波数または周波数帯域と音圧との関係（図４に示すような関係）に基づいて、全周波数帯域に対して、１０Ｈｚ，１００Ｈｚ等のように予め定めた周波数間隔で音圧のサンプリングを行う（図２のステップＳＴ３）。サンプリングでは、周波数間隔の増分毎の音圧を採取してもよいが、１周波数間隔即ち周波数帯域毎の音圧を採取してもよい。周波数帯域毎の音圧とは、例えば、その周波数帯域に含まれる各周波数における音圧の積分値のように、その周波数帯域における音圧の代表値となるものである。

次に、各周波数または各周波数帯域の音圧とその周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の周波数または周波数帯域に対応する音圧との相対的な差を相対的音圧差として求める（図２のステップＳＴ３）。ここで「その周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の周波数または周波数帯域に対応する音圧」とは、対象とする周波数または周波数帯域の前後（周波数の値で見た前後）の１以上の周波数または周波数帯域の音圧の平均値などの代表値である。例えば、この実施の形態では、図５に示すように、対象とする周波数がｆ３であるとした場合には、周波数ｆ３の前後２つの他の周波数（ｆ１，ｆ２，ｆ４，ｆ５）の音圧の平均値などの代表値を求め、その代表値と対象とする周波数ｆ３の音圧との差を取ったものが、相対的音圧差となる。そしてこのようにして求めた相対的音圧差は、周波数または周波数帯域と相対的音圧差との相関関係として、相関関係記憶手段５に記憶される。図６に示した実線の曲線が、異常発生時におけるこの相関関係の一例を示している。図６の横軸は周波数であり、縦軸は相対的音圧差である。周波数帯域を対象とする場合も同様である。

次に、予め診断対象の回転機械１の動作部において、正常状態における変動を含んだ一定期間の周波数または周波数帯域に対する相対的音圧差の相関関係を求めて、これを基準にして、各周波数または各周波数帯域において異常が発生している可能性のある上限値と下限値とを定めて、異常判定用音圧差上限閾値ＵＬと異常判定用音圧差下限閾値ＬＬとして上限閾値・下限閾値記憶手段６に記憶する。なおこの閾値の決定は、診断の対象となる機器毎に事前に行っておくことになる。図６の細い点線及び太い点線が、それぞれ異常判定用音圧差上限閾値ＵＬと異常判定用音圧差下限閾値ＬＬの一例を示している。

実際の診断時においては、診断対象である回転機械１から得た音響信号を周波数分析して各周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて、診断時における前述の相対的音圧差Ｄを相対的音圧差演算手段４により求め、その演算結果の周波数または周波数帯域と相対的音圧差Ｄとの相関関係を相関関係記憶手段５に記憶させるか、そのまま後述する判定手段７へと出力する。なお実際上の作業を進める際には、視覚によって状況を確認できるのが好ましい。そこで図２のフローチャートでは、ステップＳＴ４において途中経過を表示手段８に表示する。

判定手段７では、各周波数または各周波数帯域における診断時の相対的音圧差Ｄが、各周波数または各周波数帯域における異常判定用音圧差上限閾値ＵＬと異常判定用音圧差下限閾値ＬＬにより定まる範囲を逸脱したときに、その診断対象において異常が発生したと診断する。図６は、ある周波数または周波数帯域において、診断時の相対的音圧差Ｄが異常判定用音圧差上限閾値ＵＬを超えた状態の一例を示している。相関関係記憶手段５に、診断時の相対的音圧差Ｄを記憶させない場合には、相対的音圧差Ｄが異常判定用音圧差上限閾値ＵＬと異常判定用音圧差下限閾値ＬＬにより定まる範囲を瞬時に逸脱したときに、異常の発生と判断することになる。

