(57)【要約】【課題】非接触での振動測定行うことにより、様々な物体の固有振動モードを正確に判定することを可能とし、なおかつ、簡単な装置構成により設備コスト低減を実現する。【解決手段】治具１４によって被測定物Ｗの測定位置近傍に被接触状態で保持された複数のマイクロホン１２を用い、振動する被測定物Ｗから放射される音を、被測定物Ｗの近傍において測定する。したがって、被測定物Ｗから放射される音に含まれる、物体の振動モードに関する情報が減衰する前に、正確に捉えることが可能となる。そして、収集装置１８によって、複数のマイクロホン１２で集音された音の信号を時系列で収集し、処理装置２０によって、収集装置１８の収集データに複素スペクトル処理を施すことにより、被測定物Ｗの振動モードの可視化を行うことが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動する被測定物から放射される音を、被測定物の近傍において複数の場所で同時測定し、当該測定データを時系列で収集し、該収集データに複素スペクトル処理を施すことにより、被測定物の振動モードの可視化を行うことを特徴とする振動モード判定方法。
【請求項２】
複数のマイクロホンと、該複数のマイクロホンを被測定物の測定位置近傍に被接触状態で保持する治具と、前記複数のマイクロホンで集音された音の信号を時系列で収集する収集装置と、該収集装置の収集データに複素スペクトル処理を施す処理装置とを備えることを特徴とする振動モード判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の振動モード判定技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
物体の多くは、振動モード（物体が持つ振動の空間的形状変化を言い振動波形とも言う。）を有している。そして、部品単体や構造物等の固有振動モードを把握することは、適切な振動対策（梁の追加や形状変更、板厚変更、材料変更等）を施す上で、極めて有効である。従って、従来から、物体の振動モードを判定するための様々な手法が発案されている。最も一般的な手法は、モード解析手法であり、物体の振動モードを抽出するために、人為的に物体に対して加振を行い、加振と応答の信号から周波数応答関数（伝達関数）を求め、最終的に振動モードを求める手法である。
又、物体の振動モードを判定するためには、物体に生じる振動を捉える必要があるが、これを測定する手法としては、加速度センサを物体の複数の測定点に貼り付け、物体の振動を直接的に測定する手法が一般的である。一方、物体に対し被接触で振動測定を行う手法として、レーザドップラ振動計を用いる手法も広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−８５０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、加速度センサを物体の複数の測定点に貼り付け、物体の振動を直接的に測定する手法では、測定対象が回転体のようなものである場合には、振動測定が困難又は不可能となる場合があった。又、振動の減衰が小さい構造物（鐘等）のような場合には、加速度センサを貼付することに起因して振動特性が変化してしまうことから、正確な振動モード判定が困難となっていた。一方、レーザドップラ振動計による被接触の振動測定手法によれば、上記のごとく接触式の加速度センサを用いることが不向きな物体に対しても振動測定が可能であるが、装置が大型であることや、装置の価格が高価であることから、広く用いられてはいない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、非接触での振動測定行うことにより、様々な物体の固有振動モードを正確に判定することを可能とし、なおかつ、簡単な装置構成により設備コスト低減を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための、本発明に係る振動モード判定方法は、振動する被測定物から放射される音を、被測定物の近傍において複数の場所で同時測定し、当該測定データを時系列で収集し、該収集データに複素スペクトル処理を施すことにより、被測定物の振動モードの可視化を行うことを特徴とするものである。
本発明によれば、振動する被測定物から放射される音を、被測定物の近傍において測定することで、被測定物から放射される音に含まれる物体の振動モードに関する情報が減衰する前に、正確に捉える事が可能となる。しかも、かかる測定を、被測定物の複数の場所で同時測定し、当該測定データを時系列で収集し、該収集データに複素スペクトル処理を施すことにより、振動する被測定物から放射される音を用い、非接触で、被測定物の振動モードの可視化を行うことが可能となる。
【０００６】
