噪音分析方法、噪音分析程序以及噪音分析装置与流程

1.本发明涉及噪音分析方法、噪音分析程序以及噪音分析装置。


背景技术：

2.以往，已知有根据马达的振动或工作音来检查马达的技术。另外，在马达的检查中，已知有着眼于马达的每个旋转阶次的成分的检查。
3.例如在专利文献1中，提出了通过将频谱所包含的旋转频率的规定的阶次成分的电平与预先设定的阈值进行比较来判定有无异常的技术。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2010-071866号公报


技术实现要素：

7.发明要解决的课题
8.例如在电动汽车的牵引马达等中，要求针对马达的各种运转状态来检查马达，因此为了缩短检查时间，考虑一边使马达的转速变化一边测量振动或工作音来进行检查。
9.但是，在用阶次对测量值进行分析的情况下，阶次分辨率与sn比成为折衷的情况较多，要求兼顾阶次分辨率和sn比的分析技术。因此，本发明的目的在于兼顾阶次分辨率和sn比。
10.用于解决课题的手段
11.本发明的一个方式为噪音分析方法，该噪音分析方法包含如下步骤：谱计算步骤，对旋转体发出的振动和声音中的至少一方的测量值实施离散傅里叶变换来计算频谱；谱转换步骤，将上述频谱转换为阶次谱；以及滤波处理步骤，按照阶次共同的每个范围对上述阶次谱实施提高sn比的滤波处理。
12.另外，本发明的一个方式为噪音分析程序，该噪音分析程序装入到信息处理装置中，使该信息处理装置执行上述噪音分析方法。
13.另外，本发明的一个方式为噪音分析装置，其具有：谱计算部，其对旋转体发出的振动和声音中的至少一方的测量值实施离散傅里叶变换来计算频谱；谱转换部，其将上述频谱转换为阶次谱；以及滤波处理部，其按照阶次共同的每个范围对上述阶次谱实施提高sn比的滤波处理。
14.发明效果
15.根据本发明的噪音分析方法、噪音分析程序以及噪音分析装置，能够兼顾阶次分辨率和sn比。
附图说明
16.图1是示意性地示出牵引马达的噪音测量系统的图。
17.图2是示出高加减速模式下的控制的图。
18.图3是示出根据测量值而得到的频谱的例子的图。
19.图4是示出阶次谱的例子的图。
20.图5是示出本发明的噪音分析装置的一个实施方式的图。
21.图6是示出频谱的概念图。
22.图7是示出阶次谱的概念图。
23.图8是对fft处理部中的处理进行说明的图。
24.图9是对谱转换部中的处理进行说明的图。
25.图10是对单位转换部中的处理进行说明的图。
26.图11是对平滑化处理部中的处理进行说明的图。
27.图12是对二维化处理部中的处理进行说明的图。
具体实施方式
28.以下，参照附图，对本发明的噪音分析方法、噪音分析程序以及噪音分析装置的实施方式进行详细地说明。但是，为了避免以下的说明不必要地冗长，使本领域技术人员容易理解，有时省略超出所需的详细说明。例如，有时省略已经众所周知的事项的详细说明、对实际上相同的结构的重复说明。另外，关于之前说明的图中记载的要素，有时在后面的图的说明中适当参照。图1是示意性地示出牵引马达的噪音测量系统的图。
29.噪音测量系统100以牵引马达200作为测量对象，例如在牵引马达200的制造时等测量牵引马达200发出的声音、振动。噪音测量系统100具有第1负载吸收用马达101、第2负载吸收用马达103、测量部105以及驱动控制部106。
30.测量对象的牵引马达200经由联轴器109、110与第1负载吸收用马达101和第2负载吸收用马达103各自的驱动轴连接。通过联轴器109、110将驱动轴相互连接，从而第1负载吸收用马达101、第2负载吸收用马达103以及牵引马达200以彼此相同的速度旋转。在第1负载用马达101侧设置有检测驱动轴的转速的速度传感器111。
