(57)【要約】      （修正有）【課題】音源の探索範囲を動的に変化させながら音波（超音波）の測定が可能な音源方位標定装置および音源方位標定方法を提供する。【解決手段】測定対象の画像を撮影するカメラ２と、測定対象からの音波を受信するアレイセンサ３と、受信した音波のサンプリング信号を取得する処理部４と、サンプリング信号に基づいて作成した音圧マップに画像を同期させて重ね合わせ画像を作成し、所定の音パラメーターを演算する演算部５と、重ね合わせ画像を表示する表示部６と、重ね合わせ画像と音パラメーターを記憶する記憶部７と、記憶部７に記憶された重ね合わせ画像および音パラメーターを記録する記録部８と、を有し、演算部５は、画像および音圧マップの更新に基づいて、重ね合わせ画像および音パラメーターの更新を行い、記録部８は、記憶部７に記憶した音パラメーターに基づいて選択された、１時点の重ね合わせ画像および音パラメーターを記録する。【選択図】図１
2019203742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の画像を撮影するカメラと、
前記測定対象からの音波を受信する複数のマイクロホンで構成したアレイセンサと、
受信した前記音波の信号をサンプリングし、サンプリング信号を取得する処理部と、
前記サンプリング信号に基づいて音圧マップを作成し、該音圧マップに前記画像を同期させて重ね合わせ画像を作成するとともに、所定の音パラメーターを演算する演算部と、
前記重ね合わせ画像を表示する表示部と、
前記重ね合わせ画像と前記音パラメーターを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記重ね合わせ画像および前記音パラメーターを記録する記録部と、
を有する音源方位標定装置であって、
前記演算部は、測定期間内の前記画像および前記音圧マップの更新に基づいて、前記重ね合わせ画像および前記音パラメーターの更新を行い、
前記記録部は、前記記憶部により前記測定期間内に記憶した前記音パラメーターに基づいて選択された、１時点の前記重ね合わせ画像および前記音パラメーターを記録することを特徴とする音源方位標定装置。
【請求項２】
前記記憶部は、１時点の前記重ね合わせ画像の選択に際し、前記音パラメーターとして、
前記測定期間内の前記音圧マップ内の最大値を用いることを特徴とする請求項１に記載の音源方位標定装置。
【請求項３】
前記音圧マップ内の最大値は、更新直前まで音圧マップ内の最大値が最大であった音圧マップと、更新直後の最新の音圧マップとを比較して決定されることを特徴とする請求項２に記載の音源方位標定装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記音圧マップの作成に同期して、さらに前記アレイセンサで受信された前記音波の包絡線検波波形を周波数解析し、予め定められた周波数の範囲内の周波数スペクトルを出力し、前記周波数スペクトルの全強度和に対する、特定の周波数成分の強度あるいは複数の特定の周波数成分の強度の和の比率の算出を行い、
前記記憶部は、さらに前記比率を記録することを特徴とする請求項１に記載の音源方位標定装置。
【請求項５】
前記比率の最大値は、更新直前まで最大であった比率と、音圧マップ更新に同期して算出された最新の比率とを比較して決定されることを特徴とする請求項４に記載の音源方位標定装置。
【請求項６】
前記比率を求める特定の周波数は、交流電源の周波数の整数倍であることを特徴とする請求項４または５に記載の音源方位標定装置。
【請求項７】
カメラにより、測定対象の画像を撮影するとともに、複数のマイクロホンで構成したアレイセンサにより、前記測定対象からの音波を受信するデータ取得処理と、
処理部により、受信した前記音波の信号をサンプリングしてサンプリング信号を取得した後、演算部により、前記サンプリング信号に基づいて音圧マップを作成する作成処理と、
前記演算部により、前記音圧マップに基づいて所定の音パラメーターを演算する演算処理と、
前記演算部により前記音圧マップが作成される都度、前記音圧マップにカメラにより撮影された前記測定対象の画像を同期させて重ね合わせ画像を作成する画像作成処理と、
表示部により、前記重ね合わせ画像を表示する表示処理と、
記憶部により、前記重ね合わせ画像と前記音パラメーターを記憶する記憶処理と、
記録部により、前記記憶部に記憶された前記重ね合わせ画像と前記音パラメーターを記録する記録処理と、を有する音源方位標定方法であって、
前記作成処理では、演算部により測定期間内の前記音圧マップの更新を行い、
前記記録処理では、前記記憶部により前記測定期間内に記憶した前記音パラメーターに基づいて選択された、１時点の前記音パラメーターの記録を行うように制御されることを特徴とする音源方位標定方法。
【請求項８】
前記演算処理は、前記音圧マップの作成に同期して、さらに前記アレイセンサで受信された前記音波の包絡線検波波形を周波数解析し、予め定められた周波数の範囲内の周波数スペクトルを出力し、前記周波数スペクトルの全強度和に対する特定の周波数成分の強度、あるいは複数の特定の周波数成分の強度の和の比率を算出し、
前記記憶処理は、さらに前記比率を記録することを特徴とする請求項７に記載の音源方位標定方法。
【請求項９】
前記記憶処理では、前記測定期間内の前記音圧マップ内の最大値あるいは前記測定期間内の前記比率を前記音パラメーターとして用い、１時点のデータを選択することを特徴とする請求項７または８に記載の音源方位標定方法。
