KR20190030739A - 초음파원의 방위 표정 장치 및 중합 화상의 해석 방법 - Google Patents

Abstract

소형이고, 그레이팅 로브(grating lobe)의 영향을 적게 하면서, 한 번에 넓은 탐색 범위에 있어서의 초음파의 음원 방위 측정이 가능한 초음파원의 방위 표정 장치를 제공한다. 측정 대상을 촬영하는 카메라와, 측정 대상의 방향으로부터 발해지는 초음파의 음압(音壓)을 측정하는 어레이 센서와, 어레이 센서에 의해 취득되는 초음파의 음압 정보에 기초하여 음압맵을 작성하여, 음압맵과 카메라에 의해 취득되는 촬영 화상을 중합시킨 중합 화상(superimposed image)을 작성하는 연산 수단과, 중합 화상을 표시하는 표시 수단을 갖고, 어레이 센서는, 적어도 일부가 동일 평면에 있어서의 X축상과 Y축상에 형성되고, 합계 9개 이상 25개 이하의 표면 실장형 센서로 이루어지는 초음파원의 방위 표정 장치.

Description

초음파원의 방위 표정 장치 및 중합 화상의 해석 방법

본 발명은, 소형이고 또한 그레이팅 로브(grating lobe)에 의한 오판정이 적은 초음파원의 방위 표정(標定) 장치(ultrasound wave source azimuth orienting device) 및, 이 초음파원의 방위 표정 장치를 이용하여 행하는 중합 화상(superimposed image)의 해석 방법에 관한 것이다.

제철소에서는, 예를 들면 배관의 부식 구멍의 발생 및, 전기 설비의 열화 등을 재빨리 검지하여, 보수 등을 행할 필요가 있다. 이들을 검지하기 위해, 배관의 부식 구멍으로부터 기체가 누설될 때나, 전기 설비에 있어서의 코로나 방전(corona discharge) 등이 발생할 때에 방출되는 음파를 측정하는 것이 행해지고 있다. 가청역(可聽域)의 음파를 측정하고자 하면, 주위의 소음 등의 영향이 커 이상(異常)이 올바르게 검지되지 않는 경우가 있기 때문에, 각종 설비의 이상을 검지하기 위해, 초음파를 측정하는 것이 일반적이다.

초음파를 포함하는 음파나 전자파 등으로 대표되는 파동의 도래 방향을 표정하는 것을 목적으로 하고, 복수의 센서를 이용하여, 각 센서로 얻어지는 수신 신호의 시간차(위상차)로부터 파원(波源)의 방위를 표정하는 기술이 알려져 있다. 예를 들면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 2개의 센서(13)의 간격을 d(㎜), 센서(13)의 정면 방향에 대한 파동의 도래 방향(도면 중의 굵은 화살표로 나타냄)의 각도를 θ로 하면, 2개의 센서(13)에 파동이 도달하는 시간차 t(초)는 하기식 (1)에 의해 구해진다. 이 t를 이용함으로써, 파동의 도래 방향 θ가 특정된다.

t＝dsinθ/(음속)…(1)

상기식 (1)을 응용하여 실제로 파원 방위를 표정하는 기술은, 일반적으로 빔 포밍법(beam forming method)이라고도 칭해진다. 빔 포밍법에서는, 센서의 정면 방향에 대한 소정의 파동의 도래 방향 θ₀에 대해서, 그 각도(θ₀)에 의해 계산되는 전파 지연 시간분(t₀)만큼 한쪽의 센서 신호를 지연시키고, 다른 한쪽의 센서 신호와 가산한다. θ₀과 파원 방위가 일치하면, 각 센서에서의 파형의 위상이 고르게 되어, 파동의 중합이 최대가 되기 때문에, θ₀이 파원 방위로 간주된다. 상기에서는 센서가 2개인 경우에 대해서 설명했지만, 3개 이상인 경우에 대해서도 동일한 원리로 파원 방위의 표정을 행할 수 있다. 이 처리를, 측정 대상의 전체 방위에 대해서 행하여, 그 신호 강도나 신호 분포로부터 파원 방위를 구할 수 있다.

이러한 빔 포밍법을 이용한 기술을 개시한 문헌으로서, 이하의 특허문헌 1을 들 수 있다.

한편으로, 종래, 마이크로 폰, 수신 소자 등의 센서를 이용하여 초음파의 음압(音壓)을 측정함으로써, 배관에 있어서의 기체 누설이나 전기 설비에 있어서의 코로나 방전 등을 검지하는 초음파 검출 장치가 알려져 있다. 이러한 초음파 검출 장치는, 1개의 센서를 이용하고 있는 것이 일반적이다.

일본공개특허공보 2014-137323호

이시다 리카저 「기기가 발하는 초음파가 보이는 화(化)『초음파음 카메라』의 개발」전기 현장 기술 2015년 3월호

종래의 초음파 검출 장치에서는, 1개의 마이크로 폰을 이용하여 초음파의 측정을 행하고 있기 때문에, 한 번의 측정으로 초음파를 측정할 수 있는 영역이 마이크로 폰의 지향성에 의존하여, 어느 방위로부터 초음파가 도래하고 있는가가 불분명하다. 그 때문에, 파라볼라(parabola)와 같은 집음기를 이용하여 마이크로 폰의 감도·지향성을 높이는 것이 행해진다. 그러나, 이 경우에는 초음파의 도래 방향을 결정할 수 있기는 하지만, 점과 같은 범위 내밖에 초음파를 측정할 수 없는 문제가 있다. 이러한 장치를 이용하여, 측정 대상으로 되어 있는 설비의 초음파 측정을 행하려면, 소망하는 측정 범위 내에 있어서 초음파 검출 장치를 몇 번이나 세밀하게 주사시키지 않으면 안되어, 측정 작업이 번잡해지는 것 외에, 측정 누락이 발생하기 쉬워진다는 문제가 있다.

