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課題・解決手段

小型で、グレーチングローブの影響を少なくしつつ、一度に広い探索範囲における超音波音源方位測定が可能な超音波源方位標定装置を提供する。測定対象撮影するカメラと、測定対象の方向から発せられる超音波の音圧を測定するアレイセンサと、アレイセンサによって取得される超音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、音圧マップとカメラによって取得される撮影画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する演算手段と、重ね合わせ画像を表示する表示手段と、を有し、アレイセンサは、少なくとも一部が同一平面におけるX軸上とY軸上とに設けられ、合計9個以上25個以下の表面実装型センサからなる超音波源の方位標定装置。

概要

背景

製鉄所では、例えば配管腐食孔の発生、及び電気設備劣化等をいちはやく検知し、補修等を行う必要がある。これらを検知するために、配管の腐食孔から気体漏洩する際や、電気設備におけるコロナ放電等が起こる際に放出される音波を測定することが行われている。可聴域の音波を測定しようとすると、周囲の騒音等の影響が大きく異常が正しく検知されないことがあるので、各種設備の異常を検知するために、超音波を測定することが一般的である。

超音波を含む音波や電磁波等に代表される波の到来方向標定することを目的として、複数のセンサを用いて、各センサで得られる受信信号時間差位相差)から波源方位を標定する技術が知られている。例えば、図1に示すように、2つのセンサ13の間隔をd(mm)、センサ13の正面方向に対する波の到来方向(図中の太い矢印で示す。)の角度をθとすると、2つのセンサ13に波が到達する時間差t(秒)は下記式(1)により求められる。このtを利用することで、波の到来方向θが特定される。

t=dsinθ/(音速) ・・・(1)
上記式(1)を応用して実際に波源方位を標定する技術は、一般にビームフォーミング法とも称される。ビームフォーミング法では、センサの正面方向に対する所定の波の到来方向θ0について、その角度(θ0)によって計算される伝播遅延時間分(t0)だけ一方のセンサ信号遅延させて、他方のセンサ信号と加算する。θ0と波源方位とが一致すると、各センサでの波形位相が揃い、波の重ね合わせが最大となるので、θ0が波源方位であるとみなされる。上記ではセンサが2個の場合について説明したが、3個以上の場合についても同様の原理で波源方位の標定を行うことができる。この処理を、測定対象の全方位について行い、その信号強度信号分布から波源方位を求めることができる。

このようなビームフォーミング法を利用した技術を開示した文献として、以下の特許文献1が挙げられる。

一方で、従来、マイクロフォン受信素子等のセンサを用いて超音波の音圧を測定することにより、配管における気体漏洩や電気設備におけるコロナ放電等を検知する超音波検出装置が知られている。このような超音波検出装置は、1個のセンサを用いていることが一般的である。

概要

小型で、グレーチングローブの影響を少なくしつつ、一度に広い探索範囲における超音波の音源方位測定が可能な超音波源方位標定装置を提供する。測定対象を撮影するカメラと、測定対象の方向から発せられる超音波の音圧を測定するアレイセンサと、アレイセンサによって取得される超音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、音圧マップとカメラによって取得される撮影画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する演算手段と、重ね合わせ画像を表示する表示手段と、を有し、アレイセンサは、少なくとも一部が同一平面におけるX軸上とY軸上とに設けられ、合計9個以上25個以下の表面実装型センサからなる超音波源の方位標定装置。

目的

そこで、複数のマイクロフォンを用いた上述のビームフォーミング法によって、測定範囲を広くし、超音波の音源を面的に探索できる超音波検出装置が望まれている

効果

実績

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請求項1

測定対象撮影するカメラと、測定対象の方向から発せられる超音波音圧を測定するアレイセンサと、前記アレイセンサによって取得される超音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、前記音圧マップと前記カメラによって取得される撮影画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する演算手段と、前記重ね合わせ画像を表示する表示手段と、を有し、前記アレイセンサは、少なくとも一部が同一平面におけるX軸上とY軸上とに設けられ、合計9個以上25個以下の表面実装型センサからなる超音波源方位標定装置。

請求項2

前記アレイセンサの探索範囲は、水平及び垂直方向においてそれぞれ±90°よりも狭い範囲内である請求項1に記載の超音波源の方位標定装置。

請求項3

前記表面実装型センサと表面実装型センサとの間隔は、測定対象とする超音波の半波長以上であり、かつ前記アレイセンサの探索範囲内においてグレーチングローブの発生が抑制される間隔である請求項1又は請求項2に記載の超音波源の方位標定装置。

請求項4

前記アレイセンサは、前記X軸上と前記Y軸上とに加えて、同一平面上のy=x、及びy=−x上に、X軸対称かつY軸対称となるように、前記表面実装型センサを備える請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置。