【請求項１０】
前記音圧マップ内の最大値は、更新直前まで音圧マップ内の最大値が最大であった音圧マップと、更新直後の最新の音圧マップとを比較して決定されることを特徴とする請求項７または９に記載の音源方位標定方法。
【請求項１１】
前記比率の最大値は、更新直前に最大であった比率と、音圧マップ更新に同期して算出された最新の比率とを比較して決定されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の音源方位標定方法。
【請求項１２】
前記比率を求める特定の周波数は、交流電源の周波数の整数倍であることを特徴とする請求項８または１１に記載の音源方位標定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音源から放射される音波をセンサで受信して音源の存在を検知し、その音源の方位を標定する音源方位標定装置および音源方位標定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所では、例えば配管に腐食孔が発生したり、電気設備等の機器に劣化や損傷が発生したこと等をいち早く検知し、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に放出する音波や、電気設備で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、一般的に行われている。
【０００３】
音波を測定して音源の方位を検知する技術として、例えば特許文献１に、多数のマイクロホンアレイを用いて音源から放射される音波を受信し、受信した音波にビームフォーミング法による処理を行い、音源の方位を特定することが記載されている。
【０００４】
このような音源方位の特定を行う装置は、多数のマイクロホンからなるアレイセンサ、カメラ、信号処理ユニット、および演算用コンピューターから構成されることが一般的である。アレイセンサおよびカメラは、信号処理ユニットおよび演算用コンピューターを有する装置に、外部接続される。そのため、測定時にはアレイセンサおよびその近傍に配置されたカメラを保持するために、三脚等のスタンドによって設置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１３７３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記構成の装置は、スタンドで設置されることによりカメラの視野が固定されるため、音源の探索範囲も固定される。この状態で音源探査を行うと、固定されたカメラの視野内でのみ音源方位が標定されることになる。すなわち、配管や電気設備等の大きな測定対象に対し、１視野内の音源方位しか標定できない。
【０００７】
音源の探査範囲を動的に変化させたい場合、具体的には、より広範囲をリアルタイムで音源探索する場合には、アレイセンサを移動させながら音源方位の標定を行う必要がある。この場合、まず、或る探索範囲に合うようにアレイセンサを固定して音源の方位標定を実施し、次に、別の探索範囲にアレイセンサを固定し直して音源の方位標定（以下、単に「方位標定」と称する場合もある）を実施する、という手順を繰り返す必要がある。そのため、広範囲を探索する場合には、非常に煩雑で、手間がかかるという問題がある。
【０００８】
また、上記手順を繰り返して広範囲を探索する場合には、探索範囲毎にアレイセンサで受信した音波データおよびカメラで撮影した画像データを保存することになるが、保存するタイミングが最も音圧の高い時点（つまり検出すべき事象が顕著に表れている時点である）とは限らない。したがって、方位標定後であっても、同じ方位を複数回測定して、もっとも音圧が高くなる状況を探る必要が出てくる。これは保存操作と実際の音の発生とのタイミングの問題であり、やはり作業は煩雑で手間がかかる。また、たまたま音圧が弱くなり方位標定が困難な状態で保存した場合は、不要なデータであるか、方位標定の精度が低下することも容易に考えられる。
【０００９】
本発明は、上述の問題点に鑑みて想到されたものであって、音源の探索範囲を動的に変化させながら音波（超音波）の測定が可能な音源方位標定装置および音源方位標定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の手段は、次の通りである。
［１］  測定対象の画像を撮影するカメラと、
前記測定対象からの音波を受信する複数のマイクロホンで構成したアレイセンサと、
受信した前記音波の信号をサンプリングし、サンプリング信号を取得する処理部と、
前記サンプリング信号に基づいて音圧マップを作成し、該音圧マップに前記画像を同期させて重ね合わせ画像を作成するとともに、所定の音パラメーターを演算する演算部と、
前記重ね合わせ画像を表示する表示部と、
前記重ね合わせ画像と前記音パラメーターを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記重ね合わせ画像および前記音パラメーターを記録する記録部と、
を有する音源方位標定装置であって、
前記演算部は、測定期間内の前記画像および前記音圧マップの更新に基づいて、前記重ね合わせ画像および前記音パラメーターの更新を行い、
前記記録部は、前記記憶部により前記測定期間内に記憶した前記音パラメーターに基づいて選択された、１時点の前記重ね合わせ画像および前記音パラメーターを記録することを特徴とする音源方位標定装置。
