JP6171214B2 - トモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システム - Google Patents

Description

本発明は、例えばコンクリート構造物などで構成されるインフラ構造物の再生やその長寿命化のためのリニューアル工事などの前に、前記構造物の内部状況を調査し、検査するコンクリート構造物などの非破壊検査システムに関するものである。

ここで、トモグラフィとは、調査領域内の多数の、かつ多方向の走査線間における弾性波の計測走時と、解析モデルから算出される理論走時との「走時残差」を許容誤差内に収束させるように、解析モデルの要素パラメータ、例えば弾性波の伝播速度を補正し、前記調査領域を補正された各要素の速度の分布図で表すものである。そして、前記の速度の分布図によって構造物内部の欠陥等の位置や程度を、例えば通常の伝播速度より遅い低速度の領域として示すことが出来るものとなる。

そして、前記速度の分布図解析は、複数の弾性波波形計測センサによって計測された弾性波の波形を分析することにより行われている。

そして、当該非破壊検査システムの検査手法の一手段である、いわゆる走査線間の計測走時の計測は、鋼球等で発振された弾性波の発振波形および受信波形を、それぞれ設置した弾性波波形計測センサ（発振波形計測センサ、受信波形計測センサ）で計測し、読み取られる初動時刻の差から算出し、解析するものとしている（特開昭２０１１−１９１２０２号公報参照）。

ところで、従来では、前記弾性波の発振手段として、例えば弾性波発振用器具となる金属製ハンマーなどで打撃するなどの手段が必ず必要とされていると共に、当該発振箇所付近に配置する弾性波波形計測センサ（発振波形計測センサ）が複数個必要とされ、調査領域に設置した弾性波波形計測センサを、受信波形計測センサとして使用するとともに、発振波形計測センサとしても使用しなければならなかった。

特に、前記の金属製ハンマーで、例えば高速道路の床面などコンクリート構造物所定箇所に打撃を加える等、強制的な形での発振手段を講じるためには、さらに、常設の足場を構築して、その足場を利用し、構造物所定箇所に作業者が出向き、その上で前記高速道路の床面などを打撃するなどの発振手段を講じなければならない。

すると作業自体も時間と手間がかかるほか、費用コストも高額となり、特に前述の高架橋等の高所作業を伴う場合では、作業者の安全面も含めて従来のトモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムは適用しがたいものであった。

すなわち、上記従来のトモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムでは、例えば、金属製ハンマーでの打撃や鋼球等での打撃により、構造物の非破壊検査の調査領域に能動的に弾性波を発振することが必須であり、ゆえに、計測時にも作業者が調査領域に近づかなければならないため、足場等設備が必須となる。

そして、これは、前記構造物の非破壊検査の調査領域を経時的にモニタリングする場合にも同様で、その都度調査領域に近づかなければならないことになる。また、前述したように、発振波形を計測するための発振波形計測センサとして使用することも必須であり、発振点数および発振位置は予め設置されたセンサ位置となるため、走査線数も限られてしまうとの課題があった。

特開２０１１−１９１２０２号公報

本発明は前記従来の課題を解消するために創案されたものであって、前記の金属製ハンマーで、例えば高速道路の床面などコンクリート構造物所定箇所に打撃を加える等、強制的な形での発振手段を講じる必要がなく、そのため、常設の足場を構築する必要がなく、すなわちその足場を利用し、構造物所定箇所に出向き、その上で前記高速道路の床面などを打撃するなどの発振手段を講ずる必要がなく、もって検査作業も時間と手間がかからず、費用コストも安価となり、また前記構造物の非破壊検査の調査領域を経時的にモニタリングする場合にも同様で、その都度調査領域に近づく必要がないトモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムを提供することを目的とするものである。

