音響診断

RK3308 8 マイクアレイによる音響診断

マイクアレイは万能の耳ではなく、帯域通過計測器です。本ノートは 8 素子アレイの使える帯域を幾何から導き、22 の現場シナリオを同じ仕様グリッドに載せ、どの判定を端末側に残せるかを明確にします。

[チップ] は Rockchip RK3308 の製品ページとデータシートに基づきます。[物理] は音速とアレイ幾何から本ノートで算出した値です。[業界] の帯域は振動監視・アコースティックエミッション・構造ヘルスモニタリングで一般に使われる範囲です。[工学] の記述は以上の事実からの推論であり、実測値ではありません。

なぜアレイか

単一マイクは「何かが起きた」まで。アレイは「どこで、誰に」まで答えます。

8 素子アレイが単一カプセルに対して追加で与える 3 つの能力。

空間フィルタ

8 チャネルあれば目的音にビームを向け、支配的な妨害にヌルを落とせます。機械室ではこれが「軸受を聴く」と「隣のファンを聴く」の差になります。

冗長性

塞がれた・濡れた・故障したカプセルがあっても 7 チャネル残ります。監視点ごと諦める代わりに、不良チャネルを検出して除外できます。

空間分離

ビームフォーミングは「音源が動いた」と「音源が変わった」を分けます。単一マイクでは同じ署名になるのに、保全の対応はまったく違う 2 つの状態です。

8 マイク収録PDM 最大 192 kHzI2S / TDM 8 ch内蔵 ADC 8 chアレイ処理チャネル校正ビームフォーミング・DOA残響除去端末判定1/3 oct・包絡線基準からの逸脱小モデルで分類報告 / クラウド特徴量 + 事象説明と作業指示生音声は現場に留まるハードウェア VAD がプリトリガバッファを保持します。事象の瞬間、立ち上がりはすでに記録されています。

ハードウェア VAD がプリトリガバッファを保持します。事象の瞬間、立ち上がりはすでに記録されています。

開口

8 素子で得られるのは 1.8 オクターブ — 間隔を広げても広がりません

アレイの有効帯域は 2 つの臨界周波数で挟まれます。c/D 未満では指向性利得がなく、c/2d を超えるとグレーティングローブが現れます。両者の比は log₂((N−1)/2) で、間隔に依存しません。間隔は同じ 1.8 オクターブの窓を周波数轴上で平行移動させるだけです。

素子間隔 dアレイ全長 (N−1)d有効下限 c/D折返し上限 c/2d適する用途
20 mm140 mm2.4 kHz8.6 kHzモジュール内蔵アレイ。高周波の過渡のみ — ガラス破損、衝撃。
40 mm280 mm1.2 kHz4.3 kHzパネル実装アレイ。電動工具、小型歯車箱、コンロと配管の騒音。
100 mm700 mm490 Hz1.7 kHzキャビネット／室内アレイ。中域 — 換気ファン、ポンプ、軌道。
300 mm2100 mm163 Hz572 Hz機械／支柱実装。低周波の機械音と水流音。
1000 mm7000 mm49 Hz172 Hz屋外構造物／タワー。構造モード、揺れ、ケーブル張力。

これは制約であって欠陥ではありません。20 mm のモジュールアレイはガラス破損や落石には最適ですが、風力発電機の 15 Hz の主軸受には盲目です。アレイを選ぶことは、どの問いを許されるかを選ぶことです。

周波数（Hz）20501002005001k2k5k10k20k素子間隔 d = 20 mmD = 140 mm2.4 kHz – 8.6 kHzパネル実装d = 40 mm · D = 280 mm1.2 kHz – 4.3 kHzキャビネット／室内d = 100 mm · D = 700 mm490 Hz – 1.7 kHz支柱／機械d = 300 mm · D = 2100 mm163 Hz – 572 Hz屋外構造物d = 1000 mm · D = 7000 mm49 Hz – 172 Hzすべての帯は同じ 1.8 オクターブ幅です。間隔はこの窓を平行移動させるだけで、広げはしません。

図 1 — 8 素子アレイの開口ごとの有効ビーム帯域。下限 c/D、上限 c/2d、いずれも c = 343 m/s から導出。

実務上の帰結：多くの案件は 1 つではなく 2 つの開口を必要とします — 過渡用の密アレイと、構造低周波用の疎で長いアレイを同じ基板で。単一開口の被覆は広げられませんが、素子数は増やせます。16 素子なら 1.8 ではなく 2.9 オクターブになります。

