JP5476414B2 - 回転機械の健全性診断における音測定点の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械類から発せられる放射音を測定分析することによって機械の異常を検出する健全性診断のための音の測定点を決定する方法に関する。

従来より、メンテナンスの省力化や合理化を図るために、回転機械から発せられる放射音を測定分析することにより、該回転機械の駆動部に異常があるのかどうかの健全性を診断するための方法や装置が種々提案されている。

例えば、特許文献１では、回転機械等の設備の音信号による健全性診断方法であって、設備の稼働時に発生する音信号を測定し、最小自乗法と最大エントロピー法とを用いて固有の自己回帰モデルの回帰係数を算出して記憶し、該回帰係数を前記設備の点検測定時に発生する音信号に適用して残差を算出し、該残差の大小の比較により測定時の設備の正常，異常を判定するようにした回転機械等の設備の音信号による健全性診断方法が提案されている。

また、下記特許文献２では、 診断対象の異常の有無を監視する異常監視装置において、診断対象の状態を反映した所定の物理量を捉えて該物理量を表わす信号を得るセンサと、前記センサにより前記診断対象が正常な状態にあるときに得られる基準信号に由来する基準データと、異常監視時に前記センサで得られる診断信号とに基いて、前記診断対象の異常の有無を判定する診断対象異常判定部と、前記センサに前記診断対象が異常な状態にあるときを模擬した物理量を与える模擬異常状態発生部と、前記基準データと、前記センサが前記模擬異常状態発生部から与えられた物理量を捉えるタイミングで該センサにより得られる模擬異常成分混入信号とに基づいて、この異常監視装置自体の異常の有無を判定する自己異常判定部とを備えた異常監視装置が提案されている。

更に、下記特許文献３では、正常状態にある１台若しくは複数台の、被検出装置と同一若しくは同種の装置から所定の物理量を担持する第１の時系列信号を得て該第１の時系列信号に基づいて逆フィルタを構成しておき、被検出装置から前記所定の物理量を担持する第２の時系列信号を得、該第２の時系列信号に前記逆フィルタを作用させることにより残差信号を求め、該残差信号に基づいて被検出装置の異常を検出する異常検出方法が提案されている。

特開２００９−２５７８６２号公報 特開２００３−２１５５５号公報 特開平７−４３２５９号公報

しかしながら、上記音信号に基づく回転機械類の健全性診断は、一定の期間毎に繰り返し実施されるものであるが、音の振動源となる機械と音信号の測定位置との位置関係が一定に保たれないとするならば、測定点の違いによって異なった音を測定する結果になったのか、機械の異常によって異なった音になったのかの判別が困難となってしまうことになり、音の測定点と診断対象となる機械の位置関係を一定にすることは、測定データ及び判定の信頼性確保のために非常に重要である。実際、位置決め装置を使用することによって、幾何学的な測定点の決定が可能であり、測定誤差の低減及び判定ミスの低減に資することは明らかである。

しかしながら、規定の測定点にセットした場合であっても、例えば室内での機材の配置の変更による音場の歪みに起因する音信号の変化には対応できないという問題があった。

また、測定点を機構的手段によって決定する方法は非常に有効であるが、その手法を導入するに当たっては、予め測定点情報を記録したマーカーを設置するなどの準備が必要であり、また用途に合わせた位置決定装置が必要である。これに対し、あまり測定頻度が高くない施設では、測定点を記した点などを床面にマーキングし、これを頼りに健全性診断のための測定を行うことが多い。しかし、この場合でも測定点の位置は曖昧で、場合によっては測定点の微妙なずれによって設備機械診断の評価が異なることも考えられる。

音信号を利用した設備診断では、これまで調査員が自らの耳で聞いた音を評価する、というのが一般的であり、長年の経験や熟練した技術に頼るところが多かった。しかし、今後、マイクロホンなどを利用した測定機器による診断を導入しようとする場合、測定した音が対象機械の音として評価可能なものであるかどうかの判断手法が必要となることは言うまでもない。このような状況に対し、測定点決定時の曖昧さ（測定点がある誤差をもってしか決定できないこと）を解消する技術が必要であった。

そこで本発明の主たる課題は、回転機械の健全性診断の際の音測定点を決定する音測定点の決定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、対象となる回転機械から発せられる音信号の平均パワーをＰ、対象となる回転機械から発せられる音信号のスペクトル値が最大となる周波数におけるパワーをＰ_ｐｅａｋ、外来音の平均パワーをＰ_Ｅ、外来音による前記周波数におけるパワーをＰ_ｅｘｔとしたとき、次式(2)によって定義されるＲ_Ｎ値に基づいて音信号の測定点を決定する回転機械の健全性診断における音測定点の決定方法が提供される。

上記請求項１記載の発明では、測定した音信号が妥当な測定点に基づくものであるか否かを一定の値（Ｒ_Ｎ値）に基づいて判断するようにしている。測定された音信号には、測定対象となる回転機械以外の音源からの騒音（雑音）などが混入している。ここでは、測定対象となる回転機械が発する音以外の前記騒音を「外来音」と定義する。ここで、外来音がない場合における音信号の平均パワーＰと音信号のスペクトル値が最大となる周波数におけるパワーＰ_ｐｅａｋとの比のデシベル表示値（Ｒ値）は、次式(1)で表される。

