(57)【要約】【課題】光ファイバーを用いてＡＥを高い検出精度で検出することができる弾性波検出方法およびその装置を提供する。【解決手段】光源２と、光源２からの光を分光するスプリッタ４と、少なくとも一方が被検査対象物に対して設置され、スプリッタ４で分光された光を導光する第１および第２の光ファイバ５，６と、第１の光ファイバ５の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合器７と、重ね合わせ光の光強度を検出する光検出器８と、光検出器８の検出信号から、時間と周波数の情報を抽出し、前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理装置９とを有する。【選択図】図１
2004117041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方が被検査対象物に対して設置された第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導かれた単一光源から分光された光の重ね合わせ光の光強度に基づいて、前記被検査対象物に発生する弾性波を監視し、
前記被検査対象物に発生する弾性波を検出した場合には、前記被検査対象物に弾性波を励起させ、
前記重ね合わせ光の光強度に基づいて、励起した弾性波を検出し、
検出した前記弾性波に基づいて、前記被検査対象物の状態を検査する
検査方法。
【請求項２】
前記光強度の情報から時間と周波数の情報を抽出し、
前記時間と周波数の情報に基づいて、当該弾性波の発生源を標定する
請求項１に記載の検査方法。
【請求項３】
標定された発生源に向けて指向性を有する弾性波を励起する
請求項２に記載の検査方法。
【請求項４】
被検査対象物に弾性波を励起させ、
少なくとも一方が前記被検査対象物に対して設置された第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導かれた単一光源から分光された光の重ね合わせ光の光強度に基づいて、前記弾性波を検出し、
検出した前記弾性波に基づいて、前記被検査対象物の状態を検査する
検査方法。
【請求項５】
前記被検査対象物にレーザ光を照射して弾性波を励起する
請求項４に記載の検査方法。
【請求項６】
前記被検査対象物の表面にシリコンオイルを塗布し、
前記被検査対象物の表面にレーザ光を照射し、
前記シリコンオイルのブレークダウンによりレイリー波を励起する
請求項５に記載の検査方法。
【請求項７】
前記レーザ光の照射位置の周囲を包囲するように、前記第１および第２の光ファイバの一方を前記被検査対象物の表面に設置する
請求項６に記載の検査方法。
【請求項８】
第１および第２の光ファイバの少なくとも一方を被検査対象物に対して設置し、
前記第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導かれた単一光源から分光された光の重ね合わせ光の光強度に基づいて、前記被検査対象物から発生する弾性波を検出する
弾性波検出方法。
【請求項９】
前記光強度の情報から時間と周波数の情報を抽出し、
前記時間と周波数の情報に基づいて、当該弾性波の発生源を標定する
請求項８に記載の弾性波検出方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の光ファイバの周波数特性を異ならせ、
前記第１および第２の光ファイバの双方を被検査対象物に対して設置し、
前記光強度の情報から時間と周波数の情報を抽出し、
前記時間と周波数の情報に基づいて、当該弾性波の発生源を標定する
請求項９に記載の弾性波検出方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の光ファイバの少なくとも一方を互いに対向する対向部が少なくとも３か所以上形成されるように湾曲させ、かつ、前記対向部間の距離を互いに異ならせて前記被検査対象物に設置し、
前記時間と周波数の情報から得られる前記被検査対象物に発生し前記各対向部に到達する弾性波の到達時間差に基づいて、当該弾性波の発生源を標定する
請求項８に記載の弾性波検出方法。
【請求項１２】
単一光源と、
単一光源からの光を分光するスプリッタと、
少なくとも一方が被検査対象物に対して設置され、前記スプリッタで分光された光を導光する第１および第２の光ファイバと、
前記第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、
重ね合わせ光の光強度を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出信号から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段と
を有する弾性波検出装置。
【請求項１３】
単一光源からの光の偏波方向を制御する偏波器をさらに有し、
前記スプリッタは、偏波器からの光の偏波方向を保存し、
前記第１および第２の光ファイバは、前記スプリッタで分光された光の偏波方向を保存する偏波保存光ファイバーである
請求項１２に記載の弾性波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物等の被検査対象物に発生する弾性波あるいは発生させた弾性波を検出することによって被検査対象物の状態を検査する検査方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）　は、金属材料等の固体の内部で微小な変形、亀裂等の破壊、相変態あるいは結晶粒界の移動などの現象が起きる際に発生する超音波領域（周波数が５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ）の弾性波であるが、広義には、岩盤の亀裂や地下地盤の変動における数１００ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数帯域の弾性波も含まれる。
