(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物に生じたひび割れ深さの計測方法であって，
対象試験体に試験音波を放射するステップと，
対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音するステップと，
受音した少なくとも構造物に生じたひび割れ深さの計測に必要な周波数範囲内の共鳴音波の共鳴周波数を分析するステップと，
分析した共鳴周波数からひび割れ深さを算出または推定するための情報を出力するステップとを有し，
前記試験音波を放射するステップでは，開口縁が前記対象試験体の表面に接する椀状のカバーによって，ひび割れ深さの計測対象部分が存在する内部の空間と外部の空間とを遮断し，前記カバーの外部の空間から試験音波を放射し，
前記共鳴音波を受音するステップでは，前記カバーの内部の空間においてマイクロフォンによって受音する
ことを特徴とする構造物に生じたひび割れ深さの計測方法。
【請求項２】
構造物に生じたひび割れ深さの計測方法であって，
対象試験体に圧縮空気を吹き付けるステップと，
対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音するステップと，
受音した少なくとも構造物に生じたひび割れ深さの計測に必要な周波数範囲内の共鳴音波の共鳴周波数を分析するステップと，
分析した共鳴周波数からひび割れ深さを算出または推定するための情報を出力するステップとを有し，
前記圧縮空気を吹き付けるステップでは，開口縁が前記対象試験体の表面に接する椀状のカバーによって，ひび割れ深さの計測対象部分が存在する内部の空間と外部の空間とを遮断し，前記カバーの外部の空間から圧縮空気を吹き付け，
前記共鳴音波を受音するステップでは，前記カバーの内部の空間においてマイクロフォンによって受音する
ことを特徴とする構造物に生じたひび割れ深さの計測方法。
【請求項３】
構造物に生じたひび割れ深さの計測装置であって，
対象試験体に試験音波を放射する手段と，
対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音する手段と，
受音した少なくとも構造物に生じたひび割れ深さの計測に必要な周波数範囲内の共鳴音波の共鳴周波数を分析する手段と，
分析した共鳴周波数からひび割れ深さを算出または推定するための情報を出力する手段とを備え，
前記共鳴音波を受音する手段は，
計測時に，ひび割れ深さの計測対象部分が存在する内部の空間と外部の空間とを遮断する，開口縁が前記対象試験体の表面に接する椀状のカバーと，
前記内部の空間において受音するマイクロフォンとによって構成され，
前記試験音波を放射する手段は，前記カバーの外部の空間から試験音波を放射する
ことを特徴とする構造物に生じたひび割れ深さの計測装置。
【請求項４】
構造物に生じたひび割れ深さの計測装置であって，
対象試験体に圧縮空気を吹き付ける手段と，
対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音する手段と，
受音した少なくとも構造物に生じたひび割れ深さの計測に必要な周波数範囲内の共鳴音波の共鳴周波数を分析する手段と，
分析した共鳴周波数からひび割れ深さを算出または推定するための情報を出力する手段とを備え，
前記共鳴音波を受音する手段は，
計測時に，ひび割れ深さの計測対象部分が存在する内部の空間と外部の空間とを遮断する，開口縁が前記対象試験体の表面に接する椀状のカバーと，
前記内部の空間において受音するマイクロフォンとによって構成され，
前記圧縮空気を吹き付ける手段は，前記カバーの外部の空間から圧縮空気を吹き付ける
ことを特徴とする構造物に生じたひび割れ深さの計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，建物や多くの構造物，材料に生じるひび割れの深さを音響によって非破壊計測する構造物に生じたひび割れ深さの計測方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，構造物に生じるひび割れの深さを測定するためには，超音波・弾性波加振による方法がとられていた。即ち，いくつかの発振子，受振子をコンクリートに取り付け，超音波もしくは弾性波（主に表面波）の到達時間などからクラック深さを推定していた。
