(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート表面を打撃手段により打撃して振動を生じさせ、この打撃位置から離れた位置に配置したマイクロホンにより、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取して電気信号に変換し、この信号を解析するコンクリート健全度判定方法であって、打撃入力値の時間変化が既知となるハンマーを用いて打撃を行い、この打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とを解析することによりコンクリート健全度を判定する方法において、
前記ハンマーは、加速度計を内蔵したインパルスハンマーであり、
前記打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とによる解析が、打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）、打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）、打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの間の伝達関数の重心（周波数重心）の組み合わせをパラメーターとして行なわれ、
振幅比をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た振幅比が、他の個所に比して大きい場合には、その個所が、全体の構造から剥離しかけている個所、又は部材寸法が他と比較して不足している個所であると判定される構成であり、
実効値比をパラメーターとする解析が、該実効値比から減衰を導出し、被判定物であるコンクリートのある個所で得た減衰が、他の個所に比して小さく振動が継続する場合には、その個所が、密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在する個所、逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されている個所、又はひび割れなどに囲まれている個所であると判定される構成であり、
周波数重心をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た周波数重心が、他の個所に比して低周波数側にある場合には、その個所が、コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、又はひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所であると判定される構成である、
ことを特徴とするコンクリート健全度判定方法。
【請求項２】
コンクリート表面を打撃手段により打撃して振動を生じさせ、この打撃位置から離れた位置に配置したマイクロホンにより、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取して電気信号に変換し、この信号を解析するコンクリート健全度判定装置で
あって、打撃入力値の時間変化が既知となるハンマーを用いて打撃を行い、この打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とを解析することによりコンクリート健全度を判定する装置において、
前記ハンマーは、加速度計を内蔵したインパルスハンマーであり、
前記打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とによる解析が、打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）、打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）、打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの間の伝達関数の重心（周波数重心）の組み合わせをパラメーターとして行なわれ、
振幅比をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た振幅比が、他の個所に比して大きい場合には、その個所が、全体の構造から剥離しかけている個所、又は部材寸法が他と比較して不足している個所であると判定される構成であり、
実効値比をパラメーターとする解析が、該実効値比から減衰を導出し、被判定物であるコンクリートのある個所で得た減衰が、他の個所に比して小さく振動が継続する場合には、その個所が、密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在する個所、逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されている個所、又はひび割れなどに囲まれている個所であると判定される構成であり、
周波数重心をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た周波数重心が、他の個所に比して低周波数側にある場合には、その個所が、コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、又はひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所であると判定される構成である、
