JPH0943283A - 信号処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】広範な種類の信号を良好なＳ／Ｎ比で検出する
ことのできる信号処理装置を提供する。 【解決手段】マイクロフォン１と、マイクロフォン１に
より採取された信号１１ａのフィルタリングを行うバン
ドパスフィルタ２と、フィルタリングされた信号１１ｂ
に基づく包絡線信号１１ｃを生成する包絡線信号生成手
段３と、包絡線信号１１ｃと採取されたままの信号１１
ａとのクロススペクトルを生成するＦＦＴ７とを備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノイズを含む信号
の中から所望の信号を検出する信号処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】機械類の予防保全のために、音響法、振
動法、超音波法、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓ
ｉｏｎ）法その他の診断方法が開発されている。これら
の診断方法においては、診断対象から採取された信号に
はさまざまな種類のノイズが含まれており、異常要因を
表す信号はそれらのノイズの中に埋もれた状態となって
いる場合も多い。そこで、このような信号のＳ／Ｎ（信
号対ノイズ）比を改善し、目的の信号を検出しやすくす
る信号処理技術が必要となる。このような信号処理技術
について、従来から多くの開発と改良が積み重ねられて
今日に至っている。

【０００３】図５、図６、及び図７は、音響法、振動法
等による機械の診断に広く用いられる、３つの代表的な
信号処理方法を示すブロック図である。図５に示す信号
処理方法は、センサ、例えばマイクロフォン１により採
取された信号をそのままスペクトルアナライザ４により
周波数分析して診断結果６を得る最も一般的な方法であ
る。この方法を用いて、卓越した振動がどの周波数帯域
にあるかによりその機械の異常要因を判定したり、その
振動の大きさが正常な振動の限界値を超えているか否か
によりその機械が正常であるか異常であるかを判定した
りすることができる。

【０００４】図６に示す信号処理方法は、センサ、例え
ばマイクロフォン１により採取された信号をバンドパス
フィルタ２により所定の周波数帯域に帯域制限した後、
包絡線信号生成手段３を用いて、帯域制限された信号に
基づく包絡線信号を生成し、その包絡線信号をスペクト
ルアナライザ４により周波数分析して診断結果６を得る
方法である。

【０００５】この信号処理方法は、異常現象が低い周波
数で起きていて、ノイズ成分が高周波側に寄っている場
合に有効な方法である。例えば、ボールベアリングの音
響診断において、そのベアリングの外輪に傷がある場
合、ボールがその傷に当たる度毎に、ボールと外輪の傷
との衝撃音が発生するほかに、外輪が支持部またはベア
リングケースを加振して共振音を発生する。また、外部
からのノイズは低い周波数成分が伝わりやすいため、低
域成分に集中している場合が多い。このような場合、通
常、支持部の共振点は比較的高い周波数帯域にあるの
で、先ず、支持部の共振点を含む周波数をフィルタリン
グするバンドパスフィルタ２を用いてバンドパス処理す
ることにより外部からのノイズを除去する。

【０００６】このバンドパス処理の後に、包絡線信号生
成手段３によるエンベロープ処理が施されて、信号に含
まれる細かい波形成分が除かれた包絡線信号が生成さ
れ、次いで、スペクトルアナライザ４により周波数分析
される。これらの、バンドパス処理及びエンベロープ処
理により、Ｓ／Ｎ比が改善されて信号波形の全体像が把
握されやすくなり、目的の異音の波形が明瞭に検出さ
れ、正確な診断結果６を得ることができる。

【０００７】なお、時には、ノイズの種類及びレベルに
より、バンドパスフィルタ２を用いる必要のない場合も
あるが、一般には、バンドパスフィルタ２を用いてＳ／
Ｎ比を改善することにより、ノイズの中に埋もれている
目的の信号の検出を容易なものとすることができる。図
７に示す信号処理方法は、図６に示す方法と同様に、バ
ンドパスフィルタ２及び包絡線信号生成手段３を用いて
包絡線信号を生成した後、時間帯選択回路５を用いて特
定の時間帯の包絡線信号を取り出し、例えば、その包絡
線信号と全時間帯を通じての包絡線信号の平均レベルと
の比較、または同じ特定の時間帯の包絡線信号の正常時
の信号レベルとの比較により、正常か異常かを診断する
方法である。例えば、エンジンのタペット音の診断の場
合、正常なエンジンについての、１サイクル、即ちクラ
ンクシャフトが２回転（７２０度）する間の或る特定の
周波数帯域の特定の回転角における振動波形は予め把握
されているので、診断対象の信号の包絡線信号を生成
し、そのうちの特定の回転角付近における振動波形を、
正常時の振動波形と比較することにより容易に診断結果
６を得ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
従来の信号処理方法は、信号に含まれるノイズの種類及
びレベルによっては、常に納得のいく診断結果が得られ
るとは限らない。そのため、納得のいく診断結果が得ら
れるまで、各種の信号処理方式を処理条件を変えながら
試行錯誤的に繰り返し試みることになる。

