JP4050470B2 - 超音波探知装置及びそれを使用した超音波探知方法 - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は超音波を使用してコンクリート材等の内部欠陥等を検出する際等に使用される超音波探知装置及びそれを使用した超音波探知方法に関し、特に、コンクリート材内に配設された鉄筋及びひび割れの深さ、コンクリート厚並びに空隙等の探知を正確且つ高速に行うことができる超音波探知装置及びそれを使用した超音波探知方法に関する。
【背景技術】
【0002】
コンクリート材はセメントと径が1乃至3mm程度の粗骨材との複合構造物であり、コンクリート材内を伝播する超音波は、粗骨材とセメントとの界面で反射、屈折及びモード変換を繰り返しながら散乱する。
【0003】
このため、超音波がコンクリート材内部で拡散し、超音波の指向方向における強度が大きく減衰しやすい。この減衰の程度は超音波が高周波になるほど加速度的に大きくなる。
【0004】
また、たて波又はよこ波等の超音波をコンクリート材の表面から入力した場合には、相対的に勢力が大きな夫々よこ波又はたて波並びに直接波がコンクリート材の内部に入力されたたて波又はよこ波等と共存する。また、コンクリート材の表面には勢力が大きな表面波が生じる。
【0005】
これらの現象により、従来、コンクリート材及び多孔質材等において超音波による内部探知が困難なものとなっていた。
【0006】
しかし、近時、超音波による内部探知方法が改良され、種々の条件を満たせば、コンクリート版の厚さ計測及び内部の空隙等の探知が探知深度20乃至50cm程度で可能な場合がある。この探知の条件を以下に示す。
【0007】
第1に100乃至500kHz程度の共振振動数をもつ超音波発信探触子及び受信探触子を使用することが必要である。第2に振動子の直径が50乃至70mm程度の大きい探触子を使用することが必要である。第3にステップ型の電圧を、従来使用されているパルス型の電圧の替わりに探触子内のセラミック振動子等に印加することが必要である。
【0008】
図68(a)はパルス型電圧を示すグラフ図、(b)はパルス型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、(c)はパルス型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。また、図69(a)はステップ型電圧を示すグラフ図、(b)はステップ型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、(c)はステップ型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。これらのグラフ図は、パルス型電圧及びステップ型電圧の値を50乃至500Vとしたときのものである。パルス型電圧とステップ型電圧とでスペクトル及び時系列波形に相違が見られる。なお、図68(b)及び図69(b)におけるピークの振動数が振動子の共振振動数であり、図68(c)及び図69(c)における時系列が発信超音波を示している。
【0009】
ここで、共振振動数が1MHz、振動子径が56mmの超音波探触子を使用し、図69(a)に示すステップ型電圧を印加するコンクリート材の従来の測定方法について説明する。図70は被探知材であるコンクリート版を示す模式図である。
【0010】
被探知材であるコンクリート版41の厚さは20cmであり、このコンクリート版41には径が2mm程度の細石が粗骨材として含まれている。また、コンクリート版41内の気泡は比較的少ない。更に、この測定方法では、探触子42が受信探触子及び発信探触子として機能する1探触子法計測とする。図71は横軸に時刻をとり、縦軸に振幅をとって、上述の条件下で得られた反射波を示すグラフ図である。
【0011】
図71においてピーク43aがコンクリート版の底面からのたて波反射波43を示している。ピーク43aは顕著であり、前述の条件でコンクリート版の厚さ測定が可能であるといえる。
【0012】
一般に、種々の測定例によれば、コンクリート版41のように、その表面積と比してその厚さが比較的薄い場合には、その隅部からのコーナー反射波44及び表面波45の反射波が小さいため、前述のような条件で厚さが50cm程度の版まで厚さ測定が可能となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
しかしながら、経年変化を受けているコンクリート版においては、その底面からの反射波の起生を確認することが困難な場合が多い。同様に、コンクリート版が平版ではなくその隅部からのコーナー反射波及び表面波の反射波が大きい場合及びコンクリート版内部の気泡が多い場合等にも、底面からの反射波の起生を確認することが困難な場合が多い。
【0014】
例えば、以下のような場合に厚さの測定が困難となる。図72は被探知材であるコンクリート柱を示す図であって、(a)は切り出し前を示す模式図、(b)は切り出し後を示す模式図である。
【0015】
ここでは、長手方向に垂直な断面における一辺の長さが30cm、他の一辺の長さが50cmであるコンクリート柱51を作製した。このコンクリート柱51の内部には、径が1乃至10mm程度の気泡を大量に生じさせている。また、含有される粗骨材の割合は、径が5mmより大きく1cm未満のものを30重量%、1cmより大きく2cm未満のものを40重量%、2cmより大きいものを40重量%ととした。そして、このコンクリート柱51から高さが50cmのコンクリート材51aを切り出した。
【0016】
探触子52を幅が50cmである面の中心Aに配置して厚さ計測を行う場合について説明する。図73は探触子52を中心Aに配置して厚さ計測を行った場合に生じる波を示す模式図である。
【0017】
探触子52を中心Aに配置してたて波超音波をコンクリート材51aの表面から直下に入力すると、図73に示すように、底面からの反射波53の他にコーナー反射波54、直接波55、表面波56並びに強度が小さいたて波57が中心Aに戻ってくる。従って、中心Aにおける受信波は波53乃至57の重畳波となり、図71に示したような底面からの反射波のピークを判別することが困難となる。
【0018】
実際に種々の振動子を使用し500Vのステップ型電圧を印加して計測を行った場合の結果を図示する。図74(a)は共振振動数が2.5MHz、直径が20mmの振動子を使用する発信探触子による計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、(b)は共振振動数が500kHz、直径が40mmの振動子を使用する発信探触子による計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、(c)は共振振動数が500kHz、直径が70mmの振動子を使用する発信探触子による計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、受信探触子には、共振振動数が2.5MHz、直径が20mmの振動子を用いた。図74(a)乃至(c)においては、横軸の104μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の205μ秒は発信時刻から101μ秒が経過していることを示している。
【0019】
これらの計測では、2探触子法を採用し発信探触子と受信探触子とを相互に極めて近い位置に配置した。図74(a)乃至(c)において、破線が示す時刻がコンクリート材51aの底面からの反射波53の理論的起生時刻であるが、これらの時系列波形では、この時刻を図72(b)に示す反射波53の起生時刻と特定することはできない。従って、このような場合には、コンクリート材51aの厚さを測定することができない。
【0020】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、幅が狭く厚さが厚いコンクリート材の厚さ、鉄筋かぶり厚及びその径並びにひび割れ深さ等を精度よく探知することができる超音波探知装置及びそれを使用した超音波探知方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0022】
本発明に係る第1の超音波探知装置は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて0からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有し、前記発信探触子及び受信探触子は、前記被探知体の表面上を移動しながら、前記超音波の発信及び受信を行うものであることを特徴とする。
【0023】
本発明においては、加算平均器により超音波の受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均が1回の探知当たり1000回以上行われるので、位相が変化している波は徐々に打ち消し合い、位相が実質的に変化していない波のみが強め合って残存する。従って、所望の波の位相が実質的に変化しない条件で測定を行えば、幅が狭く厚さが厚いコンクリート材の厚さ等でも高い精度で探知することが可能である。また、加算平均器により直接加算平均が行われているため、専用のソフトウェア等による処理は少ないので、その処理速度は速い。例えば、4000回までの加算平均が加算平均器により処理され、これ以上の加算平均がソフトウェアで行われる場合であって10000回の加算平均が必要な場合には、4000回、4000回、2000回の加算平均が加算平均器により処理され、これらから得られた結果がソフトウェアにより処理される。
【0025】
本発明に係る第2の超音波探知装置は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記被探知体の表面上を移動しながらステップ型電圧に基づいて0からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信すると共に前記超音波を受信して電気信号に変換する共用探触子と、前記電気信号に基づいて前記共用探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有することを特徴とする。
【0026】
本発明に係る第3の超音波探知装置は、コンクリートからなる構造体内にこの構造体の表面に平行に埋め込まれた複数の鉄筋を探知する超音波探知装置において、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて0からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、複数の前記狭帯域成分波を比較表示する表示手段と、を有し、前記構造体の表面に前記鉄筋が延びる方向と平行な方向に延びる複数本の測線を等間隔に設定し、この複数本の測線の夫々において、前記発信探触子及び前記受信探触子を同一の前記側線上に相互間の距離が一定になるように配置して前記加算平均波の算出を行うことにより、複数の前記加算平均波を取得し、前記抽出手段がこの複数の加算平均波から複数の前記狭帯域成分波を抽出し、前記表示手段がこの複数の狭帯域成分波を比較表示するものであることを特徴とする。
【0027】
本発明に係る第1の超音波探知方法は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において発信探触子及び受信探触子を夫々移動させながら、前記発信探触子にステップ型電圧に基づいて0から前記発信探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記受信探触子に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記受信探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする。
【0028】
本発明においては、超音波を発信する発信探触子及び超音波を受信する受信探触子を被探知材表面の所定の領域内で移動させながら複数回の超音波の発信及び受信を行っているので、位相が変化する受信波と変化しない受信波とが存在する。そして、超音波の受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均を行っているので、位相が変化した受信波を徐々に消滅させ、位相が変化しない受信波のみを残存させることが可能である。このため、不用な受信波を消滅させ、所望の受信波のみを取り出すことが可能である。
【0029】
本発明に係る第2の超音波探知方法は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において共用探触子を移動させながら、前記共用探触子にステップ型電圧に基づいて0から前記共用探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記共用探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする。
【0031】
本発明によれば、超音波の受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均を行う加算平均器を設けているので、加算平均により位相が実質的に変化していない波のみを取り出すことができる。従って、所望の波の位相が実質的に変化しない条件で測定を行えば、幅が狭く厚さが厚いコンクリート材の厚さ、鉄筋かぶり厚及びその径並びにひび割れ深さ等でも高い精度で探知することができる。更に、加算平均器により直接加算平均が行われるため、専用のソフトウェア等は不要であり速い速度で処理を行うことができる。
【0032】
また、本発明方法によれば、超音波を発信する発信探触子及び超音波を受信する受信探触子を被探知材表面の所定の領域内で移動させながら複数回の超音波の発信及び受信を行い、受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均を行っているので、不用な受信波を消滅させ、所望の受信波のみを取り出すことができる。更に、探触子間隔毎の加算平均の加算平均をとることにより、より過酷な条件においても精度が高い探知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0033】
【図1】本発明の実施例に係る超音波探知装置を示すブロック図である。
【図2】1探触子法が採用された例を示す模式図である。
【図3】本発明の第1の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。
【図4】(a)乃至(c)は第1の実施例方法による計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図5】コンクリート材51aの幅の計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。
【図6】本発明の第2の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。
【図7】第2の実施例方法による計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図8】ひび割れ深さの計測例における被探知材を示す図であって、(a)は斜視図、(b)は平面図、(c)は(b)のA−A線による断面図、(d)は(b)のB−B線による断面図である。
【図9】(a)乃至(c)はひび割れ深さの計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図10】(a)及び(b)は一方の探触子の移動方法を示す模式図である。
【図11】異形鉄筋の深さ計測例における被探知材を示す断面図である。
【図12】探触子33a及び33bを定点Cの両側に固定したまま計測を行ったときに得られたスペクトルを示すグラフ図である。
【図13】(a)及び(b)は異形鉄筋の深さの計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図14】C2 n・Y1,1のフィルタリング処理により得られたスペクトルを示すグラフ図である。
【図15】(a)及び(b)は図14に示すスペクトルに対応する時系列波形を示すグラフ図である。
【図16】異形鉄筋における超音波の径路を示す図であって、(a)は側面図、(b)は(a)のC−C線による断面図である。
【図17】円形鉄筋において円周方向に沿って伝達する超音波を示す模式図である。
【図18】(a)及び(b)はひび割れが形成されていないコンクリート材から得られる時系列波形を示すグラフ図である。
【図19】ひび割れが形成されていないコンクリート材中での超音波の伝達径路を示す模式図である。
【図20】同じく、ひび割れが形成されていないコンクリート材中での超音波の伝達径路を示す模式図である。
【図21】本発明の第3の実施例における治具を示す模式図である。
【図22】 加算平均yDk(t)と加算平均yDk+1(t)との間で任意の振動数の成分が1周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、(a)は加算平均yDk(t)を示す模式図、(b)は加算平均yDk+1(t)を示す模式図、(c)はこれらの加算平均fyave(t)を示す模式図である。
