JP7559521B2 - 監視装置、集音装置及び監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、機器の状態を監視する監視装置、集音装置及び監視方法に関する。

機器から発生する音に基づいて、機器の異常を診断する技術が知られている。例えば、特許文献１には、集音器からの信号に対して高速フーリエ変換等の各種の処理を行い、標本値の学習及び診断を行う技術が開示されている。特許文献２には、ベルトコンベヤ異常診断装置に関し、無指向性マイクロホンと指向性マイクロホンとを用いる技術が開示されている。

また、特許文献３には、２次元的に集音要素が配置されるマイクアレイを機器内部に配置し、異常音が発生した音源の２次元位置を特定する技術が開示されている。特許文献３では、異常音の到達時間が最も早い集音要素、又は異常音を最も強く検出した集音要素の位置に基づいて、異常音の音源位置を特定する。そして、機器の平面配置に関する機器マップと、当該音源位置とに基づいて、異常音が発生している音源の機器ユニットを特定する。

また、特許文献４には、複数のマイクロホンが等間隔に取り付けられた集音装置を用いて異常領域を抽出する技術が開示されている。特許文献４では、仮想スクリーンを仮想的に複数個設定し、各仮想スクリーンを格子上に分割して、集音装置から得られた音圧信号に対しビームフォーミング処理を施すことにより格子点ごとの音圧レベルを計算する。そして、当該音圧レベルと、基準音圧レベルとを比較することで、複数の格子点から音圧異常領域を抽出する。

特開２０１３－２００１４４号公報 特開２００１－１５１３３０号公報 特開２０１７－３２４８８号公報 特開２０１３－１５４６８号公報

特許文献３に係る監視装置では、複数のマイクロホンを有する集音装置（マイクアレイ）を対象機器の筐体内に配置して、機器の異常（異常の有無と異常箇所）を検出している。このように、集音装置で検出した音に基づいて当該機器の異常を監視する場合、集音装置は、機器の筐体内や当該機器の監視対象部位の直近に配置可能な大きさであることが必要とされ、かつ、機器の異常を検出するために必要な音を検出可能な精度が要求される。

複数のマイクロホンを有する集音装置を備えた監視装置では、音源（異常箇所）から発せられる音波を複数のマイクロホンで検出することによって、各マイクロホンにおける音波の到達時間の差（位相差）と音圧レベルの差に基づいて、音源の位置（異常箇所）を検出することができる。ここで、各マイクロホンの間隔を拡げれば、集音装置で検出する音波の位相差を大きくすることができるとともに、集音装置における音波の検出範囲を広げることができる。このため、複数のマイクロホンを有する集音装置では、各マイクロホンの間隔を拡げることができれば、機器の異常（異常の有無及び異常箇所）の検出精度を高めることができる。

しかしながら、複数のマイクロホンを有する集音装置は、各マイクロホンの間隔を拡げるとサイズが大きくなるため、機器の筐体内や当該機器の監視対象部位の直近に配置しにくくなる。このため、複数のマイクロホンを有する集音装置を機器の筐体内や当該機器の監視対象部位の直近に配置する監視装置においては、各マイクロホンの間隔を拡げて、機器の異常（異常の有無及び異常箇所）の検出精度を高めることが困難である。

本発明は、複数のマイクロホンで検出した音波に基づいて対象機器の異常と異常箇所を検出することが可能な監視装置及び監視方法とこれらに用いる集音装置に関し、集音装置を大型化せずに、機器の異常を精度よく検出することを目的とする。

（１）本発明に係る監視装置は、機器の運転状態を監視する監視装置であって、前記機器から発せられる可聴音と超音波を含む音波を一次音圧信号に変換するマイクロホンを複数配置している集音装置と、前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて前記機器の異常の有無を検出する第１処理と、前記一次音圧信号のうちの超音波域の信号をビームフォーミング処理して二次音圧信号を生成し、前記二次音圧信号に基づいて前記機器の異常箇所を検出する第２処理と、を実行可能な情報処理装置と、を備える。

本発明によれば、機器の異常箇所の検出を行う音波を超音波とすることで、マイクロホンの間隔を拡げなくても、異常箇所を精度よく検出することができる。また、機器の異常の検出を行う音波を可聴音とすることで、異常がある機器から発せられる典型的な可聴音に基づいて、機器の異常を精度よく検出することができる。この結果、集音装置を大型化せずに、機器の異常を精度よく検出することが可能となる。

（２）好ましくは、前記情報処理装置は、前記第１処理において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記第２処理を実行する。このように構成することで、情報処理装置の演算量を減らすことができる。

（３）好ましくは、前記情報処理装置は、前記第１処理において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて、前記機器の異常内容を検出する第３処理をさらに実行可能である。このように、機器の異常内容の検出を行う音波を可聴音とすることで、異常がある機器から発せられる典型的な可聴音に基づいて、機器の異常内容を精度よく検出することが可能となる。

（４）好ましくは、前記情報処理装置は、前記第２処理において、前記機器の固有振動周波数を含まない周波数帯の前記二次音圧信号に基づいて前記機器の異常箇所を検出する。このように構成することで、機器の異常箇所をより精度よく検出することが可能となる。

（５）好ましくは、前記情報処理装置は、運転初期において前記機器から発せられる前記音波の前記一次音圧信号である初期一次音圧信号を取得する第４処理を実行し、前記第２処理において、前記初期一次音圧信号をビームフォーミング処理して生成した前記二次音圧信号である初期二次音圧信号と、前記機器の運転初期後の当該第２処理において生成した前記二次音圧信号と、の差分に基づいて前記機器の異常箇所を検出する。このように構成することで、機器の異常箇所をより精度よく検出することが可能となる。

（６）好ましくは、前記複数のマイクロホンには、各マイクロホン同士の間隔が、前記超音波の検出に適した距離に設定されている第一マイクロホン群と、各マイクロホン同士の間隔が、前記可聴音の検出に適し、前記第一マイクロホン群の前記距離に比べて大きい距離に設定されている第二マイクロホン群と、が含まれる。このように構成することで、集音装置を大型化せずに、一つの集音装置で可聴音と超音波の音波を精度よく検出することが可能となる。これにより、集音装置を、機器の筐体内や当該機器の監視対象部位の直近に配置しやすくすることができる。

