监视装置、声音收集装置以及监视装置的监视方法与流程

1.本发明涉及一种监视对象区域的监视装置、一种声音收集装置以及一种监视装置的监视方法。


背景技术：

2.已知用于基于从设备发出的声音来诊断设备异常的技术。例如，日本未审查专利申请公开no.2013-200144(jp 2013-200144 a)公开了一种用于对来自声音收集器的信号进行各种处理(诸如快速傅立叶变换)并利用采样值进行学习和诊断的技术。日本未审查专利申请公开no.2001-151330(jp 2001-151330 a)公开了一种在带式输送机异常诊断装置中使用无方向性麦克风和方向性麦克风的技术。
3.日本未审查专利申请公开no.2017-32488(jp 2017-32488 a)公开了一种用于使用麦克风阵列识别生成异常声音的声源的二维位置的技术，其中，声音收集元件二维布置在该麦克风阵列中。在jp 2017-32488 a中，基于异常声音的到达时间最短的声音收集元件或检测到异常声音最强的声音收集元件的位置来识别异常声音的声源位置。基于与设备的二维布局相关联的设备图和声源位置来识别作为发出异常声音的声源的设备单元。
4.日本未审查专利申请公开no.2013-15468(jp 2013-15468 a)公开了一种用于使用以等间隔附接有多个麦克风的声音收集装置来提取异常区域的技术。在jp 2013-15468 a中，设定多个虚拟屏幕，虚拟屏幕被划分为格子形状，并且通过对从声音收集装置获取的声压信号进行波束形成处理来计算每个格点的声压级。然后，通过将声压级与参考声压级进行比较，从多个格点中提取异常声压区域。


技术实现要素：

5.当使用多个麦克风监视设备时，存在由于噪声导致监视精度降低的问题。例如，除了从设备发出的声音之外，在待监视的设备周围发出的机器声音(噪声)可以被输入到麦克风。在相关技术中，通过对声压信号进行波束形成处理，从自多个麦克风获取的声压信号中提取待监视声音的信号。
6.然而，当从待监视的设备到麦克风的方向和从噪声源到麦克风的方向变得相同时(即，当从麦克风观察到噪声源位于待监视的设备的紧后方时)，即使通过波束形成处理，噪声信号与待监视的声音信号也一起被提取，并且因此无法去除噪声。
7.因此，出于更精确的监视的目的，本发明提供了一种基于声波对对象区域进行监视的监视装置、一种声音收集装置以及一种监视装置的监视方法。
8.根据本发明的第一方面，提供了一种监视装置。监视装置监视对象区域。监视装置包括：声音收集装置，在该声音收集装置中布置有将从对象区域发出的声波转换成声压信号的多个麦克风；以及信息处理装置，该信息处理装置被配置成基于声压信号检测对象区域中的异常。声压信号是频率为20khz或更高的声波信号。
9.利用这种配置，通过将进行异常检测的声音频率范围设定为超声频率范围(20khz
或更高)，可以通过距离衰减来减少在相关技术中无法去除的噪声。结果，可以更精确地进行监视。
10.在监视装置中，声音收集装置和信息处理装置中的至少一个可以包括滤波器单元。滤波器单元可以被配置成基于频率低于20khz的声波进行第二声压信号的去除和降低中的一个。利用这种配置，可以在基于频率低于距离衰减相对较小的20khz的声波的声压信号被去除或降低的状态下检测异常。结果，可以更精确地进行监视。
11.在监视装置中，多个麦克风可以以六边形阵列布置。位于阵列的最外周界上的多个麦克风可以定位在正六边形的侧边和顶点上。利用这种配置，可以在将超声频率范围内的信号用于异常检测的同时，扩大声音收集装置的最大波束扫描角。结果，可以进一步提高监视性能。
12.在监视装置中，多个麦克风可以以六边形阵列布置。位于阵列的最外周上的多个麦克风可以定位在正六边形的顶点上。利用这种配置，可以在将超声频率范围内的信号用于异常检测的同时，扩大声音收集装置的最大波束扫描角。结果，可以进一步提高监视性能。
13.在监视装置中，多个麦克风可以被配置成将从多个对象区域发出的声波被组合的组合声波转换成声压信号。信息处理装置可以包括：存储装置，该存储装置被配置成存储关于多个对象区域相对于声音收集装置的位置的映射信息；以及算术运算装置，该算术运算装置包括提取单元和检测单元，该提取单元被配置成通过基于映射信息对声压信号进行波束形成处理来从声压信号中提取针对多个对象区域中的每一个的特定声压信号，该检测单元被配置成基于特定声压信号来检测对应的对象区域的异常。
14.利用这种配置，即使当待监视的对象区域的数量增加时，也可以通过增加映射信息中包括的对象区域的数量来将对应的对象区域添加到监视。因此，不需要随着对象区域的数量增加而添加声音收集装置，并且可以抑制监视装置的复杂化。利用根据本发明的监视装置，由于基于映射信息进行波束形成处理，所以可以将经受波束形成处理的区域限定为待监视的区域(检测到异常的区域)。因此，可以缩短波束形成处理的处理时间。结果，可以实时进行监视。
