JPS60146166A - 音源位置標定方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、構造物上の音源位置を標定する方法に係ム特
に構造物に異物が衝突したどきに発生する衝撃音の発生
位置を標定することにょシ、異物の存在位置を検出する
に好適な装置に関するものである。

〔発明の背景〕

原子炉圧力容器など構造物の音隙位置襟定法として従来
、本発明者等が提案している如く、予め位置のわかって
いる多数の既知音源からの音響信号の波高値データまた
は到達時間差データを、計算機のメモリに７アイルして
おき、その中から未知音源の各データと類似するものを
検索し、未知音源データと既知音源データの類似の度合
（ツクタン距離として定義する）から複数の既知音源か
ら未知音源までの距離をめることになυ、音源位置を標
定する手法が有効である。とくに、原子炉圧力容器など
内部に複雑な形状の構造物を含む場合は、この方法が有
効に使える。

しかしながら、上記従来の方法にあっては、未知音源と
既知音源の間のバタン距離を音源間距離に変換するとき
に、誤差を生じることがあった。

とくに構造物の形状が複雑になるほどその誤差は大きく
なる。これを回避するひとつの方法は、構造物上になる
べく多数の既知音源（参照音源）を作ることでちる。し
かし、現実には圧力容器上に多数の参照音源を作ること
は、その作業が膨大となってしまう。とくに、原子炉の
場合などは、狭あい部など作業性の悪い場所？、ノ・ン
マーなとで打撃して参照音源データを採取しなければな
らないため、参照点の数はあまシ多くない方が望ましい
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、未知音源と参照音源の間のバタン距離
を音源間距離に変換する際に、参照点に関する音響デー
タを有効に使用することで理論計算のもつ誤差を補正し
、誤差を小さくシ、かつ参照点の数を少なくする方法と
それを実現する装置を提供することにおる。

〔発明の概要〕

本発明は、構造物上のいずれかの場所で発生する衝撃音
全検出するための音響検出器を当該構造物に関連する適
宜個所に少なくとも３個以上取シ付け、かつ、当該構造
物上の適宜個所の少なくとも３個所を参照音源とし、参
照音源位置をハンマーなどで打撃したときに発生する衝
撃音に関する前記検出器出力信号の波高値、到達時刻等
のデータ７にめらかしめ計算機にファイルしておく。さ
らに、当該構造物を適当なメツシュ点に分割し、谷メツ
シュ点に未知音源が存在したと仮定して、前記参照点と
、各メツシュ点上の未知音源との音響データ間のバタン
距離を理論計算によ請求めて計算機内にファイルしてお
く。未知音源が実際に検知された場合、前記検出器から
出力される未知音源からの音響信号を取シ込み、該信号
の波高値と信号到達時刻の各データの少なくとも一方の
データと該データに対応する参照音源データとの間のバ
タン距離を計算し、該バタン距離に一致する前記ファイ
ル内のバタン距離をもつメツシュ点を検索し、そのメツ
シュ点上に未知音源が存在するものとする。この場合、
計算値からめたノくタン距離に一致するバタン距離をも
つメツシュ点は多数あシ、それ等のメツシュ点を結ぶと
曲線になる。

この曲線は別の参照点に対しては別の曲線となる。

・これらの曲線の交点に未知音源が存在するものとする
。ところで、参照点と各メツシュ点との間の理論的計算
で得られたバタン距離と、実際の衝撃音データからめた
バタン距離の間には誤差が存在する。これは理論計算で
めたバタン距離は、あくまでも近似的な方法でしかまら
ないためである。この誤差要因を解消するためには理論
計算でめたバタン距離に補正を加えなければならない。

本発明では、この補正を適確に実行することによシ標定
精度を向上し、かつ参照点数を少なくしようとするもの
である。

以下、本発明となるバタン認識による音源位置標定法と
前記補正法について詳しく説明する。

第１図は、以下の説明の補助に梗うための圧力容器側壁
の一部分の展開図である。この図において点Ａ〜工は参
照点、Ｐは位置標定すべき未知音源である。本発明によ
る方法では、各参照点（Ａ〜Ｉ）のうちの少なくとも３
点と未知音源Ｐまでの距離の軌跡をめ軌跡の交点として
未知音源Ｐの位置を決足する。さて、各参照点Ａ〜工か
ら未知音源Ｐまでの音源間距離（またはその軌跡）を旨
書データのバタン距離からめることが本発明の主要課題
である。