上記のＡＥをリアルタイムに検出することにより、構造物の腐食や、疲労破壊等を検出することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＥの検出には、たとえば、圧電素子（ＰｂＴｉＺｒＯ３）を用いた超音波センサーが用いられる。圧電素子を用いた超音波センサーは、検出感度が高く、構造物等から発生する微弱なＡＥを精度良く検出することができる。
しかしながら、圧電素子を用いた超音波センサーは、検出信号を増幅したりインピーダンス変換する装置を要し、検出信号の伝送に同軸ケーブルが必要であり、使用場所に制限を受けやすく電磁波障害を受けやすく、重量が重くなるなどの不利益が存在する。
【０００４】
ＡＥを検出する他の方法としては、光ファイバーを用いて検出する方法が知られている。光ファイバーを用いてＡＥを検出する方法では、使用場所に制限を受けにくく、また、比較的低コストでＡＥを検出することができる。
具体的には、たとえば、光ファイバーを用いて、いわゆるマイケルソン型干渉計を構成する。ＡＥがこの光ファイバーに入射すると、光ファイバーのコアの屈折率がＡＥの強さに応じて変化する。この屈折率変化を光ファイバー中を透過する光の位相変化として検出することにより、ＡＥの強さを特定することができる。
マイケルソン型干渉計は、光ファイバーをフラットに切断し、この切断した端面に金等の反射膜を蒸着する必要がある。マイケルソン型干渉計のＡＥの検出精度は、光ファイバーの端面の精度に依存する。
しかしながら、上記の端面を高精度に加工するのが難しく、また、端面への反射膜の蒸着が難しい。このため、マイケルソン型干渉計では、ＡＥの高い検出精度を得ることが困難であった。
【０００５】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、光ファイバーを用いて被検査対象物から発生するＡＥあるいは被検査対象物に発生させたＡＥを高い検出精度で検出することができる弾性波検出方法およびその装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、上記の弾性波検出装置を用いて被検査対象物の状態を検査する検査方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に係る検査方法は、少なくとも一方が被検査対象物に対して設置された第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導かれた単一光源から分光された光の重ね合わせ光の光強度に基づいて、前記被検査対象物に発生する弾性波を監視し、前記被検査対象物に発生する弾性波を検出した場合には、前記被検査対象物に弾性波を励起させ、前記重ね合わせ光の光強度に基づいて、励起した弾性波を検出し、検出した前記弾性波に基づいて、前記被検査対象物の状態を検査する。
【０００７】
好適には、前記光強度の情報から時間と周波数の情報を抽出し、前記時間と周波数の情報に基づいて、当該弾性波の発生源を標定し、標定された発生源に向けて指向性を有する弾性波を励起する。
【０００８】
本発明の第２の観点に係る検査方法は、被検査対象物に弾性波を励起させ、少なくとも一方が前記被検査対象物に対して設置された第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導かれた単一光源から分光された光の重ね合わせ光の光強度に基づいて、前記弾性波を検出し、検出した前記弾性波に基づいて、前記被検査対象物の状態を検査する。
【０００９】
好適には、前記被検査対象物にレーザ光を照射して弾性波を励起する。
【００１０】
本発明の弾性波検出方法は、第１および第２の光ファイバの少なくとも一方を被検査対象物に対して設置し、前記第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導かれた単一光源から分光された光の重ね合わせ光の光強度に基づいて、前記被検査対象物から発生する弾性波を検出する。
【００１１】
好適には、前記光強度の情報から時間と周波数の情報を抽出し、前記時間と周波数の情報に基づいて、当該弾性波の発生源を標定する。
【００１２】
さらに好適には、前記第１および第２の光ファイバの周波数特性を異ならせ、前記第１および第２の光ファイバの双方を被検査対象物に対して設置し、前記光強度の情報から時間と周波数の情報を抽出し、前記時間と周波数の情報に基づいて、当該弾性波の発生源を標定する。
【００１３】
本発明の弾性波検出装置は、単一光源と、単一光源からの光を分光するスプリッタと、少なくとも一方が被検査対象物に対して設置され、前記スプリッタで分光された光を導光する第１および第２の光ファイバと、前記第１および第２の光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、重ね合わせ光の光強度を検出する光検出器と、前記光検出器の検出信号から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段とを有する。
【００１４】