【０００３】
しかし，超音波を使用したひび割れ深さの測定方法では，コンクリート内部での超音波の減衰が大きいため，厚いコンクリート等に生じたひび割れ深さの測定は困難であるという問題点がある。
【０００４】
また，弾性波を使用したひび割れ深さの測定方法では，分析周波数を低くすれば超音波による方法と比較して厚いコンクリート（深いクラック）であっても測定が可能であるが，波長が長くなるので，解析精度が低下するという問題点がある。
【０００５】
また，分析周波数を高くしてひび割れ深さを測定すれば，解析精度は向上するが，超音波の場合と同様に減衰が大きくなり，厚いコンクリートでは測定が困難となるという問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は，上記従来技術の問題点を解決し，構造物に生じた深いひび割れの深さを計測でき，かつ，解析精度の高いひび割れ深さの計測手段を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明においては，材料の音響，振動の伝搬特性からひび割れ深さを求めるのではなく，ひび割れ内部に生じる共鳴現象を利用する。
【０００８】
まず，本発明の原理となる共鳴理論について簡単に説明する。ひび割れが生じたある厚さの構造体のひび割れ内部に向けて音波を送ると，ひび割れ内部には，入射波と反射波が重ね合わさり，干渉した波が形成される。また，特定のひび割れ深さの場合に，ひび割れ内部の干渉波の強さが最大になり，強い音が発生する。これを音波の共鳴と呼ぶ。そして，共鳴しているひび割れ内部の波（定常波）の周波数（共鳴周波数）は，ひび割れの深さにより定まる。これを音響共鳴理論という。
【０００９】
ここで，ひび割れの先端が構造体の裏側に到達せず閉じていれば，図１４に示すように，閉管としての特徴が現れる。即ち，波長をλ，共鳴周波数をｆ，ひび割れ深さをＬ，音速をｃ，自然数ｎとすれば，図１４において，（ｎ−１) λ／２＋λ／４＝Ｌ式が成り立つ。ｃ＝λｆであるから，上記の式から，共鳴周波数ｆ＝｛（ｎ−１）／２＋１／４｝ｃ／Ｌとなる。
【００１０】
また，ひび割れの先端が構造体の裏側に到達していれば，図１５に示すように，開管としての特徴が現れる。即ち，波長をλ，共鳴周波数をｆ，ひび割れ深さをＬ，音速をｃ，自然数ｎとすれば，図１５において，ｎλ／２＝Ｌ式が成り立ち，共鳴周波数ｆ＝ｎｃ／２Ｌとなる。
【００１１】
図１６には，長さ１００mmの閉管，開管に対し，平面波入射条件のインピーダンスモデルにより，開口周辺の音圧とアドミッタンスを計算した例が示される。図１６によると，各条件毎に共鳴現象によるピークやディップが異なる周波数に現れるのがわかる。このように，共鳴する音の共鳴周波数はひび割れ深さで定まる。従って，共鳴周波数から逆算して，当該構造物のひび割れ深さが算出できる。
【００１２】
そこで，本発明の構造物に生じたひび割れ深さの計測方法は，対象試験体に試験音波を放射するステップと，対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音するステップと，受音した共鳴音波の共鳴周波数を分析するステップとを有し，分析した共鳴周波数からひび割れ深さを求めるように構成される。
【００１３】
また，本発明の構造物に生じたひび割れ深さの計測方法は，対象試験体に圧縮空気を吹き付けるステップと，対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音するステップと，受音した共鳴音波の共鳴周波数を分析するステップとを有し，分析した共鳴周波数からひび割れ深さを求めるように構成される。
【００１５】