２つの音１ｉＩＡ、Ｐ間の波高データによるバタン距離
ＤＡ　（Ａ、Ｐ）、時刻データのバタン距離１）”（Ａ
、Ｐ）は次の式（１）２式（２）によってそれぞれめら
れる。

１／２ ９丁（Ａ、Ｐ）＝（Ｖ、、（τ＾１−τｐ＋）　）　−
”（２）ここで、 ａｌ　Ｉ　ＰＩ　：それぞれ音ＭＡ、Ｐに対するｉ番目
の検出器から得られる信号波高値 τＡｌ、τＰ鳥：それぞれ音ＭＡ、Ｐに対するｉ−曲目
の検出器から得られる信号検出時刻。

■ａｒ　：分散をあられす記号。

さて、音源と検出器までの距離と、その検出器で検出さ
れる波高値、信号到達時刻との間には次の関係がある。

ａＩ＝ｌ（、・ｒ、１’″１・・・・・・・・・（３）
Ｐ＋＝ｋｐ−ｒｐＩ−’　”・・・・・（４）とこに１ ｒａｌｌｒＰｌ　：それぞれ音源ＡおよびＰからｉ番目
の検出器までの距離 Ｊ：音の媒体中での減衰定数 ■＝音の媒体中での速度 に−、ｋｐ：衝撃の強さで決・・まる定数τ０　：衝撃
発生時刻 これらの式（３）〜（６）ｔｌ−用いると、式（１）、
（２）は次の式に書き換られる。

式（７）（８）では、式（ＩＸ２）のバタン距離Ｄ　Ａ
（Ａ　Ｉ　Ｐ）＋Ｄ”　（Ａ、Ｐ）にサフィックスＣ’
Ｔｈ付けである。

これは、式（１）、（２）が、音響データからめたバタ
ン距離であるのに対し、式（７）（８）は、式（３）〜
（６）の仮定に基づき理論計算Ｖ（よってめるバタン距
離であるため、その違いを明確にするため付加したもの
である。以下の説明は、波高データの場合も時刻清報の
場合も本質的に同一でめるので、簡単のため波賜データ
の場合につｂて述べる。

式（７）ヲ用いると、任意の位置の未知音源Ｐと参照黒
人の間の波＾パタン距離を計算によ請求める；′Ｊ−が
できる。したがって次の手続きによシ、ＡとＰの間の音
源間距離をめることができる。

（１）第１図の参照点と参照点の間ｆ、適当なメツシュ
に分割し２、各メツシュ点に未知音源Ｐがあるとした場
合の参照点Ａと未知音源Ｐの間のバタン距離ＤｃＡ（Ａ
、Ｐ）を式（７）によって計算する。

（２）未知音源が検出された場合、それに対する各検出
器のデータと参照点に対すファイル内のデータの間で式
（１）によシバタン距離ＤＡ（Ａ、Ｐ）をめる。

（３）　（１）で計算した各メツシュ点でのバタン距離
の値のうち、（２）によ請求まったバタン距離の実測値
に一致する値を選び出し、そのメツシュ点を線で結ぶと
第１図の曲線のが得られる。この曲線上の任意の点にあ
る未知音源と参照点Ａの間ツバタン距離はすべて、式（
１ンでめたパクン距１１１ｆＩＤＡ（Ａ、Ｐ）に一致し
、いわば曲線■は等バタン距離曲線である。すなわち、
未知音源は、この曲線■上のいずれかの位置に存在する
ことになる。