그래서, 복수의 마이크로 폰을 이용한 전술의 빔 포밍법에 의해, 측정 범위를 확대하여, 초음파의 음원을 면적(面的)으로 탐색할 수 있는 초음파 검출 장치가 요망되고 있다. 그러나, 초음파 측정에 있어서는, 하기의 이유에 의해 빔 포밍법을 적용하는 것이 곤란하다.

빔 포밍법을 이용하면, 실제의 음원 방위와는 상이한 방위에서 큰 거짓 신호가 관측되는, 소위 그레이팅 로브가 발생하는 경우가 있다. 그레이팅 로브란, 중합 화상(상세에 대해서는 후술함)에 있어서, 음원이 위치하지 않는 개소에, 높은 음압이 기록되는 영역이 나타나는 현상이다. 그레이팅 로브는, 측정 대상이 되는 음파의 파장에 대한 수신 소자와 수신 소자의 간격이 상대적으로 커지면 커질수록, 발생하기 쉬워진다. 그레이팅 로브를 완전하게 방지하기 위해서는, 위상이 어긋난 파동의 중합을 방지하도록, 하기식 (2)를 충족하는 것이 유효하다.

d＜λ/2…(2)

상기식 (2) 중의 d는 수신 소자의 간격(㎜)이고, λ는 검출되는 음파의 파장(㎜)이다.

빔 포밍법을 초음파의 음원 탐색에 이용하면, 전술한 그레이팅 로브에 의한 오(誤)표정이 크게 나타나는 경우가 있어, 실제의 음원의 방위를 표정하는 것이 어렵다는 문제가 있다. 이는, 초음파는, 가청역의 음파에 비해 주파수가 높고 파장(λ)이 짧기 때문에, 파장에 대하여 수신 소자의 간격을 상대적으로 작게 하는 것이 곤란하기 때문이다.

예를 들면, 설비의 이상 검지 시에 사용되는 초음파의 주파수 대역을 40㎑로 하고, 공기 중의 음속을 340m/초로 하여 상기식 (2)에 대입하면, λ/2＝4.2(㎜)가 되고, 그레이팅 로브를 완전하게 방지하기 위해서는, 마이크로 폰의 간격을 4.2㎜ 미만으로 할 필요가 있다. 마이크로 폰의 간격을 4.2㎜ 미만으로 하기 위해서는, 필연적으로 마이크로 폰 자체의 직경을 4.2㎜ 미만으로 할 필요가 있지만, 이러한 초소형의 마이크로 폰을 확보하는 것은 현실적으로 어렵다.

이 문제를 해결하기 위해, 비특허문헌 1에서는, 선단 직경이 작은 초음파용 마이크로 폰을 3개 묶어 마이크로 폰 사이의 거리를 최대한 짧게 한 센서부를 구축하고 있다. 그러나, 이 구조에서는, 마이크로 폰의 개수를 늘리는 것이 곤란하고, 빔 포밍의 관점에서는 지향성이 넓어, 방위 표정의 정밀도를 높이는 것이 어렵다.

마이크로 폰의 간격이 상기식 (2)를 충족하지 않는 경우에는, 복수의 마이크로 폰을 이용하여, 한 번에 초음파를 측정하는 탐색 범위를 확대하면 확대할수록 그레이팅 로브가 발생하기 쉬워지는 문제도 있다.

이와 같이, 종래의 기술에서는, 파장이 짧은 초음파원의 방위를 표정하기 위해 복수의 마이크로 폰을 이용한 빔 포밍법을 이용하면, 그레이팅 로브의 발생을 억제할 수 없어, 올바르게 음원의 방위를 특정하는 것이 어렵다는 문제가 있다.

추가로 주파수가 높은 초음파를 신호 처리하기 위해서는, 수신하는 초음파를 고속으로 샘플링할 필요가 있지만, 일반적으로 다수의 수신 소자를 이용하는 빔 포밍법으로는, 충분한 신호 처리 결과의 갱신 속도와 고속의 샘플링을 양립하는 것이 곤란했다.

본 발명은 전술의 문제점을 감안하여 생각에 이른 것으로서, 소형이고, 그레이팅 로브의 영향을 적게 하면서, 한 번에 넓은 탐색 범위에 있어서의 초음파의 측정이 가능하고, 또한 실용상 충분한 방위 표정 정밀도와 처리 결과의 갱신 속도를 실현하는 초음파원의 방위 표정 장치 및, 당해 초음파원의 방위 표정 장치를 이용하여 행하는 중합 화상의 해석 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명의 수단은, 다음과 같다.

[1] 측정 대상을 촬영하는 카메라와, 측정 대상의 방향으로부터 발해지는 초음파의 음압을 측정하는 어레이 센서와, 상기 어레이 센서에 의해 취득되는 초음파의 음압 정보에 기초하여 음압맵(sound pressure map)을 작성하여, 상기 음압맵과 상기 카메라에 의해 취득되는 촬영 화상을 중합시킨 중합 화상을 작성하는 연산 수단과, 상기 중합 화상을 표시하는 표시 수단을 갖고, 상기 어레이 센서는, 적어도 일부가 동일 평면에 있어서의 X축상과 Y축상에 형성되고, 합계 9개 이상 25개 이하의 표면 실장형 센서로 이루어지는 초음파원의 방위 표정 장치.

[2] 상기 어레이 센서의 탐색 범위는, 수평 및 수직 방향에 있어서 각각 ±90°보다도 좁은 범위 내인 [1]에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치.

[3] 상기 표면 실장형 센서와 표면 실장형 센서의 간격은, 측정 대상으로 하는 초음파의 반파장 이상이고, 또한 상기 어레이 센서의 탐색 범위 내에 있어서 그레이팅 로브의 발생이 억제되는 간격인 [1] 또는 [2]에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치.

