JPH0552644A - 故障診断方法 - Google Patents

故障診断方法

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JPH0552644A
JPH0552644A JP24270191A JP24270191A JPH0552644A JP H0552644 A JPH0552644 A JP H0552644A JP 24270191 A JP24270191 A JP 24270191A JP 24270191 A JP24270191 A JP 24270191A JP H0552644 A JPH0552644 A JP H0552644A
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Masaki Imai
正樹 今井
Hiroshi Kanai
浩 金井
Noritoshi Nakabachi
憲賢 中鉢
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 注目すべき信号の有無の判定を高精度に行
う。 【構成】 機械系から発生する異常音を、帯域制限フィ
ルタにより2以上の周波数帯域(f1 〜fm )に振り分
けて狭帯域化し(21〜2m)、各周波数帯域を持つ狭
帯域信号に対して2乗演算を行い(31〜3m)、2乗
演算を行うときに発生する周波数の和の成分を削除し
て、各狭周波数帯域のパワー包絡化信号をうるローパス
フィルタリングを行い(41〜4m)、各パワー包絡化
信号に基づいて、基準周波数帯域と他の周波数帯域との
コヒーレンス関数を計算して(6)、各帯域間の相関を
とったのち、予め定められた故障原因に対応する周波数
帯域と照合することにより、機械系の故障を診断する
(7)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、エンジンなどの故障を
異常音により診断する故障診断方法に関するものであ
る。
【0002】
【背景技術】機械系などの故障(例えば、エンジンの故
障)に伴って発生する固有振動は、ある周波数帯域にお
いて現れるが、他の固有振動やノイズに埋もれてS/N
が低い場合には、注目すべき固有振動の有無の判定は、
一つの周波数帯域のみに注目していては難しくなる。
【0003】エンジンの故障の場合に、注目する固有振
動は、吸気、排気を制御するカム軸を連結するギアの異
常などによる異常音であり、狭帯域パワー包絡化信号の
観測により1.5kHz〜6.5kHzで発生することが確認されて
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この故障によ
る異常音のスペクトルは、シリンダ爆発音等ような他の
固有振動等のスペクトルに埋没しているので、全体のス
ペクトルから、その有無を判定することは困難であっ
た。
【0005】本発明の目的は、このような場合に異なる
周波数帯域間の相関を調べることにより、注目すべき信
号の有無の判定を高精度に行うことができる故障診断方
法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明による故障診断方
法は、機械系から発生する異常音を、帯域制限フィルタ
により2以上の周波数帯域に振り分けて狭帯域化し、前
記各周波数帯域を持つ狭帯域信号に対して2乗演算を行
い、前記2乗演算を行うときに発生する周波数の和の成
分を削除して、各狭周波数帯域のパワー包絡化信号をう
るローパスフィルタリングを行い、前記各パワー包絡化
信号に基づいて、基準周波数帯域と他の周波数帯域との
コヒーレンス関数を計算して、各帯域間の相関をとった
のち、予め定められた故障原因に対応する周波数帯域と
照合することにより、前記機械系の故障を診断する構成
としてある。
【0007】次に、本発明による故障診断方法の基本原
理について、図1〜図9を参照しなから更に詳しく説明
する。機械系異常音に代表される固有振動は、原波形で
は正常の場合と異常の場合では、図1に示すような波形
となる。これらに、2乗演算を施して、それぞれのパワ
ー(2乗波形)を求めると、図2に示すように、エンジ
ン異常が原因で発生する信号は、あるタイミングで大き
な振幅を持っており、このパワーは、特定の周波数帯域
内のみで出現することがわかる。実際のエンジン音など
では、異常音以外にもさまざまな信号が混在しており、
全体のスペクトルは、図3に示すようになり、正常、異
常の識別は非常に困難である。
【0008】ここで、エンジン異常が原因で発生するパ
ワーが特定周波数帯域内でのみ現れることから、注目す
る固有振動周波数軸上のパワースペクトルは、図4に示
すように、帯域制限されたスペクトルを持つと仮定する
ことができる。このときに、注目する固有振動を、周波
数f0,f1の成分を含み、最大パワーがPMAX であるよう
にモデル化する。
【0009】周波数f0,f1の両方が同時には含まない固
有振動またはノイズ成分においては、図5に示すよう
に、周波数f0,f1の成分は、その振幅に関して、お互い
に無関係であるから相関を持たない。これに対して、注
目する固有振動の場合に、図4に示すように、この振動
