JP2006078243A - 埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 転石などの埋没物体の根入れ深さや体積を非破壊で正確に、かつ容易に診断する方法および装置を提供すること。
【解決手段】 ３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を圧電セラミック素子等からなる発信部２０に印加し、この発信部２０から埋没物体１２の内部に弾性波の入力波２３を入力し、その反射波２４が圧電セラミック素子等からなる受信部２１に到達するまでの時間Δｔを測定し、入力位置から反射位置までの距離Ｌを、式 Ｌ＝Δｔ×Ｖ／２ Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度 にしたがって求める。また、反射波到達時間Δｔを、反射波２４の自己相関解析によってより正確に求める。数箇所で探査することで埋没物体の体積を推定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、転石、コンクリート杭などであって、大半が土中に埋没しているような埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置に関するものである。さらに詳しくは、埋没物体の根入れ深さ、体積等の土中に埋没している端部形状を測定し、診断するのに有用な埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置に関するものである。

近年、斜面上の転石、岩盤斜面などの崩落事故が多数発生している。ごく最近では、地震の影響により転石が落石となり、民家に衝突した事例も見られる。このような背景の下、転石の根入れ深さ及び体積の評価が重要視されている。
また、古い橋脚や防護用コンクリート杭などの構造物では、土中に埋没している端部形状や亀裂の有無を測定し、安全性のための診断することが要求される。

このような土中に埋没している埋没物体の端部形状を非破壊診断する方法として、従来より、埋没物体の表面から弾性波を入力し、埋没物体の亀裂や端部における粘土、水、空気などの異なる物体との境界部分で反射した反射波を受信部で受信し、この入力から受信までの時間から距離や形状を測定し、診断する方法が知られている。
弾性波を入力し、亀裂や端部からの反射波を検出して探査する弾性波法では、弾性波を入力するのに埋没物体の表面にハンマーにより打撃を与えることで行なっていた（特許文献１）。
具体的には、図６に示すように、ハンマーなどの打撃装置１０を杭などの埋没物体１２に打ちつけ、通過波１４が亀裂などの損傷１３や端面１８で反射した反射波１５を受信部１１で受信し、計測記録装置１６でデータを得てコンピュータ１７でデータ解析をして亀裂などの損傷１３の位置や端面１８までの距離などを測定する。

また、ハンマーによる打撃の場合、入力は大きいが、発生する弾性波の中には、低周数成分から高周波成分まで種々の周波数の弾性波がランダムに混在するため、受信部で受信した弾性波の中からフィルターを介在して特定の高周波成分を選択的に検知し、この高周波成分に基づき亀裂や端部形状を診断する方法が提案されている（特許文献２）。

ハンマーによる打撃の他に、精度を上げるために周波数特性を持たせることができるスピーカーによる音の入力方法が提案され、探査深度が浅い場合は精度の高い探査が可能となっている。
特許第２８７７７５９号 特許第２９４４５１５号

しかしながら、ハンマーなどの打撃装置１０による打撃の場合、入力は大きいが、発生する弾性波の中には、低周数成分から高周波成分まで種々の周波数の弾性波がランダムに混在する。そのため、受信部１１では、反射波１５の中に直接波や表面波が混在し、反射波１５であることの判断が困難で、反射波１５を受信部１１で受信するまでの時間を正確に測定できず、十分な形状診断が行なわれていない。
また、ハンマーなどの打撃装置１０による打撃の場合であって、フィルターを介在して特定の高周波成分を選択的に検知する方法による場合も、必要とする特定の高周波成分が十分存在するとは限らず、依然として正確な診断ができない。
さらに、スピーカーによる音の入力の場合、精度の高い探査が可能となっても、入力が非常に小さいため浅い位置の探査に限られ、大半が土中に埋没しているような探査深度の深い埋没物体１２には応用できなかった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、埋没物体の根入れ深さ及び埋没物体の体積の評価を簡便かつ迅速に実施することのできる新たな埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するものとして、３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を埋没物体１２の内部に入力するために発信部２０として圧電セラミック素子等を利用した埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置を提供する。
また、本発明は、３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を埋没物体１２の内部に入力し、その反射波を検知して、埋没物体１２の端部までの距離Ｌを次式
Ｌ＝ΔＴ×Ｖ／２
ΔＴ：受信センサに反射波が到達するまでの時間、
Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度
にしたがって求める。
さらに、複数箇所において発信部２０としての圧電セラミック素子等に電圧を印加して３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を埋没物体１２の内部に伝搬させ反射波を受信し、体積を推定する方法も提供する。