[4] 상기 어레이 센서는, 상기 X축상과 상기 Y축상에 더하여, 동일 평면상의 y＝x 및, y＝－x상에, X축 대칭 또한 Y축 대칭이 되도록, 상기 표면 실장형 센서를 구비하는 [1] 내지 [3]까지 중 어느 하나에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치.

[5] 측정 대상으로 하는 초음파의 파장으로 나눔으로써 구해지는 무차원화 센서 간격이 0.90 이하가 되도록, 상기 표면 실장형 센서가 배치되는 [1] 내지 [4]까지 중 어느 하나에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치.

[6] [1] 내지 [5]까지 중 어느 하나에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치에 있어서 얻어진 중합 화상의 해석 방법으로서, 상기 중합 화상에 있어서 문턱값을 초과하는 음압이 관측된 고음압 영역을 특정하고, 상기 고음압 영역에 있어서의 상단선, 하단선, 좌단선 및, 우단선 중 어느 3개의 단선에 접하고 또한 면적이 최소가 되는 원(A)을 묘화하고, 상기 고음압 영역에 있어서의 상단선, 하단선, 좌단선 및, 우단선 중, 상기 원(A)에 접하지 않는 1개의 단선과, 상기 원(A)에 접하는 3개의 단선 중 2개의 단선에 접하고 또한 면적이 최소가 되는 원(B)을 묘화하고, 상기 원(A)의 중심과 상기 원(B)의 중심의 2점을 초음파원으로 추정하는 중합 화상의 해석 방법.

[7] [1] 내지 [5]까지 중 어느 하나에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치에 있어서 얻어진 중합 화상의 해석 방법으로서, 상기 중합 화상에 있어서 문턱값을 초과하는 음압이 관측된 고음압 영역을 특정하고, 상기 고음압 영역에 있어서의 상단선, 하단선, 좌단선 및, 우단선에 접하는 타원을 묘화하고, 상기 타원의 2개의 초점을 초음파원으로 추정하는 중합 화상의 해석 방법.

본 발명에 의하면, 소형인 점으로부터 운반에 편리하고, 그레이팅 로브의 영향을 줄여 정확하게 초음파원을 특정할 수 있고, 또한 면 형상의 넓은 시야 내에서의 초음파 측정이 가능해진다.

도 1은, 빔 포밍법에 관한 설명도이다.
도 2는, 방위 표정 장치의 전체 구성을 나타내는 정면도, 배면도 및, 측면도이다.
도 3은, 방위 표정 장치에 있어서의 카메라의 시야 범위 및 어레이 센서의 탐색 범위와, 측정 대상의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 4는, 어레이 센서에 있어서의 각 센서의 배치를 나타내는 평면도이다.
도 5는, 그레이팅 로브 경계 방위와 무차원화 센서 간격의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 중합 화상의 일 예를 나타내는 설명도이다.
도 7은, 중합 화상의 해석 방법의 일 예를 나타내는 설명도이다.
도 8은, 중합 화상의 해석 방법의 다른 일 예를 나타내는 설명도이다.
도 9는, 실시예 1에서 얻어진 중합 화상이다.
도 10은, 실시예 2에서 얻어진 중합 화상의 확대도이다.
도 11은, 실시예 3에서 얻어진 중합 화상의 해석도이다.
도 12는, 실시예 3에서 얻어진 중합 화상의 해석도이다.
도 13은, 실시예 3에서 얻어진 중합 화상의 또 다른 해석도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

도 2는, 방위 표정 장치의 전체 구성을 나타내는 정면도, 배면도 및, 측면도이다. 우선, 도 2를 이용하여, 본 실시 형태에 따른 초음파원의 방위 표정 장치(1)(간단히, 「방위 표정 장치」라고 기재하기도 함)에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에 따른 방위 표정 장치(1)는, 카메라(2)와, 어레이 센서(3)와, 연산 수단(4)과, 표시 수단(5)을 갖는다. 도 2의 예에서는, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 방위 표정 장치(1)를 구성하는 케이스체(11)의 표면측에 카메라(2)와 어레이 센서(3)가 형성되고, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, 케이스체(11)의 내측에 연산 수단(4)이 형성되고, 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 케이스체(11)의 배면측에 표시 수단(5)이 형성된다. 연산 수단(4)은, 케이스체(11)의 외부에 형성되어도 좋다.

카메라(2)는, 측정 대상을 촬영하여, 얻어진 촬영 화상을 연산 수단(4)으로 출력한다. 촬영 화상은, 빔 포밍법으로 얻어진 초음파의 2차원 음압맵과 중합시키는 목적으로 이용된다. 카메라(2)의 배율, 시야의 넓이 등은, 소망하는 중합 화상의 크기 등에 따라서, 적절히 조절할 수 있다. 카메라(2)로서는, 시판되고 있는 CCD 카메라 등을 사용할 수 있다.

어레이 센서(3)는, 복수의 초음파 측정용의 표면 실장형 센서(이후, 「센서」라고 기재함)(13)에 의해 형성된다. 어레이 센서(3)는, 어레이 센서(3)가 향해진 방향에서 발생한 초음파를 측정하여 음압 정보를 취득한다. 센서(13)는, 납땜 등을 이용하여 프린트 기판상으로 표면 실장되고, 통상의 초음파 마이크로 폰과 비교하여 크기가 절반 정도로 작아, 고밀도로 실장할 수 있다.

