WO2018056214A1 - 超音波源の方位標定装置及び重ね合わせ画像の解析方法 - Google Patents

超音波源の方位標定装置及び重ね合わせ画像の解析方法 Download PDF

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WO2018056214A1
WO2018056214A1 PCT/JP2017/033480 JP2017033480W WO2018056214A1 WO 2018056214 A1 WO2018056214 A1 WO 2018056214A1 JP 2017033480 W JP2017033480 W JP 2017033480W WO 2018056214 A1 WO2018056214 A1 WO 2018056214A1
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sound pressure
sensor
superimposed image
ultrasonic
end line
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PCT/JP2017/033480
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弘治 林
末長　清佳
翔之介 前川
小田　将広
道弘 尾國
靖夫 櫛田
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Ｊｆｅスチール株式会社
Ｊｆｅアドバンテック株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10—Amplitude; Power
    • G01H3/12—Amplitude; Power by electric means
    • G01H3/125—Amplitude; Power by electric means for representing acoustic field distribution
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/56—Display arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an azimuth locating apparatus for an ultrasonic source that is small in size and has few erroneous determinations due to a gratin grove, and a superimposed image analysis method that is performed using the azimuth locating apparatus for the ultrasonic source.
  • the orientation of the wave source is determined from the time difference (phase difference) of the received signals obtained by each sensor using multiple sensors.
  • the technology to do is known. For example, as shown in FIG. 1, when the distance between two sensors 13 is d (mm) and the angle of the wave arrival direction (indicated by a thick arrow in the figure) with respect to the front direction of the sensor 13 is ⁇ , The time difference t (second) at which the wave reaches the sensor 13 is obtained by the following equation (1). By using this t, the arrival direction ⁇ of the wave is specified.
  • the technique of actually locating the wave source direction by applying the above formula (1) is generally called a beam forming method.
  • one sensor signal is delayed by a propagation delay time (t 0 ) calculated by the angle ( ⁇ 0 ) of a predetermined wave arrival direction ⁇ 0 with respect to the front direction of the sensor, Add with sensor signal.
  • t 0 and the wave source direction coincide with each other, the phases of the waveforms at the respective sensors are aligned, and the wave superposition is maximized, so that ⁇ 0 is regarded as the wave source direction.
  • the direction of the wave source can be determined based on the same principle when there are three or more sensors. This processing is performed for all directions of the measurement object, and the wave source direction can be obtained from the signal intensity and signal distribution.
  • Patent Document 1 is cited as a document disclosing a technique using such a beam forming method.
  • an ultrasonic detection device that detects gas leakage in piping, corona discharge in electrical equipment, and the like by measuring the sound pressure of ultrasonic waves using a sensor such as a microphone and a receiving element.
  • a sensor such as a microphone and a receiving element.
  • Such an ultrasonic detector generally uses a single sensor.
  • the region where ultrasonic waves can be measured by one measurement depends on the directivity of the microphone, and from which direction the ultrasonic waves can be transmitted. It is unknown whether it has arrived. Therefore, the sensitivity and directivity of the microphone are increased using a sound collector such as a parabola.
  • a sound collector such as a parabola.
  • the arrival direction of the ultrasonic wave can be determined, there is a problem that the ultrasonic wave can be measured only within a range such as a point.
  • a so-called gratin glove may occur in which a large false signal is observed in a direction different from the actual sound source direction.
  • the gratin glove is a phenomenon in which an area where a high sound pressure is recorded appears in a place where a sound source is not located in a superimposed image (details will be described later).
  • the grating globe is more likely to occur as the distance between the receiving element and the receiving element with respect to the wavelength of the sound wave to be measured becomes relatively large.
  • it is effective to satisfy the following formula (2) so as to prevent the superposition of the out-of-phase waves.
  • d is the distance (mm) between the receiving elements
  • ⁇ is the wavelength (mm) of the sound wave to be detected.
  • the beam forming method When the beam forming method is used for searching an ultrasonic sound source, there is a problem that the above-mentioned misorientation due to the gratin glove may appear greatly, and it is difficult to locate the actual direction of the sound source. This is because the ultrasonic wave has a higher frequency and a shorter wavelength ( ⁇ ) than the sound wave in the audible range, and therefore it is difficult to relatively reduce the interval between the receiving elements with respect to the wavelength.
  • ⁇ / 2 4.2 (mm) is obtained.
  • the distance between the microphones In order to completely prevent the glitching glove, the distance between the microphones must be less than 4.2 mm. In order to make the distance between the microphones less than 4.2 mm, the diameter of the microphone itself must be less than 4.2 mm, but it is practically difficult to secure such an ultra-small microphone.
  • Non-Patent Document 1 constructs a sensor unit in which three ultrasonic microphones having a small tip diameter are bundled to shorten the distance between the microphones as much as possible.
  • this structure it is difficult to increase the number of microphones, the directivity is wide from the viewpoint of beam forming, and it is difficult to increase the accuracy of orientation determination.
  • the present invention has been conceived in view of the above-described problems, and is small in size and capable of measuring ultrasonic waves in a wide search range at a time while reducing the influence of the gratin glove, and has a practically sufficient orientation. It is an object of the present invention to provide an azimuth locating device for an ultrasonic source that realizes orientation accuracy and an update speed of a processing result, and a method for analyzing a superimposed image performed using the azimuth locating device for the ultrasonic source.
  • Means of the present invention are as follows.
  • a camera for photographing a measurement target, an array sensor for measuring the sound pressure of ultrasonic waves emitted from the direction of the measurement target, and a sound pressure map based on the sound pressure information of the ultrasonic waves acquired by the array sensor Comprising: a calculation means for creating a superimposed image obtained by superimposing the sound pressure map and a captured image acquired by the camera; and a display means for displaying the superimposed image, the array sensor
  • An orientation determination device for an ultrasonic source comprising at least a part of the surface-mounted sensors of a total of 9 or more and 25 or less provided on the X-axis and the Y-axis on the same plane.
  • An interval between the surface-mounted sensor and the surface-mounted sensor is an interval that is equal to or greater than a half wavelength of the ultrasonic wave to be measured, and is an interval that suppresses the occurrence of a grating globe within the search range of the array sensor.
  • the orientation determination device for an ultrasonic source according to any one of [1] to [3], comprising the surface mount sensor. [5] From [1] to [4], the surface mount sensor is arranged so that the dimensionless sensor interval obtained by dividing by the wavelength of the ultrasonic wave to be measured is 0.90 or less.
  • the orientation determination device for an ultrasonic source according to any one of the above.
  • [6] A method for analyzing a superimposed image obtained by the orientation locating apparatus for an ultrasonic source according to any one of [1] to [5], wherein the sound pressure exceeds a threshold in the superimposed image. Is identified, and a circle (A) that is in contact with any one of the upper end line, lower end line, left end line, and right end line in the high sound pressure area and has the smallest area is drawn.
  • the influence of the grating gloves can be reduced, an ultrasonic source can be specified accurately, and ultrasonic measurement within a wide planar field of view is possible.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram relating to the beamforming method.
  • FIG. 2 is a front view, a rear view, and a side view showing the overall configuration of the orientation locating apparatus.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the field of view of the camera and the search range of the array sensor and the measurement target in the orientation locator.
  • FIG. 4 is a plan view showing the arrangement of each sensor in the array sensor.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the gratin globe boundary direction and the dimensionless sensor interval.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a superimposed image.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of a superimposed image analysis method.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram relating to the beamforming method.