【図23】加算平均yDk(t)と加算平均yDk+1(t)との間で任意の振動数の成分が1/2周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、(a)は加算平均yDk(t)を示す模式図、(b)は加算平均yDk+1(t)を示す模式図、(c)はこれらの加算平均f/2yave(t)を示す模式図である。
【図24】図72(b)に示すA’−B’間の計測を2探触子法を採用して測定した場合に生じる波の伝達を示す模式図である。
【図25】2種の治具を使用し加算平均を行った場合に得られた波を示す図であって、(a)はフーリエスペクトルを示すグラフ図、(b)は時系列波を示すグラフ図である。
【図26】治具D2のみを使用した場合に得られた波を示す図であって、(a)はフーリエスペクトルを示すグラフ図、(b)は時系列波を示すグラフ図である。
【図27】130kHzを中心周波数とした場合に得られる波を示す図であって、(a)はフーリエスペクトルを示すグラフ図、(b)は時系列波を示すグラフ図である。
【図28】振動数fiと基準化された振幅との関係を示すグラフ図である。
【図29】探知対象である鉄筋が埋め込まれたコンクリート材を示す断面図である。
【図30】図73に示す異形鉄筋82の探知の際に生じる波の伝達を示す模式図である。
【図31】振動数成分を2fBとし、2種の治具を使用したときの波を示す図であって、(a)は短い探触子間隔で得られる加算平均yD1(t)を示す模式図、(b)は長い探触子間隔で得られる加算平均yD2(t)を示す模式図、(c)はこれらの加算平均yave(t)を示す模式図である。
【図32】取り出しに使用した中心周波数が590kHzの周波数成分のフーリエスペクトルを示すグラフ図である。
【図33】各計測位置における時系列波形を示す模式図である。
【図34】各治具における探触子間隔を示す模式図である。
【図35】4つの治具を使用したときに得られた時系列波形を示すグラフ図である。
【図36】(a)はピーク92に該当する起生波を示す模式図、(b)はピーク93に該当する起生波を示す模式図、(c)はピーク94及び96に該当する起生波を示す模式図、(d)はピーク64に該当する起生波を示す模式図である。
【図37】入力超音波から1100kHzを中心周波数として取り出した広帯域周波数成分の時系列波を示すグラフ図である。
【図38】(a)乃至(d)は各治具を使用したときに得られる波を示す模式図であり、(e)はこれらの加算平均を示す模式図である。
【図39】数式20による加算平均の手順を示す図である。
【図40】スペクトルの変化を示すグラフ図である。
【図41】スペクトルBa5とa5を示すグラフ図である。
【図42】発信探触子及び受信探触子ともに、共振振動数を500kHz、振動子径を40mmとして得た加算平均波を示すグラフ図である。
【図43】図42の加算平均波に数式52及び数式53を適用し、下記数式55に示す周波数を中心周波数として取り出した成分波を示すグラフ図である。
【図44】(a)乃至(d)は、計測治具を用いないで接触子を走査する種々の方法を示す模式図である。
【図45】たて波探触子の一般的形状を示す断面図である。
【図46】コンクリート面より直下にたて波超音波を入力したときの伝達の様子を示す模式図である。
【図47】図72のコンクリートモデルで図44(b)に示す走査法による測定結果を示すグラフ図である。
【図48】探知を邪魔する妨害波と版厚などの探知目標波のスペクトルを比較して示すグラフ図である。
【図49】図42の200kHzの中心周波数成分波である波に3回乗じた結果を示すグラフ図である。
【図50】fD=65kHzを中心周波数とした成分波の取り出し結果を示すグラフ図である。
【図51】測定したコンクリートモデルを示す模式的断面図である。
【図52】190kHzを中心周波数として取り出した各計測点での成分波を示すグラフ図である。
【図53】図52の各成分波に10回乗じた波において、成分波の取り出し中心周波数をフィルタ処理で移行していく過程で得られた1例を示すグラフ図である。
【図54】測定3での200kHz成分波を示すグラフ図である。
【図55】中心周波数を徐々に高周波側へ掃引していった成分波の内680kHzとしたときの成分波の増幅表示である。
【図56】1MHzを中心周波数とする成分波を示すグラフ図である。
【図57】経年変化を受けたコンクリート材における種々の波の伝達を示す模式図である。
【図58】臨界屈折波による経路を示す模式図である。
【図59】ひび割れが表面に形成されているコンクリート材における鉄筋の探知方法を示す模式図である。
【図60】打設後5年間乾燥させたまま放置したコンクリート材を示す図であって、(a)は平面図、(b)は(a)のD−D線による断面図、(c)は(a)のE−E線による断面図である。
【図61】計測位置P28における受信波を示す図であって、(a)は電気的雑音及び外乱の除去を行わなかった場合を示すグラフ図、(b)はこれらの除去を行った場合を示すグラフ図である。
【図62】120kHzを中心周波数とするフーリエスペクトルを示すグラフ図である。
【図63】電気的雑音等を除去したときに各計測位置において得られた時系列波を示す模式図である。
【図64】同じく、電気的雑音等を除去したときに各計測位置において得られた時系列波を示す図であって、図63の目盛りを変更して示す模式図である。
【図65】計測位置P23及びP25における屈折波の伝達径路を示す模式図である。
【図66】種々の径路における起生順序を示す模式図である。
【図67】(a)は加算平均波yA(t)を示す模式図、(b)は加算平均波yB(t)を示す模式図である。
【図68】(a)はパルス型電圧を示すグラフ図、(b)はパルス型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、(c)はパルス型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。
【図69】(a)はステップ型電圧を示すグラフ図、(b)はステップ型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、(c)はステップ型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。
【図70】被探知材であるコンクリート版を示す模式図である。
【図71】従来の測定方法により得られた反射波を示すグラフ図である。
【図72】被探知材であるコンクリート柱を示す図であって、(a)は切り出し前を示す模式図、(b)は切り出し後を示す模式図である。
【図73】探触子52を中心Aに配置して厚さ計測を行った場合に生じる波の伝達を示す模式図である。
【図74】(a)乃至(c)は従来の探知方法による結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0034】
以下、本発明の実施例に係る超音波探知装置について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は本発明の実施例に係る超音波探知装置を示すブロック図である。
【0035】
本実施例に係る超音波探知装置には、ステップ型電圧を外部に印加するステップ型電圧発生器1、このステップ型電圧発生器1から印加されたステップ型電圧を受け被探知材に超音波を発信する発信探触子2a、被探知材内部からの反射波等を受信しこれを電気信号に変換する受信探触子2b、この受信探触子2bにより得られた電気信号を解析する解析装置4及びこの解析装置4による解析結果及びステップ型電圧発生器1により発生されたステップ型電圧の波形を表示する表示装置5が設けられている。
【0036】
ステップ型電圧発生器1には、ステップ型電圧を発生するステップ電圧発生回路1a、制御された間隔でステップ電圧発生回路1aに電流を供給する電流供給回路1b及びステップ型電圧をステップ型電圧発生器1の外部に送り出すステップ電圧駆動回路1cが設けられている。なお、ステップ型電圧発生回器1からは、例えば500Vのステップ型電圧が発生される。
【0037】
また、解析装置4には、受信された電気信号を増幅するアンプ回路4a、増幅された信号にフィルタをかけるフィルタ回路4b、フィルタをかけられた信号を変換するアナログ/デジタルコンバータ(ADC)4c、ゲートアレイ(加算平均器)4d及び中央処理装置(CPU)4eが設けられている。ゲートアレイ4dは受信波の加算平均を受信毎に行うものである。
【0038】
更に、電流供給回路1bの電流供給間隔、アンプ回路4aのアンプレンジ、フィルタ回路4bの動作、ADC4cの収録インターバル及び収録データ長並びにゲートアレイ4dの加算回数の各制御を行うコントロール回路4fが解析装置4に設けられている。なお、コントロール回路4fはCPU4e又は外付けのノート型パーソナルコンピュータにより制御される。
【0039】
なお、図1に示す本実施例に係る超音波探知装置では2探触子法で表現しているが、1探触子法を採用してもよい。図2は1探触子法が採用された例を示す模式図である。この場合には、1個の探触子6が発信探触子及び受信探触子として機能する。
【0040】
また、コンクリート材等の多孔質材の厚さ及び鉄筋等の検知においては、超音波がその内部で大きく減衰し、受信波に含まれる探知目標からの反射波が微弱となりやすい。このため、超音波探知装置は、電気的雑音、特に定常的な雑音が極力混入しない構成となっていることが好ましい。
【0041】
そこで、ステップ型電圧発生器1内の電圧発生回路1a及び電圧駆動回路1cを極めて小さなサイズに基版化し、これらを電圧発生器1内ではなく発信探触子2a内に組み込ませることが好ましい。これにより、高電圧駆動時に解析装置4内への電気的雑音の混入が除去される。
【0042】
更に、受信探触子2bにより受信され電気信号(電圧)に変換された波は微弱である。このため、発信探触子2aと解析装置4との間で混入する電気的雑音が受信波のSN比に大きく影響する。
【0043】
そこで、解析装置4内のアンプ回路4aを極めて小さなサイズに基版化し、これを解析装置4内ではなく受信探触子2b内に組み込ませることが好ましい。
【0044】
このように、より一層高い測定精度を得るためには、電圧発生回路1a及び電圧駆動回路1cを発信探触子2a内に、アンプ回路4aを受信探触子2b内に組み込むことが好ましい。
【0045】
次に、上述の探知装置を使用した本発明の第1の実施例方法について説明する。第1の実施例方法においては、図72(b)における中心Aを中心とする半径5乃至7cmの円領域内で発信探触子2a/受信探触子2b対を任意に移動させる。図3は本発明の第1の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。なお、図3において、実線のハッチングが施されたものは直径が20mmの発信探触子2aを示し、破線のハッチングが施されたものは直径が20mmの受信探触子2bを示している。そして、2点鎖線で結ばれた対をなす探触子が、ある瞬間における各探触子を示している。
【0046】
第1の実施例方法においては、図1に示す超音波探知装置を使用し、図3に示すように各探触子2a及び2bの位置を所定の円領域7内で変化させながら極めて多くの計測、例えば10000回の計測を行うものである。このとき、各探触子2a及び2bの超音波発信面及び受信面は常にコンクリート材51aの表面に接している必要がある。従って、計測領域には予め超音波伝達媒質として油等を塗布しておく必要がある。
【0047】
本実施例方法により図72(b)に示すコンクリート材51aの厚さ計測を行った場合、図73におけるコーナー反射波54、直接波55、表面波56並びに強度が小さいたて波の弱波57の伝達距離は、各探触子2a及び2bの位置の変化に伴い変動する。その一方、探知目標であるコンクリート材51aの底面からのたて波反射波53の径路長は、発信探触子2aと受信探触子2bとの間の距離が十分短ければ、変動しないものとみなすことができる。
【0048】
従って、各探触子2a及び2bの位置が変化する毎に波54乃至57の位相は変化するが、反射波53の位相は実質的に変化しない。たとえ反射波53の位相が変化しているとしても、低周波の超音波ではその変化量は無視できる程度のものである。このため、図3に示すように、各探触子2a及び2bの位置を変化させながら計測を行って受信波ωi(t)を得た後、数多くの計測を加算平均すれば、波54乃至57による振幅は小さくなり、探知目標である反射波53の振幅が大きくなる。従って、容易に反射波53の起生を確認することができる。なお、図には示さないが、受信される波の中に多数の散乱波も混入しているが、これら散乱波の起生は探触子の位置に対して非定常であることより、この加算平均で散乱波も除去される。m回の加算平均は下記数式1で表される。
【0049】
【数1】 【0050】
なお、計測回数が10又は100回程度では、波54乃至57の振幅減少が十分ではないので、反射波53の起生の確認は困難である。多くの計測によれば1000回程度以上の計測が必要である。このように膨大な数の計測波の加算平均をとることにより、コンクリート柱及び梁材等の厚さを計測することができるのであるが、この計算はできるだけ高速であることが望ましい。
【0051】
そこで、本実施例方法においては、ゲートアレイ4dを使用し、上述の加算平均をCPU4e又は図示しない外付けノート型パーソナルコンピュータの制御により行っている。この場合、ステップ型電圧発生器1により1.5乃至10m秒のいずれかの間隔でステップ型電圧を発信探触子に印加させる。そして、例えば10000回のステップ型電圧を印加させている間に各探触子2a及び2bを移動させ、受信毎に加算平均をとる。
【0052】
なお、例えば1.5m秒の間隔でステップ型電圧を印加し10000回の加算平均をとる場合に必要な時間はわずか15秒間程度であり、十分に実用的である。そして、この加算時間は短ければ短いほど好ましい。従って、予め設定された所定の回数、例えば1000回毎に、その時点での加算平均を示す波形を表示装置5に表示させ、探知目標からの反射波の起生を確認できたときにオペレータの判断により、計測及び加算平均の計算を終了させてもよい。
【0053】
前述のような方法により、共振振動数が2.5MHz又は500kHzの発信探触子を使用し10000回の加算平均をとった場合の測定結果について説明する。ここでは、発信探触子中の振動子の直径は、共振振動数が2.5MHzの場合には20mm、共振振動数が500kHzの場合には40又は70mmとしており、受信探触子中の振動子の直径はいずれの場合も20mmであり、その共振振動数は2.5MHzである。また、ステップ型電圧の大きさは500Vである。図4は第1の実施例方法による計測結果を示す図であって、(a)は共振振動数が2.5MHz、直径が20mmの発信探触子を使用して計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、(b)は共振振動数が500kHz、直径が40mmの発信探触子を使用して計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、(c)は共振振動数が500kHz、直径が70mmの発信探触子を使用して計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、図4(a)乃至(c)においては、横軸の104μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の205μ秒は発信時刻から101μ秒が経過していることを示している。
【0054】
図4(a)乃至(b)において、破線が示す時刻がコンクリート材51aの底面の中心Bからの反射波53の起生時刻であり、この時刻でたて波反射波のピークが明敏に浮かび上がっている。図4(a)においては、発信時刻から142.3μ秒経過した時刻に反射波を示すピークが現れており、図4(b)及び(c)においては、発信時刻から141.3μ秒経過した時刻に反射波を示すピークが現れている。従って、前者によるコンクリート材の厚さは下記数式2で表され、後者によるコンクリート材の厚さは下記数式3で表される。但し、このモデルのコンクリート材中のたて波超音波の伝播速度を4.3mm/μ秒としている。
【0055】
【数2】 【0056】
【数3】 【0057】
このように、低周波の超音波を使用した後者の方がより実値である30cmに近い値が得られたが、小径の振動子を使用し比較的高周波の超音波を発信した前者においても2%程度の誤差で測定を行うことができた。
【0058】
なお、第1の実施例方法では発信探触子と受信探触子とを相互に極近傍に配置させて計測を行っているが、図2に示すような1個の探触子6が発信探触子及び受信探触子として機能する1探触子法を採用してもよい。この場合、コンクリート材の厚さ測定を行うのであれば、その底面からの反射波の径路長は変化せず、2探触子法を採用した場合と同様に、探知目標である反射波の起生を容易に特定することができる。
【0059】
