(57)【要約】【課題】コンクリート体中の音速をより正確に推定可能な埋設物探査装置を提供する。【解決手段】  ある探触子からコンクリート体に超音波を送信してコンクリート体の底面からの反射波を別の探触子で受信する、という超音波送受信を複数の探触子間で行い、探触子間距離が同じ反射波同士を平均化し、該平均化した反射波に基づいて探触子間距離ごとの反射波到達時間を特定し、探触子間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速を算出する、という音速算出を複数の反射波到達時間の組み合わせに対して行い、該算出した各音速に基づいて最終的な音速を推定する。【選択図】  図３
2020071185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の探触子から超音波を媒質に放射し、前記媒質からの反射波を前記複数の探触子で受信して解析処理することで、前記媒質中の埋設物を探査する埋設物探査装置であって、
ある探触子から前記媒質に超音波を送信して前記媒質の底面からの反射波を別の探触子で受信する、という超音波送受信を前記複数の探触子間で行い、
探触子間距離が同じ前記反射波同士を平均化し、該平均化した反射波に基づいて探触子間距離ごとの反射波到達時間を特定し、
探触子間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速を算出する、という音速算出を複数の前記反射波到達時間の組み合わせに対して行い、
該算出した各音速に基づいて最終的な音速を推定する、ことを特徴とする埋設物探査装置。
【請求項２】
複数の探触子から超音波を媒質に放射し、前記媒質からの反射波を前記複数の探触子で受信して解析処理することで、前記媒質中の埋設物を探査する埋設物探査において、前記媒質中の音速を推定する埋設物探査用音速推定方法であって、
ある探触子から前記媒質に超音波を送信して前記媒質の底面からの反射波を別の探触子で受信する、という超音波送受信を前記複数の探触子間で行い、
探触子間距離が同じ前記反射波同士を平均化し、該平均化した反射波に基づいて探触子間距離ごとの反射波到達時間を特定し、
探触子間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速を算出する、という音速算出を複数の前記反射波到達時間の組み合わせに対して行い、
該算出した各音速に基づいて最終的な音速を推定する、ことを特徴とする埋設物探査用音速推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波を用いて埋設物を探査する埋設物探査装置に関し、特に、コンクリートなどの媒質中の音速を推定する埋設物探査装置および埋設物探査用音速推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中や壁、床などの媒質に埋設されている鉄筋やガス管などの埋設物・ターゲットを探査するために、超音波・レーダを用いた埋設物探査装置が知られている（例えば、特許文献１等参照。）。この埋設物探査装置は、送受信回路と送受信アンテナなどから構成されるセンサ部と、モニタ部（ディスプレイ）とが装置本体に備わり、装置本体には、前後方向に移動させるための４つの車輪が配設されている。そして、所定の繰り返し周期で発生されるパルス状のレーダ波を、送信アンテナから地中や壁に放射し、地中や壁から戻ってきた反射波を受信アンテナで受信し、反射波に基づいて解析処理を行い、地中や壁の内部情報をモニタ部に表示するものである。
【０００３】
このような埋設物探査装置において明瞭な画像を得るためには、媒質中の音速（超音波伝搬速度）を知得する必要があり、音速を計測する機能を備えた超音波非破壊計測装置が知られている（例えば、特許文献２等参照。）。この装置は、第１の探触子からコンクリート構造物に超音波を放射し、コンクリート構造物の底面で反射した受信信号を第２の探触子で受信して、異なる探触子間隔にそれぞれ対応して算出した反射波到達時間から音速を決定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−０１９２５７号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４２３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２に記載の装置では、探触子間隔が異なる一対の反射波到達時間のみから音速を算出、決定するため、音速値のバラツキを把握することができず、音速精度が低下するおそれがある。また、受信信号を周波数解析して単一周波数か否かを判断し、反射波到達時間を特定、知得するため、構成が複雑であるばかりでなく反射波到達時間の特定に誤差が生じるおそれがある。
