(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被試験体に対して弾性表面波を送信するための送信子と、
前記被試験体中を伝播した弾性表面波を受信するための受信子と、
送信信号を発生するための信号発生部と、
前記信号発生部からの送信信号を増幅して前記送信子に送信するための送信部と、
前記受信子により受信した信号を増幅するための受信部と、
前記受信部により増幅された信号を信号処理するための信号処理部と、
前記信号処理部により処理された結果に基づいて被試験体の異常箇所の有無判定を行うための判定部と
を備え、
前記信号発生部は、前記送信信号の周波数をｆ、検査を要する被試験体表面からの深さをＬ、被試験体を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖとし、
ｆ＝ｖ／Ｌ
の単一周波数成分からなる連続波を送信する
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の異常箇所検出装置において、
前記信号処理部は、前記受信信号を一定時間間隔毎にアベレージングする
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の異常箇所検出装置において、
前記判定部は、被試験体中に異常箇所が存在しない場合における予め設定された受信信号の振幅の最大値をＡ、前記信号処理部によりアベレージングされた受信信号の振幅の最大値をＢとして、ＡとＢの大小関係から異常箇所の有無を判定する
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【請求項４】
請求項２に記載の異常箇所検出装置において、
前記信号処理部は、アベレージングされた受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトラムを求めると共に、
前記判定部は、被試験体に異常箇所が存在しない場合の周波数スペクトルにおける予め設定された送信信号の周波数成分の絶対値をＣ、前記信号処理部により求められた周波数スペクトルにおける送信信号の周波数成分の絶対値をＤとし、ＣとＤの大小関係から異常箇所の有無を判定する
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の異常箇所検出装置において、
前記送信子、前記信号発生部、前記送信部により構成される送信装置と、前記受信子、前記受信部、前記信号処理部、前記判定部により構成される受信装置とが分離されている
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の異常箇所検出装置において、
前記送信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ倍の間隔で配置されており、
前記送信信号を、各送信子に同位相で与える
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載の異常箇所検出装置において、
前記送信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２の間隔で配置されており、
前記送信部は、複数の前記送信子のうち、一つおきに選ばれた送信子の組に送信信号を送信する第１の送信部と、残りの送信子に送信信号を送信する第２の送信部とからなり、
前記信号発生部と前記第２の送信部との間に、前記信号発生部から送信された送信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間遅延させる遅延部が設けられている
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【請求項８】
請求項６に記載の異常箇所検出装置において、
前記受信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２の間隔で配置されており、
前記受信部は、複数の前記受信子のうち、一つおきに選ばれた受信子からの受信信号を増幅する第１の受信部と、残りの受信子からの受信信号を増幅する第２の受信部とからなり、
前記第２の受信部により増幅された受信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間遅延させる遅延部を備え、
前記第１の受信部から信号と前記遅延部からの信号を足し合わせて前記信号処理部に送るようにした
ことを特徴とする異常箇所検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、弾性表面波を用いて被試験体中の異常箇所の検出を行う異常箇所検出装置に関するもので、特に、弾性表面波を送受信した際の受信信号から被試験体中の異常箇所を検出する異常箇所検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の異常箇所検出装置として、文献［１］（宮島他著、“コンクリート探傷における超音波スペクトロスコピーの試み”、非破壊検査、Vol. 37、No. 9A、pp. 869-870、1988）が知られている。
図７は、文献［１］に示された従来の異常箇所検出装置の構成を示すものである。図７において、１は被試験体、２は異常箇所、３は送信子、４は受信子、１３は超音波探傷器、１４はプリアンプ、１４はＡ／Ｄ変換部、１５はコンピュータである。
【０００３】
次に動作について説明する。
送信子３は、超音波探傷器１３から送られた送信信号を電気音響変換して被試験体１に弾性表面波を送信する。受信子４は、被試験体１を伝搬してきた弾性表面波を受信してプリアンプ１４に受信子信号を送る。プリアンプ１３は、受信子信号を増幅してＡ／Ｄ変換部１５に送る。Ａ／Ｄ変換部１５は、受信子信号をＡ／Ｄ変換してコンピュータ１６に送り、コンピュータ１６は、受信子信号をフーリエ変換し、周波数スペクトルの中心周波数から異常箇所２の大きさを特定する。このとき、送信信号は、周波数スペクトルから異常箇所２の大きさを特定していることから、ある帯域幅にわたる複数の周波数成分を持つ信号であると考えられる。
【０００４】
また、他の異常箇所検出装置として、文献［２］（坂田他著、“表面法に基づいた応答スペクトルによるコンクリート構造物の欠陥評価について”、土木学会西支部研究発表会、Vol. 1987、pp. 546-547、1988）が知られている。