【０００９】本発明は、上記の事情に鑑み、広範な種類
の信号を良好なＳ／Ｎ比で検出することのできる信号処
理装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を解決する本
発明の信号処理装置は、共通の事象を担持した、互いに
同一の、もしくは互いに異なる２つの信号のうちの一方
の信号に基づいて包絡線信号を生成する包絡線信号生成
手段と、包絡線信号、及び上記一方の信号とは異なる他
方の信号を入力して、包絡線信号と上記他方の信号との
クロススペクトルを生成するクロススペクトル生成手段
とを備えたことを特徴とする。

【００１１】ここで、上記信号処理装置が、上記一方の
信号をフィルタリングして上記包絡線信号生成手段に渡
すフィルタリング手段を備えたものとすることが好まし
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の信号処理装置の実
施形態について説明する。図１は、本発明の信号処理装
置の一実施形態を示すブロック図である。図１に示すよ
うに、この信号処理装置１０には、センサ、例えばマイ
クロフォン１と、マイクロフォン１により採取された信
号１１ａの帯域制限を行うフィルタリング手段としての
バンドパスフィルタ２と、フィルタリングされた信号１
１ｂに基づく包絡線信号１１ｃを生成する包絡線信号生
成手段３と、包絡線信号１１ｃと採取されたままの信号
１１ａとのクロススペクトルを生成するクロススペクト
ル生成手段としてのＦＦＴ（高速フーリエ変換器）７と
が備えられている。

【００１３】この信号処理装置１０を機械診断用として
用いることにより、マイクロフォン１から採取されたま
まの信号１１ａと包絡線信号１１ｃとがＦＦＴ７で処理
されて、高Ｓ／Ｎ比のクロススペクトル１１ｄが得ら
れ、そのクロススペクトル１１ｄにより所望の信号が検
出され、診断結果６が得られる。図２は、モータの異音
診断における各種スペクトルを表した図である。

【００１４】図２（ａ）には、図５に示した方法に従っ
て、異音を発するモータからマイクロフォン１により採
取された信号をスペクトルアナライザ４にかけて得られ
たパワースペクトルの一部分が示されている。診断対象
のモータの周辺には人の会話音があったため、このパワ
ースペクトルには、モータの発する音響成分の他に音声
ノイズが含まれている。そのため、複雑な波形となって
いるが、０Ｈｚから２００Ｈｚ付近にかけて高調波成分
が観察され、この辺りに異音の原因がありそうなことが
推定される。しかし、それ以上の詳しいことはこのパワ
ースペクトルではわからない。そこで、前述の包絡線処
理（図６参照）を試みる。

【００１５】図２（ｂ）は、図６に示した方法に従っ
て、マイクロフォン１により採取された信号に基づき、
包絡線信号生成手段３を用いて生成された包絡線信号の
スペクトルである。図２（ｂ）に示すように、包絡線処
理の効果により、０Ｈｚから１４００Ｈｚ付近までの広
い周波数領域に亘って、約５０数Ｈｚ毎に周期的に波形
のピークが現れている。このことから、５０数Ｈｚ付近
に基本波を有する高調波群がこのモータ異音の原因であ
ることが推定される。

【００１６】このように、元の波形のまま（図２（ａ）
参照））では検出できない場合でも、包絡線処理により
検出できることがある。図２（ｃ）は、本発明の信号処
理装置を用いて生成されたクロススペクトルを示す図で
ある。このクロススペクトルは、図１のクロススペクト
ル生成手段７を用いて、マイクロフォン１により採取さ
れた元の信号１１ａ（図２（ａ）相当）と、元の信号１
１ａをバンドパスフィルタ２により帯域制限し、得られ
た信号１１ｂに基づいて包絡線信号生成手段３により生
成された包絡線信号１１ｃ（図２（ｂ）相当）とから生
成されたものである。