【０００６】
そこで本発明は、媒質中の音速をより正確に推定可能な埋設物探査装置および埋設物探査用音速推定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】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、複数の探触子から超音波を媒質に放射し、前記媒質からの反射波を前記複数の探触子で受信して解析処理することで、前記媒質中の埋設物を探査する埋設物探査装置であって、ある探触子から前記媒質に超音波を送信して前記媒質の底面からの反射波を別の探触子で受信する、という超音波送受信を前記複数の探触子間で行い、探触子間距離が同じ前記反射波同士を平均化し、該平均化した反射波に基づいて探触子間距離ごとの反射波到達時間を特定し、探触子間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速を算出する、という音速算出を複数の前記反射波到達時間の組み合わせに対して行い、該算出した各音速に基づいて最終的な音速を推定する、ことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、複数の探触子から超音波を媒質に放射し、前記媒質からの反射波を前記複数の探触子で受信して解析処理することで、前記媒質中の埋設物を探査する埋設物探査において、前記媒質中の音速を推定する埋設物探査用音速推定方法であって、ある探触子から前記媒質に超音波を送信して前記媒質の底面からの反射波を別の探触子で受信する、という超音波送受信を前記複数の探触子間で行い、探触子間距離が同じ前記反射波同士を平均化し、該平均化した反射波に基づいて探触子間距離ごとの反射波到達時間を特定し、探触子間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速を算出する、という音速算出を複数の前記反射波到達時間の組み合わせに対して行い、該算出した各音速に基づいて最終的な音速を推定する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１および請求項２の発明によれば、探触子間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速を算出する、という音速算出を複数の反射波到達時間の組み合わせに対して行い、算出した複数の音速に基づいて最終的な音速を推定するため、音速値のバラツキを把握することができ、媒質中の音速をより正確に推定することが可能となる。しかも、探触子間距離が同じ反射波同士を平均化して反射波到達時間を特定するため、周波数解析を行う必要がなく構成が簡易となるばかりでなく、反射波到達時間をより正確に特定することが可能となり、その結果、媒質中の音速をより正確に推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態に係る埋設物探査装置を示す概略構成ブロック図である。
【図２】図１の埋設物探査装置のプローブとコンクリート体との位置関係を示す平面図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図３】図１の埋設物探査装置における音速推定方法を示すフローチャートである。
【図４】図３のフローチャートにおいて受信波形を平均化した波形を示す図であり、（ａ）は第１のプローブ間距離の波形を示し、（ｂ）は第２のプローブ間距離の波形を示す。
【図５】図３のフローチャートにおいて受信波形を平均化した波形を示す図であり、（ａ）は第３のプローブ間距離の波形を示し、（ｂ）は第４のプローブ間距離の波形を示す。
【図６】図３のフローチャートにおいて音速を算出する算出式を示す図である。
【図７】図１の埋設物探査装置で音速を推定する状態を示す概念図である。
【図８】図３のフローチャートにおいて音速を算出した結果を示すヒストグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１２】
