JPH0318727A - 振動モード計測分析装置とその分析方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、振動して複雑に変形している物体において，
その複雑な振動モードがいかなる基本的な振動モードが
合威されて生じているかを画像処理によって計測分析す
る振動モード計８｛リ分析装置およびそのための画像演
算手法と画像取り込み法に関する． 〔従来の技術〕 従来、物体の変形状態の計測は、例えば「モアレ研究会
論文集」第３５頁から第５６頁にあるようにモアレトポ
グラフイなどの光学干渉法を利用して行われていた． モアレトポグラフイとは、例えば第３に示すような格子
縞パターンを２枚重ねたときに、もとの空間周波数とは
異なるモアレ縞が生じるという現象を利用し，このモア
レ縞による等高線パターンを作り出し、この等高線パタ
ーンから物体の凹凸の形状を計測する手法である。

モアレトポグラフイを利珀して振動モードを計測するこ
とは，これまで行われてきた．また同様に光学干渉を利
用するホログラフイ計測や，光学干渉法を用いずに、高
速現象を撮影するためのフイルム式の高速カメラ、また
ビデエカメラ等を用いて物体の振動モードを計測する試
みは数多くされてきた。

しかし、これらの方法はいずれも生じている物体の振動
モード、すなわち、物体の変形状態を計測することは可
能であったが、生じている複雑な振動モードが、いかな
る基本的な言ってみれば単純な振動モードがいかなる振
幅で合威されて生じているものであるかを計測された画
像から直接，分析および解析することは不呵能でありこ
の点に関しての考慮は全くなされていなかった。

一般によく知られているように、物体にはその物体に特
有の固有振動数と、固有振動モードが存在する．これら
の物体に潜在する物理因子がある条件、多くの場合は外
力の条件によって引き出され，重合されて複雑な現象が
発生している．従って，一見複雑に変形して見える振動
モードもあるいくつかの単純な振動モードがある振幅で
重なり合って生じており、複雑な振動モードを構成して
いる単純な振動モードの戒分分析を行うことは重要な課
題である．とくに，ｌＩ品開発時は、製品が実際に運転
作動さかる条件のもとでいかなる振動モードで振動する
かを計測し、この振動モードを構成している基本的な振
動モードを分析することは重要なａｔ題であるが、従来
の計測法のままではこの点を解決することはできなかっ
た。

〔発明が解決しようとするＩｔｌＩＩ題〕上記従来技転
は、振動によって生じる、物体の複雑な振動モードを計
測することは可能であったが、この複雑な振動モードを
生じさせている基本的な振動モードである固有振動モー
ドおよびこの振動を分析することは困難であった． 本発明の第ｌの目的は，いくつかの振動モードが合威さ
れて生じている複雑な振動モードから特定の、振幅の大
きい支配的な振動モードを一つずつ抽出することにより
複雑な振動モードの構成要素となっている基本的な振動
モード多くの場合は固有振動モードと振幅を計測・分析
する装置を提供することにある． 本発明の第２の目的は、物体の変形状態を色の濃度に変
換することができる振動モード計測分析装置を提供する
ことにある． 本発明の第３の目的は、高速に画像を取り込む人力装置
および高速に画像の８Ｊｔ算を行う演算装置を備えた振
動モード計４｛リ分析装置を提供することにある。

本発四の第４の目的は画像に直接演算を行うことにより
複雑な振動モードから基本的な振動モードを抽出する画
倣８（算による振動モード計測分析方法を提供すること
にある。

本発明の第５の１１的は、カメラの８！像逮度より高速
に振動する物体の画像を人力することのできる振動モー
ド計ａ＋ｌｌ分析方法を提供することにある．〔課題を
解決するための手段〕 上記第１の目的は、物体の変形状態を色の濃淡に変換す
る光学系と、高速に変動している濃淡画像を静止画とし
て瞬間的に、かつ連続して取り込める尚速シャッタ付の
ビデオカメラ、および取り込んだ画像に連続的に画像の
濃度の平均化演算を行うことのできる画像処理装置を組
合わせて振動モード計測分析装置を構成することにより
達或される。

また、上記第２の目的は、モアレ計測に用いられるよう
な格子縞パターンを被測定物に形成する光学系と、被測
定物状にｖｔ威された変形格子と同一のパターンをもつ
基準格子を設け、被測定物に構成された全形格子と基準
格子のパターンの重なりが、被測定物の変形状態により
変化するようにすることによって達成される。