本発明では、被検査対象物に弾性波が発生し、あるいは、被検査対象物に弾性波が励起されると、被検査対象物に対して設置された光ファイバに弾性波が入射する。この弾性波の入射により、光ファイバの屈折率が変化し、一方端から他方端に向けて導かれた単一光源から分光された光の状態が変化し、重ね合わせ光は弾性波の強度に応じて変調される。この弾性波の情報を含む重ね合わせ光の光強度信号の所定の処理により弾性波が検出される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の一実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。
図１において、弾性波検出装置１は、光源２と、偏波器３と、スプリッタ４と、参照光用光ファイバ５と、センサ用光ファイバ６と、結合器７と、光検出器８と、処理装置９とを有する。
弾性波検出装置１は、いわゆるマッハツェンダー型干渉計を基本とした構成となっている。
【００１６】
光源２は、特定波長のレーザ光を出力する。この光源２には、たとえば、レーザダイオードが用いられる。
偏波器３は、光源２から出力されたレーザ光の偏波が一定の方向となるように制御してスプリッタ４に出力する。
【００１７】
スプリッタ４は、偏波器３から入力されるレーザ光を分光し、一方のレーザ光を参照光用光ファイバ５に出力し、他方のレーザ光をセンサ用光ファイバ６に出力する。このスプリッタ４には、偏波器３で制御された偏波の方向を保存する偏波保存スプリッタが用いられる。
【００１８】
参照光用光ファイバ６は、スプリッタ４で分岐されたレーザ光の一方が入力される。この参照光用光ファイバ６には、たとえば、シングルモードタイプのベアーファイバーをアクリルやＰＶＣ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ　Ｃｈｒｏｌｉｄｅ）で被覆したもの等が用いられる。また、参照光用光ファイバ６には、偏波保存用光ファイバーが用いられる。
センサ用光ファイバ５は、スプリッタ４で分岐されたレーザ光の他方が入力される。このセンサ用光ファイバ５には、参照光用光ファイバ６と同じ構成（同じ周波数特性）のものが使用され、偏波保存用光ファイバが用いられる。
【００１９】
結合器７は、参照光用光ファイバ６およびセンサ用光ファイバ５によって導光されたレーザ光を重ね合わせて光検出器８に出力する。参照光用光ファイバ６およびセンサ用光ファイバ５からの光は、結合器７で重ね合わされ、参照光用光ファイバ６およびセンサ用光ファイバ５の光路差によって干渉光が発生する。
【００２０】
光検出器８は、結合器７から出力される干渉光の光強度を検出する。具体的には、入射する干渉光の光強度に応じた電気信号を発生する。この光検出器８には、たとえば、フォトダイオードが用いられる。
【００２１】
処理装置９は、光検出器８のアナログ信号からなる検出信号をディジタル信号に変換して取り込む。この処理装置９は、たとえば、パーソナルコンピュータで構成される。処理装置９では、取り込んだ検出信号に、フィルター処理を施し、ウェーブレット変換などによって群速度分散や特定周波数成分の経時変化が解析される。
【００２２】
弾性波検出装置１の検出特性
次に、上記構成の弾性波検出装置１の弾性波の検出感度特性について説明する。
図２は、上記構成の弾性波検出装置１を被検査対象物に設置した状態を示す斜視図である。
図２において、被検査対象物Ｗは、たとえば、薄鋼板からなる。
この被検査対象物Ｗの表面に、当該被検査対象物Ｗを横断するように、センサ用光ファイバ５を接着する。
【００２３】
被検査対象物Ｗの表面のセンサ用光ファイバ５から距離Ｌの位置を音源位置（弾性波発生源）Ｓとし、この位置に、鋼球Ｂを落下させ、その衝撃により弾性波（ＡＥ）を発生させる。ここで、材料の亀裂や破壊等の損傷により発生するＡＥを一次ＡＥと呼び、衝撃等の外部力により発生するＡＥを二次ＡＥと呼ぶことにする。被検査対象物Ｗに鋼球Ｂを落下させると、二次ＡＥが発生する。
【００２４】
音源位置Ｓで発生した二次ＡＥは、被検査対象物Ｗを伝搬し、センサ用光ファイバ５に入射する。
センサ用光ファイバ５に二次ＡＥが入射すると、センサ用光ファイバ５の屈折率が変化する。このため、センサ用光ファイバ５を導光されているレーザ光の状態が変化する。
一方、参照光用光ファイバ６は、被検査対象物Ｗから離れているため、発生した二次ＡＥは、参照光用光ファイバ６には入射しない。
【００２５】
結合器７では、センサ用光ファイバ５における二次ＡＥが入射したレーザ光と参照光用光ファイバ６を搬送されたレーザ光との重ね合わされ、干渉光が発生する。この干渉光の光強度は、センサ用光ファイバ５に入射する二次ＡＥに応じて変化する。
光検出器８は、このセンサ用光ファイバ５に入射する二次ＡＥに応じて変化する干渉光の光強度を検出して処理装置９に出力する。
【００２６】
図３は、被検査対象物Ｗの表面に図２に示した鋼球Ｂを実際に落下させ、検出した二次ＡＥの波形を示すグラフである。
なお、図３において、比較例１および比較例２の波形も重ねて表示している。
【００２７】
実施例は、上記構成の弾性波検出装置１により検出したＡＥ検出波形を示している。
比較例１は、上記構成の弾性波検出装置１において、偏波器３を使用せず、スプリッタ４に偏波保存スプリッタではなく通常のスプリッタを用い、センサ用光ファイバ５および参照光用光ファイバ６に偏波保存用光ファイバーではなく通常のシングルモードタイプの光ファイバを用いた場合の弾性波検出装置によるＡＥの検出波形を示している。
【００２８】
比較例２は、いわゆるマイケルソン型の干渉計を基本とする弾性波検出装置によるＡＥの検出波形を示している。
図６は、マイケルソン型干渉計を基本とする弾性波検出装置の構成の一例を示す図である。
