こうじょうには、くうきを ぎゅっと おしちぢめた 「あっしゅく くうき」で うごく きかいが あります。この くうきは、でんきで うごく きかい（コンプレッサー）が つくります。

ところが、ちいさな あなから シューッと にげて いく ことが あります。てが まわって いない ばあい、つくった くうきの 20〜30%が もれる ことも ある、と アメリカの しりょうに あります［11］。にほんの しりょうには、あつしゅく くうきの 10〜20%が もれて いると いう ちょうさが のって います［12］。

おなじ あつりょくなら、もれの りょうは、あなの 直けいの 2ばいに なると、4ばいに なります［11］。ちいさな あなでも、ばかに できません。

でも、うるさい こうじょうでは、シューッと いう 音も まぎれて しまいます。どうやって さがすのでしょう。

工場では、機械を動かす力として、空気を押しちぢめた圧縮空気をよく使います。この空気は、電気で動くコンプレッサーという機械が作ります。

その配管のつなぎ目や小さな穴から、空気が少しずつ逃げることがあります。アメリカのエネルギー省（DOE）の資料には、整備が不十分な系では、コンプレッサー出力の20〜30%が漏れで無駄になることもある、と書かれています［11］。日本の中小企業基盤整備機構（J-Net21）の省エネ相談には、コンプレッサーメーカーの調査として、10〜20%の圧縮空気が漏れているという記述があります［12］。どちらも「手入れが悪いと」「調査では」という条件つきで、すべての工場に当てはまる数字ではありません。

DOEの資料によると、同じ圧力などの条件なら、漏れる量は穴の直径の2乗に比例します［11］。直径が2倍になれば、漏れは4倍です。小さな穴をたくさん放っておくと、気づかないうちに大きな量になります。

ところが、騒がしい工場では、漏れのシューッという音は機械の音にまぎれてしまいます。この漏れを、耳以外のもので探せないでしょうか。

圧縮空気は、コンプレッサーで電気を使って作る。そのため、漏れた分は、そのまま電気代の無駄になる。DOEの資料は、整備が不十分な系では出力の20〜30%に達しうるとし、同じ圧力などの条件では漏れ量は穴の直径の2乗に比例するとする［11］。直径が2倍なら漏れは4倍である。

日本でも、J-Net21の省エネ相談が、コンプレッサーメーカーの調査として10〜20%の漏れを挙げる。試算例では、55kWのスクリュー式で漏れ率を8%から0%にすると、年間約25,700kWh、約51.4万円の削減になる（電気代20円/kWh、年6,000時間運転、負荷率70%という前提）［12］。25,700kWh×20円は約51.4万円で、計算は合う。ただし前提が変われば金額も変わり、どの工場にも当てはまる数字ではない。

しかし、漏れは配管の継手や小さな穴からの微小なものが多く、騒音の大きい工場では漏洩音が埋もれやすい。そこで、人の耳でなく超音波を利用する方法が登場する。まず、穴から超音波が出る理由を見る。

ふうせんの 口を きゅっと つまんで、くうきを だして みた ことは ありますか。ピーッと 高い 音が することが あります。くうきが せまい あなを いきおいよく とおると、くうきが うずを まいて 音が でるのです。ただし、ふうせんの 音は たとえです。こうじょうの もれは、もっと 高くて、耳に きこえない 音まで 出して います。

ちからの 強い くうきが ちいさな あなから でると、そとで いっきに ひろがって、ぐちゃぐちゃに みだれた ながれ（らんりゅう）に なります。この らんりゅうに、耳に きこえない 高い 音（超音波ちょうおんぱ）が つよく ふくまれて います［1］。

音の 高さは、1びょうかんに なんかい ふるえるか（Hz）で あらわします。わかくて げんきな 人が きける はんいは、20〜20,000Hzくらいと いわれます。きこえる 高さの うえは、ひとに よって ちがいます［3］。もれの 高い 音は、それより ずっと うえにも あります。

風船の口をつまんで空気を出すと、ピーッと高い音が出ることがあります。これは、せまい出口を空気が勢いよく通るときに起きる、音の出方のたとえです。ただし、工場の漏れの音は、風船よりずっと高い、耳に聞こえない成分まで含んでいます。