上記第３の目的は，高速で一像を取り込むことが可能な
，高速シャッタを備えたビデオカメラと，取り込んだ画
像に高速で演算処理のできる画像処理装置を組合わせて
構或することによって達或される． 上記第４の目的は、＃Ａ動の変形状態を表す濃淡画像を
、抽出したい振動モードに対応する振動周期と同一の時
間間隔で十分多くの画像を取り込み、最終的に、油出し
たい振動モードだけが残るまで画像の濃度の平均化演算
を行うことによって達成される． 上記第５の目的は、画像入力部であるシャッタ付ビデオ
カメラの搬像速度よりも振動周期の方が短い場合には，
振動周期のｎ倍がカメラの撮像間隔よりも長くなるよう
に整数ｎを定め、ｎフレームごとに画像を間引いて撮像
する方法により達成される。

〔作用〕

本発明である振動モード計８１リ分析装置は、大きく分
けて、前処理部，画像入力部、演算部の３つから構或さ
れる。

前処理部では、被測定物の変形状態を色のＳ淡で表示す
る。すなわち，前処理部には、格子縞パターンを被測定
物の投影する光学系と、被測定物上に構成された変形格
子と同一のパターンをもつ基準格子があり，観察方向か
ら基準格子を通して被測定物上の変形格子を見た場合に
、被測定物の変形に応じて，変形格子と基準格子のパタ
ーンの黒部と白部の重なり部の面積が変化する。それに
よって、振動している被測定物の全形状態を色の濃淡で
表示することができる。

前記前処理部において得られた濃淡画像は、画像人力装
置によって演算部に取り込まれる。画像入力装置には、
高速で振動する動画像を，静止一としてブレることなく
，シかも連続的に取り込むことができる高速シャッタ付
ビデオカメラが用いられている．この高速シャッタ付ビ
デオカメラは、外部トリガーによってシャッタ動作を行
うことができるので分離抽出したい被測定物の振！ｌ！
ｌＪ７１′Ｊ１期に同期をとって連続的に画像を取り込
みことができる。

人力された画倣は，演算部へ取り込まれ運次、画像の各
画素ごとに濃度の平均化演算を行うことができる．これ
によって特定の振動モードを抽出するこができる。

高精度な位置決めの要求される情報機器や、低騒音化が
要求される家電製品など振動問題が絡む製品の開発時に
は、振動現象の計測・解析が必要である．とくに、製品
の実際の運転動作状態において，いかなる振！ＩＩ呪象
が生じているかを計比する必要がある．次に、この計測
した振動現象を解析して振動を抑える手段を講しるわけ
であるが、このとき、製品の実嫁働状態で生じる？ＩＩ
１雑な振動とを生じさせている基本的な振動モードの分
析をする必要がある．これによって、振動抑制の手段を
考えることができる． 以下に、本発明の振動モード計測分析装置の分析法をの
原理を示す． 物体が稼働する場合、物体の内外から様々な要因により
複雑な振動が発生し、その波形は例えば第１７図の一番
上段のようなランダム的な振動波形となる。しかし、い
かに複雑な波形であっても、フーリエ変換すれば第１７
図のように単純な正弦波形の和で表すことができる．第
工７図の横軸は時間であり縦軸は振動振幅であるが、振
軸は本発明の前処理によって濃度に変換されているので
縦軸は濃度と考えてよい，ここで、被測定物のａ次の振
動モードを抽出する場合、氾次の振動周期の時間間隔で
画像を取り込んでいるので十分多くの回数の濃度の平均
化演算を行った場合、第１７図のように氾次振動の濃度
は常は一定伯をとるのでこの値を保存するが、他の振動
の濃度の値は一定とは限らないので消去される。従って
、最終的にはＬ次の振動モードのみを抽出することがで
きる．他の次数の振動モードを抽出する場合も全く回様
である。これを繰り返すことにより複雑な振動モードの
戒分分析をすることが可能となる。

また被測定物の振動周期がカメラの撮像周期よりも短い
場合は次のようにすればよい．被測定物の振動周期をΔ
ｔｏ，撮像の周期をΔｔｃ　とした場合、第１８図のよ
うに、 ｎ・Δｔｏ≧Δｔｃ となる最小の整数のｎを求め、ｎフレーム毎に画像を間
引いて取り込めばよい。

