(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面の複数の測定個所において振動速度を測定し、得られた情報から前記探知対象物の位置を特定する音波を用いた探知方法であって、
音波発信源から音波を照射し、前記被照射体の表面を振動させる工程と、
前記被照射体の表面のｎ箇所（ｎ≧２）の測定個所を、各々、Ｐ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（ｘは１〜ｎの整数）とし、それらの測定箇所の各々において、照射した音波の角周波数がωである場合の前記被照射体の表面の振動速度を測定し、Ｐｘにおける前記振動速度の波形をｆｘ（ｔ）（ｔは時間）とし、次式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める工程と、
【数１】
0005697378.tif 000007
（式（１）において、ｊは虚数を意味する。）
式（１）の右辺の実数部をＲ、虚数部をＩとし、次式（２）〜（７）によってＰｘにおける位相角θＸ（ω）を求める工程と、
【数２】
0005697378.tif 000008
隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求め、その位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成して探知対象物の位置を特定する工程と
を備える探知方法。
【請求項２】
前記被照射体の表面の振動速度をレーザ振動計またはレーザ変位計を用いて測定する、請求項１に記載の探知方法。
【請求項３】
探知対象物を内部に含む被照射体の表面の複数個所に音波を照射し、その表面における振動速度の情報から、前記探知対象物の位置を特定する非接触音響探知システムであって、
前記被照射体の表面を振動させ得る音波を発生させる音響発信源と、
前記被照射体の表面のｎ箇所（ｎ≧２）の測定箇所であるＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（ｘは１〜ｎの整数）の各々に角周波数がωの音波を照射し、Ｐｘにおける振動速度とその計測タイミングを示す時間データとを計測して、その振動速度および時間データを出力する計測器と、
前記計測器から出力された振動速度および時間データを入力し、前記被照射体の表面における位相差分布から前記被照射体における前記探知対象物の位置を特定する解析装置とを有し、
前記解析装置が、
入力された振動速度および時間データからＰｘにおける振動速度の波形であるｆｘ（ｔ）（ｔは時間）を求め、これを前記式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める処理と、
前記式（１）の右辺の実数部をＲ、虚数部をＩとし、前記式（２）〜（７）によってＰｘにおける位相角θＸ（ω）を求める処理と、
隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求め、その位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成して探知対象物の位置を特定する処理と
を行う、
請求項１または２に記載の探知方法を行うことができる、非接触音響探知システム。
【請求項４】
探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面の複数の測定個所において振動速度を測定し、得られた情報から前記探知対象物の位置を特定する処理を、コンピュータを含む非接触音響探知システムに行わせるためのプログラムであって、
音響発信源から音波を照射して、前記被照射体の表面を振動させ、前記被照射体の表面のｎ箇所（ｎ≧２）の測定箇所を、Ｐ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（ｘは１〜ｎの整数）とし、それらの測定箇所の各々において、照射した音波の角周波数がωである場合の前記被照射体の表面の振動速度を測定することで得られたＰｘにおける振動速度とその計測タイミングを示す時間データとを用いて、Ｐｘにおける振動速度の波形であるｆｘ（ｔ）（ｔは時間）を求め、これを下記式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める処理と、
【数３】
0005697378.tif 000009
前記式（１）の右辺の実数部をＲ、虚数部をＩとし、下記式（２）〜（７）によってＰｘにおける位相角θＸ（ω）を求める処理と、
【数４】
0005697378.tif 000010

隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求め、その位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成して探知対象物の位置を特定する処理とを、コンピュータを含む非接触音響探知システムに行わせるためのプログラム。
【請求項５】
請求項４に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音波を用いた探知方法、非接触音響探知システム、そのシステムで用いるプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
