(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波送受波器を泥水が溜った穴内に上下方向において移動させながら、超音波パルスを穴の壁面に向けて放射し、その反射波を受波して受波信号の振幅を感度時間制御部で制御し、その制御された受波信号を用いて上記穴の壁面までの距離を記録する超音波測定装置において、
受波超音波パルスにより記録されるべき記録線幅を求める手段と、
その記録されるべき記録線幅と目標記録線幅との差を求める手段と、
その差が小さくなるように上記感度時間制御部の制御特性を補正する手段と、
を具備することを特徴とする超音波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は超音波送受波器を泥水が溜った穴内に上下方向において移動させながら、超音波パルスを穴の壁面に向けて放射し、その反射波を受波して、穴の壁面までの距離を記録する超音波測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば鉄筋コンクリートの建物の基礎杭を作るには、地中に竪穴を掘削して鉄筋を入れ、生コンを流し込み、ビルディングのコンクリートの基礎杭を作っている。この竪穴の直径は１ｍ〜２ｍ、深さは３０ｍ〜５０ｍが一般的な大きさであり、ビルディング１棟につき数十本の基礎杭を作る。
竪穴を掘削する際、垂直に掘削する必要があり、斜めに掘削すると、ビルディングが出来上がり、ビルディングの重量が基礎杭に加わると、基礎杭がその荷重に耐えられない可能性がある。従って、竪穴が掘削されつつあるとき、その竪穴が垂直に掘削されているかどうか監視する必要がある。さらに地下水の浸みだしによる竪穴の崩壊を防ぐため、竪穴には地下水位より高い位置まで水を入れて掘削する。
【０００３】
入れた水自体による崩壊を防ぐため、この水には粘土（実際には粘土ではなくベントナイトと言う鉱物の微粉末）を混ぜてあり、この粘土が竪穴の壁面に不透水層を作り、壁面を保護している。
竪穴の壁面が垂直かどうかは竪穴の中心付近から重錘を降ろしていき、この重錘と壁面との間隔を測定することで、確認している。重錘と壁面との間隔の測定には超音波パルスの往復時間を測定して距離を求めているが、竪穴中の粘土を混ぜた水（＝泥水と称する）では超音波の減衰が大きく、測定はかなり困難である。しかも竪穴の上部から下部まで、超音波の減衰は一様ではない、これは掘削中、泥水に土や砂が混入し、この混入率が上部と下部では異なるのが主な原因と見られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、測定中、重錘が上下するにつれ変化する受波信号強度を一定にするため、測定者が感度調整つまみを適正値に調節する必要がある。測定者の負担軽減のためには、従来の考え方では感度調整を自動的に制御するいわゆるＡＧＣ（オートマチックゲインコントロール）やＡＬＣ（オートマチックレベルコントロール）と呼ばれる制御機能を組み込むことが考えられる。しかし、実際には、単位距離当りの超音波の減衰量が泥水の状態によって変動するので、受波信号強度は上下方向における測定位置および壁面までの距離によって大きく変わることになり、壁面からの反射波信号の強度を距離にかかわらず、増幅度の増減でほぼ一定に補正することは困難となる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、受信装置に、近距離程利得を下げる感度時間制御部、いわゆるＳＴＣ（Sensitivity Time Control）部が設けられ、そのＳＴＣ部により振幅が制御された受波パルスにより記録されるべき記録幅が求められ、その求めた記録されるべき記録幅と目標記録幅との差が求められ、その差が小さくなるように、ＳＴＣ部の制御特性が補正手段により補正される。
一般に超音波の往復に於ける減衰量は、
減衰量＝拡散減衰量＋吸収減衰量＋反射損失量
である。泥水中で生じる減衰量は吸収減衰量が非常に大きく拡散減衰量は補正量として無視できる程度となる。
【０００６】