文献［２］では、送信信号にスウィープ信号を用いたときの受信信号の周波数スペクトルから異常箇所２の位置および方向の検出を行っている。したがって、送信信号には複数の周波数成分が含まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の異常箇所検出装置においては、異常箇所２の大きさ、位置、および方向を特定するために、送信子３から送信される送信信号に複数の周波数成分を持つ信号が用いられている。
しかし、トンネル等大型構造物の健全性検査においては、異常箇所２の大きさ、位置、および方向を特定することよりも、広い範囲における異常箇所２の有無の２値的情報を一度に検査するものが要求されている。
後述するが、異常箇所２の有無を２値的に検査する場合、送信信号には単一周波数成分のみ含まれていれば十分であり、複数の周波数成分を送信しても、検査に必要な単一の周波数成分以外の周波数成分は無意味な周波数成分となる。従来の異常箇所検出装置は、このような無意味な周波数成分を送信することにより、消費電力が無意味に大きくなるという問題があった。
【０００６】
また、広範囲の検査を一度に行うには、送受信子の離間距離を大きくする必要がある。この場合、従来の異常箇所検出装置は、送受信装置が一体となる構成であったため、送受信部と送受信子３，４をつなぐ長いケーブルが必要になり、装置全体のセットアップに時間がかかるという問題があった。
また、広範囲の検査を一度に行うには、大きいパワーの弾性表面波を被試験体１に送信および受信する必要がある。しかし、従来の異常箇所検出装置においては、送信子３および受信子４の数はそれぞれ一つであり、広範囲の検査において十分なパワーの弾性表面波を送受できなかった。
【０００７】
この発明は前記事情に鑑みてなされたもので、必要最小限の周波数成分の弾性表面波を送受し、異常箇所の有無の２値的情報を、一度に且つ広範囲に検出することができる異常箇所検出装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る異常箇所検出装置は、被試験体に対して弾性表面波を送信するための送信子と、前記被試験体中を伝播した弾性表面波を受信するための受信子と、送信信号を発生するための信号発生部と、前記信号発生部からの送信信号を増幅して前記送信子に送信するための送信部と、前記受信子により受信した信号を増幅するための受信部と、前記受信部により増幅された信号を信号処理するための信号処理部と、前記信号処理部により処理された結果に基づいて被試験体の異常箇所の有無判定を行うための判定部とを備え、前記信号発生部は、前記送信信号の周波数をｆ、検査を要する被試験体表面からの深さをＬ、被試験体を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖとし、
ｆ＝ｖ／Ｌ
の単一周波数成分からなる連続波を送信することを特徴とするものである。
【０００９】
また、前記信号処理部は、前記受信信号を一定時間間隔毎にアベレージングすることを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記判定部は、被試験体中に異常箇所が存在しない場合における予め設定された受信信号の振幅の最大値をＡ、前記信号処理部によりアベレージングされた受信信号の振幅の最大値をＢとして、ＡとＢの大小関係から異常箇所の有無を判定することを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記信号処理部は、アベレージングされた受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトラムを求めると共に、前記判定部は、被試験体に異常箇所が存在しない場合の周波数スペクトルにおける予め設定された送信信号の周波数成分の絶対値をＣ、前記信号処理部により求められた周波数スペクトルにおける送信信号の周波数成分の絶対値をＤとし、ＣとＤの大小関係から異常箇所の有無を判定することを特徴とするものである。
【００１２】
また、前記送信子、前記信号発生部、前記送信部により構成される送信装置と、前記受信子、前記受信部、前記信号処理部、前記判定部により構成される受信装置とは分離されていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記送信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ倍の間隔で配置されており、前記送信信号を、各送信子に同位相で与えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記送信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２の間隔で配置されており、前記送信部は、複数の前記送信子のうち、一つおきに選ばれた送信子の組に送信信号を送信する第１の送信部と、残りの送信子に送信信号を送信する第２の送信部とからなり、前記信号発生部と前記第２の送信部との間に、前記信号発生部から送信された送信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間遅延させる遅延部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記受信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２の間隔で配置されており、前記受信部は、複数の前記受信子のうち、一つおきに選ばれた受信子からの受信信号を増幅する第１の受信部と、残りの受信子からの受信信号を増幅する第２の受信部とからなり、前記第２の受信部により増幅された受信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間遅延させる遅延部を備え、前記第１の受信部から信号と前記遅延部からの信号を足し合わせて前記信号処理部に送るようにしたことを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る異常箇所検出装置について図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係る異常箇所検出装置を示す構成図である。図１において、１は被試験体、２は被試験体１の異常箇所、３は前記被試験体１に対して弾性表面波を送信するための送信子、４は前記被試験体１中を伝搬した弾性表面波を受信するための受信子、５は単一周波数成分からなる連続波である送信信号を発生させるための信号発生部、６は前記送信信号を増幅して前記送信子３に送信するための送信部、７は前記被試験体１中を伝播した弾性表面波を受信する受信子４による受信信号を増幅するための受信部、８は前記受信部７にて増幅された受信信号を信号処理するための信号処理部、９は前記信号処理部８により処理された結果に基づいて前記被試験体１に異常箇所が存在するかの判定を行うための判定部である。