15.在监视装置中，算术运算装置可以被配置成将波束形成方向固定为从基于映射信息来确定的从多个对象区域中的每一个到声音收集装置的方向，并且进行波束形成处理。利用这种配置，可以将进行波束形成处理的方向的数量减少到预测异常发生的对象区域的数量，并且减少波束形成处理的运算负荷。
16.根据本发明的第二方面，提供了一种声音收集装置。声音收集装置用于监视对象区域的监视装置。声音收集装置包括将从对象区域发出的频率为20khz或更高的声波转换成声压信号的多个麦克风。多个麦克风以六边形阵列布置。位于阵列的最外周界上的多个麦克风被定位在正六边形的侧边和顶点上。利用这种配置，由于可以将超声频率范围的信号用于异常检测，所以可以更精确地进行监视。由于可以扩大声音收集装置的最大波束扫描角，所以此可以进一步提高监视性能。
17.根据本发明的第三方面，提供了一种监视装置的监视方法。监视装置包括布置有多个麦克风的声音收集装置以及信息处理装置，并且被配置成使用声音收集装置监视对象区域。监视方法包括：在声波已被转换成声压信号的状态下，使用多个麦克风获取从对象区
域发出的声波；以及使用信息处理装置基于声压信号来检测对象区域的异常。声压信号是频率为20khz或更高的声波信号。
18.利用这种配置，通过将进行异常检测的声音频率范围设定为超声频率范围(20khz或更高)，可以通过距离衰减来减少在相关技术中无法去除的噪声。结果，可以更精确地进行监视。
19.根据本发明，可以提供一种基于声波监视对象区域的监视装置、一种声音收集装置以及一种监视装置的监视方法，并且因此更精确地进行监视。
附图说明
20.下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术意义和工业意义，在附图中相似的符号表示相似的元件，并且其中：
21.图1是示意性地示出了根据实施例的监视装置的视图；
22.图2是示出了根据实施例的映射信息的示例的视图；
23.图3是示出了根据实施例的监视处理的例程的流程图；
24.图4是示出了根据实施例的多个麦克风的阵列的视图；
25.图5是示出了模拟的条件和结果的表格；
26.图6是示出了模拟的条件和结果的表格；
27.图7a是示出了条件1下的声音收集装置的配置的视图；
28.图7b是示出了条件2和条件3下的声音收集装置的配置的视图；
29.图7c是示出了条件4下的声音收集装置的配置的视图；以及
30.图7d是示出了条件5下的声音收集装置的配置的视图。
具体实施方式
31.实施例
32.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。
33.本公开中的“声波”是指通过介质(例如，气体、液体或固体)传播的弹性波。除了人类可以听到的频率(等于或高于20hz且低于20khz)的声波之外，声波还包括超声波(等于或高于20khz)和次声波(低于20hz)。
34.监视装置的配置
35.图1是示意性地示出了根据实施例的监视装置1的视图。监视装置1是基于声波监视多个对象区域的装置。监视装置1例如安装在处理对象(工件)被处理的场所。
36.本实施例中的对象区域包括：对象区域r1和r2，假定发生异常的部件位于该对象区域r1和r2中；以及对象区域r3，由设备加工的工件位于该对象区域r3中。在以下的说明书中，当未特别区分它们时，将这些对象区域r1至r3简称为“对象区域r”。
37.在本实施例中，如图1所示，在加工工具2中包括的工具21(例如，钻头)所在的区域被定义为对象区域r1，并且在加工工具2中包括的电机22所在的区域被定义为对象区域r2。放置在加工工具2的工作台23上的工件3所在的区域被定义为对象区域r3。
38.监视装置1包括声音收集装置11、信息处理装置12、显示装置15、输入装置16和通信装置17。声音收集装置11包括二维布置的多个麦克风110。即，声音收集装置11是麦克风
阵列(二维阵列)。
39.每个麦克风110是声压传感器，该声压传感器将从多个对象区域r发出的声波swl被组合的组合声波sw2转换成声压信号sp1。特别地，麦克风110将频率为20khz或更高的组合声波sw2(即，超声波)转换成声压信号sp1。麦克风110例如是无方向性麦克风。稍后将描述麦克风110的阵列。
40.声音收集装置11被安装在与多个对象区域r相隔一定距离的位置处。例如，声音收集装置11在其面向多个对象区域r的状态下被安装在与多个对象区域r相隔数十cm至数m的位置处。由于声音收集装置11以这种方式被安装在与多个对象区域r相隔预定距离的位置处，所以可以获取从多个对象区域r发出的声波sw1被组合的组合声波sw2以及从特定对象区域r发出的声波sw1。
41.信息处理装置12包括算术运算装置13和存储装置14。信息处理装置12例如是计算机装置。存储装置14是存储各种类型的信息的装置，并且例如是包括硬盘驱动器(hdd)、随机存取存储器(ram)和只读存储器(rom)的装置。