  • FIG. 2 is a front view, a rear view, and a side view showing the overall configuration of the orientation locating apparatus.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the field of view of
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing another example of a method for analyzing superimposed images.
  • FIG. 9 is a superimposed image obtained in the first embodiment.
  • FIG. 10 is an enlarged view of the superimposed image obtained in the second embodiment.
  • FIG. 11 is an analysis diagram of a superimposed image obtained in the third embodiment.
  • FIG. 12 is an analysis diagram of the superimposed image obtained in the third embodiment.
  • FIG. 13 is another analysis diagram of the superimposed image obtained in the third embodiment.
  • FIG. 2 is a front view, a rear view, and a side view showing the overall configuration of the orientation locating apparatus.
  • an azimuth locating apparatus 1 (sometimes simply referred to as “azimuth locating apparatus”) for an ultrasonic source according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the azimuth orientation apparatus 1 includes a camera 2, an array sensor 3, a calculation means 4, and a display means 5.
  • the camera 2 and the array sensor 3 are provided on the surface side of the casing 11 that constitutes the orientation locating device 1, and as shown in FIG.
  • the calculation means 4 is provided inside the casing 11 and the display means 5 is provided on the back side of the casing 11 as shown in FIG.
  • the computing means 4 may be provided outside the housing 11.
  • the camera 2 captures the measurement object and outputs the obtained captured image to the calculation means 4.
  • the captured image is used for the purpose of superimposing it with an ultrasonic two-dimensional sound pressure map obtained by the beam forming method.
  • the magnification, field of view, etc. of the camera 2 can be adjusted as appropriate according to the size of the desired superimposed image.
  • a commercially available CCD camera or the like can be used as the camera 2 .
  • the array sensor 3 is formed by a plurality of surface mount sensors (hereinafter referred to as “sensors”) 13 for ultrasonic measurement.
  • the array sensor 3 acquires the sound pressure information by measuring the ultrasonic waves generated in the direction in which the array sensor 3 is directed.
  • the sensor 13 is surface-mounted on a printed board using soldering or the like, and is about half as small as a normal ultrasonic microphone, and can be mounted with high density.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the field of view of the camera and the search range of the array sensor and the measurement object in the orientation determination apparatus.
  • the array sensor 3 can measure the sound pressure of the ultrasonic wave in the range of + 90 ° to ⁇ 90 ° in the horizontal (left / right) direction, as indicated by solid arrows in the figure.
  • FIG. 3 is a plan view of the azimuth locator 1 as viewed from above.
  • the vertical (vertical) direction is + 90 ° to ⁇ 90. Ultrasonic waves within the range of ° can be measured.
  • the direction of arrival of ultrasonic waves and the sound pressure can be measured by using the principle of the beam forming method for a plurality of sensors.
  • the angle relating to the search range of the array sensor 3 and the visual field range of the camera 2 described later is calculated based on a straight line perpendicular to the surface of the orientation locator. For example, in the plan view as shown in FIG. 3, the vertical line between the orientation locating device 1 and the measurement object 21 is 0 °, and the angle of the visual field range (or search range) extending to the left and right is calculated as the horizontal angle.
  • the vertical angle is calculated by the same method. Any of the left and right (or top and bottom) angles may be + or-.
  • the computing means 4 creates a sound pressure map based on the sound pressure information obtained by the array sensor 3, and creates a superimposed image obtained by superimposing the photographed image obtained by the camera 2 and the sound pressure map.
  • ultrasonic measurement by the array sensor 3 is possible within a range of ⁇ 90 °.
  • an ultrasonic source within the visual field range of the camera 2 is searched. It ’s enough.
  • the visual field range of the camera 2 is indicated by a dotted arrow in FIG. 3, and a sound pressure map can be created by searching for an ultrasonic source within this range.
  • the search range of the array sensor 3 may be a range narrower than ⁇ 90 ° in the horizontal and vertical directions, and is preferably a range narrower than ⁇ 60 ° in the horizontal and vertical directions from the viewpoint of suppressing the grating globe. More preferably, the range is narrower than ⁇ 30 °. Also, the horizontal search range and the vertical search range may be different sizes.
  • the computing unit 4 outputs the created superimposed image to the display unit 5 and causes the display unit 5 to display the superimposed image.
  • color classification according to the intensity of the ultrasonic wave is performed for each position in the captured image, and the correspondence between the position in the captured image and the sound pressure distribution of the ultrasonic wave can be determined at a glance.
  • the display means 5 a liquid crystal display or the like can be used.
  • FIG. 4 is a plan view showing the arrangement of the sensors 13 in the array sensor 3. Next, the arrangement of each sensor in the array sensor 3 will be described with reference to FIG.
  • each sensor 13 of the array sensor 3 is preferably arranged in a cross shape on the X axis and the Y axis.
  • the X axis and the Y axis may be two axes that are on the same plane and form a right angle. In particular, it is preferable that the X axis is parallel to the horizontal plane and the Y axis is perpendicular to the horizontal plane.
  • the sensor 13 may be provided other than on the X axis and the Y axis.
  • the number of sensors 13 forming the array sensor 3 is preferably 9 or more and 25 or less. By setting the number of sensors 13 to nine or more, it is possible to determine the orientation of ultrasonic waves with practically sufficient stability in a plane. By setting the number of sensors 13 to 25 or less, it is possible to prevent an increase in the size of the apparatus due to the amplifiers and filter circuits required for each sensor 13 and to reduce the calculation load of the calculation means 4 and to delay the processing speed, etc. Can be suppressed. Thus, it is possible to update the superimposed image at a practically sufficient speed in a small and lightweight device without using a large-scale computing means 4. In order to prevent unevenness in measurement accuracy, it is preferable to arrange the sensors 13 symmetrically vertically and horizontally.
  • the computing means 4 superimposes the captured image and the sound pressure map at regular intervals, and updates the superimposed image.
  • the update frequency is preferably 3 times or more per second, and more preferably 5 times or more per second.
  • the ultrasonic band measured by the array sensor 3 may be a frequency higher than the audible range, for example, about 20 kHz or more, but preferably 40 kHz or more and 35 kHz or more and 45 kHz or less.
  • the ultrasonic wave band to be measured may be 35 kHz or higher, it is possible to secure an S / N ratio against background noise caused by audible sounds in the environment.
  • By setting the ultrasonic wave band to be measured to 45 kHz or less it is possible to suppress the narrowing of the visual field range in which the wavelength to be measured becomes too short and the graying glove does not appear.
  • the distance between the sensor 13 and the sensor 13 is excessively widened, a gratin glove is likely to occur, and it becomes difficult to correctly specify the direction of the sound source. From the viewpoint of suppressing the grating gloves, it is desirable to make the interval between the sensors 13 as small as possible. In order to reduce the interval between the sensors 13, it is preferable to use a small sensor for each sensor 13.
  • the size of the sensor 13 is, for example, about 4 mm to 6 mm in length (or diameter or major axis) of one side in a plan view.
  • the search range by the array sensor 3 was ⁇ 30 °.
  • the direction of -3 dB of the maximum peak intensity of the generated gratin glove is defined as the gratin glove boundary azimuth, which is smaller than the search maximum azimuth (the maximum peak intensity within the search range). -3dB direction is detected) and a gratin grove appears.
  • the above-mentioned “ ⁇ 3 dB” is an example, and an orientation having a sound pressure lower than the maximum peak intensity by a predetermined value may be used as the gratin glove boundary orientation.
  • the dimensionless sensor interval obtained by dividing the sensor interval (mm) by the wavelength (mm) of the ultrasonic wave to be measured was used. Specifically, the dimensionless sensor interval was obtained by the following equation (3).
