JPH0417498A - 近距離用音響検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は音響センサアレイ近くの特定空間領域について
高検出能力を有する近距離用音響検出装置に関するもの
である。

（従来の技術） 従来、工作機械のドリルの切削音を監視し、切削状態を
コントロールすることが知られているが、工場のような
各種の音が交錯する環境下では、ドリルの先端部の切削
音のみを抽出することは、単一の音響センサでは、全方
向に感度を有するために不可能であった。このため、複
数の音響センサを線状や平面状に配列し、それらの出力
を電気的に整相処理し、特定領域に高い信号検出能力を
有する音響検出装置の製作が試みられている。

−船釣に、全く同し指向性を有する音響センサを配列し
た音響センサアレイの場合、音源から音響センサ迄の距
離が十分大きいときには以下に述べるブリ、ジの法則が
成立する。

音響センサアレイの受波面がＸ−Ｙ軸平面にあり、音響
センサアレイの中心軸がＺ軸上にある場合、音響センサ
アレイや音響センサに対する音の到来方向がＸ軸方向に
対して角度θ、Ｘ軸方向に対して角度ｆをなすとする。

すると、音響センサを配列したことによってつくられる
指向性係数Ｄ（θ、ｆ）は、無指向性音響センサを配列
したことによって生じる指向性である音響センサアレイ
の指向性係数り、（θ、Ｖ）と、指向性を存する各音響
センサの指向性係数Ｄｓ（θ、ｆ）との積により次のよ
うに表わされる。

Ｄ（θ、デ）＝Ｄ、（θ、　　％）、ＤＳ（θ、ｆ）・
・・（１）上記（１）式のブリッジの法則が成立するこ
とは、その音響センサアレイ自体が、高い指向性を有し
、Ｓ／Ｎ比の良好な信号を得ることができることを意味
する。

〔発明が解決しようとする課題〕 従来の音響検出装置は以上のようなので、信号の整相処
理を行うための整相回路を必要とする為に回路構成が複
雑となりしかも装置自体が高価になる課題があった。

又、上記（］）式のブリッジの法則は、音源迄の距離が
十分大きい場合に成立し、近距離では成立しないのが普
通で、従来の近距離用音響センサアレイには適用できず
、そのＳ／Ｎ比が悪化するなどの課題があった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたも
ので、指向性を有する音響センサを円形状に配列した音
響センサアレイについて、各音響センサの最大応答軸を
音響センサアレイ近くの信号検出範囲に収束させること
により、構成が簡単かつ安価で特定近距ＨｔｉＩ域から
の音波を高感度に検出することのできる近距離用音響検
出装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の近距離用音響検出装置は、指向性を有する多数
の音響センサが円形状に配列され、その最大応答軸が中
心軸上で近距離に略収束するように指向された音響セン
サアレイと、音響センサの出力を加算する加算手段を設
けたものである。

又、加算手段は音響センサを複数のグループに分割し、
グループを選択して加算する。

又、音響センサの指向特性がカージオイドパターンであ
る。

又、音響センサの周波数帯域が高周波数帯域である。

又、音響センサを取付用金具に取付けた防振材の孔にて
保持するようにした。

〔作　用〕

この発明における近距離用音響検出装置は、音響センサ
アレイの指向幅と各音響センサの指向幅との共通領域か
らの音波を音響センサアレイにより高感度に検出し、音
響センサの出力を加算手段により整相する必要なく加算
して出力する。

加算手段は音響センサのグループを選択して加算するこ
とにより音響センサアレイの指向方向を変化させて音波
の高感度検出領域を変える。

音響センサの指向特性をカージオイドパターンとするこ
とにより指向性を鋭くする。

音響センサの周波数帯域を高周波数帯域とすることによ
りその指向性を鋭くする。

工作機械等の外部からの振動を防振材で減衰させること
により音響センサへの振動の影響を極力防く。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。第１図は本発明の一実施例により音響検出装置の音
響センサアレイの斜視図である。