42.存储装置14在功能上包括映射信息数据库141和声压信号存储单元142。映射信息数据库141和声压信号存储单元142由存储装置14中的预定存储区域构成。映射信息数据库141和声压信号存储单元142可以由相同的存储区域构成，或者可以由不同的存储区域构成。存储装置14附加地存储计算机程序143。
43.映射信息m1被存储在映射信息数据库141中。映射信息m1是关于多个对象区域r相对于声音收集装置11的位置的信息。
44.图2是示出了映射信息m1的示例的视图。例如，映射信息m1作为包括对象区域r的id和对象区域r的坐标的表格形式的信息被存储，如图2的上部所示。作为对象区域r的坐标，可以仅存储对象区域r的中心坐标，或者可以存储沿着对象区域r的轮廓的数个点的坐标。
45.图2的下部是示意性地示出了预定xy平面上的映射信息m1的示例的视图。xy平面是与布置有声音收集装置11的多个麦克风110的平面(阵列表面)平行的平面。换句话说，图2的下部表示当从声音收集装置11在阵列表面的法线方向上观察多个对象区域r时投影到预定xy平面上的多个对象区域r的位置。在图2的下部中，每个对象区域r相对于声音收集装置11的轮廓由以声音收集装置11的中心为原点的坐标(x，y)表示。
46.映射信息数据库141可以存储多条映射信息m1。例如，当工件3的多个位置(例如，第一位置和第二位置)被加工工具2依次加工时，对象区域r3被分割成工件3的加工位置，例如，使得对象区域r3a被分配给第一位置并且对象区域r3b被分配给第二位置。可以存储包括对象区域r1、r2和r3a的id和坐标的映射信息m1a以及包括对象区域r1、r2和r3b的id和坐标的映射信息m1b。
47.通过声音收集装置11获取的声压信号sp1和通过算术运算装置13计算的特定声压信号sp2被存储在声压信号存储单元142中。
48.算术运算装置13是从存储装置14读取计算机程序143并进行各种运算的装置，并且例如是中央处理单元(cpu)。算术运算装置13通过执行存储在存储装置14中的计算机程序143来实现提取单元131的功能和检测单元132的功能。
49.提取单元131通过基于映射信息m1对声压信号sp1进行波束形成处理，来从声压信
号sp1中提取针对多个对象区域r中的每一个的特定声压信号sp2。检测单元132基于特定声压信号sp2来检测每个对象区域r的异常。后文将描述提取单元131和检测单元132的详细功能。
50.显示装置15电连接到信息处理装置12，并向用户显示对象区域r的监视信息。显示装置15例如是显示器和扬声器。例如，监视信息包括来自检测单元132的异常检测结果和关于异常原因的信息。输入装置16电连接到信息处理装置12，并将由用户输入的信息发送到信息处理装置12。输入装置16例如是鼠标和键盘。
51.通信装置17电连接到信息处理装置12，并将各种类型的信息发送到外部装置(未示出)以及接收来自外部装置(未示出)的各种类型的信息。例如，通信装置17将对象区域r的监视信息发送到管理装置，并从管理装置接收各种类型的设定信息(诸如映射信息m1)。
52.监视处理的例程
53.图3是示出了根据实施例的监视处理的例程的流程图。当监视装置1的用户使用输入装置16指示监视装置1进行监视处理时，监视装置1开始监视处理。
54.当监视处理开始时，首先进行映射处理s1。映射处理s1是获取映射信息m1的处理。声音收集装置11和加工工具2安装在工厂中的预定位置处。由加工工具2加工工件3处的位置被预先确定。因此，多个对象区域r相对于声音收集装置11的位置被唯一确定。
55.例如，通过允许用户将对象区域r相对于声音收集装置11的位置信息输入到输入装置16来获取映射信息m1。另外，可以通过经由通信装置17从管理装置接收映射信息m1来获取映射信息m1。所获取的映射信息m1被存储在映射信息数据库141中。以这种方式，映射处理s1结束。
56.然后，进行声音收集处理s2。例如在图1所示的加工工具2正在操作并加工工件3的同时，进行声音收集处理s2。即，在声音收集处理s2中，多个对象区域r生成声波sw1和组合声波sw2，其中，声波sw1被组合传播到声音收集装置11。
57.当声音收集处理s2开始时，包括在声音收集装置11中的多个麦克风110将输入的组合声波sw2转换成声压信号sp1，并将声压信号sp1输出到信息处理装置12。特别地，每个麦克风110将频率为20khz或更高的组合声波sw2转换成声压信号sp1。通过麦克风110获取的多个声压信号sp1被存储在声压信号存储单元142中。由于多个麦克风110被布置在预定平面上的不同位置处，所以可以通过获取针对多个麦克风110中的每一个的声压信号sp1来获得声压信号sp1的分布。由此，声音收集处理s2结束。
58.然后，进行提取处理s3。提取处理s3是通过使提取单元131基于映射信息m1对声压信号sp1进行波束形成处理而从声压信号sp1中提取针对多个对象区域r中的每一个的特定声压信号sp2的处理。当提取处理sp3开始时，进行多个波束形成处理。