圧力のかかった空気が小さな穴から出ると、圧力の低い側で急に広がって、乱れた流れ（乱流）になります。この乱流が、強い超音波の成分を含んでいます［1］。

人が聞こえる音の範囲は、若くて健康な人で20〜20,000Hzほどとされます。聞こえる上限は年齢や個人で大きく違います。携帯型の超音波検出器は、約20kHzから100kHzほどの音を拾い、イヤホンで聞ける音に変換します［3］。製品によって拾う範囲は少しずつちがいます。

つまり、人の耳に届かない部分に、漏れの強い声があるわけです。でも工場には、機械の音もたくさんあります。その中で、どうやって漏れの声だけを選ぶのでしょうか。

圧力のかかった気体が小さな穴から低圧側へ出ると、急激に膨張して乱流になる。乱流は広い周波数の音（ホワイトノイズ）を作り、強い超音波成分を含む［1］［2］。

可聴域は、若く健康な人で20〜20,000Hz、上限は年齢や個人で大きく異なる［3］。携帯型検出器は約20kHz〜100kHzを拾い、イヤホンで聞ける音に変換する。ただし帯域は機種で異なる［3］。

そのため、漏れの音のうち、強く出ている成分は人の耳の範囲の外にある。ただし、これは超音波成分が強く含まれるという意味で、可聴音がまったく出ないということではない。次は、背景騒音が大きい環境でこの成分を選び出せる理由である。

にぎやかな きょうしつで、1人だけ ふえを ふいて いる 音を さがす ところを おもいうかべて ください。ふえの 高い 音だけを ききわければ、ざわざわした こえに まぎれても みつけやすく なります。

しらべる きかいも おなじです。らんりゅうは、ひくい 音から 高い 音まで いろいろ ふくんで います。きかいは、高い 音だけを とりだします。こうじょうの ひくい 音の じゃまを うけにくく なります［2］。ただし ほんとうは、ふえと ちがって、もれの 音は 高い 音だけが 出て いるのでは ありません。

もう1つ、大じな ことが あります。高い 音は、まっすぐ すすんで、出て いる ばしょの ちかくに かぎられます［1］。だから、音が 強く なる ほうへ ちかづけば、あなの ばしょが わかります。

にぎやかな教室で、1人だけ笛を吹いている音を探す場面を想像してください。笛の高い音だけに耳をすませば、周りの話し声にまぎれても見つけやすくなります。ただし、漏れの音は笛と違って、低い音から高い音まで広く含んでいます。

乱流が作る音は、低い音から高い音までを含みます。超音波センサーは高い成分だけを拾うので、低い周波数の背景騒音の影響を受けにくくなります。このため、騒がしい工場でも漏れを探しやすくなります［2］。

もう1つの強みは、高い音の進み方です。高い音は波長が短く、まっすぐ進みやすく、出ている場所の近くに限られるとされます［1］。40kHzの音の波長は、音速を秒速340mとして計算すると約8.5mmです（340÷40,000）。出典には約9mmと書かれています［5］。1,000Hzの音の波長は約34cmで、約40分の1の短さです。

メーカーの解説によると、周波数が高いほど指向性は鋭くなり、減衰も大きくなって届く距離は短くなります［4］。遠くまで届かないから、近づいたときに強く聞こえて、場所が絞れるのです。

では、実際に漏れの場所を探すには、どう歩けばよいのでしょうか。

乱流は低周波から高周波まで広い成分を含む。超音波センサーは高周波成分だけを拾い、低周波の背景騒音の影響を受けにくく、騒音の大きい工場でも漏れを特定しやすくなる［2］。

もう1つの理由は、高周波の指向性である。波長が短いほど、音は方向性が強く、発生源の近くに局在する［1］。40kHzの波長は、音速を約340m/sとすると340÷40,000≒8.5mmで、出典は約9mmとする［5］。同じ計算で1kHzは34cmになり、約40倍ちがう。

ムラタ製作所の解説では、指向性は周波数が高いほど鋭くなり、減衰も大きくなって到達距離は短くなる［4］。つまり、「遠くまで聞こえる」のではなく「近くで強い」性質が、位置の特定には都合がよい。反対に、低い周波数の可聴音は全方向から聞こえるように感じられ、場所を絞りにくい。

次は、この性質を使って、実際に現場で穴の位置を絞る方法を見る。

けんしゅつきを もって、あるきながら、音が 強く なる ほうへ ちかづきます。いちばん 強く なる ところが、あなの ばしょです。音は、イヤホンで 耳に きこえる 音に かえて きくことが できます［3］。