請求項5

測定対象とする超音波の波長で除すことによって求められる無次元化センサ間隔が0.90以下となるように、前記表面実装型センサが配置される請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置。

請求項6

請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、前記高音圧領域における上端線下端線、左端線、及び右端線のうちいずれか3つの端線に接しかつ面積が最小となる円(A)を描画し、前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線のうち、前記円(A)に接しない1つの端線と、前記円(A)に接する3つの端線のうち2つの端線と、に接しかつ面積が最小となる円(B)を描画し、前記円(A)の中心と前記円(B)の中心との2点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。

請求項7

請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線に接する楕円を描画し、前記楕円の2つの焦点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。

技術分野

0001

本発明は、小型でかつグレーチングローブによる誤判定の少ない超音波源方位標定装置、及びこの超音波源の方位標定装置を用いて行う重ね合わせ画像の解析方法に関する。

背景技術

0002

製鉄所では、例えば配管腐食孔の発生、及び電気設備劣化等をいちはやく検知し、補修等を行う必要がある。これらを検知するために、配管の腐食孔から気体漏洩する際や、電気設備におけるコロナ放電等が起こる際に放出される音波を測定することが行われている。可聴域の音波を測定しようとすると、周囲の騒音等の影響が大きく異常が正しく検知されないことがあるので、各種設備の異常を検知するために、超音波を測定することが一般的である。

0003

超音波を含む音波や電磁波等に代表される波の到来方向標定することを目的として、複数のセンサを用いて、各センサで得られる受信信号時間差位相差)から波源方位を標定する技術が知られている。例えば、図1に示すように、2つのセンサ13の間隔をd(mm)、センサ13の正面方向に対する波の到来方向(図中の太い矢印で示す。)の角度をθとすると、2つのセンサ13に波が到達する時間差t(秒)は下記式(1)により求められる。このtを利用することで、波の到来方向θが特定される。

0004

t=dsinθ/(音速) ・・・(1)
上記式(1)を応用して実際に波源方位を標定する技術は、一般にビームフォーミング法とも称される。ビームフォーミング法では、センサの正面方向に対する所定の波の到来方向θ0について、その角度(θ0)によって計算される伝播遅延時間分(t0)だけ一方のセンサ信号遅延させて、他方のセンサ信号と加算する。θ0と波源方位とが一致すると、各センサでの波形位相が揃い、波の重ね合わせが最大となるので、θ0が波源方位であるとみなされる。上記ではセンサが2個の場合について説明したが、3個以上の場合についても同様の原理で波源方位の標定を行うことができる。この処理を、測定対象の全方位について行い、その信号強度信号分布から波源方位を求めることができる。

0005

このようなビームフォーミング法を利用した技術を開示した文献として、以下の特許文献1が挙げられる。

0006

一方で、従来、マイクロフォン受信素子等のセンサを用いて超音波の音圧を測定することにより、配管における気体漏洩や電気設備におけるコロナ放電等を検知する超音波検出装置が知られている。このような超音波検出装置は、1個のセンサを用いていることが一般的である。

0007

特開2014−137323号公報

先行技術

0008

石田梨佳著「機器が発する超音波の見える化『超音波音カメラ』の開発」電気現場技術2015年3月号

発明が解決しようとする課題

0009

従来の超音波検出装置では、1個のマイクロフォンを用いて超音波の測定を行っているので、一度の測定で超音波を測定できる領域がマイクロフォンの指向性に依存し、どの方位から超音波が到来しているかが不明である。そのため、パラボラのような集音器を用いてマイクロフォンの感度・指向性を高めることが行われる。しかし、この場合には超音波の到来方向を決定できるものの、点のような範囲内しか超音波を測定できない問題がある。このような装置を用いて、測定対象となっている設備の超音波測定を行うには、所望の測定範囲内において超音波検出装置を何度も細かく走査させなければならず、測定作業が煩雑となる他、測定抜けが生じやすくなるといった問題がある。

0010

そこで、複数のマイクロフォンを用いた上述のビームフォーミング法によって、測定範囲を広くし、超音波の音源を面的に探索できる超音波検出装置が望まれている。しかし、超音波測定においては、下記の理由によってビームフォーミング法を適用することが困難である。

0011

ビームフォーミング法を用いると、実際の音源方位とは異なる方位で大きな偽信号観測される、いわゆるグレーチングローブが起こることがある。グレーチングローブとは、重ね合わせ画像(詳細については後述する。)において、音源の位置しない箇所に、高い音圧が記録される領域が現れる現象である。グレーチングローブは、測定対象となる音波の波長に対する受信素子と受信素子との間隔が相対的に大きくなればなるほど、起こりやすくなる。グレーチングローブを完全に防止するためには、位相がずれた波の重ね合わせを防止するように、下記式(2)を満たすことが有効である。