図６に示す弾性波検出装置１００は、光源１０４と、処理装置１０６と、光検出器１０５と、スプリッタ１０２と、センサ用光ファイバ１１０と、参照光用光ファイバ１１１とを有する。
弾性波検出装置１００では、光源１０４からレーザ光が出力され、このレーザ光がスプリッタ１０２で分岐されてセンサ用光ファイバ１１０および参照光用光ファイバ１１１に導かれる。センサ用光ファイバ１１０および参照光用光ファイバ１１１に導かれたレーザ光は、センサ用光ファイバ１１０の端面１１０ａおよび参照光用光ファイバ１１１の端面１１１ａでそれぞれ反射し、この反射光がスプリッタ１０２で重ね合わされ、干渉光が発生する。この干渉光の光強度が光検出器１０５によって検出され、処理装置１０６に取り込まれる。
【００２９】
上記した比較例２は、センサ用光ファイバ１１０を被検査対象物Ｗに設置されたセンサ用光ファイバ５と同じ位置に設置し、センサ用光ファイバ１１０で検出されたＡＥの波形である。
【００３０】
図３に示す測定の条件は、被検査対象物Ｗに、寸法が９１４×９１４ｍｍ、厚さ０．９ｍｍの薄鋼板を用い、音源位置Ｓとセンサ用光ファイバ５との距離Ｌを２００ｍｍとした。また、センサ用光ファイバ５と参照光用光ファイバ６は、ＰＶＣで被覆されたコーティッドファイバーを用い、センサ用光ファイバ１１０および参照光用光ファイバ１１１にはベアファイバーを用いた。なお、コーティッドファイバーとベアファイバーとでは、ベアファイバーのほうが検出感度が高い。
【００３１】
図３において、実施例と比較例２とを比べると、本実施形態に係る弾性波検出装置１の検出感度は、マイケルソン型干渉計を基本とする弾性波検出装置１００の検出感度の約１５０倍程度の感度を有する。すなわち、本実施形態に係る弾性波検出装置１は、コーティッドファイバーを用いてもなお、マイケルソン型干渉計を基本とする弾性波検出装置１００の検出感度の約１５０倍程度の感度を有する。
また、実施例と比較例１とを比べると、本実施形態に係る弾性波検出装置１の検出感度のほうが約５倍の検出感度を有する。すなわち、偏波器３、偏波保存スプリッタおよび偏波保存用光ファイバーを用いることで、大幅に感度が向上する。すなわち、レーザ光の偏波面を保存することにより、光ファイバが曲がったり、光ファイバーに温度変動があると、Ｓ／Ｎ比が低下するのを防ぐことができる。
【００３２】
上記した結果は、本実施形態に係る弾性波検出装置１の大振幅・低周波数のＡＥの検出特性についての結果である。
次に、本実施形態に係る弾性波検出装置１の微弱なＡＥの検出特性について説明する。
微弱なＡＥは、たとえば、材料の亀裂や破壊等の損傷により発生するが、シャープペンシルの芯を圧折することにより発生さることができる。芯の圧折はＡＥセンサーや計測器の標準音源として用いられている。具体的には、シャープペンシルの芯を圧折すると、芯の剥離により微弱な板波（ラム波）のＡＥが発生する。なお、ほとんどの構造物で、ＡＥは上記のラム波として検出することができる。ラム波には、様々な分散性のモード波が存在する。
【００３３】
図４は、被検査対象物Ｗの音源位置Ｓにおいて、シャープペンシルの芯を圧折して検出したＡＥ波形を示すグラフであり、図５は、検出波を処理装置９においてウェーブレット変換処理して得られたウェーブレット群速度線図である。
ウェーブレット変換は、時間と周波数に依存した窓関数の形を変化させて、検出波形の全域から時間と周波数の情報を抽出する。すなわち、検出波形の各時間において時間−周波数変換を行い、周波数帯域毎の信号強度を時系列的に求める。これにより、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、たとえば、音源位置の標定が可能となる。
【００３４】
音源位置Ｓにおけるシャープペンシルの芯の圧折条件は、硬さ２Ｈ、直径０．５ｍｍのシャープペンシルの芯に４Ｎの力を０．９μｓで開放した。また、シャープペンシルの芯と被検査対象物Ｗとの間には、１．５Ｖの直流電圧を印加し、芯が圧接した時の開放電圧をトリガー信号に用いた。
シャープペンシルの芯の圧接により、最初にＳ０　モード初動波が発生し、続いて、Ａ０　モードラム波が発生する。これらＳ０　モード初動波、および、Ａ０　モードラム波は、所定の条件下において計算により求めることができる。
Ｓ０　モード初動波は、Ａ０　モードラム波に比べて振幅が小さく低周波のゼロ次の対称モード波である。
Ａ０　モードラム波は、大きな振幅を有する低周波数のゼロ次の非対称モード波である。ラム波は、速度が周波数に依存する分散性を有する。
図４において、Ｓ０　モード初動波は、確実には検出されていないが、これは、光ファイバにコーティッドファイバを用いたことが原因と考えられる。
一方、Ａ０　モードラム波は確実に検出されている。
【００３５】
図５において、濃淡で示されているのは、検出波をウェーブレット変換処理して得られたウェーブレット係数分散である。また、実線で示されているのは、計算により得られるＡ０　モードラム波群速度分散である。
図５のウェーブレット係数分散の黒い尾根（高いウェーブレット係数帯）は、計算により得られるＡ０　モードラム波群速度分散と６０ｋＨｚ程度まではよく一致している。すなわち、Ａ０　モードラム波がウェーブレット変換によって抽出できているのがわかる。
【００３６】
以上のように、本実施形態に係る弾性波検出装置１は、たとえば、構造部材の腐食（大気錆の自壊）や微小割れが発生する微弱な超音波である一次ＡＥと、外部からの衝撃等の印加により発生する弾性波である二次ＡＥの双方を検出することができる感度を有する。
【００３７】
検査方法