請求項１記載の発明によれば、埋没物体の非破壊形状診断方法において、弾性波の入力波２３として３０ｋＨｚ以上のチャープ信号を用いたので、反射波とノイズを明確に区別できるとともに、同一周波数の際に他の波形と重なりあって打ち消すような減少を極力防止できる。

請求項２記載の発明によれば、３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を圧電セラミック素子等からなる発信部２０に印加し、この発信部２０から埋没物体１２の内部に弾性波の入力波２３を入力し、その反射波２４が圧電セラミック素子等からなる受信部２１に到達するまでの時間Δｔを測定し、入力位置から反射位置までの距離Ｌを、次式
Ｌ＝Δｔ×Ｖ／２
Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度
にしたがって求めるようにしたので、圧電セラミック素子等からなる発信部２０により埋没物体１２の内部に必要なエネルギーの弾性波を確実に入力することができ、また、反射波２４も圧電セラミック素子等からなる受信部２１にて確実に受信できる。

請求項３記載の発明によれば、受信部２１に反射波が到達するまでの時間Δｔを、反射波２４の出力波形の自己相関解析により求めるようにしたので、出力波形を目視で判断することの不確実な反射波の到達時間Δｔをμｓ単位まで確実に検出することができ、埋没物体１２の形状や亀裂箇所を正確に知ることができる。

請求項４記載の発明によれば、受信部２１に反射波が到達するまでの時間Δｔを、入力波２３と反射波２４との相互相関解析により求めるようにしたので、入力波２３が入力した時間と、入力波２３の直接波が受信部２１に入力するまでの時間とのタイムラグによる計測データのずれを防止することができる。特に、発信部２０と受信部２１とが離れて設置されているときに効果がある。

請求項５記載の発明によれば、埋没物体１２の複数個所で反射位置までの距離Ｌを測定して、埋没物体１２の体積を推定するようにしたので、土中に埋没している端部形状や亀裂の形状などをより正確に検出できる。

請求項６記載の発明によれば、３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号で振動して埋没物体１２の内部に弾性波を入力する発信部２０と、この埋没物体１２からの反射波２４を受信する圧電セラミック素子等からなる受信部２１と、この受信部２１の出力波形に基づき反射位置までの距離Ｌを、次式
Ｌ＝Δｔ×Ｖ／２
Ｌ：検知点と埋没物体１２の端部との距離
Δｔ：受信部２１に反射波が到達するまでの時間
Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度
にしたがって演算するコンピュータ２５とを具備したので、発信部２０と受信部２１を災害現場に設置し、コンピュータ２５と無線又は有線で接続することで埋没物体の非破壊形状診断を確実に可能とする装置を得ることができる。

請求項７記載の発明によれば、３０ｋHｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号で振動して埋没物体１２の内部に弾性波を入力する発信部２０と、この埋没物体１２からの反射波２４を受信する圧電セラミック素子等からなる受信部２１と、この受信部２１の出力波形に基づき入力してから反射波が到達するまでの時間Δｔを自己相関解析により求め、反射位置までの距離Ｌを、次式
Ｌ＝Δｔ×Ｖ／２
Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度
にしたがって演算するコンピュータ２５とを具備したので、３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を入力し、反射波を受信した後、自己相関解析によって、埋没物体１２の形状や大きさを正確に、かつ、容易に判断することが可能となる。

本発明は、チャープ信号などの特徴のある弾性波を埋没物体１２の内部に入力した場合、反射波も同じ特徴を持つという、弾性波の伝搬特性を踏まえて埋没物体１２の非破壊形状診断を行うことに大きな特徴がある。
この特徴のある弾性波を埋没物体１２の内部に入力する有効性についてさらに説明すると、埋没物体１２の端部で反射した反射波も埋没物体１２の内部に入力された弾性波と同じ特徴を持つため、一関数内のデータ間の類似性を調べる自己相関解析を用いることができ、反射波は、ノイズなどの他の影響を受けることなくはっきり識別できる。

本発明の方法では、以上のような特徴を持った弾性波に関する特性を利用して、埋没物体１２の根入れ深さを特定し、その距離から形状を非破壊に診断するものである。距離の測定については、特徴を持った反射波の伝搬時間を利用して弾性波入力点と反射波の発生した埋没物体１２の端部の距離を求めることになる。このような診断を対象とする埋没物体１２の規模や形状を考慮して、数箇所でいくつかの方向に対して実施することにより、最終的にその形状を特定することができる。