0012

d<λ/2 ・・・(2)
上記式(2)中のdは受信素子の間隔(mm)であり、λは検出する音波の波長(mm)である。

0013

ビームフォーミング法を超音波の音源探索に用いると、上述したグレーチングローブによる誤標定が大きく出ることがあり、実際の音源の方位を標定することが難しいという問題がある。これは、超音波は、可聴域の音波に比べて周波数が高く波長(λ)が短いので、波長に対して受信素子の間隔を相対的に小さくすることが困難であるからである。

0014

例えば、設備の異常検知の際に使用される超音波の周波数帯域を40kHzとし、空気中の音速を340m/秒として上記式(2)に代入すると、λ/2=4.2(mm)となり、グレーチングローブを完全に防ぐためには、マイクロフォンの間隔を4.2mm未満とする必要がある。マイクロフォンの間隔を4.2mm未満とするためには、必然的にマイクロフォン自身の直径を4.2mm未満とする必要があるが、このような超小型のマイクロフォンを確保することは現実的に難しい。

0015

この問題を解決するため、非特許文献1では、先端直径の小さい超音波用マイクロフォンを3本束ねてマイクロフォン間の距離を極力短くしたセンサ部を構築している。しかしながら、この構造では、マイクロフォンの個数を増やすことが困難であり、ビームフォーミングの観点からは指向性が広く、方位標定の精度を高めることが難しい。

0016

マイクロフォンの間隔が上記式(2)を満たさない場合には、複数のマイクロフォンを用いて、一度に超音波を測定する探索範囲を広げれば広げるほどグレーチングローブが起こりやすくなる問題もある。

0017

このように、従来の技術では、波長の短い超音波源の方位を標定するために複数のマイクロフォンを用いたビームフォーミング法を用いると、グレーチングローブの発生を抑えることができず、正しく音源の方位を特定することが難しいという問題がある。

0018

さらに周波数の高い超音波を信号処理するためには、受信する超音波を高速サンプリングする必要があるが、一般的に多数の受信素子を用いるビームフォーミング法では、十分な信号処理結果更新速度と高速のサンプリングとを両立することが困難であった。

0019

本発明は上述の問題点に鑑みて想到されたものであり、小型で、グレーチングローブの影響を少なくしつつ、一度に広い探索範囲における超音波の測定が可能であり、かつ実用上十分な方位標定精度と処理結果の更新速度とを実現する超音波源の方位標定装置、及び該超音波源の方位標定装置を用いて行う重ね合わせ画像の解析方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0020

本発明の手段は、次の通りである。
[1]測定対象を撮影するカメラと、測定対象の方向から発せられる超音波の音圧を測定するアレイセンサと、前記アレイセンサによって取得される超音波の音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、前記音圧マップと前記カメラによって取得される撮影画像とを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する演算手段と、前記重ね合わせ画像を表示する表示手段と、を有し、前記アレイセンサは、少なくとも一部が同一平面におけるX軸上とY軸上とに設けられ、合計9個以上25個以下の表面実装型センサからなる超音波源の方位標定装置。
[2]前記アレイセンサの探索範囲は、水平及び垂直方向においてそれぞれ±90°よりも狭い範囲内である[1]に記載の超音波源の方位標定装置。
[3]前記表面実装型センサと表面実装型センサとの間隔は、測定対象とする超音波の半波長以上であり、かつ前記アレイセンサの探索範囲内においてグレーチングローブの発生が抑制される間隔である[1]又は[2]に記載の超音波源の方位標定装置。
[4]前記アレイセンサは、前記X軸上と前記Y軸上とに加えて、同一平面上のy=x、及びy=−x上に、X軸対称かつY軸対称となるように、前記表面実装型センサを備える[1]から[3]までのいずれか1つに記載の超音波源の方位標定装置。
[5]測定対象とする超音波の波長で除すことによって求められる無次元化センサ間隔が0.90以下となるように、前記表面実装型センサが配置される[1]から[4]までのいずれか1つに記載の超音波源の方位標定装置。
[6][1]から[5]までのいずれか1つに記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、前記高音圧領域における上端線下端線、左端線、及び右端線のうちいずれか3つの端線に接しかつ面積が最小となる円(A)を描画し、前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線のうち、前記円(A)に接しない1つの端線と、前記円(A)に接する3つの端線のうち2つの端線と、に接しかつ面積が最小となる円(B)を描画し、前記円(A)の中心と前記円(B)の中心との2点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。
[7][1]から[5]までのいずれか1つに記載の超音波源の方位標定装置において得られた重ね合わせ画像の解析方法であって、前記重ね合わせ画像において閾値を超える音圧が観測された高音圧領域を特定し、前記高音圧領域における上端線、下端線、左端線、及び右端線に接する楕円を描画し、前記楕円の2つの焦点を超音波源と推定する重ね合わせ画像の解析方法。