又、上記課題を解決するための、本発明に係る振動モード判定装置は、複数のマイクロホンと、該複数のマイクロホンを被測定物の測定位置近傍に被接触状態で保持する治具と、前記複数のマイクロホンで集音された音の信号を時系列で収集する収集装置と、該収集装置の収集データに複素スペクトル処理を施す処理装置とを備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、治具によって被測定物の測定位置近傍に被接触状態で保持された複数のマイクロホンを用い、振動する被測定物から放射される音を、被測定物の近傍において測定する。したがって、被測定物から放射される音に含まれる、物体の振動モードに関する情報が減衰する前に、正確に捉えることが可能となる。そして、収集装置によって、複数のマイクロホンで集音された音の信号を時系列で収集し、処理装置によって、収集装置の収集データに複素スペクトル処理を施すことにより、振動する被測定物から放射される音を用い、非接触で、被測定物の振動モードの可視化を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明はこのように構成したので、非接触での物体の振動測定が可能となり、様々な物体の固有振動モードを正確に判定することができる。なおかつ、簡単な装置構成により設備コスト低減を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係る、物体の振動モード判定装置１０は、図１に概略的に示された構成を有しており、複数のマイクロホン１２と、複数のマイクロホン１２を被測定物Ｗの測定位置近傍に被接触状態で保持する治具１４とを備えている。なお、各マイクロホン１２の特性は、項周波数振幅特性がフラット（一定）であり、基本的に構成され位相の揃っているもので無ければならない。マイクロホン１２は、無指向性であることが望ましい。又、物体の振動モード判定装置１０は、複数のマイクロホン１２により集音された音の信号を増幅するマイクロホンアンプ１６と、各マイクロホン１２に割り当てられた測定チャンネルからのデータを、時系列データとして同時サンプリングする収集装置１８を備えている。更に、収集装置１８の収集データに複素スペクトル処理を施す処理装置２０を備えている。処理装置２０は、パーソナルコンピュータ等の電子計算機が用いられ、モニタ等のインターフェイスによって、容易に振動モードの判定ができるように、振動解析技術として一般的な複素スペクトル処理を、収集データに施すものである。更に、処理装置２０には、複素スペクトル処理が施された収集データに基づき、可視化処理を行う制御ロジックが含まれている。なお、処理装置２０では、必要に応じ、複素スペクトル処理（位相付ＦＦＴ処理）の結果を利用して、収集装置１８の収集データをクロススペクトル処理することも可能である。
【０００９】
ここで、図２を参照しながら、図１の振動モード判定装置１０により被測定物Ｗの振動モードを判定する手順を説明する。
（１）被測定物Ｗを決定する。被測定物Ｗは、部品単体に限らず、複数の部品を組み合わせて構成された構造物であっても良い。しかしながら、物体から放射される音が篭ったり、共鳴してしまうような閉空間の内側や凹面部の測定は、本手法には適さない。
（２）被測定物Ｗの測定位置を決定する。この測定位置としては、被測定物Ｗから放射される近接音に含まれる、物体の振動モードに関する情報を収集するに適した位置が選択される。かかる選択は、被測定物Ｗの形状や構造毎に、予め実験データを集めること等によって、経験的に決定することが可能である。そして、決定された測定位置近傍（被測定物Ｗの表面から１０〜３０ｍｍ程度離間した位置）に、治具１４によって複数のマイクロホン１２を配置する。なお、被測定物Ｗから放射される近接音に含まれる、物体の振動モードに関する情報としては、エバネッセント波が挙げられる。
（３）又、非測定物Ｗの形状データを作成する。形状データは、少なくとも被測定物Ｗの測定位置情報が含まれていればよく、非測定物Ｗの図面データを用いることも可能である。非測定物Ｗの形状データは処理装置２０に入力され、後述する振動モードの判定の際に利用される。
（４）振動する被測定物Ｗから放射される音を、複数のマイクロホン１２で集音する。複数のマイクロホン１２で集音された各チャンネルの信号は、マイクロホンアンプ１６で増幅され、収集装置１８に時系列データとして同時サンプリングされる。
（５）処理装置２０において、収集装置１８の収集データに複素スペクトル処理を施す。
（６）処理装置２０において、複素スペクトル処理が施された収集データを、上記（３）で作成した形状データと比較することにより、振動モードの可視化を行う。振動モードの可視化は、指定周波数（主として、被測定物Ｗの固有振動数）に対して行われる。
【００１０】
図３には、自動車のブレーキディスク２２を被測定物として、振動モードの可視化を行った際の様子が例示されている。ブレーキディスク２２の表面の測定位置として、中央寄りのディスク取付面上に等間隔に８箇所、制動面上に等間隔に８箇所、合計１６箇所が選択されており、各選択位置に対し合計で１６個のマイクロホン１２が、治具１４によって保持されている。図示の例では、治具１４は、ブレーキディスク２２の形状に合わせて中実丸棒を折り曲げて、同心円状に２つの輪１４ａ、１４ｂと、この二つの輪１４ａ、１４ｂを支える腕部１４ｃ、１４ｄを形成し、輪１４ａ、１４ｂに固定されたクリップ１４ｅによって、マイクロホン１２を保持したものである。各マイクロホン１２は、ケーブル１３によってマイクロホンアンプ１６（図１）に接続されている。符号２４は、ブレーキディスク２２を載置するためのクッションマットを示している。
なお、ブレーキディスク２２は、それ自体では振動しないものであることから、ハンマーにより一箇所を加振することで、ブレーキディスク２２から音を放射させる。又、本手法では、従来の加速度センサを用いた振動モードの判定方法で行っていた、加振信号（ハンマーの力等）の測定は必要としない。
【００１１】