以下、本発明による埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置の実施例１を図面に基づき詳しく説明する。
図１において、実際の診断対象となる埋没物体１２は、斜面上の転石、古い橋脚や防護用コンクリート杭など、大半が土中に埋没しているようなものであるが、実施例１では、予め形状の分かっているコンクリート柱の長さ診断を例として示している。
具体的には、診断対象の埋没物体１２には、縦１２０ｍｍ、横１５０ｍｍ、長軸９００ｍｍのコンクリート柱が用いられている。
この埋没物体１２の一端面には、発信部２０と受信部２１が取り付けられる。この発信部２０と受信部２１は、ともに、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）トランスデューサとして用いる圧電セラミック素子等からなり、発信部２０では、電荷を与えると振動（変位）し、受信部２１では、振動（応力）を与えると電荷が発生する、という性質を利用している。
前記発信部２０には、バイポーラ電源を用いた電力増幅器２７，ファンクションジェネレータからなる信号生成装置２６を介してコンピュータ２５が接続され、前記受信部２１には、データロガからなる計測記録装置２８を介してコンピュータ２５が接続され、また、コンピュータ２５には、表示装置２９が接続されている。

以上のような構成による本発明の埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置の作用を説明する。
コンピュータ２５で３０ｋＨｚ以上の周波数成分を持ち、かつ、所定時間の間に、周波数が徐々に低くなる方向に変化するダウンチャープ信号が作られ、信号生成装置２６に送られて、図２に示す印加入力時間Ｔ０だけ発振する信号に生成され、さらに電力増幅器２７で増幅されて発信部２０に印加され、埋没物体１２に振動を与える。
このチャープ信号を印加入力している時間Ｔ０は、本実施例では、５０μｓとした。これは、埋没物体１２がコンクリートであって、波動伝搬速度が約４ｋｍ／ｓ、長さが９００ｍｍの場合、弾性波の入力から反射波の受信までの時間Ｔは、約５００μｓであり、前記印加入力時間Ｔ０が前記反射波到達時間Ｔの約１０％となる。すなわち、周波数変調している波形で、反射波の到達時間の１０％程度に収まるようにして、チャープ信号の減衰に十分な時間を与えるようにしたためである。また、チャープ信号の周波数を３０ｋＨｚ以上としたのは、印加入力時間Ｔ０が５０μｓとしたとき、その時間範囲内で複数回の発振を行なわせるためである。しかし、これらの数値は、例示であって、これに限定されるものではなく、被計測対象物の性質によって決定される。

このようにして埋没物体１２内に３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号の入力波２３を入力し、その反射波２４をＡＥトランスデューサからなる受信部２１で受信する。図２は、受信部２１が受信した波形を示したもので、入力波２３と埋没物体１２の端部からの反射波２４とが観察されている。また、この図２では、反射波が受信部２１に到達した時間Ｔを、横軸のスケールとしている。
受信部２１で得られた図２に示すような波形データは、計測記録装置２８に送られて記録される。

ここで、図２に示す波形の目視によっては、ノイズ波形との区別が困難な場合があり、弾性波の入力から反射波の受信までの時間Ｔを正確に決定することは困難であることが多い。
そこで、得られたデータを次式に当て嵌め、自己相関解析することで反射波がＡＥトランスデューサからなる受信部２１に到達した時間Ｔを正確に決めることができる。
その過程を図４に示すフローチャートにより詳しく説明する。
（１）第１ステップ
受信部２１により図２に示したような入力波２３と反射波２４とを含む出力波形を計測し、計測記録装置２８に記録する。
（２）第２ステップ
第１ステップで得られた出力波形を、例えば、ＣＳＶ（Ｃｏｍｍａ Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｖａｌｕｅ）データＸｉに変換する。
（３）第３ステップ
第２ステップで得られたＣＳＶデータＸｉを絶対値|Ｘｉ|に変換する。
（４）第４ステップ
第３ステップで得られた絶対値|Ｘｉ|の時間ずれデータ|Ｘｉ＋ｊ|を作成する。
（５）第５ステップ
入力波形を構成するデータ数をＮとしてｊを１つずつ変化させて出力波形の絶対値を用いた自己共分散係数Ｒｊを求める。

