JPH0217482A

JPH0217482A - 音源探査装置

Info

Publication number: JPH0217482A
Application number: JP16801188A
Authority: JP
Inventors: Katsuyoshi Nagayasu; 克芳長安
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-07-06
Filing date: 1988-07-06
Publication date: 1990-01-22
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JP2656307B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、プラントを構成している機器の異常診断等に
用いるのに適した音源探査装置に関する。

（従来の技術）従来、音響的手法を用いて、騒音源を探す音源探査装置
が考えられている。この音源探査装置は、音響インテン
シテイを用いたもので、基本的には２本のマイクロホン
を用い、これらマイクロホンで捕えられた音の位相差を
利用している。すなわち、２本のマイクロホンを結んだ
線上に音源があるときには位相差が最大で、音響インテ
ンシテイ値が最大となる。また、２本のマイクロホンを
結んだ線が音源方向と直交する場合には位相差が零で、
音響インテンシテイ値が零となる。この原理を利用し、
従来の音源探査装置では１点を中心にして２本のマイク
ロホンを回転させ、このとき音響インテンシテイ値が最
大となる方向を音源方向とし、この方向を表示装置に表
示させるようにしている。

ところで１人間は五感、特に耳と目とによって。

かなり精度の高い異常診断を行なっている。このように
、音響処理と画像処理との結果を合わせて異常診断を行
なうと診断の精度向上を期待できる。

耳で聞く音響の特徴は全方向、つまりどちらを向いてい
ても聞きとれることである。一方、目で見る画像の特徴
は、向いている方向の視野角内に特定されることである
。そこで、音によって異常の方向を判定して音源方向を
向き、さらに画像によって異常を判定する方式が考えら
れる。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、音響インテンシテイを用いて音源を探査する
方式を活用し、音源方向の鮮明な画像情報をも得、音響
情報と画像情報との両方を用いて総合的に異常の有無判
定を行なえるようにした音源探査装置を堤供することを
目的としている。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために１本発明に係る音源探査装置
は、複数のマイクロホンを一定の関係に配置して構成さ
れた受音器と、この受音器を構成する各マイクロホンの
出力信号から受音器の位置を中心とした各方向の音響イ
ンテンシテイ値を求める手段と、この手段によって求め
られた音響インテンシテイ値から受音器の位置を基準に
した音源の方向を求める手段と、受音器の近傍に配置さ
れたカメラと、前記手段によって求められた音源方向に
カメラの光軸を向ける手段と、少なくとも前記カメラで
捕えられた画像を写し出す受像装置とを備えている。

（作　用）各方向の音響インテンシテイ値に基いて音源の方向が求
められると、その方向にカメラの光軸が自動的に向けら
れる。カメラに自動焦点機能を持たせることは一般に容
易である。したがって。

音源となっている機器の鮮明な画像を得ることができ、
この画像の処理を行なうことによって異常診断が可能と
なる。勿論、このときモニタ装置のスピーカからその場
の音も出力させることもできるし、音響処理の分析結果
の表示も行なえる。したがって、受像装置が中央制御室
に設置されているものとすると、中央制御室において音
源となった機器が現在どのような状態下にあるかを鮮明
な画像として確認することができばかりか９画像処理に
よって機器の異常を自動的に判定することができる。つ
まり、音響情報と画像情報とに基いてその機器が異常で
あるか否かを総合判定することが可能となる。

（実施例）以下１図面を参照しながら実施例を説明する。

第１図には一実施例に係る音源探査装置の外観が示され
ている。

この音源探査装置は、大きく別けて、プラントなどにお
いて各種機器が設置されている部屋に配置される検出部
１と、この検出部１とはケーブル２を介して接続されて
中央制御室等に配置される信号処理部３とで構成されて
いる。

検出部１は、電源ボックス１１と、この電源ボックス１
１の上に支柱１２を介して水平に固定された固定テーブ
ル１３と、この固定テーブル１３上に図示しない軸受を
介して図中実線矢印１４で示す方向に回転自在に支持さ
れた回転テーブル１５と、固定テーブル１３の下面に固
定されて回転テーブル１５の回転角を制御す°るステッ
プモタ等のモータ１６と１回転テーブル１５の回転角を
検出する回転角検出器１７と１回転テーブル１５の上に
固定された自動焦点式のカメラ１８と。

このカメラ１８の上に支柱１９を介して固定された受音
器２０とで構成されている。

受音器２０は、棒状に形成された無指向性のマイクロホ
ン２１．２２の受音部をカメラ１８の光軸に平行すると
ともに回転テーブル１５の回転中心軸２３と直角に交わ
る線２４上に回転中心軸２３を中心にして対称的に配置
して構成されている。