の振幅の大小にともない、周波数f0,f1の成分は、お互
いに相関を持ちながらそれぞれの値を変える。
【0010】したがって、これら2つの場合について、
周波数f0,f1成分のパワーの大きさを、それぞれP
(f0), P(f1)とし、注目する固有成分および、その他の
固有振動またはノイズ成分のそれぞれを、2帯域間(f0,
f1) のパワー相関図にプロットすると、以上の各信号成
分の特徴から、図6に示すように分布していると考えら
れる。つまり、両帯域に相関がない場合に、パワー相関
図上においては、最大パワーPMAX を半径とした円内に
ランダムに分布する。
【0011】一方、周波数f0,f1を含む固有振動の場合
に、両帯域間に相関があるために、回帰直線(P’軸)
付近に分布し、周波数f0,f1における最大パワーPMAX
の21/2 倍までの領域にその分布が現れる。そこで、相
関図のすべての点を回帰直線(P’軸)上に射影する
と、図7の頻度分布図が得られる。注目する固有振動成
分は、他の固有振動等の成分により回帰直線(P’軸)
上において検出したい固有振動は、その他の固有振動の
1/2 倍の値をとり得るために、頻度分布図上で原点か
ら21/2 倍だけ離れて分布する。
【0012】さらに、用いる帯域数を3にすると、図8
に示すような3次元のパワー相関空間において、その他
の固有振動を表す点は、最大パワーを半径とした球内に
ランダムに分布する。一方、検出したい固有振動は、回
帰直線(P’軸)上で最大パワー(半径)の31/2 倍ま
での領域に現れ、頻度分布図上においても、原点から3
1/2 倍だけ離れて分布する。
【0013】このように、用いる周波数帯域数を増や
し、しかも検出したい固有振動成分とその帯域間で相関
を持てば、検出したい固有振動とその他の固有振動の識
別が用いる帯域数の平方根倍だけ容易となる。
【0014】
【実施例】つぎに、実施例をあげて、本発明をさらに詳
しく説明する。図10は、本発明による故障診断方法の
実施例を示したブロック図、図11は、動作を説明する
ための波形図である。
【0015】ここでは、実際に固有振動を持つと仮定さ
れる信号(故障が原因となって発生する異常音を含む自
動車のエンジン音)に対して、複数帯域間の相関(コヒ
ーレンス関数)を求めることとした。つまり、複数周波
数帯域間の相関の導入による、注目固有振動の判定の高
精度化の原理の裏付けをするために、実際に、異常のあ
るエンジンについて上記の処理により異なる2つの周波
数帯域間のコヒーレンス関数を計算し、周波数帯域間の
相関性の確認をした。
【0016】この場合に、注目する固有振動は、エンジ
ンの故障(吸気、排気を制御するカム軸を連結するギア
の異常)による異常音であり、狭帯域パワー包絡化信号
の観測により1.5kHz〜6.5kHzで発生することが確認され
ている。しかし、この故障による異常音のスペクトル
は、シリンダ爆発音等の他の固有振動等のスペクトルに
埋没しているので、全体のスペクトルから、その有無を
判定することは不可能である。そこで、周波数帯域間の
相関をコヒーレンス関数により評価するために、以下の
信号処理を行う。
【0017】図10において、11〜1mはマイクロフ
ォン、21〜2mはバンドパスフィルタ、31〜3mは
乗算器、41〜4mはローパスフィルタ、5は点火信号
検出器、6はFFT解析器、7はm次元特徴空間を用い
るパターン判別器である。
【0018】マイクロフォン11〜1mは、エンジンの
特定箇所からの異常音を検出するためのものである。各
マイクロフォン11〜1mによって検出された各種の信
号が混在している信号を、バンドパス(帯域制限)フィ
ルタ21〜2mにより各周波数帯域へ振り分け、狭帯域
化を行う。
【0019】このときに、後に帯域同士の相関を求める
ため、注目する固有振動のスペクトル内の狭周波数帯域
の1つを基準とする(本実施例では、3kHz±500Hz)。し
かし、このままでは、各狭帯域信号は、その周波数帯域
が異なるために、コヒーレンス関数による相関性の評価
を行うことができない。そこで、それぞれ異なる周波数
帯域を持つ狭帯域信号に対して、乗算器31〜3mによ
り、2乗演算を行う(図11上段)。
【0020】ここで、ある狭帯域信号が、図11に示す
ように、中心周波数:f0、周波数帯域幅:Δfというス
ペクトルを持つとすると、その時間領域において2乗さ
れた波形のスペクトルは、直流付近の周波数の差の成分
と、周波数±2f0を中心とした周波数の和の成分として
現れる(図11中段)。
【0021】このように、2乗演算をするときに、同時
に発生する周波数の和の成分を、ローパスフィルタ41
〜4mにより削除することにより、時間波形ではパワー
包絡化信号が得られ、周波数領域では、帯域の揃えられ
た各狭周波数帯域のパワー包絡化信号を得る(図11下
段)。
【0022】こうして、基準帯域のパワー包絡化信号と
各周波数帯域のパワー包絡化信号とのコヒーレンス関数
を、FFT解析器6によって計算することにより、各帯
域間の相関があるか否かを判定することができる。
【0023】実際の故障診断においては、第1段階とし
て、互いに相関のある複数の周波数帯域f1 ,f2
…,fm の選択を行う。そのため、周波数帯域f1 ,f
