(57)【要約】【課題】打音法と同等の利便性と実時間での欠陥有無の判別を可能とするとともに、衝撃弾性波法に匹敵する高精度さを併せ持つコンクリート構造物の診断方法を提供する。【解決手段】コンクリート構造物の表面を打撃した際に、コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を、加速度センサー又はマイクロホン等の弾性波検出手段２により計測し、検出した弾性波を信号処理器７により人が聴取可能な可聴周波数帯域に変換するとともに、その再生音によって内部欠陥の有無を判別する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート構造物内部の欠陥を非破壊で診断するための診断方法であって、
コンクリート構造物の表面を打撃した際に、コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を弾性波検出手段により計測し、検出した弾性波を人が聴取可能な可聴周波数帯域に変換するとともに、その再生音によって内部欠陥の有無を判別することを特徴とするコンクリート構造物の診断方法。
【請求項２】
前記弾性波検出手段は、計測面に接触させて弾性波を検出する加速度センサーとする請求項１記載のコンクリート構造物の診断方法。
【請求項３】
前記弾性波検出手段は、計測面より僅かだけ離間して設置され、該計測面から放出される弾性波を音圧信号として検出するマイクロホンとする請求項１記載のコンクリート構造物の診断方法。
【請求項４】
前記弾性波検出手段により検出した弾性波を所定のサンプリング周波数でディジタル化し、このディジタル化した弾性波を入力時のサンプリング周波数より小さくかつ音信号として再生可能なサンプリング周波数に変換し再生する請求項１〜３いずれかに記載のコンクリート構造物の診断方法。
【請求項５】
前記ディジタル化した弾性波信号をフーリエ変換してサンプリング周波数を複数倍にした時系列信号を生成する方法又はサンプリングデータ間を曲線で近似して補間する方法により、所定の倍率で冗長化した後、音信号として再生可能なサンプリング周波数に変換する請求項５記載のコンクリート構造物の診断方法。
【請求項６】
前記音信号として再生可能なサンプリング周波数／前記ディジタル化した弾性波信号を冗長化した後のサンプリング周波数の比率は、０．０５〜０．３とする請求項５記載のコンクリート構造物の診断方法。
【請求項７】
コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を検出するための弾性波検出手段と、検出した弾性波アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、ディジタル変換された弾性波を取込み、音信号として再生可能なサンプリング周波数に変換するとともに、これをアナログ信号に変換し音信号として再生するコンピュータとから構成されることを特徴とするコンクリート構造物の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を打撃した際に発生する弾性波を利用した非破壊による構造物の診断方法に関し、詳細にはコンクリート構造物内を伝搬する弾性波を可聴音に変換することで、従来の打音法よりも高精度でコンクリート構造物の欠陥の有無を判別可能としたコンクリート構造物の診断方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、構造物の非破壊診断方法としては主として、(1)コンクリートを打撃したときの空気音を測定あるいは聴取することによって、コンクリート構造物の健全性を判別する打音法や、(2)コンクリート構造物内を厚さ方向に多重反射する波動をコンクリート表面に取り付けたセンサー（加速度計）で検知し、その信号の周波数成分に基づいて構造物の厚さ、内部欠陥を判別する衝撃弾性波法などの手法が用いられている。
【０００３】
前記打音法としては、下記特許文献１に、打音の継続時間、周波数、強さを３次元座標空間にプロットすることにより得られる打音曲面の形状を判別するもの、下記特許文献２に、所定の装置に組み込まれた打撃機構とマイクロホンによって集音された打音を打音分析装置によって分析し判別するもの、下記特許文献３に、所定の装置に搭載された打撃・集音装置により集音した打音を音響解析装置により解析して判別するものなどが開示されている。
【０００４】
また、前記衝撃弾性波法としては、下記特許文献４に、コンクリート構造物の測定面に備えた振動検出器により検出した振動に含まれるほぼ５キロヘルツ以下の周波数の振動成分に基づいて判別するものなどが開示されている。
