(57)【要約】【課題】電力設備等の設備異常の有無を、設備が発生する音をもとに診断する際に必要となる正常設備の基本周波数を求めるための音の基本波長を測定する。【解決手段】本発明の音の波長測定装置は、一端を閉口する筒状のパイプ（１２）と、該パイプ内にパイプ軸方向にスライド移動可能に取り付けられ、その取り付け位置における音圧を測定するマイクロホン（１４ａ）と、該マイクロホンで測定した音圧を検出する検出装置（１６）と、を備えかつ、一端を閉口する筒状のパイプ（１２）と、該パイプ内に取り付けられ、その取り付け位置における音圧を測定する第一のマイクロホン（１４ａ）および第二のマイクロホン（１４ｂ）と、第一のマイクロホンと第二のマイクロホンとの距離を調節可能とする調節機構と、第一のマイクロホンおよび第二のマイクロホンで測定した音圧差を検出する検出装置（１６）と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を閉口する筒状のパイプ（１２）と、
該パイプ内に取り付けられ、その取り付け位置における音圧を測定する第一のマイクロホン（１４ａ）および第二のマイクロホン（１４ｂ）と、
第一のマイクロホンと第二のマイクロホンとの距離を調節可能とする調節機構と、
第一のマイクロホンおよび第二のマイクロホンで測定した音圧差を検出する検出装置（１６）と、を備えた、ことを特徴とする音の波長測定装置。
【請求項２】
前記第二のマイクロホン（１４ｂ）は、パイプ（１２）の閉口端に固定して取り付けられ、
前記調節機構は、前記第一のマイクロホン（１４ａ）をパイプ内でパイプ軸方向にスライド移動させるものである、ことを特徴とする請求項１に記載の音の波長測定装置。
【請求項３】
前記第二のマイクロホン（１４ｂ）は、パイプ（１２）の閉口端に固定して取り付けられ、
前記調節機構は、第一のマイクロホン（１４ａ）と第二のマイクロホンとの間の管長を変化させるものである、ことを特徴とする請求項１に記載の音の波長測定装置。
【請求項４】
前記パイプ（１２）に、アタッチメントパイプ（１２’）を連結接続することで、パイプの全長を延長可能とした、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の音の波長測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音の波長測定装置に関し、例えば電力設備等の設備異常の有無を、設備が発生する音をもとに診断する際に必要となる正常設備の基本周波数を求めるための音の波長測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電車の車輪や電力設備等の設備の異常を診断する方法の一つに、設備から発生する音から異常を発見しようとするものがある。その手法としては、熟練した作業員が電車の車輪などを軽くハンマーで叩きその音から異常を診断する人的な診断方法（官能検査方法）の他に、近年では設備から発生する音の周波数を測定し、フーリエ解析によって周波数解析を行うことで異常の有無を診断する方法が利用されている。
この場合、フーリエ解析による周波数分析は、２πを１周期として変化するデータを解析の対象としており、そのため基準データとして正常設備の基本周波数が必要となる。
【０００３】
設備から発生する音を測定することで装置の異常を発見することを目的とした発明としては、例えば特許文献１の「異音検査方法およびその装置」がある。この発明は、製品の異音の良否を判定する異音検査を、測定データから人が正常音と判断した製品の音データを基準値とし、実際に測定した製品から発生する音の測定データを基準となる音データと対比することによりその一致度から異常を発見しようとするものである。
【特許文献１】特開２００５−２８３２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
設備から発生する音を測定しフーリエ解析により周波数分析を行う場合、設備が発生する音の基本波長を想定し、これを１周期であると仮定して周波数分析をするが、かかる仮定によれば実際の基本波長とのズレから分析結果には当然に誤差が生じることとなる。
そこでこの誤差をできるだけ小さく抑えるためにデータに「窓関数」処理を行う方法があるが、かかる処理によっても解析誤差を完全になくすることはできない。
また特許文献１では官能的に正常音を判断しその音データを基準値としているため、熟練者の存在が必要不可欠となっていた。