但し、これまでの本発明の第1の実施例方法によっても反射波の特定が困難な場合がある。例えば、図72(b)に示すコンクリート材において、探触子52’を幅が30cmである面の中心A’に配置して厚さ計測を第1の実施例に基づいて行う場合、探知目標である反射波の特定は困難となる。図5はコンクリート材51aの幅(50cm)の計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、この計測では、共振振動数が500kHz、振動子の直径が40mmの発信探触子及び共振振動数が2.5MHz、振動子の直径が20mmの受信探触子を使用し、ステップ型電圧の大きさを500Vとした。また、加算平均の回数は10000回とした。即ち、図4(b)における計測と同じ条件である。なお、図5においては、横軸の104μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の205μ秒は発信時刻から101μ秒が経過していることを示している。
【0060】
図5において、破線が示す時刻がコンクリート材51aの側面の中心B’からの反射波53’の理論的起生時刻であるが、図4(b)とは異なり、この時系列波形では、この時刻を反射波53’の起生時刻と特定することは困難である。
【0061】
これは、中心Aでの計測と中心A’での計測とでは、探触子が配置される面の幅が前者で50cm、後者で30cmであり、計測対象である厚さが前者で30cm、後者で50cmだからである。探触子が配置される面の幅が小さくなるか、又は測定対象である厚さが大きくなると、直接波、表面波及びコンクリート表面のたて波弱波の勢力が相対的に大きくなり、これらの波と探知目標である反射波とが重畳しやすくなる。更に、コーナー反射波と底面からの反射波とが実質的に同一の時刻に受信される。このため、同一の探知装置を使用し同様の方法により計測を行った場合であっても、測定可能なものと測定不可能なものとが生じるのである。
【0062】
そこで、本発明の第2の実施例方法においては、発信探触子と受信探触子とを相互に異なる所定の領域内で移動させる。図6は本発明の第2の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。なお、図6において、2点鎖線で結ばれた対をなす探触子が、ある瞬間における各探触子を示している。図6においては、発信探触子12aの直径の方が受信探触子12bのそれよりも大きいが、それらが同等であってもよく、発信探触子12aの方が小さくてもよい。
【0063】
第2の実施例方法においては、図6に示すように発信探触子12aの位置をだ円領域11a内で連続的に変化させ、受信探触子12bの位置をだ円領域11b内で連続的に変化させながら極めて多くの計測、例えば10000回の計測を行う。なお、だ円領域11aとだ円領域11bとの中心間距離Lは、例えば15cmである。このとき、第1の実施例方法と同様に、被探知材の表面に予め超音波伝達媒質として油等を塗布しておく必要がある。
【0064】
そして、第1の実施例方法と同様に、図1に示す探知装置を使用して、発信探触子へのステップ型電圧の印加毎に受信波を収録し、ゲートアレイ4dに自動的に加算平均の計算を行わせる。
【0065】
実際に探触子を使用し500Vのステップ型電圧を印加して第2の実施例に基づいて計測を行った場合の結果を図示する。図7は第2の実施例方法による計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。なお、図7においては、横軸の104μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の205μ秒は発信時刻から101μ秒が経過していることを示している。
【0066】
図7において、破線が示す時刻がコンクリート材51aの側面の中心B’からの反射波53’の起生時刻であり、この時刻でたて波反射波のピークが明敏に浮かび上がっている。そして、発信時刻から237.3μ秒経過した時刻に反射波53’を示すピークが現れており、これから得られるコンクリート材の幅は51.0cmである。従って、2%程度の誤差で測定を行うことができる。
【0067】
なお、第2の実施例においては、発信探触子又は受信探触子の位置が変化する領域をだ円領域としているが、その領域は円領域又は長方形領域であってもよい。但し、本実施例における被探知材のように、探触子が配置される面の幅が狭い場合には、当該幅に直交する方向を短軸方向又は短辺方向とするだ円領域又は長方形領域とすることにより、極めて良好な測定を行うことが可能である。また、その領域をどのような領域とするかは、探知目標及び計測法(1探触子法、2探触子法)によって決定することができる。更に、だ円領域又は長方形領域とする場合には、その長手方向を被探知材のいずれの方向に向けるかは、その形状及び配筋方向等によって決定することができる。
【0068】
なお、第1及び第2の実施例方法においては、コンクリート材の厚さ計測について説明したが、コンクリート材内部の空隙、ひび割れ深さ又は鉄筋の探知等に本発明を適用することも可能である。
【0069】
次に、実際のひび割れ深さの計測例について説明する。図8はひび割れ深さの計測例における被探知材を示す図であって、(a)は斜視図、(b)は平面図、(c)は(b)のA−A線による断面図、(d)は(b)のB−B線による断面図である。
【0070】
被探知材であるコンクリート塊21は、厚さが30cm、他の2辺の長さが50cmの直方体形状を有している。その内部には、直径が19mmの貫通鉄筋22が表面又は裏面から5cm離れた深さに15cmの間隔で総計6本埋め込まれている。また、幅が1mm程度のひび割れ23が15cmの深さに形成されている。
【0071】
上述のようなコンクリート塊21におけるひび割れ23の深さの計測では、共振振動数が2.5MHz、振動子径が20mmの2個の探触子12a及び12bをひび割れ23を挟むように、且つ2本の貫通鉄筋22の中間に配置した。また、ステップ型電圧は500Vとし、発信探触子12aにこのステップ型電圧を5m秒の間隔で連続して印加した。つまり、5m秒ごとに超音波をコンクリート塊21の表面から直下へと入力した。このとき、移動領域11a及び11b内で発信探触子12a及び受信探触子12bを、夫々の超音波発信面及び受信面をコンクリート塊21の表面に超音波伝達媒質を介して接触させながら、任意且つ迅速に移動させた。そして、入力超音波毎に受信超音波を収録し、図1に示す探知装置により加算平均を行った。
【0072】
図9はひび割れ深さの計測結果を示す図であって、(a)は加算平均を行っていない場合の時系列波形を示すグラフ図、(b)は1000回の加算平均を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、(c)は10000回の加算平均を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、図9(a)乃至(c)においては、横軸の104μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の205μ秒は発信時刻から101μ秒が経過していることを示している。
【0073】
図9(a)に示すように、加算平均を行っていない場合には、伝達距離が短い貫通鉄筋22を径路する波の起生を示す波形が破線で示す時刻より前に現れている。このため、ひび割れ23の底部を迂回する波の起生時刻を特定しにくい。
【0074】
一方、図9(b)及び(c)に示すように、1000回又は10000回の加算平均を行った場合には、貫通鉄筋22を径路する波の起生を示す波形が減少し、破線が示す時刻(69.8μ秒)をひび割れ23の底部を迂回する波の起生時刻と容易に特定することができる。コンクリート塊21中の超音波伝播速度を4.3mm/μ秒とすると、ひび割れ23の深さは下記数式4で求められる。
【0075】
【数4】 【0076】
このように、実値と完全に一致する値が得られた。これは、前述の厚さ測定の場合と同様に、ひび割れ23の底部を迂回する迂回波24については各探触子12a及び12bの位置が夫々移動領域11a及び11b内で変化しても幾何学的関係よりその径路長は変化しないものとみなすことができる一方で、貫通鉄筋22を径路する波25の伝達距離は大きく変動しその位相が大きく変動するからである。このため、加算平均の回数が増加するのに伴って迂回波24の起生を示す時系列波の振幅が大きくなり、波25のそれが消滅していったのである。
【0077】
なお、図9に示す時系列波形は受信波又はその加算平均をとったものそのものではなく、それらに以下に示す処理を行ったものである。
【0078】
先ず、計測原波をy(t)とし、0乃至409μ秒の間で下記数式5及び6の2回のフィルタリング処理を行った。
【0079】
【数5】 【0080】
【数6】 【0081】
更に、下記数式7乃至12の6回のフィルタリング処理を行った。
【0082】
【数7】 【0083】
【数8】 【0084】
【数9】 【0085】
【数10】 【0086】
【数11】 【0087】
【数12】 【0088】
但し、Δtは(106/(2×fHL))、fHLは625kHzである。
【0089】
そして、y8(t)を時系列波形として図9に示した。このようなフィルタリング処理を行うことにより、逆高速フーリエ変換(FFT)演算が不要であるので、解析時間が短縮される。また、逆FFT演算による時系列波形への誤差の混入が回避される。更に、前述の解析の対象は0乃至409μ秒の測定原波であるが、図9(c)に示すta乃至tbの間のみの測定原波を解析対象としてそのフィルタリング処理を行うことにより、解析時間を著しく低減することができる。
【0090】
なお、図9(b)及び(c)に示す波形は、図8(b)に示すように、発信探触子及び受信探触子の双方を夫々の移動領域11a及び11b内で任意に移動させることにより得たものであるが、いずれか一方の位置を固定し、他方のみを移動させながら測定してもよい。図10(a)及び(b)は一方の探触子の移動方法を示す模式図である。
【0091】
一方の探触子61aの位置を固定し、他方の探触子61bのみを移動させる方法としては、図10(a)に示すように、探触子61aを中心とする略円弧上で探触子61bを移動させながら加算平均時系列波を得る方法がある。また、図10(b)に示すように、探触子61bを所定の領域内で任意に移動させてもよい。この場合、探知装置の使用方法を熟知した者であれば、ゲートアレイによる加算平均をとらなくても起生時刻を確認することができる。即ち、左右の貫通鉄筋62a及び62bを径路する波が相互に干渉し合うので、探触子61bを移動させる毎にその時点での時系列波形を表示装置に表示させれば、貫通鉄筋62a及び62bを径路する波が実質的に消滅したものとなり、ひび割れ63の底部を迂回する波の起生時刻を確認することができる。但し、この方法で起生時刻を認識するには極めて高度な熟練が必要とされるので、容易に起生時刻を得るためには、加算平均をとることが必要である。
【0092】
次に、コンクリート材に埋め込まれた異形鉄筋の深さ及び径の計測例について説明する。図11は異形鉄筋の深さ及び径の計測例における被探知材を示す断面図である。
【0093】
被探知材であるコンクリート材31には、その表面から50mmの深さに径が19mmの異形鉄筋32が埋め込まれている。
【0094】
上述のようなコンクリート材31における異形鉄筋32の深さ計測では、共振振動数が2.5MHzの発信探触子33a及び受信探触子33bを40mmの間隔で異形鉄筋32の直上に配置した。また、ステップ型電圧は500Vとし、発信探触子33aにこのステップ型電圧を2.5m秒の間隔で1000回連続して印加した。つまり、計測時間は約2.5秒間となる。そして、入力超音波毎に受信超音波を収録し、図1に示す探知装置により加算平均を行った。その後、加算平均により得られた波形に所定のフィルタリング処理を行った。
【0095】
このフィルタリング処理では、sink((π/2)×(f/fHL))とcosn((π/2)×(f/fHL))とを乗じた下記数式13に示す関数をフィルタとして使用し、加算平均波yB(t)=YB・exp(iωyt)のYBにこの関数を乗じた。
【0096】
【数13】 【0097】
以下、sin((π/2)×(f/fHL))をC1、cos((π/2)×(f/fHL))をC2と記す。
【0098】
図12は探触子33a及び33bを定点Cの両側に固定したまま計測を行ったときに得られたスペクトルを示すグラフ図である。なお、図12に示すスペクトルは、1000回の加算平均受信波をy(t)=Y・exp(iωyt)とし、fHL=2.5MHzの条件の下でC1 6・C2 4・Y(但し、fHL=2.5MHz)のフィルタリング処理を行うことにより得られた広帯域(0乃至2.5MHz)の振動成分を有する波のスペクトルである。
【0099】
また、図13は異形鉄筋の深さの計測結果を示す図であって、(a)は各探触子33a及び33bを定点Cの両側に固定したまま計測を行ったときに得られた時系列波形を示すグラフ図、(b)は各探触子33a及び33bを点Cから点Dまで移動させながら計測を行ったときに得られた時系列波形を示すグラフ図である。なお、図13(a)及び(b)においては、横軸の104μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の204秒は発信時刻から100μ秒が経過していることを示している。
【0100】
図11に示すコンクリート材31中のたて波超音波の伝播速度は4.2mm/μ秒であり、下記数式14より発信してから25.6μ秒後に鉄筋上端からの反射波34の起生が確認されるはずである。
【0101】
【数14】 【0102】
しかし、図13(a)に示すように、各探触子33a及び33bを固定したまま計測を行った場合には、破線が示す25.6μ秒で反射波34の起生を特定することはできない。
【0103】
一方、図13(b)に示すように、各探触子33a及び33bを点Cから異形鉄筋32直上の点Dまで、ほぼ一定の速度でその間隔を40mmに保持し直線的に移動させながら超音波発振毎に得られる受信波を1000回加算平均した波の場合には、破線が示す25.7μ秒に反射波34の大きな振幅の起生を確認できる。なお、各探触子33a及び33bの夫々の発信面及び受信面が表面に密着するように、コンクリート材31の表面には予め超音波伝達媒質を塗布した。
【0104】
図13(a)及び(b)における縦軸は同一スケールで表示している。図13(a)においては、振幅が大きな波が多数起生しているが、これらは、直接波35、表面波37、たて波及び散乱波(図示せず)等の起生を示している。発信探触子33aと受信探触子33bとの間隔が40mmと短いため、直接波35、表面波37、たて波及び散乱波の振幅が大きく長時間持続している。そして、探知目標である反射波34がこれらの波の中に埋もれてしまっている。
【0105】
ところで、計測位置近傍の粗骨材(径が1乃至2cm程度の細石)及び径が1乃至2mm程度の気泡の存在は、直接波35及び散乱波の振幅及び位相を計測位置により大きく変動させる。従って、発信探触子33a及び受信探触子33bを移動させながら受信波の加算平均を行えば、異なる位相を持った波は相互に打ち消し合うので、加算回数が増加するに連れ直接波35及び散乱波が消滅していく。このとき、探触子間隔を一定に保持していれば、鉄筋上端からの反射波34及び下端からの反射波36の径路長は変化せず、その位相も変化しない。このため、反射波34の振幅は、加算回数が増加するに連れ相対的に増幅していく。従って、図13(b)に示すように、1000回の加算平均により鉄筋上端からの反射波34が卓越してきたわけである。
【0106】
しかし、図13(b)において確認できる反射波の起生は反射波34のもののみであり、鉄筋下端からの反射波36の起生は確認できない。円形断面を有する鉄筋等の探知の場合、鉄筋下端からの反射波36に含まれている振動数成分は極めて微少である。しかしながら、多くの測定例によれば、鉄筋径を測定する情報を与える他の起生波を低周波成分の波として取り出すことができる。以下に低周波成分の波の取り出し方法を説明する。
【0107】
先ず、図13(b)に示す時系列波をy1,1(t)=Y1,1・exp(iωyt)とし、fHL=2.5MHzの条件の下でC2 n・Y1,1のフィルタリング処理を行う。実際には、以下の数式15及び16に示す計算を行ってもよい。
【数15】 【0108】
【数16】 【0109】
但し、Δtは(106/(2×fHL))、fHLは2.5MHzである。そして、yn,1(t)を求め、これを高速フーリエ変換して、C2 n・Y1,1を求めればよい。
【0110】
図14はC2 n・Y1,1のフィルタリング処理により得られたスペクトルを示すグラフ図である。図14において、細線はn=25のときのスペクトルであり、太線はn=55のときのスペクトルである。
【0111】
図15は図14に示すスペクトルに対応する時系列波形を示す図であって、(a)はn=25のときのグラフ図、(b)はn=55のときのグラフ図である。但し、図15(a)及び(b)に示す時系列波形は実際に得られた時系列波を各時刻において4乗したものである。なお、図15(a)及び(b)においては、横軸の104μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の205秒は発信時刻から101μ秒が経過していることを示している。
【0112】
図15(a)及び(b)に示すように、n=55の時系列波の方が、n=25の時系列波よりも多くの低周波成分を有している。そして、n=55の時系列波においては、図13(a)及び(b)に示す高周波成分を多く含む時系列波では確認することができなかった鉄筋32の径の情報を与える波の起生を示すピーク37が、鉄筋上端からの反射波34のピーク34aより後の破線で示す時刻に確認できる。
