(57)【要約】【課題】コンクリート構造物の内部欠陥検出などの種々の探査用途に利用される非接触音響探査の手法において、健全部を明確かつ客観的に規定することを可能とする。【解決手段】この非接触音響探査法は、被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程と、取得された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程と、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定する工程と、を含む。【選択図】図５
2018096858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程と、
取得された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程と、
前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定する工程と、を含む非接触音響探査法。
【請求項２】
前記確率分布が正規分布である請求項１に記載の非接触音響探査法。
【請求項３】
複数点の前記計測箇所ごとに第一および第二の前記音響学的特徴量を取得して前記信頼区間をそれぞれ決定し、
第一および第二の前記音響学的特徴量が前記信頼区間の内側にそれぞれ存在する場合に、当該音響学的特徴量に基づいて前記内部構造を推定する請求項１または２に記載の非接触音響探査法。
【請求項４】
第一および第二の前記音響学的特徴量が、それぞれ振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーである請求項３に記載の非接触音響探査法。
【請求項５】
前記被照射体が探査対象物を内部に含み、
前記信頼区間から外れる前記音響学的特徴量が取得された前記計測箇所を、計測不良位置または前記探査対象物の位置と推定する工程と、を更に含む請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触音響探査法。
【請求項６】
前記探査対象物が内部欠陥であり、振動エネルギー比が前記信頼区間の上限側に外れ、スペクトルエントロピーが前記信頼区間の下限側に外れる場合に、当該音響学的特徴量が取得された前記計測箇所を前記探査対象物の位置と推定する請求項４に従属する請求項５に記載の非接触音響探査法。
【請求項７】
被照射体の表面に送波音波を照射する音響発信源と、
照射された前記送波音波により加振される前記被照射体の前記表面の複数の計測箇所において振動速度を光学的に計測する光学計測器と、
前記光学計測器の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、
算出された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、
前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定することを特徴とする非接触音響探査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波を用いた非接触音響探査法および非接触音響探査システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンクリート構造物や各種材料の内部欠陥を発見したり地中に埋設された物品を検出したりするなどの目的で、音波や超音波を利用する方法が種々提案されている。本発明者らは下記の特許文献１および特許文献２において、音波を用いて非接触で欠陥等の探査対象物を探査する手法を提案している。これらの手法は、コンクリート構造などの対象構造物に対して二次元的に音波を照射し、この対象構造物の表面の振動速度を計測して探査対象物をスキャンするものである。このほか、レーザや電磁波などを対象構造物に照射して欠陥等の探査対象物を抽出または映像化する各種の手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１０６１０２号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２４８９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コンクリート構造物や各種材料においては様々な状況下で健全部の内部に欠陥が発生するため、高い探査精度で健全部と内部欠陥とを識別する手法が望まれている。かかる要望は、コンクリート構造物や各種材料における内部欠陥の探査に限らず、土壌や工業製品など様々な探査対象物に対して広く希求されている。
【０００５】
しかしながら従来の欠陥検出法では、欠陥部と健全部とを識別するためには何らかの閾値が必要とされるところ、閾値の設定基準は経験者による判断に委ねられており、明確な根拠に拠るものではなかった。すなわち従来の欠陥検出法では健全部を明確に規定する手法というものは存在しなかった。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、各種のコンクリート構造物や材料等において健全部を明確かつ客観的に規定することが可能な非接触音響探査の手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】
本発明者らは鋭意検討し、上記課題を解決する手法を見出し、そして本発明を完成させた。
本発明の非接触音響探査法は、被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程と、取得された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程と、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
また本発明の非接触音響探査システムは、被照射体の表面に送波音波を照射する音響発信源と、照射された前記送波音波により加振される前記被照射体の前記表面の複数の計測箇所において振動速度を光学的に計測する光学計測器と、前記光学計測器の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、算出された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