도 3은, 방위 표정 장치에 있어서의 카메라의 시야 범위 및 어레이 센서의 탐색 범위와, 측정 대상의 관계를 나타내는 설명도이다. 다음으로, 도 3을 이용하여, 어레이 센서(3)의 탐색 범위에 대해서 설명한다. 어레이 센서(3)는, 도면의 실선 화살표로 나타내는 바와 같이, 수평(좌우) 방향에 있어서 ＋90°내지 －90°의 범위 내에 있어서의 초음파의 음압을 측정할 수 있다. 도 3은, 방위 표정 장치(1)를 위로부터 본 평면도이지만, 방위 표정 장치(1)를 우측(또는 좌측)으로부터 본 측면도에 있어서도 동일하게, 수직(상하) 방향에 있어서의 ＋90°내지 －90°의 범위 내의 초음파를 측정할 수 있다. 어레이 센서(3)에 있어서의 개개의 센서(13)의 배치, 간격 등에 대해서는 후술하지만, 복수의 센서에 대해서 빔 포밍법의 원리를 이용함으로써, 초음파의 도래 방향, 음압을 측정할 수 있다. 어레이 센서(3)의 탐색 범위 및 후술하는 카메라(2)의 시야 범위에 관한 각도는, 방위 표정 장치의 표면과 수직인 직선을 기준으로 계산된다. 예를 들면, 도 3과 같은 평면도에 있어서는, 방위 표정 장치(1)와 측정 대상(21)의 사이의 수선(垂線)을 0°로 하고, 좌우로 확대되는 시야 범위(또는 탐색 범위)의 각도가 수평 방향의 각도로서 계산된다. 또한, 측면도에 있어서, 동일한 방법에 의해 수직 방향의 각도가 계산된다. 좌우(또는 상하) 중 어느 각도가 ＋라도 좋고, －라도 좋다.

연산 수단(4)은, 어레이 센서(3)로 얻어진 음압 정보에 기초하여 음압맵을 작성하고, 카메라(2)로 얻어진 촬영 화상과 당해 음압맵을 중합시킨 중합 화상을 작성한다. 전술한 바와 같이, 어레이 센서(3)에 의한 초음파의 측정은 ±90°의 범위 내에서 가능하지만, 음압맵을 작성하기 위해서는, 카메라(2)의 시야 범위 내의 초음파원을 탐색하면 충분하다. 예를 들면, 도 3의 점선 화살표에 의해 카메라(2)의 시야 범위를 나타내고 있지만, 이 범위 내의 초음파원을 탐색하면 음압맵을 작성할 수 있다. 이에 따라, 불필요한 방위로의 표정 연산을 생략할 수 있어, 연산 수단(4)에 있어서의 연산의 부하를 내림과 함께 음압맵의 갱신 빈도를 올릴 수 있다. 어레이 센서(3)의 탐색 범위로서는, 수평 및 수직 방향에 있어서 ±90°보다도 좁은 범위라면 좋고, 그레이팅 로브를 억제하는 관점에서, 수평 및 수직 방향에 있어서 ±60°보다도 좁은 범위로 하는 것이 바람직하고, ±30°보다도 좁은 범위로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 수평 방향의 탐색 범위와 수직 방향의 탐색 범위란, 각각 상이한 크기의 범위라도 좋다.

연산 수단(4)은, 작성한 중합 화상을 표시 수단(5)으로 출력하고, 표시 수단(5)에 중합 화상을 표시시킨다. 중합 화상에서는, 촬영 화상 중의 위치마다 초음파의 강도에 따른 색 구분이 행해지고, 촬영 화상 중의 위치와 초음파의 음압 분포의 대응 관계가 한눈에 판별 가능하게 되어 있다. 표시 수단(5)으로서는, 액정 디스플레이 등을 사용할 수 있다.

도 4는, 어레이 센서(3)에 있어서의 각 센서(13)의 배치를 나타내는 평면도이다. 다음으로, 도 4를 이용하여, 어레이 센서(3)에 있어서의 각 센서의 배치에 대해서 설명한다.

도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 어레이 센서(3)의 각 센서(13)의 적어도 일부는, X축상과 Y축상에 십자 형상으로 배치되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 2차원적인 면 형상의 초음파의 측정이 가능해지고, 또한 그레이팅 로브의 발생을 억제함과 함께, 연산에 의해 음압맵을 작성할 때의 초음파의 도래 방향에 의한 의존성을 저감할 수 있다. X축과 Y축은, 동일 평면상에 있으며 직각을 이루는 2개의 축이면 좋다. 특히, X축을 수평면과 평행하게 하고, Y축을 수평면과 직각으로 하는 것이 바람직하다. 센서(13)는, X축상 및 Y축상 이외에 형성되어 있어도 좋다.

어레이 센서(3)를 형성하는 센서(13)의 수는, 9개 이상 25개 이하로 하는 것이 바람직하다. 센서(13)의 수를 9개 이상으로 함으로써 평면 내에 있어서 실용상 충분한 안정성에서의 초음파의 방위 표정이 가능해진다. 센서(13)의 수를 25개 이하로 함으로써, 센서(13)마다 필요한 앰프나 필터 회로에 의한 장치의 대형화를 방지할 수 있음과 함께, 연산 수단(4)의 계산 부하를 경감할 수 있고, 처리 속도의 지연 등을 억제할 수 있다. 이에 따라, 대규모인 연산 수단(4)을 이용하지 않아도 소형 경량 장치에 있어서 실용상 충분한 속도에서의 중합 화상의 갱신이 가능해진다. 측정 정밀도에 불균일이 발생하지 않도록 하기 위해서는, 센서(13)를 상하 대칭 또한 좌우 대칭으로 배치하는 것이 바람직하다.

연산 수단(4)은, 일정 시간마다 촬영 화상과 음압맵의 중합을 행하여, 중합 화상을 갱신한다. 갱신 빈도로서는, 예를 들면, 매초 3회 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 매초 5회 이상이다. 소형의 연산 수단(4)에 의해 실현 가능한 처리 속도를 감안하면, 매초 5회의 갱신인 경우에는 센서(13)의 수를 13개로 하는 것이 바람직하고, 매초 3회의 갱신으로 좋은 경우에는 센서(13)의 수를 25개까지 늘려도 좋다.

