JPH10105177A - 音響フィルタ及びこれを使用した音響計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 雑音と必要な音響信号との音圧が同時に音響
センサの振動板に作用して電気信号に変換されるため、
必要な音響信号を十分に増幅することができず、増幅器
の出力信号のＳ／Ｎ比が低くなってしまう。 【解決手段】 小径開口部１０から大径開口部１１にか
けてホーン形状に形成した曲面１２からなる導音部１３
を有し、小径開口部１０を音入力端、大径開口部１１を
音出力端とした音響フィルタ２を、音響センサ３の音入
力端に接続し、外界音を音響フィルタ２を介して音響セ
ンサ３に導き、音響センサ３の出力信号を信号処理装置
７で処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響フィルタ及び
これを使用した、例えば回転機械設備等の音信号を検出
して行う設備診断に適用する音響計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、音響信号を計測する場合には、直
接音響センサで音を検出し、音響センサの出力信号を増
幅器で増幅し、その後フィルタで雑音を除去して必要な
音響信号を取り出すようにしている。

【０００３】このような方法で、例えば、機械設備の特
定部分が発する音響信号を計測して機械設備の故障診断
を行う場合には、機械設備の特定部分が発する音をマイ
クロホンで検出し、マイクロホンが出力する電気信号を
増幅器で増幅し、更に増幅器の出力信号のうち不要な帯
域をフィルタで遮断し、フィルタの出力信号を信号処理
装置で処理し、この処理した後の電気信号と、予め測定
しておいた正常時の電気信号とを比較し、異常がないか
どうかを調べることによって行われる。

【０００４】上述の機械設備の特定部分が、例えば回転
軸受である場合で、軸受に傷が存在すると、音響信号の
うち、軸受の固有振動数を含む帯域の成分が設備診断の
対象となる。一般的に、軸受の固有振動数は、２ｋＨｚ
〜１０ｋＨｚであり、この帯域以外の音響信号を遮断す
るため上述のフィルタが使用され、この帯域の音信号の
みが設備診断の判断対象となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の装置に
おいては、雑音と必要な音響信号との音圧が同時に音響
センサの振動板に作用して電気信号に変換されるため、
この電気信号が増幅器で増幅されると、雑音も必要な音
響信号と同様に増幅される。従って、雑音のレベルが必
要な音響信号のレベルよりも大きい場合、音響センサに
必要な音響信号とそれ以外の音信号（雑音）とが同時に
入力されるため、増幅器の飽和を考慮して増幅器の増幅
度は雑音レベルに合わせて決定されねばならない。

【０００６】すると、必要な音響信号を十分に増幅する
ことができず、増幅器の出力信号のＳ／Ｎ比は低くなっ
てしまう。また、Ｓ／Ｎ比の低い信号をＡ／Ｄ変換器で
量子化する場合、量子化誤差によりさらに必要な信号が
失われることが多かった。

【０００７】本発明は、従来の技術が有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、十分にＳ／Ｎ比が高い状態で所望の周波数帯域
の音響成分を計測可能にする音響フィルタ及びこれを使
用した音響計測装置を提供しようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく請
求項１の発明は、小径開口部から大径開口部にかけてホ
ーン形状の導音部を有し、前記小径開口部を音入力端、
前記大径開口部を音出力端としたものである。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１記載の音響フ
ィルタにおいて、前記ホーン形状は、エクスポネンシャ
ル・ホーン形状であるとよい。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は２記載の
音響フィルタと、第１の音響細管、第１の空間、第２の
音響細管、第２の空間および第３の音響細管を順次接続
して構成される高域遮断型音響フィルタを音響的に接続
して所望の帯域のみを通過させるものである。

【００１１】請求項４の発明は、音響センサの音入力端
に請求項１、２又は３記載の音響フィルタの音出力端を
接続し、外界音を前記音響フィルタを介して前記音響セ
ンサに導き、前記音響センサの出力信号を信号処理手段
で処理するものである。

