JP2017138239A - Non-contact acoustic searching system - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
本発明は、音波を用いた非接触音響探査システムに関するものである。 The present invention relates to a non-contact acoustic exploration system using sound waves.
近年、コンクリート構造の内部の欠陥を発見したり地中に埋設された物品を検出したりするなどの目的で、音波や超音波を利用する方法が種々提案されている。本発明者らは下記の特許文献１および特許文献２において、音波を用いて非接触で欠陥等の探査対象物を探査する手法を提案している。これらの手法は、コンクリート構造などの対象構造物に対して二次元的に音波を照射し、この対象構造物の表面の振動速度を計測して探査対象物をスキャンするものである。 In recent years, various methods using sound waves or ultrasonic waves have been proposed for the purpose of finding defects inside a concrete structure or detecting articles buried in the ground. In the following Patent Document 1 and Patent Document 2, the present inventors have proposed a method for searching for a search object such as a defect in a non-contact manner using sound waves. In these methods, a target structure such as a concrete structure is two-dimensionally irradiated with sound waves, and the surface of the target structure is measured for vibration speed to scan the target object.
特許文献１や特許文献２に示されるような従来の非接触音響探査法を用いて広い面積の探査対象物をスキャンするにあたっては、対象構造物に二次元的に音波を照射してその表面の振動速度を計測していく必要がある。ここで、対象構造物や探査対象物の剛性は一般に未知であるため、音波の周波数を変えて探査対象物の共振周波数を探索していく必要があり、振動速度を計測する合計時間は長くなりがちである。 When scanning an exploration target having a large area using a conventional non-contact acoustic exploration method as shown in Patent Document 1 or Patent Document 2, a target structure is irradiated with sound waves two-dimensionally, It is necessary to measure the vibration speed. Here, since the rigidity of the target structure or exploration target is generally unknown, it is necessary to search the resonance frequency of the exploration target by changing the frequency of the sound wave, and the total time for measuring the vibration speed becomes longer. Tend to.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、従来の探査法における探査精度を少なくとも維持したまま探査時間を短縮することが可能な非接触音響探査システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a non-contact acoustic exploration system capable of shortening exploration time while at least maintaining exploration accuracy in a conventional exploration method.
本発明は鋭意検討し、上記課題を解決する方法を見出し、本発明を完成させた。
本発明は次の(i)〜(x)である。
(i)探査対象物を内部に含む被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数の計測箇所において振動速度を計測して前記探査対象物の位置を判断する非接触音響探査システムであって、
前記送波音波を所定の送波時間間隔（Ｔ０）ごとに送出する音響発信源と、
前記被照射体の前記表面の振動速度を計測する計測器と、
得られた振動速度の計測結果を用いて、前記探査対象物が存在する部位と存在しない部位とを特定する解析装置と、を有し、
前記音響発信源が前記送波時間間隔（Ｔ０）ごとに送出する各回の前記送波音波が、当該送波音波が前記音響発信源より送出されてから前記被照射体の前記表面で反射して前記計測器に到達するまでの反射到達時間（Ｔ２）よりも短い時間長（Ｔａ）であり、かつ複数の異なる周波数の送波信号を順次に含むことを特徴とする非接触音響探査システム。
(ii)前記送波時間間隔（Ｔ０）が、前記反射到達時間（Ｔ２）以上であり、かつ前記反射到達時間と前記送波音波の時間長との和（Ｔ２＋Ｔａ）よりも短い上記(i)に記載の非接触音響探査システム。
(iii)第一の前記送波音波に含まれる前記送波信号にかかる複数の周波数である第一周波数群と、前記第一の送波音波よりも後に送出される第二の前記送波音波に含まれる前記送波信号にかかる複数の周波数である第二周波数群と、が互いに異なる上記(i)または(ii)に記載の非接触音響探査システム。
(iv)前記第一周波数群に含まれる最高周波数を上限とし最低周波数を下限とする第一周波数範囲が、前記第二周波数群に含まれる最高周波数を上限とし最低周波数を下限とする第二周波数範囲と重複している上記(iii)に記載の非接触音響探査システム。
(v)前記第一周波数群に含まれる最高周波数が前記第二周波数群に含まれる最低周波数よりも低いか、または前記第一周波数群に含まれる最低周波数が前記第二周波数群に含まれる最高周波数よりも高い上記(iii)に記載の非接触音響探査システム。
(vi)前記解析装置または前記計測器は、前記第二の送波音波が照射されて振動する前記被照射体の前記表面の振動速度に関する前記計測器の計測結果から、前記第一周波数群の信号の少なくとも一部を選択的に抑圧する上記(iii)から(v)のいずれかに記載の非接触音響探査システム。
(vii)前記解析装置は、前記第一および前記第二の送波音波が照射されて前記被照射体の前記表面が振動する時間帯をそれぞれ判定し、前記時間帯と異なる時間に前記計測器が計測した前記計測結果から不要成分の少なくとも一部を抑圧する上記(vi)に記載の非接触音響探査システム。
(viii)前記音響発信源が送出する前記送波音波の周波数帯域は、前記探査対象物を内部に含む位置における前記被照射体の共振周波数および前記探査対象物を内部に含まない位置における前記被照射体の共振周波数をともに包含しており、前記音響発信源が、前記周波数帯域をカバーする前記送波音波を複数回繰り返して送出する上記(i)から(vii)のいずれかに記載の非接触音響探査システム。
The present invention has been intensively studied, and a method for solving the above problems has been found, and the present invention has been completed.
The present invention includes the following (i) to (x).
(i) irradiating the surface of the irradiated object including the search object with a transmitted sound wave to vibrate the irradiated object, measuring vibration speed at a plurality of measurement points on the surface, and A non-contact acoustic exploration system for determining position,
An acoustic transmission source for transmitting the transmitted sound wave at predetermined transmission time intervals (T 0 );
A measuring instrument for measuring the vibration speed of the surface of the irradiated object;
Using the measurement result of the obtained vibration velocity, and having an analysis device that identifies a site where the search object exists and a site that does not exist,
Each time the transmitted sound wave transmitted by the acoustic transmission source at every transmission time interval (T 0 ) is reflected on the surface of the irradiated object after the transmitted sound wave is transmitted from the acoustic transmission source. A non-contact acoustic exploration system having a time length (Ta) shorter than a reflection arrival time (T 2 ) until reaching the measuring instrument and sequentially including a plurality of transmission signals having different frequencies .
(ii) The transmission time interval (T 0 ) is equal to or longer than the reflection arrival time (T 2 ) and shorter than the sum (T 2 + Ta) of the reflection arrival time and the time length of the transmitted sound wave. The non-contact acoustic exploration system according to (i) above.
(iii) a first frequency group, which is a plurality of frequencies related to the transmitted signal included in the first transmitted sound wave, and the second transmitted sound wave transmitted after the first transmitted sound wave The non-contact acoustic exploration system according to the above (i) or (ii), which is different from a second frequency group which is a plurality of frequencies related to the transmission signal included in the transmission signal.
(iv) The first frequency range with the highest frequency included in the first frequency group as the upper limit and the lowest frequency as the lower limit, the second frequency with the highest frequency included in the second frequency group as the upper limit and the lowest frequency as the lower limit The non-contact acoustic exploration system according to (iii), which overlaps with the range.
(v) The highest frequency included in the first frequency group is lower than the lowest frequency included in the second frequency group, or the lowest frequency included in the first frequency group is the highest included in the second frequency group. The non-contact acoustic exploration system according to (iii), which is higher than the frequency.
(vi) the analysis device or the measuring instrument is based on a measurement result of the measuring instrument related to a vibration speed of the surface of the irradiated object that is irradiated with the second transmitted sound wave and vibrates. The non-contact acoustic exploration system according to any one of (iii) to (v), wherein at least part of the signal is selectively suppressed.
(vii) The analysis device determines a time zone in which the surface of the irradiated body is vibrated by being irradiated with the first and second transmitted sound waves, and the measuring instrument is at a time different from the time zone. The non-contact acoustic exploration system according to (vi), wherein at least a part of the unnecessary components is suppressed from the measurement result measured by.
(viii) The frequency band of the transmitted sound wave transmitted by the acoustic transmission source includes a resonance frequency of the irradiated object at a position including the search object and a position at the position not including the search object. The resonance frequency of the irradiating body is included, and the acoustic transmission source repeatedly transmits the transmitted sound wave covering the frequency band a plurality of times (i) to (vii) Contact acoustic exploration system.
本発明によれば、音響発信源から送出される各回の送波音波に複数の異なる周波数の送波信号を順次に含まれることで、探査対象物の共振周波数を探索するために必要な送波音波の照射回数および計測器による計測回数を低減することができる。このため、探査精度を少なくとも維持しつつも探査時間を短縮することができる。 According to the present invention, a transmission wave necessary for searching for a resonance frequency of an object to be searched is obtained by sequentially including a plurality of transmission signals of different frequencies in each transmission wave transmitted from an acoustic transmission source. The number of times of sound wave irradiation and the number of times of measurement by the measuring instrument can be reduced. For this reason, the search time can be shortened while at least maintaining the search accuracy.
本発明について説明する。
本発明は探査方法および非接触音響探査システムに関する。本発明の探査方法および非接触音響探査システムによれば、被照射体の内部の探査対象物の位置を正確に把握することができる。被照射体としては、たとえば、コンクリート構造物、地面（土、砂、石、アスファルト等）、木、液体、人体が挙げられる。具体的には、本発明の探査方法および本発明の非接触音響探査システムによれば、たとえば、地面に埋められている地雷の位置を正確に把握することができる。この場合、地雷が探査対象物である。また、コンクリート構造物の内部の欠陥部の位置を正確に把握することができる。この場合、欠陥部が探査対象物である。また、人体の内部に存在する腫瘍等の位置を正確に把握することができる。この場合、腫瘍等が探査対象物である。また、各種製品等の内部の欠陥部の位置を正確に把握することができる（すなわち、非破壊検査することができる）。この場合、欠陥部が探査対象物である。また、池、海、湖等の液面の近くに位置する探査対象物（周囲の液体と音響インピーダンスが異なる物体）の位置を正確に把握することができる。
The present invention will be described.
The present invention relates to a search method and a non-contact acoustic search system. According to the exploration method and the non-contact acoustic exploration system of the present invention, the position of the exploration target inside the irradiated object can be accurately grasped. Examples of the irradiated body include concrete structures, the ground (such as earth, sand, stone, and asphalt), wood, liquid, and human body. Specifically, according to the exploration method of the present invention and the non-contact acoustic exploration system of the present invention, for example, the position of a landmine buried in the ground can be accurately grasped. In this case, landmines are exploration objects. Moreover, the position of the defect part inside a concrete structure can be grasped | ascertained correctly. In this case, the defective part is the object to be searched. In addition, the position of a tumor or the like existing inside the human body can be accurately grasped. In this case, a tumor or the like is a search target. In addition, it is possible to accurately grasp the positions of defective portions inside various products (that is, nondestructive inspection can be performed). In this case, the defective part is the object to be searched. In addition, it is possible to accurately grasp the position of an exploration target (an object having an acoustic impedance different from that of the surrounding liquid) located near the liquid surface such as a pond, sea, or lake.
図１は、本発明の実施形態の非接触音響探査システム（以下、「探査システム」と略記する場合がある）１０の構成を示す説明図である。はじめに、探査システム１０の概要について説明する。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a non-contact acoustic exploration system (hereinafter, sometimes abbreviated as “exploration system”) 10 according to an embodiment of the present invention. First, the outline of the exploration system 10 will be described.