むかしからの ほうほうに、せっけんすいを ぬる ほうほうが あります。あなの ところに あわが できるので、たしかに みつかります。でも、じかんが かかって、よごれる という ことです［11］。

アメリカの しりょうは、もれを さがす いちばん いい ほうほうは、ちょうおんぱの けんしゅつきだ と して います［11］。

検出器を手に持って、工場の中を歩きます。音が強くなる方向へ近づいていき、いちばん強くなる場所が、漏れている場所です。聞こえない超音波は、イヤホンで聞ける音に変換されます［3］。

比べられるのが、石けん水を刷毛で塗る方法です。漏れている場所では泡ができるので、確実に見つかります。ただ、時間がかかり、汚れるという欠点があります［11］。DOEの資料は、漏れを探す最もよい方法として、超音波式の検出器をあげています［11］。

手に持つ検出器は、1か所ずつ探していきます。もっと広い範囲を、一度に見られないでしょうか。

携帯型の検出器は、超音波を拾ってイヤホンで聞ける音に変換し、音が強くなる方向へ近づくことで漏れの位置を絞る［3］。指向性と減衰の性質（第3章）が、そのまま位置の特定に役立つ。

DOEの資料は、石けん水を刷毛で塗る方法は確実だが、時間がかかり汚れるとし、漏れ探しの最良の方法は超音波式の検出器だとする［11］。石けん水は漏れの場所に直接触れる必要があり、届かない高い場所や稼働中の設備の近くでは使いにくい、と考えられる。これは資料の記述ではなく、方法の性質から導いた推測である。

とはいえ、手持ち検出器は1か所ずつの走査になる。そこで、広い範囲を一度に見るために、マイクを多数並べた「音のカメラ」が使われる。

音の カメラには、マイクが たくさん ならんで います。きかいに よって、30こや 64こ などと ちがいます［6］［8］。

どの マイクに、おなじ 音が すこしずつ ちがう じかんに とどくか を くらべます。すると、音が どちらから きて いるか けいさんできます［6］［7］。

人の 耳が 2つで、おおよその むきを かんじるのと にて います。ただし ほんとうの カメラは、たくさんの マイクと、けいさんを つかいます。

けいさんの けっかは、色の ちずに して、しゃしんの うえに かさねて 見せます［6］。もれて いる ところが 色で 見えるので、わかりやすく なります。

音のカメラの中には、多数のMEMSマイクが、位置のわかっている場所に並んでいます。マイクの数は機種によって違い、30個の製品も64個の製品もあります［6］［8］。

音源が1つなら、近いマイクには早く、遠いマイクには少し遅れて音が届きます。このタイミングのずれを使って、音が来た向きを計算します。この計算を、ビームフォーミングといいます［6］［7］。FLIRも、各マイクに届く音の時間差から音源の位置を決める仕組みだと説明しています［7］。

人の耳が2つで音の向きを感じるのと、考え方は似ています。ただし、カメラはずっと多くのマイクを使い、計算で位置を決めます。

計算結果は、音の強さを色で表した地図になり、カメラの写真に重ねて表示されます［6］［7］。画面を見ると、漏れの候補になる場所を絞りこめます。ほかの音や反射の影響もあるので、最後は現場で確かめます。

では、このやり方でどのくらい小さな漏れまで見つかるのでしょうか。

音のカメラ（音響カメラ）は、幾何学的に校正された既知の位置に、高感度のMEMSマイクを多数並べたアレイを使う［6］。音源から各マイクへの到達時間がわずかに異なるため、遅れを補正して足し合わせると、特定の方向からの音だけが強まり、他の方向の音は弱まる（ビームフォーミング）［7］。この計算を方向ごとに行うと、音の強さの分布が得られ、色つきの地図として可視画像に重ねられる［6］［7］。

マイクの数は製品ごとに異なり、30個（UltraCam LD 500/510）、64個（LeakCam 600、Fluke ii900/ii910）の例がある［6］［8］。一般論にはならない。

研究では、北京理工大学の論文が、MEMSマイクアレイとビームフォーミングで、1m離れて誤差0.68cmの位置特定、毎分24mLの微小な漏れの検出を報告している［10］。これは実験条件での値で、どの製品でも同じ精度が出るとは限らない。