  • the non-dimensional sensor interval if the value is increased, a gratin glove is likely to occur, and if the value is decreased, the azimuth resolution is lowered.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the gratin globe boundary direction and the dimensionless sensor interval.
  • the vertical axis in FIG. 5 is the gratin glove boundary orientation [°], and the horizontal axis is the dimensionless sensor interval.
  • the gratin glove boundary azimuth is indicated by a relative angle in the horizontal direction when the azimuth ( ⁇ 60 ° azimuth in the horizontal direction) where the sound source is located is 0 °.
  • the non-dimensional sensor interval may be set to 0.90 or less.
  • the non-dimensional sensor interval is preferably 0.85 or less, and within a wider search range ( ⁇ 15 °). In order to suppress the occurrence of the gratin glove, it is more preferable that the dimensionless sensor interval is 0.75 or less.
  • the dimensionless sensor interval is a sensor interval that is equal to or longer than a half wavelength of the ultrasonic wave to be measured and that suppresses the occurrence of the gratin glove to the extent that there is no practical problem within the search range of the array sensor. .
  • the sensor interval when measuring 40 kHz ultrasonic waves is about 4 to 12 mm.
  • the sensor interval is a distance along the X axis or the Y axis between the central portions of adjacent sensors.
  • FIG. 4A an example of the arrangement of the sensors 13 in the array sensor 3 is shown in FIG.
  • a total of nine sensors 13 are arranged in a cross shape, with five on the X axis and five on the Y axis.
  • the sensors 13 are provided other than on the X-axis and the Y-axis, it is preferable to unify the preferable value of the number of sensors 13, the preferable value of the interval of the sensors 13, and the interval of the sensors 13. Etc. are as described above.
  • five sensors 13 may be arranged in a square shape along one side along the X axis and the Y axis.
  • the camera 2 and the array sensor 3 of the azimuth orientation device 1 are directed toward the piping equipment or electrical equipment that is the object of measurement.
  • the inspection object is photographed by the camera 2 and the ultrasonic wave is measured by the array sensor 3.
  • the superimposed image obtained by superimposing the photographed image and the ultrasonic sound pressure map is displayed on the display unit 5 of the orientation determination device.
  • the linear distance between the surface of the orientation locating device 1 and the measurement target may be changed according to the size of the measurement target, the size of the generated ultrasonic wave, etc. In that case, the maximum length is about 16 m. When the distance is longer than 16 m, the ultrasonic wave is attenuated and a sufficiently large sound pressure may not be measured.
  • the orientation determining device 1 can be miniaturized. Therefore, the user can easily carry the azimuth orientation device 1 and can easily perform the measurement simply by pointing the camera 2 and the array sensor 3 of the azimuth orientation device 1 toward the measurement target direction. Furthermore, by suppressing the number of sensors 13, it is possible to prevent an excessive calculation load from being applied to the calculation means 4, and to sufficiently ensure the superimposed image update speed.
  • the wider the visual field range of the camera 2 at the time of shooting the wider range of abnormality detection can be performed with one measurement.
  • the field of view is too wide, the position of the sound source cannot be specified precisely because of the resolution of the camera 2 or the like, and a glitching glove is likely to occur within the field of view. It is preferably within a narrower range.
  • the range in which the sound pressure map is calculated in the calculation means 4 is also ⁇ 30 vertically and horizontally. It is preferably within a narrower range.
  • the superimposed image displayed on the display means 5 is analyzed.
  • the superimposed image is color-coded according to the level of the sound pressure of the ultrasonic wave so that the magnitude of the sound pressure at each position can be discriminated at a glance. It is determined that an ultrasonic source, that is, a crack in the pipe, a defect in the electrical equipment, or the like has occurred in the vicinity of the peak portion having the highest sound pressure on the superimposed image.
  • an ultrasonic source that is, a crack in the pipe, a defect in the electrical equipment, or the like has occurred in the vicinity of the peak portion having the highest sound pressure on the superimposed image.
  • the region where the sound pressure is high spreads in a substantially concentric circle around the peak portion, it can be estimated that the ultrasonic source is near the center of the circle.
  • the high sound pressure area is not substantially concentric, or if the high sound pressure area occupies a wide area in the field of view, there must be multiple sound sources in that area. Therefore, it is difficult to specify which sound source is in the area.
  • the interval between the sensors is narrowed so as to suppress the influence of the gratin glove, so that sufficient azimuth resolution may not be obtained depending on the measurement conditions and the like.
  • the high sound pressure areas formed by each sound source will be combined, and the area occupied by the high sound pressure areas will be widened, and each sound source will be distinguished and identified. Becomes difficult.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a superimposed image.
  • the intensity of sound pressure is indicated by the darkness of black.
  • the sound pressure is stronger in the darker black area 30, and gradually increases toward the areas 32 and 34 where the black gradually becomes thinner. Sound pressure becomes weaker.
  • a color image can be used, and different color coding may be performed continuously according to the sound pressure level.
  • a region 30 having a high sound pressure is formed over a relatively wide range in the superimposed image, and the region 30 having a high sound pressure is elliptical and substantially concentric. Not formed.
  • a threshold value of sound pressure is set, and a region (high sound pressure region) in which a sound pressure exceeding the threshold value is observed in the superimposed image is specified.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a method for analyzing superimposed images.
  • a region surrounded by a black dotted line as a dark black portion is a high sound pressure region 40, and a region surrounded by a black dotted line as a light black portion is a low sound pressure region 42.
  • the upper and lower end positions and the left and right end positions of the high sound pressure region 40 are specified, and the upper end line, the lower end line, the left end line, and the right end line are drawn.
  • a circle (A) that touches any three of these end lines and has the smallest area is drawn.
  • the left circle that is in contact with the upper end line, the left end line, and the lower end line is defined as a circle (A).
  • one end line that does not contact the circle (A) (the right end line in the example of FIG. 7) and two end lines out of the three end lines that contact the circle (A) (the upper end line and the lower end in the example of FIG. 7).
  • a circle (B) that is in contact with the line and has the smallest area is drawn. Two points of the center of the circle (A) and the center of the circle (B) can be estimated as an ultrasonic source.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing another example of a method for analyzing superimposed images.
  • ellipses in contact with the left end line, right end line, upper end line, and lower end line are drawn in the superimposed image, and the two focal points of the ellipse can be estimated as an ultrasonic source.
  • the above method makes it possible to accurately estimate the azimuth of the sound source even when the sound source exists at a plurality of adjacent locations in the measurement field of view.
  • Example 1 Using the azimuth orientation apparatus according to the present invention, the azimuth orientation of the ultrasonic source was performed.
  • a sensor constituting the array sensor MA40H1S-R (Murata Manufacturing Co., Ltd.) was used, the sensor arrangement was as shown in FIG. 4A, and the sensor intervals were all unified at 5.6 mm.
  • the inspection object was gas piping equipment in the steelworks.
  • the distance from the measurement target was 15.7 m, and the frequency of the ultrasonic wave to be measured was 40 kHz.
  • the dimensionless sensor interval was determined to be about 0.66 by 5.6 (mm) /8.5 (mm).
  • the field-of-view range of the camera and the search range by the array sensor were within ⁇ 25 ° in the horizontal direction and within ⁇ 15 ° in the vertical direction.
  • FIG. 9 is a superimposed image obtained in Example 1.