本発明によるトモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムは、
構造物の既知位置に設置された発振波形計測センサ及び受信波形計測センサと、前記発振波形計測センサ近傍位置で構造物を打撃して弾性波を発振させ、前記発振波形計測センサ及び受信波形計測センサに受信させる弾性波発振用器具と、を有し、
前記発振波形計測センサで、発振した弾性波の発振時刻と発振位置を特定すると共に、前記受信波形計測センサで前記弾性波を受信した受信時刻と受信位置とを特定し、特定された発振時刻、発振位置、受信時刻、受信位置を用いて前記発振波形計測センサから受信波形計測センサ間の実際の弾性波伝播時間を算出してなり、
一方前記発振波形計測センサから受信波形計測センサ間に複数の分岐点を設けた解析モデルを形成し、該解析モデルから前記発振波形計測センサから受信波形計測センサ間の理論値としての弾性波伝播時間を算出すると共に、求められた理論値としての弾性波伝播時間を前記実際の弾性波伝播時間に近づける演算を行って、前記分岐点で分岐された分岐線内領域の速度分布を形成し、形成された速度分布により破壊検査を行うトモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システムにおいて、
前記発振波形計測センサ及び弾性波発振用器具を必要としない構造物の非破壊検査システムとしてあり、
前記弾性波発振用器具による弾性波発振行為を行わずに、構造物から発する音を弾性波発振用器具による弾性波発振行為での発振情報として捉え、前記の発振情報となる音を囲んだ少なくとも４つ以上設置された受信波形計測センサにより前記音を受信して、前記音の受信時刻と受信位置を特定し、特定された前記音の受信時刻と受信位置により、前記音の発振時刻と発振位置を推定する数式を用いて演算し、前記音の推定発振時刻と推定発振位置が求められて、前記発振波形計測センサでの発振時刻と発振位置の特定を不必要とし、
前記求められた推定発振時刻と推定発振位置の値を用いての前記トモグラフィ解析であり、
前記構造物から発する音を囲んだ少なくとも４つ以上設置された受信波形計測センサにより囲まれた領域内に、複数の分岐点を設け、該分岐点を繋ぐ分岐線を形成して、それぞれ分岐線内領域を確定し、前記それぞれの分岐線領域内での前記構造物から発する音の伝播速度を求め、求めた前記伝播速度の違いにより前記それぞれの分岐線領域内ごとの前記伝播速度の速度分布を求め、求められた速度分布より速度が遅くなる原因、すなわち欠陥が検査できる、
ことを特徴とし、
または、
前記構造物から発する音は、外力負荷により自然的に発生する微小音たるＡＥ音である、
ことを特徴とし、
または、
前記構造物は、交通荷重により自然的に発生するＡＥ音を発振情報として利用できる橋梁床板や高速道路床板である、
ことを特徴とするものである。

かくして、本発明によれば、
金属製ハンマーなどを用い、例えば高速道路の床面などコンクリート構造物所定箇所（トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査を行うために弾性波波形計測センサを複数設置した調査領域）に打撃を加える等、強制的な形での発振手段を講じる必要がなく、そのため、常設の足場を構築する必要がなく、すなわちその足場を利用し、構造物所定箇所に出向き、その上で前記高速道路の床面などを打撃するなどの発振手段を講ずる必要もなく、もって検査作業も時間と手間がかからず、費用コストも安価となり、また前記構造物の非破壊検査の調査領域を経時的にモニタリングする場合にも同様で、その都度調査領域に近づく必要がないとの優れた効果を奏する。

トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムの概略構成において計測方法を説明する説明図（平面図）（１）である。 トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムの概略構成において計測方法を説明する説明図（断面図）（２）である。 トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムの概略構成において計測された波形から計測走時を算出する方法を説明する説明図（３）である。 トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムの概略構成において理論走時を算出する解析モデルを説明する説明図（４）である。 トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムの概略構成において理論走時を算出する方法を説明する説明図（５）である。 トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムの概略構成において解析モデルの要素パラメータを補正する方法を説明する説明図（６）である。 発振情報推定フロー（１）である。 発振情報推定フロー（２）である。 発振情報推定フロー（３）である。 本発明のトモグラフィを利用した構造物非破壊検査システムの概略構成においてAE音を利用した計測および解析モデルを説明する説明図（１）である。 本発明のトモグラフィを利用した構造物非破壊検査システムの概略構成において複数のAE音を利用できることを説明する説明図（２）である。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

図１から理解されるように、トモグラフィを利用した構造物の非破壊検査システムにあっては、構造物１の既知位置に設置された発振波形計測センサ２及び受信波形計測センサ３と、前記発振波形計測センサ２の近傍位置で構造物１の表面を打撃して弾性波を発振させ、前記発振波形計測センサ２及び受信波形計測センサ３に受信させる弾性波発振用器具４とを必要としていた。