音波を照射し、それによる物体の表面の振動等を検出して、その内部の構造を把握する方法等が、従来、いくつか提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、スピーカー等を用いて音を照射してコンクリート構造物にたわみ振動を励起し、レーザ変位計やレーザドップラー振動計を用いてたわみ振動を検出し、たわみ振動の振動数と振幅から、コンクリート構造物の内部の空洞の位置を特定する検査方法が記載されている。また、これに関連する方法および装置が、特許文献２〜６および非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−６９３０１号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４３０２号公報
【特許文献３】特開２００２−１６８８４１号公報
【特許文献４】特開２００２−２２８６４２号公報
【特許文献５】特開平８−２４８００６号公報
【特許文献６】特開平４−８３１５６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】James M.Sabatier、Ning Xiang、「An Investigation ofAcoustic-to-Seismic Coupling to Detect Buried Antitank Landmines」,IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING,VOL.39,NO.6,JUNE2001,p.1146-1154
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来法では、コンクリート構造物の内部の空洞等の探知対象物の位置を正確に把握することができなかった。
本発明は、探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面の複数の測定個所において振動速度を測定し、得られた情報から前記探知対象物の位置を特定する音波を用いた探知方法であって、探知対象物の位置を正確に把握することができる探知方法を提供することを目的とする。また、その探知方法を行うことができるシステムを提供することを目的とする。また、そのシステムで用いるプログラムを提供することを目的とする。また、そのプログラムを記録した記録媒体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】
本発明者は鋭意検討し、上記課題を解決する方法を見出し、本発明を完成させた。
本発明は次の（i）〜（vi）である。
（i）探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面の複数の測定個所において振動速度を測定し、得られた情報から前記探知対象物の位置を特定する音波を用いた探知方法であって、
音波発信源から音波を照射し、前記被照射体の表面を振動させる工程と、
前記被照射体の表面のｎ箇所（ｎ≧２）の測定個所を、各々、Ｐ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（ｘは１〜ｎの整数）とし、それらの測定箇所の各々において、照射した音波の角周波数がωである場合の前記被照射体の表面の振動速度を測定し、Ｐｘにおける前記振動速度の波形をｆｘ（ｔ）（ｔは時間）とし、次式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める工程と、
【数１】
0005697378.tif 000002
（式（１）において、ｊは虚数を意味する。）
式（１）の右辺の実数部をＲ、虚数部をＩとし、次式（２）〜（７）によってＰｘにおける位相角θＸ（ω）を求める工程と、
【数２】
0005697378.tif 000003
隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求め、その位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成して探知対象物の位置を特定する工程と
を備える探知方法。
（ii）前記被照射体の表面の振動速度をレーザ振動計またはレーザ変位計を用いて測定する、上記（i）に記載の探知方法。
（iii）探知対象物を内部に含む被照射体の表面の複数個所に音波を照射し、その表面における振動速度の情報から、前記探知対象物の位置を特定する非接触音響探知システムであって、
前記被照射体の表面を振動させ得る音波を発生させる音響発信源と、
前記被照射体の表面の振動速度を測定する計測器と、
前記被照射体の表面における振動速度の情報から、前記被照射体における前記探知対象物の位置を特定するために用いる解析装置とを有し、
上記（i）または（ii）に記載の探知方法を行うことができる、非接触音響探知システム。
（iv）被照射体の表面を振動させ得る音波を発生させる音響発信源と、
前記被照射体の表面のｎ箇所（ｎ≧２）の測定箇所であるＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（ｘは１〜ｎの整数）の各々に角周波数がωの音波を照射し、Ｐｘにおける振動速度とその計測タイミングを示す時間データとを計測して、その振動速度および時間データを出力する計測器と、
前記計測器から出力された振動速度および時間データを入力し、前記被照射体の表面における位相差分布から前記被照射体における前記探知対象物の位置を特定する解析装置とを有し、
前記解析装置が、