【０００５】
さらに、前記打音法と衝撃弾性波法との組合せとしては、下記特許文献５に、外力を加え打音を発生させた際の外力を検出して外力基準値との比率を求めておき、発生した打音の時系列信号の最大値を前記比率を基に補正した値と振動基準値との比較から判別するものなどが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−４３０２１号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５２１６号公報
【特許文献３】特開２００１−２４９１１７号公報
【特許文献４】特開２００３−３５７０３号公報
【特許文献５】特開２０００−１３１２９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記打音法は、人の聴覚によって検知される周波数範囲(20Hz〜20KHz)の空気放射音を利用する方法であり、現場で直感的かつ実時間でコンクリートの内部欠陥を把握できる点で優れているものの、人の聴覚が放射音を「音」として知覚するためには、少なくとも0.1秒以上の継続時間と十分な音圧振幅が必要である。このため、打音を検知すると言っても実際には構造物の全体的な振動に起因する放射音を検知するに留まり、打撃点直下の局所的な状態を検知することは容易ではないため、コンクリート構造物の異常を検知する診断精度が悪かった。
【０００７】
また、人の聴覚は、１kHz前後に最大感度周波数があるものの、４kHzを越える周波数の音の聴取は、余程静穏の環境下でなければ非常に困難である。ところが、コンクリート内部を伝播する波動の周波数範囲は、５kHzから５０kHz以上の範囲に及び、この主要の周波数範囲の信号成分を知覚することは困難であったため、非常に浅い位置で表層剥離が生じている場合などの特別な場合でない限り、コンクリート構造物の異常を、打撃音として発生する「音」で判断することは困難な状況にあった。
【０００８】
これに対し前記衝撃弾性波法は、センサーでコンクリート構造物内部を伝搬する波動を検知する方法であるため、測定点直下の状況、健全性を分析する方法として優れた方法である。しかしながら、このような波動信号に含まれる情報には、周波数以外に信号の時間減衰状況、信号のうなり、周波数変化、振幅変化など様々な情報があり、これらを一括して分析、検知することは難しく、さらには個別情報を分析して構造物の健全性を診断するには、長時間を要し実時間での診断は困難であった。
【０００９】
そこで、本発明の主たる課題は、打音法と衝撃弾性波法の利点を融合することによって、それぞれが持つ長所を併せ持つコンクリート構造物の診断方法及びその装置を提供することにある。具体的には、コンクリート構造物内を伝搬する弾性波を可聴音に変換することで、打音法と同等の利便性と実時間での欠陥有無の判別を可能とするとともに、衝撃弾性波法に匹敵する高精度さを併せ持つコンクリート構造物の診断方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、コンクリート構造物内部の欠陥を非破壊で診断するための診断方法であって、コンクリート構造物の表面を打撃した際に、コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を弾性波検出手段により計測し、検出した弾性波を人が聴取可能な可聴周波数帯域に変換するとともに、その再生音によって内部欠陥の有無を判別することを特徴とするコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００１１】
上記請求項１記載の発明は、コンクリート構造物の表面を打撃した際に、コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を弾性波検出手段により検出する。この弾性波は５kHzから５０kHz以上の範囲に及び、聴取することはできない周波数帯の波動であるが、これを人が聴取可能な可聴周波数帯域に変換し、再生することによって、従来の「打音法」と同様に、現場で直感的に欠陥の有無を判別できるようにしたものである。また、これら一連の測定、処理はパソコンなどによりリアルタイムで行うことが可能であるため、「打音法」と同様に、音を聴き取るだけの実時間で構造物の診断が可能となる。
【００１２】