【０００５】
本発明は上述の問題を解決するために発案されたものであり、音の波長を測定するための波長測定装置を提供することを目的とするものであり、例えば設備から発生する音を測定しフーリエ解析等により周波数分析を行う場合に、正常な設備が発生する音の基本波長を想定するのではなく実際に波長を測定して求める際に有効な装置である。実際に計測した基本波長をもとに周波数解析を行うことで、分析誤差をほとんどなくしてより高い信頼性での設備の異常発見が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明は、一端を閉口する筒状のパイプ（１２）と、該パイプ内に取り付けられ、その取り付け位置における音圧を測定する第一のマイクロホン（１４ａ）および第二のマイクロホン（１４ｂ）と、第一のマイクロホンと第二のマイクロホンとの距離を調節可能とする調節機構と、第一のマイクロホンおよび第二のマイクロホンで測定した音圧差を検出する検出装置（１６）と、を備えた、ことを特徴とする音の波長測定装置を提供する。
【０００７】
ここで、前記第二のマイクロホン（１４ｂ）は、パイプ（１２）の閉口端に固定して取り付けられ、前記調節機構は、前記第一のマイクロホン（１４ａ）をパイプ内でパイプ軸方向にスライド移動させるものであるか、第一のマイクロホン（１４ａ）と第二のマイクロホンとの間の管長を変化させるものとする。
【０００８】
また必要に応じて、前記パイプ（１２）に、アタッチメントパイプ（１２’）を連結接続することで、パイプの全長を延長可能とすることも好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の音の波長測定装置では、一端（終端）を閉口する筒状のパイプに設備が発生する音を導入し、入射波と閉口端で反射した反射波との合成波である定在波の音圧（振幅）の変化を、パイプ内に設けたマイクロホンを移動させながら測定することで、定在波の基本波長を求めるものである。
そのためパイプの閉口端に第一のマイクロホンを固定する一方、第一のマイクロホンとの離隔距離を調節可能な第二のマイクを備えてやる。そしてマイクロホンの移動に伴う２つのマイクロホンの音圧差の変化を測定すれば、音圧が最小となる位置から次に音圧が最小となる位置までの管長から１波長（λ）を実際に求めることができ、これから音波の基本周波数を算出することができる。
【００１０】
ここで第一のマイクロホンと第二のマイクロホンとの離隔距離を調節するための調節機構は、第二のマイクロホンをパイプ内でパイプ軸方向にスライド移動させるものの他に、例えばパイプを二重管構造として第一のマイクロホンと第二のマイクロホンとの間のパイプの管長を変化させるものなどがあり、これにより簡易な構造の装置によって基本波長を容易に測定することができる。
【００１１】
なお１つのマイクロホンによってもパイプ内の各位置における音圧を連続して測定することは可能であるが、２つのマイクロホンを用いることでそれぞれのマイクロホンで測定した音圧差が最小となるときを容易に検出することができる。
【００１２】
またパイプの開口端に両端を開口する例えば螺旋状のアタッチメントパイプを連結接続し、パイプの全長を延長することで、低周波で波長の長い音に対してもその基本波長の測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、空気中を伝播する音波を終端が閉鎖された筒状のパイプに導入すると、入射波とパイプの終端部で反射された反射波とが合成され、パイプの中には１周期長が入射波と同じ定在波が発生することを応用したものである。なお、ある入射波がパイプの端部で反射される場合、パイプ内には入射波＋反射波の合成波ができるが、この波はパイプ内で移動せずに大きさだけ変わるように見える波となり、この波を定在波という。
本発明の音の波長測定装置による基本波長の測定は、この理論を利用して測定した定在波（基本波）の１周期長を計測するものである。
【実施例１】
【００１４】
図１に実施例１の音の波長測定装置の概念図を示した。
本実施例の波長測定装置１０は、一端を閉口する筒状のパイプ１２と、パイプ内でパイプ軸方向にスライド移動可能に取り付けられたマイクロホン（第一のマイクロホン１４ａ）と、閉口端に取り付けられたマイクロホン（第二のマイクロホン１４ｂ）と、第一のマイクロホン１４ａおよび第二のマイクロホン１４ｂで測定した音圧の音圧差を検出するための検出装置１６とを備えている。
