JPH11344408A - 音源探査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、監視領域内の音源を探査する
場合に問題となる音響センサの周波数特性を補正するこ
とであり、補正により音速を見かけ上周波数に依存しな
いようにする。 【解決手段】１１〜１８…音響センサ、２０…増幅器、
３０…音源走査信号処理部、４０…音源位置標定及び表
示部からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は監視領域周辺に設置
した複数の音響センサの検出信号を用いて、監視領域内
の音源強度分布を算出して、強い音源の存在する位置を
明らかにする機能を有する音源探査装置に関するもので
あり、特にプラント内の漏洩発生位置の確認等に好適な
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電プラント内の閉空間に置かれた機器
や配管からの漏洩音の位置標定を行う従来技術として、
音響センサアレィを用いる方式がある（音響法を用いた
２次元漏洩探索システムの開発：日本原子力学会，「１
９９７秋の大会」，Ｆ２９）。複数の音響マイクロホン
を用い、マイクロホンの出力信号にそれぞれ違った時間
遅れを与えて、重ねあわせることで特定の角度からの音
に感度の高い音響センサを実現している。複数のマイク
ロホンを用いることで、閉空間で問題となる反響音成分
を打ち消しあい、実音源からの音を捉える工夫がなされ
ている。

【０００３】ところで、一般的に細いマイクロホンほど
周波数帯域が高周波まで伸びるが、感度は細いほど下が
る傾向にある。このため、高周波まで周波数帯域が伸
び、かつ感度の高いマイクロホンの入手は困難である。
マイクロホンは、ある周波数から感度が全く０となるわ
けではなく、周波数に応じた感度を有する。このため、
監視領域の音響条件によっては、マイクロホンの周波数
特性が平坦でなく、感度が変化する周波数帯域を使わざ
るを得ない場合がある。このような周波数領域では、単
に音響センサアレィを用いる従来方式では、位置標定精
度が十分得られない可能性がある。この点に関し、従来
技術は十分考慮されていなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、使用する音響センサの周波数特性が平坦でない場合
においても、音源位置標定性能を維持できる音源探査の
ための装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の音源探査装置においては、あらかじめマイ
クロホンの周波数毎の位相遅れを測定しておき、監視領
域内の音源強度を算出する際に、周波数毎に位相補正す
る手段を用いる。

【０００６】即ち、マイクロホンの感度が周波数で変化
する領域では、感度変化に応じて位相特性も変化してい
る。このため、感度が周波数で変化する場合、入力音響
波に対する出力信号の位相変化により、見かけ上、音速
が変化することになる。周波数毎に位相遅れに違いが生
じるため、音速が全周波数で一定とする位置標定法で
は、位置標定誤差も周波数毎に違ってくる。よって、周
波数毎に位相補正する手段は、周波数によらず音速を一
定にするように作用する。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の１実施例について
説明する。

【０００８】図１は、本発明の音源探査装置の構成を示
す。プラント内の閉空間の音源探査に適用した例であ
る。８個の音響センサ１１〜１８を備え、その出力信号
を増幅部２０で増幅する。音源走査部３０では、監視領
域周辺に配置した音響センサ１１〜１８の検出信号か
ら、監視領域の音源強度分布を算出する。音源位置標定
及び表示部４０では、音源強度分布の強度ピークの位置
から音源位置標定を行い、結果を表示する機能を有す
る。

【０００９】次に、図２，図３，図４を用いて、監視領
域内の音源強度分布算出の概念を説明する。図２は、設
定した監視領域における、音源と音響センサ間の距離の
関係を示す。今、音源点から漏洩音が発生したとする
と、音源と音響センサ１１〜１８の設置位置間の距離に
応じた遅れを伴って、信号Ｓ１〜Ｓ８が検出される。音
源で発生した信号と検出信号Ｓ１〜Ｓ８の時間的な関連
を、図３に示す。監視領域内に仮想音源点を設置し、仮
想音源点から音が発生したとして検出信号Ｓ１〜Ｓ８の
伝播遅れ時間を補正し、これらの信号の平均をとる。結
果が、図３の下段に示す音源信号ＳＢである。仮想音源
点と実音源が一致した場合は、伝播時間遅れ補正により
位相がそろって振幅が大きくなり、一致しない場合は位
相がそろわず、振幅は小さい。この、仮想音源点毎に音
源信号を求めることで、監視領域の各位置における音源
信号が算出できる。