  • the dark black portion in the figure surrounded by the black dotted line is the region 50 where the sound pressure is particularly high, and the portion surrounded by the white dotted line that is part of the dark black portion is the most sound pressure. It was a high peak part. In fact, the occurrence of corrosion holes in the pipe near the peak was confirmed, and the orientation of the ultrasonic source was successfully determined. Even if the distance to the sound source was further reduced to about 1 m at the shortest, the direction of the ultrasonic source could be determined without any problem.
  • Example 2 Using the orientation determination device of the sensor arrangement (referred to as arrangement A) shown in FIG. 4 (a) and the orientation determination device of the sensor arrangement (referred to as arrangement B) shown in FIG. 4 (b), respectively. A superimposed image was created. Conditions such as sensor type and sensor interval are the same as in the first embodiment.
  • FIG. 10 is an enlarged view of the superimposed image obtained in the second embodiment.
  • FIG. 10A is an enlarged view of the superimposed image obtained by the orientation locating apparatus of arrangement A
  • FIG. 10B is an enlarged view of the superimposed image obtained by the azimuth orientation apparatus of arrangement B. is there.
  • a virtual image region 54 with a high sound pressure was also seen in the lower right and upper left of the drawing in addition to the ultrasonic source 52 observed in the upper right of the drawing.
  • these virtual image areas 54 were not observed, and the generation of gratin gloves could be further suppressed.
  • Example 3 A superimposed image was acquired by directing the azimuth locator according to the present embodiment to a measurement target provided with two simulated pipe leaks. As the orientation locating device, the one with the arrangement B in Example 2 was used.
  • FIG. 11 is an analysis diagram of the superimposed image obtained in the third embodiment.
  • the high sound pressure region 60 in which the sound pressure in the obtained superimposed image is a predetermined value or more is shown by color.
  • the position 62 where the simulated pipe leak exists is marked with a white circle
  • the position 64 where the sound pressure is maximum is indicated by a white dotted square
  • the high-temperature pressure region 60 is indicated by a black dotted line.
  • FIG. 12 is an analysis diagram of the superimposed image obtained in the third embodiment.
  • two circles are drawn in the high sound pressure region 60 according to the superimposed image analysis method according to the present embodiment, and the center of each circle is estimated as an ultrasonic source.
  • the ultrasonic source could be specified with a certain accuracy.
  • FIG. 13 is another analysis diagram of the superimposed image obtained in the third embodiment.
  • one ellipse is drawn for the high sound pressure region 60 according to another analysis method of the superimposed image according to the present embodiment, and two focal points in the ellipse are estimated as ultrasonic sources.
  • the ultrasonic source could be specified with a certain accuracy.

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  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

小型で、グレーチングローブの影響を少なくしつつ、一度に広い探索範囲における超音波の音源方位測定が可能な超音波源の方位標定装置を提供する。　測定対象を撮影するカメラと、測定対象の方向から発せられる超音波の音圧を測定するアレイセンサと、アレイセンサによって取得される超音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、音圧マップとカメラによって取得される撮影画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する演算手段と、重ね合わせ画像を表示する表示手段と、を有し、アレイセンサは、少なくとも一部が同一平面におけるＸ軸上とＹ軸上とに設けられ、合計９個以上２５個以下の表面実装型センサからなる超音波源の方位標定装置。

Description

超音波源の方位標定装置及び重ね合わせ画像の解析方法
　本発明は、小型でかつグレーチングローブによる誤判定の少ない超音波源の方位標定装置、及びこの超音波源の方位標定装置を用いて行う重ね合わせ画像の解析方法に関する。