【００１２】請求項５の発明は、請求項４記載の音響計
測装置において、前記音響センサの出力信号をフィルタ
でフィルタリングした後に、前記信号処理手段で処理す
るものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。ここで、図１は請求項１の発
明に係る音響フィルタを音響センサの音入力端に接続し
た音響計測装置の構成図、図２はホーン形状の説明図、
図３は数２でｎをパラメータとしたホーン形状の説明
図、図４は遮断周波数ｆ_C＝１ｋＨｚとした音響フィル
タの寸法図、図５は音響フィルタを使用した場合と使用
しない場合の音響センサの出力信号を比較する試験装置
の構成図、図６は音響フィルタを使用しない場合の音響
信号のスペクトルを示す図、図７は音響フィルタを使用
した場合の音響信号のスペクトルを示す図、図８はロー
パス・フィルタである音響フィルタを音響センサの音入
力端に接続した音響計測装置の構成図、図９と図１０は
帯域通過型音響フィルタを音響センサの音入力端に接続
した音響計測装置の構成図である。

【００１４】図１に示すように、請求項１の音響フィル
タを使用した音響計測装置１は、音響フィルタ２と、音
響センサ（マイクロホン）３を内部に設置した遮音装置
４と、音響センサ３の出力信号を増幅する増幅器５と、
所定の遮断特性を有するハイパスフィルタ６と、ハイパ
スフィルタ６の出力信号を処理する信号処理装置７から
なる。

【００１５】音響フィルタ２は、小径開口部１０から大
径開口部１１にかけてホーン形状に形成された曲面１２
で囲まれる導音部１３を有し、小径開口部１０を音入力
端、大径開口部１１を音出力端としている。

【００１６】遮音装置４は、ケース４ａ内に吸音材１５
を充填し、振動板３ａの前方のみ開口して音響センサ３
を吸音材１５で包むようにして構成されている。なお、
吸音材１５は不要な反射（乱反射）等を防止するために
設けられたものである。

【００１７】音響計測装置１は、音響フィルタ２の音出
力端としての大径開口部１１に音響センサ３の音入力端
を接続して、外界音を音響フィルタ２を通して音響セン
サ３に入力し、更に音響センサ３の出力信号を増幅器５
を介してハイパスフィルタ６に入力して、ハイパスフィ
ルタ６の出力信号を信号処理装置７に入力し処理してい
る。ここで、ハイパスフィルタ６の遮断周波数は、音響
フィルタ２の遮断周波数と同一である。

【００１８】音響フィルタ２は、低域周波数成分を遮断
するハイパス・フィルタとして作用する。このハイパス
・フィルタを実現するための、小径開口部１０から大径
開口部１１にかけてホーン形状に形成される曲面１２の
創成について説明する。図２に示すホーン形状におい
て、小径開口部１０側に音源を置き、大径開口部１１側
に音響センサ３を置くことによりハイパス・フィルタと
して作用する。先ず、図２に示すようなホーン形状にお
いて、ｘでの音波の波動方程式は、次のように書ける。

【００１９】

【数１】

【００２０】ここで、Ｓ：ｘでのホーンの断面積、φ：
速度ポテンシャル（複素量）、ｋ＝ω／ｃ、ω：角周波
数、ｃ：音速、である。また、ホーンの断面積として、
次のように表す。

【００２１】

【数２】

【００２２】Ｓ₁は、ｘ＝０での断面積、αとｎは定数
である。ｎ＝０，１，３，∞のときの曲面１２の形を、
図３に示す。数２を数１に代入すると、次のようにな
る。

【００２３】

【数３】

【００２４】また、ｘ＝ｌでの断面積をＳ₂とすると、
特にｎ→∞のとき、エキスポネンシャル・ホーンとい
い、次のように表すことができる。

【００２５】

【数４】

【００２６】エキスポネンシャル・ホーンの場合、音圧
ｐと粒子速度ｖとの比は、次のようになる。

【００２７】

【数５】

【００２８】ここで、ρ₀は音がないときの媒質の静止
密度であり、ｋ＝ω／ｃである。また、ｍ／（２ｋ）≧
１、即ち、周波数ｆ≦ｍｃ／（４π）のとき、数５は純
虚数になるから、音波はホーンの中を伝送されなくな
る。ここで、遮断周波数ｆ_Cは次式で定義される。

【００２９】

【数６】

【００３０】従って、除去したい低周波数の音響信号の
上限周波数をｆ_Cとするように、ホーンを形成すれば、
図１に示す音響フィルタ２をハイパス・フィルタとして
実現することができる。