（７）本発明に係る集音装置は、機器の運転状態を監視する監視装置に用いられる集音装置であって、前記機器から発せられる可聴音及び超音波を含む音波を音圧信号に変換する複数のマイクロホンを備え、前記複数のマイクロホンには、各マイクロホン同士の間隔が、前記超音波の検出に適した距離に設定されている第一マイクロホン群と、各マイクロホン同士の間隔が、前記可聴音の検出に適し、前記第一マイクロホン群の前記距離に比べて大きい距離に設定されている第二マイクロホン群と、が含まれる。このように構成することで、集音装置を大型化せずに、一つの集音装置で可聴音と超音波の音波を精度よく検出することが可能となる。これにより、集音装置を、機器の筐体内や当該機器の監視対象部位の直近に配置しやすくすることができる。

（８）本発明に係る監視方法は、複数のマイクロホンを配置している集音装置により機器の運転状態を監視する監視方法であって、前記機器から発せられる可聴音及び超音波を含む音波を、複数の前記マイクロホンを通じて一次音圧信号として取得する第１工程と、前記第１工程で取得した前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて、前記機器の異常を検出する第２工程と、前記第２工程において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記第１工程で取得した前記一次音圧信号のうちの超音波域の信号をビームフォーミング処理して生成した二次音圧信号に基づいて、前記機器の異常箇所を検出する第３工程と、を備える。

本発明によれば、機器の異常箇所の検出を行う音波を超音波とすることで、マイクロホンの間隔を拡げなくても、異常箇所を精度よく検出することができる。また、機器の異常の検出を行う音波を可聴音とすることで、異常がある機器から発せられる典型的な可聴音に基づいて、機器の異常を精度よく検出することができる。この結果、集音装置を大型化せずに、機器の異常を精度よく検出することが可能となる。

（９）好ましくは、前記第２工程において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記第１工程で取得した前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて、前記機器の異常内容を検出する第４工程をさらに備える。このように、機器の異常内容の検出を行う音波を可聴音とすることで、異常がある機器から発せられる典型的な可聴音に基づいて、機器の異常内容を精度よく検出することが可能となる。

本発明によれば、複数のマイクロホンで検出した音波に基づいて対象機器の異常と異常箇所を検出することが可能な監視装置及び監視方法とこれらに用いる集音装置に関し、集音装置を大型化せずに、機器の異常を精度よく検出することができる。

実施形態に係る監視装置を示す模式図である。 監視対象の機器に対する集音装置の配置を示す説明図である。 実施形態に係るマップ情報の一例を示す説明図である。 実施形態に係るマップ情報の一例を示す説明図である。 集音装置におけるマイクロホンの配置を示す模式図である。 集音装置におけるマイクロホンの配置を示す模式図である。 実施形態に係る監視処理の手順を示すフローチャートである。 異常検出工程における音波の検出状況を示す説明図である。 異常箇所検出工程におけるビームフォーミング処理の状況を示す説明図である。 ビームフォーミング処理におけるビーム走査範囲の説明図である。 機器の固有振動周波数のパワースペクトルを示す図である。 超音波域の所定周波数における二次音圧信号のパワースペクトル密度とビーム走査角度との関係を示す図である。 異常箇所を決定する方法の説明図である。 実施形態の監視装置による異常箇所の検出結果を示す図である。 実施形態の監視装置による異常箇所の検出結果を示す図である。 実施形態の監視装置による異常箇所の検出結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

本開示において「音波」とは、媒質（例えば、気体、液体又は固体）中を伝搬する弾性波を意味する。音波には、人間の可聴周波数（２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ未満）である「音」（以下、可聴音と称する）のほか、超音波（２０ｋＨｚ以上）、超低周波音（２０Ｈｚ未満）も含む。

［監視装置の構成］
図１に示す監視装置１は、監視対象の機器２（図２参照）の運転状態を音波に基づいて監視する装置である。監視装置１は、例えば機器２が設置された部屋の中に設置される。

図１に示すように、監視装置１は、集音装置１１と、情報処理装置１２と、表示装置１５と、入力装置１６と、通信装置１７とを備える。集音装置１１は、平面上に配置された複数のマイクロホン１１０を有する。すなわち、集音装置１１は、マイクロホンアレイ（平面アレイ）である。

マイクロホン１１０は、複数の対象領域Ｒから発せられる音波ＳＷ１が合成された合成音波ＳＷ２を一次音圧信号ＳＰ１に変換する音圧センサである（図２参照）。マイクロホン１１０は、可聴音（２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ未満）と超音波（２０ｋＨｚ以上）の合成音波ＳＷ２を一次音圧信号ＳＰ１に変換する。マイクロホン１１０は、例えば、無指向性のマイクロホンである。マイクロホン１１０の配置については、後述する。

情報処理装置１２は、演算装置１３と、記憶装置１４とを有する。情報処理装置１２は、例えば、コンピュータ装置である。記憶装置１４は、各種の情報を記憶する装置であり、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）と、ＲＡＭ（Random access memory）と、ＲＯＭ（Read only memory）とを有する。

記憶装置１４は、機能的には、マップ情報データベース１４１と、音圧信号記憶部１４２と、を有する。マップ情報データベース１４１及び音圧信号記憶部１４２は、それぞれ記憶装置１４内の所定の記憶領域により構成される。なお、マップ情報データベース１４１及び音圧信号記憶部１４２は、同じ記憶領域により構成されてもよいし、互いに異なる記憶領域により構成されてもよい。記憶装置１４は、さらにコンピュータプログラム１４３を記憶している。

図２に示す機器２は、軸受、回転軸、及びモータを備えた汎用機器（例えば、送風機、ポンプ、コンプレッサ、工作機械等）を簡略化した機器の例示である。図２に示すように、機器２は、一対の軸受２１、２２と、その軸受２１、２２によって回転可能に支持されている回転軸２３と、回転軸２３を駆動するモータ２４とを備えている。各軸受２１、２２は、ブロック２５、２６によってそれぞれ保持されている。

