(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の強度の変化を検出する方法であって、
構造物の振動を検出して、検出した振動を表す振動波形を発生させ、
振動波形を所定長さＴの短区間の波形に分割し、前記短区間の波形から、ｋを１より小さい正の係数としてｋ／Ｔの整数倍の周波数で与えられる周波数成分を非調和周波数分析により求め、
各短区間波形を分析して、含まれる周波数成分のうちパワーが最大となる最大周波数成分の周波数及びパワーが最小となる最小周波数成分の周波数を求め、
パワーが最大となる最大周波数成分の周波数の検出頻度を示す最大周波数成分周波数頻度分布及びパワーが最小となる最小周波数成分の周波数の検出頻度を示す最小周波数成分周波数頻度分布を求めることを、最大周波数成分周波数頻度分布と最小周波数成分周波数頻度分布の積が所望の観測周波数帯域で周波数に関してほぼ一定の値になるまで頻度分布の標本数を増やして行い、
前記標本数に対応する期間ごとの頻度分布である最大周波数成分周波数頻度分布の最大値を示す周波数及び最小周波数成分周波数頻度分布の最小値を示す周波数の少なくとも１つの時間経過による変化から構造物の強度の変化を検知することを特徴とする構造物の強度変化検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物の強度変化を検出する方法に係り、さらに詳細には、気流、水流、地盤振動等により振動中の橋梁、建物、発電所等の構造物の老朽化または損傷による強度劣化を点検または監視するための非破壊検査方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
橋やビルなどの構造物の強度の点検は、専門技術を備えた自治体の職員、エンジニア、建築士等による目視が基本であり、必要に応じて更に詳しい検査が行なわれている。
【０００３】
そうした検査にはエックス線探査、超音波探査、磁粉を用いる探査、打音探査、ファイバースコープ探査、赤外線探査のような技術が使用されるが、これらの探査は専門技術または資格を必要とする。
【０００４】
特開２００２−１８８９５５号公報及び信学技報ＥＡ２０００−８３（２０００年）に記載された、構造物の振動を測定してその強度劣化を検知する方法は、振動波形から統計的方法によって推定された振動の極大となる周期の非可逆的変動から強度劣化を検出するものである。この方法には、極大となる周期の変動を伴わない強度劣下は検出できないという問題がある。また、建造物の共振が鋭くない場合は、極大となる周期が変化してもその変化を検出できないという問題がある。更に、統計的に信頼できる頻度分布の標本数が定まらないという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８８９５５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】電子情報通信学会  信学技報  ＥＡ２０００−８３（２０００年）平田、堀越
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
建造物の点検または監視は従来の検査法によるのであれば専門技術を必要とし、時間も費用も嵩む。本発明の目的は、専門技術を必要とせず、客観的且つ定量的に構造物の強度変化を検出し、構造物の強度変化の点検または常時監視を可能にする方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、構造物の強度の変化を検出する方法であって、構造物の振動を検出して、検出した振動を表す振動波形を発生させ、振動波形を所定長さの短区間の波形に分割し、各短区間波形を分析して、含まれる周波数成分のうちパワーが最大となる最大周波数成分の周波数及びパワーが最小となる最小周波数成分の周波数を求め、パワーが最大となる最大周波数成分の周波数の検出頻度を示す最大周波数成分周波数頻度分布及びパワーが最小となる最小周波数成分の周波数の検出頻度を示す最小周波数成分周波数頻度分布を求め、最大周波数成分周波数頻度分布及び最小周波数成分周波数頻度分布の少なくとも１つの時間変化から構造物の強度の変化を検知するステップより成る構造物の強度変化検出方法を提供する。