第１図において、１〜３２は各々が単一指向性を有し音
波を受波してその強度に応した大きさの電気信号に変換
する第１〜第３２の音響センサであり、円形状に配列さ
れた音響センサアレイ３３を構成している。第１〜第３
２の音響センサ１〜３２の各々は、その最大応答軸が音
響センサアレイ３３の近くでその中心軸Ｚ上に略収束す
るように、その受波面が略等角度をもって内側に傾斜配
置されている。音響センサアレイ３３を水平に配置し、
その中心軸Ｚが垂直になるとすると、第１〜第３２の音
響センサ１〜３２の各々は水平面に対してその受波面が
例えば３０°内側に傾斜して配置されている。

第・２図囚、（印は第１図に示した第１〜第３２の音響
センサ１〜３２の各々の取付は状態を１つの音響センサ
で代表的に示したものである。ＭＨは例えばウレタンゴ
ム等の防振材からなる四角い音響センサホルダであり、
中央に円筒状の孔があけられ、この円筒状の孔により１
つの音響センサＭＳを保持している。この音響センサホ
ルダＭＨは逆への字形に折曲げられた取付金具Ｍの片面
に固着されており、金具Ｍのもう一方の面は止め螺ＢＮ
で円環状の取付架台上に固定されるようになっている。

第３図は本発明の一実施例による音響検出装置の構成を
示す回路図である。第１〜第３２の音響センサ１〜３２
は、第１〜第８の音響センサ１〜８、第９〜第１６の音
響センサ９〜１６、第１７〜第２４の音響センサ１７〜
２４、第２５〜第３２の音響センサ２５〜３２の各々に
より構成される各々が円弧状の第１〜第４の音響センサ
アレイ部３３ａ〜３３ｄのように電気的に４分割されて
いる。第１〜第８の音響センサｌ〜８の各々は各プリア
ンプ３４を介して第１の加算器３５の入力部に接続され
ている。第９〜第１６の音響センサ９〜１６、第１７〜
第２４の音響センサ１７〜２４、第２５〜第３２の音響
センサ２５〜３２の各々も同様にして各プリアンプ３４
を介して第２〜第４の加算器３６〜３８の各入力部に割
振られて接続されている。第１〜第４の加算器３５〜３
８の各出力側は加算モード選択回路３９を構成している
第１〜第４のスイッチ４０〜４３の各−端に接続されて
いる。第１〜第４のスイッチ４０〜４３の各他端は各増
幅器４４を介して第５の加算器４５の入力部に接続され
ている。なお、各増幅器４４は、フィルターの役割りも
兼ね備え、例えばＩ　ＫＨｚ以上の周波数の信号を通過
させる。

次に、かかる構成の音響検出装置の動作説明をする前に
本発明の詳細な説明をする。

第４図に示すように、円形状に配列されたｎ個の音響セ
ンサＭＳで音源Ａ−３から受けた信号をそれぞれＳ、、
　Ｓ、・・・Ｓ、、とすると、この時の音響センサアレ
イの加算合成出力の２乗平均値ｓ２は下記式％式％ 但し、Ｉ＋　ｊは１〜ｎの任意の整数、Ｓｏは音響セン
サアレイの中心０で受けた信号である。信号Ｓ８とＳ、
の相関係数ρ、Ｊはρｉ　ｊ　＝Ｓ　ｉ・５ＪｚＶ””
ｉ７百）で表わされる。（ロバート・ジエー・コーリン
ク著。

水中音響の原理、マクグローヒルブック　カンパニー発
行所、　１９７５年参照）。

ρ３Ｊを用いて（２）式を変形すると、訂４７Σρ、　
Ｊ、ｍ／葛　　　・・・（３）が成立する。ここで、信
号Ｓ、、　ＳＪが互いに独立であるとすると ｉ！ｒ、ρ　　　　　　　・・・（４）が成立し、これ
より下記式が成立する。

音響センサの最大応答軸と音波の到来方向とのなす角度
をφとした場合に、音響センサは指向性Ｒｓ（φ）（−
２Ｊ＋（ｋａ励φ）　／　（ｋａ　、、φ）；但し、Ｊ
、は１次のベンセル関数、ｋは波数２π／λ、ａは音響
センサの受波面の半径）を有する。従って、音波は球面
拡散するものとし、ｒｏを音響センサアレイの半径、ｒ
、は音源Ａ−３からｉ番目の音響センサ迄の距離、ｒ、
は音源Ａ、Ｓからｊ番目の音響センサ迄の距離とし、１
番目の音響センサのφ＝φ。