入力された振動速度および時間データからＰｘにおける振動速度の波形であるｆｘ（ｔ）（ｔは時間）を求め、これを前記式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める処理と、
前記式（１）の右辺の実数部をＲ、虚数部をＩとし、前記式（２）〜（７）によってＰｘにおける位相角θＸ（ω）を求める処理と、
隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求め、その位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成して探知対象物の位置を特定する処理と
を行う、上記（iii）に記載の非接触音響探知システム。
（v）探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面の複数の測定個所において振動速度を測定し、得られた情報から前記探知対象物の位置を特定する処理を、コンピュータを含む非接触音響探知システムに行わせるためのプログラムであって、
音響発信源から音波を照射して、前記被照射体の表面を振動させ、前記被照射体の表面のｎ箇所（ｎ≧２）の測定箇所を、Ｐ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（ｘは１〜ｎの整数）とし、それらの測定箇所の各々において、照射した音波の角周波数がωである場合の前記被照射体の表面の振動速度を測定することで得られたＰｘにおける振動速度とその計測タイミングを示す時間データとを用いて、Ｐｘにおける振動速度の波形であるｆｘ（ｔ）（ｔは時間）を求め、これを前記式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める処理と、
前記式（１）の右辺の実数部をＲ、虚数部をＩとし、前記式（２）〜（７）によってＰｘにおける位相角θＸ（ω）を求める処理と、
隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求め、その位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成して探知対象物の位置を特定する処理とを、コンピュータを含む非接触音響探知システムに行わせるためのプログラム。
（vi）上記（v）に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面の複数の測定個所において振動速度を測定し、得られた情報から前記探知対象物の位置を特定する音波を用いた探知方法であって、探知対象物の位置を正確に把握することができる探知方法を提供することができる。また、その探知方法を行うことができる非接触音響探知システムを提供することができる。また、そのシステムで用いるプログラムを提供することができる。また、そのプログラムを記録した記録媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の非接触音響探知システムの好適態様を示す概略図である。
【図２】図１における被照射体１の表面および２つの音響発信源１１を上側から見た概略図である。
【図３】実部および虚部のデータの実例である。
【図４】図１における被照射体１の表面および２つの音響発信源１１を上側から見た別の概略図である。
【図５】位相差分布図の作成方法を説明するための概略図である。
【図６】位相差分布図の作成方法を説明するための別の概略図である。
【図７】実施例における実験セットアップ図である。
【図８】図８（ａ）は埋設物として中空プラスチック容器を用いた場合の各ポイントの位相を示すグラフであり、図８（ｂ）は位相差を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）は埋設物として砂を詰めた中空プラスチック容器を用いた場合の各ポイントの位相を示すグラフであり、図９（ｂ）は位相差を示すグラフである。
【図１０】埋設物として中空プラスチックを用いた場合の位相差分布図である。
【図１１】埋設物として中空プラスチックを用いた場合の別の位相差分布図である。
【図１２】埋設物として中空プラスチックを用いた場合の別の位相差分布図である。
【図１３】埋設物として砂を詰めた中空プラスチックを用いた場合の別の位相差分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明について説明する。
本発明は探知方法、非接触音響探知システム、そのシステムで用いるプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体（コンパクトディスク（ＣＤ）やフレキシブルディスク（ＦＤ）など）であり、本発明の探知方法および本発明の非接触音響探知システムによれば、被照射体の内部の探知対象物の位置を正確に把握することができる。被照射体としては、例えば、コンクリート構造物、地面（土、砂、石、アスファルト等）、木、液体、人体が挙げられる。具体的には、本発明の探知方法および本発明の非接触音響探知システムによれば、例えば、地面に埋められている地雷の位置を正確に把握することができる。この場合、地雷が探知対象物である。また、コンクリート構造物の内部の欠陥部の位置を正確に把握することができる。この場合、欠陥部が探知対象物である。また、人体の内部に存在する腫瘍等の位置を正確に把握することができる。この場合、腫瘍等が探知対象物である。また、各種製品等の内部の欠陥部の位置を正確に把握することができる（すなわち、非破壊検査することができる）。この場合、欠陥部が探知対象物である。また、池、海、湖等の液面の近くに位置する探知対象物（周囲の液体と音響インピーダンスが異なる物体）の位置を正確に把握することができる。