【００３１】このような音響フィルタ２を使用すること
により、外界音が低域周波数成分を多く含んだ場合であ
っても、音響フィルタ２でこの低域周波数成分が遮断さ
れるので、音響センサ２の出力信号にはほとんど低域周
波数成分が含まれない。音響センサ２の出力信号を増幅
器５で増幅した後、さらに音響フィルタ２と同一の遮断
周波数ｆ_Cで低域を遮断する電気的ハイパスフィルタ６
によってフィルタリング（ろ波）することにより、電気
的ハイパスフィルタ６の出力信号は外界音を所定の遮断
周波数ｆ_Cで二重にろ波されることになり、信号処理装
置７には所望の帯域成分以外の成分はほとんど入力され
ない。

【００３２】図４は、数３〜数６に基づいて設計した遮
断周波数ｆ_C＝１ｋＨｚのエキスポネンシャル・ホーン
形状の音響フィルタ２０の寸法図である。

【００３３】また、音響フィルタを使用した場合と使用
しない場合の音響センサの出力信号を比較するため、図
５に示すような試験装置２１を構成した。試験装置２１
は、信号発生器２２によりスピーカ２３にホワイトノイ
ズを供給し、音響センサとしての参照用マイクロホン２
４と信号計測用マイクロホン２５の出力信号をアンプ２
６を介して周波数分析器２７で記録するものである。な
お、参照用マイクロホン２４と信号計測用マイクロホン
２５は同じものである。

【００３４】信号計測用マイクロホン２５は、鋼管で形
成されたケース２８内にグラスウール２９を充填した遮
音装置３０の内部に設置され、図４に示すエキスポネン
シャル・ホーン形状を有する音響フィルタ２０（遮断周
波数ｆ_C＝１ｋＨｚ）を通してスピーカ２３からの音響
信号を受けるようになっている。一方、参照用マイクロ
ホン２４は、直接スピーカ２３からの音響信号を受ける
ようになっている。

【００３５】ここで、スピーカ２３と音響フィルタ２０
の音入力端までの距離は、３０ｃｍとし、スピーカ２３
から参照用マイクロホン２４と信号計測用マイクロホン
２５までの距離は等しく、上記３０ｃｍに音響フィルタ
２０の長さ１０．５ｃｍをプラスした４０．５ｃｍとし
た。

【００３６】図６は音響フィルタ２０を使用しない場合
で参照用マイクロホン２４により測定した音響信号のス
ペクトルであり、図７は音響フィルタ２０を使用した場
合で信号計測用マイクロホン２５により測定した音響信
号のスペクトルである。図６においては、３０００〜４
０００Ｈｚ付近のレベルと数百Ｈｚ近傍のレベルとの差
は少ないが、図７においては、３０００〜４０００Ｈｚ
付近のレベルと数百Ｈｚ近傍のレベルの差が十分大きく
なっている。これは、音響フィルタ２０の効果により低
周波数（１ｋＨｚ以下）の音響パワーが大きく減少した
ためである。

【００３７】以上説明したように、音響フィルタ２０を
使用することにより、外界音のうち、低域周波数成分を
除去した音響信号をマイクロホン２４に入射させること
ができ、この分所望する帯域の信号を高Ｓ／Ｎ比で計測
することができる。またマイクロホン２４の出力信号を
電気的フィルタを用いて更にろ波した場合は、所望する
帯域の信号を一段と高Ｓ／Ｎ比で計測することができ
る。

【００３８】次に、ローパス・フィルタである音響フィ
ルタを使用した音響計測装置３１は、図８に示すよう
に、音響フィルタ３２と、音響センサ（マイクロホン）
３を内部に設置した遮音装置３４と、音響センサ３の出
力信号を増幅する増幅器３５と、所定の遮断特性を有す
るローパスフィルタ３６と、ローパスフィルタ３６の出
力信号を処理する信号処理装置３７からなる。

【００３９】音響フィルタ３２は、第１の音響細管３２
ａと、第１の空間３２ｂと、第２の音響細管３２ｃと、
第２の空間３２ｄおよび第３の音響細管３２ｅを順次接
続して構成されている。

【００４０】遮音装置３４は、ケース３４ａ内に吸音材
１５を充填し、貫通孔３４ｂを形成したプレート３４ｃ
により振動板３ａの前方のみ開口して音響センサ３を吸
音材１５で包むようにして構成されている。なお、吸音
材１５は不要な反射（乱反射）等を防止するために設け
られたものである。