　製鉄所では、例えば配管の腐食孔の発生、及び電気設備の劣化等をいちはやく検知し、補修等を行う必要がある。これらを検知するために、配管の腐食孔から気体が漏洩する際や、電気設備におけるコロナ放電等が起こる際に放出される音波を測定することが行われている。可聴域の音波を測定しようとすると、周囲の騒音等の影響が大きく異常が正しく検知されないことがあるので、各種設備の異常を検知するために、超音波を測定することが一般的である。
　超音波を含む音波や電磁波等に代表される波の到来方向を標定することを目的として、複数のセンサを用いて、各センサで得られる受信信号の時間差（位相差）から波源の方位を標定する技術が知られている。例えば、図１に示すように、２つのセンサ１３の間隔をｄ（ｍｍ）、センサ１３の正面方向に対する波の到来方向（図中の太い矢印で示す。）の角度をθとすると、２つのセンサ１３に波が到達する時間差ｔ（秒）は下記式（１）により求められる。このｔを利用することで、波の到来方向θが特定される。
　ｔ＝ｄｓｉｎθ／（音速）　　　　　・・・（１）
　上記式（１）を応用して実際に波源方位を標定する技術は、一般にビームフォーミング法とも称される。ビームフォーミング法では、センサの正面方向に対する所定の波の到来方向θ０について、その角度（θ０）によって計算される伝播遅延時間分（ｔ０）だけ一方のセンサ信号を遅延させて、他方のセンサ信号と加算する。θ０と波源方位とが一致すると、各センサでの波形の位相が揃い、波の重ね合わせが最大となるので、θ０が波源方位であるとみなされる。上記ではセンサが２個の場合について説明したが、３個以上の場合についても同様の原理で波源方位の標定を行うことができる。この処理を、測定対象の全方位について行い、その信号強度や信号分布から波源方位を求めることができる。
　このようなビームフォーミング法を利用した技術を開示した文献として、以下の特許文献１が挙げられる。
　一方で、従来、マイクロフォン、受信素子等のセンサを用いて超音波の音圧を測定することにより、配管における気体漏洩や電気設備におけるコロナ放電等を検知する超音波検出装置が知られている。このような超音波検出装置は、１個のセンサを用いていることが一般的である。
特開２０１４－１３７３２３号公報
石田梨佳著「機器が発する超音波の見える化『超音波音カメラ』の開発」電気現場技術　２０１５年３月号
　従来の超音波検出装置では、１個のマイクロフォンを用いて超音波の測定を行っているので、一度の測定で超音波を測定できる領域がマイクロフォンの指向性に依存し、どの方位から超音波が到来しているかが不明である。そのため、パラボラのような集音器を用いてマイクロフォンの感度・指向性を高めることが行われる。しかし、この場合には超音波の到来方向を決定できるものの、点のような範囲内しか超音波を測定できない問題がある。このような装置を用いて、測定対象となっている設備の超音波測定を行うには、所望の測定範囲内において超音波検出装置を何度も細かく走査させなければならず、測定作業が煩雑となる他、測定抜けが生じやすくなるといった問題がある。
　そこで、複数のマイクロフォンを用いた上述のビームフォーミング法によって、測定範囲を広くし、超音波の音源を面的に探索できる超音波検出装置が望まれている。しかし、超音波測定においては、下記の理由によってビームフォーミング法を適用することが困難である。
　ビームフォーミング法を用いると、実際の音源方位とは異なる方位で大きな偽信号が観測される、いわゆるグレーチングローブが起こることがある。グレーチングローブとは、重ね合わせ画像（詳細については後述する。）において、音源の位置しない箇所に、高い音圧が記録される領域が現れる現象である。グレーチングローブは、測定対象となる音波の波長に対する受信素子と受信素子との間隔が相対的に大きくなればなるほど、起こりやすくなる。グレーチングローブを完全に防止するためには、位相がずれた波の重ね合わせを防止するように、下記式（２）を満たすことが有効である。
　ｄ＜λ／２　　　　　・・・（２）
　上記式（２）中のｄは受信素子の間隔（ｍｍ）であり、λは検出する音波の波長（ｍｍ）である。
　ビームフォーミング法を超音波の音源探索に用いると、上述したグレーチングローブによる誤標定が大きく出ることがあり、実際の音源の方位を標定することが難しいという問題がある。これは、超音波は、可聴域の音波に比べて周波数が高く波長（λ）が短いので、波長に対して受信素子の間隔を相対的に小さくすることが困難であるからである。
　例えば、設備の異常検知の際に使用される超音波の周波数帯域を４０ｋＨｚとし、空気中の音速を３４０ｍ／秒として上記式（２）に代入すると、λ／２＝４．２（ｍｍ）となり、グレーチングローブを完全に防ぐためには、マイクロフォンの間隔を４．２ｍｍ未満とする必要がある。マイクロフォンの間隔を４．２ｍｍ未満とするためには、必然的にマイクロフォン自身の直径を４．２ｍｍ未満とする必要があるが、このような超小型のマイクロフォンを確保することは現実的に難しい。
　この問題を解決するため、非特許文献１では、先端直径の小さい超音波用マイクロフォンを３本束ねてマイクロフォン間の距離を極力短くしたセンサ部を構築している。しかしながら、この構造では、マイクロフォンの個数を増やすことが困難であり、ビームフォーミングの観点からは指向性が広く、方位標定の精度を高めることが難しい。
　マイクロフォンの間隔が上記式（２）を満たさない場合には、複数のマイクロフォンを用いて、一度に超音波を測定する探索範囲を広げれば広げるほどグレーチングローブが起こりやすくなる問題もある。
　このように、従来の技術では、波長の短い超音波源の方位を標定するために複数のマイクロフォンを用いたビームフォーミング法を用いると、グレーチングローブの発生を抑えることができず、正しく音源の方位を特定することが難しいという問題がある。
　さらに周波数の高い超音波を信号処理するためには、受信する超音波を高速でサンプリングする必要があるが、一般的に多数の受信素子を用いるビームフォーミング法では、十分な信号処理結果の更新速度と高速のサンプリングとを両立することが困難であった。
　本発明は上述の問題点に鑑みて想到されたものであり、小型で、グレーチングローブの影響を少なくしつつ、一度に広い探索範囲における超音波の測定が可能であり、かつ実用上十分な方位標定精度と処理結果の更新速度とを実現する超音波源の方位標定装置、及び該超音波源の方位標定装置を用いて行う重ね合わせ画像の解析方法を提供することを課題とする。
　本発明の手段は、次の通りである。
［１］測定対象を撮影するカメラと、測定対象の方向から発せられる超音波の音圧を測定するアレイセンサと、前記アレイセンサによって取得される超音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、前記音圧マップと前記カメラによって取得される撮影画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する演算手段と、前記重ね合わせ画像を表示する表示手段と、を有し、前記アレイセンサは、少なくとも一部が同一平面におけるＸ軸上とＹ軸上とに設けられ、合計９個以上２５個以下の表面実装型センサからなる超音波源の方位標定装置。
［２］前記アレイセンサの探索範囲は、水平及び垂直方向においてそれぞれ±９０°よりも狭い範囲内である［１］に記載の超音波源の方位標定装置。
［３］前記表面実装型センサと表面実装型センサとの間隔は、測定対象とする超音波の半波長以上であり、かつ前記アレイセンサの探索範囲内においてグレーチングローブの発生が抑制される間隔である［１］又は［２］に記載の超音波源の方位標定装置。
［４］前記アレイセンサは、前記Ｘ軸上と前記Ｙ軸上とに加えて、同一平面上のｙ＝ｘ、及びｙ＝－ｘ上に、Ｘ軸対称かつＹ軸対称となるように、前記表面実装型センサを備える［１］から［３］までのいずれか１つに記載の超音波源の方位標定装置。
［５］測定対象とする超音波の波長で除すことによって求められる無次元化センサ間隔が０．９０以下となるように、前記表面実装型センサが配置される［１］から［４］までのいずれか１つに記載の超音波源の方位標定装置。
［６］［１］から［５］までのいずれか１つに記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線のうちいずれか３つの端線に接しかつ面積が最小となる円（Ａ）を描画し、前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線のうち、前記円（Ａ）に接しない１つの端線と、前記円（Ａ）に接する３つの端線のうち２つの端線と、に接しかつ面積が最小となる円（Ｂ）を描画し、前記円（Ａ）の中心と前記円（Ｂ）の中心との２点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。