【００１１】
本発明の探知方法は、探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面における振動速度の情報から、前記探知対象物の位置を特定する非接触音響探知システムである本発明の非接触音響探知システムによって実現することが好ましい。本発明の非接触音響探知システムは、前記被照射体の表面を振動させ得る音波を発生させる音響発信源と、前記被照射体の表面の振動速度を測定する計測器と、前記被照射体の表面における振動速度の情報から、前記被照射体における前記探知対象物の位置を特定する解析装置とを有し、前記解析装置によって特定の情報処理を行うことができる。本発明の非接触音響探知システムとして、具体的には、例えば図１に示す装置が挙げられる。
【００１２】
図１は、被照射体１の表面を振動させ得る音波を発生させる２つの音響発信源１１、１１と、被照射体１の表面の振動速度を測定する計測器１３と、被照射体１の表面における振動速度の情報から被照射体１の内部の探知対象物３の位置を特定するために用いる解析装置１５１を含むコンピュータ１５とを有する装置１０を示す概略図である。図１に示す装置１０は、さらに、任意波形発生装置１７およびアンプ１９を有しており、加えて、コンピュータ１５は制御装置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、所望の角周波数の音波を２つの音響発信源１１、１１から発生することができる。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こともできる。表示部１５３には、後に説明する位相差分布図を表示することができる。表示部とはディスプレイ画面等を意味する。
【００１３】
図１に示す本発明の非接触音響探知システム（装置１０）において、音響発信源１１はフラットスピーカであり、図１に示すように２つのフラットスピーカを向い合せ、被照射体１の表面に対して２０°傾けて（フラットスピーカ面と被照射体１の表面とのなす角度が７０°となるように）配置している。このように傾けて配置するとフラットスピーカから発生する空中放射音波から地中内への第２種縦波に変換される割合が大きくなるので好ましい。第２種縦波は、被照射体の表面が砂や土からなる多孔質な面の場合、その表面を好ましく振動させることができる。
なお、本発明の非接触音響探知システムにおいて音響発信源の数やスピーカの角度等は特に限定されない。
【００１４】
音響発信源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、また、具体的に、アメリカンテクノロジー社製のＬＲＡＤ（登録商標）を好ましく用いることができる。また、ラウドスピーカを用いることもできるが、この場合は、音響発信源と被照射体との距離を比較的近くする。その他に用いることができる音響発信源としては、パルスレーザ、高圧ガスガン、衝撃波管が挙げられる。
【００１５】
また、音響発信源から被照射体へ照射される音波は、所望の角周波数（ω）に調整することができ、かつ、被照射体の表面をその振動速度が計測器によって測定できる程度に、表面に平行方向ではない方向（好ましくは、表面に垂直方向）へ振動させることができる音波であればよく、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。なお、超音波は用い難い。超音波は空気中で振動振幅の減衰が大きいからである。
また、被照射体の共振周波数帯が不明な場合には、音響発信源から被照射体へ照射される音波は、ホワイトノイズであることが好ましい。全ての周波数を含んでいるからである。
【００１６】
図１に示す本発明の非接触音響探知システム（装置１０）において、計測器１３はレーザドップラー振動計であり、レーザ１３１を被照射体１に照射して、その表面の振動速度を測定することができる。得られた振動速度のデータは解析装置１５１で解析するために用いられる。
なお、本発明の非接触音響探知システムにおいて計測器は、被照射体の表面の振動速度を非接触で測定できるものであれば特に限定されず、例えばレーザ変位計を用いることができ、レーザドップラー振動計であることが好ましい。被照射体と計測器とが比較的離れていても、被照射体の表面の振動を正確に測定することができるからである。
また、１度に１点の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は可能であるが、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ー振動計としては、具体的に、ポリテックジャパン社製のＰＳＶ４００−Ｈ４が挙げられる。このレーザドップラー振動計は解析装置の一部および制御装置を含むものである。
【００１７】
図１に示す本発明の非接触音響探知システム（装置１０）において、解析装置１５１は、被照射体１における探知対象物３の位置を特定するための特定の情報処理を行うことができるものであれば特に限定されない。この特定の情報処理は本発明の探知方法および本発明のプログラムが備えるものであり、後に詳細に説明する。例えば、この解析装置自体に、前記被照射体の表面上でスキャンされた振動速度等のデータが蓄積されていき、後の解析時に利用される。
【００１８】