図２のフローチャートで見れば、ステップＳＴ５〜ステップＳＴ７において、すべての
周波数または周波数帯域における相対的音圧差が異常判定用音圧差上限閾値ＵＬと異常判定用音圧差下限閾値ＬＬにより定まる範囲を逸脱したか否かの判定がおこなれる。そして逸脱が判定されると、ステップＳＴ８により異常の発生を検出したことが出力される。この出力は、図１の表示手段８に表示される。表示形態は、画像、音声、ランプ表示等のいずれでもよい。すべてのステップが終了しても異常が検出されなければ連続的に同じステップを繰り返すか、診断を終了する。

ちなみに従来の方法（スペクトル波形を予め求めた基準スペクトル波形と比較して、異常の発生の有無を診断する方法）を用いて診断を行うと、図７に示すようになる。図７において、Ｓはスペクトル波形、Ｌ１は上限値、Ｌ２は下限値である。図７から判るように、従来の方法では、異常が原因となって発生する信号成分（スペクトル成分）の卓越があまり大きくない場合には、実際には異常が発生しているにもかかわらず正常の判断が出されている。これに対して、本発明の方法によれば、異常が原因となって発生する信号成分の卓越があまり大きくない場合でも、相対的音圧差には卓越の変化が比較的大きな音圧差となって現れるので、従来の方法では診断できなかったタイプの異常（異常が原因となって発生する信号成分の卓越があまり大きくならないタイプの異常）の発生を診断することが可能になる。

図８は、本実施の形態の方法と従来の方法とにより同じ診断対象である回転機械について診断を行った結果を示している。図８において、上側の図が従来の方法に診断を行ったときの結果であり、下側の図が本実施の形態の方法により診断を行ったときの結果である。これらの図では横軸を時間とし、上の図では縦軸を音圧とし下の図では相対的音圧差を縦軸として示している。図８からは、本発明の方法によって診断した場合のほうが、従来の方法で診断した場合よりも、異常の検出時間がΔｔだけ早まっていることが判る。また図９は、診断対象として家電製品（掃除機）を対象として、本実施の形態の方法と従来の方法とにより診断を行った結果を示している。図９おいても、上側の図が従来の方法に診断を行ったときの結果であり、下側の図が本実施の形態の方法により診断を行ったときの結果である。これらの図では、横軸を時間とし、上の図では縦軸を音圧とし下の図では相対的音圧差を縦軸として示している。図９からも、本発明の方法によって診断した場合のほうが、従来の方法で診断した場合よりも、異常の検出時間がΔｔだけ早まっていることが判る。この試験例のように、本発明によれば従来よりも早期に異常の発生を診断することができる。

上記実施の形態では、相対的音圧差を求める場合において、「周辺の１以上の周波数または周波数帯域」の数を前後３つとしたが、この数を幾つにするかは、音響信号の波形形状によって任意に定めることになる。試験結果によると、一般的には、周波数の値で見た前後２〜４個の周波数または周波数帯域を対象とするのが好ましいと考えられている。しかしながら異常の種類によっては、音響信号の周波数スペクトル中に複数の卓越が同時に現れるような場合もある。そのような場合には、「周辺の１以上の周波数または周波数帯域」の数を定める場合に、周波数の値で見た前方と後方とで採択する周波数または周波数帯域の数を異ならせてもよく、また前方または後方側のいずれか一方側の他の１以上の周波数または周波数帯域を採択するようにしてもよい。いずれにしても異常の種類や程度に応じた好ましい相対的な音圧差の取り方を、事前の試験により定めておけばよく、相対的な音圧差の取り方は上記実施の形態に限定されるものではない。