［７］［１］から［５］までのいずれか１つに記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線に接する楕円を描画し、前記楕円の２つの焦点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。
　本発明によると、小型であることから持ち運びに便利であり、グレーチングローブの影響を減らして正確に超音波源を特定でき、かつ面状の広い視野内での超音波測定が可能となる。
図１は、ビームフォーミング法に関する説明図である。 図２は、方位標定装置の全体構成を示す正面図、背面図、及び側面図である。 図３は、方位標定装置におけるカメラの視野範囲及びアレイセンサの探索範囲と、測定対象との関係を示す説明図である。 図４は、アレイセンサにおける各センサの配置を示す平面図である。 図５は、グレーチングローブ境界方位と無次元化センサ間隔との関係を示すグラフである。 図６は、重ね合わせ画像の一例を示す説明図である。 図７は、重ね合わせ画像の解析方法の一例を示す説明図である。 図８は、重ね合わせ画像の解析方法の他の一例を示す説明図である。 図９は、実施例１で得られた重ね合わせ画像である。 図１０は、実施例２で得られた重ね合わせ画像の拡大図である。 図１１は、実施例３で得られた重ね合わせ画像の解析図である。 図１２は、実施例３で得られた重ね合わせ画像の解析図である。 図１３は、実施例３で得られた重ね合わせ画像の別の解析図である。
　図２は、方位標定装置の全体構成を示す正面図、背面図、及び側面図である。まず、図２を用いて、本実施形態に係る超音波源の方位標定装置１（単に、「方位標定装置」と記載することもある。）について説明する。
　本実施形態に係る方位標定装置１は、カメラ２と、アレイセンサ３と、演算手段４と、表示手段５とを有する。図２の例では、図２（ａ）に示すように、方位標定装置１を構成する筐体１１の表面側にカメラ２とアレイセンサ３とが設けられ、図２（ｃ）に示すように、筐体１１の内側に演算手段４が設けられ、図２（ｂ）に示すように、筐体１１の背面側に表示手段５が設けられる。演算手段４は、筐体１１の外部に設けられてもよい。
　カメラ２は、測定対象を撮影し、得られた撮影画像を演算手段４に出力する。撮影画像は、ビームフォーミング法で得られた超音波の２次元音圧マップと重ね合わせる目的で用いられる。カメラ２の倍率、視野の広さ等は、所望の重ね合わせ画像の大きさ等に応じて、適宜調節できる。カメラ２としては、市販されているＣＣＤカメラ等を使用できる。
　アレイセンサ３は、複数の超音波測定用の表面実装型センサ（以後、「センサ」と記載する。）１３によって形成される。アレイセンサ３は、アレイセンサ３が向けられた方向で発生した超音波を測定して音圧情報を取得する。センサ１３は、はんだ付け等を用いてプリント基板上へ表面実装され、通常の超音波マイクロフォンと比較して大きさが半分程度と小さく、高密度に実装できる。
　図３は、方位標定装置におけるカメラの視野範囲及びアレイセンサの探索範囲と、測定対象との関係を示す説明図である。次に、図３を用いて、アレイセンサ３の探索範囲について説明する。アレイセンサ３は、図の実線矢印で示すように、水平（左右）方向において＋９０°から－９０°の範囲内における超音波の音圧を測定できる。図３は、方位標定装置１を上から見た平面図であるが、方位標定装置１を右側（又は左側）から見た側面図においても同様に、垂直（上下）方向における＋９０°から－９０°の範囲内の超音波を測定できる。アレイセンサ３における個々のセンサ１３の配置、間隔等については後述するが、複数のセンサについてビームフォーミング法の原理を用いることで、超音波の到来方向、音圧を測定できる。アレイセンサ３の探索範囲及び後述するカメラ２の視野範囲に関する角度は、方位標定装置の表面と垂直な直線を基準に計算される。例えば、図３のような平面図においては、方位標定装置１と測定対象２１との間の垂線を０°とし、左右に広がる視野範囲（又は探索範囲）の角度が水平方向の角度として計算される。また、側面図において、同様の方法により垂直方向の角度が計算される。左右（又は上下）のいずれの角度が＋であってもよいし、－であってもよい。
　演算手段４は、アレイセンサ３で得られた音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、カメラ２で得られた撮影画像と当該音圧マップとを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する。前述したように、アレイセンサ３による超音波の測定は±９０°の範囲内で可能であるが、音圧マップを作成するためには、カメラ２の視野範囲内の超音波源を探索すれば足りる。例えば、図３の点線矢印によってカメラ２の視野範囲を示しているが、この範囲内の超音波源を探索すれば音圧マップを作成できる。これにより、不要な方位への標定演算を省略でき、演算手段４における演算の負荷を下げるともに音圧マップの更新頻度を上げることができる。アレイセンサ３の探索範囲としては、水平及び垂直方向において±９０°よりも狭い範囲であればよく、グレーチングローブを抑える観点から、水平及び垂直方向において±６０°よりも狭い範囲とすることが好ましく、±３０°よりも狭い範囲とすることがより好ましい。また、水平方向の探索範囲と垂直方向の探索範囲とは、それぞれ異なる大きさの範囲であってもよい。
　演算手段４は、作成した重ね合わせ画像を表示手段５へ出力し、表示手段５に重ね合わせ画像を表示させる。重ね合わせ画像では、撮影画像中の位置毎に超音波の強度に応じた色分けが行われ、撮影画像中の位置と超音波の音圧分布との対応関係が一目で判別可能となっている。表示手段５としては、液晶ディスプレイ等を使用できる。
　図４は、アレイセンサ３における各センサ１３の配置を示す平面図である。次に、図４を用いて、アレイセンサ３における各センサの配置について説明する。
　図４（ａ）に示すように、アレイセンサ３の各センサ１３の少なくとも一部は、Ｘ軸上とＹ軸上とに十字状に配置されることが好ましい。これにより、二次元的な面状の超音波の測定が可能となり、かつグレーチングローブの発生を抑制するとともに、演算により音圧マップを作成する際の超音波の到来方向による依存性を低減できる。Ｘ軸とＹ軸とは、同一平面上にあり直角をなす２つの軸であればよい。特に、Ｘ軸を水平面と平行にし、Ｙ軸を水平面と直角にすることが好ましい。センサ１３は、Ｘ軸上及びＹ軸上以外に設けられていてもよい。
　アレイセンサ３を形成するセンサ１３の数は、９個以上２５個以下とすることが好ましい。センサ１３の数を９個以上とすることで平面内において実用上十分な安定性での超音波の方位標定が可能となる。センサ１３の数を２５個以下とすることで、センサ１３ごとに必要なアンプやフィルター回路による装置の大型化を防ぐことができるとともに、演算手段４の計算負荷を軽減でき、処理速度の遅延等を抑制できる。これにより、大規模な演算手段４を用いずとも小型軽量装置において実用上十分な速度での重ね合わせ画像の更新が可能となる。測定精度にむらが生じないようにするためには、センサ１３を上下対称かつ左右対称に配置することが好ましい。
　演算手段４は、一定時間毎に撮影画像と音圧マップとの重ね合わせを行い、重ね合わせ画像を更新する。更新頻度としては、例えば、毎秒３回以上が好ましく、より好ましくは毎秒５回以上である。小型の演算手段４により実現可能な処理速度を鑑みると、毎秒５回の更新の場合にはセンサ１３の数を１３個にすることが好ましく、毎秒３回の更新でよい場合にはセンサ１３の数を２５個まで増やしてもよい。
　アレイセンサ３によって測定する超音波の帯域は、可聴域より高い周波数であればよく、例えば、２０ｋＨｚ程度以上であればよいが、４０ｋＨｚを中心とし、３５ｋＨｚ以上４５ｋＨｚ以下であることが好ましい。測定する超音波の帯域を３５ｋＨｚ以上とすることにより、環境中の可聴音による暗騒音に対するＳ／Ｎ比を確保できる。測定する超音波の帯域を４５ｋＨｚ以下とすることにより、測定対象となる波長が短くなりすぎてグレーチングローブが出現しない視野範囲が狭くなることを抑制できる。
　アレイセンサ３において、センサ１３とセンサ１３との間隔を広げすぎると、グレーチングローブが発生しやすくなり、正しく音源の方位を特定することが難しくなる。グレーチングローブを抑制する観点からは、センサ１３間の間隔はなるべく小さくすることが望ましい。センサ１３の間隔を小さくするために、各センサ１３は、小型のものを用いることが好ましい。センサ１３の大きさは、例えば、平面視における一辺の長さ（又は直径や長径）が４ｍｍ～６ｍｍ程度である。
　一方、センサ１３とセンサ１３との間隔を狭めすぎると、アレイセンサ３全体の水平方向及び垂直方向における幅が小さくなることから方位分解能が悪化し、視野内に複数の音源が近接して存在する場合にこれらの音源を区別して認識することが難しくなる。