次に、上記構成の弾性波検出装置１を用いた検査方法について説明する。
図７は、本実施形態に係る検査方法の手順を示すフローチャートである。
まず、上記構成の弾性波検出装置１を、たとえば、鋼構造物や配管やタンク等の被検査対象物に設置し、鋼構造物における腐食や腐食割れ、疲労破壊等の損傷が発生する一次ＡＥを検出する（ステップＳ１）。
弾性波検出装置１を構造物に予め設置しておき、この一次ＡＥが発生しないか常にモニター（監視）しておき、一次ＡＥを検出することで構造物に腐食や微小割れ、疲労破壊が発生したことを検知できる。
【００３８】
構造物に腐食や微小割れ、疲労破壊等の損傷が発生したことを検知しても、その発生位置が特定できなければ、状態の評価が困難である。特に、大型構造物の場合には損傷箇所の特定が重要である。
このため、弾性波検出装置１の検出した一次ＡＥから、一次ＡＥが発生した音源位置を標定する（ステップＳ２）。
この音源位置は、検出した一次ＡＥに上記したウェーブレット変換を施し、特定周波数の波を抽出し、抽出した情報に基づいて音源位置を標定する。なお、音源位置の標定方法についてはさらに後述する。
【００３９】
構造物に腐食や微小割れ、疲労破壊等の損傷が発生していることを検知したのちには、その状態を評価する必要がある。すなわち、損傷の程度に応じて対応策を決定する必要があるからである。
このため、被検査対象物における標定した音源位置（損傷位置）に向けて指向性の超音波を励起し、被検査対象物を透過した超音波または被検査対象物で反射された超音波である二次ＡＥを上記の弾性波検出装置１により検出する（ステップＳ３）。
具体的には、たとえば、タンク等の構造物の鋼板は、腐食すると減肉するが、この減肉した部分の状態を評価するために、鋼板の減肉した部分に指向性の超音波（板波）を励起し、減肉した部分で反射された超音波を上記した弾性波検出装置１により検出する。
【００４０】
次いで、検出した二次ＡＥに基づいて、音源位置付近の状態を解析する（ステップＳ４）。音源位置付近の状態を解析することにより、音源位置付近の損傷の状態を評価することができる。被検査対象物を透過した超音波または被検査対象物で反射された超音波である二次ＡＥには、損傷箇所の状態の情報が含まれているので、情報を所定処理により抽出する。
【００４１】
たとえば、鋼板の腐食による減肉が発生した箇所では、鋼板に沿って超音波（板波）を励起すると、この二次ＡＥである超音波が減肉部で反射するため、この反射波を検出することで減肉の状態の推定可能である。
【００４２】
ここで、鋼板に沿って超音波を励起し、その超音波の反射波を弾性波検出装置１が検出できるかを実験した結果について説明する。
図８は、指向性の超音波を励起し、反射波を発生させる実験システムの概略構成を示す斜視図である。
図８において、センサ用光ファイバ５を鋼板ＰＬの表面に長手方向を横断するように設置し、鋼板ＰＬの長手方向の一端面Ｅｆ１をシュミットハンマーで打撃し、ラム波を励起した。
なお、鋼板ＰＬは、４６０ｍｍ×１８６０ｍｍ×６ｍｍの寸法を有し、センサ用光ファイバ５にコーティッドファイバを用いて、これを端面Ｅｆから３００ｍｍの位置にシリコングリースで接着した。また、参考のために、ＡＥセンサー２００（ＰＡＣ社製ＰＩＣＯセンサー、５４０ｋＨｚ共振型）を端面Ｅｆから３０ｍｍの位置に設置してラム波を検出した。
【００４３】
図９は、鋼板ＰＬに励起したラム波の伝搬経路を説明するための図であり、図１０は弾性波検出装置１の検出した検出波形を示すグラフであり、図１１はＡＥセンサの検出した検出波形を示すグラフである。
図９において、鋼板ＰＬに励起したラム波をＳ０　とすると、Ｓ０　Ｒ０は、ラム波Ｓ０　が鋼板ＰＬの他端面Ｅｆ２で反射してセンサ用光ファイバ５に入射した反射波である。
Ｓ０　Ｒ１は、反射波Ｓ０　Ｒ０がさらに鋼板ＰＬの一端面Ｅｆ１で反射してセンサ用光ファイバ５に入射した反射波である。
Ｓ０　Ｒ２は、反射波Ｓ０　Ｒ１がさらに鋼板ＰＬの他端面Ｅｆ２で反射してセンサ用光ファイバ５に入射した反射波である。
Ｓ０　Ｒ３は、反射波Ｓ０　Ｒ２がさらに鋼板ＰＬの一端面Ｅｆ１で反射してセンサ用光ファイバ５に入射した反射波である。
【００４４】
図１０からわかるように、弾性波検出装置１は反射波Ｓ０　Ｒ０〜Ｓ０　Ｒ３まで確実に検出できることがわかる。
一方、図１１からわかるように、ＡＥセンサ２００では、反射波Ｓ０　Ｒ０〜Ｓ０　Ｒ３を明確には検出できない。
【００４５】
以上のように、弾性波検出装置１によれば、二次ＡＥの反射波も感度よく検出することができる。
【００４６】
次に、弾性波検出装置１による音源位置の標定方法について説明する。
図１２は、音源位置の標定のためのセンサ用光ファイバ５の被検査対象物に対する設置方法を示す図である。
被検査対象物Ｗを矩形状の鋼板とした場合に、図１２に示すように、一連のセンサ用光ファイバ５を複数位置で湾曲させ、被検査対象物Ｗの長手方向に対してセンサ用光ファイバ５を複数位置（３か所）で横断させ、センサ用光ファイバ５の横断部分（対向部）を被検査対象物Ｗに接着等の固定手段によって固定する。
このセンサ用光ファイバ５の被検査対象物Ｗに対する各横断部をＡＥを検出するセンサ部Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃとする。
センサ部Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃは、互いに対向しており、かつ、センサ部Ｓａおよびセンサ部Ｓｂ間の間隔Ｇａｂと、センサ部Ｓｂおよびセンサ部Ｓａ間の間隔Ｇｂｃとを異ならせる。
【００４７】