【0113】
しかし、ピーク37が示す波は鉄筋下端からの反射波36を示すものではない。図16は異形鉄筋における超音波の径路を示す図であって、(a)は側面図、(b)は(a)のC−C線による断面図である。図16(a)及び(b)に示すように、円形断面を有する鉄筋等においては、その下端からの反射波36の強度は極めて弱く、多くの計測においてその確認は特別な他の計測法を用いなければ困難であった。
【0114】
一方、図14に示すような150乃至500kHzの低周波広帯域のスペクトルで時系列波を取り出せば、同種のいかなる計測例によっても図15(b)に示すピーク37aが確認できる。
【0115】
そこで、コンクリート材に埋め込まれた円形断面を有する鉄筋、管及び円状の空洞等においては、それらの円周方向に沿って伝達する超音波が存在すると考えられる。図17は円形鉄筋において円周方向に沿って伝達する超音波を示す模式図である。実際に円形鉄筋32aについて約50回の測定及び検証を行った結果、ピーク37は鉄筋の円周に沿って鉄筋材内及びコンクリート材内を迂回し伝達する波の重畳波起生であることが確認された。この結果、鉄筋上端からの反射波の起生時刻及び鉄筋等を迂回する迂回波の起生時刻から鉄筋の直径を算出する下記数式17が導かれた。
【0116】
【数17】 【0117】
但し、dは鉄筋の直径、t1は鉄筋上端からの反射波の起生時刻、t2は鉄筋を迂回する迂回波の起生時刻、VPは鉄材中のたて波超音波の伝播速度である。
【0118】
数式17に前述の測定におけるt1=25.5(μ秒)、t2=37.3(μ秒)、VP=5.9(mm/μ秒)を代入すると、d=22(mm)となる。実際の19mmの異形鉄筋32の最大径は21.5mm、最小径は18mmである。ほぼ正確に測定できている。
【0119】
なお、数式17は円形断面を有する鉄筋だけでなく、前述の管及び円状の空洞等においても成り立つものである。
【0120】
また、図11に示すコンクリート材31の表面には髪の毛よりも細い微細なひび割れが複数生じている。これに対し、このようなひび割れが形成されていないコンクリート材に対して同様の測定を行った場合には、得られる波形が相違する。図18(a)及び(b)はこのようなひび割れが形成されていないコンクリート材から得られる時系列波形を示すグラフ図である。
【0121】
図18(a)に示すように、ひび割れが形成されていないコンクリート材から得られる時系列波は、図13(b)に示すひび割れが形成されたコンクリート材のそれと著しく相違する。図19(a)乃至(c)並びに図20(a)及び(b)はひび割れが形成されていないコンクリート材中での超音波の伝達径路を示す模式図である。図18(a)においては、異形鉄筋77の細径部からの反射波71の起生71aが極めて強く現れている。また、探触子間の表面波72の起生72a及び異形鉄筋77の太径部からの反射波73の起生73aも強く現れている。
【0122】
また、図18(b)は反射波71及び73並びに表面波72による振幅を小さくし鉄筋の周囲に沿って迂回する迂回波74の起生74a(鉄筋内)及び74b(コンクリート材内)並びに7.5cm離れた端部からのコーナー反射波75の起生75aを大きくしたものである。このように、所望の波の振幅のみを増幅させることも可能である。なお、探触子間の距離は40mmであり、異形鉄筋77はコンクリート材の表面から50mmの深さに埋め込まれている。また、図19(c)に示すような異形鉄筋77の下端からの反射波76の起生は図18(a)及び(b)でも確認されなかった。更に、図18(a)に示す時系列波形は実際に得られた時系列波を各時刻において3乗したものであり、図18(b)に示すものは同様に3乗したものである。
【0123】
一般に、コンクリート材の表面には目に見えない程度の微細なひび割れが多数存在し、また、コンクリート材の経年変化としての劣化等は避けることができない。従って、図18(a)及び(b)に示すような時系列波が得られるのは極めて運がよい場合のみである。従って、図14並びに図15(a)及び(b)に示すように、前述のような処理を行い低周波成分の波で取り出す必要がある。
【0124】
以上、コンクリート材の厚さ、ひび割れ深さ並びに鉄筋のかぶり厚及び径の測定が可能であることを示した。しかし、コンクリート材の状態によっては、上述の方法のみでは十分な測定を行うことができない場合がある。これは、コンクリート材に次のような6つの特性があるからである。第1に、コンクリート材はセメントと径が1乃至3cmの石(粗骨材)とを混合し硬化させたものであり、超音波がセメントと粗骨材との界面で散乱してしまう。第2に、一般的なコンクリート材では、その内部に径が1乃至10mの無数の気泡が含まれており、この気泡により散乱現象が増幅される。第3に、コンクリート材の強度は、建設対象によって360乃至700(kg/cm2)と大きく相違しており、超音波の伝達特性及び減衰特性はこの強度により大きく変化する。第4に、コンクリート材には、経年変化としての劣化現象が存在し、超音波の伝達特性及び減衰特性はこの劣化の度合いでも大きく変化する。第5に、散乱現象が発生するために、床、柱及び梁等の探知対象の形状が受信超音波の波形に大きく影響する。例えば、柱又は梁では、直接波とよばれるコンクリート材内を回り込む波が大きく発生し、探知対象からの反射波等がこの中に埋もれてしまう。第6に、コンクリート材の表面では、多数の微細で大きなひび割れが形成されていることが一般的であり、このようなひび割れにより探知が困難となる場合がある。
【0125】
例えば、劣悪な環境下で10乃至20年経過したコンクリート材を探知対象とした場合には、その厚さ測定等は困難である。
【0126】
このような場合、発信探触子及び受信探触子に次のような治具を取り付けて測定を行うことにより、正確な測定を行うことができるようになる。この治具を取り付けた測定を第3の実施例とする。図21は本発明の第3の実施例における治具を示す模式図である。
【0127】
第3の実施例には、発信探触子C1と受信探触子C2との間隔を一定に保持するk種類の治具D1、D2、D3、・・・、Dkが設けられている。治具D1における探触子間隔はl1、治具D2における探触子間隔はl2、治具D3における探触子間隔はl3、治具Dkにおける探触子間隔はlkとなっている。そして、これらの探触子間隔には、lk+1−lk=Δl(一定)の関係が成立している。
【0128】
このような治具を備えた第3の実施例を使用した探知方法においては、各治具毎に前述の探知方法と同様に測定波の加算平均を同一回数(n)行い、その後、これらの加算平均波を更に加算平均する。治具Diにおけるj回目の測定における受信波をωDi,j(t)とすると、治具Diにおける加算平均をyDi(t)は下記数式18で表される。
【0129】
【数18】 【0130】
そして、探知装置に具備されているゲートアレイ又はCPUにより、下記数式19又は20の加算平均を行うことにより、全測定による加算平均yave(t)を算出する。なお、この加算平均は外付けのノート型パーソナルコンピュータを使用して行ってもよい。
【0131】
【数19】 【0132】
【数20】 【0133】
次に、このような加算平均を算出することにより得られる効果について説明する。図22は加算平均yDk(t)と加算平均yDk+1(t)との間で任意の振動数の成分が1周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、(a)は加算平均yDk(t)を示す模式図、(b)は加算平均yDk+1(t)を示す模式図、(c)はこれらの加算平均fyave(t)を示す模式図である。図22(a)及び(b)に示すように、加算平均yDk(t)と加算平均yDk+1(t)との間で任意の振動数の成分が1周期分ずれている場合、図22(c)に示すように、最初の1周期分の振幅が加算平均yDk(t)のそれの1/2となり、それ以降は加算平均yDk(t)及びyDk+1(t)のものと同一のものとなっている。但し、加算平均yDk(t)及び加算平均yDk+1(t)の成分波の振幅を夫々1.0とした。
【0134】
図23は加算平均yDk(t)と加算平均yDk+1(t)との間で任意の振動数の成分が1/2周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、(a)は加算平均yDk(t)を示す模式図、(b)は加算平均yDk+1(t)を示す模式図、(c)はこれらの加算平均f/2yave(t)を示す模式図である。図23(a)及び(b)に示すように、加算平均yDk(t)と加算平均yDk+1(t)との間で任意の振動数の成分が1/2周期分ずれている場合、図23(c)に示すように、最初の1周期分の振幅が加算平均yDk(t)のそれの1/2となり、それ以降は0となっている。
【0135】
なお、このように2周期目以降の振幅が0となる振動数の成分波は1/2fの振動数だけではなく、(n±1/2)×f(n;自然数)の振動数成分においてこのような現象が生じる。
【0136】
さて、コンクリート材の厚さ測定等を例にすれば、探触子間隔がΔl異なる治具を用いて計測した2つの加算平均波で反射波等の受信時刻が大きく変化する伝達径路の波が存在する。図24は図72(b)に示すA’−B’間の計測を2探触子法を採用して測定した場合に生じる波の伝達を示す模式図である。
【0137】
コンクリート材51aの底面からの反射波201の受信時刻は、探触子間隔が変化してもほとんど変化しないが、径路波202、203及び204の受信時刻は、上述のように探触子間隔の変化により大きく変化する。
【0138】
このときの2つの波の受信時刻差Δt(μ秒)は超音波の伝達速度をv(mm/μ秒)とすると、下記数式21が成り立つ。
【0139】
【数21】 【0140】
そして、これに相当し加算平均yave(t)が図22及び30のようになる振動数fは下記数式22で表される。
【0141】
【数22】 【0142】
そして、探触子A1及びA2間の等価音速を利用すれば、振動数fの概略値を求めることができる。
【0143】
一般的なコンクリート材中における超音波のたて波の伝達速度を4.0(mm/μ秒)とすると、前述の径路波202乃至204の伝達速度は3乃至4(mm/μ秒)程度とばらつくことになる。従って、数式19又は20を使用した加算平均においては、下記数式23に示す周波数範囲の成分波が、図22(a)及び(b)に示すように、減衰していないものと考えれば径路波202乃至204が減衰せずに、長時間継続する。このため、探知目標である反射波201が径路波202乃至204の中に埋もれてしまうことになる。
【0144】
【数23】 【0145】
一方、1/2fの周波数成分においては、径路波202乃至204は図23(c)に示すように、大きく減衰する。また、反射波201の伝達長は幾何学的関係よりほとんど変化しないため、即ち、位相ずれがほとんど生じないので、相対的に増幅する。
【0146】
このように、前述の2個の治具を使用し、探触子間隔の変化量Δlに対し数式21及び22から得られる振動数fの1/2の振動数に相当する周波数を中心とする成分を数式19又は20の加算平均により得られた波から取り出せば、反射波201が径路波202乃至204の中に埋もれることなく浮かび上がってくる。
【0147】
次に、本発明の第3の実施例を使用した実際のコンクリート材の厚さ測定方法及びその結果について説明する。
【0148】
ここでは、共振振動数が2.5MHz、径が20mmの2個の振動子を使用し、探触子間隔が81mmとなる治具D1及び探触子間隔が108mmとなる治具D2を使用し、ステップ型電圧を印加した。即ち、Δlは27mmである。そして、図3に示すように、探触子を所定領域内で移動させながら、図72(b)のA’−B’間の距離の測定のために各治具について4000回の加算平均を行った。その後、数式20に示す加算平均を行い、この結果得られた波から65kHzを中心周波数とする成分波を取り出した。図25はこの場合のyave(t)の波を示す図であって、(a)はフーリエスペクトルを示すグラフ図、(b)は時系列波を示すグラフ図である。図25(b)中の点線で示すように、底面からの反射波の起生が明敏に浮かび上がっている。
【0149】
一方、治具D2のみを使用し、数式19又は20に示す加算平均を行わなかった場合には、反射波の起生の確認が困難であった。図26は治具D2のみを使用した場合に得られた波を示す図であって、(a)はフーリエスペクトルを示すグラフ図、(b)は時系列波を示すグラフ図である。この場合にも、4000回の測定の加算平均を示す合成波から65kHzを中心周波数とする成分波を取り出した。図26(b)中の点線が示す時刻が反射波が起生する理論的時刻であるが、その判別は困難となっている。
【0150】
なお、上述の探知において最終的に65kHzの成分波を取り出したのは、以下の理由による。数式23にΔl=27mmを代入すると、振動数fは110乃至150kHzとなる。この1/2の値は、55乃至75kHzとなる。そして、この範囲の中心をとったものが65kHzである。
【0151】
ここで、振動数の1/2の値を使用せずにその中心である130kHzを使用した場合に得られる波について説明する。この場合に、数式20により加算平均を求めると、前述のように、反射波以外の径路波が増幅されるので、探知目標である反射波201が径路波202乃至204の中に埋もれてしまう。図27は130kHzを中心周波数とした場合に得られる波を示す図であって、(a)はフーリエスペクトルを示すグラフ図、(b)は時系列波を示すグラフ図である。図27(b)に示す点線の時刻が反射波201が起生する理論的時刻であるが、その判別は困難なものとなっている。
【0152】
なお、理論的には、反射波201は、上記2つの治具による径路長の変化Δlを用いて数式21及び22で算定される振動数fより、(n±1/2)×fの成分波において浮かび上がることになるが、実際には、以下の理由によりこのようにはならない。図22(c)及び図23(c)に示す成分波の加算平均は成分波が減衰していないと仮定したものである。実際には、図25に示すように、反射波等は数波からなるため、振動数が数式21及び22から求められる値よりも大きい場合には、反射波201が増幅せず消滅する。そして、この現象は、測定対象であるコンクリート材の厚さが厚ければ厚いほど、波の成分が高周波になるほど、加速度的に大きくなる。このような理由により、反射波が浮かび上がらない場合がある。
【0153】
次に、本発明の第3の実施例を使用した鉄筋の平面的位置及びかぶり厚の実際の測定方法及びその結果について説明する。
【0154】
図22及び図23は、2つの治具で計測した夫々の加算平均波において位相が1周期分ずれる任意の低周波の波の振動数fと、その(1/2)fの振動数の成分波の加算平均がどのようになるかを示したものであった。これを拡張し、横軸に振動数、たて軸にその振動数成分の加算平均波の加算平均の振幅の規格値を示したものが図28である。振幅は余弦関数の絶対値をとったものとなっている。なお、図中のfは探触子間隔Δlに対して数式21及び22から算出されたものである。
【0155】
図29は探知対象である鉄筋が埋め込まれたコンクリート材を示す断面図である。この探知で使用されるコンクリート材81の縦、横及び高さの寸法は、いずれも300mmである。そして、両側壁から75mmの位置に合計で4本の径が19mmの異形鉄筋82が埋め込まれている。また、2本の異形鉄筋82の深さは表面から50mmであり、他の2本のそれは表面から230mmである。そして、鉄筋82の長手方向に直交する方向に13点の計測位置P1乃至P13を設定した。
【0156】
そして、各計測位置毎に2種の治具を使用して夫々600回の加算平均(数式18)を求め、更にこれらの加算平均yave(t)を算出した。また、このときの測定方法としては、図11に示すように、発信探触子及び受信探触子をスライドさせるように移動させた。なお、一方の治具における探触子間隔は110mmであり、他方の治具における探触子間隔は135mmであり、それらの差Δlは25mmである。このときの探触子は、前述の第3の実施例で使用したコンクリート材の厚さ測定に使用したものと同一のものである。
【0157】
図30は図29に示す異形鉄筋82の探知の際に生じる波の伝達を示す模式図である。探触子間隔が110mmのときの上側鉄筋82上端からの反射波83aの受信時刻と探触子間隔が135mmのときのそれとの差は、このコンクリート材81における超音波の伝達速度が4.44mm/μ秒であるため、数式21から下記数式24で表される。
【0158】
【数24】 【0159】
従って、これに相当する振動数fAは数式22より2300kHzとなる。即ち、図28において、これらの加算平均の成分波はf=fA=2300kHzとしたときに最大振幅となり、1/2fA=1150kHzとしたときに最小振幅となる。そして、振動数fiが1/2fAから0に近づくに連れて余弦関数に基づいてその振幅が増大する。
【0160】
一方、コンクリート材81の表面を伝達する波85a及び85bについての受信時刻差Δt及びこれに相当する振動数fBは、それが表面波の場合には、音速を4.44×0.59mm/μ秒として、下記数式25及び26で表され、それがたて波の場合には、下記数式27及び28で表される。
【0161】
【数25】 【0162】
【数26】 【0163】
【数27】 【0164】
【数28】 【0165】