［２］  前記記憶部は、１時点の前記重ね合わせ画像の選択に際し、前記音パラメーターとして、
前記測定期間内の前記音圧マップ内の最大値を用いることを特徴とする［１］に記載の音源方位標定装置。
［３］  前記音圧マップ内の最大値は、更新直前まで音圧マップ内の最大値が最大であった音圧マップと、更新直後の最新の音圧マップとを比較して決定されることを特徴とする［２］に記載の音源方位標定装置。
［４］  前記演算部は、前記音圧マップの作成に同期して、さらに前記アレイセンサで受信された前記音波の包絡線検波波形を周波数解析し、予め定められた周波数の範囲内の周波数スペクトルを出力し、前記周波数スペクトルの全強度和に対する、特定の周波数成分の強度あるいは複数の特定の周波数成分の強度の和の比率の算出を行い、
前記記憶部は、さらに前記比率を記録することを特徴とする［１］に記載の音源方位標定装置。
［５］  前記比率の最大値は、更新直前まで最大であった比率と、音圧マップ更新に同期して算出された最新の比率とを比較して決定されることを特徴とする［４］に記載の音源方位標定装置。
［６］  前記比率を求める特定の周波数は、交流電源の周波数の整数倍であることを特徴とする［４］または［５］に記載の音源方位標定装置。
［７］  カメラにより、測定対象の画像を撮影するとともに、複数のマイクロホンで構成したアレイセンサにより、前記測定対象からの音波を受信するデータ取得処理と、
処理部により、受信した前記音波の信号をサンプリングしてサンプリング信号を取得した後、演算部により、前記サンプリング信号に基づいて音圧マップを作成する作成処理と、
前記演算部により、前記音圧マップに基づいて所定の音パラメーターを演算する演算処理と、
前記演算部により前記音圧マップが作成される都度、前記音圧マップにカメラにより撮影された前記測定対象の画像を同期させて重ね合わせ画像を作成する画像作成処理と、
表示部により、前記重ね合わせ画像を表示する表示処理と、
記憶部により、前記重ね合わせ画像と前記音パラメーターを記憶する記憶処理と、
記録部により、前記記憶部に記憶された前記重ね合わせ画像と前記音パラメーターを記録する記録処理と、を有する音源方位標定方法であって、
前記作成処理では、演算部により測定期間内の前記音圧マップの更新を行い、
前記記録処理では、前記記憶部により前記測定期間内に記憶した前記音パラメーターに基づいて選択された、１時点の前記音パラメーターの記録を行うように制御されることを特徴とする音源方位標定方法。
［８］  前記演算処理は、前記音圧マップの作成に同期して、さらに前記アレイセンサで受信された前記音波の包絡線検波波形を周波数解析し、予め定められた周波数の範囲内の周波数スペクトルを出力し、前記周波数スペクトルの全強度和に対する特定の周波数成分の強度、あるいは複数の特定の周波数成分の強度の和の比率を算出し、
前記記憶処理は、さらに前記比率を記録することを特徴とする［７］に記載の音源方位標定方法。
［９］  前記記憶処理では、前記測定期間内の前記音圧マップ内の最大値あるいは前記測定期間内の前記比率を前記音パラメーターとして用い、１時点のデータを選択することを特徴とする［７］または［８］に記載の音源方位標定方法。
［１０］  前記音圧マップ内の最大値は、更新直前まで音圧マップ内の最大値が最大であった音圧マップと、更新直後の最新の音圧マップとを比較して決定されることを特徴とする［７］または［９］に記載の音源方位標定方法。
［１１］  前記比率の最大値は、更新直前に最大であった比率と、音圧マップ更新に同期して算出された最新の比率とを比較して決定されることを特徴とする［７］〜［９］のいずれか１つに記載の音源方位標定方法。
［１２］  前記比率を求める特定の周波数は、交流電源の周波数の整数倍であることを特徴とする［８］または［１１］に記載の音源方位標定方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、可搬型であるため、装置を設置することなく、音波（超音波）の探索範囲を動的に変化させながら、広範囲を連続的に測定できる。さらに、音圧が強い状態（強い時点）のデータのみを自動的に記録できるため、現場で煩雑な測定を繰り返す必要がない。また、記録容量を削減でき、効率的な音源探索が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態における音源方位標定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示した音源方位標定装置の全体構成の一例を説明する、正面図、背面図、および側面図である。
【図３】図３は、ビームフォーミング法に関する説明図である。
【図４】図４は、図２に示した音源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５】図５は、本発明の一実施形態における音源方位標定方法を説明するフロー図である。
【図６】図６は、音源方位標定における最大値と時間の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明で得られる重ね合わせ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について図面を参照しながら説明する。なお、この本発明はこの実施形態に限定されない。
【００１４】