探査システム１０は、探査対象物３を内部に含む被照射体１の表面に送波音波１２を照射して被照射体１を振動させ、表面の複数の計測箇所において振動速度を計測して探査対象物３の位置を判断するシステムである。
探査システム１０は、音響発信源１１、計測器１３、および解析装置１５１を含むコンピュータ１５を備える。音響発信源１１は、送波音波１２を所定の送波時間間隔（Ｔ０）ごとに送出する。計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を計測する計器である。解析装置１５１は、計測器１３で得られた振動速度の計測結果を用いて、探査対象物３が存在する部位と存在しない部位とを特定する機能を有する。
本実施形態の探査システム１０は、音響発信源１１が送波時間間隔（Ｔ０）ごとに送出する各回の送波音波１２が、反射到達時間（Ｔ２）よりも短い時間長（Ｔａ）であり、かつ複数の異なる周波数の送波信号を順次に含むことを特徴とする。ここで、反射到達時間Ｔ２とは、当該送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面で反射して計測器１３に到達するまでの時間である。
The exploration system 10 irradiates the surface of the irradiated object 1 including the exploration target 3 with the transmitted sound wave 12 to vibrate the irradiated object 1 and measures the vibration velocity at a plurality of measurement points on the surface to search. This is a system for determining the position of the object 3.
The exploration system 10 includes a computer 15 including an acoustic transmission source 11, a measuring instrument 13, and an analysis device 151. The acoustic transmission source 11 transmits the transmitted sound wave 12 at every predetermined transmission time interval (T 0 ). The measuring instrument 13 is an instrument that measures the vibration speed of the surface of the irradiated object 1. The analysis device 151 has a function of specifying a site where the exploration target 3 is present and a site where it is not present, using the measurement result of the vibration speed obtained by the measuring instrument 13.
In the exploration system 10 of the present embodiment, each time the transmitted sound wave 12 transmitted by the acoustic transmission source 11 at every transmission time interval (T 0 ) has a time length (Ta) shorter than the reflection arrival time (T 2 ). And a plurality of transmission signals having different frequencies are sequentially included. Here, the reflection arrival time T 2 is the time from when the transmitted sound wave 12 is transmitted from the acoustic transmission source 11 until it is reflected by the surface of the irradiated object 1 and reaches the measuring instrument 13.
探査システム１０は、任意波形発生装置１７およびアンプ１９を更に有している。コンピュータ１５は、解析装置１５１に加えて制御装置１５２および表示部１５３を含んでおり、制御装置１５２によって任意波形発生装置１７を制御して、所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる。計測器１３は、任意波形発生装置１７が発生するトリガ信号に制御装置１５２を同期させて計測する。表示部１５３には、後に説明する振動速度分布図等を表示することができる。表示部とはディスプレイ画面等を意味する。 The exploration system 10 further includes an arbitrary waveform generator 17 and an amplifier 19. The computer 15 includes a control device 152 and a display unit 153 in addition to the analysis device 151. The control device 152 controls the arbitrary waveform generation device 17 to generate sound waves having a desired frequency from the acoustic transmission source 11. The measuring instrument 13 measures the control device 152 in synchronization with the trigger signal generated by the arbitrary waveform generator 17. The display unit 153 can display a vibration velocity distribution diagram and the like described later. The display unit means a display screen or the like.
以下、探査システム１０について更に詳細に説明する。 Hereinafter, the exploration system 10 will be described in more detail.
音響発信源１１にはフラットスピーカを用いることができる。音響発信源１１の数やスピーカの角度等は特に限定されない。音響発信源１１には、フラットスピーカの他、パラメトリックスピーカも好ましく用いることができ、具体的にはアメリカンテクノロジー社製の長距離音響放射装置（LRAD（登録商標）：Long Range Acoustic Device）や強力超音波音源を好ましく用いることができる。このほか音響発信源１１にはラウドスピーカやパルスレーザ、高圧ガスガン、衝撃波管を用いることができる。
音響発信源１１から被照射体１へ照射される送波音波１２は、所望の周波数（ω）に調整することができ、かつ、被照射体１の表面をその振動速度が計測器１３によって測定できる程度に、表面に対して平行方向ではない方向（好ましくは、表面に対する垂直方向）へ振動させることができる音波であればよい。送波音波１２は、空気中で振動振幅が減衰し難い可聴帯域の音波（音響波）が好ましい。超音波は空気中で振動振幅の減衰が大きいものの、音響発信源１１が発する送波音波１２としての使用を排除するものではなく、音波には超音波を含む。送波音波１２の強度は、音響発信源１１から被照射体１へ当該送波音波１２を照射することで、被照射体１の表面に９０ｄＢ以上の音圧を発生させる強度であることが好ましく、１００ｄＢ程度の音圧を発生させる強度であることがより好ましい。
A flat speaker can be used as the sound source 11. The number of the sound transmission sources 11 and the angle of the speaker are not particularly limited. In addition to a flat speaker, a parametric speaker can be preferably used as the acoustic transmission source 11, and specifically, a long-range acoustic radiation device (LRAD (registered trademark): Long Range Acoustic Device) manufactured by American Technology Co., Ltd. A sound source can be preferably used. In addition, a loudspeaker, a pulse laser, a high-pressure gas gun, or a shock tube can be used for the acoustic transmission source 11.
The transmitted sound wave 12 irradiated to the irradiated object 1 from the acoustic transmission source 11 can be adjusted to a desired frequency (ω), and the vibration speed of the surface of the irradiated object 1 is measured by the measuring instrument 13. Any sound wave that can be vibrated in a direction that is not parallel to the surface (preferably, a direction perpendicular to the surface) may be used. The transmitted sound wave 12 is preferably an audible sound wave (acoustic wave) whose vibration amplitude is difficult to attenuate in air. Although the ultrasonic wave has a large attenuation of vibration amplitude in the air, it does not exclude the use as the transmitted wave 12 generated by the acoustic transmission source 11, and the sound wave includes an ultrasonic wave. The intensity of the transmitted sound wave 12 is preferably an intensity that generates a sound pressure of 90 dB or more on the surface of the irradiated object 1 by irradiating the irradiated sound wave 12 from the acoustic transmission source 11 to the irradiated object 1. More preferably, the intensity is such that a sound pressure of about 100 dB is generated.
被照射体１は、たとえばコンクリート構造物や土壌などであり、その内部に局所的に探査対象物３が存在している。探査対象物３としては空洞や剥離欠陥などの欠陥部（ボイド）を挙げることができるが、このほか被照射体１と共振周波数が異なる金属などの埋設物でもよい。 The irradiated body 1 is, for example, a concrete structure, soil, or the like, and the exploration target 3 exists locally in the interior. Examples of the object 3 to be investigated include a void (void) such as a cavity or a peeling defect, but other than this, an embedded object such as a metal having a resonance frequency different from that of the irradiated object 1 may be used.
計測器１３は、送波音波１２により加振された被照射体１の振動を光学的に計測する手段である。本実施形態に用いられる計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を非接触で測定できるものであれば特に限定されず、レーザ変位計を用いることができ、レーザドップラ振動計であることが好ましい。計測器１３にレーザドップラ振動計を用いる場合、計測器１３はレーザ（観察波１３１）を被照射体１に照射する。送波音波１２が照射されて振動する被照射体１の表面で観察波１３１が反射されて計測器１３の受光部（図示せず）で受光されることにより、計測器１３は被照射体１の表面の振動速度を計測する。この観察波１３１は、探査対象物３を内包する被照射体１の振動状況を示す目的信号である。計測器１３で得られた振動速度の計測データは解析装置１５１で解析するために用いられる。 The measuring instrument 13 is a means for optically measuring the vibration of the irradiated object 1 excited by the transmitted sound wave 12. The measuring instrument 13 used in the present embodiment is not particularly limited as long as it can measure the vibration speed of the surface of the irradiated object 1 in a non-contact manner, and a laser displacement meter can be used, which is a laser Doppler vibrometer. It is preferable. When a laser Doppler vibrometer is used for the measuring instrument 13, the measuring instrument 13 irradiates the irradiated object 1 with a laser (observation wave 131). When the observation wave 131 is reflected by the surface of the irradiated object 1 that is irradiated with the transmitted sound wave 12 and vibrates, and is received by a light receiving unit (not shown) of the measuring instrument 13, the measuring instrument 13 is irradiated with the irradiated object 1. Measure the vibration speed of the surface. The observation wave 131 is a target signal indicating the vibration state of the irradiated object 1 that includes the object to be searched 3. The vibration velocity measurement data obtained by the measuring instrument 13 is used for analysis by the analysis device 151.
計測器１３には、１回の計測で被照射体１の表面の１点における振動計測が可能なシングルレーザタイプのレーザ振動計を用いることも可能であるが、スキャニングレーザタイプのレーザ振動計を用いることが好ましい。スキャニング振動計であるレーザドップラ振動計としては、具体的に、ポリテックジャパン社製のＰＳＶ５００が挙げられる。シングルレーザタイプのレーザ振動計としては、長距離測定用のレーザドップラ振動計であるポリテックジャパン社製のＲＳＶ−１５０を例示することができる。これらのレーザドップラ振動計は解析装置の一部および制御装置を含むものである。 As the measuring instrument 13, a single laser type laser vibrometer capable of measuring vibration at one point on the surface of the irradiated object 1 by one measurement can be used, but a scanning laser type laser vibrometer is used. It is preferable to use it. Specific examples of the laser Doppler vibrometer that is a scanning vibrometer include PSV500 manufactured by Polytech Japan. As a single laser type laser vibrometer, RSV-150 manufactured by Polytech Japan, which is a laser Doppler vibrometer for long distance measurement, can be exemplified. These laser Doppler vibrometers include a part of an analysis device and a control device.
解析装置１５１は、被照射体１における探査対象物３の位置を特定するための特定の情報処理を行うことができるものであれば特に限定されず、本実施形態の探査システム１０を実現するプログラムが格納された汎用コンピュータを用いることができる。 The analysis device 151 is not particularly limited as long as it can perform specific information processing for specifying the position of the search object 3 in the irradiated object 1, and a program for realizing the search system 10 of the present embodiment. Can be used.
任意波形発生装置１７は、制御装置１５２の指令によって所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる装置である。言い換えると、制御装置１５２は、音響発信源１１から送波音波１２が出力される時間関係を制御する手段である。任意波形発生装置１７には、バースト波を発生可能な市販のファンクションジェネレータ等を用いることができる。任意波形発生装置１７は、簡単のために手動で制御してもよく、または解析装置１５１側から制御するようにシステムを構成してもよい。アンプ１９に用いられる機器は特に限定されず、たとえば、市販のオーディオアンプを用いることができる。 The arbitrary waveform generation device 17 is a device that generates a sound wave having a desired frequency from the acoustic transmission source 11 in accordance with a command from the control device 152. In other words, the control device 152 is a means for controlling the time relationship in which the transmitted sound wave 12 is output from the acoustic transmission source 11. The arbitrary waveform generator 17 may be a commercially available function generator that can generate burst waves. The arbitrary waveform generator 17 may be controlled manually for the sake of simplicity, or the system may be configured to be controlled from the analysis device 151 side. The equipment used for the amplifier 19 is not particularly limited, and for example, a commercially available audio amplifier can be used.
制御装置１５２は、送波音波１２を特定時刻に限局して音響発信源１１から出力させる。解析装置１５１は、計測器１３の計測結果のうち被照射体１が振動している時間帯を判定する。 The control device 152 limits the transmitted sound wave 12 to a specific time and outputs it from the acoustic transmission source 11. The analysis device 151 determines a time zone in which the irradiated object 1 is vibrating among the measurement results of the measuring instrument 13.