被照射体における健全部は或る程度の均一性を有しているため、健全部の表面から取得される音響学的特徴量の値は平均値の付近に集積し、正規分布などの確率分布に従うとともに所定の信頼区間に収まるように分布する。一方、内部欠陥などの探査対象物が存在している位置で取得された音響学的特徴量の値は、健全部で取得された値とは異なるものとなる。このため、探査対象物に応じて所定の信頼区間を設定し、この信頼区間の内側に存在する音響学的特徴量に基づいて被照射体の内部構造を推定することで、かかる推定結果は探査対象物における健全部の内部構造を示すものとなる。したがって本発明によれば、たとえば様々な組成をもち場所により特性の異なるコンクリート構造物や材料等を対象にした場合でも、非接触音響探査法に精通した熟練経験者を必要とせずに健全部を明確かつ客観的に規定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の非接触音響検査システムの構成を示す説明図である。
【図２】被照射体（コンクリート健全部）の画像である。
【図３】振動エネルギー比とスペクトルエントロピーとの相関図である。
【図４】振動エネルギー比の分布のＱ−Ｑプロットを示す図である。
【図５】振動エネルギー比の分布のボックスプロットを示す図である。
【図６】外れ処理後の振動エネルギー比の分布のＱ−Ｑプロットを示す図である。
【図７】円形空洞を内部欠陥として含む実施例の被照射体である。
【図８】実施例にかかる振動エネルギー比とスペクトルエントロピーとの相関図である。
【図９】（ａ）は実施例にかかる健全部の振動エネルギー比の分布のヒストグラムであり、（ｂ）は実施例にかかる健全部のスペクトルエントロピーの分布のヒストグラムである。
【図１０】（ａ）は実施例にかかる健全部の振動エネルギー比の分布のＱ−Ｑプロットを示す図であり、（ｂ）は実施例にかかる健全部のスペクトルエントロピーの分布のＱ−Ｑプロットを示す図である。
【図１１】実施例にかかる欠陥部を振動エネルギー比によって映像化した結果の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明について説明する。本発明は、音響特徴量の統計的分布を用いた非接触音響探査法に関するものであり、コンクリート構造などの被照射体の健全部を抽出し、またこれにより被照射体の内部の探査対象物の位置を正確に把握することができる。被照射体は特に限定されないが、たとえば、コンクリート構造物、地面（土、砂、石、アスファルト等）、木、液体、人体などが挙げられる。たとえば、地面に埋められている地雷の位置を把握する場合には、地面が被照射体であり地雷が探査対象物である。コンクリート構造物の内部の欠陥部の位置を把握する場合には、コンクリート構造物が被照射体であり欠陥部が探査対象物である。人体の内部に存在する腫瘍等の位置を把握する場合には、臓器などの体組織が被照射体であり腫瘍等が探査対象物である。各種製品の内部の欠陥部の位置を非破壊にて把握すること場合には、当該各種製品が被照射体であり欠陥部が探査対象物である。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態の非接触音響探査システム（以下、「探査システム」と略記する場合がある）１０の構成を示す説明図である。探査システム１０は、探査対象物３を内部に含む被照射体１の表面に送波音波１２を照射して被照射体１を振動させ、表面の複数の計測箇所において振動速度を計測して探査対象物３の位置を判断するシステムである。
【００１３】
探査システム１０は、音響発信源１１、光学計測器１３および演算部１５１を備えている。音響発信源１１は、被照射体１の表面に送波音波１２を照射する手段である。被照射体１は探査対象物３を内部に含んでもよい。光学計測器１３は、音響発信源１１から照射された送波音波１２により加振される被照射体１の表面の複数の計測箇所において、当該表面の振動速度を光学的に計測する機器である。演算部１５１は、光学計測器１３の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する。演算部１５１は、具体的にはコンピュータ１５のＣＰＵ(Central Processing Unit)により実現される。
本実施形態の演算部１５１は、算出された音響学的特徴量の母集団のうち、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、そしてこの信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて被照射体の内部構造を推定する。更に演算部１５１は、この信頼区間から外れる音響学的特徴量が算出された計測箇所を、計測不良位置または探査対象物の位置と推定してもよい。
【００１４】
以下、探査システム１０について更に詳細に説明する。
【００１５】
被照射体１は、たとえばコンクリート構造物や土壌などである。被照射体１の内部に探査対象物３が存在しない場合には、音響学的特徴量の母集団のうち計測不良を除く実質的に全部が信頼区間の内側に存在することとなる。一方、被照射体１の内部に局所的に探査対象物３が存在していてもよい。探査対象物３としては空洞や剥離欠陥などの欠陥部（ボイド）を挙げることができるが、このほか被照射体１と共振周波数が異なる金属などの埋設物でもよい。
【００１６】
音響発信源１１は、送波音波１２を所定の送波時間間隔ごとに送出する。音響発信源１１にはフラットスピーカを用いることができる。音響発信源１１の数やスピーカの角度等は特に限定されない。音響発信源１１には、フラットスピーカの他、パラメトリックスピーカも好ましく用いることができ、具体的にはＬＲＡＤ社製の長距離音響放射装置（LRAD（登録商標）：Long Range Acoustic Device）や強力超音波音源を好ましく用いることができる。このほか音響発信源１１にはラウドスピーカやパルスレーザ、高圧ガスガン、衝撃波管を用いることができる。
【００１７】