発明の効果

0021

本発明によると、小型であることから持ち運びに便利であり、グレーチングローブの影響を減らして正確に超音波源を特定でき、かつ面状の広い視野内での超音波測定が可能となる。

図面の簡単な説明

0022

図1は、ビームフォーミング法に関する説明図である。
図2は、方位標定装置の全体構成を示す正面図、背面図、及び側面図である。
図3は、方位標定装置におけるカメラの視野範囲及びアレイセンサの探索範囲と、測定対象との関係を示す説明図である。
図4は、アレイセンサにおける各センサの配置を示す平面図である。
図5は、グレーチングローブ境界方位と無次元化センサ間隔との関係を示すグラフである。
図6は、重ね合わせ画像の一例を示す説明図である。
図7は、重ね合わせ画像の解析方法の一例を示す説明図である。
図8は、重ね合わせ画像の解析方法の他の一例を示す説明図である。
図9は、実施例1で得られた重ね合わせ画像である。
図10は、実施例2で得られた重ね合わせ画像の拡大図である。
図11は、実施例3で得られた重ね合わせ画像の解析図である。
図12は、実施例3で得られた重ね合わせ画像の解析図である。
図13は、実施例3で得られた重ね合わせ画像の別の解析図である。

0023

図2は、方位標定装置の全体構成を示す正面図、背面図、及び側面図である。まず、図2を用いて、本実施形態に係る超音波源の方位標定装置1(単に、「方位標定装置」と記載することもある。)について説明する。

0024

本実施形態に係る方位標定装置1は、カメラ2と、アレイセンサ3と、演算手段4と、表示手段5とを有する。図2の例では、図2(a)に示すように、方位標定装置1を構成する筐体11の表面側にカメラ2とアレイセンサ3とが設けられ、図2(c)に示すように、筐体11の内側に演算手段4が設けられ、図2(b)に示すように、筐体11の背面側に表示手段5が設けられる。演算手段4は、筐体11の外部に設けられてもよい。

0025

カメラ2は、測定対象を撮影し、得られた撮影画像を演算手段4に出力する。撮影画像は、ビームフォーミング法で得られた超音波の2次元音圧マップと重ね合わせる目的で用いられる。カメラ2の倍率、視野の広さ等は、所望の重ね合わせ画像の大きさ等に応じて、適宜調節できる。カメラ2としては、市販されているCCDカメラ等を使用できる。

0026

アレイセンサ3は、複数の超音波測定用の表面実装型センサ(以後、「センサ」と記載する。)13によって形成される。アレイセンサ3は、アレイセンサ3が向けられた方向で発生した超音波を測定して音圧情報を取得する。センサ13は、はんだ付け等を用いてプリント基板上へ表面実装され、通常の超音波マイクロフォンと比較して大きさが半分程度と小さく、高密度実装できる。

0027

図3は、方位標定装置におけるカメラの視野範囲及びアレイセンサの探索範囲と、測定対象との関係を示す説明図である。次に、図3を用いて、アレイセンサ3の探索範囲について説明する。アレイセンサ3は、図の実線矢印で示すように、水平(左右)方向において+90°から−90°の範囲内における超音波の音圧を測定できる。図3は、方位標定装置1を上から見た平面図であるが、方位標定装置1を右側(又は左側)から見た側面図においても同様に、垂直(上下)方向における+90°から−90°の範囲内の超音波を測定できる。アレイセンサ3における個々のセンサ13の配置、間隔等については後述するが、複数のセンサについてビームフォーミング法の原理を用いることで、超音波の到来方向、音圧を測定できる。アレイセンサ3の探索範囲及び後述するカメラ2の視野範囲に関する角度は、方位標定装置の表面と垂直な直線を基準に計算される。例えば、図3のような平面図においては、方位標定装置1と測定対象21との間の垂線を0°とし、左右に広がる視野範囲(又は探索範囲)の角度が水平方向の角度として計算される。また、側面図において、同様の方法により垂直方向の角度が計算される。左右(又は上下)のいずれの角度が+であってもよいし、−であってもよい。