〔実施例〕 以下、本発明の実施例を第ｌ図から第３図を用いて説明
する。第１１５！Ｉは、本発明の振動モード計８１！１
分析装置の構成であり，第２図は分析法の流れ図である
。前処理部においては，物体の変形量を色の濃度に変換
して表示する。簡単なモデルを例にとって本発明の振動
モード分析装置の構成と分析法を示す。第３図に示すよ
うな黒と白の格子縞のパターンをもつ蛮形格子２ａを、
適当な光学系を組んで、光源３を用いて被測定物１に投
影する．次に、被測定物面上に生じた格子緬パターンと
全く同様のパターンを備えた基準格子２ｂを用意する。

ただし、基壁格子２ｂにおいては、格子編パターンの、
白色部は透明で光を通過させることができ，また黒色部
は光を通過させてはならない。

すなわち，基準格子は、格子縞パターンが、白色部は光
の透過部，黒色部は光の不透過部となっている白と黒の
模様から成る。この基準格子２ｂを通して披測定物↓を
観察する．このとき基準格子２ｂの透過部を通して被測
定物上に投影された格子縞パターンの白色部のみが全部
見えるように設置する。すなわち、観察方向から見て、
被測定物のパターンと基準格子のパターンが完全に重な
って見えればよい．実際の例を第６図から第１工図を用
いて示す。男６図のように、左端が自由、右端が固定の
境界条件をもつ片持ちはりに，第３図に示した格子縞パ
ターンをすでの述べた方法で形成する．次に，被測定物
に形成したパターンと金く同様のパターンをもつ栽準格
子をすでに述へたように、観察方向から１もて，変形格
子と基準格子のパターンが重なって見えるように設置す
る。このとき、第７図のように見える．被測定物は静止
しているので、被測定物に構成された変形格子のパター
ンとＪＡ４格子のパターンは完全に重なって見える． 次に，この状態で被測定物を変形させると、観察方向か
ら見て、基準格子を通して被測定物を見た場合、被測定
物の変形格子のパターンと基型格子のパターンの白縞と
黒縞の重なり部分の＋ｍＭが盆化し、第８図から第１図
のように片持ちはりの変形量の大きい部位の色が漉く見
える。この片持ちはりはランダム振動させているので物
体の変形に応じて時間毎に色の濃淡も例えば第８図から
第１１図のように時間毎に変化する。

この片持ちはりはランダム振動させているので様々な振
動モードを含んでいる。ここから、この複雑な振動モー
ドを構成している基準的な振動モードを一つずつ抽出す
ることによって成分分析を行う装置とその分析法が本発
明である。

本実施例においては、ランダム振動している片持ちはり
から１次の固量振動モードのみを抽出することを例にと
って説明する． 第２図で示した計測・分析の流れ図のように、変形を色
の濃淡の変化で表示した後、この、物体の変形状態を表
示している。

濃淡曙像を，図１に示したシャッタ付ビデオカメラで連
続撮像する。撮像の時間間隔は、抽出したい振動モード
に対応する振動周期の間隔で行う．すなわち例えばｋ次
固有振動モードを抽出する場合は、ｋ次の固有振動数を
ｆｍとすると、撮像の時間間隔Δｋは、 Δｍ　＝　１　／　ｆ　ｋ に選ぶ．第２図の分析法の流れ図で示したように、被測
定物の園有振動数の測定は，はじめに行っておく， この時間間隔で連続的に撮像された画像は，演算部に取
り込まれる。演算部においては、取り込んだ画像に対し
連次、画素ごとに濃度の平均化演算を行なってゆ＜．ｍ
度の平均化演算の速度よりも画像の取り込み速度の方が
早い場合を考えて、演算部においては、フレームメモリ
５を備え、ビデオカメラから取り込んだ画像を一次的に
保管することが可能である．時間毎に全化する濃淡画像
をシャッタ付ビデオカメラにより、抽出したい振動数の
逆数、つまり振動周期に合わせて撮像された画像は，例
えば第１２図から第１５図のようになる。