【００１０】この音源信号を２乗し、その時間積分をと
ることで仮想音源点毎の音源強度を得る。この音源強度
を、監視領域上にプロットした結果を、図４に示す。強
度が強いほど黒く、すなわち濃度を濃くして示した。こ
れにより、監視領域上のどの位置で大きな音が発生して
いるかがわかる。この、音源強度分布の強度ピークの位
置から、実音源点の位置を知ることができる。今、音源
は点音源を想定しているため、理想的には実音源点位置
だけが強度大で、他の点では強度０となるはずである
が、実際には信号の周波数が低いほど実音源点の周りの
点でも、ある程度の強度が観測される。また、反射音等
が種々の位置で２次的な音源となり、実音源点以外の位
置でも強度が０にならないことが多い。

【００１１】次に、本発明の主要部である音源走査信号
処理部３０の詳細について説明する。音源走査信号処理
部３０では、検出音響信号Ｓ１〜Ｓ８を用いて、音源強
度分布を推定する。音源強度分布の推定法の概念はすで
に述べた。但し、後述するように、検出音響信号Ｓ１〜
Ｓ８を概念での説明のように時間軸上で直接加算するの
ではなく、実際には、周波数領域上に移して演算を行
う。具体的には、検出音響信号Ｓ１〜Ｓ８をフーリエ変
換し、異なった２つの信号のすべての組み合わせのクロ
ススペクトルを算出し、算出したすべてのクロススペク
トルに仮想音源位置に相当する時間補正を与えて加算す
ることで、仮想音源点毎の強度を得る。この強度を、図
４に示したように仮想音源点毎に並べることで、音源強
度分布を作成できる。

【００１２】図５で、音源走査信号処理部３０の具体的
な構成を示す。高速ＡＤＣ３１，ＦＦＴプロセッサ３
２，クロススペクトルプロセッサ３３，音響センサ用位
相補正機能付き音源強度分布作成部３４からなる。高速
ＡＤＣ３１は、アナログ信号である検出信号をディジタ
ル信号に変換する機能を有する。ＦＦＴプロセッサ３２
は、いわゆる高速フーリエ変換装置であり、検出音響信
号Ｓ１〜Ｓ８をフーリエ変換して、周波数領域に移す機
能を有する。クロススペクトルプロセッサ３３は、異な
った２つの信号のすべての組み合わせのクロススペクト
ルを算出する機能を有する。この、クロススペクトル
は、フーリエ変換信号とフーリエ変換信号の複素共役の
積として求めることができる。音響センサ用の位相補正
機能付き音源強度分布作成部３４は、算出したクロスス
ペクトルのすべてを仮想音源点に応じて位相をずらせて
加算するが、本発明では同時にマイクロホンの周波数特
性による位相の補正も行う様にしている。これにより、
周波数毎の位相補正がマイクロホン毎に実施できること
になる。

【００１３】次に、本発明で問題としているマイクロホ
ンの周波数特性により生ずる具体的な音源強度分布算出
への影響について説明する。図６，図７は、マイクロホ
ンの周波数特性を、２極の伝達関数で模擬した例であ
る。図６は感度を、図７は位相を示す。横軸は、共振周
波数で規格化した周波数である。選択度Ｑの値が0.707,
５，１０の３つの場合について示してある。Ｑが小さい
と、図７からわかるように、位相変化は緩やかになる
が、それでも変化そのものが消失するわけではない。い
ずれにせよ、共振点近傍では、位相の変化は避けられな
いことがわかる。周波数毎に位相が違っている。共振点
近傍の信号を取り扱う場合、マイクロホンで検出した音
の位相が周波数毎に違っており、見かけ上周波数によっ
て音速が違うということになる。

【００１４】たとえば、共振周波数が１０ｋＨｚとする
と、位相遅れが１.５７radであるから、空気中では音速
３４０ｍ／ｓとして距離８.５mm に相当する時間遅れが
生じる。共振周波数が低くなったり、伝達関数の極数が
多くなるとさらにこの時間遅れが大きくなる。各マイク
ロホンともに同じ特性であれば、音速を補正すれば良
い。しかし、通常、マイクロホンは、共振点より低周波
の特性が平坦な部分で使用することを想定しており、共
振点近傍の特性を同じとする努力はなされていない。こ
のため、共振点近傍の周波数帯域を使用する場合、位相
補正が必要となる。

【００１５】図８，図９に位相補正の有無による音源強
度部分布算出結果の違いを示す。図８が、位相補正を行
わない場合であり、図９が位相補正を行った場合であ
る。位相補正を行わないとピークがぼけていることがわ
かる。一方、位相補正により、ピークが明瞭となり、音
源位置が正確に求められることがわかる。