本実施形態では、機器２における異常の発生箇所を異常箇所Ｐと称する。図２には、機器２における軸受２２に異常箇所Ｐがある（即ち、軸受２２に異常が発生している）場合を例示している。そして、本実施形態では、軸受２１、２２が存在する領域をそれぞれ対象領域Ｒ１、Ｒ２と称する。「対象領域」は、機器２において異常の発生が想定される部品（コンポーネント）が位置する領域である。以降、これらの対象領域Ｒ１、Ｒ２について、特に区別しない場合、単に「対象領域Ｒ」と称する。なお、以下の説明において「異常箇所を検出する」と言う場合は、「異常箇所Ｐが含まれる対象領域Ｒを検出する」ことを意味する。

図２に示すように、集音装置１１は、複数の対象領域Ｒからある程度離れた位置に設置される。例えば、集音装置１１は、複数の対象領域Ｒをそれぞれ正面に臨んだ状態で、複数の対象領域Ｒからそれぞれ数十ｃｍ～数ｍ程度離れた位置に設置される。なお、対象領域Ｒ１、Ｒ２が図２に示すような筐体２ａで覆われている場合には、筐体２ａ内の対象領域Ｒ１、Ｒ２を臨む位置に集音装置１１を配置する。

このように、集音装置１１が複数の対象領域Ｒからそれぞれ所定距離だけ離れた位置に設置されることで、特定の対象領域Ｒから発せられる音波ＳＷ１のみを取得するのではなく、複数の対象領域Ｒから発せられる音波ＳＷ１が合成された合成音波ＳＷ２を取得することができる。

図１に示す情報処理装置１２のマップ情報データベース１４１には、マップ情報Ｍ１が記憶される。マップ情報Ｍ１とは、集音装置１１に対する複数の対象領域Ｒのそれぞれの位置に関する情報である。

図３Ａ，Ｂは、マップ情報Ｍ１の一例を示す説明図である。例えば、マップ情報Ｍ１は、図３Ａに示すように対象領域ＲのＩＤと、当該対象領域Ｒが存在する方向を表す角度と、を含むテーブル形式の情報として記憶される。なお、マップ情報Ｍ１は、集音装置１１と機器２の相対位置が決まれば、集音装置１１と対象領域Ｒとの相対位置は、一意に決まる。このため、ユーザーが入力装置１６へ集音装置１１に対する対象領域Ｒの位置情報を入力して、マップ情報データベース１４１に記憶する。このほか、管理装置から通信装置１７を介してマップ情報Ｍ１を受信することで、マップ情報Ｍ１を取得してもよい。

図３Ｂは、マップ情報Ｍ１の一例を所定のＸＹ平面上に示した模式図である。当該ＸＹ平面は、集音装置１１の複数のマイクロホン１１０が配置されている平面（アレイ面）と垂直な面である。換言すれば、図３Ｂは、集音装置１１からアレイ面の平行方向に複数の対象領域Ｒを見たときに、所定のＸＹ平面上に投影される複数の対象領域Ｒの位置を示している。図３Ｂでは、集音装置１１のアレイ面の中心を原点ＯとしたＸＹ平面上で、Ｙ軸の正方向を角度（０°）とし、原点Ｏから見て対象領域Ｒの輪郭が存在する範囲の最小角度と最大角度をマップ情報Ｍ１に記憶する情報としている。

マップ情報Ｍ１では、図３Ｂに示す角度θ１を対象領域Ｒ１の最大角度θ１とし、角度θ２を対象領域Ｒ１の最小角度θ２としている。つまり、原点Ｏから見て角度がθ２以上θ１以下の範囲を対象領域Ｒ１が存在する範囲としている。また、マップ情報Ｍ１では、図３Ｂに示す角度θ３を対象領域Ｒ２の最大角度θ３とし、角度θ４を対象領域Ｒ２の最小角度θ４としている。つまり、原点Ｏから見て角度がθ４以上θ３以下の範囲を対象領域Ｒ２が存在する範囲としている。なお、マップ情報Ｍ１では、原点Ｏと対象領域Ｒの中心を通る直線の角度のみをマップ情報Ｍ１に記憶する情報としてもよい。

なお、マップ情報Ｍ１は、ＸＹ平面に直交する方向の角度についての情報をさらに加えてもよい。すなわち、ＸＹ平面に直交するＺ方向を規定し、ＸＹＺ座標系において、集音装置１１からアレイ面の平行方向に複数の対象領域Ｒを見たときに、所定のＹＺ平面上に投影される複数の対象領域Ｒについて、対象領域Ｒの輪郭が存在する範囲の原点Ｏからの見た最小角度と最大角度をマップ情報Ｍ１に記憶する情報に加えてもよい。

図１に示す音圧信号記憶部１４２には、集音装置１１により取得された一次音圧信号ＳＰ１と、演算装置１３により算出された二次音圧信号ＳＰ２とが記憶される。

演算装置１３は、記憶装置１４からコンピュータプログラム１４３を読み出して各種の演算を行う装置であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。演算装置１３は、記憶装置１４に記憶されたコンピュータプログラム１４３を実行することにより、生成部１３１としての機能と、検出部１３２としての機能を実現する。

生成部１３１は、一次音圧信号ＳＰ１をビームフォーミング処理することにより、一次音圧信号ＳＰ１から二次音圧信号ＳＰ２を生成する。検出部１３２は、一次音圧信号ＳＰ１あるいは二次音圧信号ＳＰ２に基づいて対象領域Ｒの異常を検出する。生成部１３１及び検出部１３２の具体的な機能については、後述する。

表示装置１５は、情報処理装置１２と電気的に接続されており、対象領域Ｒの監視情報をユーザーに表示する。表示装置１５は、例えば、ディスプレイ及びスピーカーである。監視情報は、例えば、検出部１３２による異常検出結果及び異常原因に関する情報を含む。入力装置１６は、情報処理装置１２と電気的に接続されており、ユーザーから入力された情報を情報処理装置１２へ送信する。入力装置１６は、例えば、マウス及びキーボードである。