計測器１３の受光部（図示せず）には、被照射体１の表面で反射した観察波１３１のほか、音響発信源１１が発する送波音波１２の一部である直接音波１２１と、被照射体１の表面で送波音波１２が反射した反射音波１２２とが入射する。以下、計測器１３が出力する波形信号を振動状況信号という。振動状況信号は、観察波により得られる目的とする対象物信号のほか、直接音波１２１や反射音波１２２などの影響による不要信号成分（ノイズ）を含む。直接音波１２１は音響発信源１１から計測器１３に直接に到達する送波音波１２であり、反射音波１２２は被照射体１で反射して計測器１３に到達する送波音波１２である。計測器１３に入射する直接音波１２１および反射音波１２２は、計測器１３を不要に振動させ、目的とする対象物信号の検出感度を低下させる原因となる不要信号である。 In addition to the observation wave 131 reflected from the surface of the irradiated object 1, the light receiving unit (not shown) of the measuring instrument 13 includes a direct sound wave 121 that is a part of the transmitted sound wave 12 emitted from the acoustic transmission source 11, The reflected sound wave 122 reflected by the transmitted sound wave 12 is incident on the surface of the irradiation body 1. Hereinafter, the waveform signal output from the measuring instrument 13 is referred to as a vibration status signal. The vibration state signal includes an unnecessary signal component (noise) due to the influence of the direct sound wave 121, the reflected sound wave 122, and the like, in addition to the target object signal obtained by the observation wave. The direct sound wave 121 is the transmitted sound wave 12 that directly reaches the measuring instrument 13 from the acoustic transmission source 11, and the reflected sound wave 122 is the transmitted sound wave 12 that is reflected by the irradiated object 1 and reaches the measuring instrument 13. The direct sound wave 121 and the reflected sound wave 122 incident on the measuring instrument 13 are unnecessary signals that cause the measuring instrument 13 to vibrate unnecessarily and reduce the detection sensitivity of the target object signal.
音響発信源１１から被照射体１の表面までの距離をｄ１とし、計測器１３から、被照射体１に対する観察波１３１の照射位置までの距離をｄ２とする。また、計測器１３と音響発信源１１との距離をｄ３とする。送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面で反射して計測器１３に到達するまでの距離はｄ１＋ｄ２となる。すなわち、送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面に到達するまでの時間（以下、目標到達時間Ｔ１という場合がある）は、ｄ１／音速（Ｖｓ）となる。観察波１３１（レーザ）の速度は音速に比べて十分に高いため、被照射体１の表面の振動が開始する目標到達時間Ｔ１の瞬間が計測可能時間の開始タイミングとなる。 The distance from the acoustic source 11 to the surface of the irradiated body 1 and d 1, from the instrument 13, the distance to the irradiation position of the observation wave 131 with respect to the irradiated body 1 and d 2. Further, the distance between the instrument 13 and the acoustic source 11 and d 3. The distance from when the transmitted sound wave 12 is transmitted from the acoustic transmission source 11 until it is reflected by the surface of the irradiated object 1 and reaches the measuring instrument 13 is d 1 + d 2 . That is, the time from when the transmitted sound wave 12 is transmitted from the acoustic transmission source 11 until it reaches the surface of the irradiated body 1 (hereinafter sometimes referred to as target arrival time T 1 ) is d 1 / sound speed (Vs). It becomes. Since the speed of the observation wave 131 (laser) is sufficiently higher than the speed of sound, the instant of the target arrival time T 1 at which the vibration of the surface of the irradiated object 1 starts becomes the start timing of the measurable time.
また、音響発信源１１が送波音波１２を送出してから反射音波１２２が計測器１３に入射するまでの反射到達時間Ｔ２は、（ｄ１＋ｄ２）／音速（Ｖｓ）となる。また、音響発信源１１より送出された送波音波１２は、ｄ３／音速（Ｖｓ）の時間（以下、直接到達時間Ｔ３という場合がある）で直接音波１２１として計測器１３に到達する。反射音波１２２が不要信号として計測器１３に入射する反射到達時間Ｔ２の瞬間が計測可能時間の終了タイミングとなる。 The reflection arrival time T 2 from when the acoustic transmission source 11 sends the transmitted sound wave 12 to when the reflected sound wave 122 enters the measuring instrument 13 is (d 1 + d 2 ) / sound velocity (Vs). The transmitted sound wave 12 sent from the acoustic transmission source 11 reaches the measuring instrument 13 as a direct sound wave 121 at a time of d 3 / sound speed (Vs) (hereinafter sometimes referred to as direct arrival time T 3 ). It reflected sound wave 122 is the moment of measuring devices 13 reflected arrival time entering the T 2 as an unnecessary signal is the end timing of possible time measurement.
送波音波１２はバースト波であり、所定の送波時間間隔Ｔ０ごとに音響発信源１１から送出される。各回の送波音波１２（以下、バースト群という場合がある）の送波時間間隔Ｔ０は一定であることが好ましい。送波音波１２はバースト波であるため、バースト群の一個あたりの時間長Ｔａは送波時間間隔Ｔ０よりも当然短く、更に反射到達時間Ｔ２よりも短い。 The transmitted sound wave 12 is a burst wave, and is transmitted from the acoustic transmission source 11 at every predetermined transmission time interval T 0 . It is preferable that the transmission time interval T 0 of each transmitted sound wave 12 (hereinafter sometimes referred to as a burst group) is constant. Since the transmitted sound wave 12 is a burst wave, the time length Ta per burst group is naturally shorter than the transmission time interval T 0 and further shorter than the reflection arrival time T 2 .
音響発信源１１と計測器１３とが互いに近傍に配置される場合、直接音波１２１は計測器１３を強く振動させる。本実施形態の探査システム１０では、送波音波１２にバースト波が用いられ、かつ送波音波１２の送波時間間隔Ｔ０や送波音波１２の各回の時間長Ｔａが設定されている。これにより、計測器１３にて観察波１３１を計測する時間が、直接音波１２１や反射音波１２２が計測器１３を振動させる時間とは異なるタイミングとなる。具体的には、直接到達時間Ｔ３と時間長Ｔａとの合計が、目標到達時間Ｔ１以下に設定されている。 When the acoustic transmission source 11 and the measuring instrument 13 are arranged in the vicinity of each other, the direct sound wave 121 vibrates the measuring instrument 13 strongly. In exploration system 10 of the present embodiment, the burst wave is used to transmit sound waves 12, and each time the time length Ta of the transmitting time interval T 0 and transmit sound waves 12 transmit sound waves 12 is set. Thereby, the time for measuring the observation wave 131 by the measuring instrument 13 is different from the time for the direct sound wave 121 and the reflected sound wave 122 to vibrate the measuring instrument 13. Specifically, the sum of the direct arrival time T 3 and time length Ta is set to a target arrival time T 1 below.
以下、送波音波の送信方法について説明する。はじめに、特許文献１に記載された従来の送信方法について説明する。図２（ａ）は、特許文献１の実施例３に記載された送信方法を説明する図である。この従来の送信方法では、欠陥部などの探査対象物３の共振周波数を探すために、送波音波の周波数を音波送出毎に変化させていくことにより、必要な周波数帯域をカバーする。図２（ａ）に示すように、周波数の異なる要素波形ｓＦｎ（ｎは自然数）が送波音波として送波時間間隔Ｔ０ごとに順次送波される。この送波時間間隔Ｔ０は、反射音波が計測器に入射し、時間長Ｔａに亘って計測器を振動させるよりも長い時間、すなわち反射到達時間Ｔ２＋時間長Ｔａよりも長く設定されている。特許文献１の送信方法では、十分な長さの送波時間間隔Ｔ０ごとに送出される個々の送波音波において周波数は一定である。便宜上、この従来の送信方法をシングルトーンバースト波と呼ぶことにする。 Hereinafter, a transmission method of the transmitted sound wave will be described. First, the conventional transmission method described in Patent Document 1 will be described. FIG. 2A is a diagram for explaining a transmission method described in Example 3 of Patent Document 1. FIG. In this conventional transmission method, a necessary frequency band is covered by changing the frequency of the transmitted sound wave every time the sound wave is transmitted in order to search for the resonance frequency of the object 3 to be investigated such as a defective portion. As shown in FIG. 2A, element waveforms s Fn (n is a natural number) having different frequencies are sequentially transmitted as a transmitted sound wave at every transmission time interval T 0 . This transmission time interval T 0 is set to be longer than the time when the reflected sound wave enters the measuring instrument and vibrates the measuring instrument over the time length Ta, that is, longer than the reflection arrival time T 2 + time length Ta. Yes. In the transmission method of Patent Document 1, the frequency is constant in each transmitted sound wave transmitted every sufficiently long transmission time interval T 0 . For convenience, this conventional transmission method will be referred to as a single tone burst wave.
図２（ｂ）は、シングルトーンバースト波の実際の波形例を示す図である。縦軸は任意波形発生装置が発生させる送波音波の振幅であり、横軸は音響発信源が送波音波を発生させてからの時間である。この例では１回のパルス長を３ミリ秒（＝帯域３３０Ｈｚ）とし、パルス間インターバル（送波時間間隔Ｔ０）を５０ミリ秒としている。周波数範囲を１０００Ｈｚから４８００Ｈｚとし、周波数変調インターバルを２００Ｈｚとすると２０回の送波音波を送出する必要があるため、波形全体の時間は５０ミリ秒×（２０−１）回＋３ミリ秒≒１．０秒である。これを１スキャンに要する送波音波の照射時間である。被照射体１の実際の探査にあたっては、被照射体１の表面の１箇所あたり更に複数回のスキャンをしてもよい。ここで、被照射体１のスキャンに用いられる周波数範囲をカバーする送波音波を測定点の１点に対して１回ずつ照射することをアベレージ１回と呼称する。アベレージ回数は１回でも複数回でもよい。好ましいアベレージ回数は、計測器１３（レーザドップラ振動計）の出力および音響発信源１１の音響出力に基づいて決定することができる。一例として音響発信源１１から音響出力される送波音波１２の強度を、被照射体１の表面において１００ｄＢとなるように調整した場合であって、計測器１３にＰＳＶ５００などのスキャニング振動計を用いる場合には、アベレージ回数を複数回、具体的には５回程度とすることにより探査対象物３を精度よく探査することが可能である。また、音響発信源１１の音響出力を上記と共通とし、計測器１３にＲＳＶ−１５０などのシングルレーザタイプのレーザ振動計を用いる場合には、コンクリート等の被照射体１の表面における反射率がより高く出力も高いため、アベレージ回数を１回としても上記と同等の精度で探査対象物３を探査できる場合がある。 FIG. 2B is a diagram illustrating an actual waveform example of a single tone burst wave. The vertical axis represents the amplitude of the transmitted sound wave generated by the arbitrary waveform generator, and the horizontal axis represents the time after the acoustic transmission source generates the transmitted sound wave. In this example, the length of one pulse is 3 milliseconds (= band 330 Hz), and the interval between pulses (transmission time interval T 0 ) is 50 milliseconds. If the frequency range is 1000 Hz to 4800 Hz and the frequency modulation interval is 200 Hz, it is necessary to transmit 20 transmitted sound waves, so the time of the entire waveform is 50 milliseconds × (20−1) times + 3 milliseconds≈1. 0 seconds. This is the irradiation time of the transmitted sound wave required for one scan. In actual exploration of the irradiated object 1, a plurality of scans may be further performed per location on the surface of the irradiated object 1. Here, irradiating a transmission sound wave that covers the frequency range used for scanning the irradiated object 1 once to one measurement point is referred to as one average. The number of averages may be one or more. The preferred number of averages can be determined based on the output of the measuring instrument 13 (laser Doppler vibrometer) and the acoustic output of the acoustic transmission source 11. As an example, when the intensity of the transmitted sound wave 12 that is acoustically output from the acoustic transmission source 11 is adjusted to 100 dB on the surface of the irradiated object 1, a scanning vibrometer such as PSV 500 is used as the measuring instrument 13. In this case, it is possible to search the search object 3 with high accuracy by setting the number of averages to a plurality of times, specifically about 5 times. Further, when the acoustic output of the acoustic transmission source 11 is the same as that described above and a single laser type laser vibrometer such as RSV-150 is used as the measuring instrument 13, the reflectance on the surface of the irradiated object 1 such as concrete is high. Since the output is higher and the output is higher, there are cases where the search object 3 can be searched with the same accuracy as the above even if the number of times of averaging is one.