【００１８】
ここで、送信子３は、送信部６に接続されている。また、信号発生部５は、送信部６、受信部７、信号処理部８、判定部９にそれぞれ接続されており、これらに対し送信信号もしくは制御信号を送信してこれらの動作制御を司る。また、受信子４は、受信部７に接続され、受信部７は、信号処理部８に接続されている。信号処理部８は、判定部９に接続されている。
【００１９】
また、信号発生部８は、送信信号の周波数をｆ、検査を要する被試験体１表面からの深さをＬ、被試験体１を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖとし、式（１）に示す単一周波数成分からなる連続波を送信する機能を有している。
ｆ＝ｖ／Ｌ                  （１）
【００２０】
また、送信子３は、被試験体１の表面上に当てて置かれているが、被試験体１に弾性表面波を伝播させられるものであれば良く、この目的が達成できるならば、送信子３が被試験体１に直接接触していなくても構わない。また、図１では、受信子４が被試験体１に直接接触している場合を図示しているが、被試験体１を伝搬してきた弾性表面波を受信できるものであれば良く、この目的が達成できるならば、受信子４が被試験体１に直接接触していなくても構わない。
【００２１】
また、被試験体１の異常箇所２は、鋼もしくはコンクリート等の被試験体１中に存在する、クラック、空隙等、内部の音響インピーダンスが被試験体１の音響インピーダンスと異なることにより弾性表面波を反射するものを意味する。
【００２２】
また、信号処理部８は、前記受信信号を一定時間間隔毎にアベレージングするためのアベレージング機能を有している。
また、判定部９は、被試験体１中に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の最大値をＡ（Ａは予め設定された既知な値）、アベレージングされた前記受信信号の振幅の最大値をＢとし、被試験体１中に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の最大値をＡとアベレージングされた前記受信信号の振幅の最大値Ｂとの大小関係から異常箇所の有無を判定する機能を有している。
【００２３】
次に、図１に示した異常箇所検出装置の動作について説明する。
まず、信号発生部５に、検査を要する被試験体１表面からの深さをＬおよび被試験体１を伝搬する弾性表面波の伝播速度ｖを入力する。信号発生部５は、これに基づき、式（１）により決まる単一周波数ｆの連続波を送信すると同時に、送信部６、受信部７、信号処理部８、判定部９に対し、これらが動作するための制御信号を送信する。
【００２４】
信号発生部５から発生した送信信号は、送信部６において増幅され、送信子３に送信される。送信子３に送られる送信信号は、電気信号であり、その送信信号は、送信子３により電気音響変換され、被試験体１に弾性表面波として送信される。被試験体１に送信された弾性表面波は、被試験体１中を伝搬し、受信子４により受信される。
【００２５】
受信子４により受信された弾性表面波は、電気信号に変換され、受信部７に送られて増幅され、増幅された受信信号は、信号処理部８に送られる。信号処理部８に送られた受信信号は、図示しないＡ／Ｄ変換部においてＡ／Ｄ変換される。次に、この信号処理部８のアベレージング機能により一定時間間隔毎分割された後にアベレージングされる。
【００２６】
信号処理部８のアベレージング機能により、受信信号のアベレージングを行うことにより、電気雑音および外来雑音等のランダムノイズを抑圧することが可能になり、受信信号の信号対雑音電力比を向上させる効果が生じる。また、受信信号の信号対雑音電力比が向上することにより、送信子３と受信子４の配置間隔を大きくし、被試験体１の表面に沿った方向に関する検査範囲を大きくすることを可能にするという効果が更に生じる。アベレージングされた受信信号は、判定部９に送られる。
【００２７】
ここで、異常箇所２の有無と、受信信号の振幅との関係について説明する。
文献［３］（弾性表面波工学、電子情報通信学会発行、１９８３年、p．４７）に開示されているように、弾性表面波は、表面から１波長以内にほとんどのエネルギーを集中させて伝播する。
【００２８】
したがって、送信子３から送信された弾性表面波の波長が、被試験体１表面から異常箇所２までの距離以下である場合には、この弾性表面波は異常箇所２により散乱されることはないと近似的に考えられる。このため、受信子４で受信する弾性表面波の振幅の絶対値の最大値は、被試験体１に異常箇所がない場合と比較して同じであると考えられる。
【００２９】
他方、送信子３から送信された弾性表面波の波長が、被試験体１表面から異常箇所２までの距離以上である場合には、この弾性表面波は異常箇所２により散乱される。このため、受信子４で受信する弾性表面波の振幅の絶対値の最大値は、被試験体１に異常箇所２がない場合と比較して小さいと考えられる。
【００３０】
したがって、信号発生部５において発生する送信信号が単一周波数からなる信号であれば、被試験体１表面からの深さが送信する弾性表面波の波長以下である領域における、異常箇所２の有無を２値的に検出することが可能となる。
また、以上のことから、送信信号の周波数を式（１）により決めることで、被試験体１表面から深さ方向における検査範囲を自在に設定することができるという効果が存在することが分かる。
【００３１】
以上に述べた、異常箇所２の有無と、受信信号の振幅との関係を利用し、判定部９は以下の動作を行う。
判定部９においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａ（設定値）と、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとを比較する。被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａは、判定部９内の図示しないメモリに予め保存されている。
【００３２】
次に、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとの大小関係から異常箇所２の有無が判定される。