0028

演算手段4は、アレイセンサ3で得られた音圧情報に基づいて音圧マップを作成し、カメラ2で得られた撮影画像と当該音圧マップとを重ね合わせた重ね合わせ画像を作成する。前述したように、アレイセンサ3による超音波の測定は±90°の範囲内で可能であるが、音圧マップを作成するためには、カメラ2の視野範囲内の超音波源を探索すれば足りる。例えば、図3点線矢印によってカメラ2の視野範囲を示しているが、この範囲内の超音波源を探索すれば音圧マップを作成できる。これにより、不要な方位への標定演算を省略でき、演算手段4における演算の負荷下げるともに音圧マップの更新頻度を上げることができる。アレイセンサ3の探索範囲としては、水平及び垂直方向において±90°よりも狭い範囲であればよく、グレーチングローブを抑える観点から、水平及び垂直方向において±60°よりも狭い範囲とすることが好ましく、±30°よりも狭い範囲とすることがより好ましい。また、水平方向の探索範囲と垂直方向の探索範囲とは、それぞれ異なる大きさの範囲であってもよい。

0029

演算手段4は、作成した重ね合わせ画像を表示手段5へ出力し、表示手段5に重ね合わせ画像を表示させる。重ね合わせ画像では、撮影画像中の位置毎に超音波の強度に応じた色分けが行われ、撮影画像中の位置と超音波の音圧分布との対応関係一目判別可能となっている。表示手段5としては、液晶ディスプレイ等を使用できる。

0030

図4は、アレイセンサ3における各センサ13の配置を示す平面図である。次に、図4を用いて、アレイセンサ3における各センサの配置について説明する。

0031

図4(a)に示すように、アレイセンサ3の各センサ13の少なくとも一部は、X軸上とY軸上とに十字状に配置されることが好ましい。これにより、二次元的な面状の超音波の測定が可能となり、かつグレーチングローブの発生を抑制するとともに、演算により音圧マップを作成する際の超音波の到来方向による依存性を低減できる。X軸とY軸とは、同一平面上にあり直角をなす2つの軸であればよい。特に、X軸を水平面と平行にし、Y軸を水平面と直角にすることが好ましい。センサ13は、X軸上及びY軸上以外に設けられていてもよい。

0032

アレイセンサ3を形成するセンサ13の数は、9個以上25個以下とすることが好ましい。センサ13の数を9個以上とすることで平面内において実用上十分な安定性での超音波の方位標定が可能となる。センサ13の数を25個以下とすることで、センサ13ごとに必要なアンプフィルター回路による装置の大型化を防ぐことができるとともに、演算手段4の計算負荷を軽減でき、処理速度の遅延等を抑制できる。これにより、大規模な演算手段4を用いずとも小型軽量装置において実用上十分な速度での重ね合わせ画像の更新が可能となる。測定精度むらが生じないようにするためには、センサ13を上下対称かつ左右対称に配置することが好ましい。

0033

演算手段4は、一定時間毎に撮影画像と音圧マップとの重ね合わせを行い、重ね合わせ画像を更新する。更新頻度としては、例えば、毎秒3回以上が好ましく、より好ましくは毎秒5回以上である。小型の演算手段4により実現可能な処理速度を鑑みると、毎秒5回の更新の場合にはセンサ13の数を13個にすることが好ましく、毎秒3回の更新でよい場合にはセンサ13の数を25個まで増やしてもよい。

0034

アレイセンサ3によって測定する超音波の帯域は、可聴域より高い周波数であればよく、例えば、20kHz程度以上であればよいが、40kHzを中心とし、35kHz以上45kHz以下であることが好ましい。測定する超音波の帯域を35kHz以上とすることにより、環境中の可聴音による暗騒音に対するS/N比を確保できる。測定する超音波の帯域を45kHz以下とすることにより、測定対象となる波長が短くなりすぎてグレーチングローブが出現しない視野範囲が狭くなることを抑制できる。

0035

アレイセンサ3において、センサ13とセンサ13との間隔を広げすぎると、グレーチングローブが発生しやすくなり、正しく音源の方位を特定することが難しくなる。グレーチングローブを抑制する観点からは、センサ13間の間隔はなるべく小さくすることが望ましい。センサ13の間隔を小さくするために、各センサ13は、小型のものを用いることが好ましい。センサ13の大きさは、例えば、平面視における一辺の長さ(又は直径や長径)が4mm〜6mm程度である。

0036

一方、センサ13とセンサ13との間隔を狭めすぎると、アレイセンサ3全体の水平方向及び垂直方向における幅が小さくなることから方位分解能が悪化し、視野内に複数の音源が近接して存在する場合にこれらの音源を区別して認識することが難しくなる。