ことを特徴とするコンクリート健全度判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート健全度判定方法及び装置に関し、更に詳しくは、トンネルなどのコンクリート構造物の内部に発生している亀裂や空隙などの存在を外部からの非破壊検査で判定するのに利用される方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、コンクリートの健全度の判定は、検査者が自ら叩くハンマーの打撃音を聴き取り亀裂や空隙の存在を判定する方法で行われていた。
【０００３】
特公平４−１０９８７号公報は、ハンマー打撃を機械により行うと共に打撃音の採取をマイクロホンで行う装置を開示している。この装置においては、打撃音は、ハンマー打撃によって発生する打撃部分の振動を空気振動（音）を介して採取される方式であり、ハンマー打撃部からコンクリート内部を一定の距離で伝播し、コンクリート内部の状態により変形された伝播振動をピックアップするものではない。
【０００４】
特許第３００９５４３号公報は、コンクリート表面を打撃して、該打撃音を解析する解析部による解析によりコンクリートの健全度を判定する方法において、打撃点から離れた位置に受音手段を配置してあり、該受音手段は、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取するマイクロホンと、該マイクロホンが内装されるものであり、受音方向が開放されており略半球形のフード部材で構成される遮音部材とで構成されており、コンクリート自体を伝播した伝播打撃音を、前記遮音部材をコンクリート表面に近接ないし密接させた前記受音手段が空気振動として採取し、前記解析部により解析することを特徴とするコンクリート健全度判定方法、並びに、コンクリート表面を打撃して、該打撃音を解析することによりコンクリートの健全度を判定する装置において、コンクリートを打撃する打撃手段と、この打撃手段から離れた位置に配置する受音手段と、採取した伝播打撃音を解析する解析部から成り、該受音手段は、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取するマイクロホンと、該マイクロホンが内装されるものであり、受音方向が開放されており略半球形状のフード部材で構成される遮音部材で構成されることを特徴とするコンクリート健全度判定装置、を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自ら叩いたハンマー打撃音を直に耳で聴取してコンクリートの健全度を判定する古典的な方法は、現在に至るまで依然として行われているが、この方法で判定を行うには熟練を要し、また、判定精度にもバラツキがあり、更に、判定に時間がかかるという難点もある。
【０００６】
ハンマー打撃を機械的に行い、打撃部分の振動を空気振動としてマイクロホンで採取して行う前記した特公平４−１０９８７号公報に記載の装置では、打撃部分に発生する被検査物の振動を検出するので、汚れの付着など打撃部分の表面の状態や、近傍に骨材などが存在する場合に、判定結果にバラツキが生じ易く、同一個所での多数回の打撃検査が必要であり能率の点に問題がある。
【０００７】
前記した特許第３００９５４３号公報に示されているコンクリート健全度判定方法及び装置は、上記した諸方法及び装置の難点を克服するものであるが、更に研究を続けると次のような改良の余地のあることが判明した。即ち、この方法ないし装置では、打撃用のハンマーとして、（Ａ）打診に用いられている一般的なハンマー、（Ｂ）前記特公平４−１０９８７号公報記載の球形ヘッドを有するハンマー、（Ｃ）略一定の打撃エネルギーとなるように人手でなく機械的に打撃を行うハンマー、を用いることが示されている。研究によると、（Ａ）及び（Ｂ）のハンマーによる打撃では、打撃する位置による制約は避けられるが、ハンマー打撃に強弱の差があるので打撃エネルギーが一定せず、出力である打撃音との相関が不明確となり、判定結果にバラツキが発生し易いとの知見が得られた。
【０００８】
また、（Ｃ）のハンマーは、装置が大掛かりとなり、小型化の要請に答えることができないだけでなく、打撃位置によっては利用が制約を受けることが判明した。
【０００９】
上記から明らかなように、本発明は、前記特許第特許第３００９５４３号公報に示されているコンクリート健全度判定方法及び装置に利用される打撃手段に、上記した観点から改良を加えることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は下記構成を有する。
１．コンクリート表面を打撃手段により打撃して振動を生じさせ、この打撃位置から離れた位置に配置したマイクロホンにより、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取して電気信号に変換し、この信号を解析するコンクリート健全度判定方法であって、打撃入力値の時間変化が既知となるハンマーを用いて打撃を行い、この打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とを解析することによりコンクリート健全度を判定する方法において、
前記ハンマーは、加速度計を内蔵したインパルスハンマーであり、