59.例如，通过基于在映射信息m1中包括的对象区域r1的位置信息对声压信号sp1进行波束形成处理，从声压信号sp1中提取在对象区域rl的方向上传播的声波swl的特定声压信号sp2。类似地，针对对象区域r2和r3中的每一个提取特定声压信号sp2。当存在三个对象区域r时，也提取三个特定声压信号sp2。
60.在提取处理s3中，可以根据加工工具2的处理使用不同条的映射信息m1a和m1b来进行波束形成处理。例如，假设依次进行第一加工处理和第二加工处理，该第一加工处理使加工工具2的工具21在工件3的第一位置处打孔，该第二加工处理使加工工具2的工具21在
工件3的第一位置以外的第二位置处打孔。此时，假设在第一加工处理期间第二位置未经受加工，并且在第二加工处理期间第一位置未经受加工。在这种情况下，在第一加工处理中监视第一位置很重要，并且在第二加工处理中监视第二位置很重要。
61.因此，基于映射信息m1a(关于对象区域r1、r2和r3a的信息)对在第一加工处理中获取的声压信号sp1进行波束形成处理。由于存在三个对象区域r，所以针对三个方向进行波束形成处理以计算特定声压信号sp2。基于针对三个方向的映射信息m1b(关于对象区域r1、r2和r3b的信息)对在第二加工处理中获取的声压信号sp1进行波束形成处理。
62.即，在提取处理s3中，将波束形成方向固定为从多个对象区域r中的每一个到基于映射信息m1确定的声音收集装置11的方向，并且进行波束形成处理。因此，可以将进行波束形成处理的方向的数量缩小到预测异常发生的对象区域r的数量，并且可以降低波束形成处理的运算负荷。
63.通过基于假定异常的对象区域r根据处理而不同的多条映射信息m1a和m1b进行波束形成处理，可以降低波束形成处理的运算负荷。因此，可以缩短与算术运算相关联的处理时间并实时进行监视。通过按处理对感兴趣的对象区域进行分割，可以轻松地从其他区域中去除噪声并更精确地进行监视。以这种方式，提取处理s3结束。
64.然后，进行异常检测处理s4。异常检测处理s4是使检测单元132基于特定声压信号sp2检测对象区域r的异常的处理。
65.当异常检测处理s4开始时，检测单元132首先通过对特定声压信号sp2进行预定信号处理来获取包括在特定声压信号sp2中的特征。例如，针对对象区域r1的特定声压信号sp2包括关于在对象区域r1的方向上传播的所有声波sw1的信息。对象区域r1是用于监视工具21的区域，并且工具21的异常特别表现为工具21的旋转声音的频率或音量的差异。因此，为了确定工具21中是否发生异常，对从对象区域r1获取的特定声压信号sp2进行信号处理(例如，快速傅立叶变换、滤波处理或平均声压的计算)，并获取特征(例如，频率分布或平均声压)。
66.然后，检测单元132基于特征来确定在多个对象区域r中的每一个中是否发生异常。例如，通过将对象区域r1的特征与预定参考值进行比较来确定对象区域r1中是否发生异常。关于其他对象区域r2和r3的异常也以相同的方式确定。特别地，当确定出在加工工件3的对象区域r3中已经发生异常时，可以确定工件3的质量很差并且可以将工件3排除在生产线等之外。即，除了监视加工工具的异常以外，根据本实施例的异常的确定还可以用于工件3的质量控制。
67.然后，当确定出在对象区域r中发生异常时，检测单元132对异常进行分类。例如，将对象区域r中的特征与存储在预定数据库中的多条异常信息进行比较。当多条异常信息中存在与特征相对应的异常信息时，确定出对象区域r的异常为基于异常信息的异常。当多条异常信息中不存在与特征相对应的异常信息时，确定出其为未知异常。在确定之后，检测单元132将关于对应异常信息的信息(例如，关于异常原因的信息)添加到特征中，并将结果信息存储在声压信号存储单元142中。以这种方式，异常检测处理s4结束。
68.然后，进行通知处理s5。当通知处理s5开始时，信息处理装置12基于存储在声压信号存储单元142中的异常确定结果或关于异常原因的信息来将针对多个对象区域r中的每一个的监视信息输出到显示装置15。信息处理装置12可以经由通信装置17将监视信息输出
到管理装置。当确定出在对象区域r中发生异常时，可以从显示装置15的扬声器输出警报。由此，通知处理s5结束。
69.如上所述，根据本实施例的监视装置1包括：声音收集装置11，在该声音收集装置11中布置有多个麦克风110，该麦克风110将从多个对象区域r发出的频率为20khz或更高的声波sw1被组合的组合声波sw2转换成声压信号sp1；存储装置14，该存储装置14存储关于多个对象区域r相对于声音收集装置11的位置的映射信息m1；以及算术运算装置13，该算术运算装置13通过基于映射信息m1对声压信号sp1进行波束形成处理而从声压信号sp1中提取针对多个对象区域r中的每一个的特定声压信号sp2。