【００１５】
パイプ１２は内径が１０ｃｍ程度で透明なアクリル樹脂などで作成された真っ直ぐな円筒であり、その全長は例えば１ｍ程度となっている。このパイプ１２の一端は開口しておりもう一端（終端）は閉口している。またこのパイプ１２にはその閉口端（終端）を０として、終端からの距離を測定するための目盛（図示せず）が記入されている。
また図２に示したように、パイプ１２の開口端部分にはパイプの全長を延長するためのアタッチメントパイプ１２’を連結接続できるようになっている。アタッチメントパイプ１２’はパイプ１２と同じパイプであり、パイプ１２の開口端部分にねじ込むことで段差なく滑らかに連結接続できるようになっている。なお図２ではパイプ１２に連結接続するアタッチメントパイプ１２’には直線状のものを例示したが、その他にも螺旋状に形成したものなどを用いてやってもよい。またこのアタッチメントパイプ１２’にはパイプ１２と連結接続した際に、パイプの閉口端からの距離を測定するための目盛（図示せず）が記入されている。
アタッチメントパイプ１２’は低周波で波長の長い音の基本波長を測定する際に用いられ、その長さ（管長）は数メートル程度となっている（なお，アタッチメントパイプ１２’は曲管であっても良い）。
【００１６】
第一のマイクロホン１４ａおよび第二のマイクロホン１４ｂはともに管内の音圧（振幅）を測定するための小型集音マイクである。ここで第二のマイクロホン１４ｂはパイプの閉口端の中心に固定して取り付けられており、第一のマイクロホン１４ａは、円管であるパイプ１２の中心軸上をスライド移動するようになっている。すなわち第一のマイクロホン１４ａは、移動のための調節機構を表した図３に示したように、パイプ１２の内径とほぼ同じ外径を有する薄肉（１ｍｍ程度）の円枠２１に、径方向に十字状に取り付けられた細棒である十字支柱２３の中心に取り付けられている。またマイクロホン１４ａ，１４ｂからは集音した音の音圧データを検出装置１６に送信するためのコード２５が伸びている。ここで第一のマイクロホン１４ａから伸びるコード２５は円管の内周壁に沿うようになっており、パイプ１２の奥側（閉口端側）に配置した円枠２１は、このコードを引っ張ることで開口端側にスライド移動する。なお円枠２１のスライド移動をコード２５により行うのではなく、専用の紐を設けることで行ってもよい。また円枠２１のスライド移動を、細い棒体などを用いて行ってやれば、円枠を奥側に押し込む方向にスライド移動させることも可能となる。
なお本実施例ではマイクロホン１４ａはパイプ１２の中心に位置するようにスライド移動するものとしたが、パイプの内周に沿って軸方向にスライド移動するようにしてやってもよい。
【００１７】
第一のマイクロホン１４ａおよび第二のマイクロホン１４ｂにつながる検出装置１６は、各マイクロホンで測定した音圧差を検出する装置であり、各マイクロホンにつながれたコード２５からの音圧データを増幅する増幅回路と、増幅回路で増幅した音圧の差の変化を視覚的に判別可能とするＬＥＤランプや指示針などの表示装置を備えた音圧差検出回路を有している。
【００１８】
次に以上に説明した音の波長測定装置１０による波長測定の方法について説明する。
まず第一のマイクロホン１４ａを取り付けた円枠２１を、閉口端に第二のマイクロホンを取り付けたパイプ１２の開口端からその最深部（閉口端）まで押し込む。そして、この状態でパイプの開口部を音源の方向に向ける。ここで測定しようとする音の基本波長が長いものである場合には、パイプ開口端に予めアタッチメントパイプ１２’を連結接続しておく。そして第一のマイクロホン１４ａのコード２５をゆっくりと引っ張ることで、円枠２１に取り付けた第一のマイクロホンを徐々に開口端側にスライド移動させる。このときの第一のマイクロホン１４ａで測定した音圧と第二のマイクロホン１４ｂで測定した音圧との差の変化を、検出装置１６の表示装置によって観察する。そしてその音圧差が最小となったときの第一のマイクロホン１４ａの位置を、パイプ１２に記入した目盛を読み取ることで記録する。
【００１９】
第一のマイクロホン１４ａをスライド移動させて音圧の変化差を記録すると、音圧差の最小値が一定の間隔で繰り返し現れることが分かる。すなわちパイプ１２内には定在波が発生しているため、この間隔（距離）が測定しようとする基本波長λとなる。このことから音の基本波長が求まり、基本周波数ｆ（＝１／Ｔ）が求められる。