0037

そこで、方位標定装置のシミュレーションを実施して、超音波源の探索範囲内におけるグレーチングローブの発生を抑えるように、センサ13とセンサ13との間隔(センサ間隔)の大きさを検討した。この際に、人間の視野範囲が左右(水平)及び上下(垂直)に±60°であることから、視野内には入るが探索範囲には入らない方位に音源がある状況を想定して、音源を水平方向の−60°方位に設定し、音源から発する超音波の周波数は10kHz、25kHz、30kHz、及び40kHzとした。また、アレイセンサ3による探索範囲は±30°とした。音圧マップ上に現れるグレーチングローブとして、発生したグレーチングローブの最大ピーク強度の−3dBとなる方位をグレーチングローブ境界方位とし、このグレーチングローブ境界方位が探索最大方位より小さい(探索範囲内に最大ピーク強度の−3dBとなる方位が検出される)とグレーチングローブが出現すると定義した。上述した「−3dB」は一例であり、最大ピーク強度から所定値だけ音圧の低い方位をグレーチングローブ境界方位としてよい。

0038

センサ間隔を評価するに当たっては、センサ間隔(mm)を測定対象とする超音波の波長(mm)で除すことによって求められる無次元化センサ間隔を用いた。具体的に、無次元化センサ間隔は下記式(3)により求めた。

0039

(無次元化センサ間隔)=(センサ間隔)/(超音波の波長)・・・(3)
超音波の波長としては、測定する超音波の帯域のうち、最も感度の良い主要値(代表値)を採用してよい。

0040

無次元化センサ間隔についても、その値を大きくするとグレーチングローブが発生しやすくなり、その値を小さくすると方位分解能が低下する。

0041

図5は、グレーチングローブ境界方位と無次元化センサ間隔との関係を示すグラフである。図5縦軸は、グレーチングローブ境界方位[°]であり、横軸は、無次元センサ間隔である。グレーチングローブ境界方位は、音源の位置する方位(水平方向の−60°方位)を0°とした際の、水平方向における相対的な角度で示した。図5より、実用上最低限必要な探索範囲に相当する範囲(±8°)においてグレーチングローブが出ないようにするには、無次元化センサ間隔を0.90以下とすればよい。より広い探索範囲内(±10°)においてグレーチングローブが出ないようにするには、無次元化センサ間隔を0.85以下とすることが好ましく、さらに広い探索範囲内(±15°)でのグレーチングローブの発生を抑えるためには、無次元化センサ間隔を0.75以下とすることがより好ましい。

0042

上記のように無次元化センサ間隔を調節することによって、カメラ視野内において実用上問題の無い程度にグレーチングローブの発生を抑えつつ、近接音源分解能を高めることができる。このように無次元化センサ間隔を調整することで、センサ間隔が式(2)を満足しない場合であってもグレーチングローブの発生を実用上十分な範囲で抑制することでき、式(2)を満足するセンサの配置よりも高い方位分解能が得られる。このため、センサ間隔は、測定対象とする超音波の半波長以上であり、かつアレイセンサの探索範囲内において実用上問題の無い程度にグレーチングローブの発生が抑制されるセンサ間隔とすることが好ましい。

0043

例えば、40kHzの超音波を測定対象とする場合のセンサ間隔は、約4〜12mm程度である。センサ間隔は、隣り合うセンサの中心部同士の間におけるX軸又はY軸に沿った距離である。

0044

また、測定対象21に複数の音源がある場合の測定精度を高める観点からは、センサ間の間隔は全て同じ大きさに統一することが好ましい。

0045

上述したように、アレイセンサ3における各センサ13の配置の一例を、図4(a)に示す。図4(a)に示した例では、X軸上に5個、Y軸上に5個、合計9個のセンサ13が十文字状に配置されている。このように2つの軸に沿ってセンサ13を配置することによって、アレイセンサ3が向けられた方向からの超音波を面状に捉えることができるとともに、グレーチングローブの発生を抑えることができる。

0046

また、複数の音源があっても音圧の2次元分布をより正確に求める観点からは、センサの数を増やし、XY平面においてy=x又はy=−x上に、X軸対称かつY軸対称となるように、更にセンサ13を配置してもよい。具体例を図4(b)に示す。図4(b)に示した例では、X軸上及びY軸上のセンサ13に加えて、y=x及びy=−x上にそれぞれ2個ずつ、合計4個のセンサ13が配置されている。このようにX軸、Y軸上以外にセンサ13を設ける場合にも、センサ13の個数の好適値、センサ13の間隔の好適値、及びセンサ13の間隔を統一しておいた方が好ましい点等は上述の通りである。

0047

センサ13の数を25個とする場合には、X軸及びY軸に沿った一辺に5個のセンサ13を正方形状に配置すればよい。

0048

本実施形態では、センサ13とセンサ13との間隔を調節することにより、短波長の超音波を測定する場合であってもカメラ視野内でのグレーチングローブの発生を抑えることができる。