また，本発明の構造物に生じたひび割れ深さの計測装置は，対象試験体に試験音波を放射する手段と，対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音する手段と，受音した共鳴音波の共鳴周波数を分析する手段と，分析した共鳴周波数からひび割れ深さを求める手段とを備えるように構成される。
【００１６】
このような構成をとる場合に，特に本発明では，前記対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音する手段に，前記試験放射音を極力排除し，対象試験体のひび割れ内部を経由した共鳴音波に強く感応するための遮断装置（カバー等）を設ける。試験放射音は，遮断装置の外部からひび割れに向けて放射し，受音は，遮断装置の内部で行う。
【００１７】
また，本発明の構造物に生じたひび割れ深さの計測装置は，対象試験体に圧縮空気を吹きつける手段と，対象試験体のひび割れ内部に生じた共鳴音波を受音する手段と，受音した共鳴音波の共鳴周波数を分析する手段と，分析した共鳴周波数からひび割れ深さを求める手段とを備えるように構成される。共鳴音波を受音する手段を遮断装置で覆い，遮断装置の内部で共鳴音波を受音する。
【００１８】
本発明は，上記の構成をとることにより，構造物に生じたひび割れ内部に生じた共鳴音波の共鳴周波数を捉えることが可能となり，共鳴周波数を分析することを通じてひび割れ深さを計測することができる。
【００１９】
また，基本共鳴周波数に加えて，より高次の共鳴周波数も検知して計測の精度を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は，本発明に関連する技術の参考例におけるひび割れ深さの計測方法の概要を示す図である。この参考例におけるひび割れ深さの計測方法においては，共鳴現象が生じるとひび割れの表面入口の空気粒子の動きが活発になることに着目し，試験音による空気粒子の動きを検知する粒子速度センサーを用いる。
【００２１】
１は，構造体に生じたひび割れ内部に向けて試験音波を放射するスピーカであり，２は，ひび割れが生じた対象試験体である。３は，ひび割れの表面入口の振動する空気粒子の速度を検知し，電気信号に変換する粒子速度センサーである。４は，粒子速度センサーから送信された電気信号に基づいて周波数分析を行い，共鳴周波数成分の大きさを測定する周波数分析装置であり，５は，音波を捉え，音響エネルギーを電気エネルギーに変換するマイクロフォンである。
【００２２】
まず，スピーカ１から対象試験体２に向けて，周波数によるひび割れ深さの計測に十分な大きさの帯域幅を持った周波数特性の試験音波を放射する。スピーカ１から放射された試験音波によって，対象試験体２のひび割れ内部において，入射波と反射波とが干渉して，共鳴現象が生じる。そして，表面に近接させた空気粒子の動きを検知する粒子速度センサー３が，共鳴現象によって振動する空気粒子速度を測定し，電気信号に変換する。
【００２３】
次に，粒子速度センサー３から送信された電気信号に基づいて周波数分析装置４が各周波数成分の大きさを測定する。そして，振幅がピークを示す周波数が共鳴周波数として検出され，共鳴理論に基づいて，ひび割れ深さが求められる。
【００２４】
なお，粒子速度センサー３とマイクロフォン５を併置したのは，スピーカ１の放射音の周波数特性が平坦でなく，粒子速度センサー３だけ使用すると，スピーカ１の周波数特性を測ってしまう危険があるため，併置したマイクロフォン５の出力で粒子速度センサー３の出力を相対化することにより，スピーカ１の周波数特性が平坦でないことの問題点を解決するためである。この相対化した値を，音響アドミッタンスという。
【００２５】
図２は，図１に示す参考例において使用する周波数分析装置４の構成図である。粒子速度センサー３によって，ひび割れ表面入口の空気粒子速度が電気信号に変換されると，その電気信号は，周波数分析装置４のＡ／Ｄ変換器４１に送信され，ディジタル信号に変換される。
【００２６】