図３はシングルトーンバースト波のタイムチャートである。計測器１３（図１参照。以下同）が発するレーザ光（観察波１３１）は送波音波１２に比べて伝搬速度が圧倒的に速いことから、計測器１３で受信される計測信号に対して時間ゲートをかけることにより、対象物（被照射体１）の振動波形だけを切り出すことができる。ここで、時間ゲートとは、計測信号のうち特定の時間帯のもののみを抽出し、他の時間帯の信号を除去する処理を行うための制御信号をいう。この時間ゲート（制御信号）は、目的信号の出現時刻である目標到達時間Ｔ１（＝ｄ１／Ｖｓ）に開始し、時間幅ｄ２／Ｖｓを有する信号である。解析装置１５１は、計測器１３が取得した振動速度の信号情報に時間ゲート（制御信号）を乗じることで、目的信号のみを抽出する。 FIG. 3 is a time chart of a single tone burst wave. The laser beam (observation wave 131) emitted from the measuring instrument 13 (see FIG. 1; the same applies hereinafter) has an overwhelmingly faster propagation speed than the transmitted acoustic wave 12, and therefore the measurement signal received by the measuring instrument 13 By applying the time gate, only the vibration waveform of the object (irradiated body 1) can be cut out. Here, the time gate is a control signal for performing processing for extracting only signals in a specific time zone from measurement signals and removing signals in other time zones. This time gate (control signal) is a signal having a time width d 2 / Vs, which starts at the target arrival time T 1 (= d 1 / Vs), which is the appearance time of the target signal. The analysis device 151 extracts only the target signal by multiplying the vibration speed signal information acquired by the measuring instrument 13 by a time gate (control signal).
図３（ａ）は送波音波１２を構成する送出信号の波形であり、図３（ｂ）は計測器１３で計測される信号波形を示す。図３（ｂ）に示すように、直接波（直接音波１２１）による影響は、直接到達時間Ｔ３（＝ｄ３／Ｖｓ）より開始し、そこから時間長Ｔａに亘って続く。なお、図３（ａ）に示す送出信号の立ち上がりを時刻＝０とし、「時間」を「時刻」の意味で用いる場合がある。
図１に示すように計測器１３は音響発信源１１の近傍に配置され、距離ｄ３は距離ｄ１やｄ２に比べて短くなることが一般的である。送波音波１２の一回あたりの時間長Ｔａは下式（１）を満たすことが好ましい。これにより、送波音波１２が被照射体１の表面に到達した時点で、直接音波１２１による計測器１３の振動が実質的に終了していることとなる。
（数１）
時間長Ｔａ≦目標到達時間Ｔ１−直接到達時間Ｔ３ ・・・（１）
FIG. 3A shows a waveform of a transmission signal constituting the transmitted sound wave 12, and FIG. 3B shows a signal waveform measured by the measuring instrument 13. As shown in FIG. 3B, the influence of the direct wave (direct sound wave 121) starts from the direct arrival time T 3 (= d 3 / Vs) and continues from there for a time length Ta. Note that the rising edge of the transmission signal shown in FIG. 3A may be set to time = 0, and “time” may be used to mean “time”.
Instrument 13 as shown in FIG. 1 is disposed in the vicinity of the acoustic source 11, the distance d 3 be shorter than the distance d 1 and d 2 are common. The time length Ta per time of the transmitted sound wave 12 preferably satisfies the following formula (1). Thereby, when the transmitted sound wave 12 reaches the surface of the irradiated object 1, the vibration of the measuring instrument 13 by the direct sound wave 121 is substantially finished.
(Equation 1)
Time length Ta ≦ target arrival time T 1 −direct arrival time T 3 (1)
ここで、直接波（直接音波１２１）および反射波（反射音波１２２）による影響を除去するため、音響発信源１１から被照射体１の表面までの距離ｄ１と音速Ｖｓ（または気温）とに基づいて目標到達時間Ｔ１（＝ｄ１／Ｖｓ）を予め決定し、この目標到達時間Ｔ１から反射到達時間Ｔ２（＝（ｄ１＋ｄ２）／Ｖｓ）までの時間のみ計測信号を抽出するように時間ゲートを設定する（図３（ｃ）参照）。この時間ゲート処理により、計測器１３のレーザヘッドの共振による探査精度（Ｓ／Ｎ比）への影響が低減され、図３（ｄ）に示すように対象物の振動速度を示す信号のみが精度よく抽出される。 Here, in order to remove the influence of the direct wave (direct sound wave 121) and the reflected wave (reflected sound wave 122), the distance d1 from the acoustic transmission source 11 to the surface of the irradiated object 1 and the sound speed Vs (or air temperature). Based on this, the target arrival time T 1 (= d 1 / Vs) is determined in advance, and the measurement signal is extracted only for the time from the target arrival time T 1 to the reflection arrival time T 2 (= (d 1 + d 2 ) / Vs). The time gate is set so as to do this (see FIG. 3C). By this time gate processing, the influence on the search accuracy (S / N ratio) due to the resonance of the laser head of the measuring instrument 13 is reduced, and only the signal indicating the vibration speed of the object is accurate as shown in FIG. Extracted well.
＜マルチトーンバースト波について＞
つぎに、本発明の特徴であるマルチトーンバースト波について説明する。前述のように特許文献１に示される従来の送信方法では送波音波（バースト群）の１回の送出の際に１つの周波数だけを使用していた。このため被照射体の表面を２次元的にスキャンする場合に計測時間が比較的長くなる傾向があった。この原因は、送出する送波音波の時間的な長さに起因している。しかしながら、単純に短い時間内に複数の周波数を混ぜて送波音波を送信してしまうと、被照射体に対する十分な加振力が得られないばかりか、上述した時間ゲートも有効に使うことができなくなるため、かえってＳ／Ｎ比の悪化を招いてしまうことになる。
これに対し本発明者らは、図３各図に示すシングルトーンバースト波の送信時のタイムチャートを更に鋭意検討したところ、送波音波の送出可能時間（＝時間長Ｔａの上限）は、下式（２）のように目標到達時間Ｔ１から反射到達時間Ｔ２までの計測可能時間と一致するまで長くすることができ、それはすなわち各回の送波音波の音波群の先頭が被照射体で反射してから計測器に到達するまでの時間（＝ｄ２／Ｖｓ）であるとの知見に想到した。
（数２）
時間長Ｔａ≦反射到達時間Ｔ２−目標到達時間Ｔ１＝ｄ２／Ｖｓ ・・・（２）
<About multi-tone burst waves>
Next, a multitone burst wave that is a feature of the present invention will be described. As described above, in the conventional transmission method disclosed in Patent Document 1, only one frequency is used for one transmission of the transmitted sound wave (burst group). For this reason, when the surface of the irradiated object is scanned two-dimensionally, the measurement time tends to be relatively long. This is due to the time length of the transmitted sound wave. However, if a transmitted sound wave is transmitted by simply mixing a plurality of frequencies within a short period of time, not only a sufficient excitation force for the irradiated object can be obtained, but also the time gate described above can be used effectively. Since this becomes impossible, the S / N ratio is deteriorated.
On the other hand, the present inventors have further studied the time chart at the time of transmission of the single tone burst wave shown in each figure of FIG. 3 and found that the transmittable sound wave transmission time (= the upper limit of the time length Ta) is as follows. can be lengthened until it coincides with the measurable time from the target arrival time T 1 as shown in equation (2) to the reflective arrival time T 2, which is to say the beginning of the wave group each time the transmitting wave in the irradiation object The inventors have come up with the knowledge that it is the time (= d 2 / Vs) from the reflection until it reaches the measuring instrument.
(Equation 2)
Time length Ta ≦ reflection arrival time T 2 −target arrival time T 1 = d 2 / Vs (2)
すなわち、１回の音波送出の際に時間にしてｄ２／Ｖｓの範囲内であれば、１つの周波数だけでなく、複数の周波数が順次存在しても計測器が実質的に送波音波で振動していない時間帯に観察波を受光することが可能である。ここで複数の周波数を含んだトーンバースト波を、前述のシングルトーンバースト波と区別するためにマルチトーンバースト波と呼ぶことにする。マルチトーンバースト波を構成する各回の送波音波の時間長Ｔａの上限は、上式（２）で目標到達時間Ｔ１を限りなく零に近づけた場合、反射到達時間Ｔ２よりも僅かに小さな値となる。したがってマルチトーンバースト波とは、音響発信源が送波時間間隔Ｔ０ごとに送出する各回の送波音波（バースト群）が、反射到達時間Ｔ２よりも短い時間長Ｔａであり、かつ複数の異なる周波数の送波信号を順次に含むバースト波であるということができる。 In other words, if the time is within the range of d 2 / Vs at the time of one sound wave transmission, the measuring device can substantially transmit the sound wave even if there are a plurality of frequencies in addition to one frequency. It is possible to receive an observation wave in a time zone when it is not vibrating. Here, a tone burst wave including a plurality of frequencies is referred to as a multi-tone burst wave in order to distinguish it from the above-described single tone burst wave. The upper limit of the time length Ta of the transmitted sound waves constituting the multi-tone burst wave is slightly smaller than the reflection arrival time T 2 when the target arrival time T 1 is made as close to zero as possible in the above equation (2). Value. Therefore, the multi-tone burst wave is a time length Ta in which each time a transmitted sound wave (burst group) transmitted by the acoustic transmission source at every transmission time interval T 0 is shorter than the reflection arrival time T 2 , It can be said that it is a burst wave that sequentially includes transmission signals of different frequencies.
すなわち、本実施形態で送出される第一の送波音波（バースト群）に含まれる送波信号にかかる複数の周波数である第一周波数群と、この第一の送波音波よりも後に送出される第二の送波音波（バースト群）に含まれる送波信号にかかる複数の周波数である第二周波数群と、は互いに異なっている。ここで、二つの周波数群が異なるとは、各周波数群に含まれる周波数が完全一致していることを排除する趣旨であり、共通の周波数がこれら二つの周波数群に一部要素として含まれていてもよい。ただし、被照射体の共振周波数が未知の場合などは所望の周波数範囲の音波を均等に出力することが好ましく、かかる場合は第一周波数群と第二周波数群に含まれる周波数が重複なく完全に不一致であることが好ましい。 That is, the first frequency group, which is a plurality of frequencies related to the transmission signal included in the first transmitted sound wave (burst group) transmitted in the present embodiment, and the first transmitted sound wave are transmitted after this first transmitted sound wave. The second frequency group, which is a plurality of frequencies related to the transmitted signal included in the second transmitted sound wave (burst group), is different from each other. Here, the difference between the two frequency groups is to exclude that the frequencies included in each frequency group are completely the same, and a common frequency is included as a partial element in these two frequency groups. May be. However, when the resonance frequency of the irradiated object is unknown, it is preferable to output sound waves in a desired frequency range evenly. In such a case, the frequencies included in the first frequency group and the second frequency group are completely overlapped. A mismatch is preferred.
マルチトーンバースト波の周波数や時間長Ｔａを決定する場合には、音響発信源１１と被照射体１の表面との距離ｄ１、被照射体１の表面から計測器１３（レーザヘッド）までの距離ｄ２、音響発信源１１から計測器１３までの距離ｄ３、および計測環境中の音速（Ｖｓ）または気温を事前に計測しておく。その上で、目標到達時間Ｔ１から反射到達時間Ｔ２までの計測可能時間内に不要信号が計測器１３に入射しないタイミングおよび時間長Ｔａに限局して制御装置１５２でマルチトーンバースト波群を作成して任意波形発生装置１７より信号出力させる。 When determining the frequency and time length Ta of the multitone burst wave, the distance d 1 between the acoustic transmission source 11 and the surface of the irradiated object 1, and the distance from the surface of the irradiated object 1 to the measuring instrument 13 (laser head). The distance d 2 , the distance d 3 from the acoustic transmission source 11 to the measuring instrument 13, and the speed of sound (Vs) or temperature in the measurement environment are measured in advance. On top of that, the multi-tone burst waves by the controller 152 unnecessary signals within measurable time from the target arrival time T 1 until the reflection arrival time T 2 is confined to the timing does not enter and the time length Ta to the instrument 13 Created and output a signal from the arbitrary waveform generator 17.