31.从驱动控制部106向牵引马达200的马达控制部201、第1负载吸收用马达101的马达控制部102以及第2负载吸收用马达103的马达控制部104分别输入驱动指令来控制扭矩(即负载)。
32.测量部105通过安装于牵引马达200的振动传感器108来测量牵引马达200发出的振动。另外，测量部105通过朝向牵引马达200的麦克风107来测量牵引马达200发出的声音。并且，测量部105通过速度传感器111来测量牵引马达200的转速。测量部105从驱动控制部106接受同步指令，与驱动的控制时机同步地进行上述的各测量。
33.在本实施方式中，示出了测量部105测量牵引马达200的振动和声音双方的例子，但测量部105也可以仅测量振动和声音中的一方。即，测量部105测量作为本发明所说的旋转体的一例的牵引马达200发出的振动和声音中的至少一方的测量值。由测量部105测量出的测量值与转速的值一起例如经由有线通信、无线通信或记录介质被发送到噪音分析装置400(图6)。这里，对噪音测量系统100中的转速、扭矩(即负载)的控制进行说明。图2是示出转速、扭矩的控制的图。
34.图2的曲线图的横轴表示时间，在图的下段示出了转速的曲线图303，在图的上段
示出了扭矩的曲线图304。
35.在图1所示的噪音测量系统100中，采用图2所示的基于高加减速模式的控制，但为了进行比较，也对由噪音测量系统100执行低加减速模式的情况下的控制进行说明。
36.在低加减速模式下，转速缓慢地变化，在各检查区间中转速被保持为大致恒定。而且，在保持转速的期间，对牵引马达200赋予正扭矩和负扭矩。在低加减速模式下，测量部105进行各检查区间中的各扭矩下的测量，为了结束全部的测量，需要例如100秒这样的测量时间。
37.另一方面，在高加减速模式下，转速连续地变化。具体而言，如图2的转速的曲线图303所示那样，依次执行基于等加速度的加速、恒定速度的保持以及基于等加速度的减速。换言之，在高加减速模式下，在旋转体的转速被变更的该旋转体的运转过程中进行测量。
38.在高加减速模式下，如扭矩的曲线图304所示那样，在加速过程中对牵引马达200赋予正扭矩，在速度的保持过程中进行扭矩的切换，在减速过程中对牵引马达200赋予负扭矩。
39.在高加减速模式下，与低加减速模式相比，能够在短时间内实现应该对牵引马达200进行检查的多个速度，因此测量时间也成为例如30秒这样的短时间。另外，若在以等加速度变更转速的运转过程中进行测量，则能够与速度无关地分离振动频率恒定的共振和阶次成分。并且，进行测量的运转过程中包含转速的上升和下降，更具体而言，在上升过程中施加正的负载、在下降过程中施加负的负载而进行测量，由此再现动力运行时和再生时的动作。并且，通过在转速的上升与下降之间包含等速度区间的运转过程中进行测量，能够精密地检查由旋转机构的不良情况引起的频率变动。
40.例如在牵引马达200的制造时的噪音检查的情况下，所有的牵引马达200成为测量对象，若测量时间为短时间，则生产性提高，因此期望基于高加减速模式的测量。然而，在利用现有的分析方法对高加减速模式下的测量值进行了分析的情况下，考虑以下说明的事项。
41.图3是示出根据测量值而得到的频谱的例子的图。
42.图3的横轴表示频率，纵轴表示噪音等级。
43.在图3中，针对同一测量对象，示出了根据低加减速模式的测量值计算出的频谱305和根据高加减速模式的测量值计算出的频谱306。