異常箇所２の有無の判定においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとの比に関する閾値Ｓを予備実験の結果から予め決めておき、Ｂ／Ａが閾値Ｓ以上であれば、異常箇所２は存在しないと判定する。また、Ｂ／Ａが閾値Ｓ以下であれば、異常箇所２が存在すると判定する。これにより、単一周波数の連続波を送信信号に用いた場合における、異常箇所２の有無を２値的に検出することが可能になる。
【００３３】
なお、異常箇所２の有無の判定は次のように行ってもよい。
信号処理部８を、受信信号をアベレージングした後にフーリエ変換する機能を有する構成にし、信号処理部８において、受信信号をアベレージングした後にフーリエ変換して周波数スペクトルを求めその結果を判定部９に送る。
【００３４】
被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける予め設定された送信信号の周波数ｆの成分の絶対値をＣとし、信号処理部８により求められた受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値をＤとする。
【００３５】
判定部９においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃと、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとが比較される。被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃは、図示はしないが、判定部９内のメモリに予め保存されている。
【００３６】
次に、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃ、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとの大小関係から異常箇所２の有無が判定される。
【００３７】
異常箇所２の有無の判定においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃと、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとの比に関する閾値Ｓを予備実験の結果から予め決めておき、Ｄ／Ｃが閾値Ｓ以上であれば、異常箇所２は存在しないと判定する。また、Ｄ／Ｃが閾値Ｓ以下であれば、異常箇所２が存在すると判定する。
これにより、単一周波数の連続波を送信信号に用いた場合における、異常箇所２の有無を２値的に検出することが可能になる。
【００３８】
なお、図１に示した異常箇所検出装置は、送信子３と、信号発生部５と、送信部６とからなる送信装置と、受信子４と、受信部７と、信号処理部８と、判定部９とからなる受信装置とに、分離された構造としてもよい。
図２は、送信装置１１と受信装置１２とを分離した場合の異常箇所検出装置の構成である。図には示さないが、受信装置１２には、受信子４、受信部７、信号処理部８、および判定部９の動作を開始させるためのスイッチを有している。図２のように、送信装置１１と受信装置１２とを分離することにより、送信部６と送信子３を接続するケーブル、もしくは受信部７と受信子４を接続するケーブルを短くすることができる。
【００３９】
これにより、検査を行う範囲が広範囲で、送信子３と受信子４の離間距離が大きい場合において、送信子３と受信子４の離間距離に匹敵する長いケーブルを必要とせず、検査のセットアップを簡易にすると同時にセットアップに要する時間を短くできる。また、前記ケーブルから混入する外来雑音の影響を小さくできるという効果も合わせ持つ。
【００４０】
なお、送信信号に、複数の周波数成分を持つパルス信号を用いると、送信装置１１から受信装置１２に対し、受信装置１２の動作を送信装置１１と同じタイミングで開始するための制御信号を送らなければならない。しかし、この発明においては、単一周波数からなる連続波を送信信号に用いているので、送信装置１１と受信装置１２は同じタイミングで動作を開始する必要はない。したがって、異常箇所検出装置を図２の構成にすることができるのは、単一周波数からなる連続波を送信信号に用いていることの効果である。
【００４１】
以上述べたように、この発明の実施の形態１における異常箇所検出装置は、検査に必要な単一の周波数からなる連続波を送信信号として用いる。したがって、従来の異常箇所検出装置とは異なり、無意味な周波数成分を送信することなく、装置の低消費電力化が可能になる。
【００４２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る異常箇所検出装置について図３から図５を参照しながら説明する。
図３は、この発明の実施の形態２に係る異常箇所検出装置を示す構成図である。図３において、１０は信号発生部５から送信された送信信号を遅延させる遅延部、３１は偶の送信子、３２は奇の送信子である。また、図３において、６１および６２は、図１に示した送信部６と同じ送信部である。
【００４３】
図３に示す異常箇所検出装置は、送信子３を複数個有している。複数の送信子３は、偶の送信子３１および奇の送信子３２として識別される。複数の送信子３は、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されている。偶送信子３１と奇送信子３２は、１つおきに配置されている。
【００４４】
また、複数の送信子３の内、偶の送信子は送信部６１に接続されており、奇の送信子は送信部６２に接続されている。また、送信部６２は遅延部１０に接続されている。また、信号発生部５は、送信部６１、送信部６２、受信部７、信号処理部８、判定部９、遅延部１０に接続されており、これらに対し送信信号もしくは制御信号を送信して動作を司る。また、受信子４は受信部７に接続され、受信部７は信号処理部８に接続されている。信号処理部８は判定部９に接続されている。
【００４５】
また、信号発生部８は、送信信号の周波数をｆ、検査を要する被試験体１表面からの深さをＬ、被試験体１を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖとし、式（１）の単一周波数成分からなる連続波を送信する機能を有している。
また、信号処理部８は、前記受信信号を一定時間間隔毎にアベレージングするためのアベレージング機能を有している。
【００４６】
また、判定部９は、被試験体１中に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の最大値をＡ（予め設定された既知な値）とし、アベレージングされた前記受信信号の振幅の最大値をＢとし、被試験体１中に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の最大値をＡとアベレージングされた前記受信信号の振幅の最大値をＢとの大小関係から異常箇所の有無を判定する機能を有している。