また、直接波84a及び84bについての受信時刻差Δt及びこれに相当する振動数fBは、直接波の等価速度をたて波の1/2程度と考えれば、下記数式29及び30で表される。
【0166】
【数29】 【0167】
【数30】 【0168】
従って、図28に示すように、これらの波は、振動数fiがfB、2fB、3fB、・・・となったときに、最大振幅となる。しかし、入力超音波のこれら成分波が数波で減衰するものであれば、加算平均波に含まれる同一の成分波も数波で減衰したものとなる。例えば、50kHzの波で2波、500kHz以上の波で1波程度とすると、周波数fBに相当する周波数よりも周波数が高くなると、その波は消滅していく。図31は振動数成分を2fBとし、2種の治具を使用したときの波を示す図であって、(a)は短い探触子間隔で得られる加算平均yD1(t)を示す模式図、(b)は長い探触子間隔で得られる加算平均yD2(t)を示す模式図、(c)はこれらの数式20による加算平均yave(t)を示す模式図である。図31(a)及び(b)に示すように、数式21及び22で決まるΔtの周期の波の波数が2波程度であれば、それらの加算平均yave(t)の振幅は加算平均波yD1(t)及びyD2(t)の1/2となる。
【0169】
以上より、図29に示す測定において2つの前述の治具を用い、数式19又は20の加算平均yave(t)を算出した後、2fB乃至1/2fAの振動数領域で、任意の中心周波数の成分波をフィルタ処理により取り出せば、探知目標とする鉄筋からの反射波等を取り出すことができる。図32は取り出した中心周波数が590kHzの周波数成分のフーリエスペクトルを示すグラフ図であり、図33は各計測位置における図32に示すスペクトルに対応する時系列波形を示す模式図である。
【0170】
図33に示すように、散乱波、直接波並びにコンクリート表面を伝達するたて波及び表面波が除去され、探知目標である異形鉄筋82からの反射波等のみが計測位置P3及びP11において浮かび上がっている。即ち、計測位置P3及びP11のほぼ直下に鉄筋82が存在していることが示され、そのかぶり厚が約5cmであることが示されている。なお、図33においてかぶり厚を示す縦軸の数値はよこ波の伝達速度から求めたものである。また、図33は実際に得られた波形を4乗することにより得られたものである。
【0171】
更に、上述の径が19mmの異形鉄筋82のかぶり厚をより一層高精度に、そして、その径を求めるために以下の測定を行った。ここでは、探触子間隔が4mmずつ相違する4個の治具を使用した。図34は各治具における探触子間隔を示す模式図である。治具D1の探触子間隔l1は40mm、治具D2の探触子間隔l2は44mm、治具D3の探触子間隔l3は48mm、治具D4の探触子間隔l4は52mmである。そして、これらの平均間隔laveは46mmである。なお、異形鉄筋82の大径は21.5mm、小径は18mm、大径の間隔は12mmである。
【0172】
先ず、図11に示す測定と同様にして、治具毎に図29の計測位置P3の上で探触子を10cm移動させながら1000回の加算平均yDi(t)を求めた。次いで、数式20により下記数式31に示す加算平均yave(t)を算出した。
【0173】
【数31】 【0174】
その後、690kHzを中心周波数とし図32に示すフーリエスペクトルと類似した帯域の成分波を取り出した。そして、この波の振幅を2乗した。図35はこの場合の時系列波形を示すグラフ図である。また、図35における各起生波の起生時刻を下記表1に示す。なお、表1には、参考のため、1200kHzを中心周波数としてとりだした場合の起生時刻も示してある。
【0175】
【表1】 【0176】
これらの起生波のうち、ピーク91乃至97は直下の鉄筋82からの反射波又は鉄筋82の円周に沿って鉄筋82又はコンクリート材81内を迂回する波を示している。
【0177】
以下、表1に示す起生時刻から鉄筋のかぶり厚及び径を測定する。
【0178】
鉄筋のかぶり厚については、ピーク91が鉄筋82の上端からの反射波を示しているので、その伝達長aは23.3×4.44/2より51.73mmとなる。また、多くの計測の結果、鉄筋のかぶり厚をdとすると、下記数式32が成り立つ。
【0179】
【数32】 【0180】
但し、cは探触子の径である。そして、a=51.73等を数式32に代入すると、下記数式33としてかぶり厚が求められる。
【0181】
【数33】 【0182】
実測値は、前述のように50mmであるので、極めて高い精度が得られているといえる。
【0183】
また、ピーク92乃至97が示す起生は、直下の鉄筋82を径路する波である。図36(a)はピーク92に該当する起生波を示す模式図、(b)はピーク93に該当する起生波を示す模式図、(c)はピーク94及び96に該当する起生波を示す模式図、(d)はピーク95及び97に該当する起生波を示す模式図である。
【0184】
即ち、ピーク92に該当する起生波92aは、鉄筋82の横方向の端部からの反射波である。また、ピーク93に該当する起生波93aは、鉄筋82の上端で屈折し下端で反射され更に上端で屈折した波である。ピーク94に該当する起生波94aは、鉄筋82の円周に沿って鉄筋82内を迂回するたて波であり、ピーク96に該当する起生波96aは、同様のよこ波である。また、ピーク95に該当する起生波95aは、鉄筋82の円周に沿ってコンクリート材81内を迂回するたて波であり、ピーク97に該当する起生波97aは、同様のよこ波である。
【0185】
以上の判断は、200例程度の同種の測定結果を基に測定の再現性を含めた検討よりなされたものである。
【0186】
理論的に考えれば、異形鉄筋を径路する波の起生順序は、その径路長及び音速により次のように整理することができる。図66は種々の径路における起生順序を示す模式図である。
【0187】
図66において、起生波101a及び101bは鉄筋上端からのたて波反射であり、前者が大径径路、後者が小径径路である。
【0188】
起生波102は異形鉄筋の長さ方向にある突起からのたて波反射である。
【0189】
起生波103a及び103bは起生波93aの径路のたて波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【0190】
起生波104a及び104bは起生波94aの径路の鉄筋内をたて波で迂回する波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【0191】
起生波105a及び105bは起生波95aの径路のたて波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【0192】
起生波106a及び106bは起生波96aの径路の鉄筋内をよこ波で迂回する波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【0193】
起生波107a及び107bは起生波97aの径路のコンクリート材内をよこ波で迂回する波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【0194】
以上の起生波はコンクリート材内を全てたて波で伝達する波である。これ以外に比較的勢力が大きいものとして、コンクリート材内の往路をたて波で、復路をよこ波で伝達する波もある。起生波109a、109b、110a及び110bがこのような波である。
【0195】
即ち、起生波109a及び109bは起生波96aの鉄筋内をよこ波で迂回する径路をとり、コンクリート材内での伝達が往路でたて波、復路でよこ波となる。前者が小径径路、後者が大径径路である。
【0196】
起生波110a及び110bは起生波97aのコンクリート材内をよこ波で迂回する径路をとり、コンクリート材内での伝達が往路でたて波、復路でよこ波となる。前者が小径径路、後者が大径径路である。
【0197】
前述の測定結果としての図35の起生波は、690kHzを中心周波数とする低周波での成分波を示したものであった。この程度の周波数では、異形鉄筋からの反射波及び迂回波は、夫々小径からのものと大径からのものとで重畳してしまう。
【0198】
以上より、ピーク91は起生波101aと起生波101bとが重畳したものであり、ピーク92は起生波102そのものであり、ピーク93は起生波103aと起生波103bとが重畳したものであり、ピーク94は起生波104aと起生波104bとが重畳したものであり、ピーク95は起生波105aと起生波105bとが重畳したものであり、ピーク96は起生波106aと起生波106bとが重畳したものであり、ピーク98は起生波108aと起生波108bとが重畳したものであるものとして、図35の起生波が得られたわけである。図35では起生波109a及び109bの重畳波並びに起生波110a及び110bの重畳波の起生は見られないが、他の同種の計測で、その起生を確認することができる場合も度々あった。
【0199】
従って、鉄筋の形状については、以下のようにして種々の値を求めることができる。先ず、ピーク91及び93の起生時刻から大径が、下記数式34及び35のように、求められる。
【0200】
【数34】 【0201】
【数35】 【0202】
スネルの定理により得られる大径でのlの値は22.5mmであるので、極めて精度が高い。
【0203】
また、ピーク91及び94の起生時刻から大径が、数式17を用いて下記数式36及び37のように、求められる。
【0204】
【数36】 【0205】
【数37】 【0206】
更に、ピーク91及び95の起生時刻から大径が、下記数式38及び39のように、求められる。
【0207】
【数38】 【0208】
【数39】 【0209】
実際の大径は21.5mmであるので、極めて精度が高い。
【0210】
また、ピーク91及び96の起生時刻から小径が、下記数式40及び41のように、求められる。
【0211】
【数40】 【0212】
【数41】 【0213】
更に、ピーク91及び97の起生時刻から小径が、下記数式42及び43のように、求められる。
【0214】
【数42】 【0215】
【数43】 【0216】
このように、鉄筋のかぶり厚及び形状が極めて高精度に測定可能である。従って、鉄筋が丸鋼であるか異形鉄筋であるかの判断も可能である。なお、異形鉄筋であるか丸鋼であるかの別の判断法として、ピーク92の起生の有無を利用してもよい。
【0217】
また、コンクリート材中の鉄筋が腐食している場合には、超音波は鉄筋内部を伝達しないので、前述の測定におけるピーク93、94及び96は起生しない。従って、これらのピークの強度により、鉄筋の腐食の進展状況が判断可能である。これにより、コンクリート材の保守及び保全の観点からも極めて高い有用性がある。
【0218】
また、コンクリート材中に埋め込まれている部材が塩化ビニル管等であっても、同様の埋め込み深さ及び径の測定が可能である。
【0219】
なお、本測定例の場合、4つの治具を用い数式19及び20で加算平均波を求めるものであった。この場合、加算平均で増幅する成分波の振動数は数式21及び22の代わりに数式44を用いる。
【0220】
【数44】 【0221】
ここで、ΔLは探触子間距離の最大値と最小値との差である。前述のコンクリート材81における超音波の伝達速度がたて波で4.44(mm/μ秒)、探触子間を伝達する直接波等の等価音速を2.7乃至3.5(mm/μ秒)とすると、図11における直接波35、表面波37a及びたて波37b等を増幅させる振動数はΔL=490−400=90(mm)として、下記数式45乃至48から求められる。なお、これらの波は探知目標である反射波34及び36の特定を困難なものとする波であり、本来除去すべきものである。また、数式45及び46はたて波37bのものを示し、数式47及び48は表面波37a及び直接波35のものを示している。
【0222】
【数45】 【0223】
【数46】 【0224】
【数47】 【0225】
【数48】 【0226】
590乃至770kHzの振動数fにおいて前述の除去すべき波が、理論的には増幅することになる。このような波の起生波が増幅すると、探知目標である反射波34及び36が埋もれてしまい、探知不能となってしまう。しかし、前述の測定例では、680kHzを中心周波数とする広帯域周波数成分による取り出しによって望ましいピーク91乃至97の起生が極めて明敏に現れていた。なお、図示しないが、1200kHzを中心周波数とした場合でも同様である。これは、以下の理由によるものである。
【0227】
図37は入力超音波から1100kHzを中心周波数として取り出した広帯域周波数成分の時系列波を示すグラフ図である。図37に示すように、ほぼ1周期(1μ秒)の波となっている。この超音波は、コンクリート材に入力されると、反射、屈折、モード変換及び減衰を行いながら伝達し受信探触子等により受信される。このとき、受信波の1100kHzの成分波は前述の1周期分の入力波が減衰し、振幅が小さくなったものとなる。
【0228】
従って、このようなほぼ1周期程度のみの成分波の場合、数式19又は20の加算平均を行ったとしても、ΔLから求められる振動数以上の振動数成分の波は増幅しない。
【0229】
図38(a)乃至(d)は各治具を使用したときに得られる波を示す模式図であり、(e)はこれらの加算平均を示す模式図である。前述の測定においては、図38(e)に示すように、数式20による4つの波の加算平均により、その結果として得られる加算平均yave(t)に含まれる直接波等の振幅は元の1/4となる。更に、図35においては、この結果を2乗して表示しているので、その振幅は、見掛上(1/4)2=1/16となっている。
【0230】
一方、探知目標である鉄筋からの反射波等に関して、40mmであった探触子間隔をΔL=3mmだけ3回変化させ、49mmとなったときの伝達距離の変化量ΔLtは、下記数式49で求められる。
【0231】
【数49】 【0232】
従って、これに相当する振動数は下記数式50及び51で表される。
【0233】
【数50】 【0234】
【数51】 【0235】
従って、探知目標である鉄筋からの反射波の振幅は5.0MHzの半分の2.5MHz程度で最小となり、以降、低周波側に移行するのに伴って増幅する。
【0236】
これより、αfB乃至1/2fAの範囲内の任意の中心周波数で広帯域の成分波を取り出せば探知目標である鉄筋を径路する反射波及び迂回波等の起生を極めて高い精度で確認することが可能である。
【0237】
前述の第3の実施例で、複数の治具を用いた場合について示した。この場合、加算平均波より数式44のf値の1/2を中心周波数とする成分波を取り出せば、探知を邪魔する表面波及び直接波が低周波領域で最も効率よく除去された波となる理由を以下に詳述する。
【0238】
図21に示すD1、D2…Dk+1を用いた(k+1)個の加算平均波を考える。仮定条件として、これ等加算平均波の任意振動数の成分波の強度は概略同一とする。図39は数式20による加算平均の手順を示すものである。最下階(a1)に(k+1)個の加算平均波の計測位置を示している。数式20でこれ等加算波の加算平均を求めるかわりに、隣り合う位置にある加算平均波を加算すると(k+1)/2個の加算波が(a2)の如く求まる。この処理を繰り返せば、順に(a1)→(a2)→(a3)…→(a6)の如くなる。
【0239】
最後の(a6)の段階で得られる波が数式20で示す加算平均波となる。(a1)段階における各加算波の各成分波の振幅が同一と仮定して、各段階での加算波のスペクトルがどの様に変化していくかを示したものが図40である。(a1)段階におけるスペクトル値を全周波数帯にわたって1.0として表現したとき、a1スペクトルが(a2)段階での加算波であり、図28におけるスペクトルの0〜(2/4)fの振動数領域を示している。この(1/2)fが(a2)段階で探知を邪魔する表面波直接波が低周波領域で最も効率よく加算波より除去される振動数となる。
【0240】
次の(a3)段階の加算波スペクトルはa2の如くなる。同様にして(a4)段階の加算波スペクトルがa3の如くなる。最後に(a6)段階での加算波スペクトルがa5で示す如く太線で得られることとなる。
【0241】
図中に示す(1/2)f0=f/32のf0値が数式44で示されるf値に対応している。このため、数式44のかわりに下記数式52を定義する。
【0242】
【数52】 【0243】
前記32なる数値は治具の数を32と想定したためである。治具の数が128であれば前記32なる数値は128となる。
【0244】
前述の説明はDiとDi+1治具の長さがΔlだけ異なり、多数(32個)の治具を用いた測定の場合で示した。
【0245】
このような治具を用いないで、図3、図6に示す探触子の走査において、探触子間距離の最小値をl1、最大値をlMとし、探触子間距離の変動が等速となる様にすれば、前述と全く同等の効果を得ることができる。
【0246】
この場合の数式52に適用するΔLは数式53となる。
【0247】
【数53】 【0248】
一方、前述の加算平均化処理で、探知目標とする、例えば版厚に関する反射波のスペクトルを考えてみよう。
【0249】
図24の計測図を用いてこれを説明する。同図で、版厚をdとすれば、201の経路長は最大経路長が{(lM/2)2+d2}1/2、最小経路長が{(l1/2)2+d2}1/2となり、この経路長の差を△LBとすれば、前述にならい版厚反射波の成分波が消滅する最も低い周波数は数式52を用いて次式52のようになる。
【0250】
【数54】 【0251】