図４〜図７には、ブレーキディスク２２の各指定周波数における振動モードが可視化されて示されている。各図ともに、（ａ）には、近接音に基づき可視化された振動モード（本発明）が示されており、（ｂ）には、比較対照として加速度センサをマイクロホン１２の配置箇所に貼付して、ブレーキディスク２２の振動を直接的に測定すること（従来方法）により可視化された振動モードが示されている。又、各図とも、ブレーキディスク２２の形状データが点線で示され、振動モードが実線で示されている。
【００１２】
さらに、図８〜図１２には、別例として、アルミの棒を被測定物Ｗとし、指定周波数毎に振動モードの可視化を行った結果が示されている。この場合には、９箇所の測定位置が選択され、各測定位置の近傍に、治具によってマイクロホンが保持される。又、ハンマーによりアルミの棒の一箇所を加振することで、アルミの棒から音を放射させる。
図８〜図１２の各図ともに、（ａ）には、近接音に基づき可視化された振動モード（本発明）が示されており、（ｂ）には、比較対照として加速度センサをマイクロホン１２の配置箇所に貼付して、アルミの棒の振動を直接的に測定すること（従来方法）により可視化された振動モードが示されている。又、各図とも、アルミの棒の形状データが点線で示され、振動モードが実線で示されている。
【００１３】
上記図４〜図１２から明らかなように、本発明に係る手法により可視化された振動モードと、従来方法により可視化された振動モードを可視化した結果、両者には高い相関が得られており、本発明に係る手法による振動モードの判定結果は、信頼性の高いものであることが解る。
なお、非測定物Ｗが、自ら振動する物体である場合（作動中の機械等）には、ハンマーによる加振は不要である。又、非測定物Ｗが、複数の部品を組み合わせて構成された構造物である場合においても、その構造物の振動モードに関する情報を収集するに適した位置の近傍に、マイクロホン１２を配置することで、振動モードの可視化による判定が、同様に可能となる。
【００１４】
又、対称形状の物体には、重根が存在する（１つの周波数において、２つ以上のモードが存在すること）が、本発明の実施の形態によれば、非測定物Ｗの振動モードにおける重根の確認を行うことも可能である。
例えば、対称形状のガラス製の器（グラス等）を被測定物Ｗとした場合において、器の周囲に等間隔に複数のマイクロホンを近接配置し、サンプリングの定理（入力周波数の２倍以上の周波数でサンプルすれば、データを正しく再現出来る。）に基づき、図２（４）のステップにおいて時間データ（単位時間当たりのサンプリングデータ数）をより多くサンプリングする。それによって、指定周波数における複素スペクトルの周波数分解能を高めることで、スペクトル本数が多くなり、音のピークがより得やすくなる。その結果、図１３に示されるように、近接した周波数のピークを正確に捉えることが可能となる。一般に、対象形状の物体であっても、剛性が完全に均一なものを製造することは極めて困難であることから、図１３のような波形が計測された場合には、重根の存在（又は近接した周波数における複数のモードの存在）が把握される。
振動解析に用いられるＦＦＴ（高速フーリエ変換）アナライザは、サンプリングする時間データのポイント数が、通常は１０２４、２０４８〜３２７６８ポイント程度となっているが、本発明の実施の形態における複素スペクトル処理では、近接音のサンプリング時間を十分に長く取ることで、より多くのサンプリングデータを集めることが可能である。よって、処理装置２０の計算速度にも依るが、例えば、時間データのポイント数を１００万ポイントといった膨大な数にすることも可能となり、より細かい周波数分解能を得ることが可能である。
【００１５】
そして、図２（５）のステップと同様に、処理装置２０により、収集装置１８の収集データに複素スペクトル処理を施し、図２（６）のステップと同様に、処理装置２０において、複素スペクトル処理が施された収集データを、図２（３）のステップと同様に作成した、対称形状のガラス製の器の形状データと比較することにより、振動モードの可視化を行うことができる。図１４、図１５には、このようにして重根を可視化した結果が示されている。なお、図示の例では、１６箇所の測定位置が選択されており、（ａ）には、本発明により可視化された、対称形状の器の振動モードが、（ｂ）には、従来方法により可視化された対称形状の器の振動モードが示されている。
【００１６】
上記構成をなす、本発明の実施の形態により得られる作用効果は、以下の通りである。すなわち、本発明の実施の形態に係る振動モード判定方法によれば、振動する被測定物Ｗから放射される音を、被測定物Ｗの近傍において測定することで、被測定物Ｗから放射される音に含まれる物体の振動モードに関する情報が減衰する前に、正確に捉える事が可能となる。しかも、かかる測定を、被測定物Ｗの複数の場所で同時測定し、当該測定データを時系列で収集し、該収集データに複素スペクトル処理を施すことにより、被測定物Ｗの振動モードの可視化を行うことが可能となる。
【００１７】
又、本発明の実施の形態に係る振動モード判定装置によれば、治具１４によって被測定物Ｗの測定位置近傍に被接触状態で保持された複数のマイクロホン１２を用い、振動する被測定物Ｗから放射される音を、被測定物Ｗの近傍において測定する。したがって、被測定物Ｗから放射される音に含まれる、物体の振動モードに関する情報（エバネッセント波）が減衰する前に、正確に捉えることが可能となる。そして、収集装置１８によって、複数のマイクロホン１２で集音された音の信号を時系列で収集し、処理装置２０によって、収集装置１８の収集データに複素スペクトル処理を施すことにより、被測定物Ｗの振動モードの可視化を行うことが可能となる。