また、遅延部１０は、信号発生部５から送信された送信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間を遅延させる機能を有する。
【００４７】
次に、図３に示した異常箇所検出装置の動作について説明する。
まず、信号発生部５に、検査を要する被試験体１表面からの深さをＬおよび被試験体１を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖを入力する。信号発生部５は、式（１）により決まる単一周波数ｆの連続波を送信すると同時に、送信部６１、送信部６２、受信部７、信号処理部８、判定部９、遅延部１０に対し、これらが動作するための制御信号を送信する。
【００４８】
信号発生部５から発生した送信信号は、送信部６１において増幅され、偶の送信子３１に送信される。また、信号発生部５から発生した送信信号は、これと平行し、遅延部１０において送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間だけ遅延させられ、奇の送信部３２に送信される。
これら送信子３に送られる送信信号は、電気信号であり、送信子３により電気音響変換され、被試験体１に弾性表面波を送信する。
【００４９】
これら送信子３が送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されていることにより、各送信子３から送信された弾性表面波が、送信子３の配置方向に沿って伝搬する成分について同位相で干渉して強め合い、送信子３の配置方向に沿って伝搬する弾性表面波のパワーを大きくし、より広範囲な検査を可能にする効果が生じる。
【００５０】
この効果について説明する。
偶の送信子３１から奇の送信子３２の方向に送信された弾性表面波は、送信周波数のＮ／２周期に相当する時間後に奇の受信子３２に到着する。奇の送信子３２から送信される弾性表面波は、偶の送信子３１から送信された弾性表面波に対し、送信周波数のＮ／２周期に相当する時間の遅延を受けた信号である。したがって、偶の送信子３１から送信された弾性表面波と、奇の送信子３２から送信された弾性表面波とは、同位相で干渉して強め合う。
【００５１】
なお、Ｎが偶数の場合には、Ｎ／２周期に相当する時間の遅延が、遅延時間なしと同等となるので、遅延部１０を用いなくても、偶の送信子３１から送信された弾性表面波と、奇の送信子３２から送信された弾性表面波とが、同位相で干渉して強めあう。この場合、遅延部１０を取り除けば装置全体を廉価にできるという効果を生じる。
整数Ｎの値は、偶の送信子３１および奇の送信子３２の構成、被試験体１表面の状態等の状況により適宜決めればよい。
【００５２】
被試験体１に送信された弾性表面波は、被試験体１中を伝搬し、受信子４により受信される。
受信子４により受信された弾性表面波は、受信子４により電気信号に変換され、受信部７に送られて増幅され、増幅された受信信号は、信号処理部８に送られる。
【００５３】
信号処理部８に送られた受信信号は、図には示さないがＡ／Ｄ変換部においてＡ／Ｄ変換される。次に、受信信号は、アベレージング機能により一定時間間隔毎分割された後ににアベレージングされる。アベレージングを行うことにより、電気雑音、および外来雑音等のランダムノイズを抑圧することが可能になり、受信信号の信号対雑音電力比を向上させる効果が生じる。また、受信信号の信号対雑音電力比が向上することにより、送信子３と受信子４の配置間隔を大きくし、被試験体１の表面に沿った方向に関する検査範囲を大きくすることを可能にするという効果が更に生じる。アベレージングされた受信信号は、判定部９に送られる。
【００５４】
以上に述べた、異常箇所２の有無と、受信信号の振幅との関係を利用し、判定部９は以下の動作を行う。
判定部９においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとが比較される。被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａは、図示はしないが、判定部９内のメモリに予め保存されている。
【００５５】
次に、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとの大小関係から異常箇所２の有無が判定される。
【００５６】
異常箇所２の有無の判定においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとの比に関する閾値Ｓを予備実験の結果から予め決めておき、Ｂ／Ａが閾値Ｓ以上であれば、異常箇所２は存在しないと判定する。また、Ｂ／Ａが閾値Ｓ以下であれば、異常箇所２が存在すると判定する。
【００５７】
なお、異常箇所２の有無の判定は次のように行ってもよい。
信号処理部８を、受信信号をアベレージングした後にフーリエ変換する機能を有する構成にし、信号処理部８において、受信信号をアベレージングした後にフーリエ変換して周波数スペクトルを求めてその結果を判定部９に送る。
【００５８】
被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値をＣ（設定値）とし、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値をＤとする。
判定部９においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃと、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとを比較する。被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃは、図示はしないが、判定部９内のメモリに予め保存されている。
【００５９】
次に、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃ、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとの大小関係から異常箇所２の有無が判定される。
異常箇所２の有無の判定においては、周波数スペクトルの送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃと、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとの比に関する閾値Ｓを予備実験の結果から予め決めておき、Ｄ／Ｃが閾値Ｓ以上であれば、異常箇所２は存在しないと判定する。また、Ｄ／Ｃが閾値Ｓ以下であれば、異常箇所２が存在すると判定する。