図１に示す本発明の非接触音響探知システム（装置１０）において、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角周波数の音波を音響発信源１１から発生させることができる装置である。この装置として、例えば、ノイズ波やバースト波を発生可能な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。送信する音波の波形は通常この任意波形発生装置により制御することができる。通常は簡単のために手動で制御するが、解析装置側から制御するようにシステムを構成することも可能である。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こともできる。
また、アンプ１９は特に限定されず、例えば、市販オーディオアンプ等を用いることができる。
【００１９】
次に、本発明の探知方法について説明する。
なお、本発明のプログラムは、本発明の探知方法と同様の内容であるので、以下では主に本発明の探知方法について説明する。
本発明の探知方法は、探知対象物を内部に含む被照射体の表面に音波を照射し、その表面の複数の測定個所において振動速度を測定し、得られた情報（位相差分布図等）から前記探知対象物の位置を特定する音波を用いた探知方法であって、音波発信源から音波を照射し、前記被照射体の表面を振動させる工程を備える。この工程は、例えば前述の本発明の非接触音響探知システムを用い、音響発信源から被照射体へバースト波またはホワイトノイズを照射して行うことができる。バースト波の周波数は、ホワイトノイズを照射して得た位相差分布図から求めることができるが、本発明者が既に提案したＯＦＲ法（本発明者が特願２０１０−１２０９０１号に示した。また、本発明者が「社団法人電子情報通信学会、電子情報通信学会技術研究報告  信学技報  Ｖｏｌ．１０９  Ｎｏ.４２５、２０１０年２月１７日」に示した。また、本発明者が「社団法人日本音響学会、日本音響学会２０１０年春季研究発表会講演論文集、２０１０年３月１日」に示した。）によって求めることもできる。なお、本発明はＯＦＲ法と組み合わせて用いることができる。埋設物の中心部で振動速度が大きいものはＯＦＲ法を適用することが好ましく、埋設物の輪郭（エッジ部）の振動を検出する場合は本発明を適用することが好ましい。ある埋設物に対してＯＦＲ法を適用し、得られた最適周波数を考慮したバースト波を用いて本発明を適用すると、埋設物の位置をより明確に把握することができるので好ましい。
また、本発明の非接触音響探知システムはコンピュータに本発明のプログラムをインストールしたものであることが好ましい。
また、本発明の探知方法は、さらに、以下に説明する特定の情報処理を行う各工程を備える。
【００２０】
本発明の探知方法は、特定の情報処理を行う工程として、前記被照射体の表面のｎ箇所（ｎ≧２）の測定個所を、各々、Ｐ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（ｘは１〜ｎの整数）とし、それらの測定箇所の各々において、照射した音波の角周波数がωである場合の前記被照射体の表面の振動速度を測定し、Ｐｘにおける前記振動速度の波形をｆｘ（ｔ）（ｔは時間）とし、後述する式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める工程とを備える。
【００２１】
この工程について、図２を用いて具体的に説明する。
図２は、図１における被照射体１の表面および２つの音響発信源１１を上側（計測器１３が存在する側）から見た図である。
図２においてｎ箇所の測定箇所は碁盤の目状に配置されており、図２に示すように、左下から右上へ向かってＰ１、Ｐ２、Ｐ３・・・・Ｐｘ−１、Ｐｘ、Ｐｘ＋１・・・Ｐｎ−２、Ｐｎ−１、Ｐｎと付されている。ただし、本発明の探知方法において測定箇所の配置は特に限定されず、例えばランダムに配置されていてもよい。
そして、ｎ箇所の測定箇所の各々において、音響発信源１１から照射した音波の角周波数がωである場合の被照射体１の表面の振動速度を測定する。また、その振動速度を測定するタイミングを示す時間データ（ｔ）を測定する。ここで、照射した音波の角周波数がωである場合のＰｘ（ｘは１〜ｎの整数）における振動速度をｆｘ（ｔ）とする。すなわち、各測定箇所におけるωと振動速度の波形を示すｆｘ（ｔ）との関係を把握する。
振動速度およびその振動速度を測定するタイミングを示す時間データ（ｔ）の測定は、例えば前述の本発明の非接触音響探知システムを用い、レーザドップラー振動計などのレーザ変位計によって行うことができる。
【００２２】
このようにして得られたデータを用いて、次式（１）でフーリエ変換してＦ（ω）を求める。
【００２３】
【数３】
0005697378.tif 000004
【００２４】
式１において、ｊは虚数を意味する。
【００２５】
ここで式（１）はフーリエ変換の一般式であり、ｆｘ（ｔ）が連続関数であり、−∞から∞まで積分することとなっている。しかし、実際に測定されたデータを計算機の有限なメモリ長の中で行うので、実際は、離散フーリエ変換を行ってＦ（ω）を求める。離散フーリエ変換のよると上限周波数の限られたＦ（ω）を求めることができる。
【００２６】
次に、本発明の探知方法は、特定の情報処理を行う工程として、上記の式（１）の右辺の実数部をＲ、虚数部をＩとし、後述する次式（２）〜（７）によってＰｘにおける位相角θＸ（ω）を求める工程を備える。
【００２７】
【数４】
0005697378.tif 000005
【００２８】
このような方法で位相角θＸ（ω）を求めることは、実数部のＲ、虚数部のＩをガウス平面上に示して位相角θＸ（ω）を求めることと同義である。
【００２９】