【００４１】音響計測装置３１は、音響フィルタ３２の
音出力端としての第３の音響細管３２ｅをプレート３４
ｃの貫通孔３４ｂに嵌合することにより音響センサ３の
音入力端に接続して、外界音を音響フィルタ３２を通し
て音響センサ３に入力し、更に音響センサ３の出力信号
を増幅器３５を介してローパスフィルタ３６に入力し
て、ローパスフィルタ３６の出力信号を信号処理装置３
７に入力し処理している。ここで、ローパスフィルタ３
６の遮断周波数は、音響フィルタ３２の遮断周波数と同
一である。

【００４２】音響フィルタ３２は、高域周波数成分を遮
断するローパス・フィルタとして作用する。このローパ
ス・フィルタを実現するための、音響フィルタ３２の設
計について説明する。ここで、ｗ：空胴（第１の空間３
２ｂと第２の空間３２ｄ）の体積、Ｓ：空胴の断面積、
ｌ：短管（第２の音響細管３２ｃ）の長さ、ρ：媒体密
度、ｃ：音速、Ｐ：音圧の実効値、Ｕ：体積速度の実効
値とすると、音響インピーダンスＺは、次のように求め
られる。

【００４３】

【数７】

【００４４】ここで、Ｍ＝ρｌ／Ｓ、Ｃ＝ｗ／（ρ
ｃ²）である。Ｚが虚数になる周波数ｆCは次のようにな
る。

【００４５】

【数８】

【００４６】ｆ_Cは、遮断周波数である。即ち、周波数
ｆ_C以上の音響パワーは、伝送されない。従って、除去
したい高周波数の音響信号の下限周波数をｆ_Cとするよ
うに、フィルタを設計すればローパス・フィルタとして
の音響フィルタ３２を実現することができる。

【００４７】このような音響フィルタ３２を使用するこ
とにより、外界音が高域周波数成分を多く含んだ場合で
あっても、音響フィルタ３２でこの高域周波数成分が遮
断される。従って、音響センサ３の出力信号も高域周波
数成分が遮断されたものとなり、これを増幅器３５で増
幅した後、さらに音響フィルタ３２の同一の遮断周波数
で高域周波数を遮断する電気的ローパスフィルタ３６に
よってろ波される。これにより電気的フィルタ３６の出
力信号は、外界音を所定の遮断周波数ｆ_Cで二重にろ波
されることになり、信号処理装置３７には所望の帯域成
分以外の成分はほとんど入力されない。

【００４８】次に、ローパス・フィルタである音響フィ
ルタとハイパス・フィルタである音響フィルタを使用し
た音響計測装置４１は、図９に示すように、図１に示す
音響フィルタ２の音入力端としての小径開口部１０に、
図８に示す音響フィルタ３２の音出力端としての第３の
音響細管３２ｅを接続することによりバンドパス・フィ
ルタである音響フィルタ４２を構成している。

【００４９】そして、音響計測装置４１は、外界音を音
響フィルタ４２を通して音響センサ３に入力し、更に音
響センサ３の出力信号を増幅器５を介してバンドパスフ
ィルタ４６に入力して、バンドパスフィルタ４６の出力
信号を信号処理装置７に入力し処理している。

【００５０】このような図８に示す音響フィルタ３２と
図１に示す音響フィルタ２を接続した音響フィルタ４２
は、帯域通過型音響フィルタ（バンドパス・フィルタ）
を構成するので、外界音の周波数成分のうち、所望の帯
域の音響成分のみが音響センサ３に入射する。

【００５１】従って、音響センサ３の出力信号も低域お
よび高域周波数成分が遮断されたものとなり、これを増
幅器５で増幅した後、更に帯域通過型音響フィルタと同
一の遮断周波数で低域および高域を遮断する電気的バン
ドパスフィルタ４６によってろ波される。これにより電
気的バンドパスフィルタ４６の出力信号は、外界音を所
定の遮断周波数で二重にろ波されたものとなり、信号処
理装置７には所望の帯域成分以外の成分はほとんど入力
されない。