0049

次に、本実施形態に係る方位標定装置の使用方法について説明する。

0050

まず、測定対象となっている配管設備や電気設備等に対して、方位標定装置1のカメラ2とアレイセンサ3とを向ける。カメラ2によって検査対象を撮影するとともにアレイセンサ3によって超音波の測定を行う。撮影画像と超音波の音圧マップとを重ね合わせた重ね合わせ画像は、方位標定装置の表示手段5に表示される。この際、方位標定装置1の表面と測定対象との間の直線距離は、測定対象物の大きさや発生している超音波の大きさ等に応じて変更してよく、例えば、製鉄所内で使用する場合には、最大16m程度であればよい。距離が16mよりも大きくなると、超音波が減衰してしまい十分な大きさの音圧を測定できないことがある。

0051

本実施形態では、小型のセンサ13を用いるとともに、小型のセンサ13の個数を必要最小限度の個数に抑えているので、方位標定装置1を小型化できる。よって、使用者は方位標定装置1を容易に持ち運びでき、測定対象の方向に向かって方位標定装置1のカメラ2、アレイセンサ3を向けるだけで、簡単に測定できる。さらに、センサ13の個数を抑えることで、演算手段4に過大な演算負荷課すことを防ぎ、重ね合わせ画像の更新速度を十分に確保できる。

0052

また、撮影時のカメラ2における視野範囲は、広ければ広いほど一度の測定で広範囲の異常検知を行うことができる。しかしながら、視野範囲を広くしすぎるとカメラ2の解像度等の関係から音源位置を精緻に特定できなくなることや、視野内でのグレーチングローブが起こり易くなることから、視野範囲は上下及び左右に±30°より狭い範囲内とすることが好ましい。この際、音圧マップの計算負荷を下げ、重ね合わせ画像の更新頻度を向上させるために、演算手段4において音圧マップを演算する範囲(超音波の探索範囲)も、上下及び左右に±30°より狭い範囲内とすることが好ましい。

0053

測定を終えると、表示手段5に表示された重ね合わせ画像を解析する。重ね合わせ画像では、超音波の音圧の高低に応じて色分け等がされており、位置毎の音圧の大小が一目で判別できるようになっている。重ね合わせ画像上で最も音圧の高いピーク箇所の近傍に超音波源、すなわち配管の亀裂や電気設備の不良等が生じていると判断される。音圧の高い領域が、ピーク箇所を中心としてその周囲に略同心円状に広がっている場合には、円の中心部近傍に超音波源があると推定できる。

0054

一方で、音圧の高い領域が略同心円状にならなかったり、或いは視野内の広い領域を音圧の高い領域が占めたりしている場合には、当該領域内に複数の音源が存在することが推察され、当該領域内のいずれに音源があるのかを特定することは難しい。特に、本実施形態の方位標定装置1では、グレーチングローブの影響を抑えるようにセンサ間の間隔を狭めているので、測定条件等によっては十分な方位分解能を得られないことがある。この場合、視野内に複数の音源が存在していると、それぞれの音源により形成される高音圧領域が合わさり、高音圧領域の占める面積が広くなってしまい、それぞれの音源を区別して識別することが難しくなる。

0055

図6は、重ね合わせ画像の一例を示す模式図である。図6に示した例では、黒色濃淡によって音圧の強さを示しており、黒色の濃い領域30ほど音圧が強く、黒色が徐々に薄くなる領域32、領域34側へいくに従い、徐々に音圧が弱くなる。実際に表示手段5に表示される重ね合わせ画像としては、カラー画像を用いることができ、音圧の強弱に応じて連続的に異なる色分けがなされるようにしてもよい。

0056

図6に示した例では、重ね合わせ画像内の比較的広い範囲に亘って音圧の高い領域30が形成されており、音圧の高い領域30は楕円状であって、略同心円状には形成されていない。このような例では、領域内に複数の音源が存在していることが推察されるが、領域内のいずれに音源があるのかを特定することは困難である。

0057

本実施形態の重ね合わせ画像の解析方法では、まず、音圧の閾値を設定し、重ね合わせ画像内でこの閾値を越える音圧が観測された領域(高音圧領域)を特定する。

0058

図7は、重ね合わせ画像の解析方法の一例を示す説明図である。図7で濃黒色部として黒色点線で囲んだ領域が高音圧領域40であり、薄黒色部として黒色点線で囲んだ領域が低音圧領域42である。

0059

図7に示すように、高音圧領域40が略円形状とならない場合には、高音圧領域40の中に超音波源が複数箇所存在することが推察される。本実施形態における重ね合わせ画像の解析方法では、この高音圧領域40の中に超音波源が2箇所あると仮定する。