シナリオ行列

22 シナリオを 1 つの仕様グリッドに

各行は同じ 4 つの数で決まります。感度を持つべき帯域、そこから決まるサンプリング周波数、判定を出すまでの許容時間、そしてその判定をどこに置けるか。

グループシナリオ対象帯域推奨サンプリング応答時間判定の場所
回転・往復機械（産業現場）モータ / ポンプ — 不均衡、芯ずれ、軸受10 Hz – 10 kHz≥ 24 kHz時間端末内で完結
回転・往復機械（産業現場）歯車箱 / 減速機 — かみ合い、歯欠け100 Hz – 20 kHz≥ 48 kHz時間端末内で完結
回転・往復機械（産業現場）プレス / 工作機械 — 衝撃、工具摩耗200 Hz – 20 kHz≥ 48 kHzミリ秒端末内で完結
エネルギー設備風力発電機 — 主軸受、ブレード、ヨー0.1 Hz – 10 kHz≥ 24 kHz + 低速チャネル時間端末トリガ + クラウド確認
エネルギー設備タワー / ブレード — モードと低周波応答0.1 – 20 Hz≥ 100 Hz分端末トリガ + クラウド確認
エネルギー設備変圧器 / リアクトル — 異常なハム音50 Hz – 5 kHz≥ 12 kHz時間端末内で完結
畜舎換気 / 冷却ファン — 軸受、ベルト、ロック20 Hz – 10 kHz≥ 24 kHz分端末内で完結
畜舎家畜の鳴き声 — 咳、異常鳴き、分娩50 Hz – 8 kHz≥ 24 kHz秒端末内で完結
畜舎飼料ライン / 除糞機 — 詰まりと異常打音20 Hz – 8 kHz≥ 24 kHz分端末内で完結
水文・斜面災害河川音響 — 流量と乱流の変化20 Hz – 5 kHz≥ 12 kHz分端末内で完結
水文・斜面災害土石流 / 鉄砲水 — 低周波の轟音 + 継続的な洗掘10 Hz – 2 kHz≥ 6 kHz分端末判定 + クラウド説明
水文・斜面災害崩落 / 落石 — 衝撃過渡 + 転石のリズム100 Hz – 20 kHz≥ 48 kHzミリ秒端末内で完結
交通と構造物橋梁 — 車両通過応答、伸縮継手の衝撃1 Hz – 2 kHz≥ 6 kHz秒端末判定 + クラウド説明
交通と構造物路面 — タイヤ騒音による舗装損傷と滞水の推定200 Hz – 5 kHz≥ 12 kHz秒端末内で完結
交通と構造物鉄道軌道 — 輪軌騒音、継目、波状摩耗、分岐器100 Hz – 20 kHz≥ 48 kHzミリ秒端末内で完結
交通と構造物ロープ / 斜張ケーブル — 張力、素線断線、風雨振動0.5 Hz – 5 kHz≥ 12 kHz分端末トリガ + クラウド確認
交通と構造物ビル — カーテンウォール、構造異音、エレベータ、給排水50 Hz – 10 kHz≥ 24 kHz秒端末内で完結
屋内・家庭ガラス破損2 – 8 kHz≥ 24 kHzミリ秒端末内で完結
屋内・家庭転倒 — 衝撃 + 振動20 Hz – 2 kHz≥ 8 kHzミリ秒端末内で完結
屋内・家庭コンロの空焚き — 笛音、気化、空焼き1 – 16 kHz≥ 40 kHz秒端末内で完結
屋内・家庭配管 — 漏水、キャビテーション、閉塞100 Hz – 50 kHz≥ 100 kHz分端末内で完結
セキュリティドローン侵入 — ブレード通過周波数と高調波100 Hz – 8 kHz≥ 24 kHz秒端末内で完結

帯域は [業界] の一般範囲であり実測値ではありません。サンプリング周波数は [工学] の値で、帯域を余裕をもって 2 倍し、RK3308 の音声経路が実際に生成できる値に丸めたものです。

取り込み

3 つの取り込み経路、3 つの役割

RK3308 はマイクを 3 通りの方法で接続します。必要な帯域がどれを使うかを決めます。

PDM — 1 チャネル最大 192 kHz

5 線インタフェースで 8 チャネル、16–24 bit。配管漏水と衝撃の行が必要とする帯域に届く唯一の経路です。答えが 20 kHz 以上にある場合はこれを使います。