通信装置１７は、情報処理装置１２と電気的に接続されており、図示省略する外部の装置（例えば、複数の監視装置１を管理する管理装置）と各種の情報を送受信する。通信装置１７は、例えば、対象領域Ｒの監視情報を管理装置へ送信し、マップ情報Ｍ１等の各種の設定情報を管理装置から受信する。

［集音装置におけるマイクロホンの配置］
図４Ａは、集音装置１１における複数のマイクロホン１１０の配置を示す説明図である。図４Ａに示すように、集音装置１１のアレイ面には、２１個のマイクロホン１１０を配置している。集音装置１１のアレイ面には、番号１のマイクロホン１１０を中心として、その外側で正五角形に配列された第１周目（番号２～６）の各マイクロホン１１０が、周方向に等間隔で並んでいる。また、第１周目の各マイクロホン１１０の外側には、正五角形に配列された第２周目（番号７～１１）の各マイクロホン１１０が、周方向に等間隔で並んでいる。また、第２周目の各マイクロホン１１０の外側には、正五角形に配列された第３周目（番号１２～１６）の各マイクロホン１１０が、周方向に等間隔で並んでいる。また、第３周目の各マイクロホン１１０の外側には、正五角形に配列された第４周目（番号１７～２１）の各マイクロホン１１０が、周方向に等間隔で並んでいる。

図４Ａに示すように、第１周目の正五角形に対する第２周目の正五角形の番号１のマイクロホン１１０を中心とする回転方向の位相は、図４Ａにおける反時計回りに角度ω１だけ異なっている。また、第２周目の正五角形に対する第３周目の正五角形の番号１のマイクロホン１１０を中心とする回転方向の位相は、図４Ａにおける反時計回りに角度ω２だけ異なっている。ここで、角度ω２は、角度ω１より大きい角度となっている（ω２＞ω１）。また、第３周目の正五角形に対する第４周目の正五角形の番号１のマイクロホン１１０を中心とする回転方向の位相は、図４Ａにおける反時計回りに角度ω３だけ異なっている。ここで、角度ω３は、角度ω２より大きい角度となっている（ω３＞ω２）。

このような構成によって、第１～４周目までの各マイクロホン１１０を周方向に位相差を設けずに配置した場合に比べて、集音装置１１のアレイ面に配置された各マイクロホン１１０をより分散させて配置することが可能となる。また、上記角度を（ω３＞ω２＞ω１）の関係とすることによって、集音装置１１では、より外側の周に位置する各マイクロホン１１０ほど、各マイクロホン１００同士の周方向及び径方向の間隔が大きくなっている。換言すれば、集音装置１１では、より内側の周に位置する各マイクロホン１１０ほど、各マイクロホン１００同士の周方向及び径方向の間隔が小さくなっている。

集音装置１１では、中心と第１周目および第２周目に配置された（図４Ａに示す円Ｑ１の内側に配置された）各マイクロホン１１０（番号１～１１）は、各マイクロホン１１０同士の間隔が超音波の検出に適した距離となっている第一マイクロホン群ＭＧ１を構成している。また、集音装置１１では、第３周目および第４周目に配置された（円Ｑ１の外側に配置された）各マイクロホン１１０（番号１２～２１）は、各マイクロホン１１０同士の間隔が可聴音の検出に適した距離となっている第二マイクロホン群ＭＧ２を構成している。

具体的には、本実施形態の集音装置１１では、第一マイクロホン群ＭＧ１における各マイクロホン１１０同士の間隔は、２．３～８．５ｍｍ程度となっている。超音波の波長は、例えば２０ｋＨｚで約１７ｍｍ、５０ｋＨｚで約７ｍｍである。このため、第一マイクロホン群ＭＧ１で検出した音波によれば、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒの検出に十分な位相差が得られる。また、第二マイクロホン群ＭＧ２における各マイクロホン１１０同士の間隔は、８．５ｍｍ以上となっている。このため、第二マイクロホン群ＭＧ２の各マイクロホン１１０は、超音波に比べて長波長である可聴音の検出に適しており、第一マイクロホン群ＭＧ１に比べて広範囲の音波を検出することができる。なお、集音装置１１は、第一マイクロホン群ＭＧ１による超音波の検出結果及び第二マイクロホン群ＭＧ２による可聴音の検出結果についても一次音圧信号ＳＰ１として出力する。

集音装置１１は、このような構成によって、機器２における異常の有無と異常内容の検出に適した可聴音と、異常箇所の検出に適した超音波と、を精度よく検出することができる。

なお、集音装置１１における複数のマイクロホン１１０の配置は、図４Ａに示す配置には限定されず、例えば、図４Ｂに示すような六方配置としてもよい。図４Ｂに示す集音装置１１では、一辺の長さＤ１の正六角形の各頂点上に、番号２～７のマイクロホン１１０の中心が位置し、当該正六角形の重心に、番号１のマイクロホン１１０の中心が位置している。また、当該正六角形を取り囲んで、一辺の長さがＤ１の倍となる正六角形の各頂点上及び各辺の中点上に、番号８～１９のマイクロホン１１０の中心が位置している。すなわち、最外周に位置する複数のマイクロホン１１０は、正六角形の辺又は頂点上に位置している。この場合、図４Ｂに示す円Ｑ２の内側に配置された番号１～７の各マイクロホン１１０で、各マイクロホン１１０同士の間隔を超音波の検出に適した距離とした第一マイクロホン群ＭＧ１を構成すればよく、円Ｑ２の外側に配置された番号８～１９の各マイクロホン１１０で、各マイクロホン１１０同士の間隔を可聴音の検出に適した距離とした第二マイクロホン群ＭＧ２を構成すればよい。