このような方法で、角周波数ωの音波を照射した場合のＰｘにおける振動速度の位相角θＸ（ω）を求める。
【００３０】
なお、レーザドップラー振動計としてポリテックジャパン社製のＰＳＶ４００−Ｈ４を用いた場合、出力されるデータは各周波数毎になるため、特定周波数の位相を計算することになる。図３（ａ）、（ｂ）に出力される実部および虚部のデータを例示する。図３（ａ）は周波数（Ｈｚ）と実部の振動速度スペクトル（ｍ／ｓ）、図３（ｂ）は周波数（Ｈｚ）と虚部の振動速度スペクトル（ｍ／ｓ）との関係を示している。
【００３１】
次に、本発明の探知方法は、特定の情報処理を行う工程として、隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求め、その位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成して探知対象物の位置を特定する工程を備える。
【００３２】
この工程について、図４および図５を用いて具体的に説明する。
図４は、図２と同様に、図１における被照射体１の表面を上側から見た図であるが、理解を容易にするために、測定箇所を１６箇所としている。図４において１６箇所の実際の測定箇所は碁盤の目状に配置されており、左下から右上へ向かって、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３・・・・Ｐ１５、Ｐ１６と付されている。
【００３３】
測定箇所が図４に示すように配置されている場合、隣接する２つの測定箇所とは、上下または左右において隣接する２つの測定箇所とすることができる。例えばＰ６と隣接する測定箇所を、Ｐ２、Ｐ５、Ｐ７およびＰ１０の４つの測定箇所とすることができ、例えばＰ１と隣接する測定箇所は、Ｐ２およびＰ５の２つの測定箇所とすることができる。ただし、例えばＰ１、Ｐ３、Ｐ９およびＰ１１をＰ６と隣接する測定箇所としてもよい。ここでは理解を容易にするために、隣接する２つの測定箇所は、上下または左右において隣接する２つの測定箇所として説明する。
【００３４】
次に、隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求める。例えばＰ２の位相角であるθ２（ω）からＰ６の位相角であるθ６（ω）を引算し、θ２（ω）−θ６（ω）＝Δθ２−６を求める。
ここで、隣接する２つの測定箇所における位相角を第１の位相角と第２の位相角とした場合、第１の位相角から第２の位相角を引算して差を求めるのか、第２の位相角から第１の位相角を引算して差を求めるかは、実際の測定箇所の配置に基づいて、全ての測定箇所における位相角について、規則的に行えばよい。例えば、測定箇所が図４に示すような配置であれば、全てについて、左に位置する測定箇所における位相角から、右に位置する測定箇所における位相角を引算し、全てについて、下に位置する測定箇所における位相角から、上に位置する測定箇所における位相角を引算する。すなわち、測定箇所に付された番号が小さいものから大きいものを差し引く。また、全てについて、逆であってもよい。すなわち、測定箇所に付された番号が大きいものから小さいものを差し引いてもよい。
以下では、全てについて、左に位置する測定箇所における位相角から、右に位置する測定箇所における位相角を引算して求めた値を用いて説明する。すなわち、θ５（ω）−θ６（ω）＝Δθ５−６とし、θ６（ω）−θ７（ω）＝Δθ６−７とし、θ７（ω）−θ８（ω）＝Δθ７−８とする。また、全てについて、下に位置する測定箇所における位相角から、上に位置する測定箇所における位相角を引算して求めた値を用いて説明する。すなわち、θ２（ω）−θ６（ω）＝Δθ２−６とし、θ６（ω）−θ10（ω）＝Δθ６−１０とし、θ１０（ω）−θ１４（ω）＝Δθ１０−１４とする。
【００３５】
このようにして隣接する２つの測定箇所における位相角の差を求めると、位相差がπ以上または−π以下となる場合があるが、このような場合、エリアシングが生じていると判断して位相角の差を補正することが好ましい。前述の式（２）〜式（７）で位相角を求めると、実際の位相が２π以上または０以下であったとしても、０から２πの間の位相となってしまうが、このような現象をエリアシングという。
位相角の差の補正は、次の式（８）で行うことが好ましい。
【００３６】
【数５】
0005697378.tif 000006
【００３７】
式（８）においてｋは、任意の正数を意味する。例えば図４に示した場合であれば、ｋは１〜１５のいずれかの整数を意味する。
【００３８】
このようにして求めた位相角の差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎ（図４、図５を用いた説明においては、ｎ＝１６、１≦Ｘ≦１６）の位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成する。位相差分布図には、位相角の差を数値として示してもよいし、その数値の大きさを色で示してもよい。例えば、後に実施例で示す位相差分布図は、位相角の差を色で示している。
【００３９】
例えば図４に示した場合であれば、Ｐ２の位相角であるθ２（ω）からＰ６の位相角であるθ６（ω）を引算して求めたΔθ２−６の値を、図５にｐ（２−６）で示した位置に配置することができる。ｐ（２−６）で示した位置は、Ｐ２とＰ６と中間の位置を示している。同様に、例えば、Ｐ５の位相角であるθ５（ω）からＰ６の位相角であるθ６（ω）を引算して求めたΔθ５−６の値をｐ（５−６）で示した位置に配置し、例えば、Ｐ６の位相角であるθ６（ω）からＰ１０の位相角であるθ１０（ω）を引算して求めたΔθ６−１０の値をｐ（６−１０）で示した位置に配置することができる。このようにして、位相差を、実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置して示す位相差分布図を作成することができる。
