(57)【要約】【課題】診断対象である壁面に適したマザーウェッブレットを用いてウェーブレット変換解析を行うことにより、壁面剥離の有無を正確に診断できるようにする。【解決手段】壁面２０の剥離の有無を診断するために、当該壁面２０に接触体１２を押し付けながら移動させた際に発生する音をマイクロフォン１４で測定し、信号処理部１６により、その測定信号にウェーブレット変換演算を施す。信号処理部１６は、壁面２０の適宜な部分についての測定信号を基準信号として取得し、この基準信号に基づいてマザーウェーブレットを作成するマザーウェーブレット作成部３４と、壁面２０の診断対象部分についての測定信号に対して、作成されたマザーウェーブレットを用いてウェーブレット変換演算を施すウェーブレット変換部３６と、この演算結果を出力する出力部３８とを有する。【選択図】      図１
2004205385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁面の剥離の有無を診断するために、接触体を当該壁面に接触させながら移動させた際に発生する音を測定し、その測定信号に対してウェーブレット変換演算を行う方法であって、
前記壁面の適宜な部分についての前記測定信号を基準信号として取得するステップと、
該取得した基準信号に基づいてマザーウェーブレットを作成するステップと、
前記壁面の診断対象部分についての前記測定信号を取得するステップと、
該取得した測定信号に対して、前記作成したマザーウェーブレットを用いてウェーブレット変換演算を行うステップと、を含むことを特徴とする壁面剥離診断のためのウェーブレット変換方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記ウェーブレット変換演算の結果を出力するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法において、前記ウェーブレット変換演算の結果に基づいて壁面剥離の有無を判定するステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうち何れか１項記載の方法において、前記マザーウェーブレットを作成するステップでは、前記基準信号から波形発生点および波形終了点を決定し、それら波形発生点および波形終了点の間での前記基準信号の波形に基づいて点対称な波形を作成し、該作成した波形をそのノルムで割ることにより正規化した波形をマザーウェーブレットとすることを特徴とする方法。
【請求項５】
壁面に接触体を接触させながら当該接触体を移動させた際に発生する音の測定信号に基づいて当該壁面の剥離の有無を診断するために用いられる装置であって、
前記壁面の適宜な部分についての前記測定信号を基準信号として取得する手段と、
該取得した基準信号に基づいてマザーウェーブレットを作成する手段と、
前記壁面の被診断部分についての前記測定信号を取得する手段と、
該取得した測定信号に対して、前記作成したマザーウェーブレットを用いて、ウェーブレット変換計算を行う手段と、を備えることを特徴とする壁面剥離診断用装置。
【請求項６】
請求項５記載の装置において、前記ウェーブレット変換演算の結果を出力する手段を更に備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の装置において、前記ウェーブレット変換演算の結果に基づいて壁面剥離の有無を判定する手段を更に備えることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、壁面剥離の診断を行うためのウェーブレット変換方法およびウェーブレット変換を用いた壁面剥離診断用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、タイルやコンクリートなどの壁面の剥離状態の診断は、作業員がゴンドラや足場などを利用して検査場所へ行き、壁面をハンマー等で打撃した際の打撃音を聞き分けて判定することにより行うのが一般的である。すなわち、健全な壁面と剥離が生じた壁面とでは、打撃に対する振動応答が異なることから、その差異を作業員が感知して剥離の有無を診断するのである。このため、診断結果は作業員の勘や技能に左右されやすく、必ずしも高い精度で剥離の有無を診断することはできない。
【０００３】
これに対して、例えば特許文献１および２には、壁面の打撃音をマイクロフォンで採取し、これを信号処理することにより剥離状態を自動的に診断する技術が開示されている。しかし、壁面を打撃する方法では、打撃点が離散的にならざるを得ないため、打撃点の間に生じた剥離を見逃してしまうおそれがある。一方、特許文献３には、壁部のタイルに回転体または鋼球を押し付けた状態で、この回転体または鋼球をタイル表面に沿って移動させた際の発生音をマイクで集音し、集音信号に基づいて剥離診断を行うことが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３１２８８号公報
【０００５】