まず、図１〜図４を用いて、本発明の音源方位標定装置について説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態における音源方位標定装置１の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示した音源方位標定装置１の全体構成の一例を説明する図であり、図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は背面図、図２（ｃ）は側面図である。
【００１６】
図１に示すように、本発明の音源方位標定装置１は、カメラ２、アレイセンサ３、処理部４、演算部５、表示部６、記憶部７、記録部８、および制御部９を有する。音源方位標定装置１は、例えば図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、音源方位標定装置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（ａ）を参照）、筐体１１の背面側に表示部６が設けられる（図２（ｂ）を参照）。なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）には図示していないが、処理部、演算部、記憶部、記録部、および制御部は、筐体１１の内側に収容された可搬型としてもよい。あるいは、これらを筐体１１の外部に設けてもよい。また、筐体１１の背面側あるいは側面側に、必要に応じて、音源方位標定装置１を駆動させる電源部や、記録の開始と終了を指示する記録ボタンを備えていてもよい。
【００１７】
カメラ２は、測定対象を撮影し、得られた画像（以下、撮影画像と称する。）を演算部５に出力する。測定対象は、例えば製鉄所の場合には、蒸気、圧縮空気、燃料ガス等を配送する各種配管や、電気設備等である。撮影画像は、後述するビームフォーミング法で得られた音波（例えば超音波、以下も同様とする。）の２次元音圧マップ（以下、音圧マップと称する。）に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、鮮明さ等に応じて、適宜調節することができる。カメラ２には、例えば市販されているＣＣＤカメラ等を使用することができる。
【００１８】
アレイセンサ３は、複数の音波測定用の表面実装型センサ１３によって形成される。アレイセンサ３は、複数の表面実装型センサ１３を用いて、向けられた方向にある測定対象から発生された音波を受信する。アレイセンサ３で受信した音波は、制御部９により処理部４へ出力される。アレイセンサ３で受信した音波は、後述する音波の音圧マップを生成する目的で用いられる。
【００１９】
表面実装型センサ１３には、例えば市販されている小型超音波マイクロホン、ＭＡ４０Ｈ１Ｓ−Ｒ等を使用することができる。表面実装型センサ１３は、はんだ付け等を用いたプリント基板上への表面実装が可能である。小型超音波マイクロホンは、通常の超音波マイクロホンと比較して大きさが半分程度と小さく、高密度に実装することが可能である。例えば、表面実装型センサ１３は、平面視における一辺の長さ（又は直径や長径）が、４ｍｍ〜６ｍｍ程度が好ましい。なお、表面実装型センサ１３の配置例やアレイセンサ３の探索範囲などの具体的な説明については、後述するためここでは省略する。
【００２０】
本発明では、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４０ｋＨｚを中心とし、３５ｋＨｚ以上４５ｋＨｚ以下であることが好ましい。３５ｋＨｚ以上とすることにより、環境中の可聴音における暗騒音に対するＳ／Ｎ比を確保することができる。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ることに起因して、グレーチングローブが出現しない視野範囲が狭くなるということを防止することができる。ここでグレーチングローブとは、後述する重ね合わせ画像において、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。
【００２１】
処理部４は、アレイセンサ３の各表面実装型センサ１３で受信した音波をサンプリングする。サンプリングして得られたサンプリング信号は、制御部９により演算部５に出力される。サンプリングとは、例えば小型超音波マイクロホンで受信した音波を電気信号（アナログ信号）に変換し、変換した信号における一定時間ごとの電圧を測定し、不連続な値（デジタル信号）に変換することをさす。
【００２２】
演算部５は、まず、処理部４でサンプリングされたサンプリング信号に基づいて方位標定演算を行う。本発明では、方位標定演算として、音源方位を標定する技術であるビームフォーミング法を用いる。次に、演算部５は、ビームフォーミング法により得られた演算結果を用いて、音波の音圧マップを作成する。次に、演算部５は、作成した音圧マップに、上述したカメラ２で撮影した撮影画像を同期させて、重ね合わせ画像を作成する。作成された重ね合わせ画像は、制御部９により表示部６および記憶部７にそれぞれ出力される。また、演算部５では、音波信号から求まる所定の音パラメーターを演算し、作成する。音パラメーターとは、例えば音圧マップの最大値、受信波形の周波数スペクトルを用いて算出された放電成分比率（以下、放電成分比率と称する）、卓越周期成分強度等を演算し、作成する。
【００２３】
本発明において、放電成分比率とは、受信波形の包絡線検波波形を周波数解析し、予め定められた周波数の範囲内の周波数スペクトルを出力し、周波数スペクトルの全強度和に対する電源周波数の整数倍となる周波数成分の強度の和の比率をさす。