また、本発明では、聴取する「音」が打撃音として発生する可聴音ではなく、コンクリート構造物内を伝播する弾性波を可聴音に変換したものであるため、非常に浅い部位に発生した表面剥離以外の内部欠陥までも精度良く判別することが可能となる。なお、打音法では内部欠陥があると「響きの良い清音」になるが、本発明の場合は、内部欠陥が音の濁りとなって表現されるため、鈍く響く音になる。
【００１３】
請求項２に係る本発明として、前記弾性波検出手段は、計測面に接触させて弾性波を検出する加速度センサーとする請求項１記載のコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００１４】
請求項３に係る本発明として、前記弾性波検出手段は、計測面より僅かだけ離間して設置され、該計測面から放出される弾性波を音圧信号として検出するマイクロホンとする請求項１記載のコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００１５】
上記請求項２、３記載の発明は、弾性波検出手段の具体例を示したものであり、本発明では、個別点を単独的に測定する場合には、加速度センサーを計測面に接触させて振動を計測する方法とし、一方、多数点を連続的に測定する場合には、マイクロホンを計測面より僅かだけ離間して配置し（具体的には５mm以内）、非接触により放出される弾性波を音圧信号として計測する方法を採用することができる。
【００１６】
請求項４に係る本発明として、前記弾性波検出手段により検出した弾性波を所定のサンプリング周波数でディジタル化し、このディジタル化した弾性波を入力時のサンプリング周波数より小さくかつ音信号として再生可能なサンプリング周波数に変換し再生する請求項１〜３いずれかに記載のコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００１７】
上記請求項４記載の発明は、検出した弾性波を人が聴取可能な可聴周波数帯域に変換する具体的手順を示したものである。音信号として再生可能なサンプリング周波数としては、例えばコンピュータが音源ファイルとして認識可能なＷＡＶ形式、ＷＭＡ形式等とし、それに適合するサンプリング周期の周波数に変換する。
【００１８】
請求項５に係る本発明として、前記ディジタル化した弾性波信号をフーリエ変換してサンプリング周波数を複数倍にした時系列信号を生成する方法又はサンプリングデータ間を曲線で近似して補間する方法により、所定の倍率で冗長化した後、音信号として再生可能なサンプリング周波数に変換する請求項５記載のコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００１９】
上記請求項６記載の発明は、所定の方法で信号長の冗長化を図った後に、音信号として再生可能なサンプリング周波数に変換することで、周波数変換による音質の低下を防止することが可能となる。
【００２０】
請求項６に係る本発明として、前記音信号として再生可能なサンプリング周波数／前記ディジタル化した弾性波信号を冗長化した後のサンプリング周波数の比率は、０．０５〜０．３とする請求項５記載のコンクリート構造物の診断方法が提供される。
【００２１】
上記請求項６記載の発明は、弾性波検出手段により検出した弾性波を人が聴取可能な可聴周波数帯域に変換する際のサンプリング周波数低減率を示したものである。弾性波検出手段により検出された弾性波の周波数範囲を概ねカバーする再生音とするためには、周波数低減率は０．０５〜０．３とするのが望ましい。
【００２２】
請求項７に係る本発明として、コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を検出するための弾性波検出手段と、検出した弾性波アナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、ディジタル変換された弾性波を取込み、音信号として再生可能なサンプリング周波数に変換するとともに、これをアナログ信号に変換し音信号として再生するコンピュータとから構成されることを特徴とするコンクリート構造物の診断装置が提供される。
【発明の効果】
【００２３】
以上詳説のとおり本発明によれば、打音法と衝撃弾性波法の利点が融合し、それぞれが持つ長所を併せ持つコンクリート構造物の診断方法が提供される。具体的には、従来の打音法と同様の利便性と実時間での欠陥有無の判別を可能とするとともに、衝撃弾性波法に匹敵する高精度さを併せ持つことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００２５】