어레이 센서(3)에 의해 측정하는 초음파의 대역은, 가청역보다 높은 주파수라면 좋고, 예를 들면, 20㎑ 정도 이상이면 좋지만, 40㎑를 중심으로 하여, 35㎑ 이상 45㎑ 이하인 것이 바람직하다. 측정하는 초음파의 대역을 35㎑ 이상으로 함으로써, 환경 중의 가청음에 의한 암소음(暗騷音)에 대한 S/N비를 확보할 수 있다. 측정하는 초음파의 대역을 45㎑ 이하로 함으로써, 측정 대상이 되는 파장이 지나치게 짧아져 그레이팅 로브가 출현하지 않는 시야 범위가 좁아지는 것을 억제할 수 있다.

어레이 센서(3)에 있어서, 센서(13)와 센서(13)의 간격을 지나치게 확대하면, 그레이팅 로브가 발생하기 쉬워져, 올바르게 음원의 방위를 특정하는 것이 어려워진다. 그레이팅 로브를 억제하는 관점에서는, 센서(13) 간의 간격은 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 센서(13)의 간격을 작게 하기 위해, 각 센서(13)는, 소형의 것을 이용하는 것이 바람직하다. 센서(13)의 크기는, 예를 들면, 평면으로부터 보았을 때에 있어서의 일변의 길이(또는 직경이나 장경)가 4㎜∼6㎜ 정도이다.

한편, 센서(13)와 센서(13)의 간격을 지나치게 좁게 하면, 어레이 센서(3) 전체의 수평 방향 및 수직 방향에 있어서의 폭이 작아지는 점에서 방위 분해능(能)이 악화되어, 시야 내에 복수의 음원이 근접하여 존재하는 경우에 이들의 음원을 구별하여 인식하는 것이 어려워진다.

그래서, 방위 표정 장치의 시뮬레이션을 실시하여, 초음파원의 탐색 범위 내에 있어서의 그레이팅 로브의 발생을 억제하도록, 센서(13)와 센서(13)의 간격(센서 간격)의 크기를 검토했다. 이때에, 인간의 시야 범위가 좌우(수평) 및 상하(수직)로 ±60°인 점에서, 시야 내에는 들어가지만 탐색 범위에는 들어가지 않는 방위에 음원이 있는 상황을 상정하여, 음원을 수평 방향의 －60° 방위로 설정하고, 음원으로부터 발하는 초음파의 주파수는 10㎑, 25㎑, 30㎑ 및, 40㎑로 했다. 또한, 어레이 센서(3)에 의한 탐색 범위는 ±30°로 했다. 음압맵상에 나타나는 그레이팅 로브로서, 발생한 그레이팅 로브의 최대 피크 강도의 －3dB가 되는 방위를 그레이팅 로브 경계 방위로 하고, 이 그레이팅 로브 경계 방위가 탐색 최대 방위보다 작으면(탐색 범위 내에 최대 피크 강도의 －3dB가 되는 방위가 검출되면) 그레이팅 로브가 출현한다고 정의했다. 전술한 「－3dB」는 일 예로서, 최대 피크 강도로부터 소정값만큼 음압이 낮은 방위를 그레이팅 로브 경계 방위로 하면 좋다.

센서 간격을 평가하는 데에 있어서는, 센서 간격(㎜)을 측정 대상으로 하는 초음파의 파장(㎜)으로 나눔으로써 구해지는 무차원화 센서 간격을 이용했다. 구체적으로, 무차원화 센서 간격은 하기식 (3)에 의해 구했다.

(무차원화 센서 간격)＝(센서 간격)/(초음파의 파장)…(3)

초음파의 파장으로서는, 측정하는 초음파의 대역 중, 가장 감도가 좋은 주요값(대푯값)을 채용해도 좋다.

무차원화 센서 간격에 대해서도, 그 값을 크게 하면 그레이팅 로브가 발생하기 쉬워지고, 그 값을 작게 하면 방위 분해능이 저하한다.

도 5는, 그레이팅 로브 경계 방위와 무차원화 센서 간격의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5의 세로축은, 그레이팅 로브 경계 방위[°]이고, 가로축은, 무차원 센서 간격이다. 그레이팅 로브 경계 방위는, 음원이 위치하는 방위(수평 방향의 －60° 방위)를 0°로 했을 때의, 수평 방향에 있어서의 상대적인 각도로 나타냈다. 도 5로부터, 실용상 최저한 필요한 탐색 범위에 상당하는 범위(±8°)에 있어서 그레이팅 로브가 발생하지 않도록 하려면, 무차원화 센서 간격을 0.90 이하로 하면 좋다. 보다 넓은 탐색 범위 내(±10°)에 있어서 그레이팅 로브가 발생하지 않도록 하려면, 무차원화 센서 간격을 0.85 이하로 하는 것이 바람직하고, 추가로 넓은 탐색 범위 내(±15°)에서의 그레이팅 로브의 발생을 억제하기 위해서는, 무차원화 센서 간격을 0.75 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

상기한 바와 같이 무차원화 센서 간격을 조절함으로써, 카메라 시야 내에 있어서 실용상 문제가 없는 정도로 그레이팅 로브의 발생을 억제하면서, 근접 음원의 분해능을 높일 수 있다. 이와 같이 무차원화 센서 간격을 조정함으로써, 센서 간격이 식 (2)를 만족하지 않는 경우라도 그레이팅 로브의 발생을 실용상 충분한 범위로 억제할 수 있어, 식 (2)를 만족하는 센서의 배치보다도 높은 방위 분해능이 얻어진다. 이를 위해, 센서 간격은, 측정 대상으로 하는 초음파의 반파장 이상이고, 또한 어레이 센서의 탐색 범위 내에 있어서 실용상 문제가 없는 정도로 그레이팅 로브의 발생이 억제되는 센서 간격으로 하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 40㎑의 초음파를 측정 대상으로 하는 경우의 센서 간격은, 약 4∼12㎜ 정도이다. 센서 간격은, 서로 이웃하는 센서의 중심부끼리의 사이에 있어서의 X축 또는 Y축을 따른 거리이다.