【００２４】
なお、記憶部７に出力されるデータは、重ね合わせ画像に加えて、上記した音パラメーターも出力される。
【００２５】
演算部５は、記録ボタンの押下により記録の開始が指示されてから、記録ボタンを解放することにより記録の終了が指示されるまでの期間（以下、この期間を「測定期間」と称する。）、得られた音圧マップと撮影画像を同期させる処理を繰り返し、その都度重ね合わせ画像および音パラメーターの更新を行う。更新頻度（同期頻度）として、一定時間毎に行ってもよく、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。これにより、測定期間内の連続したデータ取得が可能となるため、音源の探索範囲を動的に変化させながら音波を測定することができる。
【００２６】
なお、放電成分比率を用いる場合には、次のように算出できる。
【００２７】
演算部５は、アレイセンサ３を構成する表面実装型センサ１３の任意の一つ、例えば中心に配置された表面実装型センサで測定された音圧波形を包絡線処理する。そして、得られた包絡線検波波形を周波数解析し、予め定められた周波数の範囲内の周波数スペクトルを算出する。算出された周波数スペクトルの全強度和に対する、特定周波数の周波数成分の強度の和の比率を算出し、この値を放電成分比率の値とする。ここで、特定周波数とは、例えば交流電源の周波数とする。周波数成分とは、特定あるいは複数の周波数成分をさし、例えば電源周波数の２倍成分、あるいは１倍やそれ以外の整数倍の成分をさす。
【００２８】
なお、本発明では、放電成分比率の算出は、音圧マップの作成に同期させて行ってもよい。
【００２９】
音圧マップと撮影画像を同期させる方法は、例えば、音圧マップが生成された時点でカメラ画像を取り込み、これらを重ね合わせて出力することで行う。なお、ビームフォーミング法の具体的な説明については後述するため、ここでは省略する。
【００３０】
表示部６は、得られた重ね合わせ画像を表示する。重ね合わせ画像は、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。表示部６には、例えば液晶ディスプレイ等を使用することができる。
【００３１】
記憶部７は、少なくとも演算部５で作成された重ね合わせ画像および音パラメーターを記憶する。これとともに、測定期間内に記憶されたデータから、後述する記録部８で保存するためのデータの選択を行う。データの選択では、測定期間内に格納された或る１時点の重ね合わせ画像および音パラメーターが選択される。選択されたデータは、制御部９により記録部８に出力される。
【００３２】
記憶部７は、例えば、測定期間内に記憶された音パラメーターに基づいて、１時点の重ね合わせ画像等の選択を行う。音パラメーターとして、例えば測定期間の音圧マップ内の音圧最大値を用いることができる。この場合には、更新直前の音圧マップ内の音圧最大値の記憶値と更新後の最新の音圧の最大値とを比較し、より大きい値を示す結果を音圧マップおよび新たな音圧マップ内の音圧最大値として記憶してもよい。
【００３３】
また例えば、音パラメーターとして、放電成分比率を用いることができる。この場合には、更新直前の放電成分比率の記憶値と更新後の最新の放電成分比率の値とを比較し、より大きい値を示す放電成分比率を測定した時に同期して作成された音圧マップおよび放電成分比率の値を、最大値として記憶してもよい。
【００３４】
記録部８は、記憶部７で選択された１時点の重ね合わせ画像の記録（保存）を行う。記録部８には、例えばメモリーカードやハードディスク等を使用することができる。記録部８への保存は、記録ボタンを解放することにより記録の終了が指示されるタイミングで行う。
【００３５】
制御部９は、上述したように、音源方位標定装置１におけるカメラ２、アレイセンサ３、処理部４、演算部５、表示部６、記憶部７、および記録部８における全ての処理の制御を行う。
【００３６】
以上の構成を有する本発明の音源方位標定装置１は、演算部５で方位標定する都度、最新の方位標定演算による音パラメーター（例えば、音圧マップ内の最大値や放電成分比率）の演算値が、記憶部７内の音パラメーターの記憶値より大きな値である否かを比較し、大きな値である場合には、最新の結果（例えば、音圧マップ内の最大値や放電成分比率等のデータ）に更新する処理を実施している。
【００３７】
これにより、測定期間内における音圧や放電成分比率の最大値を示す１時点のデータのみを保存することができる。
【００３８】
次に、ビームフォーミング法について説明する。
【００３９】
図３は、ビームフォーミング法に関する説明図である。ここでは、マイクロホン素子が受信した信号（アナログ信号）をデジタル処理することにより、特定の方向からの受信感度のみを高める方法について説明する。図３に示すように、例えば、２つの表面実装型センサ１３の間隔をｄ（ｍｍ）とし、表面実装型センサ１３の正面方向に対する波の到来方向（図３に太い矢印で示す）の角度をθとすると、２つの表面実装型センサ１３に波が到達する時間差ｔ（秒）は次の（１）式により求められる。このｔを利用することで、波の到来方向θを特定できる。
ｔ＝ｄｓｉｎθ／（音速）  ・・・（１）式