従って、図40のf値をfBに置き変えた版厚反射波のスペクトルを得ることができる。l=lM−llとし、lとdの関係で、d>>2×lであれば、fB値はf値に比して極端に大きくなる。このfB値を用い図40のa5スペクトルに対応するスペクトルを求め、これをBa5とし、Ba5とa5を一緒に表示したものが図41である。このBa5が最終的に得られる加算平均波の201経路の波の基準化されたスペクトルとなる。図41の←→で示した周波数帯で探知目的とする201経路波のスペクトルBa5が探知を邪魔する202、203の表面波及び204の直接波のスペクトルa5より大きく卓越している。これより、この周波数帯で時系列波を取り出せば、誤ることなく201経路波のみが大きく励越した波を得ることができる。
【0252】
前述した数式52及び数式53を用いた測定を第4の実施例として示す。
【0253】
第2の実施例において、図6に示す探触子走査法で10000回の加算平均を行い、図7に示す加算平均波を得た。この計測に対応する測定である。
【0254】
図6の走査で、探触子間距離Lの最大値を15cm、最小値を10cm、この距離の変動速度を等速とした測定である。発信探触子及び受信探触子ともに、共振振動数を500kHz、振動子径を40mmとして得た加算平均波を図42に示す。
【0255】
図42の加算平均波に数式52及び数式53を適用し、下記数式55に示す周波数を中心周波数として取り出した成分波を図43に示す。
【0256】
【数55】 【0257】
ここで、このコンクリートのたて波音速が4300m/秒であることより、探知を邪魔する表面波、直接波の等価音速が3000〜4000m/秒の範囲にばらつくと考え、平均的に3.5mm/μ秒とし数式55を下記数式56とした。
【0258】
【数56】 【0259】
図42に比べ図43では探知を邪魔する表面波、直接波そして散乱波がほとんど除去されて、A’−B’経路の反射波が明敏に確認できる。なお、この測定での加算平均化回数は3000回である。
【0260】
ところで、計測治具を用いないで、接触子を走査する方法として考えられているものを示すと、図44の如くなる。図44(a)は第4の実施例で示した方法であり、図44(c)が探触子間距離を固定し、図3の7、図6の11a、11bの移動領域内で任意に図11に示す如くC点からD点まで探知対象直上に沿って直線走査で曲線走査でもかまわない2つの探触子を等速で走査する方法である。また、図44(b)が図44(c)に示す走査法で2つの探触子と密着させた場合であり、図44(d)が1探触子による計測の場合で、発信と受信供用の1つの探触子を図3の7の円形領域内で任意に(楕円、方形領域であってもかまわない)及び図11に示す如くC点からD点まで探知対象直上(直線走査でも曲線走査でもかまわない)に沿って、1つの発信と受信供用の探触子を等速で走査する方法である。
【0261】
以上の走査法毎に数式52がどの様になるかを以下に示す。探知を邪魔する表面波及び直接波などが低周波領域で最も効率よく除去される周波数を示す数式52のf0値には、所定量の限定値が図44(a)乃至(d)に示す走査法に対して共通に存在することをまず説明する。たて波探触子の一般的形状を図45に示すが、この様な探触子を受信探触子とすれば、受信波に外皮の共振振動数fPで励起された成分波が混在する。探触子1001には、振動子1001a、被探知材接触面保護材1001b、減衰材1001c及び外皮1001dが設けられている。数式52で定義するf0値の1/2が、このfPと合致すると、(1/2)f0を中心周波数とする成分波を取り出しても、この成分波に外皮1001dの共振振動数による励起波が重畳することになる。これより、この様な周波数での成分波の取り出しを回避する必要がある。多くの実験計測によれば、この回避のためにf0値を下記数式57の如くすればよいと判明した。なお、同図に示すSは外皮厚である。
【0262】
【数57】 【0263】
以下、各走査法毎、前述数式52の右辺ΔLが、どの様になるかを調整する。
【0264】
図44(a)に示す走査法に関しては、第4の実施例で述べた理由よりΔLを数式53で求め、これを数式52に適用してf0を求めればよい。但し、f0<4fPのとき、f0=4fPとすればよい。言い変えると、ΔL=106V/(2fP)に変更し、f0を求めればよい。
【0265】
図44(c)に示す走査法に関しては、受信探触子が小形探触子の集合からなると考えれば、第4の実施例で述べた理由より、ΔLを下記数式58に示すように受信探触子内の振動子径をΦ2とし、これを数式52に適用して、f0を求めればよい。但し、f0<4fPのとき、f0=4fPとすればよい。言い変えると、ΔL=106V/(2fP)に変更し、f0を求めればよい。
【0266】
【数58】 【0267】
なお、図44(c)に示す走査法を用い、第3の実施例で示した2つの探触子間隔固定治具毎に加算平均波を求め、この2つの加算平均波の加算平均を求める方法では、2つの治具の長さの差Δlを用いてΔLを下記数式59の如くすればよい。このΔLを数式52に適用してf0を求める。但し、f0<4fPのとき、f0=4fPとすればよい。言い変えると、ΔL=106V/(2fP)に変更し、f0を求めればよい。
【0268】
【数59】 【0269】
図44(b)に示す走査法に関しては、数式52で用いるΔLを下記数式60に示すように、被探知体の材質、探触子内の振動子径、及び受信探触子の外皮の厚さ及びこの外皮の共振振動数で決まる所定量G1とすればよい。
【0270】
【数60】 【0271】
図44(d)に示す走査法に関しては、数式52で用いるΔLを下記数式61に示すように、被探知体の材質、探触子内の振動子径、及び受信探触子の外皮の厚さ及びこの外皮の共振振動数で決まる所定量G2とすればよい。
【0272】
【数61】 【0273】
前述の図44(b)に示す走査法における所定量G1がどの様な量になるかを以下に示す。図46は発信探触子401からコンクリート面より直下に403のたて波超音波を入力したときにコンクリート表面に404aのたて波、404bのよこ波、404cの表面波が受信探触子402に伝達する様子を示している。但し、探触子の外皮厚Sを0として作図している。
【0274】
407は離散化表示した403の発信超音波ごとに生じる404の波の合成波の強度を模式的に示したものである。408がこれ等強度の包絡線であり、前述合成波が急激に減衰する様子を示している。探知を邪魔する表面波、直接波等の成分が低周波側で最も小さくなる周波数の2倍値を示す数式52の導入にならえば、図46の受信探触子において、離散化された受信点S0,S1,S2…、Snで受信する各振動数成分波の強度が概略等しいという仮定条件が成立する必要がある。これを満足させるために、409なる点線を設定し、受信点を2つの領域405、406に分け、図ではS0〜S4での受信成分波の強度が各々等しいと、そしてS5〜Snでの受信成分波の強度が各々等しいとみなした。ここで、前述409の点線と発信探触子の中心線410との距離をβと定義した。
【0275】
そして、領域405と領域406の成分波の強度を比較すると、前者が格段に大きいことより、後者を無視し、S0,S1…,S4の受信点を各々小さな径の受信探触子と考えれば、第4の実施例で示した理由より、探知を邪魔する404a、404b、404cの波の内、その強度が小さくなる最も低周波の成分波の振動数(1/2)f0を決めるための数式60の所定量G1がΦ1を発信探触子内の振動子径、Φ2を受信探触子内の振動子径、Sを前記探触子の外皮厚及びfPを受信探触子外皮の共振振動数として、下記数式62及び63の如く導入できる。
【0276】
【数62】 【0277】
但し、Φ2<G1のとき、G1=Φ2である。
【0278】
上記G1を数式60及び52に適用して得るf0値においてf0<4fPの場合、f0=4fPとすればよい。言い変えると、G1値は数式63となる。
【0279】
【数63】 【0280】
なお、βの値は、強度350〜450kg/cm2の一般的コンクリートの場合で、以下の如き数値となることが、多くの計測実験で確認された。
【0281】
発信探触子内振動子径40mm:β=50〜53mm
発信探触子内振動子径76mm:β=65〜68mm
【0282】
更に、図44(d)に示す走査法における所定量G2がどのようになるかを以下に示す。発信及び受信供用探触子が小さな径の探触子の集合と離散化して考えれば、前述所定量G1の導入に準じ、そして、数式52及び53の導入にならい所定量G2がΦを発信及び受信供用探触子の振動子径として数式64の如く導入できる。
【0283】
【数64】 【0284】
更に、fPをこの探触子の外皮の共振振動数としたとき、数式52、61及び64で算定されるf0値がf0<4fPとなる場合、G2値は数式65となる。
【0285】
【数65】 【0286】
ところで、図44(b)又は(d)に示す走査法を用いた測定の場合、数式52で得られるf0値が大きくなる。振動子径40mm、周波数500kHz及び外皮厚10mmの探触子を用いた図44(b)に示す走査法によれば、数式62により数式66が成り立つ。
【0287】
【数66】 【0288】
そして、数式52及び60で探知を邪魔する波の平均音速を、3500〜4000m/秒とすれば、下記数式67に示すf0が得られる。
【0289】
【数67】 【0290】
この結果、最も低周波で探知を邪魔する波が最も小さくなる周波数(f0 /2)は190kHz程度となろう。
【0291】
コンクリート内での超音波は散乱現象でその伝達距離が長くなると、加速度的に減衰し、その量は伝達距離の2乗〜3乗に比例することも珍しくない。50cm、100cm又はそれ以上の版厚測定では、上記190kHzの周波数程度の波ではこの散乱減衰により、測定し難くなる場合がある。事例として図72のコンクリートモデルでA’点で振動子径40mm、500kHzの発信探触子及び受信探触子を用いた図44(b)に示す走査法による測定例を図47に示す。矢印で示すところが版厚反射波の理論的起生位置だが、反射波の存在を確認できない。探知を邪魔する表面波の残存が、その伝達距離が長い故に大きく減衰している版厚反射波より相対的にその振幅が大きい故である。
【0292】
この様な場合の受信波に含まれる探知を邪魔する妨害波と版厚などの探知目標波のスペクトルを比較して示せば図48の如くなる。
【0293】
501が加算平均波に含まれる探知を邪魔する妨害波、601が探知目標波のスペクトルである。妨害波も探知目標波と同様伝達距離が長いと大きく減衰しているはずである。これより、妨害波のスペクトル501の時系列波は加算平均波の中で起生時刻の早いところに集中しているはずである。これより、時系列フィルタを数式68の如く定義する。
【0294】
【数68】 【0295】
ここでt0は探知対称深さをとして数式69で定義される。
【0296】
【数69】 【0297】
これを加算平均波に乗じれば、501は502のスペクトルへ、さらに乗じていけば、502→503→504の如く、スペクトル値が図に示す如く減じていくはずである。加算平均波に含まれる妨害波スペクトルが504の如くなった段階でみれば、探知目標波スペクトル601が、妨害波504より、(1/2)f0〜fDの周波数範囲で格段に大きくなってくる。これより、加算平均波からの成分波取り出しの中心周波数を(1/2)f0から低周波側へ可能とする限り移行していけば、低周波の成分波になればなるほど、散乱伝達減衰が縮小していくことより、探知目標波が浮かび上がってくるはずである。
【0298】
これより、fDは前述受信探触子の外皮の共振振動数fPを用いて数式70の如くなる。
【0299】
【数70】 【0300】
以上、図44(b)又は(d)に示す走査法を用いて深い位置からの反射波を得るためには、あらかじめ定められた探知対象深さより決まるt0値を数式69で求め、これを数式68に適用し、得られる時系列フィルターを前述加算平均波に複数回乗じ、数式60及び数式52の組合せ又は数式61及び数式52の組合せで決まる(1/2)f0値から数式70のfD値までの範囲で中心周波数を設定し、徐々に(1/2)f0からfDへこの設定を移動させた成分波の取り出しを行っていけばよい。
【0301】
前述の図44(b)又は(d)に示す走査法を用いた深いところからの反射波の取得を第5の実施例として示す。但し、図44(b)及び(d)に示す走査法は本質的に同じものである。これにより、図44(b)に示す走査法で第5の実施例を示す。図72のコンクリートモデルを用いた図42の版厚50cmの版厚反射の測定例を用いて説明する。図49は探知対象深さを約80cmすなわち、数式69でt0を400μ秒とし、これを数式68に適用し、時系列フィルタ関数GをG(t)=sin((π/2)・(t/400))とし、これを図42の200kHzの中心周波数成分波である波に3回乗じたものである。この時点でカーソルで示す位置に版厚反射らしきものが見えるが、これを版厚反射と特定するのは困難である。これより、(1/2)f0値からfD値まで徐々に成分波取り出しの中心周波数を移動する解析を行う。
【0302】
(1/2)f0値は前述の如く190kHzである。fD値は使用した探触子の共振振動数が16.5kHZ程度より数式70を適用して4×16.5≒65kHzとなる。途中の経過を省略し、fD=65kHzを中心周波数とした成分波の取り出し結果を図50に示す。200kH付近の成分波(図47)では全く確認し得なかった版厚反射波が、図50では驚くほど明敏に確認できる。
【0303】
前述のf0値の1/2を中心として取り出し成分波を高周波方向へ、あるいは低周波方向へ移動させる測定例を第6の実施例として示す。
【0304】
図51に測定したコンクリートモデルを示す。平面が30cm×30cm、厚さが35cm、表面よりかぶり厚で10cmの位置に径19cmの丸鋼900を埋め込んでいる。1から5の計測点で図44(b)に示す走査法を用い埋め込み鉄筋長手方向に平行に、探触子を20cmの移動幅で走査する。加算平均化回数は夫々3000回、用いた探触子は受信子及び発信子とも振動子径40mm、共振振動数1MHz、探触子径60mmである。
【0305】
この計測におけるf0値は第5の実施例と同じである。すなわち(1/2)f0=190kHzであった。
【0306】
190kHzを中心周波数として取り出した各計測点での成分波を示したものが図52である。妨害波がこの周波数では消滅し、測定3の直下にある鉄筋からの反射波のみが明敏に確認できる。一方、図53は探知対象深さを50cmとし数式69を用いて、t0=(2×500/4.3)≒230μ秒として、これを数式68に適用して得た時系列フィルタG(t)=sin(πt/(2×230))を図52の各成分波に10回乗じた波において、成分波の取り出し中心周波数を、前記(1/2)f0(=190kHz)から、受信探触子の外皮の共振振動数(用いた探触子では16.5kHz)を数式70に適用して得られる値(66kHz)まで順にフィルタ処理で移行していく過程で得られた1例である。取り出しの中心周波数が150kHzの例である。鉄筋からの反射波及び版厚に関する反射波の相方が明敏に浮き上がっている。厚さが35cmと比較的短い故、4fD=66kHzより高周波でも厚さに関する反射波を取り出すことができる事例である。なお、図52及び図53は取り出し成分波を4乗表示したものである。
【0307】
前述の解析で、即ち図52及び図53で鉄筋の平面的存在位置及びかぶり厚が測定できるわけだが、鉄筋径の測定はどうだろう。
【0308】
図52は200kHz、図72は150kHzでの、成分波の取り出しであった。この様な低周波の成分波では鉄筋径を認識する反射波などの取得は不可能である。このため、成分波取り出しの中心周波数を高周波方向へ移動させていく必要がある。この方法について説明する。
【0309】
図54は、測点3での200kHz成分波である。探知対象が比較的深くなると探知目標からの反射波の高周波成分の強度が小さくなることより、高周波成分の取り出しでは、消滅していた妨害波が相対的に浮き上がってくる。
【0310】
このため、高周波への掃引の前に、図54の鉄筋反射波のカーソルで示す位置をt0とし、これを数式68に適用し、時系列関数G(t)を作成し、これを図54の200kHz成分波に複数回乗ずる。本実施例では3回である。この様な時系列フィルタリング処理を行った波から高周波成分波を取り出す。中心周波数を徐々に高周波側へ掃引していった成分波の内680kHzとしたときの成分波の増幅表示を図55に示す。最左の大きな振幅の波801が鉄筋上端からの反射波である。カーソルで示す位置がその起生時刻である。
【0311】
その右側のカーソルが往路701をたて波で、復路702をよこ波で伝達する反射波の起生位置を示し、更にその右側のカーソル位置が、探触子より微小量発信されるよこ波が701、702経路ともよこ波で伝達する反射波の起生位置である。この位置に微小な振幅の当該反射波805の起生があることを確認願いたい。
【0312】
802が図19(c)に示す鉄筋下端からの反射波76でコンクリート内の往路、復路の伝達をたて波で、及び鉄筋内もたて波で伝達する波である。
【0313】
803は図20(a)の鉄筋円周上で鉄筋内をたて波で及びコンクリート内の往路701、復路702もたて波で伝達する波である。
【0314】
804は図20(a)の鉄筋円周上で鉄筋内をよこ波で及びコンクリート内をよこ波で伝達し、コンクリート内の往路701、復路702をたて波で伝達する2つの波の重畳波である。また、806は、非常に特殊な波の起生である。発信探触子よりコンクリート内に入力されたたて波は、コンクリート内の多量の細石及び微細な空隙との界面でモード変換を起こす。この変換で生じたよこ波の重畳波が鉄筋上端で反射し、701、702経路共よこ波で伝達する波である。