これにより、単一周波数の連続波を送信信号に用いた場合における、異常箇所２の有無を２値的に検出することが可能になる。
【００６０】
なお、図３に示した異常箇所検出装置は、送信子３と、信号発生部５と、送信部６１と、送信部６２と、変調部１０からなる送信装置と、受信子４と、受信部７と、信号処理部８と、判定部９とからなる受信装置とに、分離された構造としてもよい。
【００６１】
図４は、送信装置１１と受信装置１２とを分離した場合の異常箇所検出装置の構成である。図には示さないが、受信装置１２には、受信子４、受信部７、信号処理部８、および判定部９の動作を開始させるためのスイッチを有している。図４のように送信装置１１と受信装置１２とを分離することにより、送信部６１および送信部６２と送信子３を接続するケーブル、もしくは受信部７と受信子４を接続するケーブルを短くすることができる。
【００６２】
これにより、検査を行う範囲が広範囲で、送信子３と受信子４の離間距離が大きい場合において、送信子３と受信子４の離間距離に匹敵する長いケーブルを必要とせず、検査のセットアップを簡易にすると同時にセットアップに要する時間を短くできる。また、前記ケーブルから混入する外来雑音の影響を小さくできるという効果も合わせ持つ。
【００６３】
以上述べたように、この発明の実施の形態２における異常箇所検出装置は、送信子３が送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されていることにより、各送信子３から送信された弾性表面波が、送信子３の配置方向に沿って伝搬する成分について同位相で干渉して強め合い、送信子３の配置方向に沿って伝搬する弾性表面波のパワーを大きくし、より広範囲な検査を可能にすることができる。
【００６４】
また、送信子３を複数個有し、これらを各別個に配置するので、被試験体１表面に凹凸がある場合において、例えば文献［４］（弾性表面波工学、電子情報通信学会発行、１９８３年、p．５７）に示されているようなくし形トランスデューサを使用する場合と比較して、送信子３を被試験体１に十分な圧力で装着することができ、効率よく弾性表面波を送信することができる。
【００６５】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る異常箇所検出装置について図５および図６を参照しながら説明する。
図５は、この発明の実施の形態３に係る異常箇所検出装置を示す構成図である。図５において、１０１および１０２は図３に示した遅延部１０と同じ遅延部である。４１は偶の受信子、４２は奇の受信子である。
【００６６】
図５に示す異常箇所検出装置は、送信子３を複数個有している。複数の送信子３は、偶の送信子３１および奇の送信子３２として識別される。複数の送信子３は、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されており、偶送信子３１と奇送信子３２は、１つおきに配置されている。
【００６７】
また、図５に示す異常箇所検出装置は、受信子４を複数個有している。複数の受信子４は、偶の受信子４１および奇の受信子４２として識別される。複数の送信子３は、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されており、偶の受信子４１と奇の受信子４２は、１つおきに配置されている。
【００６８】
複数の送信子３の内、偶の送信子３１は送信部６１に接続され、奇の送信子３２は送信部６２に接続されている。また、送信部６２は遅延部１０１に接続されている。
また、複数の受信子４の内、偶の受信子４１は受信部７１に接続され、奇の受信子７２は受信部７２に接続されている。また、受信部７２は遅延部１０２に接続されている。
【００６９】
また、信号発生部５は、送信部６１、送信部６２、受信部７１、受信部７２、信号処理部８、判定部９、遅延部１０１、遅延部１０２に接続されており、これらに対し送信信号もしくは制御信号を送信してこれらの動作を司る。受信部７１および遅延部１０２は信号処理部８に接続されている。信号処理部８は判定部９に接続されている。
【００７０】
また、信号発生部８は、送信信号の周波数をｆ、検査を要する被試験体１表面からの深さをＬ、被試験体１を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖとし、式（１）の単一周波数成分からなる連続波を送信する機能を有している。
また、信号処理部８は、前記受信信号を一定時間間隔毎にアベレージングするためのアベレージング機能を有している。
【００７１】
また、判定部９は、被試験体１中に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の最大値をＡ（予め設定された既知な値）とし、アベレージングされた前記受信信号の振幅の最大値をＢとし、被試験体１中に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の最大値をＡとアベレージングされた前記受信信号の振幅の最大値をＢとの大小関係から異常箇所の有無を判定する機能を有している。
【００７２】
また、遅延部１０１は、送信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間を遅延させる機能を有する。
また、遅延部１０２は、奇の受信子４２で受信した受信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間を遅延させる機能を有する。
【００７３】
次に、図５に示した異常箇所検出装置の動作について説明する。
まず、信号発生部５に、検査を要する被試験体表面からの深さをＬおよび被試験体を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖを入力する。信号発生部５は、式（１）により決まる単一周波数ｆの連続波を送信すると同時に、送信部６１、送信部６２、受信部７１、受信部７２、信号処理部８、判定部９、遅延部１０１、遅延部１０２に対し、これらが動作するための制御信号を送信する。
【００７４】
信号発生部５から発生した送信信号は、送信部６１において増幅され、偶の送信子３１に送信される。また、信号発生部５から発生した送信信号は、これと平行し、遅延部１０１において送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間だけ遅延させられ、奇の送信部３２に送信される。