（４）参照点Ｂ−Ｉに関しても（１）〜（３）と同様の
手続を実行すると、９本の曲線が得られ、その９本の曲
線の交点に未知音源が存在することになる。

第１図には、９本の曲線のうち、参照点ＡおよびＢに対
応する２本の曲線■■のみを示しである。

さて、未知音源の標定には、理想的には、３つの参照点
に対する３本の等バタン距離曲線をめれば、その交点と
して未知音源がまる。しかし現実には各種の誤差が存在
するために、各曲線が１点で交叉することはなく、多数
の参照点を使用した方が標定の信頼度は向上する。以上
は位置襟足の基本原理を述べたものであり、現実には、
これだけの手続では正確な位置標定かできない。この原
因のうち最も重要なものは、次の事実によるものである
。式（７）は式（３）（４）の仮定に基づき式（１）か
ら導出したものである。しかし、式（３）（４）におけ
る減衰定数Ｊは実際には一定の値ではなく音響媒体の形
状によシ変化する量である。媒体が丸棒など一次元形状
と見做せる場合はＪｚＯとなシュ次元平面ではＪ’；；
１．三次元ではＪｚ２となる。実際の構造物は複雑な形
状とな９、場所によシＪはθ〜２の間で変化する。さら
に音の振幅は伝達経路の異なる種々の音波の干渉によシ
さらに変化し、必ずしも（３）（４）に従わない。この
ため式（７）で計算したＤＣＡ（Ａ、Ｐ）と式（１）に
よ請求めたＤム（Ａ。

Ｐ）が一致することは希である。しかしながら、減衰定
数Ｊをすべての場所で実測することは現実問題として不
可能である。そこで次の様な補正によシこの問題を解決
する。第１図において、参照点Ａとメツシュ点Ｐの間の
バタン距離を計算する場合を考える。メツシュ点ＰがＡ
以外の参照点すなわちＢ〜工のいずれかの参照点に一致
する場合は、式（１）からまるバタン距離の実測値１）
Ａ（Ａ。

Ｐ）と式（７）からまる計算値Ｄｃ　Ａ（Ａ、　Ｐ）の
双方が存在する。そこで、メツシュ点が、Ｂ〜■のいず
れかの点に一致する場合は、計算値ＤｃＡ（Ａ。

Ｐ）の代シに実測値Ｄム（Ａ、Ｐ）を使用する。

さらに、メツシュ点Ｐが参照点に一致しない場合には次
の手続による補間によｐ　ＤＣＡ（Ａ、　Ｐ　）を補正
する。すなわち、補正したバタン距離ＤＭ’　（Ａ、　
Ｐ）は、 ・・・・・・・・・（９ン ここで、 几Ｐ、１：メッシュ点Ｐと参照点ｊ（ｊはＢ−Ｉのいず
れか）の距離 またＭム、Ｊは、 ・・・・・・・・・α〔 によって計算する。これによシ任意のメツシュ点ＰのＤ
ｃＡ（Ａ、　Ｐ　）の補正は、実測値の存在する位置か
らの距離の逆数でウェイト付けをした補正を施こすこと
になる。

〔発明の実施例〕

次に本発明を実施列を用いて説明する。

第２図は、本発明の好適な一実施例を示すものである。

第２図において１は、音源位置標定の対象となる圧力容
器で音響検出器Ｓ（ｇ　８ｚ　ｖ・・・・・・Ｓムが設
置しである。これら検出器からの信号は波形記録装置２
に送られ、音が検知されプこときは、その信号波形が記
録される。３は計算機で、２に波形が記録されると、そ
の波形から、各検出器信号の波市値あるいは信号到達時
刻あるいはその双方のデータを抽出し、計算横内に取り
込む。４は、計算機３をコントロールするためのキーボ
ードである。５は、音源位置の標定結果を表示するだめ
の表示装置である。計算機３には、２つの補助記憶装置
６及び７が接続されている。補助記憶装置６には圧力容
器上の適宜場所に配置された参照音源に関するデータが
格納されている。補助記憶装置７には、前述の式（９ン
で計算した、圧力容器１を適当なメツシュに分割したと
きの各メツシュ点と参照点の間のバタン距離ＤＭ’（Ａ
、　Ｐ　）が、各参照点ごとに格納してあｐｏさて、計
算機３は、第３図に示すフローチャートに従って各作業
を実行する。計算機３がモニタリング状態になると、１
０２において音響発生の有無を常に監視している。音響
発生が検知されると１０３において波形記録装置２に各
検出器の出力信号波形を記録する。