このＲ値は、前記Ｐを雑音量、前記Ｐ_ｐｅａｋを信号量と仮定すると、信号量と雑音量との比であるＳＮ比と同様の性質を有するものと考えることができ、Ｒ値が高い程、雑音量である平均パワーＰに比べて、信号量である最大パワーＰ_ｐｅａｋが突出して大きい値であることを表している。

この考え方に基づいて、外来音が混入した場合について上式(1)を書き換えると、上式(2)となる。この上式(2)において、Ｐ_Ｅは外来音の平均パワー、Ｐ_ｅｘｔは外来音による対象となる回転機械から発せられる音信号のスペクトル値が最大となる周波数におけるパワーである。

このＲ_Ｎ値は、外来音による騒音成分が少ない程、平均パワーのレベルが低下するので小さな値となり、外来音による騒音成分が多い程、平均パワーのレベルも増加するので大きな値となる。

従って、本発明では、この性質を利用して、各測定点において算出された前記Ｒ_Ｎ値に基づいて、外来音による騒音成分を極力除いた音測定点を決定し、回転機械の健全性診断の際の音測定点としている。

請求項２に係る本発明として、前記音測定点は、前記Ｒ_Ｎ値が予め設定した値を下回らない位置によって決定する請求項１記載の回転機械の健全性診断における音測定点の決定方法が提供される。

請求項３に係る本発明として、前記音測定点は、異なる測定点で測定した複数の前記Ｒ_Ｎ値から最大値を示す位置によって決定する請求項１記載の回転機械の健全性診断における音測定点の決定方法が提供される。

上記請求項２、３記載の発明は、音測定点の具体的な決定方法について規定したものであり、次の２つの方法のいずれかを用いることができる。第１に、前記Ｒ_Ｎ値として測定点を厳密に設定した測定条件の下で測定した値を予め設定しておき、この設定したＲ_Ｎ値を下回らない位置を音測定点として決定する方法である。この方法では、予め診断対象となる回転機械について規定の測定条件で測定しておく手間はかかるものの、一度Ｒ_Ｎ値を設定すれば、このＲ_Ｎ値を下回らない範囲で音測定点を比較的容易に決定することができるようになる。

第２に、異なる測定点で測定した複数のＲ_Ｎ値から最大値を示す位置を音測定点として決定する方法である。この方法では、測定の度毎に測定点を少しずつ移動して複数のＲ_Ｎ値を算出する手間がかかるものの、Ｒ_Ｎ値が最大値を示す位置で音測定が可能となるので、外来音による騒音成分が極力抑えられ、精度良い測定が行えるようになる。

以上詳説のとおり本発明によれば、回転機械の健全性診断の際の音測定点を決定する音測定点の決定方法が提供できるようになる。

測定された音信号のスペクトル図の例である。 本発明に係る音測定点の決定方法に用いられる計測装置１の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明は、上下水道施設、河川管理施設、廃棄物処理施設、建築設備、浄化槽設備、発電施設、その他工場等の各種施設で使用されるポンプ、送風機等の回転系を有する回転機械の稼働時に発生する音を測定することによって回転機械の健全性を診断する際の音測定点を決定する音測定点の決定方法に関する。

本発明では、音測定点の決定において一定の評価値（Ｒ_Ｎ値）を定義した上で、測定した音信号の信号処理を行って前記評価値を算出し、この評価値に基づいて音測定点を決定している。

工場等の建物内で測定された音信号には、測定対象となる回転機械が発する音以外に、例えば他の音源が発する音や、室内の壁等及び室内に設置された機材等からの反射音などの騒音（雑音）が複雑に混じり合っている。ここでは、測定対象となる回転機械が発する音以外の前記騒音を「外来音」と定義する。この外来音は、測定対象となる回転機械の基本周波数成分を含んでいることもあるが、一般的には、対象機械の音とは異なった種類の周波数構成を有していると考えて良い。

前記外来音がないとした場合において、一定の評価値（Ｒ値）として、音信号の平均パワーＰを音信号のスペクトル値が最大となる周波数におけるパワーＰ_ｐｅａｋで除し、この常用対数をとってデシベル表示したものを、次式(1)によって定義する。

このＲ値は、回転機械が一般に特定の周波数成分を強く含む音を発することに着目して定義された評価値であり、前記Ｐを雑音量、前記Ｐ_ｐｅａｋを信号量と仮定すると、信号量と雑音量との比であるＳＮ比と同様の性質を有するものと考えることができる。すなわち、Ｒ値が高い程、雑音量である平均パワーＰに比べて信号量である最大パワーＰ_ｐｅａｋが突出して大きい値であることを表している。このＲ値は、回転機械が発する音が定常白色雑音（ホワイトノイズ）の場合には０、単一スペクトルの場合に最大値となる。