　そこで、方位標定装置のシミュレーションを実施して、超音波源の探索範囲内におけるグレーチングローブの発生を抑えるように、センサ１３とセンサ１３との間隔（センサ間隔）の大きさを検討した。この際に、人間の視野範囲が左右（水平）及び上下（垂直）に±６０°であることから、視野内には入るが探索範囲には入らない方位に音源がある状況を想定して、音源を水平方向の－６０°方位に設定し、音源から発する超音波の周波数は１０ｋＨｚ、２５ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、及び４０ｋＨｚとした。また、アレイセンサ３による探索範囲は±３０°とした。音圧マップ上に現れるグレーチングローブとして、発生したグレーチングローブの最大ピーク強度の－３ｄＢとなる方位をグレーチングローブ境界方位とし、このグレーチングローブ境界方位が探索最大方位より小さい（探索範囲内に最大ピーク強度の－３ｄＢとなる方位が検出される）とグレーチングローブが出現すると定義した。上述した「－３ｄＢ」は一例であり、最大ピーク強度から所定値だけ音圧の低い方位をグレーチングローブ境界方位としてよい。
　センサ間隔を評価するに当たっては、センサ間隔（ｍｍ）を測定対象とする超音波の波長（ｍｍ）で除すことによって求められる無次元化センサ間隔を用いた。具体的に、無次元化センサ間隔は下記式（３）により求めた。
　（無次元化センサ間隔）＝（センサ間隔）／（超音波の波長）・・・（３）
　超音波の波長としては、測定する超音波の帯域のうち、最も感度の良い主要値（代表値）を採用してよい。
　無次元化センサ間隔についても、その値を大きくするとグレーチングローブが発生しやすくなり、その値を小さくすると方位分解能が低下する。
　図５は、グレーチングローブ境界方位と無次元化センサ間隔との関係を示すグラフである。図５の縦軸は、グレーチングローブ境界方位［°］であり、横軸は、無次元センサ間隔である。グレーチングローブ境界方位は、音源の位置する方位（水平方向の－６０°方位）を０°とした際の、水平方向における相対的な角度で示した。図５より、実用上最低限必要な探索範囲に相当する範囲（±８°）においてグレーチングローブが出ないようにするには、無次元化センサ間隔を０．９０以下とすればよい。より広い探索範囲内（±１０°）においてグレーチングローブが出ないようにするには、無次元化センサ間隔を０．８５以下とすることが好ましく、さらに広い探索範囲内（±１５°）でのグレーチングローブの発生を抑えるためには、無次元化センサ間隔を０．７５以下とすることがより好ましい。
　上記のように無次元化センサ間隔を調節することによって、カメラ視野内において実用上問題の無い程度にグレーチングローブの発生を抑えつつ、近接音源の分解能を高めることができる。このように無次元化センサ間隔を調整することで、センサ間隔が式（２）を満足しない場合であってもグレーチングローブの発生を実用上十分な範囲で抑制することでき、式（２）を満足するセンサの配置よりも高い方位分解能が得られる。このため、センサ間隔は、測定対象とする超音波の半波長以上であり、かつアレイセンサの探索範囲内において実用上問題の無い程度にグレーチングローブの発生が抑制されるセンサ間隔とすることが好ましい。
　例えば、４０ｋＨｚの超音波を測定対象とする場合のセンサ間隔は、約４～１２ｍｍ程度である。センサ間隔は、隣り合うセンサの中心部同士の間におけるＸ軸又はＹ軸に沿った距離である。
　また、測定対象２１に複数の音源がある場合の測定精度を高める観点からは、センサ間の間隔は全て同じ大きさに統一することが好ましい。
　上述したように、アレイセンサ３における各センサ１３の配置の一例を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示した例では、Ｘ軸上に５個、Ｙ軸上に５個、合計９個のセンサ１３が十文字状に配置されている。このように２つの軸に沿ってセンサ１３を配置することによって、アレイセンサ３が向けられた方向からの超音波を面状に捉えることができるとともに、グレーチングローブの発生を抑えることができる。
　また、複数の音源があっても音圧の２次元分布をより正確に求める観点からは、センサの数を増やし、ＸＹ平面においてｙ＝ｘ又はｙ＝－ｘ上に、Ｘ軸対称かつＹ軸対称となるように、更にセンサ１３を配置してもよい。具体例を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示した例では、Ｘ軸上及びＹ軸上のセンサ１３に加えて、ｙ＝ｘ及びｙ＝－ｘ上にそれぞれ２個ずつ、合計４個のセンサ１３が配置されている。このようにＸ軸、Ｙ軸上以外にセンサ１３を設ける場合にも、センサ１３の個数の好適値、センサ１３の間隔の好適値、及びセンサ１３の間隔を統一しておいた方が好ましい点等は上述の通りである。
　センサ１３の数を２５個とする場合には、Ｘ軸及びＹ軸に沿った一辺に５個のセンサ１３を正方形状に配置すればよい。
　本実施形態では、センサ１３とセンサ１３との間隔を調節することにより、短波長の超音波を測定する場合であってもカメラ視野内でのグレーチングローブの発生を抑えることができる。
　次に、本実施形態に係る方位標定装置の使用方法について説明する。
　まず、測定対象となっている配管設備や電気設備等に対して、方位標定装置１のカメラ２とアレイセンサ３とを向ける。カメラ２によって検査対象を撮影するとともにアレイセンサ３によって超音波の測定を行う。撮影画像と超音波の音圧マップとを重ね合わせた重ね合わせ画像は、方位標定装置の表示手段５に表示される。この際、方位標定装置１の表面と測定対象との間の直線距離は、測定対象物の大きさや発生している超音波の大きさ等に応じて変更してよく、例えば、製鉄所内で使用する場合には、最大１６ｍ程度であればよい。距離が１６ｍよりも大きくなると、超音波が減衰してしまい十分な大きさの音圧を測定できないことがある。
　本実施形態では、小型のセンサ１３を用いるとともに、小型のセンサ１３の個数を必要最小限度の個数に抑えているので、方位標定装置１を小型化できる。よって、使用者は方位標定装置１を容易に持ち運びでき、測定対象の方向に向かって方位標定装置１のカメラ２、アレイセンサ３を向けるだけで、簡単に測定できる。さらに、センサ１３の個数を抑えることで、演算手段４に過大な演算負荷を課すことを防ぎ、重ね合わせ画像の更新速度を十分に確保できる。
　また、撮影時のカメラ２における視野範囲は、広ければ広いほど一度の測定で広範囲の異常検知を行うことができる。しかしながら、視野範囲を広くしすぎるとカメラ２の解像度等の関係から音源位置を精緻に特定できなくなることや、視野内でのグレーチングローブが起こり易くなることから、視野範囲は上下及び左右に±３０°より狭い範囲内とすることが好ましい。この際、音圧マップの計算負荷を下げ、重ね合わせ画像の更新頻度を向上させるために、演算手段４において音圧マップを演算する範囲（超音波の探索範囲）も、上下及び左右に±３０°より狭い範囲内とすることが好ましい。
　測定を終えると、表示手段５に表示された重ね合わせ画像を解析する。重ね合わせ画像では、超音波の音圧の高低に応じて色分け等がされており、位置毎の音圧の大小が一目で判別できるようになっている。重ね合わせ画像上で最も音圧の高いピーク箇所の近傍に超音波源、すなわち配管の亀裂や電気設備の不良等が生じていると判断される。音圧の高い領域が、ピーク箇所を中心としてその周囲に略同心円状に広がっている場合には、円の中心部近傍に超音波源があると推定できる。
　一方で、音圧の高い領域が略同心円状にならなかったり、或いは視野内の広い領域を音圧の高い領域が占めたりしている場合には、当該領域内に複数の音源が存在することが推察され、当該領域内のいずれに音源があるのかを特定することは難しい。特に、本実施形態の方位標定装置１では、グレーチングローブの影響を抑えるようにセンサ間の間隔を狭めているので、測定条件等によっては十分な方位分解能を得られないことがある。この場合、視野内に複数の音源が存在していると、それぞれの音源により形成される高音圧領域が合わさり、高音圧領域の占める面積が広くなってしまい、それぞれの音源を区別して識別することが難しくなる。
　図６は、重ね合わせ画像の一例を示す模式図である。図６に示した例では、黒色の濃淡によって音圧の強さを示しており、黒色の濃い領域３０ほど音圧が強く、黒色が徐々に薄くなる領域３２、領域３４側へいくに従い、徐々に音圧が弱くなる。実際に表示手段５に表示される重ね合わせ画像としては、カラー画像を用いることができ、音圧の強弱に応じて連続的に異なる色分けがなされるようにしてもよい。
　図６に示した例では、重ね合わせ画像内の比較的広い範囲に亘って音圧の高い領域３０が形成されており、音圧の高い領域３０は楕円状であって、略同心円状には形成されていない。このような例では、領域内に複数の音源が存在していることが推察されるが、領域内のいずれに音源があるのかを特定することは困難である。