44.在噪音检查中，通过fft处理来计算频谱，并关注在频谱中产生的峰值的大小表示以该频率振动的成分的大小。在低加减速模式的频谱305中，频率精度高且峰值也尖锐，与此相对，在高加减速模式的频谱306中峰值变钝，因此分析的精度有可能降低。高加减速模式下的频谱306的钝化是由于使用离散傅里叶变换作为fft处理，将测量值分为时间区间(测量区间)进行处理而引起的。在高加减速模式下，由于该测量区间中的转速的时间变化，峰值的频率发生变化，由此产生峰值的钝化。为了避免峰值的钝化，期望该测量区间的缩短化，但为了避免随着缩短化而由fft处理引起频率分解降低，使用在后面详细说明的零填充这样的方法。
45.在噪音检查中，进行着眼于频谱中出现的频率成分中的与旋转频率成比例的频率成分(即阶次成分)的合格与否判断。因此，频谱被转换为阶次谱而用于阶次成分的分析。
46.图4是示出阶次谱的例子的图。
47.图4的横轴表示阶次，纵轴表示信号强度电平。
48.根据通过使用了零填充的离散傅里叶变换而得到的频谱，通过以旋转频率为基准的归一化而计算出的阶次谱307在零填充的影响下而产生尖峰状的噪声成分，导致sn比降低。在本实施方式中，通过对这样的阶次谱307实施后述的滤波处理，能够得到sn比高的阶次谱308，从而进行高精度的噪音检查。即，通过基于高加减速模式的测量来实现生产率提高，并且还能够得到较高的检查精度。
49.以下，对本实施方式的噪音分析装置和噪音分析方法进行详细说明。
50.图5是示出本发明的噪音分析装置的一个实施方式的图。
51.本实施方式的噪音分析装置400通过在作为信息处理装置的一例的个人计算机中装入噪音分析程序的一个实施方式来实现。噪音分析装置400也可以由专用的电路等构成，但在这里所示的例子中，是通过程序来实现的。通过使用噪音分析程序的一个实施方式，能够通过信息处理装置容易地实现噪音分析装置400。噪音分析程序使个人计算机执行本发明的噪音分析方法的一个实施方式。即，噪音分析装置400执行本发明的噪音分析方法的一个实施方式。
52.图5所示的功能块表示噪音分析装置400的功能结构，并且还表示噪音分析程序的程序结构和噪音分析方法的分析过程。
53.噪音分析装置400具有数据读取部401、fft处理部402、谱转换部403、单位转换部404、平滑化处理部405、二维化处理部406以及判定部407。
54.数据读取部401从图1所示的噪音测量系统100的测量部105获取测量值和转速。
55.fft处理部402对测量值实施离散傅里叶变换来计算频谱。在进行离散傅里叶变换时，如后述那样进行零填充。fft处理部402相当于本发明所说的谱计算部的一例，执行本发明所说的谱计算步骤的一例。
56.谱转换部403通过后述的处理将频谱转换为阶次谱。谱转换部403相当于本发明所说的谱转换部的一例，执行本发明所说的谱转换步骤的一例。
57.单位转换部404将噪音等级的单位从pa转换为db。
58.平滑化处理部405对阶次谱以阶次共同的成分彼此进行平滑化。
59.二维化处理部406对后述的三维的阶次谱，以阶次共同的成分彼此进行例如加法平均而得到二维的阶次谱。在本实施方式中，在多个时间区间中分别得到二维的阶次谱。
60.换言之，平滑化处理部405和二维化处理部406分别按照阶次共同的每个范围对阶次谱实施提高sn比的滤波处理。即，平滑化处理部405和二维化处理部406分别相当于本发明所说的滤波处理部的各一例，分别执行本发明所说的滤波处理步骤的各一例。在滤波处理中，优选实施基于高斯的平滑滤波、加法平均、百分比中的1个以上的处理，在本实施方式中，作为一例，实施基于高斯的平滑滤波和加法平均。
61.通过按照阶次共同的每个范围实施滤波处理，能够在确保阶次谱的足够的分辨率的同时实现sn比的提高。在判定部407中，使用与上述多个时间区间分别对应的各基准值，对各时间区间的噪音等级进行合格与否判定(ok(合格)/ng(不合格)判定)。