一方，マイクロフォン５の出力が，周波数分析装置４のＡ／Ｄ変換器４２に送信され，ディジタル信号に変換される。そして，上記ディジタル信号が，それぞれフーリエ変換部４３及びフーリエ変換部４４によりフーリエ変換された後，音響アドミッタンス計算部４５により音響アドミッタンスが計算され，周波数情報出力部４６によって各周波数成分の大きさが出力される。出力された周波数情報から共鳴周波数を抽出し，ひび割れ深さを推定する方法としては，周波数情報を数値解析して周波数のピーク値を算出し，それから共鳴周波数に対応するひび割れ深さを決定してもよいし，周波数情報をグラフ化してディスプレイまたはプリンタに出力し，そのグラフから計測者が読み取るようにしてもよい。
【００２７】
図３乃至図７は，図１に示す参考例における詳細な実験例を示す図である。図３は，ひび割れ深さを変化させた例，図４は，閉管，開管の場合の比較例，図５は，溝内部が平滑でない例，図６は，溝幅を変化させた例，図７は，異なる構造体で開管の場合の例を示すグラフである。
【００２８】
図３は，アルミ材料で溝深さを変えられる試験体を製作し，その溝直上に熱線タイプの粒子速度センサーとマイクロフォンを併置した音響アドミッタンスを使用して観測したグラフである。このようにして観測した結果，図３に示したグラフにおいて，溝深さ８０mm，４０mm，２０mmごとに，それぞれスペクトルピークが観測された。そして，当該グラフにおいて，各スペクトルのピークから下に垂直線を引き，横軸との交点を読み取ると共鳴周波数が検出できる。
【００２９】
本実施例では，閉管でｎ＝１の基本振動の場合を基本としており，音響共鳴理論による閉管の場合の共鳴周波数を求める式ｆ＝｛（ｎ−１）／２＋１／４｝ｃ／Ｌが当てはまり，共鳴理論の適用が可能である。
【００３０】
次に，アルミ材料の深さ１００mmの溝の他端が開閉の２条件で実験した例を図４のグラフに示す。この例では，１次モードが，閉管の場合７００Ｈｚに現れ，開管の場合，閉管の場合の約２倍の１．５ｋＨｚ付近に現れており，共鳴理論の適用が妥当と判断される。
【００３１】
次に，構造体の溝内部が平滑でないコンクリートひび割れ試験体を対象に，溝深さ１０mm，２０mm，３０mm，４０mmの試験体での観測例を，図５のグラフに示す。この例でも，異なる周波数においてスペクトルピークが観測され，共鳴理論の適用が妥当であることがわかる。
【００３２】
次に，図６に，アルミ材料で溝の幅を０．６〜１mmまで変えた時の観測例を示す。この観測例では，溝幅が減ずるとピークが鈍化して観測される傾向にあり，微細ひび割れの推定には，感度向上等が必要であると考えられるものの，共鳴理論が妥当すると判断される。
【００３３】
次に，４０mm厚のコンクリート製敷石板を割り，破断面を密着させ，下面を油土で閉じた非直線的断面長の空隙部の観測例を図７のグラフに示す。この観測例では，音響共鳴理論における開管としての特徴が現れ，１．５ｋＨｚ付近にピークが観測されていることから，共鳴理論が妥当する。
【００３４】
ここで，上記参考例では，広い帯域幅を持つ試験音波をスピーカから放射しているが，スピーカから放射される試験音波をスイープし，時間とともに周波数を徐々に増加させることによっても共鳴周波数を計測することもできる。試験音波をスイープする場合の周波数分析装置６の構成例を図８に示す。
【００３５】
周波数分析装置６の周波数制御部６０は，時間とともにスイープする周波数情報をスピーカ出力周波数制御部６１に送信し，スピーカ出力周波数制御部６１はこの周波数情報をＤ／Ａ変換器６２に送信する。そして，Ｄ／Ａ変換器６２によりディジタル信号がアナログ信号に変換され，スピーカ１から音波として放射される。次に，粒子速度センサー３からの出力が，周波数分析装置６のＡ／Ｄ変換器６３に送信される。Ａ／Ｄ変換器６３により変換されたディジタル信号が周波数情報出力部６４に送信され，周波数情報出力部６４において各周波数情報が検出される。
【００３６】
図９は，本発明に関連する他の参考例におけるひび割れ深さの計測方法の概要を示す図である。この参考例においては，ひび割れ内部に入るような微細マイクロフォン５を使用する。
【００３７】