　本実施形態の重ね合わせ画像の解析方法では、まず、音圧の閾値を設定し、重ね合わせ画像内でこの閾値を越える音圧が観測された領域（高音圧領域）を特定する。
　図７は、重ね合わせ画像の解析方法の一例を示す説明図である。図７で濃黒色部として黒色点線で囲んだ領域が高音圧領域４０であり、薄黒色部として黒色点線で囲んだ領域が低音圧領域４２である。
　図７に示すように、高音圧領域４０が略円形状とならない場合には、高音圧領域４０の中に超音波源が複数箇所存在することが推察される。本実施形態における重ね合わせ画像の解析方法では、この高音圧領域４０の中に超音波源が２箇所あると仮定する。
　まず、図７に示すように、高音圧領域４０の上下端部位置及び左右端部位置を特定し、上端線、下端線、左端線、及び右端線を描画する。次に、これらの端線のうちいずれか３つに接しかつ面積が最小となる円（Ａ）を描画する。図７に示した例では、上端線、左端線及び下端線に接する左側の円を円（Ａ）とする。また、円（Ａ）に接しない１つの端線（図７の例では右端線）と、円（Ａ）に接する３つの端線のうち２つの端線（図７の例では上端線と下端線）とに接しかつ面積が最小となる円（Ｂ）を描画する。これら円（Ａ）の中心と、円（Ｂ）の中心との２点を超音波源として推定できる。
　図８は、重ね合わせ画像の解析方法の他の一例を示す説明図である。図８に示した例では、左端線、右端線、上端線、及び下端線に接する楕円を重ね合わせ画像中に描画し、この楕円の２つの焦点を超音波源として推定できる。
　上述の方法によって、測定視野内において、近接する複数の箇所に音源が存在する場合であっても、音源の方位を精度よく推定することができる。
　（実施例１）
　本発明に係る方位標定装置を用いて、超音波源の方位標定を行った。アレイセンサを構成するセンサとしてはＭＡ４０Ｈ１Ｓ－Ｒ（株式会社村田製作所）を用い、センサの配列は図４（ａ）の通りとし、センサ間隔は全て５．６ｍｍで統一した。検査対象は、製鉄所内におけるガス配管設備とした。測定対象からの距離を１５．７ｍとし、測定対象とする超音波の周波数は４０ｋＨｚとした。無次元化センサ間隔は、５．６（ｍｍ）／８．５（ｍｍ）により約０．６６と求められた。また、カメラの視野範囲及びアレイセンサによる探索範囲は、水平方向に±２５°、垂直方向に±１５°内とした。
　図９は、実施例１で得られた重ね合わせ画像である。図９において、図中の濃黒色部であって黒色点線で囲んだ箇所が特に音圧が高い領域５０であり、濃黒色部の一部であって白色点線で囲んだ箇所が、最も音圧の高いピーク部であった。実際に、ピーク部の近傍において配管の腐食孔の発生が確認され、超音波源の方位標定に成功した。音源までの距離を最短で１ｍ程度までさらに縮めていっても、問題なく超音波源の方位を標定することができた。
　（実施例２）
　図４（ａ）に示したセンサ配置（配置Ａとする。）の方位標定装置と、図４（ｂ）に示したセンサ配置（配置Ｂとする。）の方位標定装置とをそれぞれ用いて、重ね合わせ画像を作成した。センサの種類、センサ間隔等の条件は、実施例１と同様である。
　図１０は、実施例２で得られた重ね合わせ画像の拡大図である。図１０（ａ）は、配置Ａの方位標定装置で得られた重ね合わせ画像の拡大図であり、図１０（ｂ）は、配置Ｂの方位標定装置で得られた重ね合わせ画像の拡大図である。図１０（ａ）に示した配置Ａの場合には、図面右上で観察される超音波源５２の他に、図面右下及び左上にも音圧の高い虚像領域５４がみられた。一方、図１０（ｂ）に示した配置Ｂの場合には、これらの虚像領域５４は観察されず、よりグレーチングローブの発生を抑えることができた。
　（実施例３）
　２点の模擬配管リークを設けた測定対象に、本実施形態に係る方位標定装置を向けて、重ね合わせ画像を取得した。方位標定装置としては、実施例２における配置Ｂのものを用いた。
　図１１は、実施例３で得られた重ね合わせ画像の解析図である。図１１では、得られた重ね合わせ画像における音圧が所定値以上となる高音圧領域６０を色分けして示している。重ね合わせ画像において、模擬配管リークが存在する位置６２には白丸を付し、音圧が最大となる位置６４を白色点線四角で示し、高温圧領域６０を黒色点線で示した。
　図１２は、実施例３で得られた重ね合わせ画像の解析図である。図１２に示した例では、高音圧領域６０に対して、本実施形態に係る重ね合わせ画像の解析方法に従って２つの円を描き、それぞれの中心部を超音波源として推定した。図１２に示すように、一定の精度で超音波源を特定することができた。
　図１３は、実施例３で得られた重ね合わせ画像の別の解析図である。図１３に示した例では、高音圧領域６０に対して、本実施形態に係る重ね合わせ画像の別の解析方法に従って１つの楕円を描き、楕円中の２つの焦点を超音波源と推定した。図１３に示すように、一定の精度で超音波源を特定することができた。
１　　　　　超音波源の方位標定装置
２　　　　　カメラ
３　　　　　アレイセンサ
４　　　　　演算手段
５　　　　　表示手段
１１　　　　　筐体
１３　　　　　センサ
２１　　　　　測定対象
３０　　　　　領域
３２　　　　　領域
３４　　　　　領域
４０　　　　　高音圧領域
４２　　　　　低音圧領域
５０　　　　　領域
５２　　　　　超音波源
５４　　　　　虚像領域
６０　　　　　高音圧領域
６２　　　　　模擬配管リークが存在する位置
６４　　　　　音圧が最大となる位置

Claims (7)

  1. 　測定対象を撮影するカメラと、
    　測定対象の方向から発せられる超音波の音圧を測定するアレイセンサと、
    　前記アレイセンサによって取得される超音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、前記音圧マップと前記カメラによって取得される撮影画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する演算手段と、
    　前記重ね合わせ画像を表示する表示手段と、を有し、
    　前記アレイセンサは、少なくとも一部が同一平面におけるＸ軸上とＹ軸上とに設けられ、合計９個以上２５個以下の表面実装型センサからなる超音波源の方位標定装置。
  2. 　前記アレイセンサの探索範囲は、水平及び垂直方向においてそれぞれ±９０°よりも狭い範囲内である請求項１に記載の超音波源の方位標定装置。
  3. 　前記表面実装型センサと表面実装型センサとの間隔は、測定対象とする超音波の半波長以上であり、かつ前記アレイセンサの探索範囲内においてグレーチングローブの発生が抑制される間隔である請求項１又は請求項２に記載の超音波源の方位標定装置。
  4. 　前記アレイセンサは、前記Ｘ軸上と前記Ｙ軸上とに加えて、同一平面上のｙ＝ｘ、及びｙ＝－ｘ上に、Ｘ軸対称かつＹ軸対称となるように、前記表面実装型センサを備える請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置。
  5. 　測定対象とする超音波の波長で除すことによって求められる無次元化センサ間隔が０．９０以下となるように、前記表面実装型センサが配置される請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置。
  6. 　請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、
    　前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、
    　前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線のうちいずれか３つの端線に接しかつ面積が最小となる円（Ａ）を描画し、
    　前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線のうち、前記円（Ａ）に接しない１つの端線と、前記円（Ａ）に接する３つの端線のうち２つの端線と、に接しかつ面積が最小となる円（Ｂ）を描画し、
    　前記円（Ａ）の中心と前記円（Ｂ）の中心との２点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。
  7. 　請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、
    　前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、
    　前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線に接する楕円を描画し、
    　前記楕円の２つの焦点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。
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