ここで、ＣＳＶデータＸ_ｉは、図２における入力波２３の入力から反射波２４の到達と考えられる時間Ｔの少なくとも数倍を設定し、これをｉ＝０〜Ｎ−１までＮ等分してサンプリング点を設定する。このサンプリング点は、数百〜数千など、可能な限り細かくすることが精度を上げるために望ましい。
ｊ＝０、すなわち、自身の積をとったときにＲ_ｊは、最大となる。
つぎに、例えば、ｊ＝１とし、ｉを１つずつずらしながら|Ｘ_ｉ|と|Ｘ_ｉ＋１|の積をとっていき、その平均値を求める。
同様にして、ｊ＝２，３、…とし、それぞれについてｉを１つずつずらしながら|Ｘ_ｉ|と|Ｘ_ｉ＋ｊ|の積をとっていき、その平均値を求める計算を繰り返えす。
（６）第６ステップ
時間ずれｊ（サンプリング点の数×単位時間ずれ）を横軸とし、自己共分散係数Ｒｊを縦軸としてプロットすると、図３に示したような自己共分散係数図となる。
（７）第７ステップ
自己共分散係数図からＲ_ｊの２番目のピークが現われるｊを読み取る。
時間ずれｊが０のとき自己共分散係数Ｒ_ｊは、最大値を示しており、２番目に現われるピークまでの時間Ｔ_０が反射波の到達時間のデータ番号となる。このデータ番号をｊ_２ｎｄとする。すなわち、反射波２４は、入力波２３と同一周波数で現われて、自己相関関数もピークを示す。
なお、ノイズは、入力波２３の周波数と関連性がないので、ピークとなって現われることはない。
（８）第８ステップ
反射波の到達時間Ｔは、データ番号ｊ_２ｎｄとサンプリング間隔Δｔの積で求まる。例えば、データ番号ｊ_２ｎｄ＝４８７、サンプリング間隔Δｔ＝１μｓとすると、
Ｔ＝ｊ_２ｎｄ・Δｔ＝４８７μｓが得られる。

図３は自己相関解析の結果をグラフであらわしたものである。この図３から前記Ｔ＝ｊ_２ｎｄ・Δｔ＝４８７μｓが得られ、また、別に測定したコンクリート中の波動伝搬速度は、３６８８．５２１m/sであったことにともない、時間Ｔと埋没物体１２の波動伝搬速度Ｖを用いて次式によりコンクリートの長さを求めた。
Ｌ＝Ｔ×２／Ｖ
その結果、推定寸法Ｌ＝８９８．１５５mmとなり、実際のコンクリートの長さ９００ｍｍと非常によく一致していることがわかる。

前記実施例では、埋没物体１２の内部に入力した特徴のある弾性波として、所定時間の間に、周波数が徐々に低くなる方向に変化するダウンチャープ信号が用いられたが、これに限られるものではなく、所定時間の間に、周波数が徐々に高くなる方向に変化するアップチャープ信号を用いることもできる。また、周波数が規則的に変化するものに限られず、不規則に変化するものであってもよい。

前記実施例では、受信部２１で受信した信号の自己相関関数を用いて解析するようにした。
しかし、これに限られるものではなく、相互相関関数を用いて解析することもできる。例えば、次のステップで測定する。
（１）第１ステップ
発信部２０から入力波２３を直接計測記録装置２８に送る。また、受信部２１により検出された図２に示したような入力波２３と反射波２４とを含む出力波形を計測し、計測記録装置２８に記録する。
（２）第２ステップ
入力波２３の直接波形をＣＳＶデータＸ_ｉに変換し、受信部２１による出力波形をＣＳＶデータＹ_ｉに変換する。
（３）第３ステップ
ＣＳＶデータＸ_ｉを絶対値|Ｘ_ｉ|に、ＣＳＶデータＹ_ｉを絶対値|Ｙ_ｉ|にそれぞれ変換する。
（４）第４ステップ
絶対値|Ｙ_ｉ|の時間ずれデータ|Ｙ_ｉ＋ｊ|を作成する。
（５）第５ステップ
入力波形を構成するデータ数をＮとしてｊを１つずつ変化させて出力波形の絶対値を用いた相互共分散係数Ｒ_ｊを求める。

（６）第６ステップ
時間ずれｊを横軸とし、相互共分散係数Ｒ_ｊを縦軸としてプロットすると、図３に示したものと近似した相互共分散係数図となる。
（７）第７ステップ
相互共分散係数図からＲ_ｊの２番目のピークが現われるｊを読み取る。
（８）第８ステップ
反射波の到達時間Ｔは、データ番号ｊ_２ｎｄとサンプリング間隔Δｔの積で求まる。