とし、ｊ番目の音響センサのφ＝φ、とすると、が成立
し、（３）　、　（５）　、　（６）　、　（７）式が
ら・・・（８） が成立する。但し、ｋ＝２１を波数として、ρ、。

λ ＝（至）（（ｒｔ　−ｒＪ）ｋ　） 今、簡単のために音源Ａ、Ｓが音響センサアレイの中心
軸である第５図に示すＺ軸にあるものと仮定する。そし
て、円形に配列された各音響センサを各々通り、Ｚ軸と
の平行線をＺ′とし、Ｚ′と最大応答軸とのなす角度を
α、音源Ａ−Ｓと各音響センサとを結ぶ距離をｒ（＝ｒ
、＝ｒＪ）とし、中心０点から音ｆｉ　ＡＳ迄の近距離
をＺとすると（８）式は下記のようになる。

Ｔ”　＝　Ｓ　ｏ　”−ｆ　（ｚ　、　ｃｒ　）　・Σ
ρ８、　　　　　・・・・・・（９）但し、ｆ（ｚ、α
）　＝　（１＋　”：　）　４ｓ”＜ｍ−’　（”）−
α）ｚ である。

ｆ（ｚ、α）はα１くα２くα３のαに対して第６図に
示すように各Ｚ　（ａに対して各ピークを有する。

即ち、Ｓ２は音響センサアレイの中心Ｏからある特定距
離について最大応答特性を存している。

これは、Ｒ５”＜ｍ−’　（−！−り一α）を上記り、
（θ、ｙ）に対応させ、ΣＰｉｊを上記り、（θ、Ｙ）
に対応させれば、２乗検波出力Ｓ２においては、ブリ・
ノジの法則が近距離でも成立することが容易に理解され
る。

上記原理で説明したように、音響センサアレイ３３の中
心軸上附近では近距離であってもブリツノの法則が成立
する。このため、音響センサアレイ３３の中心軸上附近
の指向幅と、第１〜第３２の音響センサ１〜３２の最大
応答軸上附近の指向幅との共通領域が存在し、音響セン
サアレイ３３の高感度となる領域になる。故に、音響セ
ンサアレイ３３から特定近距離範囲について音響センサ
アレイ３３が高い信号検出能力を有することになる。第
１〜第４の音響センサアレイ部３３ａ〜３３ｄの各々あ
るいは組合せた音響センサアレイについても音響センサ
アレイ３３と同様に上記の事が言える。

第１〜第３２の音響センサ１〜３２は音響センサアレイ
３３の中心軸Ｚ上附近にある高感度検出領域からの音波
を受波して音の強度に応した電気信号に変換して各プリ
アンプ３４に出力する。各プリアンプ３４は入力信号を
増幅して第１〜第４の加算器３５〜３８に出力する。第
１の加算器３５は第１の音響センサアレイ部３３ａの第
１〜第８の音響センサｌ〜８の出力を増幅した信号を加
算し、第２の加算器３６は第２の音響センサアレイ３３
ｂの第９〜第１６の音響センサ９〜１６の出力を増幅し
た信号を加算する。又、第３の加算器３７は第３の音響
センサアレイ部３３ｃの第１７〜第２４の音響センサ１
７〜２４の出力を増幅した信号を加算し、第４の加算器
３８は第４の音響センサアレイ部３３ｄの第２５〜第３
２の音響センサ２５〜３２の出力を増幅した信号を加算
する。第１〜第４の加算器３５〜３８の出力は、第１〜
第４のスイッチ４０〜４３のオン・オフ状態に応して選
択的に増幅器４４に与えられ、この増幅器４４により増
幅されると共にＩ　ＫＨｚ以上の信号が通過され、更に
第５の加算器４５により加算されて出力される。

上記のように、ブリッジの法則が近距離でも成立すれば
、音響センサアレイ３３近くの特定領域からの音波を特
に整相しなくても高感度に検出できることが可能となる
。このために、本実施例によれば整相処理が不要なので
回路構成が簡単かつ安価になる。