以上に説明したように、本実施形態の集音装置１１は、機器２の運転状態を監視する監視装置１に用いられる集音装置１１であって、機器２から発せられる可聴音及び超音波を含む音波を音圧信号に変換する複数のマイクロホン１１０を備え、複数のマイクロホン１１０には、各マイクロホン１１０同士の間隔が、超音波の検出に適した距離に設定されている第一マイクロホン群ＭＧ１と、各マイクロホン１１０同士の間隔が、可聴音の検出に適し、第一マイクロホン群ＭＧ１の距離に比べて大きい距離に設定されている第二マイクロホン群ＭＧ２と、が含まれる。このように構成することで、集音装置１１を大型化せずに、一つの集音装置１１で可聴音と超音波の音波を精度よく検出することが可能となる。これにより、集音装置１１を、機器２の筐体内や当該機器２の監視対象部位の直近に配置しやすくなる。

［監視処理の手順］
図５は、実施形態に係る監視処理の手順を示すフローチャートである。監視装置１のユーザーが入力装置１６を用いて監視装置１へ監視処理の実行指示を行うと、監視装置１は監視処理を開始する。監視装置１は、機器２が停止されるまで、あるいは、ユーザーが入力装置１６を用いて監視装置１へ監視処理の停止指示を行うまで、以下に示す監視処理を定期的に実行する。

＜集音工程＞
監視処理が開始されると、集音工程Ｓ１が実行される。集音工程Ｓ１は、図２に示す機器２が動作している間に実行される。すなわち、集音工程Ｓ１の間、複数の対象領域Ｒ１、Ｒ２はそれぞれ音波ＳＷ１を発生させており、集音装置１１にはこれらの音波ＳＷ１が合成された合成音波ＳＷ２が伝搬している（図２参照）。

集音工程Ｓ１が開始されると、集音装置１１に含まれる複数のマイクロホン１１０は、入力された合成音波ＳＷ２を一次音圧信号ＳＰ１に変換して、情報処理装置１２に出力する。ここで、マイクロホン１１０は、可聴音（２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ未満）と超音波（２０ｋＨｚ以上）の合成音波ＳＷ２を一次音圧信号ＳＰ１に変換する。マイクロホン１１０ごとに取得された複数の一次音圧信号ＳＰ１は、音圧信号記憶部１４２に記憶される。以上により、集音工程Ｓ１が終了する。

情報処理装置１２は、機器２に異常がない運転初期の段階において集音工程Ｓ１で検出した一次音圧信号ＳＰ１を、初期一次音圧信号ＳＰ０として他の一次音圧信号ＳＰ１と区別して取得する。そして、情報処理装置１２は、初期一次音圧信号ＳＰ０を音圧信号記憶部１４２に記憶する。

＜異常検出工程＞
次に、異常検出工程Ｓ２が実行される。異常検出工程Ｓ２では、検出部１３２によって、音圧信号記憶部１４２に記憶された一次音圧信号ＳＰ１のうちの特に可聴音（２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ未満）の周波数域の信号を用いて、対象領域Ｒにおける異常の有無を検出する。

機器２の対象領域Ｒ１、Ｒ２において、軸受２１、２２の故障や潤滑不良、回転軸２３の損傷等の典型的な異常が生じた場合には、異常が生じた対象領域Ｒから数百ｋＨｚ程度（可聴音域）の特徴的な音波（以下、特徴的音波ＳＷ３と称する）が発生する。検出部１３２は、一次音圧信号ＳＰ１のうち、特に可聴音（２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ未満）の周波数域の信号から、特徴的音波ＳＷ３の有無を検出する。

図６に示すように、機器２において、異常が生じた対象領域Ｒから発せられた特徴的音波ＳＷ３は、例えば、回転軸２３を介して他の対象領域Ｒにも伝達されるため、異常がない対象領域Ｒからも特徴的音波ＳＷ３が発せられる場合がある。つまり、特徴的音波ＳＷ３に基づいて、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを検出することは困難である。集音装置１１は、図６に示すように複数の対象領域Ｒを含む範囲からの音波ＳＷ１が集まった合成音波ＳＷ２を検出することができる。このため、いずれかの対象領域Ｒにおいて異常が発生して特徴的音波ＳＷ３が生じた場合、集音装置１１は、音波ＳＷ１と特徴的音波ＳＷ３を含む合成音波ＳＷ２を確実に検出することができる。

検出部１３２は、音圧信号記憶部１４２に記憶された一次音圧信号ＳＰ１を用いて、可聴音域における特徴的音波ＳＷ３の検出を試みる。そして、検出部１３２は、特徴的音波ＳＷ３を検出した場合には、「異常あり」の結果を記憶装置１４に出力する。また、検出部１３２は、特徴的音波ＳＷ３を検出しなかった場合には、「異常なし」の結果を記憶装置１４に出力する。なお、異常検出工程Ｓ２では、異常が生じている対象領域Ｒの検出までは行わない。異常が生じている対象領域Ｒの検出は、この後の異常箇所検出工程Ｓ４で行う。

検出部１３２は、異常がある機器２から発せられる典型的な音波を一次音圧信号ＳＰ１のうちの可聴音域の信号から検出することで、精度よく機器２の異常の有無を検出することができる。この場合、検出部１３２は、複数の対象領域Ｒごとに異常の有無を判定する必要がないため、少ない演算量で、機器２の異常の有無を検出することができる。

＜判定工程＞
次に、情報処理装置１２は、検出部１３２の検出結果に基づく判定を行う（Ｓ３）。異常検出工程Ｓ２において検出部１３２が「異常あり」の結果を出力した場合（ＹＥＳの場合）には、次に、異常箇所検出工程Ｓ４に移行する。一方、異常検出工程Ｓ２において検出部１３２が「異常なし」の結果を出力した場合（ＮＯの場合）には、報知工程Ｓ６に移行する。

このように、情報処理装置１２は、異常検出工程Ｓ２において機器２に異常があることを検出した場合に、異常箇所検出工程Ｓ４を実行する。このように構成することで、情報処理装置１２の演算量を減らすことができる。これにより、情報処理装置１２の演算時間が短縮され、機器２の異常の有無をよりリアルタイムで判定することが可能となる。

＜異常箇所検出工程＞
異常検出工程Ｓ２において「異常あり」と判定された場合、次に、異常箇所検出工程Ｓ４が実行される。異常箇所検出工程Ｓ４が開始されると、検出部１３２は、音圧信号記憶部１４２に記憶された二次音圧信号ＳＰ２を用いて、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを検出する処理を実行する。