音響発信源１１から被照射体１へ照射される送波音波１２は、所望の周波数（ω）に調整することができ、かつ、被照射体１の表面をその振動速度が光学計測器１３によって測定できる程度に、表面に対して平行方向ではない方向（好ましくは、表面に対する垂直方向）へ振動させることができる音波であればよい。被照射体１の共振周波数帯が不明である場合には、音響発信源１１から被照射体１へ照射される送波音波１２は、広い周波数帯域を含むトーンバースト波であることが好ましい。ただし、全ての周波数を含むホワイトノイズを用いることも可能である。送波音波１２は、空気中で振動振幅が減衰し難い可聴帯域の音波（音響波）が好ましい。超音波は空気中で振動振幅の減衰が大きいものの、音響発信源１１が発する送波音波１２としての使用を排除するものではなく、音波には超音波を含む。送波音波１２の強度は、音響発信源１１から被照射体１へ当該送波音波１２を照射することで、被照射体１の表面に９０ｄＢ以上の音圧を発生させる強度であることが好ましく、１００ｄＢ程度の音圧を発生させる強度であることがより好ましい。
【００１８】
探査システム１０は、任意波形発生装置１７およびアンプ１９を有している。コンピュータ１５は、演算部１５１に加えて制御装置１５２および表示部１５３を含んでおり、制御装置１５２によって任意波形発生装置１７を制御して、所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる。光学計測器１３は、任意波形発生装置１７が発生するトリガ信号に制御装置１５２を同期させて計測する。表示部１５３は、振動速度分布図等を表示するディスプレイ画面等である。
【００１９】
任意波形発生装置１７は、制御装置１５２の指令によって所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる。制御装置１５２は、音響発信源１１から送波音波１２が出力される時間関係を制御する手段である。任意波形発生装置１７には市販のファンクションジェネレータ等を用いることができる。アンプ１９に用いられる機器は特に限定されず、市販のオーディオアンプを用いることができる。
【００２０】
光学計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を光学的に計測する計器である。光学計測器１３としてはレーザドップラ振動計を好ましく用いることができる。ただし、光学計測器１３を被照射体１に対して近距離に配置する場合には光学計測器１３としてレーザ変位計を用いることもできる。光学計測器１３にレーザドップラ振動計を用いる場合、光学計測器１３はレーザ（観察波１３１）を被照射体１に照射する。送波音波１２が照射されて振動する被照射体１の表面で観察波１３１が反射されて光学計測器１３の受光部（図示せず）で受光されることにより、光学計測器１３は被照射体１の表面の振動速度を計測する。この観察波１３１は、探査対象物３を内包する被照射体１の振動状況を示す目的信号である。光学計測器１３で得られた振動速度の計測データは演算部１５１で解析するために用いられる。
【００２１】
光学計測器１３には、１回の計測で被照射体１の表面の１点における振動計測が可能なシングルレーザタイプのレーザ振動計を用いることも可能であるが、スキャニングレーザタイプのレーザ振動計を用いることが好ましい。スキャニング振動計であるレーザドップラ振動計としては、具体的に、ポリテックジャパン社製のＰＳＶ５００およびＰＳＶ５００Ｘｔｒａが挙げられる。シングルレーザタイプのレーザ振動計としては、長距離測定用のレーザドップラ振動計であるポリテックジャパン社製のＲＳＶ−１５０を例示することができる。光学計測器１３は、演算部１５１の機能の一部を実現するものであってもよい。すなわち光学計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を計測し、かかる計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出してもよい。
【００２２】
演算部１５１は、光学計測器１３で得られた振動速度の計測結果を用いて音響学的特徴量を算出し、そして算出された音響学的特徴量の母集団を統計処理することにより、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する。
【００２３】
以下、本実施形態の非接触音響探査法（以下、本方法という場合がある）について説明する。
【００２４】
本方法は、特徴量取得工程、信頼区間算出工程および推定工程を含む。
特徴量取得工程は、被照射体１の表面に音響発信源１１より送波音波１２を照射して被照射体１を振動させ、そして被照射体１の表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程である。
信頼区間算出工程は、取得された音響学的特徴量の母集団のうち、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程である。
推定工程は、信頼区間の内側に存在する音響学的特徴量に基づいて被照射体１の内部構造を推定する工程である。
【００２５】
以下、本方法を更に詳細に説明する。
【００２６】
特徴量取得工程で制御装置１５２は、送波音波１２を特定時刻に限局して音響発信源１１から出力させる。音響発信源１１から出力される送波音波１２は特に限定されないが、ノイズ波やバースト波を好ましく用いることができる。送波音波１２の波形は正弦波でも三角波でも矩形波でもよい。
【００２７】
図１に示すように、音響発信源１１から被照射体１の表面までの距離をｄ１とする。光学計測器１３は、送波音波１２が照射されて振動している被照射体１の表面にレーザ（観察波１３１）を照射するなどして当該表面の振動速度を計測する。光学計測器１３から、被照射体１に対する観察波１３１の照射位置までの距離をｄ２とし、光学計測器１３と音響発信源１１との距離をｄ３とする。送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面で反射して光学計測器１３に到達するまでの距離はｄ１＋ｄ２となる。送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面に到達するまでの時間（目標到達時間）はｄ１／音速（Ｖｓ）である。観察波１３１（レーザ）の速度は音速に比べて十分に高いため、被照射体１の表面の振動が開始する目標到達時間の瞬間が光学計測器１３による計測可能時間の開始タイミングとなる。音響発信源１１が送波音波１２を送出してから反射音波１２２が光学計測器１３に入射するまでの時間（反射到達時間）は（ｄ１＋ｄ２）／音速（Ｖｓ）となる。また、音響発信源１１より送出された送波音波１２は、ｄ３／音速（Ｖｓ）の時間（直接到達時間）で直接音波１２１として光学計測器１３に到達する。直接音波１２１は音響発信源１１から光学計測器１３に直接に到達する不要信号であり、反射音波１２２は被照射体１で反射して光学計測器１３に到達する不要信号である。音響発信源１１と光学計測器１３とが互いに近傍に配置される場合、直接到達時間は目標到達時間よりも短く、また反射到達時間は目標到達時間の約２倍となる。したがって、たとえば目標到達時間から反射到達時間までの時間帯は、光学計測器１３に不要信号が入射することなく観察波１３１を光学計測器１３が受光可能である。