センサ部Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃは、互いに異なる位置にあり、かつ、間隔Ｇａｂと間隔Ｇｂｃとが互いに異なるため、同一の音源位置から発生した特定モードの特定周波数のＡＥは、音源位置がいずれの位置であってもそれぞれ異なる時間にセンサ部Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃに到達する。
したがって、センサ部Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ間における、特定モードの特定周波数のＡＥの到達時間差を検出することにより、音源位置を特定することができる。
【００４８】
図１３は、被検査対象物Ｗにおける音源位置を示す図である。
センサ用光ファイバ５を被検査対象物Ｗに設置した状態で、図１３に示すように、音源位置ＡからＡＥが発生することを想定する。
音源位置Ａは、センサ部Ｓａから距離Ｌａ、センサ部Ｓｂから距離Ｌｂ、センサ部Ｓｃから距離Ｌｃの位置にある。
【００４９】
たとえば、音源位置Ａがセンサ部Ｓａとセンサ部Ｓｂとの間であってセンサ部Ｓａ寄りに位置するとすると、音源位置ＡからのＡＥは、センサ部Ｓａ、センサ部Ｓｂ、センサ部Ｓｃの順で到達する。すなわち、音源位置Ａからの伝搬距離に応じて、到達順序が決まる。
【００５０】
各センサ部Ｓａ，Ｓｂ，ＳｃへのＡＥの到達時間差をΔＴ１，ΔＴ２（絶対値）とすると、
ΔＴ１：ΔＴ２＝（Ｌｂ−Ｌａ）：（Ｌｃ−Ｌｂ）…（１）
の関係が成り立つ。
【００５１】
また、Ｇａｂ＝Ｌａ＋Ｌｂ、Ｇｂｃ＝Ｌｃ−Ｌｂの関係があり、かつ、Ｇａｂ、Ｇｂｃは既知の値であるので、到達時間差ΔＴ１およびΔＴ２が求まれば、距離Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを特定でき、音源位置Ａを標定することができる。
【００５２】
次に、Ｇａｂを５００ｍｍ、Ｇｂｃを３００ｍｍ、Ｌａを１００ｍｍ、Ｌｂを４００ｍｍ、Ｌｃを７００ｍｍとして、実際に音源位置Ａを発生した結果について説明する。
図１４（ａ）は音源位置ＡにおいてＡＥを発生させたときの弾性波検出装置１の検出波形を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の検出波形をウェーブレット変換したときのウェーブレットの経時変化を示すグラフである。
図１４（ｂ）から、ＡＥの到達時間は０．７１ｍｓであり、二番目の到達時間は２．３３ｍｓであり、３番目の到達時間は３．８５ｍｓである。
【００５３】
上記の条件では、（Ｌｂ−Ｌａ）：（Ｌｃ−Ｌｂ）は、３００：３００である。また、ΔＴ１＝１．６２ｍｓ、ΔＴ２＝１．５２ｍｓである。
したがって、ΔＴ１：ΔＴ２＝１．６２：１．５２となり、略１：１である。
すなわち、上記の（１）式が略成り立つ。このことから、到達時間差ΔＴ１およびΔＴ２を検出できれば、音源位置を標定することができる。
【００５４】
上記した音源位置の標定方法は、たとえば、パイプの損傷による音源位置の標定に使用できる。パイプの周囲に間隔を異ならせて一本のセンサ用光ファイバ５を長手方向に沿って巻き付けて複数のセンサ部を構成し、各センサ部にパイプの損傷により発生したＡＥが到達する到達時間の時間差を計測すれば、パイプの損傷位置を標定することができる。
【００５５】
次に、本実施形態に係る弾性波検出装置１を用いた弾性波検出方法の適用可能な対象について説明する。
たとえば、タンクの底板の腐食により発生するＡＥの検出に適用可能である。上述したように、タンクの底板から腐食により発生する一次ＡＥを検出したのち、音源位置を標定し、音源位置に向けて指向性を有する二次ＡＥを積極的に励起し、反射波を検出して底板の減肉の状態を評価する。
タンクの底板の腐食による減肉の検査は、通常、タンク内容物を除去したのち、超音波厚さ計で定点測定を行なっているが、測定するには、内容物の除去、タンクの清掃、定点測定には膨大な時間と経費を要する。
このため、本実施形態に係る弾性波検出装置１のセンサ用光ファイバ５を底板に設置することにより、内容物の除去やタンクの清掃を必要とせず、底板の減肉の状態を評価することができる。
【００５６】
また、たとえば、橋梁や配管、船舶や海洋構造物、ビルやトンネル、船舶や海洋構造物（たとえば、石油掘削プラットフォーム）等の鋼材を使用し、この鋼材が腐食による劣化する可能性がある構造物であれば、適用可能である。
【００５７】
また、航空機のフライト中の機体、翼、圧力隔壁等に弾性波検出装置１のセンサ用光ファイバ５を設置すれば、航空機の疲労状態を常に監視することができる。
【００５８】
また、たとえば、原子力発電施設や高放射能レベル廃液タンク等、腐食だけではなく放射能によって劣化しやすい構造物に、弾性波検出装置１のセンサ用光ファイバ５を設置すれば、放射能による破壊を監視することができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、被検査対象部物から発生する一次ＡＥを検出たのち、二次ＡＥを励起させて損傷状態を評価する場合について説明したが、単に一次ＡＥを検出する構成としてもよく、また、最初から二次ＡＥを励起して二次ＡＥを検出する構成としてもよい。
【００６０】
第２実施形態
図１５は、本発明の他の実施形態に係る弾性波検出装置３００の構成を示す図である。なお、第１の実施形態に係る弾性波検出装置１と同一の構成部分については同一の符号を使用している。