図１〜図８は、この発明の実施の形態を示し、図１は、この実施の形態に係る埋設物探査装置１を示す概略構成ブロック図である。この埋設物探査装置１は、コンクリート製の壁や床、天井、あるいは地中などの媒質に埋設された、鉄筋やガス管などの埋設物・ターゲットを探査する装置であり、媒質中の音速（超音波伝搬速度）を推定する方法が従来と異なり、その他の構成、機能は従来と同等となっている。すなわち、複数のプローブ（探触子）２から超音波を媒質中に放射し、媒質からの反射波を複数のプローブ２で受信して測定部３で解析処理し、その結果をディスプレイに表示する。
【００１３】
このような埋設物探査装置１において、媒質中の音速を推定する埋設物探査用音速推定方法について、以下に説明する。ここで、この実施の形態では、図２に示すように、６４個のプローブ２１〜２６４が等間隔に、横１６列縦４列の格子状に配設され、厚みＨのコンクリート体（媒質）１０１の表面１０１ａに接するように埋設物探査装置１が配置されるものとする。そして、音速部４は、プローブ２１〜２６４を制御しながら次のようにしてコンクリート体中１０１の音速を推定する。ここで、コンクリート体１０１の厚みＨ（後述する路程距離）は、既知であるとする。
【００１４】
図３に示すように、まず、超音波送受信ステップとして、図７に示すように、コンクリート体１０１の表面１０１ａに埋設物探査装置１の探触子２群を接触させて、すべてのプローブ２間で底面反射波を送受信する（ステップＳ１）。すなわち、ある探触子２からコンクリート体中１０１に超音波を送信してコンクリート体１００の底面１０１ｂからの反射波を別の探触子２で受信する、という超音波送受信をすべての探触子２間で行う。具体的には、第１のプローブ２１から超音波を送信して第２のプローブ２２で受信し、第１のプローブ２１から超音波を送信して第３のプローブ２３で受信し、という超音波送受信を４０３２（＝６４×６３）通りで行う。
【００１５】
次に、波形平均化ステップとして、プローブ間距離が等しいすべての受信波形を平均化する（ステップＳ２）。すなわち、プローブ間距離が同じ反射波をすべて重ねて平均化する。ここで、この実施の形態では、５６種類のプローブ間距離が存在し、５６個のプローブ間距離ごとに平均化した反射波を生成する。例えば、プローブ間距離が最も小さい受信波形を平均化して、図４（ａ）に示すような第１のプローブ間距離ｄ１の平均波形を生成し、プローブ間距離が２番目に小さい受信波形を平均化して、図４（ｂ）に示すような第２のプローブ間距離ｄ２の平均波形を生成し、プローブ間距離が３番面に小さい受信波形を平均化して、図５（ａ）に示すような第３のプローブ間距離ｄ３の平均波形を生成し、プローブ間距離が４番目に小さい受信波形を平均化して、図５（ｂ）に示すような第４のプローブ間距離ｄ４の平均波形を生成する。このような平均波形の生成を５６個のすべてのプローブ間距離に対して行う。
【００１６】
続いて、到達時間特定ステップとして、各平均波形における振幅が最大となる時間つまり反射波到達時間を特定する（ステップＳ３）。すなわち、平均化した反射波に基づいてプローブ間距離ごとの反射波到達時間を特定する。具体的には、例えば、上記の図４（ａ）〜図５（ｂ）の平均波形において、短時間で振幅が大きいピークＰ０は、コンクリート体１０１の表面１０１ａから反射する直達波である。そして、次に振幅が大きいピークＰ１がコンクリート体１０１の底面１０１ｂからの反射波であるため、このピークＰ１が発生する時間を反射波到達時間として特定する。このような反射波到達時間の特定を平均波形ごと、つまりプローブ間距離ごとに行う。ここで、図４（ａ）〜図５（ｂ）中のピークＰ２、Ｐ３は、反射波が再び反射した反射波である。
【００１７】
次に、音速算出ステップとして、プローブ間距離が異なる２つの平均波形を選択し（ステップＳ４）、各平均波形の反射波到達時間に基づいて音速を算出する（ステップＳ５）。すなわち、プローブ間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速を算出する。具体的には、例えば、第１のプローブ間距離ｄ１の平均波形と第３のプローブ間距離ｄ３の平均波形とを選択した場合、超音波がコンクリート体１０１の表面１０１ａを通過し、底面１０１ｂから反射して表面１０１ａに到達するまでのそれぞれの路程距離Ｌ１、Ｌ２は、図２に示すような関係となる。そして、路程距離Ｌ１、Ｌ２に要した反射波到達時間（伝搬時間）ｔ１、ｔ２に基づいて、図６に示す計算式で音速ｖを算出する。
【００１８】