【０００９】
また、本発明は、パワーが最大または最小となる最大または最小周波数成分の周波数の検出頻度を示す頻度分布の標本の数の大きさが、最大周波数成分周波数頻度分布と最小周波数成分周波数頻度分布の積が所望の観測周波数帯域で周波数に関してほぼ一定の値になる時の数で与えられることを特徴とする構造物の強度の変化の検出方法を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
橋、ビル、ダムなどの構造物は、その大きさや重さに関係なく風や水流あるいは地盤の振動によって常に微小な振動をしている。本発明による構造物の強度変化検出方法によると、上記のような自然の力によって振動している構造物の雑多な振動波形から構造物の固有振動特性を推定することが可能となり、その特性の変化から構造物の強度変化を検知できるという効果がある。
【００１１】
本発明による構造物の強度変化検出方法を従来の検査法と併用すると、点検する建造物を選択して重点的な検査を行うことが可能になり、点検と検査に要する時間と費用を大幅に削減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明による構造物の強度変化検出方法を説明するためのブロック図である。
【図２】図２は、構造物の振動を表わすデジタル信号のコンピューターによる処理を説明するブロック図である。
【図３】図３は、本発明の方法により得られた最大周波数成分周波数頻度分布の時間変化を示す図である。
【図４】図４は、フーリエ解析（ＤＦＴ）により得られた振動特性の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による構造物の強度変化検出方法は、建造物の振動を検出する振動検出器、振動波形をデジタル信号に変換するＡ/Ｄ変換器、信号処理用コンピューター及び出力表示装置から成るシステムにより実施可能である。構造物の振動特性を推定する周波数帯域の下限周波数をＧとする時、短区間波形の時間長さＴを１／Ｇ、ｍを１０以上で１５０以下の正の整数、ｋ＝０．１として、ｍｋ／Ｔで与えられる周波数を分析周波数とし、短区間波形の数Ｎ（頻度分布の標本数）を最大周波数成分周波数頻度分布と最小周波数成分周波数頻度分布の積が所望する観測周波数帯域で周波数に関してほぼ一定の値になる時の数とする。
【００１４】
構造物の基本周期が１０秒なら１／Ｇは１０秒、１秒なら１／Ｇは１秒程度とするのが適当である。Ｎは周囲の振動環境により異なるが、２０００乃至４０００が典型的な数である。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の構成を示すブロック図である。構造物の振動を検出する振動検出器（１０１）の出力電気信号は前置増幅器（１０２）で増幅され、ローパス・フィルター（１０３）を経て、Ａ/Ｄ変換器（１０４）によりデジタル信号に変換され、コンピューター（１０５）により処理される。コンピューター（１０５）による信号の処理は、図２に示すように、デジタル信号の短区間波形（短いサンプル列）への分割（２０１）、分割された短区間波形ごとの非調和周波数分析（非調和フーリエ解析）（２０２）、分析により求められた周波数成分の中からの最大パワーと最小パワーを有する周波数成分の検出（２０３）、検出された周波数成分の各周波数の記録（２０４）、こうして記録された周波数に基づく頻度分布の確定の順序で行なわれ、その結果が表示部（１０６）に表示
される。
【００１６】
上記の頻度分布は建物を例とすると、一度だけ最大周波数成分周波数頻度分布と最小周波数成分周波数頻度分布からＮの数を決めれば、それ以降は同じ標本数Ｎで頻度分布を求めて、頻度分布の変化を監視するようにしてもよい。また、最大周波数成分周波数頻度分布と最小周波数成分周波数頻度分布は互いに逆特性の関係を有するため、どちらか一方だけを用いて頻度分布の変化を監視してもよい。
【００１７】
コンピューター（１０５）で行なわれる信号処理を数式により説明すると、以下のようになるが、これらはソフトウェアで行なう。
【００１８】