本実施形態に係る弾性波検出装置３００は、第１の実施形態に係る弾性波検出装置１と異なる点は、弾性波検出装置１おいて参照光用光ファイバ６を使用せずに、２つのセンサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂとした点である。すなわち、本実施形態では、２本の光ファイバをそれぞれＡＥの検出に用いる。
【００６１】
センサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂは、それぞれ異なる周波数特性を有する。
図１６はセンサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂの断面構造を示す図であって、（ａ）は、センサ用光ファイバ５Ｂの構造を示しており、（ｂ）はセンサ用光ファイバ５Ａの構造を示している。
センサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂは、同一のベアファイバＢＦを有し、各ベアファイバＢＦは異なるコーティングＣＴａ、ＣＴｂでそれぞれ被覆されている。
コーティングＣＴａは、たとえば、ＰＶＣからなり、コーティングＣＴｂは、たとえば、ＰＭＭＡからなる。コーティングＣＴａ、ＣＴｂの膜厚は異なる。
センサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂは、コーティングの材料および膜厚が異なるため、周波数特性が異なる。
【００６２】
本実施形態では、図１５に示したように、上記センサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂを被検査対象物Ｗにそれぞれ設置する。
まず、センサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂの検出感度および周波数特性を調べた結果について説明する。
測定条件は、センサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂの直径１２５μｍのベアーファイバＢＦにシングルモードファイバを用い、コーティングＣＴａに外径０．９ｍｍのＰＶＣ、コーティングＣＴｂに外径０．２５ｍｍのＰＭＭＡを用いた。
また、被検査対象物Ｗには、１２００ｍｍ×１２００ｍｍ×０．９ｍｍの鋼板を用い、この鋼板の表面に７００ｍｍの距離を隔ててセンサ用光ファイバ５Ａ，５Ｂを設置した。
【００６３】
図１７において、（ａ）はＰＶＣをコーティングしたセンサ用光ファイバのＡＥの検出波形を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の検出波のパワースペクトルを示すグラフであり、（ｃ）はＰＭＭＡをコーティングしたセンサ用光ファイバのＡＥの検出波形を示すグラフであり、（ｄ）は（ｃ）の検出波のパワースペクトルを示すグラフである。
図１７から分かるように、１０ｋＨｚ以下の周波数帯域では、ＰＶＣをコーティングしたセンサ用光ファイバ５Ｂのほうが感度がよく、１０ｋＨｚ以上ではＰＭＭＡをコーティングしたセンサ用光ファイバ５Ａのほうが感度がよい。
【００６４】
次に、上記のＰＶＣをコーティングしたセンサ用光ファイバ５ＢとＰＭＭＡをコーティングしたセンサ用光ファイバ５Ａとの感度の違いを利用して、音源位置ＳＡの標定を行った。
音源位置ＳＡとセンサ用光ファイバ５Ａまでの距離Ｌ１を１００ｍｍ間隔で変化させ、音源位置ＳＡでシャープペンシルの芯を圧折することにより一次ＡＥを発生させた。
２波束からなる検出波にウェーブレット変換を施し、１０ｋＨｚの周波数成分（特定モードの波）の最大ピークの時間差から音源位置ＳＡを標定した。なお、１０ｋＨｚでの周波数感度は、ＰＭＭＡをコーティングしたセンサ用光ファイバ５Ａのほうが高いため、ウェーブレット強度のピークはＰＭＭＡをコーティングしたセンサ用光ファイバ５Ａのほうが大きくなる。
【００６５】
図１８は、標定結果を示すグラフである。
図１８からわかるように、音源位置ＳＡを標定した標定位置は略正確であり、標定位置の誤差は、最大で５．５％であった。
【００６６】
以上のように、本実施形態によれば、２本の光ファイバーをＡＥの検出に用い、音源からの特定周波数の波の到達時間差を検出することにより、音源位置を標定でき、一台のシステムでより多くの計測を行うことができる。
また、２本のセンサ用光ファイバー５Ａ，５Ｂの周波数特性を異ならせることにより、音源位置ＳＡを一意に標定することが可能になる。すなわち、２本のセンサ用光ファイバー５Ａ，５Ｂの周波数特性が同じであると、音源位置ＳＡがセンサ用光ファイバー５Ａ，５Ｂのいずれに対して近い位置にあるかの情報がないため、音源位置ＳＡを標定したときに標定位置が２か所求まるが、周波数特性の相違が音源位置ＳＡがセンサ用光ファイバー５Ａ，５Ｂのいずれに対して近い位置にあるかの情報となるため音源位置ＳＡを一意に標定することが可能になる。
なお、実際の構造物において、二次元平面内の位置を標定するには、２組のセンサ用光ファイバー５Ａ，５Ｂを互いに直交する向きに設置し、それぞれ対向するセンサ用光ファイバー５Ａ，５Ｂ間で音源位置をそれぞれ標定すればよい。
【００６７】
第３実施形態
上述した第１の実施形態では、シュミットハンマーを用いて被検査対象物に指向性をもつ二次ＡＥとしてのラム波を鋼板に励起させた場合について説明した。
本実施形態では、シュミットハンマー等の機械的衝撃ではなく、パルスＹＡＧレーザで指向性をもつ超音波を被検査対象物に励起させ、この超音波を検出する方法について説明する。
【００６８】
図１９は、本実施形態に係る超音波の励起方法および検出方法を説明するための図である。
図１９に示すように、まず、上述した第１の実施形態に係る弾性波検出装置１のセンサ用光ファイバ５を巻数を１回として円形（半径５０ｍｍ）に湾曲させた状態で被検査対象物Ｗに設置する。