本発明で用いられるマルチトーンバースト波は、送波時間間隔Ｔ０ごとに送出される各回の送波音波が複数の異なる周波数を順次に含んで構成されている。各回の送波音波に含まれる周波数の個数は特に限定されず、２個以上である。ここで、異なる周波数を順次に含むとは、一回の送波音波（バースト群）における一の時刻における中心周波数と他の時刻における中心周波数とが異なることをいう。各回の送波音波の中で、周波数が異なる複数の信号波形は時間的に連続して含まれていてもよく、または周波数が異なる信号波形同士の間に時間間隔があってもよい。ただしこの時間間隔は送波時間間隔Ｔ０よりも遙かに短いものであり、反射到達時間Ｔ２の１／２未満の長さである。また、一回の送波音波（バースト群）の中で、周波数は昇順または降順に整列されていてもよく、または不整列でもよい。送波音波（バースト群）を構成する個々の周波数の送出信号は短パルス列であり、その要素波形は正弦波でも三角波でも矩形波でもよい。また要素波形の周期は１周期より長くてもよく、または１周期より短くてもよい。 The multi-tone burst wave used in the present invention is configured so that each transmitted sound wave transmitted every transmission time interval T 0 sequentially includes a plurality of different frequencies. The number of frequencies included in each transmitted wave is not particularly limited and is two or more. Here, sequentially including different frequencies means that the center frequency at one time and the center frequency at another time in one transmitted sound wave (burst group) are different. In each transmitted sound wave, a plurality of signal waveforms having different frequencies may be included continuously in time, or there may be a time interval between signal waveforms having different frequencies. However, this time interval is much shorter than the transmission time interval T 0 and is less than half the reflection arrival time T 2 . Further, in one transmitted wave (burst group), the frequencies may be arranged in ascending or descending order, or may be misaligned. The transmission signal of each frequency constituting the transmitted sound wave (burst group) is a short pulse train, and the element waveform may be a sine wave, a triangular wave, or a rectangular wave. Further, the period of the element waveform may be longer than one period or shorter than one period.
探査対象物の探査にあたって必要とされる周波数範囲は探査対象物の規模や深さに依存して決定され、飛び飛びの周波数の間隔である周波数変調インターバルは、バースト群を構成する各周波数の信号波形の持続時間に基づいて決定される。具体的には、当該持続時間（秒）の逆数（Ｈｚ）の１／２程度とすることができる。そして周波数範囲および周波数変調インターバルが決定されることにより、マルチトーンバースト波を何回送出すべきかが決まる。たとえば周波数範囲を１０００Ｈｚから４８００Ｈｚとし、周波数変調インターバルを２００Ｈｚとする場合には、周波数の異なる２０個のバースト波が必要とされる。一例として、図１に示す被照射体１から計測器１３のレーザヘッドまでの距離ｄ２を５．３ｍ、音速Ｖｓを３４３．５ｍ／ｓ（気温２０℃）とすると、ｄ２／Ｖｓは約１５．４ミリ秒である。そして、１つの周波数あたり３ミリ秒程度の時間長さのバースト波が必要であるとすると、１回のマルチトーンバースト波に５つに周波数を格納することができる。すなわち全部で４回のマルチトーンバースト波を送出することにより、すべての上記の周波数範囲を網羅できることになる。ここで、シングルトーンバースト波の場合には２０回の音波送出が必要となるため、他の条件が全く同じと仮定すれば、マルチトーンバースト波を使用することにより、単純に５倍の計測速度の向上が可能となる。 The frequency range required for the exploration of the exploration target is determined depending on the scale and depth of the exploration target, and the frequency modulation interval, which is the interval between the jumping frequencies, is a signal waveform of each frequency constituting the burst group. Determined based on the duration of. Specifically, it can be about ½ of the reciprocal (Hz) of the duration (second). Then, by determining the frequency range and the frequency modulation interval, it is determined how many times the multi-tone burst wave should be transmitted. For example, when the frequency range is 1000 Hz to 4800 Hz and the frequency modulation interval is 200 Hz, 20 burst waves having different frequencies are required. As an example, if the distance d 2 from the irradiated object 1 shown in FIG. 1 to the laser head of the measuring instrument 13 is 5.3 m and the sound velocity Vs is 343.5 m / s (air temperature 20 ° C.), d 2 / Vs is about 15.4 milliseconds. If a burst wave having a time length of about 3 milliseconds per frequency is required, five frequencies can be stored in one multi-tone burst wave. That is, by sending a total of four multi-tone burst waves, all the above frequency ranges can be covered. Here, in the case of a single tone burst wave, 20 times of sound waves need to be transmitted. Therefore, assuming that other conditions are exactly the same, a multi-tone burst wave is used, so that the measurement speed is simply 5 times higher. Can be improved.
このマルチトーンバースト波の波形例を図４に示す。送波時間間隔Ｔ０は３０ミリ秒としており、４回のバースト群を含む波形全体の時間長さは０．１２４秒となった。 An example of the waveform of this multitone burst wave is shown in FIG. The transmission time interval T 0 was 30 milliseconds, and the time length of the entire waveform including the four burst groups was 0.124 seconds.
＜送波時間間隔Ｔ０について＞
図５はマルチトーンバースト波のタイムチャートの例である。同図では、周波数が異なる２個の音波が１個のバースト群に含まれている例を示している。従来、計測器のヘッドの共振によるＳ／Ｎ比の劣化を極力さけるため、バースト群ごとの送波時間間隔Ｔ０は十分な長さが与えられ、特許文献１では（ｄ１＋２ｄ２）／Ｖｓ以上程度のインターバル間隔での送信を行われていた。
一方、図５（ａ）に示す本実施形態のように、マルチトーンバースト波の場合は個々のバースト群の時間長Ｔａを極力長く設定してできるだけ多くの周波数のバースト波を一回のバースト群に含めることが好ましいため、個々のバースト群の時間長Ｔａを計測可能時間と同等の長さとするとよい。これにより、図５（ｂ）に示すように、計測可能時間以外は、計測器１３は直接波（直接音波１２１）もしくは反射波（反射音波１２２）の影響を受けることがわかる。そして、図３に示したシングルトールバースト波と同様に、マルチトーンバースト波を送波音波１２とする場合も対象物（被照射体１）の振動時間に対応する時間帯を計測可能時間として限局する時間ゲートを設定する（図５（ｃ）参照）。これにより、計測器１３で取得されて解析装置１５１で解析される波形から直接波と反射波の影響を除去し、被照射体１の振動速度の信号のみが精度よく抽出される。
<For transmitting time interval T 0>
FIG. 5 is an example of a time chart of a multitone burst wave. In the figure, an example in which two sound waves having different frequencies are included in one burst group is shown. Conventionally, in order to avoid the degradation of the S / N ratio due to resonance of the head of the measuring instrument as much as possible, the transmission time interval T 0 for each burst group is given a sufficient length. In Patent Document 1, (d 1 + 2d 2 ) / Transmission was performed at an interval interval of about Vs or more.
On the other hand, as in the present embodiment shown in FIG. 5A, in the case of a multi-tone burst wave, the time length Ta of each burst group is set to be as long as possible, and burst waves of as many frequencies as possible are generated in one burst group. Therefore, it is preferable that the time length Ta of each burst group is equal to the measurable time. Thereby, as shown in FIG.5 (b), it turns out that the measuring device 13 receives the influence of a direct wave (direct sound wave 121) or a reflected wave (reflected sound wave 122) other than measurement possible time. Similarly to the single-toll burst wave shown in FIG. 3, when the multi-tone burst wave is used as the transmitted sound wave 12, the time zone corresponding to the vibration time of the object (irradiated body 1) is limited as the measurable time. The time gate to be set is set (see FIG. 5C). Thereby, the influence of the direct wave and the reflected wave is removed from the waveform acquired by the measuring instrument 13 and analyzed by the analyzing device 151, and only the vibration speed signal of the irradiated object 1 is accurately extracted.
すなわち本実施形態の探査システム１０において解析装置１５１は、送波音波１２が照射されて被照射体１の表面が振動する時間帯を判定し、この時間帯と異なる時間に計測器１３が計測した計測結果から不要成分の少なくとも一部を抑圧する。 That is, in the exploration system 10 of the present embodiment, the analysis device 151 determines a time zone in which the surface of the irradiated object 1 vibrates when the transmitted sound wave 12 is irradiated, and the measuring device 13 measures at a time different from this time zone. Suppress at least some of the unnecessary components from the measurement results.
ここで本発明者らは、この直接波および反射波の影響がある時間帯を別々にする必要は無く、送波時間間隔Ｔ０をもっと短くできることに想到した。具体的には、（ｄ１＋ｄ２）Ｖｓ＝反射到達時間Ｔ２よりも少し大きい程度まで送波時間間隔Ｔ０を短縮することが可能である。すなわち送波時間間隔（Ｔ０）を、反射到達時間（Ｔ２）以上であり、かつ反射到達時間と送波音波の時間長との和（Ｔ２＋Ｔ１）よりも短い長さとすることができる。 Here, the present inventors have conceived that it is not necessary to separate the time zones affected by the direct wave and the reflected wave, and the transmission time interval T 0 can be further shortened. Specifically, the transmission time interval T 0 can be shortened to a degree slightly larger than (d 1 + d 2 ) Vs = reflection arrival time T 2 . That is, the transmission time interval (T 0 ) is longer than the reflection arrival time (T 2 ) and shorter than the sum (T 2 + T 1 ) of the reflection arrival time and the time length of the transmitted sound wave. it can.
図６は、送波時間間隔Ｔ０を最適化したマルチトーンバースト波のタイムチャートの例である。同図に示す場合、各回のバースト群が送信されている時刻０から時間長Ｔａまでの間の特に前半部（時刻Ｔｂまで）においては、前回のバースト群の反射波の影響と当該回のバースト群の直接波の影響とが重なり合う。しかしながらこの時間帯は計測可能時間帯外であるため、従来の時間ゲートのみで直接波と反射波の両方の影響を除去することができる。この工夫により、送波音波の送波時間間隔Ｔ０を特許文献１の方法に比べて６から７割程度以内に抑えることが可能になる。 FIG. 6 is an example of a time chart of a multi-tone burst wave in which the transmission time interval T 0 is optimized. In the case shown in the figure, in the first half (from time Tb) between time 0 and time length Ta when each burst group is transmitted, the influence of the reflected wave of the previous burst group and the burst of the current time The direct wave effects of the group overlap. However, since this time zone is outside the measurable time zone, the influence of both the direct wave and the reflected wave can be removed with only the conventional time gate. This device makes it possible to reduce the transmission time interval T 0 of the transmitted sound wave to within about 60 to 70% compared to the method of Patent Document 1.
＜周波数ゲートの適用＞
さらに本発明者らは、解析装置１５１による信号処理時には、図６（ｃ）に示す時間ゲートだけでなく、送出されたマルチトーンバースト波に合わせた周波数特性を持つ周波数ゲートを用いることにより、多重反射による影響も低減することが可能であることに想到した。多重反射は、たとえば、トンネルの内壁など閉鎖空間に配置された被照射体１において顕著に発生する現象であり、１回のバースト群に由来する反射波が異なるタイミングで複数回に亘って計測器１３を振動させることをいう。この多重反射の影響は、当該バースト群が送出されてから送波時間間隔Ｔ０以上が経過した後に訪れる計測可能時間と重なる場合があるため、時間ゲートのみで多重反射の影響を除去することは困難である。
<Application of frequency gate>
Furthermore, the present inventors use not only the time gate shown in FIG. 6 (c) but also a frequency gate having a frequency characteristic in accordance with the transmitted multi-tone burst wave at the time of signal processing by the analysis device 151, so that multiplexing can be performed. It has been thought that the influence of reflection can be reduced. Multiple reflection is a phenomenon that occurs remarkably in the irradiated object 1 placed in a closed space such as the inner wall of a tunnel, for example, and the reflected wave derived from one burst group is measured several times at different timings. This means that 13 is vibrated. Since the influence of this multiple reflection may overlap with the measurable time that comes after the transmission time interval T 0 or more has elapsed since the burst group was transmitted, it is not possible to remove the influence of multiple reflection using only the time gate. Have difficulty.