【特許文献２】
特許第２９１５７０４号公報
【０００６】
【特許文献３】
特許第２９６５７６２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献３には、マイクで集音された連続的な信号をどのように処理して剥離を診断するのか明らかにされていない。一方、特許文献１には、信号をウェーブレット変換により、周波数帯域毎の時系列信号を求め、その信号と基準値との比較に基づいて剥離の診断を行うことが記載されている。ウェーブレット変換は周波数分布を時系列的に計算する手法であり、特許文献３のように連続的に得られた信号の周波数解析を行うのに適している。このウェーブレット変換によって正確に剥離の有無を診断するには、ウェーブレット変換の際に用いる基底関数（マザーウェーブレット）を適切に選択することが必要である。ところが、特許文献１には、測定波形や観測したい現象に合わせて適切なマザーウェーブレットを選択する旨が記載されている（特許文献１の段落００７８〜００８１、図４等参照）に過ぎず、具体的にどのような基準でマザーウェーブレットを選択すべきであるのか全く明らかにされていない。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、診断対象である壁面に適したマザーウェッブレットを用いてウェーブレット変換解析を行うことにより、壁面剥離の有無を正確に診断できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、壁面の剥離の有無を診断するために、接触体を当該壁面に接触させながら移動させた際に発生する音を測定し、その測定信号にウェーブレット変換演算を行う方法であって、
前記壁面の適宜な部分についての前記測定信号を基準信号として取得するステップと、
該取得した基準信号に基づいてマザーウェーブレットを作成するステップと、
前記壁面の診断対象部分についての前記測定信号を取得するステップと、
該取得した測定信号に対して、前記作成したマザーウェーブレットを用いてウェーブレット変換演算を行うステップと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、診断対象である壁面から得られた測定信号を基準信号としてマザーウェーブレットを作成する。このため、ウェーブレット変換が施される測定信号とほぼ同じ周波数帯域を有するマザーウェーブレットを用いることが可能となり、測定信号の周波数分布の時間的な変化を、広い周波数範囲に亘り適切に抽出することができる。したがって、かかるウェーブレット変換の結果に基づいて、壁面の剥離の有無を正確に判断することが可能となる。
【００１１】
また、本発明において、前記ウェーブレット変換演算の結果を出力するステップを更に含むこととしてもよく、また、前記ウェーブレット変換演算の結果に基づいて壁面剥離の有無を判定するステップを更に含むこととしてもよい。
【００１２】
また、前記マザーウェーブレットを作成するステップでは、前記基準信号から波形発生点および波形終了点を決定し、それら波形発生点および波形終了点の間での前記基準信号の波形に基づいて点対称な波形を作成し、該作成した波形をそのノルムで割ることにより正規化した波形をマザーウェーブレットとすることとしてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態であるシステムの全体構成図である。同図に示すように、本実施形態のシステムは、支持棒１０の先端に取り付けられた、例えば鋼球よりなる接触体１２と、この接触体１２の近傍に設置されたマイクロフォン１４と、このマイクロフォン１４からの出力信号を処理する信号処理部１６とを備えている。
【００１４】
壁面の剥離診断を行う場合、作業員が支持棒１０をつかんで接触体１２を診断対象である壁面２０に押し付けながら壁面２０の表面に沿って移動させる。ただし、壁面２０への押し付け力を一定に保ちながら接触体１２を移動させる自動機構を設けてもよい。また、接触体１２である鋼球を支持棒１０に回転自在に支持して壁面２０の表面上を転がすようにしてもよく、また、接触体１２として支持棒１０に回転可能に支持された車輪状の部材を用いてもよい。
【００１５】
マイクロフォン１４は、上記のように接触体１２が壁面２０に押し付けられながら移動するのに伴って発生する音を集音し、その音に応じた電気信号を測定信号として信号処理部１６へ出力する。
【００１６】
図１に示すように、信号処理部１６は、増幅部３０、Ａ／Ｄ変換部３２、マザーウェーブレット作成部３４、ウェーブレット変換部３６、出力部３８などにより構成されている。
【００１７】