被検査対象物Ｗには、たとえば、厚さ５０ｍｍのアルミニウム板を用いる。
被検査対象物Ｗの表面には、シリコンオイルを塗布している。
【００６９】
上記の状態の被検査対象物Ｗの表面のセンサ用光ファイバ５で形成される円の中心位置を音源位置ＳＢとして、この音源位置ＳＢに、図示しないマルチモード光ファイバを介して、たとえば、５ｍＪのＹＡＧパルスレーザＬＹを出力する。
ＹＡＧパルスレーザＬＹを音源位置ＳＢに照射すると、シリコンオイルのブレークダウンによりレイリー波が励起される。
【００７０】
弾性波検出装置１によりレイリー波を検出した結果を図２０、図２１に示す。
図２０は検出波の波形を示すグラフであり、図２１は検出波のパワースペクトルを示すグラフである。
図２０および図２１からわかるように、弾性波検出装置１は非常に感度が高いため、１００ｋＨｚから８００ｋＨｚの周波数帯域のレイリー波が検出できるのがわかる。
【００７１】
点状の音源で励起したレイリー波は、円筒状に伝搬するので、センサ用光ファイバーを円状にすることにより高周波帯域にあるレイリー波を検出することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、光ファイバーを用いて構造物に発生するＡＥあるいは構造物に励起させたＡＥを高い検出精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。
【図２】弾性波検出装置を被検査対象物に設置した状態を示す斜視図である。
【図３】被検査対象物Ｗの表面に図２に示した鋼球Ｂを実際に落下させ、検出した二次ＡＥの波形を示すグラフである。
【図４】被検査対象物Ｗの音源位置Ｓにおいて、シャープペンシルの芯を圧折して検出したＡＥ波形を示すグラフである。
【図５】検出波を処理装置においてウェーブレット変換処理して得られたウェーブレット群速度線図である。
【図６】マイケルソン型干渉計を基本とする弾性波検出装置の構成の一例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る弾性波検出方法の手順を示すフローチャートである。
【図８】指向性の超音波を励起し、反射波を発生させる実験システムの概略構成を示す斜視図である。
【図９】鋼板ＰＬに励起したラム波の伝搬経路を説明するための図である。
【図１０】弾性波検出装置の検出した検出波形を示すグラフである。
【図１１】ＡＥセンサの検出した検出波形を示すグラフである。
【図１２】音源位置の標定のためのセンサ用光ファイバの被検査対象物に対する設置方法を示す図である。
【図１３】被検査対象物における音源位置を示す図である。
【図１４】（ａ）は音源位置ＡにおいてＡＥを発生させたときの検出波形を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の検出波形をウェーブレット変換したときのウェーブレットの経時変化を示すグラフである。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る弾性波検出装置の構成を示す図である。
【図１６】２本のセンサ用光ファイバの断面構造を示す図である。
【図１７】（ａ）はＰＶＣをコーティングしたセンサ用光ファイバのＡＥの検出波形を示すグラフであり、（ｂ）は（ａ）の検出波のパワースペクトルを示すグラフであり、（ｃ）はＰＭＭＡをコーティングしたセンサ用光ファイバのＡＥの検出波形を示すグラフであり、（ｄ）は（ｃ）の検出波のパワースペクトルを示すグラフである。
【図１８】標定結果を示すグラフである。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る超音波の励起方法および検出方法を説明するための図である。
【図２０】弾性波検出装置により検出したレイリー波の波形を示すグラフである。
【図２１】弾性波検出装置により検出した検出波のパワースペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
１，３００…弾性波検出装置
２…光源
３…偏波器
４…スプリッタ
５…参照光用光ファイバ
６…センサ用光ファイバ
７…結合器
８…光検出器
９…処理装置
【図１】
2004117041.tif 000003
【図２】
2004117041.tif 000004
【図３】
2004117041.tif 000005
【図４】
2004117041.tif 000006
【図５】
2004117041.tif 000007
【図６】
2004117041.tif 000008
【図７】
2004117041.tif 000009
【図８】
2004117041.tif 000010
【図９】
2004117041.tif 000011
【図１０】
2004117041.tif 000012
【図１１】
2004117041.tif 000013
【図１２】
2004117041.tif 000014
【図１３】
2004117041.tif 000015
【図１４】
2004117041.tif 000016
【図１５】
2004117041.tif 000017
【図１６】
2004117041.tif 000018
【図１７】
2004117041.tif 000019
【図１８】
2004117041.tif 000020
【図１９】
2004117041.tif 000021
【図２０】
2004117041.tif 000022
【図２１】
2004117041.tif 000023