時間Ｔと埋没物体１２の波動伝搬速度Ｖを用いて次式によりコンクリートの長さを求める。
Ｌ＝Ｔ×２／Ｖ

図１に示した実施例では、予め形状の分かっている埋没物体１２についての計測であるが、図５に示すように、大半が土中に埋没しているような埋没物体１２については、発信部２０による弾性波の指向方向をａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，…のように順次変更して複数回測定し、それぞれの距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，…を求めることにより、埋没物体１２の埋没している形状と体積を推測することもできる。
また、埋没物体１２の波動伝搬速度Ｖが不明な場合には、土中から露出している部分の距離Ｌａと反射波の到達時間Ｔを実測することにより、次式から求めることができる。
Ｖ＝Ｔ×２／Ｌａ

本発明による埋没物体の非破壊形状診断方法およびその装置の構成を示した概略図である。 本発明による出力波形の一例を示した図である。 反射波を自己相関解析した結果をグラフで示した図である。 自己相関解析のフローチャートである。 本発明による体積計測の一例を示す概略図である。 従来のハンマーで打撃して測定する例を示す概略図である。

符号の説明

１０…打撃装置、１１…受信部、１２…埋没物体、１３…亀裂などの損傷、１４…通過波、１５…反射波、１６…計測記録装置、１７…コンピュータ、１８…端面、２０…発信部、２１…受信部、２３…入力波、２４…反射波、２５…コンピュータ、２６…信号生成装置、２７…電力増幅器、２８…計測記録装置、２９…表示装置。

Claims (7)

1. 発信部２０により埋没物体１２の内部に弾性波の入力波２３を入力し、その反射波２４が受信部２１に到達するまでの時間を測定し、その受信時間から距離を測定し、埋没物体１２の形状を診断する埋没物体の非破壊形状診断方法において、前記弾性波の入力波２３として３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を用いたことを特徴とする埋没物体の非破壊形状診断方法。
2. ３０ｋＨｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号を圧電セラミック素子等の電気・音響変換素子からなる発信部２０に印加し、この発信部２０から埋没物体１２の内部に弾性波の入力波２３を入力し、その反射波２４が圧電セラミック素子等からなる受信部２１に到達するまでの時間Δｔを測定し、入力位置から反射位置までの距離Ｌを、次式
   Ｌ＝Δｔ×Ｖ／２
   Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度
   にしたがって求めることを特徴とする埋没物体の非破壊形状診断方法。
3. 受信部２１に反射波が到達するまでの時間Δｔを、反射波２４の出力波形の自己相関解析により求めるようにしたことを特徴とする請求項２記載の埋没物体の非破壊形状診断方法。
4. 受信部２１に反射波が到達するまでの時間Δｔを、入力波２３と反射波２４との相互相関解析により求めるようにしたことを特徴とする請求項２記載の埋没物体の非破壊形状診断方法。
5. 埋没物体１２の複数個所で反射位置までの距離Ｌを測定して、埋没物体１２の体積を推定するようにしたことを特徴とする請求項１、２，３又は４記載の埋没物体の非破壊形状診断方法。
6. ３０ｋHｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号で振動して埋没物体１２の内部に弾性波を入力する発信部２０と、
   この埋没物体１２からの反射波２４を受信する圧電セラミック素子等からなる受信部２１と、
   この受信部２１の出力波形に基づき反射位置までの距離Ｌを、次式
   Ｌ＝Δｔ×Ｖ／２
   Δｔ：受信部２１に反射波が到達するまでの時間
   Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度
   にしたがって演算するコンピュータ２５と
   を具備したことを特徴とする埋没物体の非破壊形状診断装置。
7. ３０ｋHｚ以上の周波数成分を含むチャープ信号で振動して埋没物体１２の内部に弾性波を入力する発信部２０と、
   この埋没物体１２からの反射波２４を受信する圧電セラミック素子等からなる受信部２１と、
   この受信部２１の出力波形に基づき入力してから反射波が到達するまでの時間Δｔを自己相関解析により求め、反射位置までの距離Ｌを、次式
   Ｌ＝Δｔ×Ｖ／２
   Ｖ：埋没物体１２の波動伝搬速度
   にしたがって演算するコンピュータ２５と
   を具備したことを特徴とする埋没物体の非破壊形状診断装置。
   

Images