これに対し、海水中で用いる測深機などでは測定深度（距離）が大きく、拡散減衰量が大きいことと、海水での吸収減衰量が非常に少ないことで吸収減衰量はほぼ無視でき、拡散減衰量のみを補正の対象にしている。
ちなみに海水の吸収減衰係数は２５０ｄＢ／ｆ2 ×１０-17 ｃｍ（ｆは周波数）で、１００ｋＨｚの吸収減衰係数は０．００２５ｄＢ／ｍに過ぎない。しかし泥水では、吸収減衰係数は濃度によって違うが、だいたい２０ｄＢ／ｍ前後であるから海水のそれとは大きく異なる。
【０００７】
水中における超音波の減衰量の関係は、
往復の減衰量（ｄＢ）＝２αＲ＋２０ log２Ｒ2 
となる。ここでαは吸収減衰係数、Ｒは距離。
適正な強度の受信信号が得られる増幅度と距離Ｒとの関係は図５に示すように清水（例えば前記掘削堅穴における泥水の上澄みのようなもの）中では曲線１１であり、拡散減衰量の補正のみでよく、距離Ｒが大になるに従って増幅度を徐々に上げればよい。清水にベントナイトを混ぜてゆくと、泥水の減衰係数が大きくなってゆき、これに応じて、泥水による減衰量を補正するために１ｍ程度の近距離でも距離Ｒが大きくなるに従って増幅度を大とする割合が曲線１２，１３，１４に示すように大きくなる。つまり泥水の減衰係数（泥水濃度）に応じてＳＴＣの制御特性、即ち図５における横軸に対する傾斜を制御する必要がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施形態を図を参照して説明する。図１Ａに示すように例えば掘削されつつある竪穴２１に、昇降機２２からロープ２３に吊り下げられた送受波器２４が降ろされる。送受波器２４は竪穴２１のほぼ中心線上に位置され、通常は２個の送受波器２４が竪穴２１の中心線に対し互いに反対方向において、超音波パルスを竪穴２１の壁面に向けて放射するように、あるいは４個の送受波器２４が竪穴２１の中心線に対し、９０度の角度間隔方向において、竪穴２１の壁面に向けて放射するように取付けられる。またその超音波パルスの放射方向は一般にはほぼ水平方向である。これら２個又は４個の送受波器２４は１つのブロックに一体化されている。
【０００９】
これら送受波器２４に対し、超音波パルスを駆動放射させるためのパルス信号の伝送、また放射された超音波パルスの反射波を送受波器２４にて受波した信号を伝送するための信号線がケーブル２３に設けられている。
図２に示すように、送信器３１から、超音波周波数の電気的パルス信号が周期的に信号線３２を通じて送受波器２４へ供給され、送受波器２４より超音波パルスが放射される。その反射波が送受波器２４で受波されて電気信号に変換され、電気信号とされた反射信号（受波パルス信号）は信号線３２を通じて受信器３３に供給される。図に示していないが送信器３１と受信器３３に送信パルス信号と、反射信号を分離する手段が設けられている。
【００１０】
受信器３３内には感度時間制御部、いわゆるＳＴＣ部３４が設けられ、受波パルス信号はＳＴＣ部３４に通され、超音波パルスを送波後、図５に示したよう時間経過（反射点までの距離Ｒの増大）と共に増大する利得で増幅される。その後、検波され、２値化回路３５でサンプリングされ各サンプル値が２値化される。送波パルスごとに反射信号は例えば４０００回サンプリングされ、この４０００回のサンプリングの間に、竪穴の壁面からの強い反射信号がサンプリングされるようにサンプリング周波数が選定される。
【００１１】
この２値化された反射信号は記録器３６へ供給される。記録器３６では入力された２値化反射信号列は一旦メモリ（図示せず）に、超音波パルスの送波直後から順次格納された後、そのメモリから読み出されて記録紙３７（図１Ａ参照）に記録される。例えば超音波パルスは図３Ａに示すように放射され、その反射信号が図３Ｂに示すように得られ、これが図３Ｃに示すように２値化された反射信号列となる。この２値化反射信号列における“１”が連続する部分は、壁面による反射パルスの部分である。２個の送受波器２４が背中合せに取り付けられている場合、竪穴２１の掘削した状態を、記録から直感的に読み取れるように、つまり竪穴２１の垂直断面が直ちにわかるように記録することが望ましい。この点からこの記録は例えば図１Ｂに示すように記録紙３７の幅方向を２分する中心線３８に対し、その両側に、この中心線３８から離れるに従って、送受波器２４から反射点までの距離が大となるようにされる。図１Ｂ中における中心線３８の両側における幅をもつ記録線３９ａ,３９ｂは例えば互いに反対向きとされた２個の送受波器２４の放射超音波パルスの壁面からの受波パルス信号を示し、この記録線３９ａと３９ｂとの内側間隔が竪穴２１の直径に相当する。また記録線３９ａ，３９ｂの中心線３８に対する平行度が、竪穴２１の垂直度になる。