実際には、波形記録装置２は、各検出器信号に対応して
およそＩＫワードずつの記憶装置をもっておシ、１０２
の状態にあるとき、常に波形を記憶しつづけ、時間の古
い信号から捨てて、現在から数１０ｍｚ過去までの信号
を記憶できるようにしておき、１０２にて信号発生が検
知されたとき罠記録を停止するようになっている。次に
１０４にて波形記録装置に記録された波形から、各検出
器信号の波高値または信号到達時刻またはそれら双方を
抽出する。１０５において、記憶装置６内に格納しであ
る各参照点に対するデータを順次読出し、１０４にて抽
出した情報との間でパタン距離Ｄム（Ａ、Ｐ）又はＩ）
Ｔ　（Ａ、　Ｐ）又はそれら双方を計算する。１０６で
は、１０５で計算されたバタン距離のうち小さい値をも
つ参照点から適宜の数（３個以上）を選び出す。この段
階で、未知音源に近いと推定させ、数点の参照点が選ば
れる。

１０７においては、１０６で選ばれた参照点に対応する
バタン距離ＤＭム（Ａ、Ｐ）の計算データを記憶装置７
から読み出す。Ｄｗ　Ａ（Ａ、　Ｐ）は波高に関する補
正後のバタン距離計算値であるが、必要に応じて、時刻
に関する補正後のバタン距離ＤＭ”（Ａ、　Ｐ　）　を
格納しておき、それを読出してもよい。以下の説明は、
時間情報の場合も波高情報の場合も取シあつがいに変り
はないので、波高情報についてのみ説明する。また、参
照点はＡで代表されているが、これは適宜他の参照点Ｂ
、Ｃ・・・・・・と読み直される場合もある。読み出さ
れた補正後のバタン距離Ｄｍ’（Ａ、Ｐ）の中から、１
０５ｖｃ　オイて計算されたバタン距離ＤＡ（Ａ、Ｐ）
Ｋ一致するか又は、近い値をもつメツシュ点を選び、等
バタン距ｔａｆＢｓを、選ばれたすべての参照点に対し
てめる請求まった複数本の等バタン距離曲線を表示装置
５に表示すれば、その曲線の交点に未知音源が存在する
ことがわかる。しかし、すべての等バタン距離曲線が一
点で交わるとは限らないので、さらＶＣ１０８において
次の手続を実行する。すなわち、メツシュ点Ｐを順次移
動し、各メツシュ点ととに１その位置から各等バタン距
離曲線までの最短距離をめその２乗和を計算する。

各メツシュ点のうち、２乗和の値が最小となるメツシュ
点をめて、その点を未知音源とする。これによってめら
れた点は、各等バタン距離曲線からの距離の２乗和が最
小となっているため、未知音源として最も可能性の大き
い点になる。次に１０９によ請求まった未知音源位置と
、各等バタンの距離曲線、ならびに、等バタン距離曲線
に対応する参照点を表示装置５の画面上に表示する。

以下に１実施例に記した方法を、小形の鋼製タンク（直
径２ｍ、高さ５　ｍ　）に適用しｆｃ５１！験結果を示
す。第４図は、実験に用いた円筒状の鋼製タンク側壁の
展開図を示すもので、９個の加速度検出器と、ハンマー
による打撃で発生させた衝撃音源の位置が示しである。

図に示した音源位置のうち、１ｍ間隔の音源は参照音源
とし、領域Ａの部分に細かく示した音源は未知音源とし
て取シあっかったものである。第５図は第４図の各音源
に一定エネルギの衝撃を与えたときの音を、各検出器で
検出したときの波高値を、音源から検出器までの距離に
対して１０ツトしたものである。比較的単純な形状の円
筒タンクでめりでも波高値は、大きなばらつきがあシ、
同じ距離であっても１桁程度のばらつきをもつ。このデ
ータを見るかぎシ、波高情報によって位置標定をするこ
とは絶望的にみえる。すなわち、同一の波高値であって
も′、音源から検出点までの距離が、１桁程度も異なる
ためである。これに対し、第６図〜第８図に、音源の領
域を第４図の領域ＡＫ限定し、検出器も特定の１つの検
出器で検出した場合の波高と距離の関係を示す。第６図
、第７図はそれぞれ＠４図の検出ａＳ２およびＳ１１で
検出した例であシ、波高のばらつきは紀５図に比軟し、
かなシ小さくなっている。これに対し、第８図は、領域
Ａの音源の音を検出器Ｓ８で検出した場合の例である。