まず，スピーカ１から対象試験体に向けて，周波数によるひび割れ深さの計測に十分な大きさの帯域幅を持った周波数特性の試験音波を放射する。スピーカ１から放射された試験音波によって，対象試験体２のひび割れ内部において，入射波と反射波が干渉して，共鳴現象が生じる。次に，対象試験体２のひび割れ内部または入口部分に設置した微細マイクロフォン５が，ひび割れ内部の共鳴音波を受音し，その音響エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００３８】
そして，マイクロフォン５から送信された電気信号に基づいて，周波数分析装置４が各周波数成分の大きさを測定する。そして，振幅がピークを示す周波数を共鳴周波数として検出し，共鳴理論に基づいて，ひび割れ深さを算出する。
【００３９】
この参考例による方法でも，共鳴周波数を分析することによって図１に示した参考例と同様にひび割れ深さを算出することができる。なお，放射試験音波をスイープさせて観測する方法によっても同様にひび割れ深さを求めることができる。
【００４０】
図１０は，本発明の実施の形態におけるひび割れ深さの計測方法の概要を示す図である。本発明の実施の形態においては，マイクロフォン５にカバー７を付けて試験放射音を極力排除して，ひび割れ内部を経由した音波に強く感応するような工夫をした受音装置を使用する。このような工夫をすることにより，共鳴音波に対する感度を向上させて，ひび割れ深さ測定の精度を高めることができる。
【００４１】
まず，スピーカ１から対象試験体に向けて，周波数によるひび割れ深さの計測に十分な大きさの帯域幅を持った周波数特性の試験音波を放射する。スピーカ１から放射された試験音波によって，対象試験体２のひび割れ内部において，入射波と反射波が干渉して，共鳴現象が生じる。次に，マイクロフォン５が，ひび割れ内部の共鳴音波を受音し，その音響エネルギーを電気エネルギーに変換する。そして，マイクロフォン５から送信された電気信号に基づいて，周波数分析装置４が各周波数成分の大きさを測定する。そして，振幅がピークを示す周波数を共鳴周波数として検出し，共鳴理論に基づいて，ひび割れ深さを算出する。
【００４２】
本実施の形態においては，共鳴音波に対する感度を向上させ，その共鳴周波数を分析することによって精度よくひび割れ深さを算出することができる。なお，放射試験音波をスイープさせて観測する方法によっても同様にひび割れ深さを求めることができる。
【００４３】
図１１は，本発明の他の実施の形態におけるひび割れ深さの計測方法の概要を示す図である。本発明の他の実施の形態においては，圧縮空気９を利用する。
【００４４】
まず，対象試験体２のひび割れ内部に向けて，ノズル８から圧縮空気９を吹き付ける。吹きつけた圧縮空気９により，対象試験体２のひび割れ内部において共鳴現象が生じる。次に，マイクロフォン５が，ひび割れ内部の共鳴音波を受音し，その音響エネルギーを電気エネルギーに変換する。そして，マイクロフォン５から送信された電気信号に基づいて，周波数分析装置４が各周波数成分の大きさを測定する。そして，振幅がピークを示す周波数を共鳴周波数として検出し，共鳴理論に基づいて，ひび割れ深さを算出する。
【００４５】
図１２に，４０mm厚のコンクリート製敷石板を割り，破断面を密着させ，下面を油土で閉じた非直線的断面長の空隙部の開口と，溝深さ３０mmのコンクリートひび割れ試験体の開口に圧縮空気を吹き付け，発生音を周波数分析した実験例を示す。図１２に示すグラフのように，スピーカから試験音波を放射して観測したピークと同じ周波数において，鈍化したピークが観測された。この結果から本実施の形態でも，共鳴周波数を分析することによって，ひび割れ深さを算出することができることが確認された。
【００４６】
図１３は，本発明に関連する他の参考例におけるひび割れ深さの計測方法の概要を示す図である。この参考例においては，音響管を用いて試験音波を放射し，音響管法によりひび割れ表面のインピーダンスや吸音率を求め，この吸音率を測定することを通じて前述した他の例と同様に共鳴周波数のピークと，それによるひび割れ深さを推定する。
【００４７】