そして、前記発振波形計測センサ２では、発振した弾性波の波形を受信して、当該弾性波の発振時刻と発振位置を特定する。従って、弾性波発振用器具４による打撃は、発振波形計測センサ２の近傍位置であることが必要なのである。

また、前記受信波形計測センサ３で前記弾性波の波形を受信し、その受信時刻と受信位置とを特定する。

そして、これら特定された発振時刻、発振位置、受信時刻、受信位置の値を用いて演算し、前記発振波形計測センサ２から受信波形計測センサ３までの距離における実際の弾性波伝播時間、すなわち、計測走時７を算出するものとしていた（図１、図２、図３参照）。

一方図４に示す様に発振波形計測センサ２から受信波形計測センサ３間に複数の分岐点６・・・を設けた解析モデル５を形成し（図４参照）、該解析モデル５から前記発振波形計測センサ２から受信波形計測センサ３の間の理論値としての弾性波伝播時間、すなわち、理論走時８を算出する（図５参照）。

そして、求められた理論値としての弾性波伝播時間、すなわち、理論走時８と、前記実際の弾性波伝播時間、すなわち、計測走時７とが等しくなるよう演算を行う。この際、前記分岐点６・・・を分岐線１１で囲み、分岐線１１・・・で囲まれたそれぞれの分岐線内領域９・・・でのそれぞれの速度分布を算出する。そして、算出されたそれぞれの分岐線内領域９・・・での速度分布により、例えば、速度が極端に遅い箇所の分岐線内領域９に速度が遅くなる原因、すなわち欠陥が存在するなどの破壊検査が行えるのである（図５、図６参照）。

これが、従来からのトモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システムである。

しかしながら、前述したように、高速道路の床面などについて、従来のトモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システムの適用は困難であり、本発明者らは、前記高速道路の床面などについて、作業者の弾性波発振行為を必要とせず、例えば高速道路を走行する車両などにより生じた音（アコースティックエミッション音：ＡＥ音）を発振情報として捉え、該音（ＡＥ音）の発生時刻及び発生位置を算出して、従来の発振時刻及び発振位置に代替する検査システムを創案するに至ったのである。

図１０は、本発明の一実施例を示したものであり、構造物１、例えば高速道路の床面の裏面に、複数の受信波形計測センサ３・・・のみ設置してある。そして、高速道路を走行する車両により、ＡＥ音１０が生じたとする。

なお、受信波形計測センサ３・・・で囲まれた領域、すなわち調査領域内には複数の分岐点６・・・が設けられ、これら分岐点６・・・を繋ぐ分岐線１１が形成されて、それぞれの分岐線内領域９・・・が確定されている。

ここで、前記ＡＥ音１０が生じても、その発生時刻及び発生位置は特定できない。しかしながら、図１０において、例えば、４つの受信波形計測センサ３・・・により、前記ＡＥ音１０の受信時刻及び受信位置は特定できる。よって、特定されたＡＥ音１０の受信時刻及び受信位置からＡＥ音１０の発生時刻（発振時刻）及び発生位置（発振位置）を推定する演算を行うのである。

これには、たとえば、地震の震源決定法などの数式が用いられる。なお、特定されたＡＥ音１０の受信時刻及び受信位置から、発振情報となるＡＥ音１０の発生時刻（発振時刻）及び発生位置（発振位置）を推定出来る数式であれば、前記地震の震源決定法の数式使用に限定されるものではない。

しかして、図７乃至図９から理解されるように、いわゆる受信時刻を用いた非線形最小２乗法による震源決定法によって、図１０に示す発振情報となるＡＥ音１０の発振時刻及び発振座標が算出されるものとなる。

すなわち、図９に示すｄｔ^（ｍ）がＡＥ音１０の発振時刻であり、（ｘｓ^（ｍ）、ｙｓ^（ｍ））が発振座標となる。

そして、ＡＥ音１０の発振時刻であるｄｔ^（ｍ）、発振位置を示す発振座標
（ｘｓ^（ｍ）、ｙｓ^（ｍ））を用い、図３に示す、計測走時７を算出し、図５に示す、理論走時８を算出するのである。