前記打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とによる解析が、打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）、打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）、打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの間の伝達関数の重心（周波数重心）の組み合わせをパラメーターとして行なわれ、
振幅比をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た振幅比が、他の個所に比して大きい場合には、その個所が、全体の構造から剥離しかけている個所、又は部材寸法が他と比較して不足している個所であると判定される構成であり、
実効値比をパラメーターとする解析が、該実効値比から減衰を導出し、被判定物であるコンクリートのある個所で得た減衰が、他の個所に比して小さく振動が継続する場合には、その個所が、密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在する個所、逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されている個所、又はひび割れなどに囲まれている個所であると判定される構成であり、
周波数重心をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た周波数重心が、他の個所に比して低周波数側にある場合には、その個所が、コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、又はひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所であると判定される構成である、
ことを特徴とするコンクリート健全度判定方法。
２．コンクリート表面を打撃手段により打撃して振動を生じさせ、この打撃位置から離れた位置に配置したマイクロホンにより、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取して電気信号に変換し、この信号を解析するコンクリート健全度判定装置であって、打撃入力値の時間変化が既知となるハンマーを用いて打撃を行い、この打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とを解析することによりコンクリート健全度を判定する装置において、
前記ハンマーは、加速度計を内蔵したインパルスハンマーであり、
前記打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とによる解析が、打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）、打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）、打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの間の伝達関数の重心（周波数重心）の組み合わせをパラメーターとして行なわれ、
振幅比をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た振幅比が、他の個所に比して大きい場合には、その個所が、全体の構造から剥離しかけている個所、又は部材寸法が他と比較して不足している個所であると判定される構成であり、
実効値比をパラメーターとする解析が、該実効値比から減衰を導出し、被判定物であるコンクリートのある個所で得た減衰が、他の個所に比して小さく振動が継続する場合には、その個所が、密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在する個所、逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されている個所、又はひび割れなどに囲まれている個所であると判定される構成であり、
周波数重心をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た周波数重心が、他の個所に比して低周波数側にある場合には、その個所が、コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、又はひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所であると判定される構成である、
ことを特徴とするコンクリート健全度判定装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るコンクリート健全度判定方法を行う装置の概略図で示したものであり、これによりコンクリートの健全度は次のように判定される。
【００１２】
判定を行おうとするコンクリート構造物１０の表面に、フード２１付きのマイクロホン２０を配置した状態で、マイクロホン２０の配置位置から任意の距離だけ離れたコンクリート構造物１０の表面に打撃手段３０により打撃を加える。この打撃により生じた振動は、コンクリート内部を伝播してマイクロホン２０の位置に伝わり、その上面の空気を振動させる。この空気振動は音としてマイクロホン２０によってピックアップされて電気信号に変換され、ケーブル２２を通じてパソコン４０に入力される。パソコン４０には後述する計算式に従って、各種の演算（解析）を行う演算部、記録部、表示部などが備えられている。
【００１３】