この場合は、距離があまフ変らないのに、波＾は大きく
ばらついている。このように、波高は、音源領域を限定
し、かつ特定の検出器で検出すると、検出器の場所によ
シ、ばらつきが少なくなることがある。一般に音源から
の距離が長い場合は、ばらりきが大きくなる。このこと
から、位置標定は、音源位置に対して、位置決めに有効
な検出器を選定することで、標定精度が向上できること
がわかる。

したがって、特定の参照音源に対するバタン距離を計算
する場合は、その参照点近傍の検出器のみを選定すれば
よいことになる。

さて、第９図は、本発明の方法によシ位置標定を実行し
た例である。この図は、第４図の音源Ｎ〜Ｈを参照音源
とし領域Ａの１点を未知音源とした場合である。第９図
の各曲線の添え字は、各参照点（Ａ〜Ｈ）に対応する。

これらの曲線は次の手続きによって得られる（説明は、
曲線■について行なう）。

（１）第９図の辺ＡＣ，辺ＡＧ′ｔそれぞれ３２に分割
し、四辺形ＡＧＩＣ内を３２Ｘ３２のメツシュに分割す
る。

（２）谷メツシュ点と参照点Ａの間のバタン距離を式（
７）によシ計算する。

（３）参照点Ａと他の参照点Ｂ〜Ｈの間のバタン距Ｍ１
を式（１）によシ、波高データからめる。

（４）　（２）でめた各メツシュ点のバタン距離を式（
９）式（１０）によシ補正する。

（５）未知音源と参照点Ａのバタン距離を式（１）によ
り、波高データからめる。

（６）　（５）でめたバタン距離と（４）でめた各メツ
シュ点のバタン距離を比較し、両方のバタン距離が一致
するメツシュポイントをめる。

（７）　（６）でまったメツシュポイン）ｆ結ぶと等バ
タン距離曲線■が得られる。

（８）曲線■は未知音源と参照点Ａ間のバタン距離の実
測値と同一の値をもつ等バタン距離曲線となる。

（９）以上（１）〜（８）の手続を他の参照点Ｂ−Ｈに
関し同様に行ない、曲線■〜０ｔｌ−得る。

これらの曲線はかなシ複雑な形をしておシ、とくに曲線
０のように二つの曲線に分かれる場合もめる。このこと
は式（７）で与えられるＤｃＡ（Ａ、　Ｐ　）又は、そ
れに補正を加えた式（９）式（１０）で与えられるＤＭ
Ａ（Ａ、Ｐ）が参照点からメツシュ点までの距離に対し
て単調でないためであるが、実用上問題とならない。

なおこれらの曲線■〜０を得るだめの手続で使用した検
出器は、第４図の８２　＊　ｓ、　＋　８４　＋８５＋
８６の５個で、前記したように、参照点から遠い点にあ
る検出器Ｓ　ｌ　＋　８７　＋　Ｓｓ　１８Ｇは、デー
タのバラツキが大きくなるので除外しである。