一方、信号処理部３は、マイクロホン２１゜２２で得ら
れた信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器や角度検出器で
得られた角度信号、を処理する回路やモータ１６への制
御信号を送出する回路を内蔵した入出力装置３１と、計
算機を主体にして構成された処理装置３２と１表示装置
３３とで構成されている。処理装置３２は、一方のマイ
クロホン２１の出力信号を常に監視し、この出力信号の
レベルが一定値を越えたときにモータ１６を制御する信
号を送出して回転テーブル１５を間欠的に回転させ、０
〜１５０度の範囲で、３０度回転する毎に計６回に亙っ
てマイクロホン２１．２２の出力から各方向の音響イン
テンシテイ値を算出し、最終的に最も大きな音響インテ
ンシテイ値の得られた回転角に回転テーブル１５を位置
させる信号を送出する機能、つまり音源方向検出機能と
、得られた音響信号および画像信号をそれぞれ処理する
機能と、異常の有無を判定する機能とを備えている。

そして、処理装置３２によって検出された音源方向と、
音響処理・画像処理の結果と、異常の有無と、カメラ１
８で捕えられた画像とが受像装置３３にそれぞれ表示さ
れるようになっている。

上記のように、処理装置３２によって音源方向が検出さ
れるが、ここで音響インテンシテイの理論および音源方
向検出時の信号処理の流れについて説明する。

ある任意の点における「方向の音響インテンシテイ値Ｉ
ｒは、その点の音圧をｐ（ｔ）とし１粒子速度の「方向
成分をＶｒ（ｔ）とすると。

Ｉｒ＝（１／　Ｔ）　、ｆ”　　Ｐ（ｔ）Ｖｒ（ｔ）ｄ
ｔ　　　　　　　−−−（１）となる。空気密度をρと
すると９粒子速度Ｖｒと音圧Ｐとの間には次の関係があ
る。

（９Ｖｒ）　／　（９ｔ）−１／ρ。

（９Ｐ）／（ａｒ）　　　　・・・（２）したがって。

Ｖｒ−−１／ρｏｆ（ａＰ）／（９ｒ）ｄｔ　　　−（
３）となる。

今、２本のマイクロホンを「方向に△ｒの間隔で並べて
音圧Ｐｌ（ｔ）　、　Ｐ２（ｔ）を測定すれば、△ｒが
小さいときには。

（９Ｐ）／（９ｒ）≧　１ｐ２（ｔ）−ＰＩ（ｔ）１／
Δｒ　　　　　　　　　　・・・（４）となる。また音
圧ＰをＰＩ（ｔ）　、　Ｐ２（ｔ）の平均値とすれば。

Ｐ−ｆＰｌ（ｔ）＋Ｐ２（ｔ）　　ｌ　　／２　　　　
　　　　　　　　　　・・・（５）となる。したがって
、音響インテンシテイ値１ｒは。

Ｉｒｚ　（１／　Ｔ）　Ｊ’　　［（ＰＬ（ｔ）＋Ｐ２
（Ｌ）　／　２１・　ｆ　　　［ＩＰＩ（ｔ）−Ｐ２（
ｔ）１／　ｐ　ｏ　　△ｒ　　］　　ｄｔ］　　ｄｔ＝
　　ｌ　（Ｐ１＋Ｐ２）　　／　　２９　ｏ　　△ｒ　
）ｆ　（Ｐｌ−Ｐ２）ｄｔ　　　　　　　　　　・・・
（６）となる。（６）式のＩ「を求めるには次の３つの
方法がある。

■アナログ回路を構成して求める。

■デジタルフィルタを用いて求める。

■ツー９エ分析器を用い、クロススペクトルがら求める
。

この実施例では、■の方法を用いている。すなわち、今
、単一周波数の音について考えると、−周期の平均パワ
ーはパーシバルの定理から。

Ｉｒ　−（１／　Ｔ）　、Ｊ”　Ｐ（ｔ）Ｖｒ（ｔ）ｄ
ｔ本 −２Ｒｏ　　ｌ　Ｐ（（’）　・Ｖｒ（ｆ）　　　）　
　　　　−（７）となる、。但し、　Ｐ（１’）、　Ｖ
ｒ（ｆ’）　ｉ；ｔＰ（ｔ）、　　Ｖｒ（ｔ）　　ノ複
素フーリエ係数であり、　Ｖｒ（ｆ’）’はＶｒ（ｔ）
の共役複素数である。