マイクロホン２０は、前述したように、打撃によりその周囲に直接生じる空気振動（音）を直接ピックアップするのではなく、コンクリート中を伝播した振動によりマイクロホン２０の配置位置に発生する空気振動（音）をピックアップするものである。このため、打撃によりその周囲に直接生じる空気振動（音）や周囲の雑音をピックアップしないように、フード２１により周囲が囲まれ遮音されていることが好ましい。
【００１４】
本発明の特徴の一つは、打撃手段３０として加速度計を内蔵したインパルスハンマーを利用する点にある。インパルスハンマーを利用することにより、装置全体を小型化することができるだけでなく、人力によりハンマー打撃を行うことが可能となり、また、インパルスハンマー入力値及び打撃音出力値間の振幅比、実効値比、伝達関数の重心（周波数重心）を求めることができ、これにより、打撃エネルギーが既知量となり、また、打撃入力の周波数特性が明らかとなり、コンクリート構造物内部の状態をより正確に判定することが可能となる。
【００１５】
利用できるインパルスハンマーとしては、打撃力を電圧などで出力できる構成を有するハンマーで、対象とする構造物によってハンマーの大きさ（打撃力）を変えることができるものであれば、いずれのものも用いることができる。
【００１６】
本発明の次なる特徴は、打撃入力値と打撃音出力値を用いた解析を行う点にある。具体的には、Ａ：打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）をパラメータとして用いることにより、大振幅の振動が生じ易い個所をより正確に判定できるようにする。Ｂ：打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）をパラメータとすることにより、残響の大きな振動が生じ易い個所をより正確に判定できるようにする。Ｃ：打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの伝達龍関の中心（周波数重心）を計算することにより、構造物や部材の周波数特性を評価できるようにする。その詳細は後述する。
【００１７】
本発明の理解のために、打撃検査における振動、振動の伝播、音について説明する。
【００１８】
人が耳で感じられる音とは、通常２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数の空気振動である。この空気振動が耳の鼓膜を振動させると音として感知されるが、本発明が対象とするコンクリート健全度判定における打音法は、測定対象であるコンクリート構造物の表面を打撃したときに生じる空気振動を音響機器により測定しようとするものである。打撃により生じる打撃音は、その構造物の表面振動と非常に強い相関があり、これによって対象構造物の物性値や形状、欠陥の有無など種々の特徴が把握できる。
【００１９】
ここで注意すべき点は、打撃時に生じる音の全てが重要なのではないことである。その理由を説明するために、打撃物（ハンマーなど）と被打撃物（コンクリート構造物）が衝突するときに発生する衝突音についてやや詳細に考えるとすれば、打撃音を大きく以下のように二つに分けることができる。
【００２０】
▲１▼打撃物と被打撃物の接触による接触面の変形により発生する音
▲２▼変形により発生した弾性波の伝播によって打撃物及び被打撃物の各部から発生する音
図２−Ａに示すように、上記▲１▼の打撃物の接触により発生する音は、被打撃物の局部的な性状を表わしており、▲２▼の伝播によって生じる音は、図２−Ｂに示すように、弾性波によって励起された部材の固有周波数など、対象物の全体の平均的な性状を示していると考えられる。
【００２１】
コンクリートがモルタルと粗骨材という不均質材料で構成されていることを考えると、局部的な発生音はバラツキがより大きいものと思われるので、打撃音として測定されるべきものとしては、上記▲２▼の伝播した振動による音より構造物の各部からの放射音の方が適当であると考えられる。逆にそれ以外の音はできるだけ採取しないようにすることが望ましいと考えられる。
【００２２】
打撃音のような過渡的な音を表わす基本的な特性としては、振動・周波数・減衰・位相などが挙げられる。ここで、コンクリート構造物のような長大な構造物を対象とすることを考えると、膨大な測定結果を個々に波形分析することは困難であり、また、境界条件などが明確でないことが多いために振動理論などを用いての分析が行いにくい場合が多い。そこで、得られる打撃音を簡単なパラメータに置き換えて、パラメータの面的な分布や時間変化を評価する方法が有効であると考えられる。そこで、上記の特性の内、振幅・周波数・減衰に焦点を絞り、以下に示すような振幅比・実効値比・周波数重心の三つのパラメータを考える。尚、この方法では、打撃は人力で行うが、上記したように加速度計を内蔵したインパルスハンマーを使用する。
【００２３】
これは、打撃毎の打撃エネルギーを測定して、この違いによる影響を取り除いたパラメータとするためである。
【００２４】
先ず、図３に従って、振幅比（Ａｍ／Ａｉ）を説明する。
打撃音最大振幅値（Ａｍ）をインパルスハンマー加力振幅最大値（Ａｉ）で除した値で、振動の大きさを示すパラメータである。尚、インパルスハンマーは加力値或いは加速度、打撃音は音圧とそれぞれ較正係数を乗じて物理量に変換する必要があり、本来は、振幅比や下記の実効値比は単位打撃力当たりの出力音圧（単位Ｐａ／Ｎ）などで示されるべきものであるが、図３に示す値は、測定装置からの電圧出力値での比較になっている
【００２５】
図４に従って、実効値比（Ｒｍ／Ｒｉ）を説明する。