【００２０】
すなわち、音速Ｖ（ｍ／ｓ）は式（ａ）、基本周期Ｔ（ｓ）は式（ｂ）で与えられる。ここでλは基本波長（ｍ）、ｔは気温（℃）である。
Ｖ＝３３１．５＋０．６ｔ  ・・・（ａ）
Ｔ＝λ／Ｖ                ・・・（ｂ）
これらの式から基本周波数ｆ（＝１／Ｔ）が求められる。
【００２１】
なお周波数分析へ適用する際には、音をサンプリングタイムｓｔ（ｓ）で測定した場合、式（ｂ）で基本周期Ｔ（ｓ）が求まるので、次式（ｃ）を満足するか、若しくはこれに近いデータ数ｍで周波数分析すれば、分析精度は向上することとなる。
ｍ＝ｎ×Ｔ／ｓｔ    （ｎ＝１，２，３・・・）      ・・・（ｃ）
【００２２】
参考までに本実施例の音の波長測定装置を実際に使用し、サンプル音の周波数分析を行った結果を図に示した。なおパイプの管長はアタッチメントパイプを取り付けずに４４ｃｍとなっている。
図４は、振動数ｆが８８０Ｈｚ、波長λが３８．６ｃｍのサンプル音をパイプ開口端から入射させ、パイプ閉口端の第二のマイクロホンで検出した音の波形をオシロスコープで表示させたものである。矢印で示した時間（７．９５ｍｓ）に７波長（７λ）が表れていることから、周期Ｔは約１．１３６ｍｓであることが分かり、ｆはｆ＝１／Ｔ≒８８０Ｈｚと求まり、これはサンプル音の周波数と一致する。ここで音速Ｖを３４０ｍ／ｓとすれば、波長はλ＝Ｖ／ｆ＝３４０／８８０＝３８．６ｃｍと求められる。
図５は、同様のサンプル音を、本実施例の音の波長測定装置の第一のマイクロホンおよび第二のマイクロホンで検出した波形をオシロスコープで表示させたものである。ここでの第一のマイクロホンと第二のマイクロホンとの離隔距離Ｌ（図１参照）は０ｃｍである。矢印で示した時間（９．０８ｍｓ）に８波長（８λ）が表れていることから、周期Ｔは約１．１３５ｍｓであることが分かり、ｆはｆ＝１／Ｔ≒８８１Ｈｚと求まり、これはサンプル音の周波数とほぼ一致する。
【００２３】
図６乃至図１０はサンプル音を本実施例の波長測定装置で測定したものであり、（ａ）は第一のマイクロホンおよび第二のマイクロホンで検出した各音圧の時間的変化を、（ｂ）は第一のマイクロホンおよび第二のマイクロホンで検出した音の音圧差の時間的変化を表している。ここで図６は第一のマイクロホンと第二のマイクロホンとの離隔距離Ｌ（図１参照）をＬ＝０にしたとき、図７はＬ＝λ／４にしたとき、図８はＬ＝λ／２にしたとき、図９はＬ＝３λ／４にしたとき、図１０はＬ=λにしたときの各音圧(ａ)および音圧差（ｂ）を示したものである。
【００２４】
この結果からも明らかなように、離隔距離ＬがＬ＝ｎλのときに第一のマイクロホンと第二のマイクロホンで検出した音の音圧差がほぼ０となることが分かる。
【００２５】
以上に説明した本実施例の音の波長測定装置によれば、実際に測定した基本波長から基本周波数を算出することができる。そのため、例えば設備から発生する音を測定しフーリエ解析等により周波数分析を行う場合に、正常な設備が発生する音の基本波長を想定するのではなく実際に計測した基本波長をもとに周波数解析を行うことができ、分析誤差をほとんどなくしてより高い信頼性での設備の異常発見が可能となる。
また本実施例の音の波長測定装置は測定原理がシンプルで、装置の操作も極めて簡単であり、音を直接パイプの開口端から取り込むだけで、基本波長の直読が可能となる。さらに装置自体の構造もシンプルであるため、軽量かつ安価に製作することが可能である。これにより従来の波長測定で必要とされていたオシロのような高価な測定器や複雑なデータ自己相関処理・周波数カウンタ装置なども不要となる。
さらにアタッチメントパイプを連結接続可能としたことで、音の波長の長い場合にもその波長の測定が可能となる。
【実施例２】
【００２６】
図１１に実施例２の音の波長測定装置の概念図を示した。なお実施例１と同様の構成については、同様の符号を付すことで重複した説明を省略する。
この音の波長測定装置１０は、一端を閉口する筒状のパイプ１２と、パイプ内でパイプ軸方向にスライド移動可能に取り付けられたマイクロホン（第一のマイクロホン１４ａ）と、閉口端に取り付けられたマイクロホン（第二のマイクロホン１４ｂ）と、第一のマイクロホン１４ａおよび第二のマイクロホン１４ｂで測定した音圧の音圧差を検出するための検出装置１６とを備えている。
【００２７】