増幅部３０はマイクロフォン１４から出力された測定信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換部３２は、この増幅信号をデジタル化してマザーウェーブレット作成部３４およびウェーブレット変換部３６へ供給する。マザーウェーブレット作成部３４は、デジタル化された測定信号に基づいて、ウェーブレット変換部３６がウェーブレット変換演算を行う際に用いるマザーウェーブレットを作成する。ウェーブレット変換部３６は、マザーウェーブレット作成部３４により作成されたマザーウェーブレットを用いて、診断対象である壁面２０についての測定信号に対してウェーブレット変換計算を行う。出力部３８は、このウェーブレット変換計算の結果をディスプレイ上に表示し、あるいは、プリンタに印刷出力する。
【００１８】
なお、マザーウェーブレット作成部３４およびウェーブレット変換部３６は、夫々、コンピュータがプログラムを実行することによりソフトウェア的に実装されてもよいし、あるいは、専用のハードウェア回路により実現されていてもよい。
【００１９】
以下、マザーウェーブレット作成部３４によるマザーウェーブレットの作成処理の内容について説明する。
【００２０】
マザーウェーブレット作成部３４は、診断対象である壁面２０の適宜な部分において接触体１２を移動させた場合のマイクロフォン１４の測定信号を、マザーウェーブレット作成の基となる信号（以下、基準信号という）として取得し、この基準信号に基づいてマザーウェーブレットを作成する。
【００２１】
図２は、基準信号からマザーウェーブレットを作成する処理の概略を示すフローチャートである。同図に示すように、マザーウェーブレットの作成処理は、概略、▲１▼基準信号について波形発生点の検出、▲２▼自己相関による波形終了点の検出、▲３▼開始点・終了点間の波形の並べ替え・反転等、および▲４▼波形の正規化という手順で行われる
▲１▼基準信号について波形発生点の検出
例えば、基準信号が図３のように得られたとする。なお、同図中においてＡ／Ｄ変換部３２によるサンプリング点（以下、データ点という）を黒丸で示している。先ず、このような基準信号の絶対値をとり、絶対値が最大となる点（絶対値最大点Ｐ）を特定する（図４を参照）。次に、元の基準信号において、絶対値最大点Ｐから時間軸をさかのぼって初めて符号が変化するデータ点（図３、図４における点Ｑ）を波形発生点とし、この波形発生点以前のデータ点の値を全て０とする（図５を参照）。
【００２２】
▲２▼自己相関に基づく波形終了点の検出
先ず、波形発生点以前の値を０とした基準信号について自己相関係数を計算する。図６に自己相関係数の計算結果例を示す。この図からもわかるように、基準信号についての自己相関係数は値の変化が激しい。そこで、自己相関係数の平滑化処理を行う。平滑化処理としては、例えば、連続する複数のデータ点のうちの最大点を代表値とするなどの処理を行う。図７は、図６に示す自己相関係数を平滑化した結果を示す。なお、図７では、平滑化の際のデータ点数を４点、１０点、および２０点とした場合の結果を示している。
【００２３】
次に、上記のように平滑化した自己相関係数が所定の閾値以下となる最初のデータ点に基づいて波形終了点を定める。上記図７に示す例では、例えば、平滑化点数を２０点とした場合、閾値を０．２とすると自己相関係数は点Ｒ１で初めて閾値を下回り、また、閾値を０．１とすると自己相関係数は点Ｒ２で始めて閾値を下回っている。このように閾値を初めて下回る点の横軸座標をｘ（図７の例で、平均点数を２０、閾値を０．２とした場合の点Ｒ１であれば「１９」）として、基準信号の時間波形の最初からｘ番目のデータ点を波形終了点とする。
【００２４】
▲３▼開始点・終了点間の波形の並べ替え・反転等
基準信号を上記▲１▼および▲２▼で夫々検出した波形発生点および波形終了点の間で切り出し、この切り出した信号波形（以下、採用波形という）を基にマザーウェーブレットを作成する。
【００２５】
一般にウェーブレット解析に用いるマザーウェーブレットΨ(x)は一般に次のアドミッシブル条件を満足しなければならない。
【数１】
2004205385.tif 000003
【００２６】
そこで、このアドミッシブル条件が満足されるように採用波形を以下の(i)，(ii)の処理により左右対称な波形にする。
(i)採用信号のデータを時間的な順序が逆になるように並べ替えたうえで符号を反転させる。すなわち、採用波形の各データ点が
Ｓ（ｔi）＝ａi  （ｉ＝１，・・・，Ｎ，Ｎはデータ点数）
と表されるとすると、
2004205385.tif 000004
となる波形Ｔを作成する。図８に、上記図３に示す基準信号についての採用波形Ｓを、また、図９に、この採用波形Ｓに対する波形Ｔを示す。
【００２７】
(ii)上記(i)で得られた波形Ｔの後に元の採用波形Ｓを結合して波形Ｕを得る。すなわち、
2004205385.tif 000005
図１０は、図８および図９に夫々示す波形Ｓ，Ｔから得られた波形Ｕを示す。
【００２８】
なお、波形Ｔの最後のデータ点Ｔ（ｔN）＝−ａ1と、波形Ｓの最初のデータ点Ｓ（ｔ1）＝ａ1の値は共に「０」であるから、これらを共通のデータ点としており、そのため、全データ点数は２・Ｎではなく（２・Ｎ−１）となっている。
【００２９】
▲４▼波形の正規化
上記▲３▼で作成した波形Ｕを正規化する。すなわち、先ず、式
【数２】