図７Ａに示すように、二次音圧信号ＳＰ２は、一次音圧信号ＳＰ１をビームフォーミング処理して生成される。本実施形態のビームフォーミング処理では、集音装置１１の原点Ｏを基準とした角度についての合成音波ＳＷ２の検出範囲内にビーム走査範囲を設定する。そして、このビーム走査範囲を０．５～１°程度のビームスキャン範囲ごとに走査して、一次音圧信号ＳＰ１を処理する。具体的には、集音装置１１に到達した音波ＳＷ１の各周波数におけるパワースペクトル密度（以下、ＰＳＤ（Power Spectral Density）と記載する）をビームスキャン範囲ごとに算出し、二次音圧信号ＳＰ２を生成する。本実施形態では、ビームフォーミング処理の具体的手法として、既知の手法（例えば、ディレイアンドサムやフィルタアンドサム等）を用いている。

集音装置１１の第一マイクロホン群ＭＧ１では、各マイクロホン１１０同士の間隔が、超音波の波長の２分の１よりも小さい２．３～８．５ｍｍ程度となっている。このため、第一マイクロホン群ＭＧ１で検出した一次音圧信号ＳＰ１のうちの超音波域の信号を用いれば、各マイクロホン１１０で検出する信号について確実に１波長分以上の位相差が得られる。そして、この一次音圧信号ＳＰ１を用いれば、ビームフォーミング処理後の二次音圧信号ＳＰ２において良好な定位精度が得られる。これにより、監視装置１では、二次音圧信号ＳＰ２に基づいて対象領域Ｒを精度よく検出することが可能となっている。

本実施形態では、図７Ｂに示すように、集音装置１１の中心を原点Ｏとし、原点Ｏから集音装置１１の正面の方向を角度（０°）に規定する。そして、角度（０°）に対するビームの走査角度をビーム走査角度と称し、上記「ビーム走査範囲」を、ビーム走査角度が（－３５°）～（＋３５°）の範囲としている。

検出部１３２は、特に、超音波域（２０ｋＨｚ以上）の二次音圧信号ＳＰ２を用いて、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを検出する。機器２の回転部分（軸受等）に傷が生じる原因となる当該回転部分の潤滑状態の悪化は、約３０～３５ｋＨｚの音波として現れやすい。このため、超音波域（２０ｋＨｚ以上）の音波は、回転部分の異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒの検出に適している。

図８には、異常のない機器２について生成した二次音圧信号ＳＰ２を示している。この二次音圧信号ＳＰ２は、初期一次音圧信号ＳＰ０に基づいて生成することができる。以下では、初期一次音圧信号ＳＰ０をビームフォーミング処理して生成した二次音圧信号ＳＰ２を区別して、初期二次音圧信号ＳＰ３と称する。

図８には、超音波域の初期二次音圧信号ＳＰ３を示しており、３０ｋＨｚ、３６ｋＨｚ、４２ｋＨｚ、４８ｋＨｚの各付近には、ビーム走査角度に依存しないパワースペクトル（以下、ＰＳ（Power Spectrum）と記載する）が現れている。これは、機器２の固有振動周波数のＰＳである。この固有振動周波数のＰＳは、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを検出する際のノイズとなる。このため、検出部１３２によって対象領域Ｒを検出する際には、機器２の固有振動周波数を避けた周波数帯の二次音圧信号ＳＰ２を用いることが好ましい。このため、本実施形態では、４３ｋＨｚから４７ｋＨｚまでの周波数帯（図８の点線で囲んだ範囲）の二次音圧信号ＳＰ２を、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒの検出に用いている。なお、図８には示していないが、ＰＳＤは、図８に示したようなＰＳのグラフ（線や点）に、ＰＳの密度に応じた濃淡や色調の変化をつけることで、グラフ上に示すことができる。

以上に説明したように、本実施形態の情報処理装置１２は、異常箇所検出工程Ｓ４の処理において、機器２の固有振動周波数を含まない周波数帯の二次音圧信号ＳＰ２に基づいて機器２の異常箇所Ｐを検出する。このように構成することで、機器２の異常箇所Ｐをより精度よく検出することが可能となる。

図９には、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒの検出に適する周波数帯（図８参照）から選んだ周波数（例えば、４６ｋＨｚ）の二次音圧信号ＳＰ２について、ビーム走査角度とＰＳＤとの関係を示している。図９には、運転状態が正常な機器２に係るグラフＡと、運転状態に異常がある機器２に係るグラフＢを示している。グラフＡは、初期二次音圧信号ＳＰ３に基づくグラフである。

監視装置１では、運転状態に異常がない機器２の初期二次音圧信号ＳＰ３（グラフＡ）と異常がある機器２の二次音圧信号ＳＰ２（グラフＢ）の差分に基づいて、異常箇所Ｐを検出する。本実施形態では、初期二次音圧信号ＳＰ３（グラフＡ）と二次音圧信号ＳＰ２（グラフＢ）の差分（グラフＣ）を生成し、この差分に基づいて異常箇所Ｐを検出している。

図９に示すように、異常がある場合のデータから異常がない場合のデータを差し引くことで、グラフＣには、機器２に異常が生じたことで増加した音が際立って現れている。具体的には、グラフＣには（－２０°）付近にＰＳＤのピークが現れている。これにより検出部１３２は、集音装置１１の中心（原点Ｏ）から見てＸＹ平面で（－２０°）の方向に異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒがあると判定する。なお、検出部１３２は、初期二次音圧信号ＳＰ３（グラフＡ）と二次音圧信号ＳＰ２（グラフＢ）の差分（グラフＣ）において、図１０に示すような複数のピーク（ピーク１～３）が存在する場合には、差分のピーク値が最も大きい箇所（ピーク１）の角度を、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒがある角度と判定する。

検出部１３２は、二次音圧信号ＳＰ２から判定した異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒがある角度（本実施形態では（－２０°））を、マップ情報Ｍ１と照合し、異常が生じている対象領域Ｒを検出する。以上により、異常箇所検出工程Ｓ４が終了する。