送信子３に送られる送信信号は、電気信号であり、送信子３により電気音響変換され、被試験体１に弾性表面波を送信する。
【００７５】
被試験体１に送信された弾性表面波は、被試験体１中を伝搬し、受信子４により受信される。
偶の受信子４１により受信された弾性表面波は、受信子４１により電気信号に変換され、受信部７１に送られて増幅される。奇の受信子４２により受信された弾性表面波は、受信子４２により電気信号に変換され、受信部７２に送られて増幅される。次に、増幅された受信信号は、遅延部１０２において送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間だけ遅延される。
受信部７１からの信号と遅延部１０２からの信号は足し合わされ、信号処理部８に送られる。
【００７６】
受信子４が、送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されていることにより、各受信子４によって受信された弾性表面波が、受信子４の配置方向に沿って伝搬してきた成分については、受信部７１からの信号と遅延部１０２からの信号が足し合わされる段階において同位相で干渉して強め合い、受信子４の配置方向に沿って伝搬してきた弾性表面波に関する受信感度を高くし、より広範囲な検査を可能にする効果が生じる。
【００７７】
この効果は、送信子３が送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されていることで、送信子３の配置方向に沿って伝搬する弾性表面波のパワーが大きくなるという効果と、同様の理由により生じる。
【００７８】
信号処理部８に送られた受信信号は、図には示さないがＡ／Ｄ変換部においてＡ／Ｄ変換される。次に、受信信号は、アベレージング機能により一定時間間隔毎分割された後ににアベレージングされる。アベレージングを行うことにより、電気雑音、および外来雑音等のランダムノイズを抑圧することが可能になり、受信信号の信号対雑音電力比を向上させる効果が生じる。また、受信信号の信号対雑音電力比が向上することにより、送信子３と受信子４の配置間隔を大きくし、被試験体１の表面に沿った方向に関する検査範囲を大きくすることを可能にするという効果が更に生じる。アベレージングされた受信信号は、判定部９に送られる。
【００７９】
以上に述べた、異常箇所２の有無と、受信信号の振幅との関係を利用し、判定部９は以下の動作を行う。
判定部９においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとを比較する。被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａは、図示はしないが、判定部９内のメモリに予め保存されている。
【００８０】
次に、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとの大小関係から異常箇所２の有無が判定される。
異常箇所２の有無の判定においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合における受信信号の振幅の絶対値の最大値Ａと、受信信号の振幅の絶対値の最大値Ｂとの比に関する閾値Ｓを予備実験の結果から予め決めておき、Ｂ／Ａが閾値Ｓ以上であれば、異常箇所２は存在しないと判定する。また、Ｂ／Ａが閾値Ｓ以下であれば、異常箇所２が存在すると判定する。
【００８１】
なお、異常箇所２の有無の判定は次のように行ってもよい。
信号処理部８を、受信信号をアベレージングした後にフーリエ変換する機能を有する構成にし、信号処理部８において、受信信号をアベレージングした後にフーリエ変換して周波数スペクトルを求めてその結果を判定部９に送る。
被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値をＣとし、受信信号の周波数スペクトルの送信信号の周波数ｆの成分の絶対値をＤとする。
【００８２】
判定部９においては、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃと、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとが比較される。被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃは、図示はしないが、判定部９内のメモリに予め保存されている。
【００８３】
次に、被試験体１に異常箇所２が存在しない場合の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃ、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとの大小関係から異常箇所２の有無が判定される。
異常箇所２の有無の判定においては、周波数スペクトルの送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｃと、受信信号の周波数スペクトルにおける送信信号の周波数ｆの成分の絶対値Ｄとの比に関する閾値Ｓを予備実験の結果から予め決めておき、Ｄ／Ｃが閾値Ｓ以上であれば、異常箇所２は存在しないと判定する。また、Ｄ／Ｃが閾値Ｓ以下であれば、異常箇所２が存在すると判定する。これにより、単一周波数の連続波を送信信号に用いた場合における、異常箇所２の有無を２値的に検出することが可能になる。
【００８４】
なお、図５に示した異常箇所検出装置は、送信子３と、信号発生部５と、送信部６１と、送信部６２と、変調部１０１からなる送信装置と、受信子４と、受信部７１と、受信部７２と、信号処理部８と、判定部９と、遅延部１０２とからなる受信装置とに、分離された構造としてもよい。
【００８５】
図６は、送信装置１１と受信装置１２とを分離した場合の異常箇所検出装置の構成である。図には示さないが、受信装置１２には、受信子４、受信部７、信号処理部８、および判定部９の動作を開始させるためのスイッチを有している。図６のように送信装置１１と受信装置１２とを分離することにより、送信部６１および送信部６２と送信子３を接続するケーブル、もしくは受信部７１および受信部７２と受信子４を接続するケーブルを短くすることができる。
【００８６】
これにより、検査を行う範囲が広範囲で、送信子３と受信子４の離間距離が大きい場合において、送信子３と受信子４の離間距離に匹敵する長いケーブルを必要とせず、検査のセットアップを簡易にすると同時にセットアップに要する時間を短くできる。また、前記ケーブルから混入する外来雑音の影響を小さくできるという効果も合わせ持つ。