I2S / TDM — 2 系統 × 8 チャネル @ 48 kHz

標準デジタルマイクと中域の主力です。2 系統は独立しているため、48 kHz の密アレイと低速の構造チャネルを同時に走らせられます。

内蔵 CODEC — 8 × ADC、24 bit

アナログカプセルを SoC に直結：差動／単端入力、プログラマブルゲイン、最大 0.85 × AVDD3V3 のマイクバイアス 2 系統。部品点数が最少で、一般のアナログ計測マイクが使える唯一の経路です。

93 GB1 ノード 1 日あたり（48 kHz / 24 bit / 8 チャネル）
371 GB1 ノード 1 日あたり（192 kHz）— 連続収録が不可能な理由
3.86 GB/h8 チャネル生音声の 1 時間分

ハードウェア VAD の価値は見た目より大きい。アナログ・I2S・PDM のマイクに対応し、アレイでは pre / post の両バッファを保持します — つまりトリガの瞬間、記録にはすでにトリガ以前のサンプルが入っています。衝撃事象では立ち上がりそのものが診断情報であり、閾値を越えてから録音を始めるシステムはそれを捨てています。

判定の分担

端末で判定し、クラウドで説明する

RK3308 に NPU はありません。これは仕様であって欠陥ではなく、問題の半分を端末側に固定するだけです。

層実行場所何を決めるか出力
特徴抽出RK33081/3 オクターブ／メルスペクトル、包絡線、波高率、尖度、チャネル間コヒーレンスと TDOAフレームごとの特徴ベクトル
基準と新規度RK3308この機械・構造の試運転時フィンガープリントからの逸脱スコアと、どの帯域が原因か
分類と等級RK3308 + 小規模モデル既知事象のクラスと粗い重要度、それ以外は古典的 DSP 閾値クラスと等級を持つ事象
説明と行動クラウドこの逸脱が意味するもの、点検すべき部位、起票すべき作業指示、同型機群との比較言語、作業指示、傾向の記述

この分担は意図的です。ミリ秒で発火すべき判定は往復を待てません。機群の文脈が要る記述は NPU のない 1.3 GHz コアには住めません。また音声ではなく特徴ベクトルと事象だけを送ることは、生録音が現場から出ないことを意味します — これは通常そもそもコンプライアンス要件です。

現場の落とし穴

設置が信号を静かに変えてしまう 5 か所

落とし穴症状対処
風雨が振動板に当たる低域が持ち上がり機械の署名を覆い隠す防風スクリーンと物理ハイパス。ADC が飽和した後にソフトで除去しようとしない
チャネル未校正ビームがわずかにずれ、ヌルが逆側に落ちる単一の既知音源で試運転校正を行い、チャネルごとのゲインと遅延オフセットを保存。カプセル交換後は再校正
ノード間のクロックずれノード間 TDOA が徐々に漂流し分散測位が破綻するアレイ内は 1 クロックドメイン。ノードは共通の時間基準に同期し、時刻はアップロード時ではなく取得点で打つ
取付共振ブラケット由来のピークがスペクトルに現れる空の構造を先に測定し、そのスペクトルを試運転フィンガープリントに含める
連続生収録数日でストレージが満杯になり、重要な 1 時間が上書きされるVAD の前後バッファを使い、生波形は事象周辺のみ、特徴量は連続保持

いずれも珍しい話ではありません。音響モニタリングの実証がデモ後に頓挫する理由はここにあります。アルゴリズムは正しく、設置が信号を静かに変えていたのです。

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チップ能力 [チップ]：Rockchip RK3308 製品ページとデータシート — 8 チャネル PDM、1 チャネル最大 192 kHz、16–24 bit、5 線インタフェース；2 × 8 チャネル I2S/TDM @ 48 kHz；8 × 24 bit ADC を内蔵する CODEC；アナログ・I2S・PDM マイクに対応しマルチマイクのプリ／ポストバッファを持つハードウェア VAD。開口の値 [物理]：c = 343 m/s と 8 素子・全長 (N−1)d から本ノートで算出。データレート [物理]：8 チャネル × 24 bit を表示のレートで計算し、2 進 GB で表示。シナリオ帯域 [業界]：振動監視・アコースティックエミッション・構造ヘルスモニタリングで一般に使われる範囲であり、実測ではなく工学上の目安です。本ノートに RK3308 アレイを実展開した現場実測データは含まれていません。