0060

まず、図7に示すように、高音圧領域40の上下端部位置及び左右端部位置を特定し、上端線、下端線、左端線、及び右端線を描画する。次に、これらの端線のうちいずれか3つに接しかつ面積が最小となる円(A)を描画する。図7に示した例では、上端線、左端線及び下端線に接する左側の円を円(A)とする。また、円(A)に接しない1つの端線(図7の例では右端線)と、円(A)に接する3つの端線のうち2つの端線(図7の例では上端線と下端線)とに接しかつ面積が最小となる円(B)を描画する。これら円(A)の中心と、円(B)の中心との2点を超音波源として推定できる。

0061

図8は、重ね合わせ画像の解析方法の他の一例を示す説明図である。図8に示した例では、左端線、右端線、上端線、及び下端線に接する楕円を重ね合わせ画像中に描画し、この楕円の2つの焦点を超音波源として推定できる。

0062

上述の方法によって、測定視野内において、近接する複数の箇所に音源が存在する場合であっても、音源の方位を精度よく推定することができる。

0063

(実施例1)
本発明に係る方位標定装置を用いて、超音波源の方位標定を行った。アレイセンサを構成するセンサとしてはMA40H1S−R(株式会社製作所)を用い、センサの配列は図4(a)の通りとし、センサ間隔は全て5.6mmで統一した。検査対象は、製鉄所内におけるガス配管設備とした。測定対象からの距離を15.7mとし、測定対象とする超音波の周波数は40kHzとした。無次元化センサ間隔は、5.6(mm)/8.5(mm)により約0.66と求められた。また、カメラの視野範囲及びアレイセンサによる探索範囲は、水平方向に±25°、垂直方向に±15°内とした。

0064

図9は、実施例1で得られた重ね合わせ画像である。図9において、図中の濃黒色部であって黒色点線で囲んだ箇所が特に音圧が高い領域50であり、濃黒色部の一部であって白色点線で囲んだ箇所が、最も音圧の高いピーク部であった。実際に、ピーク部の近傍において配管の腐食孔の発生が確認され、超音波源の方位標定に成功した。音源までの距離を最短で1m程度までさらに縮めていっても、問題なく超音波源の方位を標定することができた。

0065

(実施例2)
図4(a)に示したセンサ配置(配置Aとする。)の方位標定装置と、図4(b)に示したセンサ配置(配置Bとする。)の方位標定装置とをそれぞれ用いて、重ね合わせ画像を作成した。センサの種類、センサ間隔等の条件は、実施例1と同様である。

0066

図10は、実施例2で得られた重ね合わせ画像の拡大図である。図10(a)は、配置Aの方位標定装置で得られた重ね合わせ画像の拡大図であり、図10(b)は、配置Bの方位標定装置で得られた重ね合わせ画像の拡大図である。図10(a)に示した配置Aの場合には、図面右上で観察される超音波源52の他に、図面右下及び左上にも音圧の高い虚像領域54がみられた。一方、図10(b)に示した配置Bの場合には、これらの虚像領域54は観察されず、よりグレーチングローブの発生を抑えることができた。

0067

(実施例3)
2点の模擬配管リークを設けた測定対象に、本実施形態に係る方位標定装置を向けて、重ね合わせ画像を取得した。方位標定装置としては、実施例2における配置Bのものを用いた。

0068

図11は、実施例3で得られた重ね合わせ画像の解析図である。図11では、得られた重ね合わせ画像における音圧が所定値以上となる高音圧領域60を色分けして示している。重ね合わせ画像において、模擬配管リークが存在する位置62には白丸を付し、音圧が最大となる位置64を白色点線四角で示し、高温圧領域60を黒色点線で示した。

0069

図12は、実施例3で得られた重ね合わせ画像の解析図である。図12に示した例では、高音圧領域60に対して、本実施形態に係る重ね合わせ画像の解析方法に従って2つの円を描き、それぞれの中心部を超音波源として推定した。図12に示すように、一定の精度で超音波源を特定することができた。

実施例

0070

図13は、実施例3で得られた重ね合わせ画像の別の解析図である。図13に示した例では、高音圧領域60に対して、本実施形態に係る重ね合わせ画像の別の解析方法に従って1つの楕円を描き、楕円中の2つの焦点を超音波源と推定した。図13に示すように、一定の精度で超音波源を特定することができた。

0071

1超音波源の方位標定装置
2カメラ
3アレイセンサ
4演算手段
5 表示手段
11筐体
13センサ
21測定対象
30 領域
32 領域
34 領域
40高音圧領域
42低音圧領域
50 領域
52 超音波源
54虚像領域
60 高音圧領域
62模擬配管リークが存在する位置
64音圧が最大となる位置

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