【００１２】
このような記録を行うため、例えば記録紙３７上に矢印４１で示すように、図において記録紙３７の左端より右端に走査記録をする場合は、中心線３８の左側部分の記録は、対応するメモリに記憶した２値化反射信号列を、その記憶順とは逆の順に読み出して行い、中心線３８の右側部分の記録は、対応するメモリに記憶した２値化反射信号列を、その記憶順に読み出して行う。
記録線３９ａ，３９ｂの各線幅は、２値化反射信号列における壁面反射パルスによる“１”の数と対応している。前述したように超音波パルスを放射している位置における泥水の濃度が異なり、その濃度に応じて吸収減衰係数が可成り異なるため、反射信号の強度が小さ過ぎると、記録線３９ａ，３９ｂが生じない、あるいは細過ぎ、逆に反射信号の強度が大き過ぎると、記録線３９ａ，３９ｂが太過ぎるものとなるのみならず、送受波器２４と壁面間の超音波パルスの通路における微小物体による反射が２値化反射信号列に生じ、記録線３９ａ，３９ｂ間に多数の微小斑点が生じ見苦しくなる。適切な線幅は４０００個サンプルに対し、１の数が数百個程度と、最大記録幅の１０％程度と想定される。代表的と思われる泥水において、この程度の記録幅が得られるように、ＳＴＣ部３４の特性が初期設定されてある。
【００１３】
しかし、前述したように、泥水の濃度により吸収減衰係数が可成り異なるため、この超音波測定装置により、壁穴２１の状況を測定する際に測定者はまず試験的に超音波パルスを放射し、記録紙３７上に記録線３９ａ，３９ｂの線幅を記録し、この線幅を見て、見易い線幅になるように濃度設定器４５の濃度（記録線幅）調整つまみ（図示せず）を調整する。つまり濃度調整つまみは例えば基準位置の一方側に濃い（太い）、他方側に淡い（細い）の表示が付けられてあり、調整つまみを目的方向に移動（又は回動）する。この調整つまみの調整位置に応じて、ＳＴＣ部３４に対する前記初期設定と対応した記録幅に対し、増加又は減少されて目標記録幅として、偏差算出部４６へ供給される。
【００１４】
受波パルス信号、つまり壁面からの反射パルスにより記録されるべき記録幅を求め、この記録されるべき記録幅と前記目標記録幅との差を求め、この差が小さくなるようにＳＴＣ部３４の制御特性を補正する。このためこの実施形態では２値化回路３５よりの各超音波パルス放射ごとの２値化反射信号列がデータ積算部４４に供給され、その２値化反射信号列、つまり０と１の系列中の１の数が計数される。２値化反射信号列は壁面反射パルスに相当する部分は１が幾つか連続したものとなり、よって、この計数値は記録線３９ａ,３９ｂの各線幅と対応する。
【００１５】
前述したように測定者により設定された目標記録幅Ｅと、データ積算部４４で計数された数Ｍとの差が偏差算出部４６で算出され、この差Ｍ−ＥがＳＴＣ補正値生成部４７に入力され、ＳＴＣ補正値生成部４７は前記差Ｍ−Ｅの絶対値が小さくなるようにＳＴＣ部３４のＳＴＣ特性、つまり図５における傾斜特性が修正される。従って、前記試験的記録の線幅が例えば細過ぎ、濃くなる（太くなる）ように調整した場合は計数値Ｍよりも目標記録幅Ｅが大きくされ、ＳＴＣ部３４におけるＳＴＣ特性が例えば図５中の曲線１３から曲線１４になるように補正される。
【００１６】