【0315】
以上より、801の波の起生時刻をt2、802、803、804、805の波の起生時刻をt1及びVPを鉄材中の超音波のたて波音速とし、801と802の波を用いた鉄筋径dの算定を下記数式71により行う。
【0316】
【数71】 【0317】
801と803の波を用いた鉄筋径dの算定を数式17により行う。
【0318】
801と804の波を用いた鉄筋径dの算定を下記数式72により行う。
【0319】
【数72】 【0320】
ここで、VS=0.53VPである。
【0321】
なお、更に高周波の成分波の取り出しで804の波を2つに分離できる場合、この2つの波の内、より早く生ずる波の起生時刻をt1として前記数式72を用いて鉄筋径を算定し、より遅く起生する波の起生時刻をt1として、下記数式73を用いて、鉄筋径を算定することもできる。
【0322】
【数73】 【0323】
ここで、CVSはコンクリート内の超音波のよこ波速度であり、たて波CVPの0.59〜0.62で算定される値である。これより鉄筋径は、801と802より、d=(50.9−44.5)(μ秒)×5.9(mm/μ秒)/2=18.9mm、801と803より、d=(54.5−44.5)(μ秒)×5.9(mm/μ秒)/π=18.8mm、801と804より、d=(65−44.5)(μ秒)×5.9(mm/μ秒)×0.53/π=20.4mm、となり、実値19mmを極めて高精度に測定している。
【0324】
更に、高周波へ掃引すると、802、805、806の波はその振幅が縮小していくようである。図56に1MHzを中心周波数とする成分波を示す。
【0325】
なお、図55及び図56は成分波を3乗表示している。
【0326】
前述実施例では、受信波より所定の中心周波数をもった成分波を前記受信波にフィルタ処理を行うことにより取りだした。図には示さないが、前述所定の中心周波数をもつ発振超音波を発信探触子から出力でき、受信探触子で受信波を計測する機構をもった超音波探知装置であれば、受信した超音波は前記実施例によるフィルタ処理で取り出した成分波と概略同一となる。このような前述の機構をもった超音波探知装置を用いれば前述の所定の中心周波数をもつ成分波と同等の成分波を受信波として得ることができる。
【0327】
前述の測定方法によれば、鉄筋の平面的位置、かぶり厚及び径等を高い精度で測定することが可能であるが、風雨に曝され経年変化を受けたコンクリート材の場合、その表層の物性変化のみならず、表面が比較的良好に見えるものであっても、無数の微細な幅のひび割れが形成されていることが多い。図57は経年変化を受けたコンクリート材における種々の波の伝達を示す模式図である。
【0328】
このようなコンクリート材において鉄筋のかぶり厚等を測定しようとしても、探知目標である鉄筋112からの反射波111等は微細幅のひび割れ115により、その伝達を遮断される。その一方で、深い経路をとる直接波113がより多く受信点A2で受信される。従って、前述の方法では、鉄筋の平面的位置を探知できる場合もあるが、できない場合も出てくる。なお、表面波114もひび割れ115により受信点A2までの経路が遮断されている。
【0329】
このような場合であっても、鉄筋の表面を伝達する臨界屈折波による超音波の伝達経路を利用することにより、極めて高精度に鉄筋の位置を確実に探知することができる。図58は臨界屈折波による経路を示す模式図である。
【0330】
前述のように、表面に無数のひび割れ125が生じている場合、反射波等の伝達はひび割れ125により遮断されるので、発信点A1から入力されて受信点A2で受信される超音波の伝達経路は、鉄筋122を介する臨界屈折波として伝達する波121及びコンクリート材の深層の直接波123となる。
【0331】
ここで、屈折波として伝達する波121の経路と直接波123の経路とでは、前者のほうが短い。また、超音波の伝達速度は、鉄筋122の方がコンクリート材よりも速い。従って、受信点A2においては、屈折波として伝達する波121の方が直接波123よりも先に受信される。そして、発信点A1と受信点A2との間隔が大きくなればなるほど、それらの受信時刻の差が大きくなる。
【0332】
但し、屈折波として伝達する波121の振幅は極めて微小であるため、微細な電気的雑音又は測定環境下における外乱等が存在すると、それらの中に屈折波として伝達する波121は埋もれてしまい、これを検出することが従来困難であった。
【0333】
そこで、本願発明者が鋭意研究を重ねた結果、超音波の発信回路(ステップ電圧発生回路1a、ステップ電圧駆動回路1c)と受信回路(アンプ回路4a)とを夫々探触子に組み込み電気的に分離することにより、定常又は非定常の電気的雑音を極力低減し、これでも残存する非定常の電気的雑音及び大きな勢力の外乱を除去するための超高速な受信波の加算平均を行う装置を設けることにより、以下に示す方法で測定を行うことにより、表面にひび割れが形成されているコンクリート材でも、極めて精度が高い測定を行うことができることを見出した。
【0334】
図59はひび割れが表面に形成されているコンクリート材における鉄筋の探知方法を示す模式図である。先ず、発信探触子と受信探触子との間隔をLとし、発信点A1と受信点A2との間で計測を行う。このとき、1000乃至2000回の測定を行い加算平均を行うが、場合によっては10000回又は20000回もの加算平均を行う。このとき、発信探触子及び受信探触子を図30のように移動させて数式19又は20の加算平均を行う必要はない。探知を邪魔する表面波114、浅い径路の直接波113等は、ひび割れ115で遮断されているからである。その後、同様の方法により、発信点B1と受信点B2との間及び発信点C1と受信点C2との間で計測を行う。なお、発信点B1と受信点B2との間隔及び発信点C1と受信点C2との間隔もLである。
【0335】
この方法によれば、発信点B1と受信点B2との間での計測のように、経路131乃至133の波の伝達がひび割れに遮断されずに、臨界屈折波による波が受信される場合がある。なお、経路132の波は、鉄筋の埋め込み深さよりも深いひび割れが存在していても、その伝達は遮断されない。また、探触子を移動させる方向は、探知する鉄筋の配筋方向である。
【0336】
次に、実際に上述の方法で測定を行った結果について説明する。図60は打設後5年間乾燥させたまま放置したコンクリート材を示す図であって、(a)は平面図、(b)は(a)のD−D線による断面図、(c)は(a)のE−E線による断面図である。コンクリート材141の縦及び横方向の寸法は50cmであり、厚さは30cmである。そして、表面及び裏面から5cmの位置に径が19mmの丸鋼143が合計で6本埋め込まれている。そして、各計測位置P21乃至P35において、L=30cmとして発信探触子及び受信探触子の距離を固定した計測で1000回の加算平均波を受信波として得た。
【0337】
図61は計測位置P28における受信波を示す図であって、(a)は定常又は非定常の電気的雑音及び外乱の除去を行わなかった場合を示すグラフ図、(b)はこれらの除去を行った場合を示すグラフ図である。即ち、図61(b)は前述の数式1の加算平均を用いて電気的雑音及び外乱を取り除いたものである。なお、電気的雑音を除去する方法として図1のステップ型電圧発生器1中のステップ電圧発生回路1a及びステップ電圧駆動回路1cを小さく基版化して発信探触子2aに組み込み、解析装置4中のアンプ回路4aを小さく基版化して受信探触子に組み込んだ。図61(a)に示すように、電気的雑音及び外乱の除去を行わなかった場合には、図中の×−×線で示す時刻が臨界屈折波による波の理論的起生時刻であるが、これを判別することは困難である。即ち、定常的及び非定常的な電気的雑音及び非定性的な外乱が起生しており、これらの波の中にこの屈折波による波の起生が埋没してしまっている。
【0338】
一方、図61(b)に示すように、電気的雑音及び外乱の除去を行なった場合には、種々の雑音が除去され、屈折波の起生時刻を明敏に特定することが可能である。ここで、定常的及び非定常的な電気的雑音及び外乱を除去する方法としては、超音波発信部と受信部とでハードウェア回路を電気的に分離する前述のような方法を採用し、数式1による2000回の加算平均を行った。
【0339】
なお、図61(a)及び(b)の時系列波は120kHzを中心周波数として取り出したものである。図62は120kHzを中心周波数とするフーリエスペクトルを示すグラフ図である。また、図61(a)及び(b)における破線で示す時刻103.9μ秒は超音波の発信時刻である。
【0340】
図60に示す鉄筋143の探知においては、超音波の入射角がスネルの定理による後述の数式77に本コンクリートモデルの音速CVP=3950m/秒、鉄筋の音速gVp5900m/秒を適用すると42゜であるため、コンクリート材141中の伝達長は67.3mm×2であり、鉄筋143部分の伝達長は210mmである。従って、理論的な受信時刻tkは下記数式74で表される。
【0341】
【数74】 【0342】
これは、172.2−103.9から求められる測定値68.3(μ秒)とほとんど一致する。
【0343】
図63及び図64は電気的雑音等を除去したときに各計測位置において得られた時系列波を示す模式図である。なお、図64は図63における振幅を約10倍にして表示したものである。図63に示すように、各計測位置において直接波を示す振幅が大きい波の前に小さな振幅の波が起生している。この小さな振幅の波が鉄筋143を介した臨界屈折波による波である。また、図64を見ると、鉄筋の直上の位置である位置P23、P28及びP33において臨界屈折波による波の起生時刻が最も早いものとなっている。また、その振幅も最大となっている。そして、これらの位置から離れるにつれて、起生時刻が遅くなり、振幅が小さくなっている。同図で各波の起生時刻を結んだ線分を点線で示している。この点曲線が極小値をとる計測点位置に鉄筋が埋め込まれていることになる。また、かぶり厚dも、前述の極小値位置での起生時刻tkをt11と置き変え、後述の数式80に適用することで計算できる。
【0344】
このように、電気的雑音及び計測環境における交通騒音等の大きな外乱を除去すると共に、一定の間隔で2つの探触子を配筋方向と平行に配置して計測を行い加算平均を行うことにより、表面にひび割れが形成されているコンクリート材においても鉄筋の探知が可能となる。なお、以下のようなソフトウェアを超音波探知装置に具備させる必要がある。
【0345】
このソフトウェアの内容について説明する。ここでは、図59のA1−A2計測での数式1による加算平均波をyA(t)、B1−B2計測での数式1による加算平均波をyB(t)とする。図67(a)は加算平均波yA(t)を示す模式図、(b)は加算平均波yB(t)を示す模式図である。
【0346】
図67(a)に示すように、加算平均波yA(t)においては、ひび割れ125等により鉄筋を介する臨界屈折波による波121は遮断され、直接波123のみが受信される。一方、図67(b)に示すように、加算平均波yB(t)においては、波121を遮断するひび割れがないので、直接波123の起生の前に臨界屈折波による微少振幅の波121が生ずる。この時、図67(b)に示す破線の時刻が臨界屈折波による波121の起生時刻である。そして、前述のソフトウェアは、計測をA1−A2、B1−B2、C1−C2、・・・と繰り返したときに、この破線の時刻が最も早く生じる加算平均波を受信波とするものである。
【0347】
このような計測を各計測位置で行えば、図63及び図64に示すように、鉄筋上を臨界屈折波として経路する波の起生を確実に特定することができる。
【0348】
ところで、前述の発信探触子と受信探触子の距離LはLが大きくなればなるほど、図64に示す点曲線の極大値と極小値との差が大きくなり、極大値となる位置、いい変えると鉄筋の平面的存在位置を特定し易くなる。
【0349】
これにより、L値はある程度大きい方が良い。しかしながら、L値には限度がある。あまりL値が大きいと、前述した鉄筋上を臨界屈折波で伝達する波の強度が小さくなり、受信子で受信される図63及び図64の波の起生時刻を読み取りにくくなる。多くの計測例より、このL値は下記数式75で定義すればよいと判断した。
【0350】
【数75】 【0351】
なお、前述の臨界屈折波を利用した探知法はコンクリート表面にひび割れのない場合にも適用できる。但し、このときのL値は下記数式76で定義されるものとする。
【0352】
【数76】 【0353】
ここで、θは後述の数式79で求められる。また数式中の5.9は鉄筋のたて波音速(mm/μ秒)である。及びは鉄筋の埋め込深さ予測値である。
【0354】
即ち、発信探触子より直下にたて波を入力したとき、コンクリート表面に発生する微弱なたて波が受信子に達する時間L/CVPが後述する鉄筋上を臨界屈折波で伝達する起生時刻を示す数式80で算定されるt11より大きくなることがその適用条件となる。
【0355】
これまでの探知方法においては、コンクリート材中の超音波の伝達速度が既知としているが、コンクリート構造物によっては、コンクリート材の劣化が著しい場合等に、予めその中の伝達速度を測定しておくことができないことがある。しかし、図63及び図64に示す結果から鉄筋の平面的存在位置及び埋め込み深さだけでなくコンクリート材の超音波の伝達速度の算出も可能である。以下、この算出方法について説明する。図65は計測位置P23及びP25における屈折波の伝達径路を示す模式図である。図65中で実線で示す方が計測位置P23における伝達径路であり、破線で示す方が計測位置P25における伝達径路である。また、鉄筋のかぶり厚をd、計測位置P23と計測位置P25との間隔をbとしている。
【0356】
図65に示すように、計測位置P25における鉄筋径路の長さは下記数式77で表され、計測位置P23におけるそれは下記数式78で表される。
【0357】
【数77】 【0358】
【数78】 【0359】
但し、SVPを鉄筋中のたて波の伝達速度(5.9mm/μ秒)、CVPをコンクリート材中のたて波の伝達速度(未知量)として、スネルの定理より、入射角θは下記数式79で求めることができる。
【0360】
【数79】 【0361】
図65において、斜め方向の径路は超音波がコンクリート材中を伝達する領域であり、水平方向の径路は鉄筋中を伝達する領域である。従って、鉄筋直上(計測位置P23)での屈折波の起生時刻をt11、この位置から水平方向にbだけ離れた位置(計測位置P25)での起生時刻をt12とすると、下記数式80及び81が成り立つ。
【0362】
【数80】 【0363】
【数81】 【0364】
そして、起生時刻t11及びt12は図63及び図64から極めて高精度に求められているので、これらの値を数式80及び81に代入して連立方程式を解くことにより、2つの未知量であるコンクリート材中での伝達速度及び鉄筋の埋め込み深さを算出することができる。図64よりt11=172.2−103.9=68.3(μ秒)、t12=182−103.9=78.1(μ秒)であり、b=60(mm)、L=300(mm)であるため、数式80及び81からd=49.5(mm)、CVP=4.0(mm/μ秒)が算出される。実際の超音波の伝達速度と2%以内の誤差で計測されていると判断できる。このように、鉄筋の埋め込み深さだけでなく、コンクリート材中での超音波の伝達速度を求めることができる。
【0365】
なお、前述のbの値は前述t11を得た位置と平行して埋められている鉄筋との平面的な最小距離(図60(b)ではSの値)を用いて下記数式82で決めればよい。
【0366】
【数82】
Claims (38)
- 被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて0からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有し、前記発信探触子及び受信探触子は、前記被探知体の表面上を移動しながら、前記超音波の発信及び受信を行うものであることを特徴とする超音波探知装置。
- 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とするとき、前記抽出手段は、下記数式により求まる周波数f0の半分の周波数(f0/2)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項1に記載の超音波探知装置。
f0=2×106×V/ΔL - 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をfp(Hz)とするとき、f0=2×106×V/ΔLで与えられる周波数f0と前記共振周波数fpとの間にf0<4×fpの関係が成立する場合に、前記ΔL(mm)の値を下記数式のように設定し、前記抽出手段は、(2×fp)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項1に記載の超音波探知装置。
ΔL=106×V/(2×fp) - 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離が一定である場合に、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記受信探触子の振動子の直径をΦ2(mm)とするとき、前記抽出手段は、下記数式により求まる周波数f0の半分の周波数(f0/2)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項1に記載の超音波探知装置。