ビームフォーミング法では、表面実装型センサ１３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ため、θ０が波源方位であるとみなすことができる。このような処理を、測定対象の全方位について行い、その重ね合わせ信号強度分布から波源方位を求める。なお、ここでは表面実装型センサ１３が２つの場合を説明したが、３つ以上の場合についても同様である。
【００４０】
次に、アレイセンサ３の探索範囲および表面実装型センサ１３の配置例について説明する。
【００４１】
図４は、図２（ａ）に示した音源方位標定装置１におけるカメラ２の視野範囲およびアレイセンサ３の探索範囲と、測定対象２１との関係を説明する平面図である。アレイセンサ３の探索範囲及びカメラの視野範囲に関する角度は、音源方位標定装置１の表面と垂直な直線を基準に計算される。例えば図４に示す平面図では、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（左右）方向の角度として計算される。なお、左右のいずれか一方の角度を＋とし、他方を−とする。図４に示す例では、左側の角度を−、右側の角度を＋とした。
【００４２】
アレイセンサ３の探索範囲は、音源方位標定装置１を平面視した場合、図４に実線矢印で示したように、アレイセンサ３を中心に水平（左右）方向において＋９０°から−９０°の範囲内であり、この範囲内の音波を測定することができる。図示は省略するが、音源方位標定装置１を右側（又は左側）から側面視した場合も同様に、アレイセンサ３の探索範囲は、アレイセンサ３を中心に垂直（上下）方向において＋９０°から−９０°の範囲内であり、この範囲内の音波を測定することができる。
【００４３】
音圧マップを作成するためには、少なくとも後述するカメラ２の視野範囲（図４中、点線矢印の範囲）内の音波源を探索可能であれば足りる。そのため、アレイセンサ３の探索範囲は、水平方向および垂直方向において±９０°よりも狭い範囲であればよい。グレーチングローブを抑えるという観点からは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より好ましく、±３０°よりも狭い範囲とすることがさらに好ましい。これにより、不要な方位への標定演算を省略することができるため、演算部５における演算の負荷を下げるとともに音圧マップの更新頻度を上げることができる。なお、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。
【００４４】
ここで、撮影時のカメラ２の視野範囲は、広ければ広いほど一度の測定で広範囲を検知することができる。しかし、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することが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。よって、カメラ２の視野範囲は上下及び左右方向に±３０°より狭い範囲内とすることが好ましい。
【００４５】
また、表面実装型センサ１３は、装置の小型化を実現するため、図２（ａ）に示したように、筐体１１の限られた領域に探索精度を落とすことなく配置されることが望ましい。表面実装型センサ１３の配置は、例えば、２次元的な面状の音波の測定を可能とするために十字状に並べて配置してもよいし、さらにこの十字状に並べた周辺に適宜設けてもよい（図２（ａ）を参照）。表面実装型センサ１３の設置個数は、９個〜２５個とすることが好ましい。隣り合う表面実装型センサ１３の間隔は、グレーチングローブ抑制の観点より、４ｍｍ〜１２ｍｍとすることが好ましい。
【００４６】
次に、図５〜図６を用いて、本発明の音源方位標定方法について説明する。図５は、本発明の一実施形態における音源方位標定方法である。図６は、図５に示した音源方位標定方法の記録処理を説明する図である。
【００４７】
図５を用いて、本発明の一実施形態における音源方位標定方法について説明する。なお、ここでは「音パラメーター」として「音圧マップ」を用いる場合について説明する。図５に示した音源方位標定方法は、例えば上述した図１に示した構成を有する音源方位標定装置１に好適に用いることができ、音源方位標定装置１により図５に示す音源方向標定処理が実行される。音源方向標定処理は、音源方位標定装置１に対して、記録ボタンの押下により記録開始を示す信号の入力があったタイミングで開始され、後述のステップＳ１に進む。
【００４８】
まず、データ取得処理では、カメラ２により、測定対象の画像を撮影するとともに、複数のマイクロホンで構成したアレイセンサ３により、測定対象からの音波を受信する（ステップＳ１）。具体的には、測定対象に対して、音源方位標定装置１のカメラ２とアレイセンサ３を向ける。この際、音源方位標定装置１の表面と測定対象２１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できる。一例として製鉄所内で使用し、測定対象を蒸気、圧縮空気および燃料ガス等の配管設備や電気設備等とする場合には最大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。
【００４９】
上述のように、アレイセンサ３で受信した音波は、制御部９により処理部４へ出力されるとともに、カメラ２で撮影した画像（撮影画像）は、制御部９により演算部５へ出力される。その後、ステップＳ２に進む。
【００５０】