本発明は、コンクリート構造物内部の欠陥を非破壊で診断するための診断方法であって、コンクリート構造物の表面を打撃した際に、コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を弾性波検出手段により計測し、検出した弾性波を人が聴取可能な可聴周波数帯域に変換するとともに、その再生音によって内部欠陥の有無を判別するようにしたものである。
【００２６】
図１は、本発明に係る構造物の診断方法に用いられる計測装置の構成図である。同図に示されるように、本発明に係る構造物の診断方法に用いられる計測装置１は、加速度センサー又はマイクロホンなどの弾性波検出手段２によって測定された信号が、入力アンプ３によって適切な振幅に増幅され、次いでＡＤ変換器４によってディジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータＰ（以下、パソコンという。）に取り込まれる。そして、信号処理装置５によって聴取可能な可聴周波数帯域の所定形式の音声ファイルに変換されて、パソコンＰのハードディスクなどデータ記録装置６内に記録・保存される。また、変換された音声ファィルは、ＤＡ変換器７によってアナログ信号に再度変換された後、出力アンプ８によって聴取可能な電圧信号になるように増幅され、スピーカ９によって再生される。また、診断者が直接イヤホン３０を接続して聴取することも可能である。
【００２７】
以下、更に計測手順に従って、具体的に説明する。
(1)弾性波の測定
先ず最初に、コンクリート構造物の表面を打撃した際に、コンクリート構造物内を伝搬してコンクリート表面に到達した弾性波を弾性波検出手段により計測する。
【００２８】
一般に、コンクリート構造物内部を伝搬する弾性波の計測法には、コンクリート構造物の表面（計測面）に、加速度センサ（振動センサー）を取り付けたり、押し当てて接触させることによって弾性波を計測する方法、或いはコンクリート構造物の表面（計測面）から所定の離隔を空けた近接位置、具体的には計測面から５mm以内の近接位置に、マイクロホンを設置し、計測面から放出される弾性波を音圧信号として検出する方法などを挙げることができる。
【００２９】
本診断方法では、個別点を単独的に測定する場合には、前記加速度センサーを計測面に接触させて弾性波を計測する方法を採用し、多数点を連続的に測定する場合には、前記マイクロホンを計測面近傍に設置して非接触により弾性波を計測する方法を採用するのが望ましい。
【００３０】
コンクリート構造物の表面を打撃するには、図２に示されるように、ヘッド部１１、シャフト部１２及びグリップ部１３からなり、前記ヘッド部１１に、コンクリート構造物の表面に衝突させ打撃力を負荷する打撃部１１ａと、打撃時に重さによって打撃力の大きさ及び作用時間を調整する重錘１１ｂとが備えられたインパクタ１０を使用することができる。なお、この他に、重錘を所定高さから落下させて打撃力を与えるようにしても良い。
【００３１】
前記加速度センサー２０は、図３に示されるように、コンクリート構造物の表面に接触して振動を検知する加速度センサー部２１と、該加速度センサー部２１により検知した電気信号を増幅器などに送信するケーブル２２とから構成されている。前記加速度センサー２０には、電磁誘導式、圧電式、歪みゲージ式、静電容量式など一般に用いられている各種振動センサーを使用することができる。加速度センサー２０を用いて弾性波を計測する場合には、前記センサー部２１を計測面に固定したり、押し当てたりして密着するように接触させて使用する。
【００３２】
また、前記マイクロホンも同様に、ダイナミック型、エレクトレットコンデンサー型、コンデンサー型など一般に用いられている各種マイクロホンを使用することができる。マイクロホンを用いて弾性波を計測する場合には、マイクロホン先端とコンクリート表面との距離を５mm以下の接触しない位置に配設し、コンクリート表面の振動による空気粒子の速度信号をマイクロホンの音圧信号として検出する。
【００３３】
(2)周波数変換
次に、測定した弾性波の周波数変換の方法について詳述する。前記弾性波検出手段２により検出したデータは、図１に示されるように、入力アンプ３で適切な振幅に増幅されるとともに、ＡＤ変換器４で所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変換された後、パソコンＰの信号処理装置５に取り込まれて信号処理が行われる。このとき、ＡＤ変換器４におけるサンプリング周波数は、検出された弾性波の特性を損なわない範囲で、パソコンの記憶容量・処理能力などを考慮して任意に設定することができる。なお、本発明の診断対象となるコンクリート構造物の場合は、８０〜１５０kHz、好ましくは１００kHz前後のサンプリング周波数とすることが好ましい。