演算部１５１は、光学計測器１３の計測結果のうち被照射体１が振動している時間帯を判定し、この時間帯と異なる時間に光学計測器１３が計測した計測結果から不要成分の少なくとも一部を抑圧する。演算部１５１は、光学計測器１３の計測結果である被照射体１の振動速度に関する目的信号を、この時間帯に限局して取得するようにゲート処理を施すとよい。このほか演算部１５１は目的信号に周波数ゲートを適用してもよい。演算部１５１におけるゲート処理の詳細は本発明者らによる特願２０１２−２５８８８８号（特許文献１）に記載の処理が例示される。演算部１５１は、目的信号に対して時間および周波数ゲート処理を行ったのち、ＦＦＴ（フーリエ変換）処理を行う。
【００２８】
送波音波１２としてバースト波を送波する場合、送波される各回の音波（バースト群）の送波時間間隔は一定であることが好ましい。また送波音波１２は、バースト群を構成する一または複数の音波の周波数が一定であるシングルトーンバースト波でもよく、またはバースト群を構成する複数の音波の個々の周波数が互いに異なるマルチトーンバースト波でもよい。マルチトーンバースト群は、送波される一つのバースト群における一の時刻の中心周波数と他の時刻の中心周波数とが異なる送波音波である。また、送波音波１２として送波されるシングルトーンバースト波およびマルチトーンバースト波は、バースト群ごとに周波数を変化させることが好ましく、すなわち、第１のバースト群に含まれる単一または複数の周波数（群）と、この第１のバースト群の後に送波される第２のバースト群に含まれる単一または複数の周波数（群）と、が互いに異なるとよい。なお、周波数群が互いに異なるとは、各周波数群に含まれる周波数が完全一致していることを排除する趣旨であり、各周波数群を構成する周波数の一部または全部が互いに異なることを意味する。
音響発信源１１が送波するバースト群の一個あたりの時間長は反射到達時間よりも短いとよい。これにより、目標到達時間から反射到達時間までの時間帯で送波音波１２の目的信号を取得するにあたり、次の送波音波１２による直接音波１２１が当該時間帯に光学計測器１３に到達することを回避可能である。
【００２９】
特徴量取得工程で演算部１５１は、光学計測器１３が計測した目的信号に基づいて音響学的特徴量を取得する。本方法で用いられる音響学的特徴量は特に限定されるものではないが、被照射体１の表面の計測箇所における振動速度を少なくとも用いて算出される物理学的特徴量である。音響学的特徴量としては、振幅スペクトル（Ｓｆ）、振動エネルギー（ＰＳＤ）、振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））およびスペクトルエントロピー（Ｈ）を挙げることができる。
【００３０】
振幅スペクトル（Ｓｆ）は、計測箇所における振動速度の波形をＦＦＴにより分解して求められる周波数ごとの振幅を示す値である。
振動エネルギー（ＰＳＤ）は、振動速度の２乗に比例する値である。
振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））は、最小ＰＳＤ部における振動エネルギーと、対象とする各計測箇所における振動エネルギーとの比であり、下記の式（１）から算出される。
【００３１】
【数１】
2018096858.tif 000003
【００３２】
ここで、最小ＰＳＤ部とは、本方法で対象とする多数の計測箇所においてそれぞれ求められた周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係を、光学計測器１３の共振周波数を含まない特定の周波数範囲で積分した値が最小値となるような計測箇所の位置をいう。最小ＰＳＤ部と判断された計測箇所は、内部欠陥などの探査対象物が存在しない比較的均一な内部構造の箇所（健全部）の１つと考えられる。上記の式（１）における分母の「ＰＳＤmin」は、最小ＰＳＤ部における、周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係についての積分値（積分範囲：ｆ1〜ｆ2）である。そして、式（１）における分子の「ＰＳＤx」は、最小ＰＳＤ部以外の計測箇所における、周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係についての積分値（積分範囲：ｆ1〜ｆ2）である。
【００３３】
スペクトルエントロピー（Ｈ）は、振幅スペクトル（Ｓｆ）を確率分布とみなした場合の情報エントロピーを示し、時間セグメントの周波数スペクトルが、全体としての領域の平均周波数スペクトルから異なる程度を表わす指標である。スペクトルエントロピー（Ｈ）は、振幅スペクトル（Ｓｆ）を用いて下記の式（２）および（３）から算出される。
【００３４】
【数２】
2018096858.tif 000004
【００３５】
なお、振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））およびスペクトルエントロピー（Ｈ）のより詳細な算出方法としては、本発明者らによる特願２０１４−１０８１４８（特許文献２）に記載された手法を用いることができる。
このほか音響学的特徴量としては、各計測箇所における振動速度の最大値を用いてもよい。すなわち特徴量取得工程において、光学計測器１３が被照射体１の計測箇所から計測した振動速度に基づいて演算部１５１が音響学的特徴量を取得するとは、上記のようにエネルギーやスペクトルを算出するほか、目的信号に対して各種のノイズ処理や抽出処理を施して、各計測箇所の振動状態を示す物理量を得ることをいう。