（３）〜（５）式から。

Ｖｒ（ｆ’）　−（Ｐｌ（ｆ’）−Ｐ２（ｆ’）　）／
ｊωρ０Δｒ　　　　　　・・・（８）Ｐ（ｆ’）　　
−（ＰＩ（「）−Ｐ２（１’）　ｌ　／２　　　　・・
・（９）が得られる。これより。

／　　−ｊ　　ωρ０　△ｒ　　］　］−Ｒｅ［（ＩＰ
ＩＩ　　２−　　ＩＰ２１　２本十ＰＩ　　Ｐ２−　ＰＩＰ２＊１／　　　−ｊ　　　ω　ρ　０　　△　「　　］＝Ｉａ
（ＰｂＦ２本）／ｙｒｒｐｏΔｒ−（１０）となる。ｌ
謳（ＰＩ・Ｐ２＊１　はＰｉ　−Ｐ２のクロススベクト
ルの虚数部を意味している。

ある周波数バンド内に幾つかの周期信号が含まれる場合
にはそのバンドの音響インテンシテイ値は個々の周波数
成分の和となる。したがって、信号がランダム信号の場
合も考慮すると、ｆ１≦ｆ≦ｆ２の周波数バンドの音響
インテンシテイ値／ｙｒｆ　　ｐｏ　　△ｒ　　）ｄｆ
　　　　　−（１１）となる。但し、　ＰＩ・Ｐ２はク
ロススペクトルの密度である。上記説明から判かるよう
に（１１）式によって最終的に音響インテンシテイ値１
ｒを求めることができる。

この実施例ではマイクロホン２１の出力信号レベルを常
に監視し、このレベルが一定値を越えたとき、異常が発
生したと判断してマイクロホン２１．２２の出力信号を
取込み、処理装置３２内で第２図に示す流れにしたがっ
て信号処理している。すなわち、マイクロホン２１の出
力信号レベルか一定値を越えると、スタートコマンドが
送出される。この結果、入出力装置３１内のＡ／Ｄ変換
器が動作を開始してマイクロホン２１．２２の出力信号
をそれぞれディジタル信号に変換する（ステップＳｌ）
。変換された各信号Ｄ２１．　Ｄ２２をそれぞれ周波数
分析器によって各周波数成分に分離する（ステップＳ２
．Ｓ３　）。次に、マイクロホン２１側から得られた信
号については複素共役処理（ステップ９４）を行なった
後９両信号を乗算器に導入して各周波数成分毎に乗算す
る（ステップＳ５）。

この信号から虚数部を取出しくステップＳ６）、この虚
数部信号を定数割算する（ステップ８７）。すなわち、
ステップＳ６では（１０）式における分子となる信号分
を求めており、ステップＳ７では上記信号分を（１０）
式において分母を形成している定数骨で割算しているの
である。次に２周波数帯域内加算（ステップ８ｇ）を行
なって（１１）式で示される。その方向の音響インテン
シテイ値１「を算出する。このようにして算出されたそ
の方向の音響インテンシテイ値１「１をメモリに記憶さ
せた後（ステップ５９）１回転テーブル１５を３０度回
転させるための信号を送る。回転テーブル１５の回転角
は８回転角検出器１７によって検出される。したがって
。

回転テーブル１５は正確に３０度回転制御される。

回転テーブル１５が３０度回転した時点で、再びステッ
プＳ１からステップＳ９までの処理を行なって。

その方向の音響インテンシテイＩｒ２を算出し、これを
メモリに記憶させる。このようにして、１５０度まで計
６回に亙って各方向の音響インテンシテイ値１ｒｌ−１
ｒ６を算出する。

次に、メモリに記憶されている６つの音響インテンシテ
イ値１ｒ１〜６の中から最大値を選び（ステップＳＩＯ
）　、　　この最大値が得られた角度値を入出力装置３
１に与えるとともに受像装置３３に与える（ステップＳ
ｌｌ　）。入出力装置３１は音源方向角度値が与えられ
ると、線２４の方向がその角度方向となるように回転テ
ーブル１５の回転角を制御する。したがって、カメラ１
８の光軸が音源方向に自動的に向けられることになる。

また、受像装置３３はＣＲＴ表示面の一部に音源方向を
ベクトル表示する（ステップ８１２　）。この受像装置
３３の表示面の残りの部分にはカメラ１８で捕えられた
画像、つまり音源方向の画像および画像処理の結果なら
びに異常の有無等が写し出される。