このように監視装置１では、検出部１３２によって、集音装置１１で検出した合成音波ＳＷ２から各音波ＳＷ１の角度（伝搬方向）を検出し、その角度をマップ情報Ｍ１と照合することで、異常箇所Ｐが含まれる対象領域Ｒを検出する。

以上に説明したように、本実施形態の情報処理装置１２は、運転初期において機器２から発せられる音波の初期一次音圧信号ＳＰ０を取得する処理を集音工程Ｓ１において実行し、異常箇所検出工程Ｓ４を実行する処理において、初期一次音圧信号ＳＰ０をビームフォーミング処理して生成した初期二次音圧信号ＳＰ３と、機器２の運転初期後の二次音圧信号ＳＰ２と、の差分に基づいて機器２の異常箇所Ｐを検出する。このように構成することで、機器２の異常箇所Ｐをより精度よく検出することが可能となる。

＜異常内容検出工程＞
次に、異常内容検出工程Ｓ５が実行される。検出部１３２は、いずれかの対象領域Ｒに異常があると判定した場合、当該異常の内容を検出する処理を実行する。異常内容検出工程Ｓ５において、検出部１３２は、音圧信号記憶部１４２に記憶された一次音圧信号ＳＰ１のうち、特に可聴音（２０Ｈｚ以上２０ｋＨｚ未満）の周波数域の信号を用いて、対象領域Ｒに生じている異常の内容を検出する。

異常内容検出工程Ｓ５が開始されると、検出部１３２は、一次音圧信号ＳＰ１のうちの可聴音域の信号に含まれる特徴量を取得する。例えば、当該対象領域Ｒにおける特徴量と、所定のデータベースに記憶されている複数の異常情報とを比較する。

異常内容検出工程Ｓ５では、機器２の典型的な異常として異常検出工程Ｓ２で用いた数百Ｈｚ程度の可聴音域の特徴的音波ＳＷ３を、特徴量として利用することができる。複数の異常情報の中に、当該特徴量（特徴的音波ＳＷ３）と一致する異常情報があれば、対象領域Ｒの異常を当該異常情報に基づく異常であると判定する。複数の異常情報の中に、当該特徴量（特徴的音波ＳＷ３）と一致する異常情報がない場合、未知の異常であると判定する。以上により、異常内容検出工程Ｓ５が終了する。

以上に説明したように、本実施形態の情報処理装置１２は、異常検出工程Ｓ２において機器２に異常があることを検出した場合に、一次音圧信号ＳＰ１のうちの可聴音域の信号に基づいて、機器２の異常内容を検出する異常内容検出工程Ｓ５の処理をさらに実行可能である。このように、異常内容の検出を行う音波を可聴音（本実施形態では特徴的音波ＳＷ３）とすることで、異常がある機器２から発せられる典型的な可聴音に基づいて、機器２の異常内容を精度よく検出することが可能となる。

図５に示すように、本実施形態では、異常箇所検出工程Ｓ４の後で異常内容検出工程Ｓ５が実行される場合を例示したが、異常内容検出工程Ｓ５は、異常検出工程Ｓ２で機器２に「異常あり」との判定結果が出た後であれば実行可能である。つまり、異常内容検出工程Ｓ５は、異常箇所検出工程Ｓ４の前に実行してもよいし、異常箇所検出工程Ｓ４と平行して同時に実行してもよい。

＜報知工程＞
異常検出工程Ｓ２において検出部１３２が「異常なし」の結果を出力した場合、あるいは、異常内容検出工程Ｓ５が終了した場合には、次に、報知工程Ｓ６が実行される。報知工程Ｓ６が開始されると、情報処理装置１２は、音圧信号記憶部１４２に記憶されている異常判定結果や異常のある対象領域Ｒの検出結果及び異常内容の検出結果に基づいて、表示装置１５に監視情報を出力する。この場合、複数の対象領域Ｒごとに監視情報を出力すると好ましい。また、情報処理装置１２は、通信装置１７を介して管理装置へ当該監視情報を出力してもよい。また、対象領域Ｒに異常があると判定された場合、表示装置１５のスピーカーから警報音を発報するようにしてもよい。以上により、報知工程Ｓ６が終了する。

［監視装置による対象領域の検出結果］
図１に示す監視装置１によって、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを検出する実験を行った。マップ情報Ｍ１には、対象領域Ｒ１に位置する軸受２１について、最大角度θ１＝（＋３１°）と最小角度θ２＝（＋１６°）が記憶されている。また、マップ情報Ｍ１には、対象領域Ｒ２に位置する軸受２２について、最大角度θ３＝（－３１°）と最小角度θ４＝（－１６°）が記憶されている（図３Ａ，Ｂ参照）。

ここでは、以下の５パターンで実験を行った。
（１）転動体に異常箇所Ｐがある軸受２２を用いた場合。
（２）内輪に異常箇所Ｐがある軸受２２を用いた場合。
（３）転動体に異常箇所Ｐがある軸受２１を用いた場合。
（４）内輪に異常箇所Ｐがある軸受２１を用いた場合。
（５）内輪に異常箇所Ｐがある軸受２１と、転動体に異常箇所Ｐがある軸受２２を用いた場合。

図１１Ａには、上記パターン（１）とパターン（２）の場合のＰＳＤの差分の検出結果を示している。各パターン（１）（２）の実験結果を示す各グラフには、角度が（－２２°）の付近にＰＳＤのピークが現れている。この角度（－２２°）は、マップ情報Ｍ１に記憶されている対象領域Ｒ２（軸受２２）の存在範囲（－１６°）～（－３１°）に含まれている。そして、検出部１３２は、この検出結果に基づいて、軸受２２が存在する対象領域Ｒ２に異常箇所Ｐがあると判定した。

また、図１１Ｂには、上記パターン（３）とパターン（４）の場合のＰＳＤの差分の検出結果を示している。各パターン（３）（４）の実験結果を示す各グラフには、角度が（＋２２°）の付近にＰＳＤのピークが現れている。この角度（＋２２°）は、マップ情報Ｍ１に記憶されている対象領域Ｒ１（軸受２１）の存在範囲（＋１６°）～（＋３１°）に含まれている。そして、検出部１３２は、この検出結果に基づいて、軸受２１が存在する対象領域Ｒ１に異常箇所Ｐがあると判定した。