そこで、マルチトーンバースト波のバースト群を構成する周波数およびそれらの並び順に対応する周波数ゲートを適用する。たとえば、第一の送波音波にかかる第一周波数群の複数の周波数が、この第一の送波音波よりも後に送出される任意のバースト群である第二の送波音波にかかる第二周波数群の複数の周波数と完全に不一致である場合には、第二の送波音波の周波数を選択的に抽出することで第一の送波音波に起因する不要信号を除去または低減することができる。 Therefore, the frequency constituting the burst group of the multitone burst wave and the frequency gate corresponding to the arrangement order thereof are applied. For example, a plurality of frequencies of the first frequency group applied to the first transmitted sound wave is a second frequency applied to the second transmitted sound wave that is an arbitrary burst group transmitted after the first transmitted sound wave. When it is completely inconsistent with a plurality of frequencies of the group, it is possible to remove or reduce unnecessary signals caused by the first transmitted sound wave by selectively extracting the frequency of the second transmitted sound wave. .
すなわち、本実施形態の解析装置１５１または計測器１３は、第二の送波音波（当該バースト群）が照射されて振動する被照射体１の表面の振動速度に関する計測器１３の計測結果から、当該バースト群よりも前に送出された第一周波数群の信号の少なくとも一部を選択的に抑圧する。かかる周波数選択的な信号抽出を周波数ゲートと呼ぶ。具体的な周波数ゲートとしては、計測器１３がバンドパスフィルタを備えてもよく、または解析装置１５１において周波数解析して振動速度の計測信号から不要信号を除去してもよい。これにより、選択された選択信号には実質的に目的信号のみが存在することとなり、探査対象物の検出性能が向上する。 That is, the analysis device 151 or the measuring instrument 13 of the present embodiment is based on the measurement result of the measuring instrument 13 regarding the vibration speed of the surface of the irradiated object 1 that is irradiated with the second transmitted sound wave (the burst group) and vibrates. At least a part of the signals of the first frequency group transmitted before the burst group is selectively suppressed. Such frequency selective signal extraction is called a frequency gate. As a specific frequency gate, the measuring instrument 13 may include a band-pass filter, or an unnecessary signal may be removed from the vibration speed measurement signal by frequency analysis in the analysis device 151. Thereby, substantially only the target signal exists in the selected selection signal, and the detection performance of the search target object is improved.
第一周波数群としては、たとえば１０００Ｈｚ、１２００Ｈｚ、１４００Ｈｚ、１６００Ｈｚ、１８００Ｈｚのように、探査に必要な周波数分解能（たとえば２００Ｈｚ）毎に連続した複数の周波数のマルチトーンバースト群とすることができる。このタイプのマルチトーンバースト波は連続的な周波数変化をするためＣ（Continuous）タイプのマルチトーンバーストと呼ぶことにする。図７はＣタイプのマルチトーンバーストに用いられる周波数ゲートの例である。 As the first frequency group, for example, a multitone burst group having a plurality of frequencies that are continuous for each frequency resolution (for example, 200 Hz) necessary for the search, such as 1000 Hz, 1200 Hz, 1400 Hz, 1600 Hz, and 1800 Hz, can be used. Since this type of multi-tone burst wave continuously changes in frequency, it will be referred to as a C (Continuous) type multi-tone burst. FIG. 7 shows an example of a frequency gate used for C-type multi-tone burst.
Ｃタイプのマルチトールバーストは、第一周波数群に含まれる最高周波数が第二周波数群に含まれる最低周波数よりも低いか、または第一周波数群に含まれる最低周波数が第二周波数群に含まれる最高周波数よりも高い。図７に示す本例では、先に送出される第一のバースト群の第一周波数群よりも、次に送出される第二のバースト群の第二周波数群の方が高い周波数で構成されている場合を例示する。第二周波数群としては、たとえば２０００Ｈｚ、２２００Ｈｚ、２４００Ｈｚ、２６００Ｈｚ、２８００Ｈｚとすることができる。そして、第一周波数群を完全に包含し、かつ第二周波数群（および下記の第三周波数群）を完全に含まない周波数範囲（ここではたとえば９００Ｈｚから１９００Ｈｚ）を選択的に通過させる周波数ゲートＦＧ−ａを図７（ｂ）のように設定する。周波数ゲートＦＧ−ａは、第一のバースト群に由来する目的信号１２ａを抽出する時間ゲートと同じタイミングで設定する。これにより、第一のバースト群に由来する目的信号１２ａが選択的に抽出される。
また、第二周波数群で構成される第二のバースト群の次に、第三周波数群で構成される第三の送波音波が送出される。この第三の送波音波を構成する第三周波数群の最低周波数は第二周波数群の最高周波数よりも高く、二つの群の周波数に重複は無い。第三周波数群は、たとえば３０００Ｈｚ、３２００Ｈｚ、３４００Ｈｚ、３６００Ｈｚ、３８００Ｈｚとすることができる。そして、第二のバースト群に由来する目的信号１２ｂを抽出する時間ゲートと同じタイミングで、第二周波数群を完全に包含し第一周波数群や第三周波数群を完全に含まない周波数範囲（たとえば１９００Ｈｚから２９００Ｈｚ）を選択的に通過させる周波数ゲートＦＧ−ｂを設定する。これにより、第二のバースト群に由来する目的信号１２ｂが選択的に抽出される。よって、先に送出されたマルチトーンバースト群が壁面等で多重反射して計測時間内に入ってきたとしても、周波数が異なるために簡単にその影響を除去することができる。
そして、第三のバースト群に由来する目的信号１２ｃを抽出する時間ゲートと同じタイミングで、第三周波数群を完全に包含し第一周波数群や第二周波数群を完全に含まない周波数範囲（たとえば２９００Ｈｚから３９００Ｈｚ）を選択的に通過させる周波数ゲートＦＧ−ｃを設定する。これにより、第三のバースト群に由来する目的信号１２ｃが選択的に抽出される。
In the C type maltitol burst, the highest frequency included in the first frequency group is lower than the lowest frequency included in the second frequency group, or the lowest frequency included in the first frequency group is included in the second frequency group. Higher than the highest frequency. In this example shown in FIG. 7, the second frequency group of the second burst group that is transmitted next is configured with a higher frequency than the first frequency group of the first burst group that is transmitted first. An example is given. As a 2nd frequency group, it can be set as 2000Hz, 2200Hz, 2400Hz, 2600Hz, 2800Hz, for example. Then, a frequency gate FG that selectively passes a frequency range (here, for example, 900 Hz to 1900 Hz) that completely includes the first frequency group and does not completely include the second frequency group (and the third frequency group described below). -A is set as shown in FIG. The frequency gate FG-a is set at the same timing as the time gate for extracting the target signal 12a derived from the first burst group. Thereby, the target signal 12a derived from the first burst group is selectively extracted.
Further, after the second burst group composed of the second frequency group, the third transmitted sound wave composed of the third frequency group is transmitted. The lowest frequency of the third frequency group constituting this third transmitted sound wave is higher than the highest frequency of the second frequency group, and there is no overlap between the frequencies of the two groups. The third frequency group can be, for example, 3000 Hz, 3200 Hz, 3400 Hz, 3600 Hz, 3800 Hz. Then, at the same timing as the time gate for extracting the target signal 12b derived from the second burst group, a frequency range that completely includes the second frequency group and does not completely include the first frequency group and the third frequency group (for example, A frequency gate FG-b that selectively passes 1900 Hz to 2900 Hz) is set. Thereby, the target signal 12b derived from the second burst group is selectively extracted. Therefore, even if the previously transmitted multi-tone burst group is subjected to multiple reflections on the wall surface or the like and enters the measurement time, the influence can be easily removed because the frequency is different.
Then, at the same timing as the time gate for extracting the target signal 12c derived from the third burst group, a frequency range that completely includes the third frequency group and does not completely include the first frequency group and the second frequency group (for example, A frequency gate FG-c that selectively passes 2900 Hz to 3900 Hz is set. Thereby, the target signal 12c derived from the third burst group is selectively extracted.
上述したように、任意のバースト群に対して、当該バースト群に由来する目的信号を抽出する時間ゲートと重複するタイミングで、当該バースト群の周波数を選択的に通過させる周波数ゲートを設定することで、多重反射による影響も含めて不要信号が除去されて目的信号１２ａ〜１２ｃが抽出される。すなわち本実施形態の解析装置１５１は、第一および第二の送波音波（バースト群）が照射されて被照射体１の表面が振動する時間帯をそれぞれ判定し、これらの時間帯と異なる時間に計測器１３が計測した計測結果から不要成分の少なくとも一部を抑圧する。 As described above, for any burst group, by setting a frequency gate that selectively passes the frequency of the burst group at a timing that overlaps with the time gate that extracts the target signal derived from the burst group. Unnecessary signals including the influence of multiple reflections are removed, and target signals 12a to 12c are extracted. That is, the analysis device 151 of the present embodiment determines time zones in which the first and second transmitted sound waves (burst group) are irradiated and the surface of the irradiated object 1 vibrates, and times different from these time zones. Further, at least a part of the unnecessary components is suppressed from the measurement result measured by the measuring instrument 13.
マルチトーンバースト群の他の例として、探査に必要な周波数分解能（たとえば２００Ｈｚ）を超える大きな間隔で飛び飛びの複数の周波数でバースト群を構成してもよい。たとえば１０００Ｈｚ、１８００Ｈｚ、２６００Ｈｚ、３４００Ｈｚおよび４２００Ｈｚのように８００Ｈｚ毎に飛び飛びの周波数のバースト群を送出することができる。このタイプのマルチトーンバースト波は離散的な周波数変化をするためＤ（Discrete）タイプのマルチトーンバーストと呼ぶことにする。図８はＤタイプのマルチトーンバーストに用いられる周波数ゲートの例である。 As another example of the multi-tone burst group, the burst group may be configured with a plurality of frequencies that jump at large intervals exceeding the frequency resolution (for example, 200 Hz) necessary for the search. For example, a burst group having a jumping frequency can be transmitted every 800 Hz, such as 1000 Hz, 1800 Hz, 2600 Hz, 3400 Hz, and 4200 Hz. Since this type of multitone burst wave changes discretely, it is called a D (Discrete) type multitone burst. FIG. 8 shows an example of a frequency gate used for a D type multi-tone burst.
Ｄタイプのマルチトーンバーストは、第一周波数群に含まれる最高周波数を上限とし最低周波数を下限とする第一周波数範囲が、第二周波数群に含まれる最高周波数を上限とし最低周波数を下限とする第二周波数範囲と重複している。図８に示す本例では、先に送出される第一のバースト群の第一周波数範囲が上記のように１０００Ｈｚ、１８００Ｈｚ、２６００Ｈｚ、３４００Ｈｚおよび４２００Ｈｚであり、次に送出される第二のバースト群の第二周波数範囲は１２００Ｈｚ、２０００Ｈｚ、２８００Ｈｚ、３６００Ｈｚおよび４４００Ｈｚとすることができる。さらに、第三のバースト群の第三周波数範囲は、１４００Ｈｚ、２２００Ｈｚ、３０００Ｈｚ、３８００Ｈｚおよび４６００Ｈｚとすることができる。
Ｄタイプのマルチトーンバーストを用いる場合も、Ｃタイプと同様に、第一から第三のバースト群に由来する目的信号１２ａ〜１２ｃを抽出する時間ゲートを設定するとともに、時間ゲートが設定されている時間帯と異なる時間に計測器１３が計測した計測結果から不要成分の少なくとも一部を抑圧する。
In the D type multi-tone burst, the first frequency range in which the highest frequency included in the first frequency group is the upper limit and the lowest frequency is the lower limit, and the highest frequency included in the second frequency group is the upper limit and the lowest frequency is the lower limit. Overlapping with the second frequency range. In this example shown in FIG. 8, the first frequency range of the first burst group transmitted first is 1000 Hz, 1800 Hz, 2600 Hz, 3400 Hz, and 4200 Hz as described above, and the second burst group transmitted next. The second frequency range of can be 1200 Hz, 2000 Hz, 2800 Hz, 3600 Hz and 4400 Hz. Furthermore, the third frequency range of the third burst group can be 1400 Hz, 2200 Hz, 3000 Hz, 3800 Hz, and 4600 Hz.