【００５２】また、図１０に示すように、図８に示す音
響フィルタ３２と図１に示す音響フィルタ２を入替え
て、図８に示す音響フィルタ３２の第１の音響細管３２
ａに音響フィルタ２の音出力端としての大径開口部１１
をプレート５１を介して接続して音響フィルタ５２を構
成しても、図９に示す場合と同様の作用・効果を奏す
る。なお、プレート５１には、第１の音響細管３２ａの
内径と同じ内径の貫通孔５１ａが形成されている。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明によ
れば、音出力端である大径開口部を閉塞することによ
り、外界音が一様な周波数分布の音であったとしても、
音出力端部内の音圧は低域周波数成分を減衰させたもの
となる。

【００５４】請求項２の発明によれば、小径開口部から
大径開口部にかけてのホーン形状の曲面を容易に形成す
ることができる。

【００５５】請求項３の発明によれば、音出力端である
大径開口部又は第３の音響細管を閉塞することにより、
外界音が一様な周波数分布の音であったとしても、音出
力端部内の音圧は所望の帯域以外の周波数成分を減衰さ
せたものとなる。

【００５６】請求項４の発明によれば、音響信号の状態
で所望の帯域周波数成分のみを音響センサに対する入力
信号とすることができるので、Ｓ／Ｎ比を大きくでき
る。

【００５７】請求項５の発明によれば、外界音を所定の
遮断周波数で二重にろ波することができるので、所望の
帯域以外の周波数成分がほとんど信号処理装置に入力し
ないため、所望の帯域周波数成分を高Ｓ／Ｎ比で計測す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明に係る音響フィルタを音響セン
サの音入力端に接続した音響計測装置の構成図

【図２】ホーン形状の説明図

【図３】数２でｎをパラメータとしたホーン形状の説明
図

【図４】遮断周波数ｆ_C＝１ｋＨｚとした音響フィルタ
の寸法図

【図５】音響フィルタを使用した場合と使用しない場合
の音響センサの出力信号を比較する試験装置の構成図

【図６】音響フィルタを使用しない場合の音響信号のス
ペクトルを示す図

【図７】音響フィルタを使用した場合の音響信号のスペ
クトルを示す図

【図８】ローパス・フィルタである音響フィルタを音響
センサの音入力端に接続した音響計測装置の構成図

【図９】帯域通過型音響フィルタを音響センサの音入力
端に接続した音響計測装置の構成図

【図１０】帯域通過型音響フィルタを音響センサの音入
力端に接続した音響計測装置の構成図

【符号の説明】

１，３１，４１…音響計測装置、２，２０，３２，４２
…音響フィルタ、３…音響センサ、４，３４…遮音装
置、５，３５…増幅器、６…ハイパスフィルタ、７，３
７…信号処理装置、１０…小径開口部、１１…大径開口
部、１２…曲面、１３…導音部、１５…吸音材、３２ａ
…第１の音響細管、３２ｂ…第１の空間、３２ｃ…第２
の音響細管、３２ｄ…第２の空間、３２ｅ…第３の音響
細管、３６…ローパスフィルタ、４６…バンドパスフィ
ルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 陳 鵬 福岡県飯塚市伊岐須１−４ 九州工業大学 宿舎４−202 (72)発明者 豊田 利夫 福岡県北九州市若松区高須東３−11−１

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 小径開口部から大径開口部にかけてホー
   ン形状の導音部を有し、前記小径開口部を音入力端、前
   記大径開口部を音出力端としたことを特徴とする音響フ
   ィルタ。
2. 【請求項２】 前記ホーン形状は、エクスポネンシャル
   ・ホーン形状である請求項１記載の音響フィルタ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の音響フィルタと、
   第１の音響細管、第１の空間、第２の音響細管、第２の
   空間および第３の音響細管を順次接続して構成される高
   域遮断型音響フィルタを音響的に接続して所望の帯域の
   みを通過させることを特徴とする音響フィルタ。
4. 【請求項４】 音響センサの音入力端に請求項１、２又
   は３記載の音響フィルタの音出力端を接続し、外界音を
   前記音響フィルタを介して前記音響センサに導き、前記
   音響センサの出力信号を信号処理手段で処理することを
   特徴とする音響計測装置。
5. 【請求項５】 前記音響センサの出力信号をフィルタで
   フィルタリングした後に、前記信号処理手段で処理する
   請求項４記載の音響計測装置。