一定時間における打撃音実効値（Ｒｍ）を、インパルスハンマー加力実効値で除した値で、振動の大きさ及び減衰の大きさを示すパラメータである。
実効値の計算は、次式（２．１）による。
【００２６】
【数１】
0004456723.tif 000002
【００２７】
ここで、R:実効値、ａ：振幅、ｔ１、ｔ２：実効値を算定する開始時刻及び終了時刻を表わす。
【００２８】
図５に従って、周波数重心（Ｆ）を説明する。
【００２９】
測定範囲の周波数スペクトルの重心（Ｆ）を計算したもので、音色の高低を示すパラメータである。ここでは、入力であるインパルスハンマーの周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトル間の伝達関数の重心を求める。伝達関数とは、入出力間の中間媒体の周波数特性を示すもので、ここでは覆工コンクリート（＋コンクリート〜マイクロホン間の空気層）の周波数特性を示す。
【００３０】
周波数重心の算定は次式（２．２）による。
【００３１】
【数２】
0004456723.tif 000003
【００３２】
ここで、Ｆ：周波数重心、Ａ：周波数振幅、ｆ：周波数を表わす。
【００３３】
次に、打撃音パラメータと覆工コンクリートの欠陥との関係を説明する。打撃音の内、振幅比・実効値比・周波数重心の三つのパラメータが変化するような因子をトンネル覆工コンクリートの種々の状態との関連について考える。実際のトンネル覆工は内部や背面状態が様々で複雑な構造を持っていることは明らかであるが、簡単にするために１質点系モデルにおける自由振動を例にとって考える。１質点系モデルにおいて衝撃力Ｐが作用した後の自由振動は次式２．３で表わすことができる。
【００３４】
【数３】
0004456723.tif 000004
【００３５】
ここで、Ｍ：質量、Ｃ：減衰係数、Ｋ：バネ定数、ｕ：変位、
【００３６】
【数４】
0004456723.tif 000005
【００３７】
を示す。
（１）振幅比と欠陥との関係
打撃音の振幅がコンクリート構造物の表面の加速度と強い関連があることが考えられるので、式（２．３）を変形して、次式（２．４）とすれば、質点の質量
【００３８】
【数５】
0004456723.tif 000006
【００３９】
が加速度的に大きな影響を及ぼすことがわかる。構造物の状態として、被打撃点の質量が関係するような欠陥や劣化現象としては、
ａ．全体の構造から剥離しかけているような個所、
ｂ．部材寸法が他と比較して不足するよう個所、
などが考えられる。従って、構造上一定の形状であると判断される位置で、他の個所と比較して振幅比の大きな個所があるとすれば、上記のような欠陥が存在する可能性が高いと考えられる。
【００４０】
（２）実効値比と欠陥の関係
実効値に関しては、前述のように波の減衰特性の指標として判断する。式（２．３）で減衰係数Cがゼロであれば、打撃を与えた構造物は永久に振動し続ける。然し、実際には空気などに接触しているための粘性減衰、振動が繰り返される間に内部で熱が発生することによる履歴減衰、振動する系に摩擦などが生じる摩擦減衰、振動中にエネルギーの一部が逸散する逸散減衰などが生じる。特に、逸散減衰に着目して、打撃点付近の減衰特性が関係するような欠陥や劣化現象を考えると、
ａ．密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在するような個所、
ｂ．逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されているるような個所、
ｃ．ひび割れなどに囲まれている個所、
などが考えられる。構造物の用途や形状によるが、一般的には減衰が小さく振動が継続するような個所は欠陥が存在する可能性が高いと考えられる。
【００４１】
（３）周波数重心と欠陥との関係
１質点系モデルでは、モデルの固有周波数ｆは、次式（２．５）で計算される。
【００４２】
【数６】
0004456723.tif 000007
【００４３】
従って、バネ定数Ｋが小さいほど周波数の低い値が得られる。構造物において、バネ定数に関係する欠陥や劣化現象を考えると、
ａ．コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、
ｂ．部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、
ｃ．ひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所、
などが考えられ、周波数重心が低周波数側にあるような個所では欠陥が存在する可能性が高いと考えられる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、誰が利用してもコンクリートの健全度を精度よく判定することができ、また、装置を小型化できるので、利用できる場所に制約がなく、頭記した課題が解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る装置の概念図
【図２】打撃音を示す概念図
【図３】振幅比の説明図
【図４】実効値比の説明図
【図５】周波数重心の説明図
【符号の説明】
１０−コンクリート構造物
２０−マイクロホン
２１−フード
２２−ケーブル
３０−打撃手段
４０−パソコン
【図１】
0004456723.tif 000008
【図２】
0004456723.tif 000009
【図３】
0004456723.tif 000010
【図４】
0004456723.tif 000011
【図５】
0004456723.tif 000012