次に、作成処理では、まず、処理部４により、受信した音波をサンプリングし、サンプリング信号を取得する。取得したサンプリング信号は、制御部９により演算部５へ出力される。そして、演算部５により、サンプリング信号に基づいて方位標定演算を行い、音圧マップを作成する。作成した音圧マップは、制御部９により記憶部７に出力される（ステップＳ２）。その後、ステップＳ３に進む。なお、作成処理では、演算部５により測定期間内の音圧マップの更新を行う。
【００５１】
次に、演算処理では、演算部５により、音圧マップに基づいて上記した所定の音パラメーターを演算する（ステップＳ３）。例えば音パラメーターとして、測定期間内に記憶された音圧マップのデータから、音圧マップ内の音圧最大値の算出を行う。演算された音パラメーターは、制御部９により記憶部７に出力される。その後、ステップＳ４に進む。
【００５２】
次に、演算部５では、音圧マップが作成される都度、ステップＳ２で作成した音圧マップにステップＳ１で取得した撮影画像を同期させて、重ね合わせ画像を作成する（ステップＳ４）。重ね合わせ画像の作成は、測定期間中繰り返される。演算部５で作成された重ね合わせ画像は、制御部９により表示部６および記憶部７にそれぞれ出力される。その後、ステップＳ５に進む。
【００５３】
次に、表示処理では、制御部９により、音源方位標定装置１の表示部６上に重ね合わせ画像を表示する（ステップＳ５）。その後、ステップＳ６に進む。
【００５４】
次に、記憶処理では、重ね合わせ画像および音パラメーターを記憶する（ステップＳ６）。なお、これらの記憶データの他に、音圧マップを加えてもよい。その後、測定期間内に記憶されたデータから、記録部８で保存するためのデータの選択を行う（ステップＳ７）。データの選択では、記憶部により測定期間内に記憶された或る１時点の重ね合わせ画像が選択される。選択する際、例えば、測定期間内に記憶した音圧マップ内の音圧最大値を音パラメーターとして用いることができる。上述のように、最大値としてこの音圧マップ内の音圧最大値を用い、更新直前に最大を示していた音圧マップと、更新直後の最新の音圧マップとを比較して決定してもよい。比較した結果、更新直後の最新の音圧マップの最大値が大きい場合には（ステップＳ７のＹＥＳ）、記憶データの更新を行う（ステップＳ８）。一方、更新直後の最新の音圧マップが小さい場合には（ステップ７のＮＯ）、更新をせずに、後述するステップＳ９に進む。
【００５５】
次に、制御部９により、音源方位標定装置１に対して、記録ボタンを解放することにより記録終了を示す信号の入力はあったか否かの判断が行われる（ステップＳ９）。記録終了を示す信号の入力があった場合には（ステップＳ９のＹｅｓ）、測定対象の音源方位標定処理が終わったことを示す。そのため、後述するステップＳ１０に進み記録部８でデータ保存がされる。一方、記録終了を示す信号の入力がなかった場合には（ステップＳ９のＮｏ）、測定対象の音源方位標定処理が継続されていることを示す。そのため、ステップＳ１の処理に戻り、上述した音源方位標定処理が繰り返されることになる。
【００５６】
次に、記録処理では、記憶部７で選択された１時点の重ね合わせ画像を記憶部８に記録（保存）する（ステップＳ１０）。これにより、音源方位標定処理は終了する。
【００５７】
なお、音源方向標定処理は、音源方位標定装置１に対して記録ボタンの押下により記録開始を示す信号の入力があったタイミングで開始するとしたが、音源方位標定は任意の周期で繰り返し更新され、記録ボタンの押下により記録開始を示す信号の入力があったタイミングでステップＳ６以降のステップを実施するようにしてもよい。また、ステップＳ９で記録終了を示す信号が入力され、ステップＳ１０でデータ保存された後も、音源方位標定処理（ステップＳ１〜ステップＳ５）は継続して繰り返し実施してもよい。
【００５８】
ここで、図６を用いて、保存されるデータおよび保存のタイミングについて説明する。図６（ａ）は本発明における保存されるデータおよび保存のタイミングを示すグラフであり、図６（ｂ）は上述した従来の装置のように、探索範囲毎にアレイセンサの固定および音源の方位標定の実施を複数回（この例では３回）繰り返す装置における、保存されるデータおよび保存のタイミングを示すグラフである。図６中、横軸は測定期間（単位：時間）を示し、縦軸は音圧マップ上の音圧最大値（ピーク値）を示す。
【００５９】
図６（ａ）に示すように、本発明では、記録開始の指示の入力があった時点（Ｔ１時点）から記録終了の指示の入力があった時点（Ｔ２時点）の測定期間において、最も高い音圧値を示した時点（Ｔｍａｘ時点）の重ね合わせ画像のデータが保存される。保存されるデータは、重ね合わせ画像に加えて、演算部５にある音圧マップおよび撮影画像を連動させて保存してもよい。
【００６０】
一方、図６（ｂ）に示すように、従来の装置では、探索範囲毎に保存の指示の入力があった時点（ｔ１、ｔ２、ｔ３の各時点）で保存される。しかし、受信する音波の強度が一定ではなく、変動する特性を有するものを測定対象とする場合には、図６（ｂ）に示すように、音圧が一定値（閾値）以下を示す時点（この場合は、ｔ２時点）は正しく標定できない。また、表示画面で音圧の変化を見ていても、記録タイミングで必ずしも高い音圧の場合、つまり音源方位探索がより明瞭にできている場合を記録できるとも限らない。そのため、標定精度を一定レベル以上に保つためには、何度かデータを保存する必要がある。
【００６１】
したがって、本発明では、音源の探査範囲を動的に変化させて、より広範囲をリアルタイムで音源探索することが可能であるため、何度もデータを保存する手間が省くことができる。また、音波の強度がより強いタイミングで音源方位標定実施、およびその結果を記録できることから、音源の方位を精度よく推定することができる。