なお、被測定物Ｗの各部から放射される音を、同時にではなく複数回に分けて測定する必要がある場合には、収集装置１８の収集データを、処理装置２０において複素スペクトル処理し、更に、クロススペクトル処理することにより、振動モードの可視化が可能となる。
更に、本発明の実施の形態によれば、時間データをより多くサンプリングすることで、対称形状の物体の重根についても、同様に可視化が可能となる。
【００１８】
以上のごとく、本発明の実施の形態によれば、被測定物に対し非接触で振動モードを把握することが可能となるので、例えば、回転している軸等、加速度センサを貼付することが不可能な物体や、加速度センサを貼付することによる悪影響が大きい、減衰の小さな構造物に対しても、振動モードを正確に判定することが可能となる。又、物体の過渡的な動き（例えば、プリンタ内の紙の動き等）も可視化することができる。又、レーザドップラ振動計に比べ、極めて安価に振動モード判定装置を構成することが可能であり、加速度センサを用いた振動モード判定装置と比べても、センサ一個当たりの価格が、マイクロホンを用いることで安価に抑えられることから、低コストの振動モード判定装置を提供することが可能である。
よって、様々な物体の振動モードを正確に判定することが可能となり、物体の振動対策等に反映させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る振動モード判定装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る振動モード判定方法のフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態に係る振動モード判定装置の、具体的実施態様を示す図である。
【図４】ブレーキディスクの指定周波数（約１．４ＫＨｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図３の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図５】ブレーキディスクの指定周波数（約２．９ＫＨｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図３の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図６】ブレーキディスクの指定周波数（約３．３ＫＨｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図３の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図７】ブレーキディスクの指定周波数（約３．８ＫＨｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図３の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図８】アルミの棒の指定周波数（約６４Ｈｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図１の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図９】アルミの棒の指定周波数（約１７５Ｈｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図１の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図１０】アルミの棒の指定周波数（約３４２Ｈｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図１の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図１１】アルミの棒の指定周波数（約５６５Ｈｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図１の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図１２】アルミの棒の指定周波数（約１．６ＫＨｚ）における振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図３の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図１３】近接した周波数のピークが捉えられた様子を示す波形図である。
【図１４】対称形状のガラス製の器の重根に係る、一方の振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図３の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【図１５】対称形状のガラス製の器の重根に係る、もう一方の振動モードを可視化した図であり、（ａ）は図３の振動モード判定装置によるものを、（ｂ）は比較例として従来技術によるものを示している。
【符号の説明】
【００２０】
１０：振動モード判定装置、１２：マイクロホン、１４：治具、１６：マイクロホンアンプ、１８：収集装置、２０：処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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