次に、外来音が混入した場合について説明すると、同様の考え方によって、上式(1)のＲ値は下式(2)のＲ_Ｎ値に書き換えることができる。

ここで、Ｐ_Ｅは外来音の平均パワー、Ｐ_ｅｘｔは外来音による対象となる回転機械から発せられる音信号のスペクトル値が最大となる周波数におけるパワーである。

上式(2)のＲ_Ｎ値は、前記Ｐ_Ｅ及びＰ_ｅｘｔを考慮しない上式(1)のＲ値よりも小さな値となる。すなわち、前述の通り、回転機械から発せられる音は特定の周波数成分を強く含むのに対し、外来音は、回転機械の音と同じピーク周波数成分を強く含む場合を除き、回転機械の音とは異なった周波数構成を有している。このため、図１に示されるように、外来音が混入した場合、回転機械の音のピーク周波数成分にはそれほど大きな影響を与えないのに対し、その他の周波数成分の影響により平均パワーが大きくなり、最大パワーと平均パワーの比が外来音の混入によって小さくなる。その結果、Ｒ_Ｎ値は、Ｒ値よりも小さな値になると結論付けられる。

従って、外来音がない場合のＲ値（上式(1)）を最大値として、外来音の混入度合が増すほどＲ_Ｎ値（上式(2)）が低下するため、外来音が測定する対象音に影響を与えているか否かは、Ｒ_Ｎ値を検証することによって判断できることになる。

次に、音測定点の決定方法について説明する。先ずはじめに、音の測定方法について説明しておくと、診断対象となる回転機械について、稼働時の音を図２に示される計測装置１によって測定する。

同図２に示されるように、計測装置１は、マイクロホン２によって測定された信号が入力アンプ３によって適切な振幅に増幅され、次いでＡＤ変換器４によってディジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータＰに取り込まれる。そして、信号処理装置５によって、取り込まれたデータの各種解析及び診断が行われ、パソコンＰのハードディスクなどデータ記録装置６内に記録・保存されるとともに、解析結果の数値や図表がモニタ７に表示されるようになっている。

前記マイクロホン２による測定では、所定の測定点を含む所定範囲の空間に対しマイクロホン２の位置を所定の距離だけ少しずつ移動したり、空間を平面的又は立体的なメッシュに分割した各交点にマイクロホン２の位置を移動したりして音測定を行い、各測定点において前記Ｒ_Ｎ値を求め、このＲ_Ｎ値に基づいて音測定点を決定する。

このとき、音測定点の決定は、(1)Ｒ_Ｎ値として測定点を厳密に設定した測定条件の下で測定した値を予め設定しておき、この設定したＲ_Ｎ値を下回らない位置により決定するか、(2)異なる測定点で測定した複数のＲ_Ｎ値から最大値を示す位置により決定する。前記(1)による決定方法では、予め診断対象となる回転機械について規定の測定条件で測定しておきＲ_Ｎ値を規定しておく手間はかかるものの、一度Ｒ_Ｎ値を設定すれば、このＲ_Ｎ値を下回らない範囲で音測定点を比較的容易に決定することができるようになる。前記Ｒ_Ｎ値の規定値としては、回転機械の種類や型式、大きさ、運転条件などによって異なるが、例えば、多段渦巻きポンプの場合、Ｒ_Ｎ値＝１５〜２５程度の値となる。また、前記(2)による決定方法では、測定の度毎に測定点を少しずつ移動して所定範囲に亘って全てのＲ_Ｎ値を算出する手間がかかるものの、Ｒ_Ｎ値が最大値を示す位置で音測定が可能となるので、外来音による騒音成分が極力抑えられ、精度良い測定が行えるようになる。

以上により決定した音測定点において、回転機械の健全性診断のため再度音測定を行ってもよいし、Ｒ_Ｎ値の算出時の測定データに基づいて回転機械の健全性診断を行ってもよい。

定期的な回転機械の音測定において、前記Ｒ_Ｎ値が減少した場合、外来音が増大したか、或いは診断対象の機械自体が雑音を発する状況に至ったかのいずれかが疑われる。このように、Ｒ_Ｎ値に基づいて回転機械の健全性診断を行うことも可能である。

１…計測装置、２…マイクロホン、３…入力アンプ、４…ＡＤ変換器、５…信号処理装置、６…データ記録装置、７…モニタ

Claims (3)

1. 対象となる回転機械から発せられる音信号の平均パワーをＰ、対象となる回転機械から発せられる音信号のスペクトル値が最大となる周波数におけるパワーをＰ_ｐｅａｋ、外来音の平均パワーをＰ_Ｅ、外来音による前記周波数におけるパワーをＰ_ｅｘｔとしたとき、次式(2)によって定義されるＲ_Ｎ値に基づいて音信号の測定点を決定する回転機械の健全性診断における音測定点の決定方法。
   

   
2. 前記音測定点は、前記Ｒ_Ｎ値が予め設定した値を下回らない位置によって決定する請求項１記載の回転機械の健全性診断における音測定点の決定方法。
3. 前記音測定点は、異なる測定点で測定した複数の前記Ｒ_Ｎ値から最大値を示す位置によって決定する請求項１記載の回転機械の健全性診断における音測定点の決定方法。

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