62.以下，对由噪音分析装置400的各部进行的处理进一步详细地进行说明，但在处理的说明之前对频谱和阶次谱进行说明。
63.图6是示出频谱的概念图。
64.在噪音分析装置400中，将频谱500作为三维的谱数据来处理。即，频谱500具有图6的横轴所示的时间、纵轴所示的频率以及对附图上的各点赋予的噪音等级。另外，赋予给各点的噪音等级的大小例如由各点的显示色表示。三维的频谱500显示出表示相对于频率的噪音等级的二维的频谱的时间变化。
65.在图2所示的高加减速模式下，加速和减速以等加速度进行，因此，如图6所示，若将频谱500以时间为横轴以频率为纵轴，则以牵引马达200的旋转频率为基准的阶次成分501以斜线状相连而出现。另一方面，对于与牵引马达200的硬件共振的共振成分502，以与时间轴平行的平行线状相连而出现。
66.图7是示出阶次谱的概念图。
67.在噪音分析装置400中，阶次谱510也作为三维的谱数据来处理。即，阶次谱510具有图7的横轴所示的时间、纵轴所示的阶次、以及对附图上的各点赋予的噪音等级。三维的阶次谱510显示出表示相对于频率的噪音等级的二维的阶次谱的时间变化。
68.在阶次谱510中，阶次成分511以与时间轴平行的平行线状相连而出现，共振成分512以u字状相连而出现。
69.以这样的频谱500和阶次谱510的概念为前提，在噪音分析装置400中执行以下说明的各处理。
70.图8是对fft处理部402中的处理进行说明的图。
71.在fft处理部402中，由数据读取部401对从噪音测量系统100获取的测量值520实施fft处理。测量值520是二维数据，具有时间和信号强度，表示信号强度的时间变化。
72.在fft处理部402中，进行离散傅里叶变换作为fft处理。即，使用具有短时间的时间宽度的汉宁窗530，通过汉宁窗530与测量值520的乘法运算，从测量值520获取一部分的时间区间521。然后，对该时间区间521执行fft处理，计算与该时间区间521对应的二维的频谱503。通过一边使汉宁窗530的位置在时间轴上偏移一边计算与各时间区间521对应的二维的频谱503，得到三维的频谱500。以下，有时将该三维的频谱500称为谱图500。
73.若时间区间521为短时间，则由于fft处理而频率分辨率降低，因此在fft处理部402中，进行向测量值520中的与转换对象的时间区间521相邻的相邻区间输入零作为代替测量值520的值522的零填充。通过零填充，作为fft处理的对象的数据的时间范围扩大，因此fft处理结果的频率分辨率提高。其结果为，在谱图500中实现了频率分辨率和时间分辨率的兼顾。
74.图9是对谱转换部403中的处理进行说明的图。
75.在谱转换部403中，针对三维的频谱500，将频率转换为阶次来计算三维的阶次谱510。从频率向阶次的转换通过以牵引马达200的旋转频率为基准的归一化来进行。即，从噪音测量系统100获取的转速的值是以rpm为单位的输出轴转速，由于输出轴与马达轴的减速比，马达转速以输出轴转速
×
减速比/60得到以hz为单位的旋转频率。而且，关于各时间点，将与该时间点的旋转频率的n倍(n例如为0.5刻度的正值)相当的频率换算为n次。但是，由于在阶次的分解幅度(例如0.5次幅度)中包含有多个频率，因此针对以n次为中心从-0.25次至 0.25次的阶次范围540，求出信号强度的代表值，将该代表值用作阶次谱510中的信号强度。作为代表值，可以求出平均值等，但在本实施方式中是求出最大值。即，谱转换部403将阶次谱的阶次分解幅度所包含的频谱500的谱值(即噪音等级值)中的最大值作为阶次谱