Ａ/Ｄ変換器の出力デジタル信号である構造物の振動波形から得た短区間波形のサンプル列をＷ(ｒ)（ｒ＝１，２，・・・，Ｋ）、分析周波数をｆｍとして、係数ａ(ｍ)およびｂ(ｍ)をそれぞれ以下の式で求める。
Ｋ                             Ｋ
ａ(ｍ)＝ Σ Ｗ(ｒ)sin(２πｆｍｘ／Ｆ)／ Σ sin2(２πｆｍｘ／Ｆ)
ｒ=１                         ｒ=１
Ｋ                             Ｋ
ｂ(ｍ)＝ Σ Ｗ(ｒ)cos(２πｆｍｘ／Ｆ)／ Σ cos2(２πｆｍｘ／Ｆ)
ｒ=１                         ｒ=１
ただし、ｘ＝ｒ−１／２−Ｋ／２、Ｆは標本化周波数とする。
【００１９】
次に、
Ｑ(ｍ)＝ａ2(ｍ)＋ｂ2(ｍ)
として、Ｑ(ｍ)が最大となる周波数をｆｐ、最小となる周波数とをｆqとすると、構造物の振動波形から得た全短区間波形よりｆｐの頻度分布（最大周波数成分周波数頻度分布）およびｆqの頻度分布（最小周波数成分周波数頻度分布）が得られる。
【００２０】
図３は、最大周波数成分周波数頻度分布の時間変化を示す例である。これは構造物の模型に雑多な振動（非定常振動）を加え、構造物の強度を変えて求めたものである。各頻度分布の標本の数Ｎは２４００である。
【００２１】
図４は、図３の頻度分布を求めた振動波形を、従来法の周波数分析（フーリエ解析、ＤＦＴ）を使って分析して、図３の頻度分布を得るために分割した短区間波形の長さの１０倍の長さの区間波形２４０個のスペクトルを求めて平均した特性曲線の変化を示したものである。
【００２２】
図３と図４の比較から、雑多な振動の周波数特性の影響は、従来法による振動特性の推定に比べて本発明による方法の方が少ないことが分かる。
【００２３】
図３において、たとえば時刻ｎ＝１における頻度分布をｙ1(ｍ)、時刻ｎにおける頻度分布をｙｎ(ｍ)（ｍ＝１０，１１，・・・，１５０）とし、ｙ1(ｍ)を基準の分布としたｙｎ(ｍ)の変化の度合いＥ(ｎ)を
150                        150
Ｅ(ｎ)＝ Σ {ｙｎ(ｍ)−ｙ１(ｍ)}2／ Σ {ｙｎ2(ｍ)＋ｙ１2(ｍ)}
ｍ=10                      ｍ=10
で与えるか、ｙ１(ｍ)とｙｎ(ｍ)の一致の度合いＶ(ｎ)を
150                   150
Ｖ(ｎ)＝２Σｙ１(ｍ) ｙｎ(ｍ)／ Σ {ｙ１2(ｍ)＋ｙｎ2(ｍ)}
ｍ=10                 ｍ=10
で与えれば、頻度分布の変化を定量的に示すことができる。同図において、ｎ＝２でＥ(２)＝０．０２、Ｖ(２)＝０．９８、ｎ＝１５でＥ(１５)＝０．３８、Ｖ(１５＝０．６２となる。
【００２４】
このように頻度分布の変化を定量的に表せば、Ｅ(ｎ)が所定の値を超えた時、あるいはＶ(ｎ)が所定の値以下になった時、建造物の強度に有意または重大な劣化が生じたとして警報を自動的に発生することができる。
【００２５】
また、飛行中の機体の振動を検出して、その振動波形から本発明の方法で頻度分布を求めることにより、機体の強度変化の有無を航空機の飛行中に常時監視することが可能である。
【００２６】
雑多な振動下にあるパワープラントにおいて、様々な構造物の振動を検出し、その振動波形から本発明の方法で頻度分布を求めるなら、それぞれの部分の強度変化の有無をプラントの稼動中に常時監視することができる。
【符号の説明】
【００２７】
１０１    振動検出器
１０２    前置増幅器
１０３    ローパス・フィルター
１０４    Ａ/Ｄ変換器
１０５    コンピューター
１０６    表示部
２０１    デジタル信号の短区間波形への分割
２０２    分割された短区間波形ごとの非調和周波数分析
２０３    最大パワーと最小パワーを有する周波数成分の検出
２０４    検出された周波数成分の各周波数の記録
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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