これらの画像に′ａ度の平均化演算をすると、第１６図
となる。すなわち、これは第６図に示す片持ちはりの一
次モードである。

物体の変位と、これを濃淡表ボしたときの濃度の値は事
前に更正をしておく．更正値から振動の振幅を必要なら
ば読み取ることが可能である。同様に、２次の振動周期
にシャッタタイミングを合わせて全く同様の演算を行え
ば２次の振動モードを抽出することができる． 本実施例で示した振動モード計測分析装置では、画像入
力部に高速で動作するシャッタを備えたビデオカメラを
用いている。一般にビデオカメラの撮像速度には限界が
あるため、烏い周波数の振動現象を計測することは不呵
能である。しかし、機械振動においても数百Ｈｚ以上の
振動を問題とする場合も多い。この場合には第１８図の
ように画像を適当に間引いて取り込めばよい．すなわち
、第工８図のように、抽出したい振動数が鳥い、すなわ
ち振動周期が短い場合には，振動周期のｎ倍が，ビデオ
カメラの撮倣できる間隔よりも長くなったタイミングで
撮像すればよい。撮像の時間は、多少長くなるが全く同
様の画像を得ることが可能である。

取り込んだ画像に濃度の平均化演算を行う凹数は、濃度
の値が安定するまで十分多くの回数だけ行う必があり、
一般には３０Ｉ！！１程度必要である。

被測定物に変形格子を形成する他の方法は、第３図のよ
うな格子縞パターンを被測定物に貼付してもよい．これ
を第２実施例とする。

変形量を色のＳ淡に変換して表示する方法として次の２
つの方法をあげる． ｌつは、モアレ干渉法の処理後、ローバスフィルタを通
す方法である．モアレ干渉法は、干渉縞の本数により物
体の変形を計測する光学干渉法であるからこれを被測定
物に用いれば被測定物の変形状態に応じ第１８図のよう
な干渉縞が得られる。

変形の大きい部位は縞間隔が密となり、変形の小さい部
位は縞間隔が疎の濃淡からなる縞画像が得られる．この
画像を、ローパスフィルタを通して見ると第２０図のよ
うに縞間隔の密な部位は縞が重なり合って色が濃い画像
が得られる．もう１つの方法は、ホログラフイ干渉法を
用いた後、ローパスフィルタを通す方法である。以上の
２つをそれぞれ第３，第４実施例とする。

第１実施例において画像入力部には、晶速で動作するシ
ャッタを備えたビデオカメラを用いているが、この代わ
りに、通常のビデオカメラに、ＰＬＺＴで作られる島速
に動作するシャッタを用いてもよい．これを第４実施例
とする．また第１実施例においては、格子縞パターンを
投影して被測定物上に変形格子を形成し、これと別に基
準格子を設けたが、これとは異なり、被測定物に近接し
て、基準格子を設け、これに光を照射して被測定物に食
形格子を形成し、これと基増格子との重なり部分の面積
変化を利用して、変形状態を色の濃淡に表示してもよい
。これを第５実施例とする。

第６実施例として、高速で動作するシャッタを用いずに
、振動周期と等して間隔でストロボを連続発光させ、こ
れをビデオカメラで撮像する方法をあげる． 第７実施例として，フイルム式による高速カメラを用い
て高速撮影し、抽出する振動周期に対応する画像のみを
取り出し、これを新たにビデオカメラやイメージスキャ
ナ等を介して画像処理装置に取り込んでもよい。

第１から第７の実施例においては、画像処理装置を用い
てデジタル信号処理的に濃度の平均化を行っているが、
他の実施例として、光学的に′ａ度の平均化演算を行う
方法を示す． すなわち、前処理部によって得られた濃淡画像を通常の
光学ステイルカメラを用い、シャッタを開放したまま振
動周期に同期をとった間隔で連続的に重ね写しをしてい
けばよい。

ここで述べた実施例はすべて説明の簡単のため、片持ち
はりの単純な曲げ振動を例にとって説明したが、ねじり
振動モードなど複雑な振動モードを扱う場合には、第４
図や第５図のように、２次元的なパターンを用いればよ
い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、実際に製品を稼働した場合に生じる複
雑な振動が，いかなる固有振動モードがいかなる振幅で
重合されているかを、パターン情報として，視覚的に、
かつ迅速に計測分析することが可能となる。これまで計
測が困難であった製品の運転動作状態での振動モードの
戒分分析が可能となる。