音響センサアレイ３３の略中心軸上の特定近距離領域の
音波を検出したい場合には、第１〜第４のスイッチ４０
〜４３の全てをオン状態にする事が必要である。

その特定近距離領域から水平方向に多少ずれた他の特定
近距離ｗ４域の音波を高感度に検出したい場合には、第
１〜第４のスイッチ４０〜４３の少くとも１つをオフに
すれば良い。この場合は例えば工作機械のドリル側面に
て切削する場合等に適用される。

第７図は音響センサアレイ３３による５　ＫＨｚの正弦
波の空間応答特性を示したものである。この場合の条件
として、カージオイドパターンの指向特性を有する第１
〜第３２の音響センサｌ〜３２を内側へ３０°傾斜させ
、音響センサアレイ３３の半径ｒ、＝２０ｃｍとした。

第７図では、最大出力レベルをＯｄＢとし、−３，−６
，−９ｄＢの等肩線マツプで示した。この場合、音響セ
ンサアレイ３３の中心軸であるＺ軸上で、その中心点か
ら２０ｃｍの距離の近辺に最大応答特性を有することが
理解される。

なお、音響センサの保持に防振材を用いた理由は、工作
機械等の外部からの振動が防振材により減衰され、音響
センサにノイズ等の悪影響を及ぼさないためである。

又、音響センサとしてコンデンサマイクロホン、エレク
トレットマイクロホン、圧電マイクロホン、ＰＶＤＦマ
イクロホン等が具体的に挙げられる。

又、音響センサの周波数帯域を超音波帯域にすればより
鋭い指向性が得られる。

又、上記実施例においては、その出力を加算合成する音
響センサを選択して検出特性が最大となる領域（焦点）
を変化させたが、音響センサの傾き角を調整してもその
焦点を変化させることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば円形状に配列された音響
センサの最大応答軸をその中心軸上で近距離に略収束す
るよう指向させ、音響センサの出力で加算手段により加
算合成するように構成したので、整相処理を必要とせず
に特定近距離領域を高感度に信号検出でき、回路構成が
簡単かつ安価となる効果が得られる。

又、音響センサをグループ分けし、グループを選択して
加算することにより、高感度検出領域を変化させること
ができる。

又、音響センサの指向特性をカージオイドパターンとし
たり、その周波数帯域を超音波帯域にすることにより、
より鋭い指向性が得られる。

又、音響センサを防振材で保持することにより振動の影
響を除去できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による近距離用音響検出装置
の音響センサアレイの斜視図、第２図は上記一実施例に
よる音響センサの取付状態を示す図、第３図は上記一実
施例による装置の回路構成図、第４図ないし第６図は本
発明の詳細な説明するための概略説明図、第７図は上記
一実施例による音響センサアレイの空間応答特性を示す
図である。 図中、１〜３２・・・第１〜第３２の音響センサ、３３
・・・音響センサアレイ、３３ａ〜３３ｄ・・・第１〜
第４の音響センサアレイ部、３５〜３８・・・第１〜第
４の加算器、４０〜４３・・・第１−第４のスイッチ、
４５・・・第５の加算器。 第２図 （Ａ） Ｍ：を付金具 第３図 ４５：第５の加算器 第４因 第５図 ｆＣｘ、（０ 第６図 第 ア 図 中心からの水平距離忙ｍ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）指向性を有する多数の音響センサが円形状に配列
   されていると共に前記音響センサの最大応答軸がその中
   心軸上で近距離に略収束するように指向された音響セン
   サアレイと、該音響センサアレイの音響センサの出力を
   加算する加算手段とを備えた近距離用音響検出装置。
2. （２）加算手段は、前記音響センサを複数のグループに
   分割し、分割したグループを選択して加算する請求項１
   記載の近距離用音響検出装置。
3. （３）音響センサの指向特性がカージオイドパターンで
   ある請求項１又は２記載の近距離用音響検出装置。
4. （４）音響センサの周波数帯域が超音波帯域である請求
   項１又は２記載の近距離用音響検出装置。
5. （５）音響センサの取付用金具に取付けた防振材に円筒
   状の孔を設け、該孔により前記音響センサを保持させた
   請求項１又は２記載の近距離用音響検出装置。