또한, 측정 대상(21)에 복수의 음원이 있는 경우의 측정 정밀도를 높이는 관점에서는, 센서 간의 간격은 모두 동일한 크기로 통일하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 어레이 센서(3)에 있어서의 각 센서(13)의 배치의 일 예를, 도 4(a)에 나타낸다. 도 4(a)에 나타낸 예에서는, X축상에 5개, Y축상에 5개, 합계 9개의 센서(13)가 열 십자(十) 형상으로 배치되어 있다. 이와 같이 2개의 축을 따라 센서(13)를 배치함으로써, 어레이 센서(3)가 향해진 방향으로부터의 초음파를 면 형상으로 파악할 수 있음과 함께, 그레이팅 로브의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 복수의 음원이 있어도 음압의 2차원 분포를 보다 정확하게 구하는 관점에서는, 센서의 수를 늘려, XY 평면에 있어서 y＝x 또는 y＝－x상에, X축 대칭 또한 Y축 대칭이 되도록, 추가로 센서(13)를 배치해도 좋다. 구체적인 예를 도 4(b)에 나타낸다. 도 4(b)에 나타낸 예에서는, X축상 및 Y축상의 센서(13)에 더하여, y＝x 및 y＝－x상에 각각 2개씩, 합계 4개의 센서(13)가 배치되어 있다. 이와 같이 X축, Y축상 이외에 센서(13)를 형성하는 경우에도, 센서(13)의 개수의 적합값, 센서(13)의 간격의 적합값 및, 센서(13)의 간격을 통일해 둔 쪽이 바람직한 점 등은 전술과 같다.

센서(13)의 수를 25개로 하는 경우에는, X축 및 Y축을 따른 일변에 5개의 센서(13)를 정방형 형상으로 배치하면 좋다.

본 실시 형태에서는, 센서(13)와 센서(13)의 간격을 조절함으로써, 단파장의 초음파를 측정하는 경우라도 카메라 시야 내에서의 그레이팅 로브의 발생을 억제할 수 있다.

다음으로, 본 실시 형태에 따른 방위 표정 장치의 사용 방법에 대해서 설명한다.

우선, 측정 대상으로 되어 있는 배관 설비나 전기 설비 등에 대하여, 방위 표정 장치(1)의 카메라(2)와 어레이 센서(3)를 향한다. 카메라(2)에 의해 검사 대상을 촬영함과 함께 어레이 센서(3)에 의해 초음파의 측정을 행한다. 촬영 화상과 초음파의 음압맵을 중합시킨 중합 화상은, 방위 표정 장치의 표시 수단(5)에 표시된다. 이때, 방위 표정 장치(1)의 표면과 측정 대상의 사이의 직선 거리는, 측정 대상물의 크기나 발생하고 있는 초음파의 크기 등에 따라서 변경해도 좋고, 예를 들면, 제철소 내에서 사용하는 경우에는, 최대 16m 정도이면 좋다. 거리가 16m보다도 커지면, 초음파가 감쇠되어 버려 충분한 크기의 음압을 측정할 수 없는 경우가 있다.

본 실시 형태에서는, 소형의 센서(13)를 이용함과 함께, 소형의 센서(13)의 개수를 필요 최소 한도의 개수로 억제하고 있기 때문에, 방위 표정 장치(1)를 소형화할 수 있다. 따라서, 사용자는 방위 표정 장치(1)를 용이하게 운반할 수 있고, 측정 대상의 방향을 향하여 방위 표정 장치(1)의 카메라(2), 어레이 센서(3)를 향하게 하는 것만으로, 간단하게 측정할 수 있다. 또한, 센서(13)의 개수를 억제함으로써, 연산 수단(4)에 과대한 연산 부하를 부과하는 것을 방지하여, 중합 화상의 갱신 속도를 충분히 확보할 수 있다.

또한, 촬영 시의 카메라(2)에 있어서의 시야 범위는, 넓으면 넓을수록 한 번의 측정으로 광범위의 이상 검지를 행할 수 있다. 그러나, 시야 범위를 지나치게 확대하면 카메라(2)의 해상도 등의 관계로부터 음원 위치를 정치(精緻)로 특정할 수 없게 되는 것이나, 시야 내에서의 그레이팅 로브가 발생하기 쉬워지는 점에서, 시야 범위는 상하 및 좌우로 ±30°보다 좁은 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 이때, 음압맵의 계산 부하를 내리고, 중합 화상의 갱신 빈도를 향상시키기 위해, 연산 수단(4)에 있어서 음압맵을 연산하는 범위(초음파의 탐색 범위)도, 상하 및 좌우로 ±30°보다 좁은 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

측정을 종료하면, 표시 수단(5)에 표시된 중합 화상을 해석한다. 중합 화상에서는, 초음파의 음압의 고저(高低)에 따라서 색 구분 등이 이루어지고 있고, 위치마다의 음압의 대소를 한눈에 판별할 수 있도록 되어 있다. 중합 화상상에서 가장 음압이 높은 피크 개소의 근방에 초음파원, 즉 배관의 균열이나 전기 설비의 불량 등이 발생하고 있다고 판단된다. 음압이 높은 영역이, 피크 개소를 중심으로 하여 그 주위에 대략 동심원 형상으로 확대되어 있는 경우에는, 원의 중심부 근방에 초음파원이 있다고 추정할 수 있다.

한편으로, 음압이 높은 영역이 대략 동심원 형상으로 되지 않거나, 혹은 시야 내의 넓은 영역을 음압이 높은 영역이 차지하거나 하고 있는 경우에는, 당해 영역 내에 복수의 음원이 존재하는 것이 추찰되고, 당해 영역 내 중 어디에 음원이 있는지를 특정하는 것은 어렵다. 특히, 본 실시 형태의 방위 표정 장치(1)에서는, 그레이팅 로브의 영향을 억제하도록 센서 간의 간격을 좁히고 있기 때문에, 측정 조건 등에 따라서는 충분한 방위 분해능이 얻어지지 않는 경우가 있다. 이 경우, 시야 내에 복수의 음원이 존재하고 있으면, 각각의 음원에 의해 형성되는 고음압 영역이 합쳐져, 고음압 영역이 차지하는 면적이 넓어져 버려, 각각의 음원을 구별하여 식별하는 것이 어려워진다.