ここで、Δｔは、埋設物探査装置１の回路内での処理に要する時間であり、このΔｔだけ遅れて超音波が反射する（表面１０１ａに到達する）ことになり、このΔｔを除いて音速ｖを算出する必要がある。このため、２組の路程距離Ｌ１、Ｌ２と反射波到達時間ｔ１、ｔ２とを使用することで、Δｔを打ち消して音速ｖを算出するものである。
【００１９】
このような音速算出をすべての反射波到達時間の組み合わせに対して行う。すなわち、全組み合わせが終了していない場合（ステップＳ６で「Ｎ」の場合）には、次の組み合わせによって音速ｖを算出する。具体的にこの実施の形態では、５６種類のプローブ間距離が存在するため、１５４０（＝５６×５５÷２）通りの２つの平均波形を選択し、各平均波形の反射波到達時間に基づいて音速ｖを算出する。
【００２０】
その後、音速特定ステップとして、ステップＳ５で算出した各音速ｖに基づいて最終的な音速を特定、推定する（ステップＳ７）。すなわち、ステップＳ５で算出した１５４０個の音速ｖの頻度分布を示すヒストグラムを図８に示すように作成し、このヒストグラムから音速ｖの平均値、誤差、標準偏差１σを算出する。そして、誤差および標準偏差１σが所定の許容値内であれば、算出した平均値を最終的な音速として特定する。
【００２１】
このように、この埋設物探査装置１および埋設物探査用音速推定方法によれば、プローブ間距離が異なる２つの反射波到達時間に基づいて音速ｖを算出する、という音速算出をすべての反射波到達時間の組み合わせに対して行い、算出した１５４０個の音速ｖに基づいて最終的な音速を推定する。このため、音速値のバラツキを把握することができ、コンクリート体１０１中の音速をより正確に推定することが可能となる。
【００２２】
しかも、プローブ間距離が同じ反射波同士を平均化して反射波到達時間を特定するため、周波数解析を行う必要がなく構成が簡易となるばかりでなく、反射波到達時間をより正確に特定することが可能となり、その結果、コンクリート体１０１中の音速をより正確に推定することが可能となる。すなわち、底面反射波の信号を積み上げることで、骨材などからのノイズ信号が軽減されて、波形のＳ／Ｎ比が向上するため、反射波到達時間をより正確に特定することが可能となる。
【００２３】
ここで、この埋設物探査用音速推定方法で実際に推定した例を紹介する。図７に示すような立方体状で埋設物がないコンクリート体１０１を対象とし、このコンクリート体１０１の厚みＨが１５０ｍｍで正確な音速が４０００ｍ／ｓとする。この場合、本埋設物探査用音速推定方法で音速を推定した場合、図８に示すようなヒストグラムが得られ、次のような結果となった。
音速ｖの平均値＝４００３ｍ／ｓ
誤差＝＋０．０８％
標準偏差１σ＝３８４ｍ／ｓ
このように、誤差および標準偏差１σが小さく、正確な音速である４０００ｍ／ｓに近い音速４００３ｍ／ｓが推定された。
【００２４】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、超音波送受信ステップをすべての探触子２間で行ったり、音速算出ステップを２つの反射波到達時間の全組み合わせに対して行ったりしているが、所定の規則に従って特定した（例えば、数個飛ばした毎の）探触子２間や２つの反射波到達時間の組み合わせに対して、超音波送受信ステップや音速算出ステップを行うようにしてもよい。すなわち、図８に示すような標準偏差が許容値内に収まるような数に対して各ステップを行えばよい。
【００２５】
また、プローブ間距離の頻度数（分布数）に応じて超音波送受信ステップや音速算出ステップ、音速特定ステップで重み付けをしてもよい。さらに、波形平均化ステップで平均化された平均波形から熱雑音を除去した後に、到達時間特定ステップに移行するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１        埋設物探査装置
２        プローブ（探触子）
３        測定部
４        音速部
１０１    コンクリート体（媒質）
１０１ａ  表面
１０１ｂ  底面
【図１】
2020071185.tif 000003
【図２】
2020071185.tif 000004
【図３】
2020071185.tif 000005
【図４】
2020071185.tif 000006
【図５】
2020071185.tif 000007
【図６】
2020071185.tif 000008
【図７】
2020071185.tif 000009
【図８】
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