すなわち、これら特定された発振時刻ｄｔ^（ｍ）、発振位置（ｘｓ^（ｍ）、ｙｓ^（ｍ））、受信時刻、受信位置の値を用いて演算し、前記ＡＥ音１０の発振位置から受信波形計測センサ３までの距離における実際の弾性波伝播時間、すなわち、計測走時７を算出する（図１、図２、図３参照）。

一方、ＡＥ音１０から受信波形計測センサ３間に複数の分岐点６・・・を設けた解析モデル５を形成し、該解析モデルから前記ＡＥ音１０から受信波形計測センサ３の間の理論値としての弾性波伝播時間、すなわち、理論走時８を算出する（図５参照）。

そして、求められた理論値としての弾性波伝播時間、すなわち、理論走時８を前記実際の弾性波伝播時間、すなわち、計測走時７に近づける演算を行って、前記分岐点６・・・を分岐線で繋ぎ、それらの分岐線で分岐されたそれぞれの分岐線内領域９・・・のそれぞれの速度を算出し、もって前記それぞれの分岐線内領域９・・・における速度分布を形成し、形成された速度分布により、例えば、速度が極端に遅い箇所の分岐線内領域９に速度が遅くなる原因、すなわち欠陥が存在するなどの破壊検査が行えるのである（図６参照）。

ここで、本発明の説明を明確化するために図１０のように発振情報であるＡＥ音１０を１つ発生したとして説明したが、図１１に示すように、複数箇所に発生した複数のＡＥ音１０を発振情報として採用し、これらの発振情報数値を算出し、詳細な構造物の非破壊検査を行うことも出来る。

このように、本発明では発振波形計測センサ２及び弾性波発振用器具４を必要とすることなく高速道路など構造物の非破壊検査が行える。すなわち、車両の走行という外的負荷により前記後続道路の床面から発するＡＥ音１０を複数設置された受信波形計測センサ３・・・により受信し、特定された受信時刻と受信位置により発振時刻と発振位置を推定する数式を用いて演算し、前記ＡＥ音１０の推定発振時刻と推定発振位置が求められ、この求められたＡＥ音１０の推定発振時刻と推定発振位置を用いて前記トモグラフィ解析が行えるのである。

本発明は、発振手段を講じる代わりに、構造物１に損傷箇所がある場合、そこから発せられるＡＥ音１０の波形を受信波形計測センサ３・・・で計測し、その情報のみから発振情報であるＡＥ音１０の発振時刻と発振位置を特定する検査システムと言える。

ただし、本発明による検査システムの対象構造物としては、外力負荷等の影響を比較的高頻度で受ける高速道路、橋梁、貯水槽、堤防等外郭施設や建物等であると考えられる。

そして、本発明の検査システムの主要な装置構成としては、ＡＥ音１０を受信するＡＥセンサ（受信波形計測センサ）、ＡＥ音の波形を記録する記録装置、及び表示装置、解析装置などが挙げられる。

また、本発明のシステムによる検査方法は、上記の装置を用いて行われ、まず、受信波形計測センサ３・・・を対象となる構造物１の所定箇所へ設置し、地上側の記録装置や表示装置、解析装置へ有線接続若しくは無線接続し、所定期間、ＡＥ音１０によるＡＥ波を計測し、計測したデータは記録装置へ記録する。

そして、記録装置により記録された記録（波形時刻歴）を用い、複数設置した受信波形計測センサ３・・・の各位置関係から、解析装置によりＡＥ波受信箇所を解析・特定する。

なお、解析・特定は、ＡＥ音１０によるＡＥ波発生時刻が同じ隣接四箇所のセンサで囲まれた領域内で得られることが基本とされる。

このように本発明は、外力負荷により自然的に発生する微小音（アコースティック・エミッション：ＡＥ）を発振波形として利用するトモグラフィであり、受信波形を計測する受信波形計測センサ３・・・のみを調査領域に設置し、それぞれの受信波形計測センサ３・・・で計測された受信波形で読み取られる初動時刻から、発振情報（ＡＥ音の発振位置と発振波形の初動時刻）をいわゆる逆解析で同定するものであり、同定された発振情報を利用して走査線間における計測走時を用いて調査領域のトモグラフ解析が行える。