도 6은, 중합 화상의 일 예를 나타내는 개략도이다. 도 6에 나타낸 예에서는, 흑색의 농담에 따라 음압의 강도를 나타내고 있고, 흑색이 짙은 영역(30)일수록 음압이 강하고, 흑색이 서서히 옅아지는 영역(32), 영역(34)측으로 감에 따라, 서서히 음압이 약해진다. 실제로 표시 수단(5)에 표시되는 중합 화상으로서는, 컬러 화상을 이용할 수 있고, 음압의 강약에 따라서 연속적으로 상이한 색 구분이 이루어지도록 해도 좋다.

도 6에 나타낸 예에서는, 중합 화상 내의 비교적 넓은 범위에 걸쳐 음압이 높은 영역(30)이 형성되어 있고, 음압이 높은 영역(30)은 타원 형상이고, 대략 동심원 형상으로는 형성되어 있지 않다. 이러한 예에서는, 영역 내에 복수의 음원이 존재하고 있는 것이 추찰되지만, 영역 내 중 어디에 음원이 있는지를 특정하는 것은 곤란하다.

본 실시 형태의 중합 화상의 해석 방법에서는, 우선, 음압의 문턱값을 설정하고, 중합 화상 내에서 이 문턱값을 초과하는 음압이 관측된 영역(고음압 영역)을 특정한다.

도 7은, 중합 화상의 해석 방법의 일 예를 나타내는 설명도이다. 도 7에서 짙은 흑색부로서 흑색 점선으로 둘러싼 영역이 고음압 영역(40)이고, 옅은 흑색부로서 흑색 점선으로 둘러싼 영역이 저음압 영역(42)이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 고음압 영역(40)이 대략 원형 형상이 되지 않는 경우에는, 고음압 영역(40) 중에 초음파원이 복수 개소 존재하는 것이 추찰된다. 본 실시 형태에 있어서의 중합 화상의 해석 방법에서는, 이 고음압 영역(40) 중에 초음파원이 2개소 있다고 가정한다.

우선, 도 7에 나타내는 바와 같이, 고음압 영역(40)의 상하 단부 위치 및 좌우 단부 위치를 특정하여, 상단선, 하단선, 좌단선 및, 우단선을 묘화한다. 다음으로, 이들 단선 중 어느 3개에 접하고 또한 면적이 최소가 되는 원(A)을 묘화한다. 도 7에 나타낸 예에서는, 상단선, 좌단선 및 하단선에 접하는 좌측의 원을 원(A)으로 한다. 또한, 원(A)에 접하지 않는 1개의 단선(도 7의 예에서는 우단선)과, 원(A)에 접하는 3개의 단선 중 2개의 단선(도 7의 예에서는 상단선과 하단선)에 접하고 또한 면적이 최소가 되는 원(B)을 묘화한다. 이들 원(A)의 중심과, 원(B)의 중심의 2점을 초음파원으로서 추정할 수 있다.

도 8은, 중합 화상의 해석 방법의 다른 일 예를 나타내는 설명도이다. 도 8에 나타낸 예에서는, 좌단선, 우단선, 상단선 및, 하단선에 접하는 타원을 중합 화상 중에 묘화하고, 이 타원의 2개의 초점을 초음파원으로서 추정할 수 있다.

전술의 방법에 의해, 측정 시야 내에 있어서, 근접하는 복수의 개소에 음원이 존재하는 경우라도, 음원의 방위를 정밀도 좋게 추정할 수 있다.

(실시예 1)

본 발명에 따른 방위 표정 장치를 이용하여, 초음파원의 방위 표정을 행했다. 어레이 센서를 구성하는 센서로서는 MA40H1S-R(가부시키가이샤 무라타세이사쿠쇼)을 이용하여, 센서의 배열은 도 4(a)와 같이 하고, 센서 간격은 모두 5.6㎜로 통일했다. 검사 대상은, 제철소 내에 있어서의 가스 배관 설비로 했다. 측정 대상으로부터의 거리를 15.7m로 하고, 측정 대상으로 하는 초음파의 주파수는 40㎑로 했다. 무차원화 센서 간격은, 5.6(㎜)/8.5(㎜)에 의해 약 0.66으로 구해졌다. 또한, 카메라의 시야 범위 및 어레이 센서에 의한 탐색 범위는, 수평 방향으로 ±25°, 수직 방향으로 ±15° 내로 했다.

도 9는, 실시예 1에서 얻어진 중합 화상이다. 도 9에 있어서, 도면 중의 짙은 흑색부로서 흑색 점선으로 둘러싼 개소가 특히 음압이 높은 영역(50)이고, 짙은 흑색부의 일부로서 백색 점선으로 둘러싼 개소가, 가장 음압이 높은 피크부였다. 실제로, 피크부의 근방에 있어서 배관의 부식 구멍의 발생이 확인되어, 초음파원의 방위 표정에 성공했다. 음원까지의 거리를 최단으로 1m 정도까지 추가로 축소해 가도, 문제 없이 초음파원의 방위를 표정할 수 있었다.

(실시예 2)

도 4(a)에 나타낸 센서 배치(배치 A로 함)의 방위 표정 장치와, 도 4(b)에 나타낸 센서 배치(배치 B로 함)의 방위 표정 장치를 각각 이용하여, 중합 화상을 작성했다. 센서의 종류, 센서 간격 등의 조건은, 실시예 1과 동일하다.