演算部１５１は、被照射体１の表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する。これにより、被照射体１の計測箇所の点数を要素数とする音響学的特徴量の母集団を得ることができる。
【００３６】
演算部１５１は、音響学的特徴量を１種類のみ取得してもよく、または複数種類の音響学的特徴量を取得してもよい。以下、本方法では、第一の音響学的特徴量として振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））、第二の音響学的特徴量としてスペクトルエントロピー（Ｈ）を取得するものとする。音響学的特徴量として振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））やスペクトルエントロピー（Ｈ）を採用することで、光学計測器１３が計測する目的信号の信号レベルの変動の影響を低減し、探査対象物３の正確な探査や、被照射体１における探査対象物３を除く健全部の正確な評価が可能となる。
【００３７】
図２は、具体的な被照射体（コンクリート健全部）のＣＣＤカメラ画像である。計測点数は８１点（９×９）で、計測箇所の位置は図中に十字（＋）で示されている。この被照射体は、２４番や３４番の計測箇所に小さな内部欠陥を有している。かかる被照射体の表面に、長距離音響放射装置を用いて可聴域の送波音波を照射して振動させ、レーザドップラ振動計を用いて各計測箇所の振動速度を非接触音響探査法で光学的に計測した。
次に、計測された８１点の振動速度データから、各計測箇所での振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））とスペクトルエントロピー（Ｈ）を算出した。図３は振動エネルギー比（横軸）とスペクトルエントロピー（縦軸）との相関図であり、振動エネルギー比とスペクトルエントロピーの分布状態を示している。図３中のプロット近傍の数値は計測点番号である。図の左側にプロットが集合して分布していることがわかる。各計測点での音響学的特徴量（振動エネルギー比およびスペクトルエントロピー）の分布は正規分布に従うことが後述する実施例から推定されるところ、その正規分布からの外れ値と思われるプロットが図３の右側に幾つか点在して見られる。
【００３８】
図４は、コンクリート健全部に対する８１個の振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））の分布のＱ−Ｑプロットを示す図である。横軸は振動エネルギー比が正規分布の理論値に従う場合の期待累積パーセントであり、縦軸は振動エネルギー比の算出値の累積パーセントである。Ｑ−Ｑ（Ｑｕａｎｔｉｌｅ−Ｑｕａｎｔｉｌｅ）プロットは、データ群（ここでは８１個の振動エネルギー比の値）が、与えられた分布（ここでは正規分布）に従うかどうかを検定する手法である。
図４のグラフ中の右上がりの直線（参照線）は、正規分布に従う理想的なプロットの位置を示す。同図に示す結果では、大多数のプロットが参照線に乗っており、すなわち正規分布に従って存在することがわかる。そして、右上の楕円で囲まれた領域に幾つかの外れ値が目視される。
同図では６点を外れ値として目視にて検出することができるが、この検出をコンピュータにより客観的かつ機械的に実行するため、本方法では音響学的特徴量の確率分布の信頼区間を決定する。
【００３９】
信頼区間算出工程で演算部１５１は、上記の特徴量取得工程で取得された音響学的特徴量の母集団のうち、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する。図９（ａ）および（ｂ）を参照して後述するように、被照射体１としてコンクリート構造物を用い、可聴域の送波音波１２を送波して加振させた場合、その表面の振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーの分布は正規分布に従うことが本発明者らの検討結果から明らかとなっている。これはコンクリート構造物の健全部における内部構造は或る程度の均一性を有しているため、健全部の表面の多数点から取得される音響学的特徴量は、平均値の付近に集積し、そして健全部の内部構造の僅かな不均一さは正規分布に従うと考えられるからである。このため本方法において演算部１５１は、音響学的特徴量の確率分布が正規分布であるとして信頼区間を算出する。ただし被照射体１によっては、正規分布ではなく、たとえばガンマ分布など他の連続型の確率分布に音響学的特徴量が従うとして信頼区間を算出することを排除するものではない。
信頼区間を算出する目的は、被照射体１の実際の計測においては，正規分布からの外れ値が幾つか含まれることがあるためである。外れ値が生じる要因としては、大別して、被照射体１の内部構造の不均一さ（すなわち探査対象物３の存在）と、計測不良の発生が挙げられる。このような外れ値を識別除去することで、被照射体１の健全部のみを評価抽出することが可能となる。
【００４０】
信頼区間は種々の方法で決定することができるが、本方法では四分位数(quartile points)を用いた外れ値の検出方法を用いることができる。具体的には、四分位範囲(ＩＱＲ：interquartile range)の関数として決定される「箱ひげ図」に基づくボックスプロット関数によって信頼区間を設定し、外れ値を検出することができる。
ここで、コンクリート構造物などのように音響学的特徴量のデータ分布が非対称で偏りがある場合や極端な外れ値がある場合は、四分位数を用いて外れ値を検出することが有用である。仮に平均と標準偏差に基づいて外れ値を検出する場合、大きな外れ値があるとそれに引っ張られて平均と標準偏差が大きく影響を受けてしまうためである。これに対し、データを小さい方から順に並べて四分の一または四分の三のデータ個数となるデータの数値を用いる四分位数を採用することで、大きな外れ値があっても、その影響を受けずに健全部を抽出することができる。また、コンクリート構造物に送波音波を照射して振動速度を計測する場合、内部欠陥の面積はコンクリート構造物の全体の照射面積のごく一部であることが一般的であり、また計測不良も多く発生するものではない。このため、四分位範囲を信頼区間とすることで、健全部に対応する計測箇所における音響学的特徴量は信頼区間の内側に収まり、そして内部欠陥や計測不良に対応する少数の計測箇所における音響学的特徴量は信頼区間の外側に外れることとなる。