70.利用监视装置1，可以使用声音收集装置11来监视多个对象区域r。声音收集装置11不是单独安装在每个对象区域r中，而是安装在一个位置。因此，可以防止用于设置声音收集装置11的设备(诸如线缆等)变得复杂。即使当在预定空间中待监视的对象区域r的数量增加时，也可以通过增加在映射信息m1中包括的对象区域r的数量来添加所添加的对象区域r以用于进行监视。因此，不需要添加声音收集装置11，并且可以防止监视装置1的复杂化。
71.利用监视装置1，由于基于映射信息m1进行波束形成处理，所以可以将波束形成处理的对象区域限制为待监视的区域(检测到异常的区域)。因此，可以缩短波束形成处理的处理时间，并缩短从获取声压信号sp1到提取特定声压信号sp2或确定异常的时间。结果，可以实时地进行监视。
72.用于异常检测的声音频率范围
73.下面将描述用于检测异常的声音频率范围。在提取处理s3中，通过对从多个麦克风110获取的声压信号sp1进行波束形成处理，从声压信号sp1中提取与从对象区域r发出的声波sw1相对应的信号。
74.然而，当从对象区域r到麦克风110的方向和从噪声源到麦克风的方向几乎彼此相等时(即，当噪声源位于麦克风视野中的对象区域r紧后方时)，即使通过进行波束形成处理，也将噪声信号和与从对象区域r发出的声波sw1相对应的信号一起提取，并且因此无法去除噪声。
75.为了解决这个问题，在本实施例中，每个麦克风110将频率为20khz或更高的组合声波sw2(即，超声波)转换成声压信号sp1。超声波具有比具有人类可以听到的音频(等于或高于20hz且低于20khz)的声波随着距离而更容易衰减的特性。因此，当基于频率为20khz或更高的声波进行异常检测时，从麦克风110观察到的比对象区域r更远的位置发出的噪声随着距离而衰减并且噪声不可能到达麦克风110(或者即使当噪声到达麦克风110时，其信号的强度也小于从对象区域r发出的超声频率范围内的声波)。
76.以这种方式，根据该实施例，通过将进行异常检测的声音频率范围设定为超声频率范围(20khz或更高)，可以通过距离衰减来减少相关技术中无法去除的从紧接在对象区域r之后发出的噪声。
77.用于从从对象区域发出的声波中提取超声频率范围内的声波的配置包括用于使用声音收集装置11进行提取的配置和用于使用信息处理装置12进行提取的配置。在本发明的实施例中，任何配置都可以用于提取。即，声音收集装置11和信息处理装置12中的至少一个仅需要包括基于频率低于20khz的声波去除或降低声压信号(与权利要求中的第二声压
信号相对应)的滤波器单元。
78.当使用声音收集装置11提取超声频率范围内的声波时，麦克风110的敏感区域可以限制为20khz或更高，并且仅频率为20khz或更高的组合声波sw2可以被转换成声压信号sp1。在这种情况下，声音收集装置11具有根据灵敏度去除频率低于20khz的声波的功能(滤波器单元)。例如，可以使用麦克风110将组合声波sw2中的频率为20khz或更高的信号转换成强于频率低于20khz的信号的声压信号sp1，其中，对频率等于或高于20hz且低于40khz的声波的灵敏度高于对频率等于或高于20hz且低于20khz的声波的灵敏度。在这种情况下，与频率为20khz或更高的声波相比，声音收集装置11具有根据灵敏度降低频率低于20khz的声波的功能(滤波器单元)。
79.声音收集装置11可以包括运算放大器，该运算放大器从由麦克风110转换的声压信号sp1中降低或去除频率低于20khz的声压信号。在这种情况下，运算放大器的滤波电路对应于权利要求中的滤波器单元。
80.当使用信息处理装置12提取超声频率范围内的声波时，声压信号sp1可以包括频率低于20khz的信号。在这种情况下，例如，通过使提取单元131对声压信号sp1进行滤波处理来去除或降低频率低于20khz的信号，然后通过进行波束形成处理来提取特定声压信号sp2。然后，检测单元132基于特定声压信号sp2来检测异常。在这种情况下，信息处理装置12的提取单元131用作权利要求中的滤波器单元。
81.即，用于基于频率低于20khz的声波来去除或降低声压信号的配置可以例如根据麦克风110的灵敏度，通过硬件(诸如运算放大器的滤波电路)来实现，或者可以通过软件(诸如信息处理装置12的提取单元131)来实现。
82.在此，在设备的驱动部分中发生的异常的迹象很可能表现为高音。例如，导致旋转部分损坏的装置的旋转部分(诸如轴承)的润滑状态的恶化可能表现为频率约为30khz至35khz的声波。作为使用压缩空气的部分(诸如压缩机)的空气泄漏的迹象(其为另一异常迹象)，可能会因少量泄漏而生成轻微的湍流，并且湍流的生成很可能表现为频率约为35khz至40khz的声波。由于当火花放电较小时，在超声频率范围内可能生成火花放电的声音，所以在生成异常火花放电之前生成的小火花放电可以被确定为异常的迹象，并注意在超声频率范围内的声波。在超声波之中，音调较高的声波更容易随距离而衰减。因此，优选地基于超声频率范围内的声波之中的具有较高音调(例如，等于或高于30khz且等于或低于40khz)的声波来进行异常检测。