また、マイクロホン２１で得られた音も出力される。し
たがって、音源方向を認識できるとともに画像情報から
音源となっている機器の現在の状況も認識できることに
なる。

そして、この場合には音源方向が求められると。

その方向へ自動的にカメラ１８の光軸を向けさせること
ができる。したがって、たとえば広角レンズを組み込ん
だカメラを固定状態に設け、このカメラで機器の設置さ
れている部分全体を写し出すようにした場合に比べて分
解能の高い画像情報を得ることができるので、異常であ
るか否かの判定処理を容易化できる。

上述した実施例では、カメラ１８の光軸方向を３０度ず
つ移動させるようにしているが、より細かい角度で移動
させて各角度毎に音響インテンシテイ値を算出するよう
にすれば、音源方向の探査精度を向上させることができ
る。

また、上記実施例ではカメラ１８の光軸方向を一定角度
ずつ移動させ、各角度毎に音響インテンシテイ値を算出
し、これらの中から最大の音響インテンシテイ値が得ら
れた角度方向を音源方向としているが、各角度において
算出された音響インテンシテイ値をベクトル的に合成し
て音源方向を割出すようにしてもよい。

第３図は各音響インテンシテイ値をベクトル的に合成し
て音源方向を割出すようにした例における信号処理の流
れを示している。すなわち、ステップＳ９までは前記実
施例と同じである。ステップ８１０において、得られた
６つの音響インテンシテイ値をベクトル合成する。今１
回転テーブル１５の回転中心軸２３と直交する平面上に
回転中心軸２３を原点として描かれる直交座標を考え、
線２４がＸ軸上にあるときを０度とする。回転テーブル
１５を反時計方向に３０度ずつ回転させて得られた６つ
の音響インテンシテイ値！「１〜ｌｒ６のＸ方向成分の
合成値をｌｘとし、Ｙ方向成分の合成値をＩＶとすると
。

ｌ　　ｘ　−１ｒ】ｃｏｓ　　θ】＋　Ｉｒ２　　ｃｏ
ｓ　　θ２＋・・・・・・・・・Ｉｒ６　　ｃｏｓ　　
θ６Ｉ　ｙ　−１ｒ、ｓｉｎθ、　＋Ｉｒ３　ｓｉｎθ
２十・・・・・・・・・Ｉｒ６　ｓｌｎθ６となる。但
し、θ１”Ｏ”＋　　０２−３０’、・・・・・・・・
・θ。−１５０”である。ｌｘとＩｙとを合成して得た
ベクトルＩの方向は第４図に示すように音源の方向とな
る。このベクトルＩとＸ軸との間の角度θ０を算出し、
この角度情報を入出力装置３１に送るとともに受像装置
ｆ３３へ送る（ステップ８１１　）。

このように各角度において算出された音響インテンシテ
イ値をベクトル合成して音源方向を求める方式では、最
大値方向を音源方向とする方式に比べて各方向のデータ
を平均化することができ。

外乱成分を除去できるので音源探査の精度を向上させる
ことができる。

上述した各実施例では、２個のマイクロホンを同一軸上
に配置して受音器を構成し、この受音器を１点を中心に
して回転させることによって２次元上の音源を探査する
とともにその方向の画像を得ているが、マイクロホンの
配置、カメラの位置移動機構、信号処理手段を変えるこ
とによって３次元上の音源の探査およびその方向の画像
情報を得ることもできる。

第５図には３次元上の音源の探査およびその方向の画像
情報を得ることができるようにした音源探査装置の実施
例が示されている。この図では第１図と同一部分が同一
符号で示されている。

この実施例に係る音源探査装置では、検出部１ａの構成
が太き（異なっている。すなわち、電源ボックス１１上
にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直角座標を描き、この直角
座標上の原点位置、Ｘ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上にそれぞれ
等間隔に４つのマイクロホン４１，４２，４３．４４を
配置して受音器２０ａを構成している。なお、この受音
器２０ａは支柱４５を介して電源ボックス１１上に固定
されている。一方、受音器２０ａと電源ボックス１１と
の間には自動焦点式のカメラ１８が配置されており、こ
のカメラ１８は回転テーブル１５上にＸ軸とＹ軸とを結
ぶ平面と平行で、かつ回転自在に配置された軸４６に支
持されている。