【００４１】
ボックスプロット関数では、最小値＝Ｑ１／４−ｋ×ＩＱＲ、最大値＝Ｑ３／４＋ｋ×ＩＱＲ（ただし、ＩＱＲ＝Ｑ３／４−Ｑ１／４）として、この最小値以上かつ最大値以下の範囲を信頼区間とする。Ｑ３／４は第３四分位点であり、Ｑ１／４は第１四分位点である。係数ｋは一例として１．５を用いることができるが、これに限られず、１未満でも１以上でもよい。この信頼区間の内側に存在する値、すなわち最小値以上かつ最大値以下の音響学的特徴量が取得された計測箇所が健全部と推定される。ただし本方法において上記のボックスプロット関数や係数ｋの設定は一例である。
【００４２】
図５は、８１点の全計測点における振動エネルギー比の母集団のデータにボックスプロットを適用した例を示す。図中の〇が外れ値を示し、その左側に振動エネルギー比の値を表示している。またボックスプロットの右側に、上から外れ値（outlier）、最大値、第３四分位点、中央値、第１四分位点、最小値が表示されている。上から３つ目と４つ目の外れ値は振動エネルギー比の値自体が近接しているために重なって見えているが異なるデータである。すなわち、同図の例では６点の外れ値が検出されている。この６点の外れ値が図４において楕円で囲んだ６点に対応していることをＱ−Ｑプロットにより確認する。
【００４３】
図６は、ボックスプロット関数により信頼区間外と判定された上記６点を外れ処理した後の振動エネルギー比の分布のＱ−Ｑプロットを示す図である。同図より、６点を除いて抽出された振動エネルギー比のデータは正規分布に極めて良く従うことが確認される。以上より，音響特徴量の統計的分布のひとつである振動エネルギー比を用いた場合に、統計的な手法を用いて音響特徴量の信頼区間を設定することで健全部と探査対象物とを明確に弁別できることがわかる。また、音響特徴量の他の統計的分布であるスペクトルエントロピーについても、同様の手順で外れ値を検出でき、確率分布（正規分布）を特定して信頼区間を設定することで健全部と探査対象物とを弁別することができる。
【００４４】
信頼区間算出工程では、一つの音響学的特徴量に基づいて計測不良や探査対象物の位置を推定してもよく、または複数の音響学的特徴量に基づいてこれらを推定してもよい。複数の音響学的特徴量、たとえば振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーの両方を用い、それぞれについて信頼区間を決定するとよい。そして、第一の音響学的特徴量（振動エネルギー比）および第二の音響学的特徴量（スペクトルエントロピー）が信頼区間の内側にそれぞれ存在する場合に、これらの音響学的特徴量を取得した計測箇所を健全部と決定し、かかる音響学的特徴量に基づいて被照射体１の内部構造を推定するとよい。これにより、確実に健全部と推定される計測箇所から取得された計測データに基づいて健全部を評価することができる。
【００４５】
推定工程では、信頼区間の内側に存在する音響学的特徴量、言い換えると信頼区間から外れる音響学的特徴量を除去した母集団に基づいて、探査対象物を含まない位置（健全部）における被照射体の内部構造を推定する。健全部の内部構造を推定する具体的な手法としては公知のものを採用することができ、周波数や、音響学的特徴量として挙げた上記の物理学的特徴量の一以上（以下、振動特性という場合がある）を用いることができる。
【００４６】
推定工程においては、探査対象物または計測不良と推定される可能性のある計測箇所を母集団からより多く除去して、健全部における音響学的特徴量のみを確実に抽出して健全部評価の精度を高めることが好ましい。この場合、信頼区間を狭く設定し、すなわち信頼区間の外側にプロットされる計測箇所を多くすることが好ましい。そして音響学的特徴量の母集団から、音響学的特徴量が信頼区間の外側に位置し、すなわち探査対象物または計測不良と推定される計測箇所を全て除去し、残る母集団の計測箇所における振動速度や音響学的特徴量に基づいて被照射体の健全部を評価するとよい。これにより、局所的な内部欠損や一部の計測不良の影響を排除して、被照射体の健全部の構造を精度よく評価することができる。このため、内部欠陥などの探査対象物と健全部とを識別するための閾値を、健全部の評価結果に近い値に設定することが可能となり、この結果、上述した光学計測器１３の計測結果に対して時間ゲートや周波数ゲート処理を施すにあたり、適切なゲート条件を設定することが可能になる。よって本方法によれば各種のノイズの影響を低減して探査対象物を精度よく探査することができる。
【００４７】
すなわち本方法は探査工程を更に含むとよい。探査工程は、推定工程によって健全部の内部構造の推定結果から上記の閾値を設定し、その後に行うことが好ましい。ただし本方法はこれに限らず、信頼区間算出工程の後であれば探査工程をいつ行なってもよい。
探査工程は、信頼区間から外れる音響学的特徴量が特徴量取得工程で取得された計測箇所を、計測不良位置または被照射体の内部に含まれる探査対象物の位置と推定する工程である。言い換えると、音響学的特徴量が所定の確率分布（正規分布）に乗っている計測箇所を健全部と推定し、確率分布（正規分布）に乗っていない計測箇所を計測不良位置または探査対象物の位置と推定する。本方法によれば、被照射体１から取得された音響学的特徴量の母集団を統計的に処理することで、信頼区間から外れる音響学的特徴量が取得された計測箇所が計測不良位置または探査対象物の位置と推定されるため、内部欠陥などの探査対象物とその周囲にある健全部などの構造体とを高い探査精度で弁別することが可能となる。
【００４８】
探査工程においても、複数の音響学的特徴量に基づいて計測不良位置または探査対象物の位置を推定するとよい。複数の音響学的特徴量、たとえば振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーの両方を用いることで、より高い精度で計測不良や探査対象物の位置を推定可能となることが期待される。すなわち、たとえば振動エネルギー比またはスペクトルエントロピーの少なくとも一方が信頼区間から外れた計測箇所を探査対象物の位置と推定することで見落としを低減することができる。言い換えると本方法においては、被照射体における複数点の計測箇所ごとに第一および第二の音響学的特徴量を取得して信頼区間をそれぞれ算出し、そして第一または第二の音響学的特徴量の少なくとも一方が信頼区間から外れる場合に、当該音響学的特徴量が取得された計測箇所を、計測不良位置または探査対象物の位置と推定するとよい。