83.使用超声频率范围内的声波的问题
84.如上所述，当基于超声频率范围内的声波提取特定声压信号sp2并且基于特定声压信号sp2进行异常检测时，可以减少紧接在对象区域r之后生成的噪声。然而，当基于超声频率范围内的声波进行波束形成处理时，存在生成栅瓣的新问题。
85.在波束形成处理中，通过在特定方向上应用方向性来提取声波。然而，在布置有多个麦克风110的麦克风阵列中，当相邻麦克风110之间的间隔d1不等于或小于声波的波长λ的一半时(即，当满足d1》λ/2时)，由于所谓的“空间混叠”的出现，形成了具有与特定方向相同方向性增益的栅瓣。由于难以区分固有地待检测的主瓣和栅瓣，所以当通过波束形成处理提取主瓣和栅瓣时，不能精确地检测异常。
86.例如，由于频率为35khz的超声波的波长λ为9.7mm，所以需要将相邻麦克风110之
间的间隔d1设定为等于或小于4.9mm以便抑制粒化瓣的出现。然而，例如，一般的电容式麦克风的直径等于或大于6mm，并且因此存在较小麦克风的成本高且其灵敏度低的问题。因此，麦克风110之间的间隔d1不容易设定为4.9mm或更小。
87.因此，在根据本实施例的监视装置1中，通过将声音收集装置11中的最大波束扫描(波束转向)角设定为等于或小于生成栅瓣的角度来去除栅瓣的影响。然而，当生成栅瓣的角度接近生成主瓣的角度时，最大波束角也减小，并且因此减小通过监视装置1监视的角度范围。因此，根据本实施例的监视装置1通过改进多个麦克风110的阵列来解决最大波束扫描角的问题。
88.麦克风阵列
89.图4是示出了多个麦克风110的阵列的视图。如图4的上部所示，19个麦克风110以六边形阵列布置在声音收集装置11的阵列表面上。更具体地，三个麦克风110(#1、#2和#3的麦克风110)在x方向上等间隔地布置在位于y方向的一端处的第一行l11中。四个麦克风110(#4、#5、#6和#7的麦克风110)在x方向上等间隔地布置在y方向的另一侧上与第一行l11相邻的第二行l12中。类似地，五个麦克风在x方向上等间隔地布置在第三行l13中，四个麦克风在x方向上等间隔地布置在第四行l14中，并且三个麦克风在x方向上等间隔地布置在第五行l15中。
90.如图4的下部所示，麦克风110的中心位于正三角形的顶点处。在x方向上彼此相邻的麦克风110的中心(例如#1和#2的麦克风110的中心p1和p2)之间的间隔d1与在y方向上彼此倾斜相邻的麦克风110的中心(例如，#1和#5的麦克风110的中心p1和p5)之间的间隔d1相同。
91.换句话说，#5、#6、#9、#11、#14和#15的麦克风110的中心位于边长为d1的正六边形的顶点处，并且#10的麦克风110的中心位于正六边形的中心。#1、#2、#3、#4、#7、#8、#12、#13、#16、#17、#18和#19的麦克风110的中心位于正六边形(其边长为d1的两倍)的顶点和侧边的中点处，以包围上述正六边形。即，位于最外周界上的多个麦克风110位于正六边形的侧边或顶点处。
92.变型示例
93.虽然上面已经描述了本发明的实施例，但除了该实施例之外，本发明还可以以各种形式进行修改。下面将描述本发明的实施例的变型示例。在以下的变型示例中，对与上述实施例相同的元件将用相同的附图标记表示并将省略其描述。
94.锥化处理
95.提取单元131可以被配置成在对从多个麦克风110中的每一个中获取的声压信号sp1进行加权之后进行波束形成处理。例如，可以在对图4的上部所示的#10的麦克风110检测到的声压信号sp1以最大值加权、对位于最外周界的#1、#2、#3、#4、#7、#8、#12、#13、#16、#17、#18和#19的麦克风110检测到的声压信号sp1以最小值加权并对位于中间正六边形的顶点的#5、#6、#9、#11、#14和#15的麦克风110检测到的声压信号sp1以中间值加权之后进行波束形成处理。
96.以这种方式，通过增加位于阵列表面的中心的麦克风110检测到的声压信号sp1的影响并减小位于阵列表面的最外周界的麦克风110检测到的声压信号sp1的影响，旁瓣的尺寸可以相对于主瓣减小。因此，可以提高波束增益、波束宽度和扫描角。特别地，当采用六边
形阵列时，加权(锥化)可以各向同性地容易地类似中心、第一周界的正六边形和第二周界的正六边形添加。
97.采用六边形阵列的变型示例1
98.根据前述实施例的声音收集装置11被配置成六边形阵列，其中，19个麦克风110以双正六边形形状布置，如图4的上部所示。然而，麦克风110的阵列不限于此，并且例如，麦克风可以布置成单个正六边形形状或者三个或更多个正六边形形状。在这种情况下，声音收集装置由总共37个麦克风110构成，该37个麦克风110包括位于中心的一个麦克风110、位于第一周界的六边形的顶点的六个麦克风110、位于第二周界的六边形的顶点和中点的12个麦克风110以及位于第三周界(最外周界)的六边形的顶点和侧边的1/3点和2/3点的18个麦克风110。