これらの実験結果より、監視装置１によれば、対象領域Ｒのいずれかに異常が発生している場合、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを精度よく検出できることが確認された。

さらに、図１１Ｃには、上記パターン（５）の場合のＰＳＤの差分の検出結果を示している。パターン（５）の実験結果を示すグラフには、角度が（－２２°）の付近と、角度が（＋２２°）の付近にＰＳＤのピークが現れている。角度（＋２２°）は、マップ情報Ｍ１に記憶されている軸受２１の存在範囲（＋１６°）～（＋３１°）に含まれており、角度（－２２°）は軸受２２の存在範囲（－１６°）～（－３１°）に含まれている。そして、監視装置１は、検出部１３２が、この実験結果に基づいて、軸受２１が存在する対象領域Ｒ１と、軸受２２が存在する対象領域Ｒ２にそれぞれ異常箇所Ｐがあると判定した。

この実験結果より、監視装置１によれば、複数の対象領域Ｒで同時に異常箇所Ｐが発生している場合に、異常箇所Ｐを含む複数の対象領域Ｒをそれぞれ検出できることが確認された。

以上に説明したように、本実施形態の監視装置１は、機器２の運転状態を監視する監視装置１であって、機器２から発せられる可聴音と超音波を含む音波を一次音圧信号ＳＰ１に変換するマイクロホン１１０を複数配置している集音装置１１と、一次音圧信号ＳＰ１のうちの可聴音域の信号に基づいて機器２の異常の有無を検出する異常検出工程Ｓ２を実行する処理と、一次音圧信号ＳＰ１のうちの超音波域の信号をビームフォーミング処理して二次音圧信号ＳＰ２を生成し、二次音圧信号ＳＰ２に基づいて機器２の異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを検出する異常箇所検出工程Ｓ４を実行する処理と、を実行可能な情報処理装置１２と、を備えている。

このような監視装置１によれば、機器２の異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒの検出を行う音波を超音波とすることで、マイクロホン１１０の間隔を拡げなくても、異常箇所Ｐを含む対象領域Ｒを精度よく検出することができる。また、機器２の異常の検出を行う音波を可聴音とすることで、異常がある機器２から発せられる典型的な可聴音に基づいて、機器２の異常を精度よく検出することが可能となる。この結果、集音装置１１を大型化せずに、機器の異常を精度よく検出することが可能となる。

以上のとおり開示した実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。つまり、本発明の監視装置は、図示する形態に限られず、本発明の範囲内において他の形態であってもよい。

１：監視装置 ２：機器 １１：集音装置 １２：情報処理装置
１１０：マイクロホン ＳＷ１：音波 ＳＷ２：合成音波 ＳＰ０：初期一次音圧信号
ＳＰ１：一次音圧信号 ＳＰ２：二次音圧信号 ＳＰ３：初期二次音圧信号
Ｐ：異常箇所 Ｒ、Ｒ１、Ｒ２：対象領域 ＭＧ１：第一マイクロホン群
ＭＧ２：第二マイクロホン群 Ｓ１：集音工程 Ｓ２：異常検出工程
Ｓ４：異常箇所検出工程 Ｓ５：異常内容検出工程

Claims (7)

1. 機器の運転状態を監視する監視装置であって、
   前記機器から発せられる可聴音と超音波を含む音波を一次音圧信号に変換するマイクロホンを複数配置している集音装置と、
   前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて前記機器の異常の有無を検出する第１処理と、前記一次音圧信号のうちの超音波域の信号をビームフォーミング処理して二次音圧信号を生成し、前記二次音圧信号に基づいて前記機器の異常箇所を検出する第２処理と、を実行可能な情報処理装置と、を備え、
   前記情報処理装置は、
   前記第１処理において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記第２処理を実行する、監視装置。
2. 前記情報処理装置は、
   前記第１処理において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて、前記機器の異常内容を検出する第３処理をさらに実行可能である、請求項１に記載の監視装置。
3. 前記情報処理装置は、
   前記第２処理において、前記機器の固有振動周波数を含まない周波数帯の前記二次音圧信号に基づいて前記機器の異常箇所を検出する、請求項１又は請求項２に記載の監視装置。
4. 前記情報処理装置は、
   運転初期において前記機器から発せられる前記音波の前記一次音圧信号である初期一次音圧信号を取得する第４処理を実行し、
   前記第２処理において、前記初期一次音圧信号をビームフォーミング処理して生成した前記二次音圧信号である初期二次音圧信号と、前記機器の運転初期後の当該第２処理において生成した前記二次音圧信号と、の差分に基づいて前記機器の異常箇所を検出する、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の監視装置。
5. 前記複数のマイクロホンには、
   各マイクロホン同士の間隔が、前記超音波の検出に適した距離に設定されている第一マイクロホン群と、
   各マイクロホン同士の間隔が、前記可聴音の検出に適し、前記第一マイクロホン群の前記距離に比べて大きい距離に設定されている第二マイクロホン群と、が含まれる、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の監視装置。
6. 複数のマイクロホンを配置している集音装置により機器の運転状態を監視する監視方法であって、
   前記機器から発せられる可聴音及び超音波を含む音波を、複数の前記マイクロホンを通じて一次音圧信号として取得する第１工程と、
   前記第１工程で取得した前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて、前記機器の異常を検出する第２工程と、
   前記第２工程において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記第１工程で取得した前記一次音圧信号のうちの超音波域の信号をビームフォーミング処理して生成した二次音圧信号に基づいて、前記機器の異常箇所を検出する第３工程と、を備え、
   前記第２工程において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記第３工程を実行する、監視方法。
7. 前記第２工程において前記機器に異常があることを検出した場合に、前記第１工程で取得した前記一次音圧信号のうちの可聴音域の信号に基づいて、前記機器の異常内容を検出する第４工程をさらに備える、請求項６に記載の監視方法。

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