まず，対象試験体２のひび割れ表面を覗くように音響管１０を垂直に立て，音響管１０内のひび割れ近傍に２個のマイクロフォン５Ａ，５Ｂを僅かな距離を離して配置する。音響管１０の上部に配置したスピーカー１からホワイトノイズ等の試験音波を放射して，マイクロフォン５Ａ，５Ｂの出力を周波数分析器４に導き音圧計測する。２つのマイクロフォン出力に時間遅れ等の演算処理を行えば，対象試験体２の表面への入射音圧と表面からの反射音圧の比率，すなわち音圧反射係数が求められる。これから，ひび割れ表面の音響インピーダンス（音響アドミッタンスの逆数）や吸音率が求められる。
【００４８】
音圧反射係数をｒとすれば，表面の音響インピーダンスＺ，吸音率αは，
Ｚ＝（１＋ｒ）／（１−ｒ），α＝１−ｒ2 
となるので，この式によって求めることができる。
【００４９】
すなわち，音響管１０の内部に２個のマイロフォン５Ａ，５Ｂを設置し，それぞれの点での音圧を同時観測し，どちらか一方の音圧計測値に距離に相応する位相遅延演算を行って両者の差分を求めると，進行波あるいは後退波成分が打ち消しあい，どちらか一方の成分の除去が可能となる。ここから，ひび割れの共鳴現象によって音圧反射係数の計算ができるようになる。このような音響管を用いた垂直入射吸音特性の測定法については，周知の技術である（参考文献：「騒音制御工学ハンドブック」（社）日本騒音制御工学会編）。
【００５０】
共鳴現象によって吸音率が変化する理由は，以下のとおりである。試験音波の放射によって対象試験体２の内部に共鳴現象が生じると，空気粒子が激しく運動する。その結果，ひび割れ表面付近に粘性摩擦が生じ，運動エネルギーの消費（熱エネルギーへの変換）によって吸音効果が現れ，吸音率は共鳴周波数でピークを示す。そこで，この周波数特性から吸音率の高いピークを測定することを通じて，前述した実施の形態と同様に分析することにより，ひび割れ深さが推定可能となる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明により，構造物に生じたひび割れ内部に生じた共鳴音波の共鳴周波数を捉えることが可能となり，かかる共鳴周波数を分析し，共鳴理論を適用することを通じてひび割れ深さを計測することができる。また，基本共鳴周波数に加えて，より高次の共鳴周波数も検知して計測の確度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例におけるひび割れ深さ計測方法の概要を示す図である。
【図２】  周波数分析装置の構成図である。
【図３】    参考例における実験例を示すグラフである。
【図４】  参考例における実験例を示すグラフである。
【図５】  参考例における実験例を示すグラフである。
【図６】  参考例における実験例を示すグラフである。
【図７】  参考例における実験例を示すグラフである。
【図８】  周波数分析装置の構成図である。
【図９】  他の参考例におけるひび割れ深さ計測方法の概要を示す図である。
【図１０】  本発明の実施の形態におけるひび割れ深さ計測方法の概要を示す図である。
【図１１】  本発明の他の実施の形態におけるひび割れ深さ計測方法の概要を示す図である。
【図１２】  図１１に示す実施の形態における実験例を示すグラフである。
【図１３】  他の参考例におけるひび割れ深さ計測方法の概要を示す図である。
【図１４】  閉管における共鳴音波の一例を示す図である。
【図１５】  開管における共鳴音波の一例を示す図である。
【図１６】  共鳴現象を示すグラフである。
【符号の説明】
１  スピーカ
２  対象試験体
３  粒子速度センサー
４  周波数分析装置
５  マイクロフォン
６  周波数分析装置
７  カバー
８  ノズル
９  圧縮空気
１０  音響管
４１  Ａ／Ｄ変換器
４２  Ａ／Ｄ変換器
４３  フーリエ変換部
４４  フーリエ変換部
４５  音響アドミッタンス計算部
４６  周波数情報出力部
６０  周波数制御部
６１  スピーカ出力周波数制御部
６２  Ｄ／Ａ変換器
６３  Ａ／Ｄ変換器
６４  周波数情報出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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