【００４０】
なお、ここではＰ２の位相角であるθ２（ω）からＰ６の位相角であるθ６（ω）を引算して求めたΔθ２−６の値を、Ｐ２とＰ６と中間の位置を示すｐ（２−６）の位置に配置したが、例えば、Δθ２−６の値をＰ２またはＰ６の位置に配置してもよい。
例えば、Δθ２−６の値をＰ２の位置へ、Δθ６−１０の値をＰ６の位置へ、Δθ１０−１４の値をＰ１０の位置へというように規則的に配置し、さらに、Δθ５−６の値をＰ５の位置へ、Δθ６−７の値をＰ６の位置へ、Δθ７−８の値をＰ７の位置へというように規則的に配置すると、例えばＰ６にはΔθ６−１０の値とΔθ６−７の値とが配置されることとなる。そこで、これらΔθ６−１０の値とΔθ６−７の値とを加算した値をＰ６に配置する。そして、空欄となるＰ４、Ｐ８、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４、Ｐ１５およびＰ１６に０を配置する。
このような処理を行って、位相差分布図を作成することができる。
このような処理を、以下では位相差表示処理という。
【００４１】
また、例えば図５のように位相角の差を実際のＰ１、Ｐ２・・・Ｐｘ・・Ｐｎの位置と相似関係の位置に配置した後、さらに補間処理を施したものを位相差分布図としてもよい。
補間処理とは、図５のように位相角の差を配置した後、隙間部分に、その隙間部分の周辺に配置された位相角の差の平均値を配置する処理をいう。例えば、図５のｐ（２−３）、ｐ（２−６）、ｐ（３−７）およびｐ（６−７）に囲まれた隙間部分、すなわち、図６に示したｐ（１０６）の位置に、Δθ２−３、Δθ２−６、Δθ３−７およびΔθ６−７の平均値を配置する。また、例えば、図５のｐ（２−６）、ｐ（５−６）、ｐ（６−７）およびｐ（６−１０）に囲まれた隙間部分、すなわち、図６に示したｐ（１０９）の位置（図４に示したＰ６の位置）に、Δθ２−６、Δθ５−６、Δθ６−７およびΔθ６−１０の平均値を配置する。また、例えば、図５のｐ（１−２）、ｐ（２−３）およびｐ（２−６）に囲まれた隙間部分、すなわち、図６に示したｐ（１０２）の位置（図４に示したＰ２の位置）に、Δθ１−２、Δθ２−３およびΔθ２−６の平均値を配置する。
このような補間処理を施すと、得られる位相差分布図がより明確で、分かりやすい図となるので好ましい。
【００４２】
また、位相角の差は負の値となる場合があるが、位相角の差の絶対値を用いて位相差分布図を作成することが好ましい。位相差分布図がより明確になるからである。
【００４３】
なお、本発明の非接触音響探知システムでは、位相差分布図を表示部（ディスプレイ等）に表示することができる。また、本発明のプログラムでは、位相差分布図を表示部（ディスプレイ等）に表示する。
【実施例】
【００４４】
本発明の実施例を説明する。
【００４５】
１．探査方法
図１に示した装置を用い、音波発信源から照射した音波によって励起した地表面の振動をレーザドップラー振動計（ＳＬＤＶ、ポリテック社製、ＰＳＶ４００−Ｈ４）によって取得した。このレーザ振動計（ＳＬＤＶ）が取得する振動は地表面の垂直方向振動である。もし地表面付近に埋設物が存在すると、その埋設物と周囲の土壌の振動特性に差が生じる。音響発信源としては、平面スピーカ(ＦＰＳＣｏｒｐ，２０３０Ｍ３Ｐ１Ｒ)を２個使用し、図１に示すように互いに向かい合う配置にして音波の送振を行った。第二種縦波を発生させるため、平面スピーカを約２０°傾けた状態で実験を行った。
【００４６】
２．実験セットアップ
粒径３００μｍ前後に粒径を揃えた砂を用いた研究室内の砂槽(１１０ｃｍ×１３５ｃｍ×５０ｃｍ)にて実験を行った。実験セットアップ図を図７に示す。埋設物には中空プラスチック容器（１１ｃｍ×１１ｃｍ×６ｃｍ、８５ｇ）と、そこへ砂を詰めたプラスチック容器とを用いた。埋設深度は２ｃｍとした。送振波形は１秒間出力のｎｏｉｓｅ波と、０．２秒間出力、１５０Ｈｚのｓｉｎ波形バースト波を用いた。バースト波の周波数を１５０Ｈｚにした理由は、中空プラスチック容器の応答周波数が１５０Ｈｚ近辺にあることが確認されているためである。
【００４７】
３．位相の計算方法
ＳＬＤＶ のソフトウェアはＦＦＴを行う際の実部、虚部を表示、出力することが可能である。出力されたデータは周波数に対応しているため、特定周波数の位相を計算することになる。また位相差を計算する場合は隣接するポイント同士で計算を行う。位相差が１８０°以上を示した場合は、計算に用いた２ポイントの位相のどちらかが折り返していると判断してこれを補正した。
【００４８】
４．１ライン上の位相、位相差変化
埋設物上を含む横方向１ライン上の位相と位相差の変化状況を確認した。埋設物として中空プラスチック容器を用いた場合の各ポイントの位相を図８（ａ）に、位相差のグラフを図８（ｂ）に示す。図８は１５０Ｈｚバースト波のデータを用いており、１４９Ｈｚから１５１Ｈｚまで、０．５Ｈｚ間隔で示している。埋設物は、図８中に矢印で示したように、５から８ポイント目の間に埋設されている。図８を見ると周波数によって値こそ異なるものの、各周波数で似た動きをしている。１５０Ｈｚと１５０．５Ｈｚで値が飛んでいる箇所は折り返し現象が起きていると考えられる。また埋設ポイント上とその周辺で位相が変化しており、埋設物上ではほぼ一定の値を示すことが見て取れる。図８（ｂ）の位相差ではどの周波数でもほぼ同一の値を示す。また埋設物上では位相差が０°近辺の値を示し、埋設物と周辺の境界で位相差が大きく変化することが分かった。