2004205385.tif 000006
により波形Ｕのノルムを計算する。
【００３０】
そして、波形Ｕをこのノルムで割って正規化することでマザーウェーブレットΨが完成する。すなわち、
【数３】
2004205385.tif 000007
【００３１】
図１１〜図１３は、３種類の壁面で採取された基準信号に基づいて作成されたマザーウェーブレットΨの波形の例を示す。なお、各図において（ａ）は上記手順▲２▼において波形終了点を決定する際の閾値を０．１とした場合、（ｂ）は同閾値を０．２とした場合の例を夫々示している。
【００３２】
次に、以上のようにして作成されたマザーウェーブレットΨを用いてウェーブレット変換部３６が行うウェーブレット変換計算処理の内容について説明する。
【００３３】
ウェーブレット変換は
【数４】
2004205385.tif 000008
で定義される。
【００３４】
ここで、ｆ（ｔ）は解析される信号（解析信号）である。左辺の（ＷΨｆ）は、ウェーブレット係数と呼ばれ、マザーウェーブレットΨ（（ｘ−ｂ）／ａ）と解析信号ｆ（ｘ）との類似の度合いを示す指標を与える係数である。一方、右辺のパラメータａは周波数の局所化を行うためのスケーリングパラメータである。このスケーリングパラメータａはマザーウェーブレットの時間方向の伸縮度合いを表すものであってマザーウェーブレットの周波数を定める。また、パラメータｂは時間の局所化をおこなうためのトランスパラメータである。周波数および時間に夫々対応するこれらのパラメータａおよびｂの値を様々に変化させることにより、解析信号ｆ（ｘ）を時間―周波数平面上に展開することが可能となる。
【００３５】
本実施形態では、スケールパラメータａについては、０〜１００００Ｈｚの範囲を２０Ｈｚ刻みで変化させ、また、トランスパラメータｂについては、０．００５ｍｓ刻みで変化させた。
【００３６】
従前のウェーブレット変換の計算法では、２つのパラメータ（ｂ，ａ）の各組について上記式の数値積分を実行していたため、膨大な計算時間がかかっていた。これに対して、本実施形態では、以下のような手順で計算を行うことにより計算時間の短縮を図っている。
【００３７】
ウェーブレット変換の定義を表す上記式（１）は、
【数５】
2004205385.tif 000009
の関係を用いて
【数６】
2004205385.tif 000010
と表すことができる。ただし、
【数７】
2004205385.tif 000011
ｘ＝ｔ−ｂとおくと、
【数８】
2004205385.tif 000012
よって、
【数９】
2004205385.tif 000013
となる。
【００３８】
関数ｆ（ｔ）が区間［０，Ｔ0］で周期的と仮定すると、
【数１０】
2004205385.tif 000014
また、
【数１１】
2004205385.tif 000015
したがって、
【数１２】
2004205385.tif 000016
ここで、
【数１３】
2004205385.tif 000017
となる。
【００３９】
区間［０，Ｔ0］をＮ等分すると（ただし、Ｎは偶数であり、一般にはＦＦＴを考慮して２のべき乗とする）、
【数１４】
2004205385.tif 000018
解析信号ｆ(ｔ)についても離散点
【数１５】
2004205385.tif 000019
で与えられているとすると、
【数１６】
2004205385.tif 000020
したがって、
【数１７】
2004205385.tif 000021
ゆえに、
【数１８】
2004205385.tif 000022
【００４０】
上記式（４）はＦＦＴ（高速フーリエ変換）を表す式であり、上記式（５）は逆ＦＦＴを表す式である。そこで、式（４）によりａkを高速フーリエ変換により計算しておき、その後、ａをパラメータとして、式（５）のフーリエ逆変換を行うことによりウェーブレット変換計算を行う。
【００４１】
以上のように行われたウェーブレット変換計算の結果は出力部３８によりディスプレイ画面上に表示され、あるいは、プリンタに印刷出力される。
【００４２】
図１４および図１５は、出力部３６によるウェーブレット変換計算結果の出力の例を示すものであり、図１４は、剥離タイルを測定して得られた基準信号に基づき作成したマザーウェーブレットを用いた結果を、図１５は、健全タイルを測定して得られた基準信号に基づき作成したマザーウェーブレットを用いた結果を、夫々示している、また、図１６は、従来との比較のため、マザーウェーブレットとして一般的なＧａｂｏｒ関数を用いた場合の解析結果を示す。なお、図１４〜図１６の各図において、（ａ）は測定信号の時間波形を、また、（ｂ）はウェーブレット変換結果を示す。各図（ｂ）のウェーブレット変換結果において、横軸は時間（（４）式におけるＴ0／Ｎ（＝ｂ））を表し、縦軸は周波数（式（４）におけるａ）を表しており、色が白いほど値が大きいことを示している。なお、上述のように測定信号は接触体１２を壁面上で移動させながら採取したものであるから、各図の横軸（時間軸）は壁面の診断位置に対応することになる。図１４〜図１６の例では、時刻Ｔ１、Ｔ２に対応する位置で剥離が発生している。