特に、橋梁床板や高速道路床板の検査に際して、発振手段自体を省略することが出来、かつ常設足場が不要となり、調査作業の手間や費用面の問題が従来システムに比べ格段に減少する。

すなわち、ＡＥセンサは受信用のみでよく、しかも効果的な配置が可能となる。また、継続監視することで、橋梁床板や高速道路床板など構造物１の損傷等異常発生を直ちに把握することが可能とされる。

そして、ＡＥ音１０を発生させる外力負荷には交通荷重の利用が見込めるものであり、交通荷重により自然的に発生するＡＥ音１０を発振情報として利用するため、調査領域に予め受信波形計測センサ３・・・を設置しておけば受動的に計測可能である。

さらに、計測時に調査領域に近づいて打撃するための足場等設備を必要とせず、加えて、ＡＥ音１０が発生する度に受動的に計測されるため経時的なモニタリングも可能である。

１ 構造物
２ 発振波形計測センサ
３ 受信波形計測センサ
４ 弾性波発振用器具
５ 解析モデル
６ 分岐点
７ 計測走時
８ 理論走時
９ 分岐線内領域
１０ ＡＥ音
１１ 分岐線

Claims (3)

1. 構造物の既知位置に設置された発振波形計測センサ及び受信波形計測センサと、前記発振波形計測センサ近傍位置で構造物を打撃して弾性波を発振させ、前記発振波形計測センサ及び受信波形計測センサに受信させる弾性波発振用器具と、を有し、
   前記発振波形計測センサで、発振した弾性波の発振時刻と発振位置を特定すると共に、前記受信波形計測センサで前記弾性波を受信した受信時刻と受信位置とを特定し、特定された発振時刻、発振位置、受信時刻、受信位置を用いて前記発振波形計測センサから受信波形計測センサ間の実際の弾性波伝播時間を算出してなり、
   一方前記発振波形計測センサから受信波形計測センサ間に複数の分岐点を設けた解析モデルを形成し、該解析モデルから前記発振波形計測センサから受信波形計測センサ間の理論値としての弾性波伝播時間を算出すると共に、求められた理論値としての弾性波伝播時間を前記実際の弾性波伝播時間に近づける演算を行って、前記分岐点で分岐された分岐線内領域の速度分布を形成し、形成された速度分布により破壊検査を行うトモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システムにおいて、
   前記発振波形計測センサ及び弾性波発振用器具を必要としない構造物の非破壊検査システムとしてあり、
   前記弾性波発振用器具による弾性波発振行為を行わずに、構造物から発する音を弾性波発振用器具による弾性波発振行為での発振情報として捉え、前記の発振情報となる音を囲んだ少なくとも４つ以上設置された受信波形計測センサにより前記音を受信して、前記音の受信時刻と受信位置を特定し、特定された前記音の受信時刻と受信位置により、前記音の発振時刻と発振位置を推定する数式を用いて演算し、前記音の推定発振時刻と推定発振位置が求められて、前記発振波形計測センサでの発振時刻と発振位置の特定を不必要とし、
   前記求められた推定発振時刻と推定発振位置の値を用いての前記トモグラフィ解析であり、
   前記構造物から発する音を囲んだ少なくとも４つ以上設置された受信波形計測センサにより囲まれた領域内に、複数の分岐点を設け、該分岐点を繋ぐ分岐線を形成して、それぞれ分岐線内領域を確定し、前記それぞれの分岐線領域内での前記構造物から発する音の伝播速度を求め、求めた前記伝播速度の違いにより前記それぞれの分岐線領域内ごとの前記伝播速度の速度分布を求め、求められた速度分布より速度が遅くなる原因、すなわち欠陥が検査できる、
   ことを特徴とするトモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システム。
   
2. 前記構造物から発する音は、外力負荷により自然的に発生する微小音たるＡＥ音である、
   ことを特徴とする請求項１記載のトモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システム。
   
3. 前記構造物は、交通荷重により自然的に発生するＡＥ音を発振情報として利用できる橋梁床板や高速道路床板である、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のトモグラフィ解析を利用した構造物の非破壊検査システム。
   

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