パイプ１２は内径が１０ｃｍ程度で透明なアクリル樹脂などで作成された真っ直ぐな円筒である一端が閉口する１ｍ程度の長さの外筒１２ａと、外筒１２ａの内周に隙間なく挿入される両端が開口した薄肉の１ｍ強の長さの内筒１２ｂからなる二重円筒構造となっている。ここで内筒１２ｂは外筒１２ａに対して摺動しながら抜き挿しされ、外筒内に挿入した内筒の先端には大きな段差ができないようになっている。なお外筒１２ａには閉口端からの距離を測定するための目盛（図示せず）が記入されている。
【００２８】
第一のマイクロホン１４ａおよび第二のマイクロホン１４ｂはともに小型集音マイクであり、第二のマイクロホンは実施例２と同様に外筒１２ａの閉口端の中心に固定して取り付けられている。一方第一のマイクロホン１４ａは、外筒１２ａに挿入される側の内筒１２ｂの開口端の中心に、径方向に十字状に取り付けられた細棒である十字支柱２３によって取り付けられている。
【００２９】
次に以上に説明した音の波長測定装置１０による波長測定の方法について説明する。
まず第一のマイクロホン１４ａを取り付けた内筒１２ｂを、閉口端に第二のマイクロホン１４ｂを取り付けた外筒１２ａの開口端から最深部（閉口端）まで押し込み、この状態で開口部を音源の方向に向ける。そして第一のマイクロホン１４ａを取り付けた内筒１２ｂをゆっくりと引き抜くことで、第一のマイクロホン１４ａを徐々に第二のマイクロホン１４ｂから遠ざけるように移動させる。このとき、第一のマイクロホン１４ａで測定した音圧と第二のマイクロホン１４ｂで測定した音圧との差の変化を検出装置１６の表示装置によって観察する。そして音圧差が最小となったときの第一のマイクロホン１４ａの位置を、外筒１２ａに記入した目盛を読み取ることで記録する。
【００３０】
測定しようとする基本波長は、音圧差が最小となったときの第一のマイクロホン１４ａと第二のマイクロホン１４ｂとの距離（第一のマイクロホン１４ａの目盛値）がλとなることから求まり、既述の式から基本周波数ｆ（＝１／Ｔ）が求められる。
【００３１】
以上に説明した本実施例の音の波長測定装置によれば、既述の実施例の装置による効果と同様に、設備から発生する音の音圧が安定しない場合にも基本波長の測定が可能となる。なお内筒に実施例２のアタッチメントパイプを連結接続することも可能である。
【００３２】
なお本発明の構成は上記実施例に記述したものに限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更することができる。例えば実施例１や実施例２の装置にアタッチメントパイプを取り付けてやることなども勿論可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１の音の波長測定装置の概念図である。
【図２】アタッチメントパイプをパイプに連結接続する様子を示した図である。
【図３】調節機構を表した斜視図である。
【図４】オシロスコープで表示したサンプル音の波形である（閉口端）。
【図５】オシロスコープで表示したサンプル音の波形である（閉口端および開口端）。
【図６】各マイクロホンで検出した音圧の時間的変化およびその音圧差の時間的変化を表したものである。
【図７】各マイクロホンで検出した音圧の時間的変化およびその音圧差の時間的変化を表したものである。
【図８】各マイクロホンで検出した音圧の時間的変化およびその音圧差の時間的変化を表したものである。
【図９】各マイクロホンで検出した音圧の時間的変化およびその音圧差の時間的変化を表したものである。
【図１０】各マイクロホンで検出した音圧の時間的変化およびその音圧差の時間的変化を表したものである。
【図１１】実施例２の音の波長測定装置の概念図である。
【符号の説明】
【００３４】
１２    パイプ
１２’  アタッチメントパイプ
１２ａ  外筒
１２ｂ  内筒
１４ａ  第一のマイクロホン
１４ｂ  第二のマイクロホン
１６    検出装置
２１    円枠
２３    十字支柱
２５    コード
【図４】
2008261700.tif 000003
【図５】
2008261700.tif 000004
【図１】
2008261700.tif 000005
【図２】
2008261700.tif 000006
【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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