【００１６】本発明の音源探査装置の運用に際しては、
音響センサの周波数特性をあらかじめ求めておく必要が
ある。音響検出器としてマイクロホンを使う本実施例で
は、各マイクロホン毎に無響室で周波数特性を測定し
て、このデータを基に、各マイクロホンの各周波数毎の
位相補正量を決定した。音響センサとして、加速度セン
サ等を用いれば、容器内部の音源探査が出来るのはもち
ろんである。加速度センサは、取り付け状態によって、
その周波数特性が大きく違う場合があり得る。このよう
な場合は、実際の取り付け状態で周波数特性を測定する
ことも可能である。周波数特性は、必ずしも絶対値でな
くても、使用する音響センサの相対的な周波数特性の違
いを用い実現可能である。

【００１７】本実施例では、音響センサの周波数特性の
補正を、クロススペクトルの位相を補正することで実現
している。他の方法として、検出音響信号そのものを逆
の特性を有するフィルタを通すことで、補正することも
可能である。逆の特性とは、音響センサが位相遅れを伴
うならば、位相進みのあるフィルタが、それにあたる。
本実施例では、音響センサの特性の違いを、単にデータ
を変更するだけで、フィルタ設計作業を伴わないと言う
観点で、クロススペクトルの位相を補正する方法を採用
している。また、ディジタル的に実現した方が、補正の
精度が高いという点も特徴である。

【００１８】本発明は、音響式ＳＧの漏洩検出装置に限
定するものではない。監視領域内の音源の有無や音源位
置標定等に用いることが出来る。例えば、ガス絶縁開閉
器の内部の導電性微小異物の存在が起因となって生じる
部分放電音や異物の飛び跳ねに伴う衝突音を捉える異物
監視装置，変圧器等の容器内部の音源監視にも適用可能
である。

【００１９】以上説明した本実施例の特有の効果として
は下記の点が挙げられる。

【００２０】（１）位相補正をディジタル的に実現する
ことにより、補正の精度を高くでき、結果的に高い位置
標定精度が得られることになり、音源探査装置の性能向
上の効果がある。

【００２１】（２）位相補正をディジタル的に実現する
ことにより、音響センサの変更等で新たな位相補正用の
フィルタの設計が不要となり、音源探査装置の運用が簡
単となり、結果的に装置の経済性向上の効果がある。

【００２２】（３）位相補正をディジタル的に実現する
ことにより、複雑な音響特性の補正も可能になるため、
音源探査装置の性能向上の効果がある。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明により音響セ
ンサの周波数特性により見かけ上発生する音速変化を補
正することが可能になり、結果的に音源強度分布の位置
標定精度を向上できるため、結果的に音源探査装置性能
向上の効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の音源探査装置の構成図。

【図２】音響センサ配置と実音源点の位置関係を示した
図。

【図３】音響信号の時間変化と信号処理の概要の説明
図。

【図４】音源強度分布の例を示す図。

【図５】実施例の音源探査信号処理部の内部構成図。

【図６】マイクロホンの感度特性図。

【図７】マイクロホンの位相特性図。

【図８】位相補正前の音源強度分布を示す図。

【図９】位相補正後の音源強度分布図。

【符号の説明】

１１〜１８…音響センサ、２０…増幅器、３０…音源走
査信号処理部、３１…高速ＡＤＣ、３２…ＦＦＴプロセ
ッサ、３３…クロススペクトルプロセッサ、３４…位相
補正機能付き音源強度分布作成部、４０…音源位置標定
及び表示部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】監視対象領域近傍の複数点に配置した音響
   検出手段と、複数の検出音響信号から監視領域の音源強
   度分布を算出する手段と、音源強度分布の最大値を検索
   し、最大値の位置を音源位置として判別する音源位置標
   定手段からなる音源探査装置において、音源強度算出手
   段に各音響検出点毎、周波数毎に音響センサの位相変化
   を補正する手段を付加したことを特徴とする音源探査装
   置。
2. 【請求項２】請求項１において、音源強度算出手段が、
   複数の検出音響信号をフーリエ変換する手段と、複数の
   検出音響信号の各組み合わせでクロススペクトルを算出
   する手段と、仮想音源点毎にクロススペクトルから音源
   強度を算出する手段からなり、この音源強度算出手段に
   各クロススペクトルの各周波数毎に音響センサの位相補
   正を行う手段を付加したことを特徴とする音源探査装
   置。