도 10은, 실시예 2에서 얻어진 중합 화상의 확대도이다. 도 10(a)는, 배치 A의 방위 표정 장치로 얻어진 중합 화상의 확대도이고, 도 10(b)는, 배치 B의 방위 표정 장치로 얻어진 중합 화상의 확대도이다. 도 10(a)에 나타낸 배치 A의 경우에는, 도면 오른쪽 위에서 관찰되는 초음파원(52) 외에, 도면 오른쪽 밑 및 왼쪽 위에도 음압이 높은 허상 영역(54)이 보였다. 한편, 도 10(b)에 나타낸 배치 B의 경우에는, 이들 허상 영역(54)은 관찰되지 않아, 보다 그레이팅 로브의 발생을 억제할 수 있었다.

(실시예 3)

2점의 모의 배관 리크를 형성한 측정 대상에, 본 실시 형태에 따른 방위 표정 장치를 향하게 하여, 중합 화상을 취득했다. 방위 표정 장치로서는, 실시예 2에 있어서의 배치 B의 것을 이용했다.

도 11은, 실시예 3에서 얻어진 중합 화상의 해석도이다. 도 11에서는, 얻어진 중합 화상에 있어서의 음압이 소정값 이상이 되는 고음압 영역(60)을 색 구분하여 나타내고 있다. 중합 화상에 있어서, 모의 배관 리크(leak)가 존재하는 위치(62)에는 하얀 동그라미를 붙이고, 음압이 최대가 되는 위치(64)를 백색 점선 사각으로 나타내고, 고온압 영역(60)을 흑색 점선으로 나타냈다.

도 12는, 실시예 3에서 얻어진 중합 화상의 해석도이다. 도 12에 나타낸 예에서는, 고음압 영역(60)에 대하여, 본 실시 형태에 따른 중합 화상의 해석 방법에 따라 2개의 원을 그리고, 각각의 중심부를 초음파원으로서 추정했다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 일정한 정밀도로 초음파원을 특정할 수 있었다.

도 13은, 실시예 3에서 얻어진 중합 화상의 또 다른 해석도이다. 도 13에 나타낸 예에서는, 고음압 영역(60)에 대하여, 본 실시 형태에 따른 중합 화상의 또 다른 해석 방법에 따라 1개의 타원을 그리고, 타원 중의 2개의 초점을 초음파원으로 추정했다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 일정한 정밀도로 초음파원을 특정할 수 있었다.

1 : 초음파원의 방위 표정 장치
2 : 카메라
3 : 어레이 센서
4 : 연산 수단
5 : 표시 수단
11 : 케이스체
13 : 센서
21 : 측정 대상
30 : 영역
32 : 영역
34 : 영역
40 : 고음압 영역
42 : 저음압 영역
50 : 영역
52 : 초음파원
54 : 허상 영역
60 : 고음압 영역
62 : 모의 배관 리크가 존재하는 위치
64 : 음압이 최대가 되는 위치

Claims (7)

1. 측정 대상을 촬영하는 카메라와,
   측정 대상의 방향으로부터 발해지는 초음파의 음압(音壓)을 측정하는 어레이 센서와,
   상기 어레이 센서에 의해 취득되는 초음파의 음압 정보에 기초하여 음압맵을 작성하여, 상기 음압맵과 상기 카메라에 의해 취득되는 촬영 화상을 중합시킨 중합 화상을 작성하는 연산 수단과,
   상기 중합 화상을 표시하는 표시 수단을 갖고,
   상기 어레이 센서는, 적어도 일부가 동일 평면에 있어서의 X축상과 Y축상에 형성되고, 합계 9개 이상 25개 이하의 표면 실장형 센서로 이루어지는 초음파원의 방위 표정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 어레이 센서의 탐색 범위는, 수평 및 수직 방향에 있어서 각각 ±90°보다도 좁은 범위 내인 초음파원의 방위 표정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 표면 실장형 센서와 표면 실장형 센서의 간격은, 측정 대상으로 하는 초음파의 반파장 이상이고, 또한 상기 어레이 센서의 탐색 범위 내에 있어서 그레이팅 로브의 발생이 억제되는 간격인 초음파원의 방위 표정 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 어레이 센서는, 상기 X축상과 상기 Y축상에 더하여, 동일 평면상의 y＝x 및 y＝－x상에, X축 대칭 또한 Y축 대칭이 되도록, 상기 표면 실장형 센서를 구비하는 초음파원의 방위 표정 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   측정 대상으로 하는 초음파의 파장으로 나눔으로써 구해지는 무차원화 센서 간격이 0.90 이하가 되도록, 상기 표면 실장형 센서가 배치되는 초음파원의 방위 표정 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치에 있어서 얻어진 중합 화상의 해석 방법으로서,
   상기 중합 화상에 있어서 문턱값을 초과하는 음압이 관측된 고음압 영역을 특정하고,
   상기 고음압 영역에 있어서의 상단선, 하단선, 좌단선 및, 우단선 중 어느 3개의 단선에 접하고 또한 면적이 최소가 되는 원(A)을 묘화하고,
   상기 고음압 영역에 있어서의 상단선, 하단선, 좌단선 및, 우단선 중, 상기 원(A)에 접하지 않는 1개의 단선과, 상기 원(A)에 접하는 3개의 단선 중 2개의 단선에 접하고 또한 면적이 최소가 되는 원(B)을 묘화하고,
   상기 원(A)의 중심과 상기 원(B)의 중심의 2점을 초음파원으로 추정하는 중합 화상의 해석 방법.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 초음파원의 방위 표정 장치에 있어서 얻어진 중합 화상의 해석 방법으로서,
   상기 중합 화상에 있어서 문턱값을 초과하는 음압이 관측된 고음압 영역을 특정하고,
   상기 고음압 영역에 있어서의 상단선, 하단선, 좌단선 및, 우단선에 접하는 타원을 묘화하고,
   상기 타원의 2개의 초점을 초음파원으로 추정하는 중합 화상의 해석 방법.

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