【００４９】
次に、埋設物として、砂を詰めたプラスチック容器を用いた場合の各ポイントの位相を図９（ａ）に、位相差のグラフを図９（ｂ）に示す。砂を詰めたプラスチック容器を用いた場合、中空プラスチック容器の結果よりも、位相、位相差共に顕著な結果が得られた。埋設位置と周囲で位相が変化し、位相差からは埋設位置上で０°付近の応答を示していることがわかる。
【００５０】
５．位相差を用いた埋設物の検出、映像化
＜５．１＞
中空プラスチック容器を埋設し、位相差を用いてスキャンエリアの映像化を行った。映像化を行うに当たって、位相差を縦方向と横方向でそれぞれ計算し、それを足し合わせて一枚の映像を作成した。ここで、差を出す関係で実際のポイント数よりも縦方向では１行、横方向では１列データが減ってしまうが、減った分は０を代入してデータ数を揃えた。すなわち、位相差表示処理を施して位相差分布図を作成した。映像は算出した位相差に絶対値を掛けて表示した。図１０（ａ）にｎｏｉｓｅ波の、図１０（ｂ）１５０Ｈｚバースト波の結果を示す。これらの映像は１４７．５Ｈｚから１５２．５Ｈｚまで０．５Ｈｚ間隔で位相差を計算し、その結果を平均したものである。図１０（ａ）のｎｏｉｓｅ波結果ではノイズ応答が多いものの、埋設物周辺で高い値を示し、埋設物上ではほぼ０°を示していることが分かる。一方、図１０（ｂ）のバースト波の結果では、送振周波数を含むためかノイズ応答は少なく、埋設物を囲むような応答が見られた。
【００５１】
＜５．２＞
中空プラスチック容器を埋設し、１５０Ｈｚバースト波送振の映像結果を図１１に示す。図１１（ｂ）が位相差自体に絶対値を掛け、マイナスの位相差もプラス側に折り返して表示して場合であり、図１１（ａ）が絶対値を掛けない場合である。また、映像化を行うに当たっては、図６を用いて説明した補間処理を行った。いずれの映像も、埋設物上と周囲との境界で位相差が大きく動き、埋設物を囲む映像が作成されている。しかし、図１１（ｂ）に比べると図１１（ａ）は分かり難い結果となった。
【００５２】
＜５．３＞
上記の＜５．１＞と同様に、中空プラスチック容器を埋設し、位相差を用いてスキャンエリアの映像化を行った。ただし、映像化を行うに当たっては、図６を用いて説明した補間処理を行った。
図１２（ａ）に埋設位置、図１２（ｂ）にｎｏｉｓｅ波の、図１２（ｃ）に１５０Ｈｚバースト波の結果を示す。これらの映像は１４７．５Ｈｚから１５２．５Ｈｚまで０．５Ｈｚ間隔で位相差を計算し、その結果を平均したものである。図１２（ｂ）のｎｏｉｓｅ波結果ではノイズ応答が多いものの、埋設物周辺で高い値を示し、埋設物上ではほぼ０°を示していることが分かる。一方、図１２（ｃ）のバースト波の結果では、送振周波数を含むためかノイズ応答は少なく、埋設物を囲むような応答が見られた。
【００５３】
＜５．４＞
砂を詰めた中空プラスチック容器を埋設し、位相差を用いてスキャンエリアの映像化を行った。映像は算出した位相差に絶対値を掛けて表示した。さらに、＜５．２＞および＜５．３＞と同様に、映像化を行うに当たって、図６を用いて説明した補間処理を行った。
図１３（ａ）に埋設位置、図１３（ｂ）にｎｏｉｓｅ波の、図１３（ｃ）に１５０Ｈｚバースト波の結果を示す。これらの映像は１４７．５Ｈｚから１５２．５Ｈｚまで０．５Ｈｚ間隔で位相差を計算し、その結果を平均したものである。図１３（ｂ）のｎｏｉｓｅ波結果ではノイズ応答が多いものの、埋設物周辺で高い値を示し、埋設物上ではほぼ０°を示していることが分かる。一方、図１３（ｃ）のバースト波の結果では、送振周波数を含むためかノイズ応答は少なく、埋設物を囲むような応答が見られた。
【００５４】
６．まとめと今後の課題
各ポイントの位相を求め、ポイント間の位相差を出すことで埋設物の検出が行えるか検討した。埋設物上では位相は揃い、また埋設物上と周辺の境界で大きく変化することが分かった。映像化を行った結果、ｎｏｉｓｅ波、バースト波双方で埋設物の周囲を囲む応答を示し、映像化が可能だということが分かった。ｎｏｉｓｅ波ではノイズ応答を多く含んでしまったが、バースト波では綺麗な映像化が行えた。今後は内容物や材質の異なる埋設物に対しても映像化が行えるのか検討する予定である。
【符号の説明】
【００５５】
１    被照射体
３    探知対象物
１０    本発明の非接触音響探知システム
１１    音響発信源
１３    計測器
１３１  レーザ
１５    コンピュータ
１５１  解析装置
１５２  制御装置
１５３  表示部
１７    任意波形発生装置
１９    アンプ
【図１】
0005697378.tif 000011
【図２】
0005697378.tif 000012
【図４】
0005697378.tif 000013
【図５】
0005697378.tif 000014
【図６】
0005697378.tif 000015
【図３】
0005697378.tif 000016
【図７】
0005697378.tif 000017
【図８】
0005697378.tif 000018
【図９】
0005697378.tif 000019
【図１０】
0005697378.tif 000020
【図１１】
0005697378.tif 000021
【図１２】
0005697378.tif 000022
【図１３】
0005697378.tif 000023