99.即，当在α周界上形成有形成六边形阵列的正六边形时，麦克风110的数量是[{σ(6
×
i)} 1]。在此，σ是i＝α的积分。
[0100]
采用六边形阵列的变型示例2
[0101]
在根据实施例和变型示例的声音收集装置11中，可以省略位于一些阵列位置的麦克风110，只要确保各向同性即可。例如，麦克风110可以不布置在图4的上部中的#10的位置，并且声音收集装置11可以由总共18个麦克风110构成。麦克风110可以不布置在图4的上部中的#2、#4、#7、#13、#16和#18的位置处，并且声音收集装置11可以由总共13个麦克风110构成。以这种方式，当麦克风110布置在六边形阵列的最多阵列位置的65％或更多处时，麦克风110的阵列称为“六边形阵列”。
[0102]
可以在未布置麦克风110的位置处设置相机。例如，代替麦克风110的相机可以布置在图4的上部中的#10的位置处。
[0103]
模拟条件和结果
[0104]
发明人等对其中多个麦克风的阵列不同的各种声音收集装置11至11d进行模拟。使用波束增益、波束宽度和扫描角作为评估项目来验证声音收集装置11的设计优点。
[0105]
图5和图6示出了布置有由发明人等进行的模拟使用的条件及其结果的表格。在图5所示的条件1至7中使用了发出频率为35khz的声波的声源，在图6所示的条件8至13中使用了发出频率为20khz的声波的声源。图7a至图7d是示出了图5和图6所示的条件1至5和条件8至11中的声音收集装置11a至11d的配置的视图。
[0106]
图7a示出了声音收集装置11a的阵列表面(条件1)。声音收集装置11a包括以4
×
4矩形形状布置的16个麦克风110。具有中心间间隔d1的四个麦克风110布置在第一行l21中。第二行l22中的具有中心间间隔d1的四个麦克风110位于第一行l21中的四个麦克风110的正下方。即，声音收集装置11a中的麦克风110的中心位于边长为d1的常规矩形的顶点上。以这种方式，麦克风的中心位于常规矩形的顶点上的阵列被适当地称为“矩形阵列”。
[0107]
图7b示出了声音收集装置11b的阵列表面(条件2、3、8和9)。声音收集装置11b包括以4
×
4三角形形状布置的16个麦克风110。具有中心间间隔d1的四个麦克风110布置在第一行l31和第二行l32中。第二行l32中的麦克风110位于第一行l31中的两个相邻麦克风110之间的中点的正下方，与第一行l31中的麦克风110的中心相距中心间间隔d1。换句话说，声音收集装置11b中的麦克风110的中心位于边长为d1的正三角形的顶点上。
[0108]
第三行l33中的在x方向上的最左麦克风110在x方向上的位置与第一行l31中的在
x方向上的最左麦克风110在x方向上的位置相同，并且第二行l32中的在x方向上的最左麦克风110在x方向上的位置与第四行l34中的在x方向上的最左麦克风110在x方向上的位置相同。以这种方式，麦克风的中心位于正三角形的顶点上并且第a行中的麦克风110的位置在x方向上的位置与第(a 2)行中的麦克风110在x方向上的位置相同的阵列被适当地称为“三角形阵列”。
[0109]
图7c示出了声音收集装置11c的阵列表面(条件4和10)。声音收集装置11c包括以5
×
5三角形形状布置的25个麦克风110。具有中心间间隔d1的五个麦克风110布置在第一行l41和第二行l42中。
[0110]
图7d示出了声音收集装置11d的阵列表面(条件5和11)。声音收集装置11d包括以4
×
6三角形形状布置的24个麦克风110。具有中心间间隔d1的六个麦克风110布置在第一行l51和第二行l52中。
[0111]
在条件6、7、12和13中，使用具有图4所示的六边形阵列的声音收集装置11。在模拟中，麦克风110是电容式麦克风，并且其直径为1/4英寸(约6.4mm)。间隔d1为8.5mm。因此，相邻麦克风110的外周界之间的最短距离约为2.1mm。
[0112]
在模拟中，声源位于从阵列表面的中心延伸的阵列表面的法线上，并且从该声源发出频率为35khz(图5)或20khz(图6)的声波。在以下描述中，连接声源和阵列表面的方向被适当地称为“z方向”。z方向是垂直于x方向和y方向的方向。通过将提取波束的方向设定为z方向来进行波束形成处理。
[0113]
在条件3、4、5、7、9、10、11和13中，在波束形成处理中进行对由多个麦克风110检测到的声压信号加权的锥化处理。具体地，与多个麦克风110之中的靠近中心的麦克风110的声压信号相关联的(加权)因子被设定为大于与其他麦克风110(例如，位于端部的麦克风110)的声压信号相关联的因子。通过进行这样的锥化处理可以减小旁瓣。
[0114]
下面将参考图5描述评估项目。优选地，波束增益尽可能大。在本实施例中，当增益等于或大于12db时，检测性能被确定为“可接受”。
[0115]