また，画像処理による高速処理による振動計測および分
析法であるので，時間と労力が省け、製品開発を迅速に
進めることがｈＪ能となる。

センサーを用いたポイント計測ではなく、パターン計８
１’ｌであるので，計ａ＋リの精度がよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構或図、第２図は本発明の
分析法の流れ図である。第３図から第５図は、本発明に
用いることができる格子縞パターンの一例である。第６
図は、一つの対象例である片持ちはりのモデル図、＠７
国から勤１ｌ図は、本発明の方法により得られた振動状
態を表す濃淡画倣であり、第ｌ２図から第１５図は、こ
れらを特定のタイミングで撮像したｌ１ｌ淡画像であり
、第１６図は、抽出した特定の振動モードを表す潴淡画
像である．第１７図は、本分析法の原理説明図、第ｌ８
図は、搬像方法の説明図である。第１９図はモアレ干渉
により得られた濃淡画像、第２０図はこれをローバスフ
ィルタに通してものである．１・・・被測定物，２ａ・
・・変形格子，２ｂ・・・基準格子、３・・・光源、４
・・・扁速シャッタ付ビデオカメラ、４′・・・高速シ
ャッタ、５・・・フレームメモリ、６・・・′ト ？■　　　，ノ　　ＩＦ■ 境 ２ 凹 句゛村；夫のｊ（れ圀 第 乙 口 ３ ７ 囚 め Ｂ 口 ２ デ 図 拓 ／θ 図 第 ｌｌ （２） 吊 ３ 区 芽 ｌ２ 口 第 １３ 凶 竿 ／４− 図 第 ／５ 図 拓 ／Ｚ 図 鴇 ／７ 因 男 ノ？ 口 ｐ−Ｋ下ｉ７ｌ！　ウＥＣ　ｉ｛Ｉ’Ａ　ｒｒう１いて
昧゛｝込む乙ｔｏも゛き；：同じ兼勺ボ視われる．鳩 ／９ 圀 第 ２０ Ｓ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、画像間の演算により振動モード計測分析装置におい
   て、振動して形状が時間的に変化している物体の変形状
   態を、変形量の大きい部分は色が濃く変形量の小さい部
   分は色が薄くなるように、あるいはこの逆に、変形量の
   大きい部分は色が薄く変形量の小さい部分は色が濃くな
   るように、物体の変形状態を色の濃淡表示に瞬間的に変
   換する光学系より成る前処理部と、前記前処理部におい
   て、得られる、物体の変形状態を表示している濃淡画像
   から、特定の振動数に対応する振動モードを抽出するた
   めに物体の変形に応じて時間的に変化している前記濃淡
   画像を、ある時間間隔で連続的に取り込むことが可能な
   画像入力部と、前記画像入力部より連続的に取り込んだ
   画像に対し、画像処理を行うための演算部とを備えたこ
   とを特徴とする振動モード計測分析装置。 ２、特許請求の範囲第１項の振動モード計測分析装置に
   おいて、前記前処理部は、モアレトポグラフイ等に用い
   られる白色と黒色から成る格子縞パターンを被測定物上
   に投影して変形格子を形成する光学系と、被測定物に近
   接して設置され、前記格子縞パターン２と同様のパター
   ンをもち、かつこのパターンの白色部は光の透過部であ
   り黒色部は光の不透過部となつている基準格子から構成
   され、変形格子と基準格子との重なりの面積変化によつ
   て物体の振動によはる変形量を濃淡表示することを特徴
   とする振動モード計測分析装置。３、特許請求の範囲第
   １項の振動モード計測分析装置において、前記画像入力
   部は、高速で連続動作が可能なシャッタを備えたビデオ
   カメラであり、前記画像入力部より連続的に取り込んだ
   画像に高速に画像処理を施す演算部は、リアルタイムで
   画像間演算を行うことが可能な画像処理装置を備えたこ
   とを特徴とする振動モード計測分析装置。 ４、特許請求の範囲第１項の記載の振動モード計測分析
   方法において、複雑な振動モードからこれを構成してい
   る基本的な振動モードを抽出し、前記前処理部において
   変換された濃淡画像を前記画像入力部により抽出したい
   振動モードの振動数に同期をとつて画像を取り込こみ、
   十分多くの回数の濃度の平均化演算を、画像の各画素ご
   とに施すことを特徴とする振動モード計測分析方法。 ５、特許請求の範囲第４項に記載の振動モード計測にお
   いて分析方法において、ビデオカメラの垂直周波数より
   も高い振動数で振動している物体の画像を取り込むとき
   は、画像を適当に間引いて取り込むことを特徴とする振
   動モード計測分析方法。