【００１７】図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）と同
様、約５０数Ｈｚ毎に周期的に波形のピークが現れてお
り、このように、本発明の信号処理装置を用いることに
より、図２（ｂ）で得られたのと同様の診断結果を得る
ことができる。次に、上記の異音モータについて、モー
タ周辺の環境条件を変えて、ノイズの種類やノイズレベ
ル等のノイズの含まれ方の異なる信号を採取した場合の
診断例について説明する。

【００１８】図３は、モータの異音診断におけるスペク
トルの他の例を示す図である。なお、図３の横軸のスケ
ールは図２の横軸のスケールの１０倍に拡大されてお
り、図３には、０Ｈｚから２００Ｈｚまでのスペクトル
が示されている。図３（ａ）は、図２と同じモータにつ
いて、モータ周辺の環境条件を変えて測定した時のパワ
ースペクトルである。モータの周辺には、図２のような
会話音はないが、モータの発する異音と同じ周波数帯域
に他の機器のノイズが存在している。

【００１９】図３（ａ）に示すように、このパワースペ
クトルには、約５４Ｈｚ，１０８Ｈｚ，及び１６２Ｈｚ
付近に波形のピークが認められ、図２（ｂ）の時と同
様、約５４Ｈｚ付近に基本波を有する高調波群がこのモ
ータ異音の原因であることが推定される。このように、
元の波形のままでも、モータの異音の診断ができる場合
もある。

【００２０】この場合に、前述の包絡線処理を行うこと
により、どのような結果が得られるかを確かめることと
する。図３（ｂ）は、元の波形から、図６に示した方法
に従って作成した包絡線信号のスペクトルである。図３
（ｂ）に示すように、この包絡線信号スペクトルから
は、はっきりした応答を見いだすことができない。

【００２１】このように、同じ異音を発するモータに対
して、同じ包絡線処理を用いた診断方法を採用しても、
採取された信号に含まれるノイズの種類やレベルによ
り、その診断方法が有効な場合と無効な場合とが存在す
る。次に、図１に示す本実施形態の信号処理装置１０を
用いて、元の信号１１ａと包絡線信号１１ｃとからクロ
ススペクトル１１ｄを生成する。

【００２２】図３（ｃ）は、本発明の信号処理装置を用
いて得られたクロススペクトルの一例である。図３
（ｃ）に示すように、図３（ａ）と同様、約５４Ｈｚ，
１０８Ｈｚ，及び１６２Ｈｚの辺りに顕著な波形のピー
クを検出することができる。図２（ｃ）及び図３（ｃ）
に示したように、本発明の信号処理装置によれば、従来
の信号処理方式では処理できたり、処理できなかったり
する、種々のノイズ条件下でも、常に安定して、正確な
診断結果を得ることができる。

【００２３】このように包絡線信号処理とクロススペク
トル処理とを組合わせることによって常に安定した信号
処理ができるのは次のような理由によるものと考えられ
る。通常、包絡線信号を得るための基本的な操作とし
て、信号を２乗検波、あるいは全波整流することにより
その信号の有している低周波成分を取り出し、高周波成
分を取り除くという操作が行われる。従って、元の信号
波形が、低周波成分とその高次の高調波を含んでいる場
合は、元の信号を包絡線信号処理して得られた包絡線信
号波形は元の信号の波形と高度の相関性を持つことが多
い。そこで、包絡線信号処理により得られた包絡線信号
波形と、元の信号波形とのクロススペクトルをとること
により、互いに関連性のある成分のみが残り、互いに無
関係な成分は消える。通常、外部から混入したノイズ
が、低周波から高周波にかけて広い帯域に亘って規則的
な関連性を持っている場合は少ないので、本発明の信号
処理装置を用いて、異なる帯域間のクロススペクトルを
とることにより、目的とする信号と無関係なノイズ成分
が消え、Ｓ／Ｎ比が改善されてノイズに埋もれていた異
音が検出できるようになる。

【００２４】なお、クロススペクトル生成手段７として
は、２チャンネルのＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナラ
イザが用いられる。クロススペクトル生成手段７は、２
チャンネルのＦＦＴアナライザに限定されるものではな
いが、この２チャンネルＦＦＴアナライザを用いると、
クロススペクトルの生成の他に、元の波形のスペクトル
分析も、また、その包絡線信号処理も行わせることがで
きて便利である。このように１台のＦＦＴアナライザに
主要な処理を兼用させることにより処理の効率化を図る
こともできる。