在条件1至7中，由于所有增益都等于或大于12db，所以考虑到波束增益，其检测性能良好。即使当麦克风110的数量相同时，从条件1和2的结果可以看出，随着阵列表面中的麦克风110的密度变大，增益变大。从条件2和3的结果可以看出，当麦克风110的阵列相同时，在进行锥化处理的条件下增益更大。从条件3和4的结果可以看出，当阵列表面中的麦克风110的密度相同时，随着麦克风110的数量变大，增益变大。
[0116]
然而，当麦克风110的数量增加时，存在信息处理装置12中的信息处理负荷增加的问题。考虑到制造成本的降低或监视装置1的尺寸的降低，优选地，麦克风110的数量尽可能少。因此，可以优选地采用可以确保必要增益(等于或大于12db)并且麦克风110的数量较少的条件。仅考虑增益，条件1至7中的所有条件都适合，但在条件1和2之中，在相同数量的麦克风110(16)下增益更大的条件2更优选。在条件2至7之中，麦克风110的数量稍少并确保必要增益的条件2、3、6和7比条件4和5更优选。因此，同时考虑麦克风110的数量和波束增益，条件2、3、6和7更优选。
[0117]
波束宽度是当通过波束形成处理提取的主瓣从增益的最大值衰减3db时的角宽度。当波束宽度窄时，获得了在进行检测的目标方向上具有高灵敏度的方向性，并且当波束宽度宽时，难以在所提取的主瓣中定位目标方向。因此，优选地，波束宽度窄。在此，方位方
向是从连接阵列表面和声源的z方向向x方向倾斜的方向，并且仰角是从z方向向y方向倾斜的方向。在图5所示的模拟中，当波束宽度在方位方向和仰角方向上都等于或小于15度时，检测性能被确定为“可接受”。
[0118]
在条件1、2、6和7中，波束宽度在方位方向上为14度并且在仰角方向上为14度。在条件3中，波束宽度在方位方向上为16度并且在仰角方向上为16度。在条件4中，波束宽度在方位方向上为12度并且在仰角方向上为13度。在条件5中，波束宽度在方位方向上为10度并且在仰角方向上为16度。因此，考虑到波束宽度，波束宽度在方向上等于或小于15度的条件1、2、4、6和7是优选的。由于条件5的方位方向的波束宽度在条件1至7之中最窄，但仰角的波束宽度较宽，所以不能说条件5是优选的。
[0119]
扫描角是可以在不受栅瓣影响的情况下提取声波的最大角度范围。在模拟中，由于声源的位置是已知的，所以生成主瓣的位置是已知的，并且因此可以将模拟结果中的主瓣和栅瓣分开。在模拟中，在方位角和仰角都为0度的位置处生成主瓣。因此，当从0度方位角在正负两个方向上进行扫描时生成最近栅瓣的角度是方位方向上的扫描角。类似地，从0度仰角在正负两个方向上进行扫描时生成最近栅瓣的角度是仰角方向上的扫描角。由于扫描角越大，监视装置1的监视范围越广，所以优选地，扫描角宽。
[0120]
条件1中的扫描角在方位角和仰角中都为
±
8.2度。条件2至5中的扫描角在方位角中为
±
18.8度，并且在仰角中为
±
8.2度。由于可以在方位角上进行更宽的扫描，所以条件2至5比条件1更优选。条件6和7中的扫描角在方位角中为
±
23度，并且在仰角中为
±
18.6度。因此，条件6和7中的扫描角在条件1到7之中最大，并且因此条件6和7在条件1到7中更优选。特别地，增益较大的条件7更优选。
[0121]
如上所述，考虑到条件1至7之中的麦克风110的数量、增益、波束宽度和扫描角，条件7是最优选的条件。
[0122]
频率为20khz的声波的结果将参考图6进行评估。如图6所示，在结果中，条件8至13中的方位角和仰角的扫描角均为
±
90度(即，不限制扫描角)。因此，从扫描角来看，条件没有区别。
[0123]
对于频率为20khz(波长λ＝17mm)的超声波，相邻麦克风110之间的间隔d1需要等于或小于8.5mm以避免空间混叠并防止栅瓣的生成。另一方面，由于图6所示的模拟中的麦克风110之间的间隔d1为8.5mm，所以在该模拟中防止了栅瓣的生成。因此，扫描角不受任何条件限制。
[0124]
如图6所示，当超声波的频率相对低时，通过将麦克风110之间的间隔d1设定为等于或小于超声波的波长的一半，可以防止空间混叠的生成。另一方面，如图5所示，当超声波的频率相对高(例如，30khz到40khz)时，难以机械地减小麦克风110之间的间隔d1，不能防止空间混叠的生成，并且生成栅瓣。
[0125]
根据前述实施例，通过将声音收集装置11中的最大波束扫描角设定为等于或小于生成栅瓣的角度，可以消除栅瓣的影响。通过将多个麦克风110的阵列设定为如图4所示的六边形阵列，可以将生成栅瓣的位置与主瓣分开并加宽最大波束扫描角。通过采用六边形阵列，可以用有限数量的麦克风110有效地增强波束增益。
[0126]
通过将多个麦克风110的阵列设定为六边形阵列，可以将麦克风更密集地安装在声音收集装置11的阵列平面上。因此，可以减小声音收集装置11的尺寸。
[0127]
其他
[0128]
前述实施例在所有方面仅为一个示例，并非限制性的。即，根据本发明的监视装置不限于附图中所示的实施例并且可以在本发明的范围内以各种形式进行修改。