【００４９】
なお、上の説明では四分位数を用いる態様を例示したが、これに代えて、本方法では三分位数、五分位数、十分位数などｑ分位数（ｑは四以外で三以上の自然数）を用いてもよい。探査対象物の見落としを減らすことを優先して被照射体を探査する場合は、信頼区間を狭く設定し、すなわち信頼区間の外側にプロットされる計測箇所を多くすることが好ましい。これにより、探査対象物と疑われる計測箇所が漏れなく抽出される。かかる場合、たとえばボックスプロット関数における係数ｋを１．５よりも小さくしてもよく、または三分位数を用いて最小値＝Ｑ１／３−ｋ×ＩＱＲ、最大値＝Ｑ２／３＋ｋ×ＩＱＲ（ただし、ＩＱＲ＝Ｑ２／３−Ｑ１／３）としてもよい。
【００５０】
以上説明した本実施形態の探査システムおよび本方法によれば、コンクリート構造物などの被照射体に対する非接触音響探査法から得られる音響学的特徴量の分布が正規分布に従うことを利用することにより、統計的手法を用いて外れ値である（計測不良点や内部欠陥）を自動検出して健全部を評価抽出することが可能である。そして本方法により被照射体の健全部を抽出して高精度で内部構造を評価できることにより、健全部の振動特性が既知のものとなる。この結果として、特徴量取得工程で行う時間ゲートや周波数ゲートにおいて適切にゲートを設定でき、不要信号を好適に抑圧することができる。これにより、被照射体１の周囲構造物からの反射波によるノイズを抑圧して健全部と内部欠陥（探査対象物）とを高精度に弁別することが可能となる。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５２】
図１に示した実験セットアップにて本方法の実施例を行った。音響発信源１１として長距離音響放射装置（ＬＲＡＤ−３００Ｘ）を用い、音響発信源１１から発した平面波音波（送波音波１２）により被照射体１の計測対象面を励振した。そして光学計測器１３としてスキャニング振動計（ＳＬＤＶ：ScanningLaser Doppler Vibrometer、ポリテック社製、ＰＳＶ４００−Ｈ４）を使用して、励振時の対象面上の振動速度を２次元的に計測した。
【００５３】
図７に、被照射体１として用いたコンクリート試験体の外観をＣＣＤカメラで撮影した画像を示す。コンクリート供試体は、コンクリート壁に円盤状の空洞を内部欠損として埋め込んだものを用いた。空洞には発砲スチロールを充填し、これをコンクリートで埋設した。円形空洞の輪郭部を図７に円形の枠で示す。円形空洞の直径は２００ｍｍ、厚さは２５ｍｍとし、コンクリート試験体の表面から円形空洞（発泡スチロール）の上面までの深さ距離は８０ｍｍとした。
コンクリート試験体の測定面上には約４ｃｍピッチで９×９＝８１点の正方格子状に計測点を配置した。円の外側に健全部、円の内側に空洞欠陥が存在する。画像中の＋マークは測定点で、その右下に測定点番号が表示されている。たとえば３２番や４１番の計測点は円形空洞の中央近傍に位置し、４８番等の計測点は円形空洞の輪郭部の近傍点であり、１１番などの計測点は円形空洞の外部、すなわち健全部に位置している。
【００５４】
光学計測器１３は、測定面上の各格子点を、加算平均回数５回で測定した。音響発信源１１から出力される送波音波１２の音圧は、コンクリート試験体の測定面上での最大音圧が約１００ｄＢになるように調節された。送波音波１２として、５００Ｈｚ以上７１００Ｈｚ以下の周波数帯域のトーンバースト波を用いた。トーンバースト波のパルス長は３ｍｓ、周波数インターバルは２００Ｈｚ、パルス・インターバルは５０ｍｓとした。
【００５５】
音響発信源１１から光学計測器１３への直接音波（直達波）１２１および被照射体１からの反射音波１２２により光学計測器１３のレーザーヘッドが振動して生じる光学ノイズを軽減するため、各計測点で計測される振動速度波形について時間ゲート処理を行った。具体的には、送波音波１２と光学計測器１３のレーザ光の伝搬速度差を用いた時間分離法を用いて振動速度波形の目的信号を抽出した。また、周囲構造物からの反射波（残響）によるノイズを低減するため、送波音波１２の周波数帯域域を分離抽出する周波数ゲート処理を行った。かかるゲート処理の後、各計測点で得られた振幅スペクトル（Ｓｆ）から振動エネルギー（ＰＳＤ）を計算した。更に、振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））を上記の式（１）に基づいて算出した。振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））の算出にあたっては、光学計測器１３のヘッドの共振周波数の影響を除くため１２００Ｈｚから８１９２Ｈｚの周波数帯域で積分を行った。そして、得られたデータから各計測点でのスペクトルエントロピー（Ｈ）を算出した。
【００５６】
健全部・欠陥部・計測不良点の識別は以下のようにして行った。図８は実施例にかかる振動エネルギー比とスペクトルエントロピーとの相関図である。図７に示した円形空洞の欠陥部に対応する計測点における振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーは、図８の右下の枠内に集合して存在していた。一方、コンクリートの健全部に対応する６２点の計測点における振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーは、図８の左上の枠内に集合して存在することとなった。これは、コンクリート構造の健全部は、欠陥部に比べて、小さい振動エネルギー比と大きなスペクトルエントロピーの値を示すためと考えられる。また、１５番の計測点は健全部に属するが、他の健全部の計測結果と比較して振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーが大きい値として算出された。これは計測不良点に該当すると考えられる。
【００５７】