2 ,…,fm を変化させたときのローパスフィルタ4
1,42,…,4mの出力をFFT解析器6を用いて分
析し、図13,図14のような結果を求め、不良に起
因する成分が互いに相関を持ち、図14において正常
の場合には相関をもたいない、という条件を同時に満足
する周波数帯域f1 ,f2 ,…,fmの組合せを決定す
る。次に、第2段階として、前述のようにして決定した
周波数帯域f1 ,f2 ,…,fm を用いて、得られたロ
ーパスフィルタ41,42,…,4mの出力を、FFT
解析器6を用いてA/D変換し、パターン判別器7に入
力する。パターン判別器7では、m個の周波数帯域をも
とに、得られたm個の特徴空間内の正常不良のパターン
の分布から判別を行って、故障診断結果を出力する。
【0024】図12は、2.75kH〜 3.25kHzの基準帯域
と、2kHz(図12左上)、3kHz(基準帯域、図12左
下)、5kHz(図12右上)、9kHz(図12右下)を中心
とした帯域幅500Hz の狭帯域信号のパワー包絡化信号と
のコヒーレンス関数を示したものである。さらに、D.C
〜10kHz 内の帯域幅500Hz の各500Hz 毎の比較帯域との
コヒーレンス関数を求め、そのD.C,100Hz,200Hz,300Hz
成分をプロットすることにより、故障による異常音を含
むエンジン音の基準帯域とD.C 〜10kHz とのコヒーレン
スの計測結果(図13)が得られる。実際のエンジン音
においては、固有振動の周波数帯域内にある基準帯域
(2.75kH〜 3.25kHz)と1.50kHz 〜7.00kHz の帯域間に
おいて高いコヒーレンスが得られることが確認でき、時
間領域におけるパワー包絡化信号の出現帯域と一致する
ことから、前述のように仮定した固有振動の持つ相関性
の裏付けができた。
【0025】
【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、異なる周波数帯域間の相関を調べるようにしたの
で、注目すべき信号の有無の判定を高精度に行うことが
できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】エンジン異常音の時間波形を示した図である。
【図2】エンジン異常音の2乗信号を示した図である。
【図3】エンジン異常音のスペクトルを示した図であ
る。
【図4】注目する固有振動のスペクトルモデルを示した
図である。
【図5】その他の固有振動のスペクトルモデルを示した
図である。
【図6】2帯域間のパワーの相関図である。
【図7】2帯域間のパワー相関図の分布を回帰直線へ射
像した場合の出現頻度を示した図である。
【図8】3次元のパワーの相関図である。
【図9】3次元のパワー相関図の分布を回帰直線へ射像
した場合の出現頻度を示した図である。
【図10】本発明による故障診断方法を実施する装置を
示したブロック図である。
【図11】実施例に係る装置による2乗演算、ローパス
フィルタリングによる時間波形と周波数スペクトルの変
化を示した図である。
【図12】基準帯域と各帯域とのコヒーレンスを示した
図である。
【図13】故障による異常音を含むエンジン音の基準帯
域とD.C 〜10kHz とのコヒーレンスの計測結果を示し
た図である。
【図14】正常なものに対する結果を示した図である。
【符号の説明】
11〜1m マイクロフォン 21〜2m バンドパスフィルタ 31〜3m 乗算器 41〜4m ローパスフィルタ 5 点火信号検出器 6 FFT解析器 7 パターン判別器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金井 浩 宮城県仙台市青葉区中山4−18−1−301 (72)発明者 中鉢 憲賢 宮城県仙台市青葉区貝ケ森4−3−18

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機械系から発生する異常音を、帯域制限
    フィルタにより2以上の周波数帯域に振り分けて狭帯域
    化し、 前記各周波数帯域を持つ狭帯域信号に対して2乗演算を
    行い、 前記2乗演算を行うときに発生する周波数の和の成分を
    削除して、各狭周波数帯域のパワー包絡化信号をうるロ
    ーパスフィルタリングを行い、 前記各パワー包絡化信号に基づいて、基準周波数帯域と
    他の周波数帯域とのコヒーレンス関数を計算して、各帯
    域間の相関をとったのち、 予め定められた故障原因に対応する周波数帯域と照合す
    ることにより、前記機械系の故障を診断することを特徴
    とする故障診断方法。
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WO1994014038A1 (en) * 1992-12-08 1994-06-23 Skf Condition Monitoring, Inc. Envelope enhancement system for detecting anomalous vibration measurements
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