回転テーブル１５上には軸４６に対して回転動力を選択
的に与えるモータ４７と軸４６の回転角を検出する回転
角検出器４８とが設けられている。

回転テーブル１５はＺ軸と平行な軸４９の上端に固定さ
れており、この軸４９は電源ボックス１１上に設けられ
た軸受５０によって回転自在に支持されている。そして
、電源ボックス１１上には軸４９に対して選択的に回転
動力を与えるモータ５１と軸４９の回転角を検出する回
転角検出器５２とが配置されている。したがって、モー
タ５１を駆動制御することによって回転テーブル１５を
図中実線矢印５３で示す方向、つまりＺ軸回りに回転さ
せることができ、またモータ４７を駆動制御することに
よってカメラ１８を図中実線矢印５４で示す方向に回動
させることができる。

そして、検出部１ａを構成しているマイクロホン４１〜
４４．カメラ１８．モータ４７，５１．回転角検出器４
８．５２は前記実施例と同様にケープル５５を介して信
号処理部３ａを構成している入出力装置５６．処理装置
５７．受像装置５８に接続されている。

音源方向を検出するために処理装置５７内でスタートコ
マンドを送出するタイミングおよび信号処理の流れは基
本的には第３図に示した方式を採用している。しかし、
この実施例の場合にはマイクロホンをＸ軸上、Ｙ軸上、
Ｚ軸上に２個ずつ設けているので、具体的には第６図に
示すように。

Ｘ軸上に配置された２つのマイクロホン４１゜４２の出
力を用いてＸ方向の音響インテンシテイ値１ｒｘを算出
し、Ｙ軸上に配置された２つのマイクロホン４１．４３
の出力を用いてＹ方向の音響インテンシテイ値ｆｒｙを
算出し、またＺ軸上に配置された２つのマイクロホン４
１．４４の出力を用いて２方向の音響インテンシテイ値
１ｒｚを算出している。このようにして得られた３つの
音響インテンシテイ値をベクトル的に合成し１合成ベク
トルの方向を計算する（ステップＳ１３　）。そして。

得られたベクトル方向の角度値を入出力装置５６に与え
るとともに受像装置５８に表示する（ステップ５１５）
。入出力装置５６は与えられた角度信号に基いてモータ
５１を制御して回転テーブル１５を回転させ、さらにモ
ータ４７を制御してカメラ１８の仰角を制御する。した
がって、カメラ１８の光軸は自動的に音源方向に向くこ
とになる。

このように、３方向の音響インテンシテイ値を同時に求
め、これをベクトル的に合成して音源方向を求める方式
であると、受音器を回転させる必要がないばかりか、音
源方向を高精度に探査でき。

しかも単発的な音の場合でもその音の方向を特定するこ
とができる。

なお、カメラが捕えた各方向の正常時の映像信号を記憶
させておき、カメラの光軸が音源方向に向いたとき得ら
れた映像信号と記憶されているその方向の映像信号とを
比較し、一定レベル以上の差が生じたとき警報を発生さ
せるようにしてもよい。

［発明の効果］本発明に係る音源探査装置では、音源方向を特定できる
と同時に音源方向の鮮明な画像情報を得ることができる
ので、音響情報と画像情報とを使って総合的に異常の有
無判定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例に係る音源探査装置の外観図。第２図は同装置における処理装置内での信号処理の流れ
を説明するための図、′！Ｊ３図は信号処理の別の例を
説明するための図、第４図は同信号処理を補足説明する
ための図、第５図は他の実施例に係る音源探査装置の外
観図、第６図は同装置における処理装置内での信号処理
の流れを説明するための図である。１．１ａ・・・検出部、３．３ａ・・・信号処理部、２
０゜２０ａ・・・受音器、１１・・・電源ボックス、１
５・・・回転テーブル、１８・・・カメラ、２１，２２
，４１゜４２．４３．４４・・・マイクロホン、１６，
４７゜５１・・・モータ、３１．５６・・・入出力装置
、３２゜５７・・・処理装置、３３゜５８・・・受像装置。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第図第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数のマイクロホンを一定の関係に配置して構成
された受音器と、この受音器を構成する各マイクロホン
の出力信号から上記受音器の位置を中心とした各方向の
音響インテンシティ値を求める手段と、この手段によっ
て求められた音響インテンシティ値から前記受音器の位
置を基準にした音源の方向を求める手段と、前記受音器
の近傍に配置されたカメラと、前記手段によって求めら
れた音源方向に前記カメラの光軸を向ける手段と、少な
くとも前記カメラで捕えられた画像を写し出す受像装置
とを具備してなることを特徴とする音源探査装置。
（２）受像装置は、前記カメラで捕えた画像と前記受音
器で得られた音響信号を表示可能に変換した信号とを同
時に表示するものである請求項１に記載の音源探査装置
。