ＳＴＣ部３４においては例えば図４に示すように、超音波パルスの送波ごとにコンデンサ５１と並列のスイッチ５２をオンにしてコンデンサ５１の電荷を放電させた後、スイッチ５２をオフとして、定電流源５３からコンデンサ５１に定電流を供給し、そのコンデンサ５１の両端間電圧により、可変利得増幅器の利得を制御して、時間の経過と共に利得（増幅度）が大になるようにする。ＳＴＣ補正値生成部４７の出力補正値をＤ／Ａ変換器４８によりアナログの補正信号とし、この補正信号により、定電流源５３から出力する定電流値を決める基準電圧値を修正し、例えば定電流値を大きくして、ＳＴＣ部３４におるＳＴＣ特性の傾斜が大きくなるようにする。
【００１７】
今、ＳＴＣ特性の傾斜、例えば前記定電流源５３の基準電圧をＳＴＣ値とすると、ＳＴＣ値を
ＳＴＣ値＝前回ＳＴＣ値−（Ｍ−Ｅ）×Ｆ
と補正する。この補正値（Ｍ−Ｅ）×ＦにおけるＦは（Ｍ−Ｅ）をＳＴＣ値と対応する値に変換する係数である。この補正値（Ｍ−Ｅ）×Ｆに応じて例えば前記定電流源５３の基準電圧が補正される。前回ＳＴＣ値の初期値、つまり前記調整つまみが基準位置に設定されている時に、偏差算出部４６の出力がゼロの場合における値は妥当と思われる値（デフォルト値）を用いる。補正値（Ｍ−Ｅ）×Ｆの絶対値が所定値以上（異常データ）の場合は、ＳＴＣ値の急激な変化を避けるため補正処理を行わない、あるいは、その補正値の補正方向と対応した予め決めた一定値の補正をするようにすることが好ましい。
【００１８】
以上のようにして所望の記録線幅が得られるように調整した後、実際の測定を開始する。この実際の測定中も、送受波器２４が降下するに従って、泥水濃度が濃くなると、減衰係数が大きくなる、この濃度変化に対する減衰係数の変化が大きいため、前述したように通常の自動利得調整（ＡＧＣ）機能では、反射信号の強度を一定に保てない。しかし、図２の構成においては、反射信号の強度が減少し、壁面反射パルス幅が小さくなると、データ積算部４４の係数値Ｍが目標記録幅Ｅより小さくなり、この差がゼロになるようにＳＴＣ補正値生成部４７から補正信号が生成され、前述した場合と同様にＳＴＣ部３４のＳＴＣ値が補正され、ＳＴＣ特性の傾斜が大きくされ反射信号強度が所定になる。このようにして実際の測定において測定量が記録されている記録線幅を見ながら送受波器２４の感度調整を逐次調整するような煩わしいことをすることなく、ほぼ所定線幅の記録線３９ａ，３９ｂが、竪穴２１の底まで得られる。なお、濃度設定器４５の調整つまみに対する設定表示は前述したように例えば基準位置と濃い、淡いであり、指示位置の基準位置からの方向と距離に応じた値の目標線幅Ｅに変換されて偏差算出部４６へ供給される。データ積算部４４、偏差算出部４６、ＳＴＣ補正値生成部４７は例えばマイクロコンピュータにより機能させることができる。
【００１９】
なお壁面の反射係数の変動に対しては基準増幅度の位置、図５中の距離Ｒ＝０における増幅度Ａｓの値を変更しＳＴＣ特性を縦軸に沿って平行移動させればよい。
また一般には送受波器２４を降ろしながら測定を行うが、例えば互いに背中合せの２個の送受波器２４を降ろしながら測定し、掘削中の底に到達したら、送受波器２４の送受波方向を水平面内で９０度回転させて送受波器２４を引き上げながら測定するようにしてもよい。このようにすれば穴２１の直径と傾きを測定することができる。また基礎杭のための竪穴の垂直度の測定に限らず、他の竪穴の測定にも適用できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、泥水が溜った穴内に超音波送受波器を上下方向に移動させながら測定を行い、その途中で泥水の濃度が変動しても壁面までの距離を正しく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは送受波器とその昇降機及び記録器の例を示す図、Ｂは記録状態の例を示す図である。
【図２】この発明装置の実施形態の機能構成例を示す図。
【図３】放射超音波パルス、その反射受波信号、２値化受波信号の例を示す図。
【図４】ＳＴＣ制御信号の発生構成例を示す図。
【図５】泥水の減衰の大きさに応じたＳＴＣ特性を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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