When using the D type multi-tone burst, similarly to the C type, the time gate for extracting the target signals 12a to 12c derived from the first to third burst groups is set and the time gate is set. At least a part of unnecessary components is suppressed from the measurement result measured by the measuring instrument 13 at a time different from the time zone.
具体的には、図８（ｂ）に示すように、目的信号１２ａを選択的に抽出する時間ゲートと同じタイミングで設定される周波数ゲートＦＧ−ｄには、たとえば９００Ｈｚ以上１１００Ｈｚ以下、１７００Ｈｚ以上１９００Ｈｚ以下、２５００Ｈｚ以上２７００Ｈｚ以下、３３００Ｈｚ以上３５００Ｈｚ以下、および４１００Ｈｚ以上４３００Ｈｚ以下を選択的に通過させるバンドパスフィルタを適用することができる。
また、目的信号１２ｂを選択的に抽出する時間ゲートと同じタイミングで設定される周波数ゲートＦＧ−ｅは、たとえば１１００Ｈｚ以上１３００Ｈｚ以下、１９００Ｈｚ以上２１００Ｈｚ以下、２７００Ｈｚ以上２９００Ｈｚ以下、３５００Ｈｚ以上３７００Ｈｚ以下、および４３００Ｈｚ以上４５００Ｈｚ以下を選択的に通過させるとよい。
そして、目的信号１２ｃを選択的に抽出する時間ゲートと同じタイミングで設定される周波数ゲートＦＧ−ｆは、たとえば１３００Ｈｚ以上１５００Ｈｚ以下、２１００Ｈｚ以上２３００Ｈｚ以下、２９００Ｈｚ以上３１００Ｈｚ以下、３７００Ｈｚ以上３９００Ｈｚ以下、および４５００Ｈｚ以上４７００Ｈｚ以下を選択的に通過させるとよい。
このように、バースト群に由来する目的信号を抽出する時間ゲートと重複するタイミングで、当該バースト群の周波数範囲を包含し、それよりも先に送出されたバースト群にかかる他の周波数範囲を包含しない周波数帯を選択的に通過させ、当該他の周波数範囲にかかる計測信号を不要信号として抑圧する。これによりＣタイプと同様に、先に送出されたマルチトーンバースト群が壁面等で多重反射して計測時間内に入ってきたとしても、周波数が異なるために簡単にその影響を除去することができる。
Specifically, as shown in FIG. 8B, the frequency gate FG-d set at the same timing as the time gate for selectively extracting the target signal 12a includes, for example, 900 Hz to 1100 Hz, 1700 Hz to 1900 Hz. Hereinafter, a bandpass filter that selectively passes 2500 Hz to 2700 Hz, 3300 Hz to 3500 Hz, and 4100 Hz to 4300 Hz can be applied.
The frequency gate FG-e set at the same timing as the time gate for selectively extracting the target signal 12b is, for example, 1100 Hz to 1300 Hz, 1900 Hz to 2100 Hz, 2700 Hz to 2900 Hz, 3500 Hz to 3700 Hz, and 4300 Hz. It is preferable to selectively pass 4500 Hz or less.
The frequency gate FG-f set at the same timing as the time gate for selectively extracting the target signal 12c is, for example, 1300 Hz to 1500 Hz, 2100 Hz to 2300 Hz, 2900 Hz to 3100 Hz, 3700 Hz to 3900 Hz, and 4500 Hz. It is preferable to selectively pass 4700 Hz or less.
In this way, the frequency range of the burst group is included at a timing overlapping with the time gate for extracting the target signal derived from the burst group, and other frequency ranges related to the burst group transmitted earlier are included. The frequency band not to be transmitted is selectively passed, and the measurement signal in the other frequency range is suppressed as an unnecessary signal. As a result, similar to the C type, even if the previously transmitted multi-tone burst group is subjected to multiple reflections on the wall surface or the like and enters within the measurement time, the influence can be easily removed because the frequency is different. .
＜探査判定について＞
解析装置１５１は、計測器１３で得られた振動速度の計測結果を用いて、探査対象物３が存在する部位と存在しない部位とを特定する探査判定を行う。探査判定の具体的な処理は特に限定されないが、たとえば特許文献２に記載された下記の工程に基づいて行うことができる。
まず、計測器１３が計測した振動速度の測定結果に基づいて、被照射体１の各測定箇所における周波数と振動速度との関係を表す振幅スペクトル（Ｓｆ）を求め、さらに周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係を求める。振動エネルギー（ＰＳＤ）は、振動速度の２乗に比例する値である。つぎに、得られた周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係について特定範囲で積分値を求める。積分する範囲は特に限定されないが、計測器の共振周波数を含まない範囲で積分することが好ましい。そして、その積分値が最も小さい値であった測定箇所を最小ＰＳＤ部とする。最小ＰＳＤ部と判断された測定箇所は、探査対象物が存在しない部位として特定することができる。
<About exploration judgment>
The analysis device 151 uses the measurement result of the vibration speed obtained by the measuring instrument 13 to perform a search determination that identifies a site where the search target 3 exists and a site where the search target 3 does not exist. Although the specific process of a search determination is not specifically limited, For example, it can carry out based on the following process described in patent document 2.
First, based on the measurement result of the vibration velocity measured by the measuring instrument 13, an amplitude spectrum (Sf) representing the relationship between the frequency and the vibration velocity at each measurement location of the irradiated object 1 is obtained, and further the frequency and vibration energy (PSD). ). The vibration energy (PSD) is a value proportional to the square of the vibration speed. Next, an integral value is obtained in a specific range with respect to the relationship between the obtained frequency and vibration energy (PSD). Although the range to integrate is not specifically limited, It is preferable to integrate in the range which does not include the resonance frequency of a measuring device. And the measurement location where the integral value was the smallest is taken as the minimum PSD part. The measurement location determined to be the minimum PSD portion can be specified as a location where no search object exists.
このほか、最小ＰＳＤ部に対するその他の測定箇所の振動エネルギーの比である振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））を求め、その値が閾値以下であった測定箇所を、探査対象物が存在しない部位と判断してもよい。
また、探査対象物が存在しない部位と判断した測定箇所以外の測定箇所において、振幅スペクトル（Ｓｆ）からスペクトルエントロピー（Ｈ）を求め、最小ＰＳＤ部よりも低いスペクトルエントロピー（Ｈ）を示す測定箇所が見つかった場合には、当該測定箇所を探査対象物が存在する部位と判断し、逆に、最小ＰＳＤ部以上のスペクトルエントロピー（Ｈ）を示す測定箇所を計測不良箇所と判断してもよい。
In addition, a vibration energy ratio (VER (1)), which is a ratio of vibration energy of other measurement points to the minimum PSD part, is obtained, and a measurement point whose value is equal to or less than a threshold is determined as a region where no exploration target exists. You may judge.
In addition, at a measurement location other than the measurement location where it is determined that the target object does not exist, a spectrum entropy (H) is obtained from the amplitude spectrum (Sf), and a measurement location showing a spectrum entropy (H) lower than the minimum PSD portion is obtained. If found, the measurement location may be determined as the location where the exploration target exists, and conversely, the measurement location showing the spectral entropy (H) above the minimum PSD portion may be determined as the measurement failure location.
以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
マルチトーンバースト波の有効性を確認するために図１に示す探査システム１０で被照射体１に送波音波１２を照射して探査対象物３の探査を行った。具体的には、探査対象物３として円形欠陥が埋設されたコンクリート供試体（被照射体１）での確認実験を行った。用いた欠陥部には厚さ２５ｍｍ、直径２００ｍｍの円柱形の発泡スチロールが深さ８０ｍｍの位置に埋設されている。実験セットアップ図を図９に示す。計測器１３にはスキャニングレーザタイプのレーザドップラ振動計を用いた。 In order to confirm the effectiveness of the multi-tone burst wave, the search object 3 was searched by irradiating the object 1 with the transmitted sound wave 12 by the search system 10 shown in FIG. Specifically, a confirmation experiment was performed on a concrete specimen (irradiated body 1) in which a circular defect was embedded as the exploration target 3. A cylindrical foamed polystyrene having a thickness of 25 mm and a diameter of 200 mm is embedded in the used defect portion at a depth of 80 mm. An experimental setup diagram is shown in FIG. The measuring instrument 13 was a scanning laser type laser Doppler vibrometer.
測定点数は、円形欠陥の直上および外部に均等に配置された３５点とした。コンクリート供試体の表面の振動速度を計測する条件として、図１に示す距離ｄ１＝５．０（ｍ）、距離ｄ２＝５．３（ｍ）、計測時の音速をＶｓ＝３４３．５（ｍ／秒）とした（気温２０度）。ここで、音響発信源１１が送出する送波音波１２の周波数帯域が、探査対象物３（円形欠陥）を内部に含む位置における被照射体１（コンクリート供試体）の共振周波数、および探査対象物３を内部に含まない位置における被照射体１の共振周波数をともに包含するように設定した。より具体的には、使用したマルチトーンバースト波はＤタイプで、周波数範囲は１０００Ｈｚから４８００Ｈｚ、周波数インターバルは２００Ｈｚ、音波の送信間隔は３０ミリ秒とした。図１０は実施例に用いたマルチトーンバースト波の波形を示す。そして音響発信源１１が上記の周波数帯域をカバーする送波音波１２（バースト群）を複数回繰り返して送出するように任意波形発生装置１７を設定した。本実施例では、１回のバースト群に５つの異なる周波数の要素波形が含まれており、４個のバースト群により上記の周波数範囲がカバーされる。そして、上記の周波数範囲（本実施例では１０００Ｈｚから４８００Ｈｚまで）の送波音波を測定点の１点に対して複数回ずつ照射した。具体的には、本実施例では、かかるバースト群を図１０に示すように繰り返して２０個、すなわちアベレージ５回でコンクリート供試体に照射した。図１０に示すように、アベレージ１回のバースト群を測定点の１点に照射する時間は約０．１２秒であり、アベレージ５回すなわち２０個のバースト群を測定点の１点に照射する時間は約０．６秒であった。
比較例として使用したシングルトーンバースト波の周波数範囲も同様に１０００Ｈｚから４８００Ｈｚとし、周波数インターバルは２００Ｈｚ、音波の送信間隔は５０ミリ秒とした。シングルトーンバースト波の波形は図２（ｂ）に示すものとし、異なる周波数のバースト群を１個ずつ、合計２０個をコンクリート供試体に照射した。これによりアベレージ１回の照射が行われたことになる。２０個のバースト群を測定点の１点に照射する時間は図２（ｂ）に示すように約１．０秒であった。
The number of measurement points was set to 35 points arranged evenly above and outside the circular defect. As conditions for measuring the vibration velocity of the surface of the concrete specimen, the distance d 1 = 5.0 (m), the distance d 2 = 5.3 (m) shown in FIG. 1, and the sound speed at the time of measurement are Vs = 343.5. (M / sec) (temperature 20 degrees). Here, the frequency band of the transmitted sound wave 12 transmitted from the acoustic transmission source 11 is the resonance frequency of the irradiated object 1 (concrete specimen) at the position including the object 3 (circular defect) inside, and the object to be searched. 3 was set so as to include both the resonance frequencies of the irradiated object 1 at positions not including 3 inside. More specifically, the used multi-tone burst wave is D type, the frequency range is 1000 Hz to 4800 Hz, the frequency interval is 200 Hz, and the transmission interval of sound waves is 30 milliseconds. FIG. 10 shows the waveform of the multitone burst wave used in the example. Then, the arbitrary waveform generator 17 is set so that the acoustic transmission source 11 repeatedly transmits the transmitted sound wave 12 (burst group) covering the above frequency band a plurality of times. In this embodiment, element waveforms of five different frequencies are included in one burst group, and the above frequency range is covered by four burst groups. Then, the transmitted sound wave in the above frequency range (1000 Hz to 4800 Hz in the present example) was irradiated multiple times to one point of the measurement point. Specifically, in this example, as shown in FIG. 10, the burst group was repeatedly irradiated with 20 pieces, that is, averaged 5 times to the concrete specimen. As shown in FIG. 10, the time for irradiating one average burst group to one measurement point is about 0.12 seconds, and five averages, ie, 20 burst groups are irradiated to one measurement point. The time was about 0.6 seconds.