図８に示したように、コンクリート構造物を被照射体とする場合、健全部と比較して、振動エネルギー比（横軸）は内部欠陥において大きく算出され、スペクトルエントロピー（縦軸）は内部欠陥において小さく算出されることが分かった。このため、探査対象物が内部欠陥である本方法においては、第一または第二の音響学的特徴量の一方（具体的には振動エネルギー比）が信頼区間の上限側に外れ、他方（具体的にはスペクトルエントロピー）が信頼区間の下限側に外れる場合に当該音響学的特徴量が取得された計測箇所を探査対象物の位置と推定できることが分かった。
【００５８】
以下、汎用の統計解析ソフトを用いて統計解析を行った。図９（ａ）は本実施例にかかる振動エネルギー比の分布のヒストグラムであり、具体的には図８で健全部と判定された６２点の計測点で取得された振動エネルギー比の分布のヒストグラムである。図９（ｂ）は同じく健全部の６２点におけるスペクトルエントロピーの分布のヒストグラムである。図９各図に示すように、健全部で取得される振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーは、正規分布に極めて良く従うことが分かった。
【００５９】
図１０（ａ）は本実施例にかかる健全部の振動エネルギー比の分布のＱ−Ｑプロットを示す図であり、図９（ａ）の振動エネルギー比の分布にＱ−Ｑプロットを適用して正規性を視覚化したグラフである。図１０（ａ）におけるプロットは対角線の近傍に存在し、正規分布によく一致していることが分かった。さらに、シャピロウィルク検定を用いて分布の正規性を検証したところ、Ｗ＝０．９９、ｐ−ｖａｌｕｅ＝０．９０＞０．０５（有意水準）となり、健全部の振動エネルギー比の分布は極めて良く正規分布に従っているといえる。振動エネルギー比の分布は、平均１．８１、標準偏差０．７１であった。
【００６０】
図１０（ｂ）は本実施例にかかる健全部のスペクトルエントロピーの分布のＱ−Ｑプロットを示す図であり、図９（ｂ）のスペクトルエントロピーの分布にＱ−Ｑプロットを適用して正規性を視覚化した結果である。図１０（ｂ）におけるプロットもまた対角線の近傍に存在し、正規分布によく合っていた。さらに、シャピロウィルク検定を用いて分布の正規性を検証したところ、Ｗ＝０．９６、ｐ−ｖａｌｕｅ＝０．０７＞０．０５（有意水準）となり、健全部のスペクトルエントロピーの分布は、ほぼ正規分布に従っているといえる。スペクトルエントロピーの分布は、平均１２．４、標準偏差０．１３であった。
【００６１】
図１１は、実施例にかかる欠陥部を振動エネルギー比によって映像化した結果の例であり、欠陥検出アルゴリズムを用いて円形空洞の欠陥を映像化した画像の例である。図１１は、被照射体の表面の全８１点の計測箇所における振動エネルギー比の値の分布図である。図１１より、３２番の計測箇所を中心とし、３０番、４８番、３４番、５２番を輪郭近傍とする略円形の欠陥が形成されていることが可視化される。かかる結果を図７と対比すると、本実施例の方法によればコンクリート試験体の内部欠陥が高い精度で映像化されて探査されたことが理解される。
【００６２】
上記実施形態は以下の技術思想を包含するものである。
（１）被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程と、取得された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程と、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定する工程と、を含む非接触音響探査法。
（２）前記確率分布が正規分布である上記（１）に記載の非接触音響探査法。
（３）複数点の前記計測箇所ごとに第一および第二の前記音響学的特徴量を取得して前記信頼区間をそれぞれ決定し、第一および第二の前記音響学的特徴量が前記信頼区間の内側にそれぞれ存在する場合に、当該音響学的特徴量に基づいて前記内部構造を推定する上記（１）または（２）に記載の非接触音響探査法。
（４）第一および第二の前記音響学的特徴量が、それぞれ振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーである上記（３）に記載の非接触音響探査法。
（５）前記被照射体が探査対象物を内部に含み、前記信頼区間から外れる前記音響学的特徴量が取得された前記計測箇所を、計測不良位置または前記探査対象物の位置と推定する工程と、を更に含む上記（１）から（４）のいずれか一項に記載の非接触音響探査法。
（６）前記探査対象物が内部欠陥であり、振動エネルギー比が前記信頼区間の上限側に外れ、スペクトルエントロピーが前記信頼区間の下限側に外れる場合に、当該音響学的特徴量が取得された前記計測箇所を前記探査対象物の位置と推定する上記（４）に従属する上記（５）に記載の非接触音響探査法。
（７）被照射体の表面に送波音波を照射する音響発信源と、照射された前記送波音波により加振される前記被照射体の前記表面の複数の計測箇所において振動速度を光学的に計測する光学計測器と、前記光学計測器の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、算出された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定することを特徴とする非接触音響探査システム。
【符号の説明】
【００６３】
１      被照射体
３      探査対象物
１０      探査システム
１１      音響発信源
１２      送波音波
１３      光学計測器
１５      コンピュータ
１７      任意波形発生装置
１９      アンプ
１２１      直接音波
１２２      反射音波
１３１      観察波
１５１      演算部
１５２      制御装置
１５３      表示部
【図１】
2018096858.tif 000005
【図２】
2018096858.tif 000006
【図３】
2018096858.tif 000007
【図４】
2018096858.tif 000008
【図５】
2018096858.tif 000009
【図６】
2018096858.tif 000010
【図７】
2018096858.tif 000011
【図８】
2018096858.tif 000012
【図９】
2018096858.tif 000013
【図１０】
2018096858.tif 000014
【図１１】
2018096858.tif 000015