【００８７】
以上述べたように、この発明の実施の形態３における異常箇所検出装置は、複数個の受信子４が送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２倍の間隔で配置されていることにより、各受信子４によって受信された弾性表面波が、受信子４の配置方向に沿って伝搬してきた成分については、受信部７１からの信号と遅延部１０２からの信号が足し合わされる段階において同位相で干渉して強め合い、受信子４の配置方向に沿って伝搬してきた弾性表面波に関する受信感度を高くし、より広範囲な検査を可能にすることができる。
【００８８】
また、受信子４を複数個有し、これらを各別個に配置するので、被試験体１表面に凹凸がある場合において、例えば文献［４］（弾性表面波工学、電子情報通信学会発行、１９８３年、p．５７）に示されているようなくし形トランスデューサを使用する場合と比較して、受信子４を被試験体１に十分な圧力で装着することができ、効率よく弾性表面波を受信することができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、被試験体に対して弾性表面波を送信するための送信子と、前記被試験体中を伝播した弾性表面波を受信するための受信子と、送信信号を発生するための信号発生部と、前記信号発生部からの送信信号を増幅して前記送信子に送信するための送信部と、前記受信子により受信した信号を増幅するための受信部と、前記受信部により増幅された信号を信号処理するための信号処理部と、前記信号処理部により処理された結果に基づいて被試験体の異常箇所の有無判定を行うための判定部とを備え、前記信号発生部は、前記送信信号の周波数をｆ、検査を要する被試験体表面からの深さをＬ、被試験体を伝搬する弾性表面波の伝播速度をｖとし、
ｆ＝ｖ／Ｌ
の単一周波数成分からなる連続波を送信するようにしたので、必要最小限の周波数成分の弾性表面波を送受し、異常箇所の有無の２値的情報を、一度に且つ広範囲に検出することができる。
【００９０】
また、前記信号処理部により、前記受信信号を一定時間間隔毎にアベレージングすることにより、電気雑音、および外来雑音等のランダムノイズを抑圧することが可能になり、受信信号の信号対雑音電力比を向上させて、送信子と受信子の配置間隔を大きくし、被試験体の表面に沿った方向に関する検査範囲を大きくすることを可能にする。
【００９１】
また、前記判定部により、被試験体中に異常箇所が存在しない場合における予め設定された受信信号の振幅の最大値をＡ、前記信号処理部によりアベレージングされた受信信号の振幅の最大値をＢとして、ＡとＢの大小関係から異常箇所の有無を判定することにより、異常箇所の有無の２値的情報を、一度に且つ広範囲に検出することができる。
【００９２】
また、前記信号処理部により、アベレージングされた受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトラムを求めると共に、前記判定部により、被試験体に異常箇所が存在しない場合の周波数スペクトルにおける予め設定された送信信号の周波数成分の絶対値をＣ、前記信号処理部により求められた周波数スペクトルにおける送信信号の周波数成分の絶対値をＤとし、ＣとＤの大小関係から異常箇所の有無を判定することにより、異常箇所の有無を２値的に検出することが可能になる。
【００９３】
また、前記送信子、前記信号発生部、前記送信部により構成される送信装置と、前記受信子、前記受信部、前記信号処理部、前記判定部により構成される受信装置とを分離することにより、接続ケーブルを短くし、検査のセットアップを簡易かつ短時間にすることができ、ケーブルから混入する外来雑音を小さくすることができる。
【００９４】
また、前記送信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２の間隔で配置されることにより、送信子の配置方向に沿って伝搬する弾性表面波のパワーを大きくし、より広範囲な検査を可能にする効果がある。
【００９５】
また、前記信号発生部から送信された送信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間遅延させる遅延部をさらに備えることにより、遅延を受けない弾性表面波との同位相での干渉を強め合うという効果がある。
【００９６】
また、前記受信子は、複数備えられ、Ｎを正の整数とし、弾性表面波の送信方向に沿って送信信号の周波数における弾性表面波の波長のＮ／２の間隔で配置されることにより、受信子の配置方向に沿って伝搬してきた弾性表面波に関する受信感度を高くし、より広範囲な検査を可能にする。
【００９７】
また、前記受信部により増幅された受信信号を、送信信号の周波数の周期のＮ／２倍に相当する時間遅延させる遅延部をさらに備えることにより、遅延を受けない受信信号との同位相での干渉を強め合うという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による異常箇所検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る異常箇所検出装置の変形例による構成を示すブロック図である。
【図３】  この発明の実施の形態２による異常箇所検出装置の構成を示すブロック図である。
【図４】  この発明の実施の形態２に係る異常箇所検出装置の変形例による構成を示すブロック図である。
【図５】  この発明の実施の形態３による異常箇所検出装置の構成を示すブロック図である。
【図６】  この発明の実施の形態３に係る異常箇所検出装置の変形例による構成を示すブロック図である。
【図７】  従来例に係る異常箇所検出装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  被試験体、２  異常箇所、３  送信子、３１  偶の送信子、３２  奇の送信子、４  受信子、４１  偶の受信子、４２  奇の受信子、５  信号発生部、６送信部、１１  送信装置、１２  受信装置、６１  送信部、６２  送信部、７受信部、７１  受信部、７２  受信部、８  信号処理部、９  判定部、１０  遅延部、１０１  遅延部、１０２  遅延部。
【図１】
0003638248.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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