続いて、このようにしてパソコンＰに取り込まれた弾性波のデータを、パソコンで再生する方法について詳述する。これには、まず前記弾性波のデータを、パソコンが音声ファィルとして認識することができる例えばWAVE、WMA等のファィル形式でかつ再生可能なサンプリング周波数に変換する。
【００３４】
ファィル形式をWAVE形式とした場合には、ディジタル数値列データについて、音信号のサンプリング周波数を44.1kHz、22.05kHz、10.025kHzのいずれかに設定して再生できる機能を有する。この機能を利用すれば、実際にパソコンＰに取り込まれた際のサンプリング周波数よりも小さくかつ聴取可能な可聴周波数帯域のサンプリング周波数の音声ファイルに変換されることになるが、１００kHzでサンプリングした信号を単に44.1kHzで再生するのみでは、周波数の低減率が小さく、検出された弾性波の周波数範囲を概ねカバーすることはできない。また、10.025kHzで再生すれば、十分な周波数低減率は得られるものの、再生可能な周波数範囲が約5kHz以下となるため、再生された音質が損なわれる可能性がある。なお、パソコンＰでは、理論上サンプリング周波数の１／２の周波数までしか再生することができない構造となっている（ナイキストの定理）。従って、音楽ＣＤレベルの再生・録音では、サンプリング周波数を44.1kHzとして設定しており、本発明でもこの程度のサンプリング周波数とするのが適当である。
【００３５】
そこで本発明では、かかる問題を解決するため、パソコンにより１００kHzでサンプリングしたディジタルデータの情報量を損なわないように信号長を４倍に冗長化し、これを44.1kHzのWAVE形式のファィルに変換するという方法を用いている。これにより、入力時の弾性波に対して、音質を損なうことなく、約８分の１（周波数低減率＝0.125）の周波数に変換でき、音質を損なうことなく弾性波の周波数範囲を概ねカバーした音で再生することが可能となる。前記周波数低減率は概ね０．０５〜０．３、好ましくは０．０８〜０．２とするのが望ましい。
【００３６】
前述の冗長化の方法としては、信号をフーリエ変換してサンプリング周波数を複数倍、例えば４〜６倍にした系列信号を生成する方法、ディジタルデータを部分的になめらかな曲線で近似し、データとデータの間に新たなデータを補間する方法などの補間方法を好適に採用することができる。
【００３７】
(3)音信号の再生
上記(2)によって生成されたWAVE形式のファィル、あるいはその他の形式で作成した音声ファィルをパソコンＰのオペレーションシステムに組み込まれている音声再生機能(例えば、Windows Media Player（登録商標）等)により、音信号として再生する。
上述の通り、本発明に係る構造物の診断方法は、計測した弾性波を人の可聴音域に周波数変換した音として再生できることにより、直感的な欠陥の把握が可能であるとともに、計測中に実時間で欠陥を把握することができるようになる。また、コンクリート構造物内を伝搬する弾性波を可聴音に変換したものであるため、非常に浅い部位に発生した表面剥離以外の内部欠陥までも精度良く判別することが可能となる。
【００３８】
〔その他の形態例〕
(1)計測した弾性波を人の可聴音域に周波数変換した音として再生して、内部欠陥の有無を判断する処理と共に、サンプリングした弾性波を従来より行われている衝撃弾性波法に従って、高速フーリエ変換、スペクトル解析やオクターブ解析など周波数構造、波形の微細構造の分析結果に基づいた客観的な健全性の評価を行うことによって、更に診断精度の向上や本発明診断結果の正当性を評価することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係るコンクリート構造物の診断方法に用いられる計測装置の概略構成図である。
【図２】インパクタ１０の側面図である。
【図３】加速度センサー２０の側面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…計測装置、２…弾性波検出手段、３…入力アンプ、４…ＡＤ変換器、５…信号処理装置、６…データ記録装置、７…ＤＡ変換器、８…出力アンプ、９…スピーカ、１０…インパクタ、２０…加速度センサー、３０…イヤホン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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