510的谱值。通过使用最大值，频谱500中的峰值不会钝化而转换为阶次谱510。峰值在噪音分析中是重要的，峰值在转换前后被保存，因此能够进行适当的噪音分析。图10是对单位转换部404中的处理进行说明的图。
76.在单位转换部404中，得到通过下述的转换式将阶次谱510中的噪音等级的单位从pa转换为db的阶次谱550。
77.m(order)[db]＝20log
10
{m(order)[pa]/p0[pa]}
[0078]
这里，m(order)是与阶次对应的信号强度，p0是对数转换的基准值。p0的具体值为20μpa。
[0079]
图11是对平滑化处理部405中的处理进行说明的图。
[0080]
在平滑化处理部405中，对阶次谱550进行平滑化处理。阶次谱550显示出表示相对于阶次的信号强度的二维的阶次谱551的时间变化，在平滑化处理中，进行时间轴方向上的平滑化。具体而言，例如使用高斯滤波器552，通过附加了高斯滤波器552所表示的加权的加权平均，将多个时间点的阶次谱551平均化。时刻不同的阶次谱551是马达的转速不同的阶次谱551，但作为阶次彼此相同，因此通过平均化而使阶次成分显著化。然后，通过一边使应用高斯滤波器552的时间点在时间轴方向上移动一边重复进行平均化处理的移动平均运算，针对各时间点计算被平滑化的阶次谱553。即，被平滑化的三维的阶次谱550显示出被平滑化的阶次谱553的时间变化。
[0081]
通过对阶次谱550实施平滑化处理，能够维持阶次分辨率，并且抑制图4所示那样的尖峰状的噪声成分，从而提高sn比。
[0082]
图12是对二维化处理部406中的处理进行说明的图。
[0083]
在二维化处理部406中，例如针对加速中的2个区间和减速中的2个区间总共4个时间区间分别计算二维阶次谱。即，显示出被平滑化的阶次谱553的时间变化的三维的阶次谱中的相当于各时间区间的三维数据部分554成为处理对象。
[0084]
具体而言，通过针对三维数据部分554的加法平均来实现二维阶次谱的计算。即，通过将构成三维数据部分554的阶次谱553彼此相加平均，得到代表了该时间区间的二维的阶次谱556。
[0085]
阶次谱556针对上述的例如4个时间区间各得到1个，各阶次谱556显示出各时间区间中的噪音等级。
[0086]
通过上述的处理而得到的各时间区间的阶次谱556如图4所示的阶次谱308那样成为sn比较高的阶次谱。
[0087]
针对各时间区间而得到的各阶次谱556所显示出的噪音等级由判定部407根据按照每个时间区间准备的基准值进行合格与否判定，实现精度较高的噪音分析。
[0088]
另外，这里，作为本发明的噪音分析方法、噪音分析程序以及噪音分析装置中的使用方法的一例，举出了马达制造时的噪声检查，但本发明的噪音分析方法和噪音分析程序并不限定于上述，可以使用于车辆、涡轮、致动器等包含有旋转驱动的大范围的装置。
[0089]
应当认为上述实施方式在各个方面均是例示性的而并非限制性的。本发明的范围不是由上述的实施方式表示，而是由权利要求书表示，意在包括与权利要求书均等的意思以及范围内的所有变更。例如，在通过硬件实现上述的实施方式的情况下，能够通过具有执行谱计算步骤的谱计算部、执行谱转换步骤的谱转换部以及执行滤波处理步骤的滤波处理
部的电路装置来实现。
[0090]
标号说明
[0091]
100：噪音测量系统；101、103：负载吸收用马达；105：测量部；106：驱动控制部；107：麦克风；108：振动传感器；111：速度传感器；200：牵引马达；400：噪音分析装置；401：数据读取部；402：fft处理部；403：谱转换部；404：单位转换部；405：平滑化处理部；406：二维化处理部；407：判定部。