位置が分かった次に、その漏れがどのくらい大きいかを知りたくなる。

もれが 大きいと、高い 音の エネルギーが ふえる という けんきゅうが あります［8］。ある カメラは、これを つかって、もれの 大きさの めやすを 0〜10の かずで 出します。ただし、これは そのきかいの なかで くらべる ための めやすです。

この カメラを つかった こうじょうの れいでは、2〜3 じかんで、30〜40か所の もれを みつけて なおせた と いう しょうかいが あります［9］。きかいを つくる かいしゃの じれいです。ほかの こうじょうで、おなじ けっかに なるとは かぎりません。

見つけて、なおした あとは、また 音で たしかめられます。

漏れが大きいほど、50kHzより上のエネルギーが増える傾向がある、という研究が紹介されています。Flukeのカメラは、漏れの種類ごとのアルゴリズムで流量を見積もり、0〜10の指数にして表示します［8］。この指数は、同じ機械の中で比べる相対的な目安です。

Flukeの紹介事例では、導入した企業が2〜3時間で30〜40か所の漏れを見つけて修理できたとされています。最大50m離れて走査でき、騒がしい生産中でも、6〜9m離れた頭上の漏れを確認できた例もあります［9］。メーカーが紹介する1つの事例なので、すべての現場で同じ成果が出るという意味ではありません。

見えない音の中に、漏れの場所と大きさのヒントがある。それを、耳でも画像でも読み取れるようにしたのが、この道具です。

流量が増えるほど50kHzより上のエネルギーが増える傾向が研究で示されており、Flukeのカメラは漏れの種類ごとのアルゴリズムで流量を推定して、0〜10のLeakQ指数にする［8］。メーカー資料であり、指数は相対的な目安として読むのが適切だ。

導入事例として、Flukeの超音波カメラで2〜3時間に30〜40か所の漏れを見つけて修理できたと紹介されている。最大50m離れて走査でき、騒がしい生産中でも6〜9m離れた頭上の漏れを確認できた例がある［9］。これはメーカー自身の事例紹介で、条件の異なる工場に一般化することはできない。

第1章の数字と合わせると、小さな穴を数多く直すことは、電気代の削減につながる可能性がある。ただし、どれだけ得をするかは、工場ごとの漏れ量と運転条件で決まる。超音波は、その入り口になる情報を与える。

今日できること

ふうせんを ふくらませて、口を ほんの すこしだけ ひろげて、くうきを だして みましょう。ふうせんが われる ことが あるので、顔から はなして もち、大きく ふくらませすぎないように しましょう。口の ひろげかたを かえると、音の 高さが どう かわるか、きいて みましょう。きいた ことは、ノートに かいて おきます。

出かけてできること

かがくかんや こうじょうけんがくで、あつしゅく くうきを つかう きかいの せつめいを さがして みましょう。

こうしきの 情報じょうほう

にほんの ちゅうしょうきぎょうきばん せいびきこうの J-Net21に、あつしゅく くうきの もれの せつめいが あります。

今日できること

風船を膨らませて、口をほんの少しだけゆるめ、空気を出してみましょう。口の開き方を変えると、音の高さや大きさがどう変わるかを聞き比べて、気づいたことをメモに書きます。風船は割れることがあるので、顔から離して持ち、大きく膨らませすぎないようにします。

出かけてできること

科学館や工場見学の案内で、圧縮空気を使う機械の説明を探してみましょう。空気を作る機械と、それを運ぶ配管がどうなっているのかを見られるかもしれません。

公式情報

J-Net21の省エネ相談（中小機構）に、圧縮空気の漏れについての日本語の解説があります。メーカーの日本語ページには、超音波カメラのしくみを説明した記事があります。

今日できること

風船の口を少しゆるめて空気を出し、口の開き具合と音の高さの関係を聞き取ってみる。空気の流れが音を生む一例として、風船の音を聞いて記録に残す。超音波や工場の乱流までは耳で確かめられない。風船の破裂に注意し、顔から離して行う。

出かけてできること

科学館・工場見学で圧縮空気を使う設備の説明を探し、漏れ対策がどのように紹介されているかを調べる。

公式情報

J-Net21の省エネQ&Aの試算例、Fluke（日本語）の流量推定の解説（出典［8］［9］［11］［12］）を読み比べ、前提条件をそろえて比較してみるのもよい。