f0=2×106×V/Φ2 - 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をt0(μ秒)とするとき、前記抽出手段は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数G(t)を複数回乗じて時系列波を算出する時系列波算出手段と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をd(mm)とし、前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の最小値をl1(mm)とするとき、下記数式によりΔLtを算出する手段と、中心周波数をf0=2×106×V/ΔLによって決まる周波数(f0/2)から下記数式により求まる所定値(fA/2)(Hz)の範囲で増加させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する手段と、を有することを特徴とする請求項1に記載の超音波探知装置。
- 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、探知対象深さをd(mm)とし、前記被探知体の縦波音速をVp(mm/μ秒)とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をfpとするとき、前記抽出手段は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数G(t)を複数回乗じて時系列波を算出する時系列波算出手段と、中心周波数をf0=2×106×V/ΔLによって決まる周波数(f0/2)から(4×fp)の範囲で減少させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する手段と、を有することを特徴とする請求項1に記載の超音波探知装置。
- 前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知するものであり、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超音波探知装置。
- 前記被探知体の厚さを計測するものであり、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超音波探知装置。
- 前記被探知体の厚さを計測するものであり、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を挟む位置にある2つの領域内で夫々移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の超音波探知装置。
- 被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記被探知体の表面上を移動しながらステップ型電圧に基づいて0からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信すると共に前記超音波を受信して電気信号に変換する共用探触子と、前記電気信号に基づいて前記共用探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有することを特徴とする超音波探知装置。
- 共用探触子の振動子の直径をΦ(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とするとき、前記抽出手段は、下記数式により求まる周波数f0の半分の周波数(f0/2)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項11に記載の超音波探知装置。
f0=2×106×V/Φ - 共用探触子の振動子の直径をΦ(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をt0(μ秒)とするとき、前記抽出手段は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数G(t)を複数回乗じて時系列波を算出する時系列波算出手段と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をd(mm)とし、前記共用探触子の直径をΦ(mm)とするとき、下記数式によりΔLtを算出する手段と、中心周波数をf0=2×106×V/Φによって決まる周波数(f0/2)から下記数式により求まる所定値(fA/2)(Hz)の範囲で増加させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する手段と、を有することを特徴とする請求項11に記載の超音波探知装置。
- 前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知するものであり、前記共用探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項11乃至14のいずれか1項に記載の超音波探知装置。
- 前記被探知体の厚さを計測するものであり、前記共用探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項11乃至14のいずれか1項に記載の超音波探知装置。
- コンクリートからなる構造体内にこの構造体の表面に平行に埋め込まれた複数の鉄筋を探知する超音波探知装置において、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて0からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、複数の前記狭帯域成分波を比較表示する表示手段と、を有し、前記構造体の表面に前記鉄筋が延びる方向と平行な方向に延びる複数本の測線を等間隔に設定し、この複数本の測線の夫々において、前記発信探触子及び前記受信探触子を同一の前記側線上に相互間の距離が一定になるように配置して前記加算平均波の算出を行うことにより、複数の前記加算平均波を取得し、前記抽出手段がこの複数の加算平均波から複数の前記狭帯域成分波を抽出し、前記表示手段がこの複数の狭帯域成分波を比較表示するものであることを特徴とする超音波探知装置。
- 前記表示手段が、第1の軸に前記構造体の表面における前記側線が延びる方向に直交する方向における位置をとり、前記第1の軸に交差する第2の軸に時刻をとって、複数の前記狭帯域成分波を表示するものであり、前記狭帯域成分波の起生時刻を特定する手段と、前記表示手段の表示上で前記起生時刻を示す点を結んだ曲線を作成し、この曲線における前記起生時刻が極小値をとる前記位置を、前記構造体における前記鉄筋の直上位置であると判断する手段と、を有することを特徴とする請求項17に記載の超音波探知装置。
- 前記複数の狭帯域成分波から前記コンクリートの縦波音速及び前記鉄筋の埋込深さを計算する計算手段を有し、前記加算平均手段が、一の前記鉄筋を前記表面に垂直投影して得られる第1の測線上にその中心間距離をL(mm)として前記発信探触子及び前記受信探触子を配置したときに得られる加算平均波を第1の加算平均波とし、前記鉄筋を前記構造体の表面に垂直投影したときの間隔の平均値をS(mm)としたときに、前記第1の測線からb≦(S/2)により得られる距離bだけ離隔しており前記第1の測線と平行な第2の測線上にその中心間距離をL(mm)として前記発信探触子及び前記受信探触子を配置したときに得られる加算平均波を第2の加算平均波とするものであり、前記抽出手段が前記第1及び第2の加算平均波から夫々第1及び第2の狭帯域成分波を抽出するものであり、前記表示手段が前記第1及び第2の狭帯域成分波を比較表示するものであり、前記計算手段が、前記第1の狭帯域成分波の最初の起生時刻をt11(μ秒)とし、前記第2の狭帯域成分波の最初の起生時刻をt12(μ秒)とし、前記コンクリートの縦波音速をcVp(mm/μ秒)とし、前記鉄筋の埋込深さをd(mm)とし、前記鉄筋の縦波音速をsVp(mm/μ秒)とするとき、下記数式を連立させて、前記コンクリートの縦波音速cVp及び前記鉄筋の埋込深さdを計算するものであることを特徴とする請求項17又は18に記載の超音波探知装置。
- 前記発信探触子及び前記受信探触子を相互間の距離を一定に保ちながら前記各測線上を移動させて、相互に異なる複数の位置で前記超音波を受信し、この複数の受信波を比較して最も早い時刻に波の起生を確認できる受信波が受信できる位置において、前記加算平均波を算出することを特徴とする請求項17乃至19のいずれか1項に記載の超音波探知装置。
- 前記発信探触子が前記ステップ型電圧を生成する発信回路を有し、前記受信探触子が受信した前記超音波が変換された電気信号を増幅する受信回路を有することを特徴とする請求項17乃至20のいずれか1項に記載の超音波探知装置。
- 被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において発信探触子及び受信探触子を夫々移動させながら、前記発信探触子にステップ型電圧に基づいて0から前記発信探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記受信探触子に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記受信探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする超音波探知方法。
- 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とするとき、前記抽出工程において、下記数式により求まる周波数f0の半分の周波数(f0/2)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項23に記載の超音波探知方法。
f0=2×106×V/ΔL - 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をfp(Hz)とするとき、f0=2×106×V/ΔLで与えられる周波数f0と前記共振周波数fpとの間にf0<4×fpの関係が成立する場合に、前記ΔL(mm)の値を下記数式のように設定し、前記抽出工程において、(2×fp)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項23に記載の超音波探知方法。
ΔL=106×V/(2×fp) - 前記算出工程において、前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離を一定とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記受信探触子の振動子の直径をΦ2(mm)とするとき、前記抽出工程において、下記数式により求まる周波数f0の半分の周波数(f0/2)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項23に記載の超音波探知方法。
f0=2×106×V/Φ2 - 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をt0(μ秒)とするとき、前記抽出工程は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数G(t)を複数回乗じて時系列波を算出する工程と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をd(mm)とし、前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の最小値をl1(mm)とするとき、下記数式によりΔLtを算出する工程と、中心周波数をf0=2×106×V/ΔLによって決まる周波数(f0/2)から下記数式により求まる所定値(fA/2)(Hz)の範囲で増加させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項23に記載の超音波探知方法。
- 前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔL(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、探知対象深さをd(mm)とし、前記被探知体の縦波音速をVp(mm/μ秒)とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をfpとするとき、前記抽出工程は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数G(t)を複数回乗じて時系列波を算出する工程と、中心周波数をf0=2×106×V/ΔLによって決まる周波数(f0/2)から(4×fp)の範囲で減少させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項23に記載の超音波探知方法。
- 前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知する方法であり、前記算出工程において、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項23乃至29のいずれか1項に記載の超音波探知方法。
- 前記被探知体の厚さを計測する方法であり、前記算出工程において、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項23乃至29のいずれか1項に記載の超音波探知方法。
- 前記被探知体の厚さを計測する方法であり、前記算出工程において、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を挟む位置にある2つの領域内で夫々移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項23乃至29のいずれか1項に記載の超音波探知方法。
- 被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において共用探触子を移動させながら、前記共用探触子にステップ型電圧に基づいて0から前記共用探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記共用探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をf、特定の周波数をf HL として定まる関数C1=sin((π/2)×(f/f HL ))と、関数C2=cos((π/2)×(f/f HL ))とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする超音波探知方法。
- 共用探触子の振動子の直径をΦ(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とするとき、前記抽出工程において、下記数式により求まる周波数f0の半分の周波数(f0/2)(Hz)を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項33に記載の超音波探知方法。
f0=2×106×V/Φ - 共用探触子の振動子の直径をΦ(mm)とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をV(mm/μ秒)とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をt0(μ秒)とするとき、前記抽出工程は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数G(t)を複数回乗じて時系列波を算出する工程と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をd(mm)とし、前記共用探触子の直径をΦ(mm)とするとき、下記数式によりΔLtを算出する工程と、中心周波数をf0=2×106×V/Φによって決まる周波数(f0/2)から下記数式により求まる所定値(fA/2)(Hz)の範囲で増加させつつ、前記時系列波から狭帯域成分波を抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項33に記載の超音波探知方法。
- 前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知する方法であり、前記算出工程において、前記共用探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項33乃至36のいずれか1項に記載の超音波探知方法。
- 前記被探知体の厚さを計測する方法であり、前記算出工程において、前記共用探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項33乃至36のいずれか1項に記載の超音波探知方法。
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