Similarly, the frequency range of the single tone burst wave used as a comparative example was 1000 Hz to 4800 Hz, the frequency interval was 200 Hz, and the sound wave transmission interval was 50 milliseconds. The waveform of the single-tone burst wave is as shown in FIG. 2 (b), and a total of 20 burst groups having different frequencies were irradiated onto the concrete specimen. As a result, the average irradiation was performed once. The time for irradiating 20 burst groups to one of the measurement points was about 1.0 seconds as shown in FIG. 2 (b).
振動エネルギーを用いた映像結果例を図１１に示す。同図に示す結果から、実施例および比較例のどちらも、ほぼ同程度の欠陥検出が出来たことがわかる。 An example of an image result using vibration energy is shown in FIG. From the results shown in the figure, it can be seen that both the example and the comparative example were able to detect almost the same defect.
また、振動エネルギー比で最大値を示した測定点＝９および円形欠陥中心部である測定点＝１３の振動速度スペクトルを図１２に示す。図１２（ａ）は、シングルトーンバースト波を照射したときの測定点＝９（振動エネルギー比最大）の振動速度スペクトルを示す。図１２（ｂ）は、シングルトーンバースト波を照射したときの測定点＝１３（欠陥部の中心）の振動速度スペクトルを示す。図１２（ｃ）は、マルチトーンバースト波を照射したときの測定点＝９（振動エネルギー比最大）の振動スペクトルを示す。そして図１２（ｄ）は、マルチトーンバースト波を照射したときの測定点＝１３（欠陥部の中心）の振動スペクトルを示す。 FIG. 12 shows the vibration velocity spectrum at the measurement point = 9 showing the maximum value in the vibration energy ratio and at the measurement point = 13 at the center of the circular defect. FIG. 12A shows a vibration velocity spectrum at measurement point = 9 (vibration energy ratio maximum) when a single tone burst wave is irradiated. FIG. 12B shows a vibration velocity spectrum at a measurement point = 13 (center of the defect portion) when a single tone burst wave is irradiated. FIG. 12C shows a vibration spectrum at measurement point = 9 (vibration energy ratio maximum) when the multitone burst wave is irradiated. FIG. 12D shows a vibration spectrum at measurement point = 13 (center of the defect portion) when the multitone burst wave is irradiated.
図１２各図に示す結果より、振動速度スペクトルの最大値はシングルトーンバースト波の方がやや大きいもののノイズレベルは同程度であり、計測時間の短縮化に起因するＳ／Ｎ比の悪化の影響はほぼないことが確認された。
なお、計測器１３で計測された振動速度を記録装置（図示せず）で記録する場合、一般的に測定点の１点ごとにデータ記録する必要があり、また１回のデータ記録にかかる遅延時間は約０．２秒程度である。したがって、実施例のようにマルチトーンバースト波を３５点に照射した場合の計測時間の合計は（０．６秒＋０．２秒）×３５点＝２８秒程度である。一方、シングルトーンバースト波を照射する比較例の場合、実施例と同様に５回のアベレージでシングルトーンバースト波を照射するには、アベレージ１回毎にデータ記録をする必要があるため、計測時間の合計は（１．０秒＋０．２秒）×５回×３５点＝２１０秒となる。したがって、実施例のようにアベレージ回数が複数回となるようにマルチトーンバースト波を連続して複数回繰り返して被照射体１に照射することにより、アベレージ１回ごとに行われるデータ記録の回数を減らし、もって計測時間を高速化することができる。具体的には同条件下のシングルトーンバースト波の７．５倍の高速計測が達成可能である。かかる高速化は、本実施例のように計測器１３にスキャニングレーザタイプのレーザドップラ振動計を用いる場合のみならず、シングルレーザタイプのレーザ振動計を用いる場合にも実現される。特に、上記実施形態で用いた計測器１３よりも高い出力のレーザドップラ振動計を用いた場合には、マルチトーンバースト波をアベレージ１回で照射するだけで同等の探査精度を実現することも可能になる。その場合には（０．１２秒＋０．２秒）×３５点＝１１．２秒となるので、同条件下のシングルトーンバースト波の１８．７５倍の高速計測が達成可能である。
From the results shown in FIGS. 12A and 12B, the maximum value of the vibration velocity spectrum is slightly larger in the single tone burst wave, but the noise level is the same, and the influence of the deterioration of the S / N ratio due to the shortening of the measurement time. It was confirmed that there is almost no.
When the vibration speed measured by the measuring instrument 13 is recorded by a recording device (not shown), it is generally necessary to record data for each measurement point, and a delay for one data recording. The time is about 0.2 seconds. Therefore, the total measurement time when 35 points of multitone burst waves are irradiated as in the embodiment is about (0.6 seconds + 0.2 seconds) × 35 points = 28 seconds. On the other hand, in the case of the comparative example that irradiates a single tone burst wave, in order to irradiate a single tone burst wave with five averages as in the embodiment, it is necessary to record data for each average. The total of (1.0 seconds + 0.2 seconds) × 5 times × 35 points = 210 seconds. Therefore, by irradiating the irradiated object 1 with a multi-tone burst wave continuously and repeatedly a plurality of times so that the number of averages becomes a plurality of times as in the embodiment, the number of data recordings performed for each average is reduced. This can reduce the measurement time and increase the measurement time. Specifically, a high-speed measurement 7.5 times that of a single-tone burst wave under the same conditions can be achieved. Such an increase in speed is realized not only when a scanning laser type laser Doppler vibrometer is used for the measuring instrument 13 as in this embodiment, but also when a single laser type laser vibrometer is used. In particular, when a laser Doppler vibrometer with a higher output than that of the measuring instrument 13 used in the above embodiment is used, it is possible to achieve the same exploration accuracy by simply irradiating a multi-tone burst wave once. become. In this case, since (0.12 seconds + 0.2 seconds) × 35 points = 11.2 seconds, a high-speed measurement 18.75 times that of the single tone burst wave under the same conditions can be achieved.
以上説明したように、本実施形態の探査システム１０によれば、非接触音響探査法のＳ／Ｎ比を維持したまま、計測速度を飛躍的に改善するマルチトーンバーストおよび周波数ゲートが実現される。このことが、円形供試体を用いた実施例の実験結果から確認された。 As described above, according to the exploration system 10 of the present embodiment, a multitone burst and a frequency gate that dramatically improve the measurement speed while maintaining the S / N ratio of the non-contact acoustic exploration method are realized. . This was confirmed from the experimental results of the example using the circular specimen.
上記実施形態は以下の技術思想を包含するものである。
探査対象物を内部に含む被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数の計測箇所において振動速度を計測して前記探査対象物の位置を判断する非接触音響探査システムであって、
前記送波音波を所定の送波時間間隔（Ｔ０）ごとに送出する音響発信源と、
前記被照射体の前記表面の振動速度を計測する計測器と、
得られた振動速度の計測結果を用いて、前記探査対象物が存在する部位と存在しない部位とを特定する解析装置と、を有し、
前記送波時間間隔（Ｔ０）が、前記送波音波が前記音響発信源より送出されてから前記被照射体の前記表面で反射して前記計測器に到達するまでの反射到達時間（Ｔ２）よりも長く、かつ前記反射到達時間と前記送波音波の時間長（Ｔ１）との和（Ｔ２＋Ｔ１）よりも短いことを特徴とする非接触音響探査システム。
The above embodiment includes the following technical idea.
Irradiate the surface of the irradiated object including the exploration target with a transmitted sound wave to vibrate the irradiated object, and determine the position of the exploration target by measuring vibration speed at a plurality of measurement points on the surface. A non-contact acoustic exploration system,
An acoustic transmission source for transmitting the transmitted sound wave at predetermined transmission time intervals (T 0 );
A measuring instrument for measuring the vibration speed of the surface of the irradiated object;
Using the measurement result of the obtained vibration velocity, and having an analysis device that identifies a site where the search object exists and a site that does not exist,
The transmission time interval (T 0 ) is a reflection arrival time (T 2 ) from when the transmitted sound wave is transmitted from the acoustic transmission source until it is reflected by the surface of the irradiated object and reaches the measuring instrument. ), And shorter than the sum (T 2 + T 1 ) of the reflection arrival time and the time length (T 1 ) of the transmitted sound wave.
１ 被照射体
３ 探査対象物
１０ 探査システム
１１ 音響発信源
１２ 送波音波
１２ａ〜１２ｃ 目的信号
１３ 計測器
１５ コンピュータ
１７ 任意波形発生装置
１９ アンプ
１２１ 直接音波
１２２ 反射音波
１３１ 観察波
１５１ 解析装置
１５２ 制御装置
１５３ 表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Irradiated body 3 Search object 10 Search system 11 Acoustic transmission source 12 Transmission sound wave 12a-12c Target signal 13 Measuring instrument 15 Computer 17 Arbitrary waveform generator 19 Amplifier 121 Direct sound wave 122 Reflected sound wave 131 Observation wave 151 Analysis apparatus 152 Control Display unit of device 153
Claims (8)
前記送波音波を所定の送波時間間隔（Ｔ０）ごとに送出する音響発信源と、
前記被照射体の前記表面の振動速度を計測する計測器と、
得られた振動速度の計測結果を用いて、前記探査対象物が存在する部位と存在しない部位とを特定する解析装置と、を有し、
前記音響発信源が前記送波時間間隔（Ｔ０）ごとに送出する各回の前記送波音波が、当該送波音波が前記音響発信源より送出されてから前記被照射体の前記表面で反射して前記計測器に到達するまでの反射到達時間（Ｔ２）よりも短い時間長（Ｔａ）であり、かつ複数の異なる周波数の送波信号を順次に含むことを特徴とする非接触音響探査システム。 Irradiate the surface of the irradiated object including the exploration target with a transmitted sound wave to vibrate the irradiated object, and determine the position of the exploration target by measuring vibration speed at a plurality of measurement points on the surface. A non-contact acoustic exploration system,
An acoustic transmission source for transmitting the transmitted sound wave at predetermined transmission time intervals (T 0 );
A measuring instrument for measuring the vibration speed of the surface of the irradiated object;
Using the measurement result of the obtained vibration velocity, and having an analysis device that identifies a site where the search object exists and a site that does not exist,
Each time the transmitted sound wave transmitted by the acoustic transmission source at every transmission time interval (T 0 ) is reflected on the surface of the irradiated object after the transmitted sound wave is transmitted from the acoustic transmission source. A non-contact acoustic exploration system having a time length (Ta) shorter than a reflection arrival time (T 2 ) until reaching the measuring instrument and sequentially including a plurality of transmission signals having different frequencies .
前記音響発信源が、前記周波数帯域をカバーする前記送波音波を複数回繰り返して送出する請求項１から７のいずれか一項に記載の非接触音響探査システム。 The frequency band of the transmitted sound wave transmitted by the acoustic transmission source includes a resonance frequency of the irradiated object at a position including the search object and a position of the irradiated object at a position not including the search object. Including both resonant frequencies,
The non-contact acoustic exploration system according to claim 1, wherein the acoustic transmission source repeatedly transmits the transmitted sound wave covering the frequency band a plurality of times.
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