【００６２】
なお、放電成分比率を用いる場合には、図５に示した音源方位標定方法の各処理に加えて、後述する包絡線検波処理、周波数解析処理および特定周波数成分強度の全周波数スペクトル強度和に対する比率を算出する処理を備える。なお、基本的な処理は、図５と同様のため省略し、説明していない部分だけ記載する。
【００６３】
包絡線検波処理、周波数解析処理および特定周波数成分強度の全周波数スペクトル強度に対する比率を算出する処理は、上記ステップＳ２において演算部５が音圧マップを作成すると同時に行われる。
【００６４】
演算部５により、アレイセンサ３の中央に設けられた表面実装型センサ１３で測定されたサンプリング信号を包絡線処理する。包絡線処理をするサンプリング信号を得るセンサ位置は、アレイセンサの中央でなくてもよい。得られた包絡線検波波形を周波数解析し、予め定められた周波数の範囲内の周波数スペクトルを算出する。予め定められた周波数の範囲内における周波数スペクトルの全強度和に対する電源周波数の整数倍成分の強度の和の比率を算出し、この値を放電成分比率の値とする。周波数解析手法としては、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理が用いられる。なお、本実施形態において、予め定められた周波数の範囲は、例えば、０〜３００Ｈｚである。但し、当該周波数の範囲は、上記範囲に限られない。成分和を求める整数倍としては、２倍のみでもよい。あるいは、１倍と２倍の和でもよい。上記ステップＳ６の記憶処理では、さらに算出された放電成分比率が制御部９により記憶部７に出力される。
【００６５】
この際、記憶部により、測定期間内の放電成分比率を音パラメーターとして用い、１時点のデータを選択する。この放電成分比率の最大値は、更新直前に最大であった放電成分比率と、音圧マップ更新に同期して算出された最新の放電成分比率とを比較して決定するとよい。
【００６６】
なお、保存されるデータおよび保存のタイミングについては、上述の図６で説明した音圧マップ内の最大値を放電成分比率と読み替えればよい。
【００６７】
次に、図７を用いて、本発明で得られる重ね合わせ画像を説明する。図７は、上述した表示部６に表示される重ね合わせ画像の一例を説明する画像である。
【００６８】
重ね合わせ画像では、音波の音圧の高低に応じて色分け等されており、位置毎の音圧の大小が一目で判別することができるようになっている。重ね合わせ画像に示される音圧マップ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することができる。
【００６９】
図７に示す例では、色の濃淡によって音圧の強さを示している。色の濃い箇所ほど音圧が強く、色の薄い箇所ほど音圧が弱くなっている。なお、重ね合わせ画像には、カラー画像を用いることができる。この場合、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。
【００７０】
以上説明したように、本発明によれば、小型の表面実装型センサ１３を用いるとともに、小型の表面実装型センサ１３の個数を必要最小限度の個数に抑えている。そのため、音源方位標定装置１を小型化することができる。よって、使用者は音源方位標定装置１を容易に持ち運びすることができ、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、簡単に測定を開始することができる。また、表面実装型センサ１３の個数を抑えることで、演算装置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することができる。
【００７１】
また、本発明によれば、測定期間内における全てのデータに基づいて音源の方位標定をするため、測定対象における気体漏洩等のリーク音や部分放電音の強度が変動する場合であっても標定不可能なノイズが低減されるため、標定精度が向上する。
【００７２】
さらに、本発明によれば、音圧マップ上の最大値を示す場所が音源の方位であると判断できる。これにより、所定の測定時間内にアレイセンサ３とカメラ２を移動させて方位標定する際に、従来の装置のように、逐次アレイセンサとカメラを固定した後、音源方位を標定して記録し、その後アレイセンサとカメラを移動させてから固定した後、音源方位を標定して記録する、という処理を繰り返さす必要がない。その結果、アレイセンサとカメラを移動させながら音源方位標定を実施することができ、作業の手間が削減され、さらに作業効率が大幅に向上する。
【符号の説明】
【００７３】
１        音源方位標定装置
２        カメラ
３        アレイセンサ
４        処理部
５        演算部
６        表示部
７        記憶部
８        記録部
９        制御部
１１      筐体
１３      音波測定用の表面実装型センサ
２１      測定対象
【図１】
2019203742.tif 000003
【図２】
2019203742.tif 000004
【図３】
2019203742.tif 000005
【図４】
2019203742.tif 000006
【図５】
2019203742.tif 000007
【図６】
2019203742.tif 000008
【図７】
2019203742.tif 000009