【００４３】
例えば、図１４〜図１６のウェーブレット変換結果における時刻Ｔ１付近を比較すると、図１４および図１５では低周波数から高周波数の広い範囲に亘って白く表示がされている（つまり、大きな出力が得られている）のに対して、図１６では、低周波数領域で白い表示が現れている。
【００４４】
このような図１４および図１５と図１６との対比からわかるように、本実施形態におけるウェーブレット変換結果の方が、従前のように既存のマザーウェーブレットを用いた場合よりも、剥離発生位置においてより広い周波数範囲で大きな出力が得られている。これは、本実施形態では、マザーウェーブレットが、診断対象である壁面から採取した基準信号を基に作成されることにより、測定信号とほぼ同じ周波数帯域を有することとなり、測定信号の周波数成分を広い周波数範囲に亘って適切に抽出できていることによる。これに対して、従来のように既存のマザーウェーブレットを用いたのでは、その周波数特性を診断対象から得られる測定信号に合致させることが難しく、測定信号から周波数成分を適切に抽出することができないのである。
【００４５】
以上のように、本実施形態では、診断対象である壁面を測定して得られた信号を基にマザーウェーブレットを作成し、そのマザーウェーブレットを用いて同じ壁面についての測定信号をウェーブレット変換することにより、測定信号の周波数成分を広範囲に亘り抽出することができ、これにより、壁面剥離の有無をより正確に診断することが可能となる。
【００４６】
なお、上記実施形態では、ウェーブレット変換結果を画面上やプリンタに出力し、その出力結果に基づいて目視で壁面剥離の有無を判断するものとしたが、これに限らず、例えば、各時刻におけるウェーブレット変換結果の値（例えば、ある周波数範囲に亘る積分値）が所定の閾値を越えた場合に剥離有りと判断するなど、壁面剥離の有無の判断を自動的に行うようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
診断対象である壁面に適したマザーウェッブレットを用いてウェーブレット変換解析を行うことができ、これにより、壁面剥離の有無を正確に診断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である壁面剥離診断装置の構成図である。
【図２】マザーウェーブレット作成処理の概略を示すフローチャートである。
【図３】マザーウェーブレットを作成するための基準信号の一例の波形を示す図である。
【図４】基準信号の絶対値をとった結果を示す図である。
【図５】波形発生点以前のデータ点の値を全て０とした基準信号の波形を示す図である。
【図６】図５に示す基準信号の自己相関係数の計算結果を示す図である。
【図７】図６の自己相関関数を平滑化した結果を示す図である。
【図８】図３に示す基準信号についての採用波形Ｓを示す図である。
【図９】図８に示す採用波形Ｓの符号を反転し、時間的にも反転した波形Ｔを示す図である
【図１０】図８に示す波形Ｓと図９に示す波形Ｔとを結合して得た波形Ｕを示す図である。
【図１１】作成されたマザーウェーブレットの第１の例を示す図である。
【図１２】作成されたマザーウェーブレットの第２の例を示す図である。
【図１３】作成されたマザーウェーブレットの第３の例を示す図である。
【図１４】剥離タイルを測定して得られた基準信号に基づいて作成したマザーウェーブレットを用いたウェーブレット変換計算結果を示す図である。
【図１５】健全タイルを測定して得られた基準信号に基づいて作成したマザーウェーブレットを用いたウェーブレット変換計算結果を示す図である。
【図１６】従前のように既存のマザーウェーブレットを用いたウェーブレット変換計算結果を示す図である。
【符号の説明】
１２  接触体
１４  マイクロフォン
１６  信号処理部
３０  増幅部
３２  Ａ／Ｄ変換部
３４  マザーウェーブレット作成部
３６  ウェーブレット変換部
３８  出力部
【図１】
2004205385.tif 000023
【図２】
2004205385.tif 000024
【図３】
2004205385.tif 000025
【図４】
2004205385.tif 000026
【図５】
2004205385.tif 000027
【図６】
2004205385.tif 000028
【図７】
2004205385.tif 000029
【図８】
2004205385.tif 000030
【図９】
2004205385.tif 000031
【図１０】
2004205385.tif 000032
【図１１】
2004205385.tif 000033
【図１２】
2004205385.tif 000034
【図１３】
2004205385.tif 000035
【図１４】
2004205385.tif 000036
【図１５】
2004205385.tif 000037
【図１６】
2004205385.tif 000038