【００２５】なお、上記の実施形態においては、診断の
対象となる信号がマイクロフォン等のセンサで採取され
た信号である場合について説明したが、このような信号
の他に、以下に示すような形態でも実施可能である。図
４は、本発明の他の実施形態を示すブロック図である。
図４には、本発明の信号処理装置をスピーカの検査に用
いる場合の実施形態が示されている。即ち、この信号処
理装置１０には、標準信号発生器２０と、標準信号発生
器２０からの標準信号２０ａを増幅するアンプ２１と、
アンプ２１から出力される信号２１ａを機械エネルギに
変換してそれを放音するスピーカ２２と、スピーカ２２
から放音された音を電気エネルギに変換するマイクロフ
ォン１と、マイクロフォン１から入力される信号１１ａ
から包絡線信号１１ｃを生成する包絡線信号生成手段３
と、アンプ２１からの信号２１ａと包絡線信号１１ｃと
からクロススペクトル１１ｄを生成するクロススペクト
ル生成手段としてのＦＦＴ７とが備えられている。

【００２６】このように、（１）共通の事象（標準信号
２０ａ）を担持した、互いに同一の、もしくは互いに異
なる２つの信号（信号２１ａと信号１１ａ）のうちの一
方の信号１１ａに基づいて包絡線信号１１ｃを生成する
包絡線信号生成手段３と、（２）上記包絡線信号１１
ｃ、及び上記一方の信号１１ａと異なる他方の信号２１
ａを入力して、包絡線信号１１ｃと上記他方の信号２１
ａとのクロススペクトル１１ｄを生成するクロススペク
トル生成手段７との双方を備えた信号処理装置１０を構
成することにより本発明の目的を達成することができ
る。

【００２７】更に、本発明の信号処理装置１０を用い
て、例えば、コンプレッサの異音を診断する場合は、コ
ンプレッサに取り付けられた振動センサから直接採取さ
れた信号と、その信号に基づいて生成した包絡線信号と
のクロススペクトルを生成すればよい。あるいは、コン
プレッサの異音をマイクロフォンで間接的に採取した信
号と、その信号に基づいて生成した包絡線信号とのクロ
ススペクトルを生成するようにしてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の信号処理
装置に備えられた、包絡線信号生成手段とクロススペク
トル生成手段とを用いて、元の信号に基づいて包絡線信
号を生成した上で、生成された包絡線信号波形と、元の
信号の波形とのクロススペクトルをとることにより、互
いに関連性のある成分のみが残り、互いに無関係なノイ
ズ成分が消え、Ｓ／Ｎ比が改善されてノイズに埋もれて
いた異音成分を検出することができるので、広範な種類
の信号を良好なＳ／Ｎ比で検出することができる。従っ
て、従来のように、各種の信号処理方法を試行錯誤的に
繰り返すこと必要がなくなる。

【００２９】また、本発明の信号処理装置において、包
絡線信号生成手段の前段にフィルタリング手段を備えた
場合は、フィルタリング手段により信号に無関係なノイ
ズを除去することによりＳ／Ｎ比を改善して、ノイズの
中に埋もれている異音の検出をより容易なものとするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の信号処理装置の一実施形態を示すブロ
ック図である。

【図２】モータの異音診断における各種スペクトルを表
した図である。

【図３】モータの異音診断におけるスペクトルの他の例
を表した図である。

【図４】本発明の他の実施形態を示すブロック図であ
る。

【図５】音響法、振動法等による機械の診断に用いられ
る従来の信号処理方法を示すブロック図である。

【図６】音響法、振動法等による機械の診断に用いられ
る従来の信号処理方法を示すブロック図である。

【図７】音響法、振動法等による機械の診断に用いられ
る従来の信号処理方法を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ マイクロフォン ２ バンドパスフィルタ ３ 包絡線信号生成手段 ４ スペクトルアナライザ ５ 時間軸選択回路 ６ 診断結果 ７ ＦＦＴ １０ 信号処理装置 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 信号 １１ｃ 包絡線信号 １１ｄ クロススペクトル ２０ 標準信号発生器 ２０ａ 標準信号 ２１ アンプ ２１ａ 信号 ２２ スピーカ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共通の事象を担持した、互いに同一の、
   もしくは互いに異なる２つの信号のうちの一方の信号に
   基づいて包絡線信号を生成する包絡線信号生成手段と、 前記包絡線信号、及び前記一方の信号とは異なる他方の
   信号を入力して、前記包絡線信号と前記他方の信号との
   クロススペクトルを生成するクロススペクトル生成手段
   とを備えたことを特徴とする信号処理装置。
2. 【請求項２】 前記一方の信号をフィルタリングして前
   記包絡線信号生成手段に渡すフィルタリング手段を備え
   たことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。