大型の回転機械の内部に配置されている可動部に異常が発生しているか否かを診断する際に、本発明の方法を実施する場合の実施の形態の一例の構成を概略的に示す図である。 図１の実施の形態をコンピュータを利用して実現する場合に用いる診断用プログラムのアルゴリズムの一部の概略を示すフローチャートである。 音響信号の例を示す図である。 音響信号を周波数分析した結果を示す図である。 相対的音圧差を演算する場合の例を説明するために用いる図である。 周波数または周波数帯域と相対的音圧差との相関関係の一例と本発明の方法の診断例を示す図である。 従来の方法により異常を診断する場合の例を示す図である。 本発明の実施の形態の方法と従来の方法とにより同じ診断対象である回転機械について診断を行った結果を示す図である。 診断対象として家電製品（掃除機）を対象として、本発明の実施の形態の方法と従来の方法とにより診断を行った結果を示す図である。

符号の説明

１ 回転機械（診断対象）
２ マイクロフォン
３ 周波数分析器
４ 相対的音圧差演算手段
５ 相関関係記憶手段
６ 上限閾値・下限閾値記憶手段
７ 判定手段
８ 表示手段

Claims (5)

1. 診断対象から発生する音響信号に基づいて、前記診断対象で発生する異常を診断する方法であって、
   前記診断対象が正常な状態にあるときに、前記音響信号を周波数分析して得た周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて、各前記周波数または各前記周波数帯域の音圧とその前記周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の前記周波数または周波数帯域に対応する音圧との相対的な差を相対的音圧差として求め、
   少なくとも正常状態の音響信号収集を実施して、前記周波数または周波数帯域と前記相対的音圧差との相関関係を基準にして、各前記周波数または各前記周波数帯域において前記異常が発生する可能性のある異常判定用レベル差上限閾値と異常判定用レベル差下限閾値とを定め、
   診断時においては、前記診断対象から得た前記音響信号を周波数分析して各前記周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて診断時の前記相対的音圧差を求め、
   各前記周波数または各前記周波数帯域における診断時の前記相対的音圧差が、各前記周波数または各前記周波数帯域における前記異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値により定まる範囲を逸脱したときに、前記診断対象において異常が発生したことを診断することを特徴とする音響信号に基づく異常診断方法。
2. 前記周波数帯域の前記音圧は、前記周波数帯域に含まれる音圧成分の積分値である請求項１に記載の音響信号に基づく異常診断方法。
3. 前記他の１以上の前記周波数または周波数帯域に対応する音圧は、対象とする前記周波数または周波数帯域の前後ｎ（ｎは１以上の整数）個以上の前記周波数または周波数帯域の音圧の平均値または中間値である請求項１に記載の音響信号に基づく異常診断方法。
4. 診断対象から発生する音響信号に基づいて、前記診断対象で発生する異常を診断する方法をコンピュータを用いて実現する際に用いるプログラムであって、
   前記診断対象が正常な状態にあるときに、前記音響信号を周波数分析して得た周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて、各前記周波数または各前記周波数帯域の音圧とその前記周波数または周波数帯域の周辺の他の１以上の前記周波数または周波数帯域に対応する音圧との相対的な差を相対的音圧差として求め、前記周波数または周波数帯域と前記相対的音圧差との相関関係を基準にして定めた各前記周波数または各前記周波数帯域において前記異常が発生する可能性のある異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値を記憶手段に記憶する機能と、
   診断時において、前記診断対象から得た前記音響信号を周波数分析して各前記周波数または周波数帯域と音圧との関係に基づいて診断時の前記相対的音圧差を求める機能と、
   各前記周波数または各前記周波数帯域における診断時の前記相対的音圧差が、各前記周波数または各前記周波数帯域における前記異常判定用音圧差上限閾値と異常判定用音圧差下限閾値により定まる範囲を逸脱したか否かにより、前記診断対象において異常が発生したか否かを判定する機能とを前記コンピュータに実現させるためのプログラム。
5. 前記他の１以上の前記周波数または周波数帯域に対応する音圧は、対象とする前記周波数または周波数帯域の前後ｎ（ｎは１以上の整数）個以上の前記周波数または周波数帯域の音圧であり、
   前記ｎ個の設定変更を可能にする機能を更に実現することを特徴とする請求項４に記載のプログラム。

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