さて、各等バタン距離曲線■〜０がすべて未知音源を通
過すれば直ちに未知音源の位置がわかる。

実際には第９図に示すように未知音源を通過することは
希である。このことが標定誤差となる。そこで次の手続
により未知音源位置を決定する。

（１）曲線■〜０がまった段階で、３２Ｘ３２のメツシ
ュ点に関し、順次、そのメツシュ点から名曲＠までの最
短距離をめる。

（２）曲線■〜０までの最短距離の２乗和をめる。

（３）各メツシュ点の中で、２乗和が最小となる点をさ
がして、そのメツシュ点を未知音源位置とする。

以上によりめた未知音源位置を第９図のＰ′の点に示す
。このようにしてめた未知音源位置と実際の音源位置と
は２０ｃｔｎの誤差がある。

同様の位置標定手法を第４図の領域Ａの１４点すべての
音源に対して適用した結果の標定誤差の平均値は１６．
８ｃｒｒ１であった。

本手法では式（７）で参照点と他の任意の点までのバタ
ン距離を理論的にめ、その他を式（９）式（１０）によ
シ実測値で補正している。この補正を施すことが本手法
の本質的に重要す所である。式（７）は式（１）に式（
３）式（４）全代入して得られるが、式（３）式（４）
は近似式であシ、減衰定数Ｊを一定として取シあつかっ
ているが実際には音源位置と検出器位１６によって変る
量である。しかしＪの値を正確に知るには、圧力容器上
のすべての点（装求される評定誤差よシ小さいメツシュ
点）に関して衝撃音全発生させてその音響データをめな
ければならない。これは現実的でない。しかし、実施例
で述べたように音源を特定領域に限シ、それをある特定
の検出器で検出した場合の波高値のばらつきは少ない。

この事実が、各参照点データについて補正を施こすこと
の妥当性を与えている。すなわちこの方法では、実際に
Ｊの埴を正確に知らなくても補正によシ、かなシ正確に
位置標定か可能なことである。

この方法を適用する場合のもう一つの効果は、参照点の
数を少なくできることである。圀えば、本方法を１００
０メガワツト（電気出力）クラスの原子炉圧力容器に適
用することを考えると、圧力容器の大きさは、実施例で
用いたタンクのおよそ３倍のスケールである。したがっ
て実施例のスケールをすべて３倍することを考えれば、
参照点間隔が３ｍとなシ、標定誤差は５０ｃｍ程度と予
想される。このときの参照点の数は約４０点であシ、標
定誤差の許容値を１ｍとするならば、さらに参照点を減
らせる。また時刻情報を併用することによシさらに標定
絹度の向上が期待できる。補正を実施しない場合は、１
０００メガワツトクラスの原子炉圧力容器に対しては、
１．５ｍ間隔８度の参照点が必要であるが、本方法を用
いることで参照点数は１／４〜１／１０に減らせる児通
しで必る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図、第２図は本発明の一実
施例を示すブロック線図、第３図は、本発明の一実施例
の動作を説明する流れ図、第４図は本発明の内容を実証
するために用いた実験用タンクの側壁図、第５図から第
８図は、実験で得られたデータをグロットしたグラフ、
第９図は、実験によ多位置標定をした例を示す線図であ
る。 １・・・圧力容器、２・・・波形記録装置、３・・・計
算機、４・・・キーボード、５・・・表示装置、６，７
・・・補助記ｚ５ｔｌ 郁摩践検出番＃ｔｃｑ岐鞭（飢） 第４０ 沓譚枦ら利し七岩引ν“ｉ巨印（ｍ） 忙１ｍ 音；ｆカ・ら檜上昏ｚ　ｅ’ｓ距胡葎）＄を口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ■、　圧力容器などの構造物で発生する音を検出するた
   めの音響検出器を当該構造物に関連する適宜個所に少な
   くとも３個以上取ｐ付け、前記検出器から出力される未
   知音源からの音響情報を取り込み、該信号の到達時刻の
   データと波高値のデータの少なくとも一方のデータと、
   予め多数の既知音源位置に対応させて記憶されている信
   号到達時刻データと波高データを、対応する検出器ごと
   に比較照合し、データの類似性をバタン距離として足置
   化した後、該パタン距めＩＬを未知音源と参照片源間の
   距離に変換することで、未知音源位置を矢足する方法に
   おいて、まず、構造物を適宜間隔のメツシュに分割し、
   そのメツシュ点と参照点と検出器の幾何学的位置関係か
   ら理論的にバタン距離をめ、そのバタン距離を、参照点
   相互間のバタンＷ巨離の実測ｌＯＩによシ補正を加える
   ことによシ、各メツシュ点ごとに、蚕照点とメツシュ点
   間の抽圧されたバタン距離のデータを作成し、計算機に
   付属した記憶装［にｉｉＪ記データを記憶しておき、未
   知音が検出され、参照点と未知音源のバタン距離をめた
   後、該記憶装置内のデータを用いて未知音源から参照音
   源までの距離をめることを特徴とする音源位置標定方法
   。