(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて０からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有し、前記発信探触子及び受信探触子は、前記被探知体の表面上を移動しながら、前記超音波の発信及び受信を行うものであることを特徴とする超音波探知装置。
【請求項２】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とするとき、前記抽出手段は、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探知装置。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬ
【請求項３】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をｆｐ（Ｈｚ）とするとき、ｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬで与えられる周波数ｆ０と前記共振周波数ｆｐとの間にｆ０＜４×ｆｐの関係が成立する場合に、前記ΔＬ（ｍｍ）の値を下記数式のように設定し、前記抽出手段は、（２×ｆｐ）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探知装置。
ΔＬ＝１０６×Ｖ／（２×ｆｐ）
【請求項４】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離が一定である場合に、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記受信探触子の振動子の直径をΦ２（ｍｍ）とするとき、前記抽出手段は、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探知装置。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φ２
【請求項５】
前記発信探触子の側面と前記受信探触子の側面とを相互に接触させる場合に、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記発信探触子の振動子の直径をΦ１（ｍｍ）とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の厚さをＳ（ｍｍ）とし、前記発信探触子の振動子の直径毎に定まる所定値をβ（ｍｍ）とするとき、前記抽出手段は、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項１に記載の超音波探知装置。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／Ｇ１
0004050470.tif 000085
【請求項６】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をｔ０（μ秒）とするとき、前記抽出手段は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する時系列波算出手段と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をｄ（ｍｍ）とし、前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の最小値をｌ１（ｍｍ）とするとき、下記数式によりΔＬｔを算出する手段と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬによって決まる周波数（ｆ０／２）から下記数式により求まる所定値（ｆＡ／２）（Ｈｚ）の範囲で増加させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波探知装置。
0004050470.tif 000086
【請求項７】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、探知対象深さをｄ（ｍｍ）とし、前記被探知体の縦波音速をＶｐ（ｍｍ／μ秒）とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をｆｐとするとき、前記抽出手段は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する時系列波算出手段と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬによって決まる周波数（ｆ０／２）から（４×ｆｐ）の範囲で減少させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波探知装置。
0004050470.tif 000087
【請求項８】
前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知するものであり、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
【請求項９】
前記被探知体の厚さを計測するものであり、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
【請求項１０】
前記被探知体の厚さを計測するものであり、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を挟む位置にある２つの領域内で夫々移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
【請求項１１】
被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記被探知体の表面上を移動しながらステップ型電圧に基づいて０からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信すると共に前記超音波を受信して電気信号に変換する共用探触子と、前記電気信号に基づいて前記共用探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有することを特徴とする超音波探知装置。
【請求項１２】
共用探触子の振動子の直径をΦ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とするとき、前記抽出手段は、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項１１に記載の超音波探知装置。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φ
【請求項１３】
共用探触子の振動子の直径をΦ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をｔ０（μ秒）とするとき、前記抽出手段は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する時系列波算出手段と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をｄ（ｍｍ）とし、前記共用探触子の直径をΦ（ｍｍ）とするとき、下記数式によりΔＬｔを算出する手段と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φによって決まる周波数（ｆ０／２）から下記数式により求まる所定値（ｆＡ／２）（Ｈｚ）の範囲で増加させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する手段と、を有することを特徴とする請求項１１に記載の超音波探知装置。
0004050470.tif 000088
【請求項１４】
共用探触子の振動子の直径をΦ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、探知対象深さをｄ（ｍｍ）とし、前記被探知体の縦波音速をＶｐ（ｍｍ／μ秒）とし、前記共用探触子の外皮の共振振動数をｆｐとするとき、前記抽出手段は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する時系列波算出手段と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φによって決まる周波数（ｆ０／２）から（４×ｆｐ）の範囲で減少させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する手段と、を有することを特徴とする請求項１１に記載の超音波探知装置。
0004050470.tif 000089
【請求項１５】
前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知するものであり、前記共用探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
【請求項１６】
前記被探知体の厚さを計測するものであり、前記共用探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
【請求項１７】
コンクリートからなる構造体内にこの構造体の表面に平行に埋め込まれた複数の鉄筋を探知する超音波探知装置において、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて０からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、複数の前記狭帯域成分波を比較表示する表示手段と、を有し、前記構造体の表面に前記鉄筋が延びる方向と平行な方向に延びる複数本の測線を等間隔に設定し、この複数本の測線の夫々において、前記発信探触子及び前記受信探触子を同一の前記側線上に相互間の距離が一定になるように配置して前記加算平均波の算出を行うことにより、複数の前記加算平均波を取得し、前記抽出手段がこの複数の加算平均波から複数の前記狭帯域成分波を抽出し、前記表示手段がこの複数の狭帯域成分波を比較表示するものであることを特徴とする超音波探知装置。
【請求項１８】
前記表示手段が、第１の軸に前記構造体の表面における前記側線が延びる方向に直交する方向における位置をとり、前記第１の軸に交差する第２の軸に時刻をとって、複数の前記狭帯域成分波を表示するものであり、前記狭帯域成分波の起生時刻を特定する手段と、前記表示手段の表示上で前記起生時刻を示す点を結んだ曲線を作成し、この曲線における前記起生時刻が極小値をとる前記位置を、前記構造体における前記鉄筋の直上位置であると判断する手段と、を有することを特徴とする請求項１７に記載の超音波探知装置。
【請求項１９】
前記複数の狭帯域成分波から前記コンクリートの縦波音速及び前記鉄筋の埋込深さを計算する計算手段を有し、前記加算平均手段が、一の前記鉄筋を前記表面に垂直投影して得られる第１の測線上にその中心間距離をＬ（ｍｍ）として前記発信探触子及び前記受信探触子を配置したときに得られる加算平均波を第１の加算平均波とし、前記鉄筋を前記構造体の表面に垂直投影したときの間隔の平均値をＳ（ｍｍ）としたときに、前記第１の測線からｂ≦（Ｓ／２）により得られる距離ｂだけ離隔しており前記第１の測線と平行な第２の測線上にその中心間距離をＬ（ｍｍ）として前記発信探触子及び前記受信探触子を配置したときに得られる加算平均波を第２の加算平均波とするものであり、前記抽出手段が前記第１及び第２の加算平均波から夫々第１及び第２の狭帯域成分波を抽出するものであり、前記表示手段が前記第１及び第２の狭帯域成分波を比較表示するものであり、前記計算手段が、前記第１の狭帯域成分波の最初の起生時刻をｔ１１（μ秒）とし、前記第２の狭帯域成分波の最初の起生時刻をｔ１２（μ秒）とし、前記コンクリートの縦波音速をｃＶｐ（ｍｍ／μ秒）とし、前記鉄筋の埋込深さをｄ（ｍｍ）とし、前記鉄筋の縦波音速をｓＶｐ（ｍｍ／μ秒）とするとき、下記数式を連立させて、前記コンクリートの縦波音速ｃＶｐ及び前記鉄筋の埋込深さｄを計算するものであることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の超音波探知装置。
0004050470.tif 000090
【請求項２０】
前記発信探触子及び前記受信探触子を相互間の距離を一定に保ちながら前記各測線上を移動させて、相互に異なる複数の位置で前記超音波を受信し、この複数の受信波を比較して最も早い時刻に波の起生を確認できる受信波が受信できる位置において、前記加算平均波を算出することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
【請求項２１】
前記発信探触子が前記ステップ型電圧を生成する発信回路を有し、前記受信探触子が受信した前記超音波が変換された電気信号を増幅する受信回路を有することを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
【請求項２２】
前記コンクリートの縦波音速又はその予測値をｃＶｐ（ｍｍ／μ秒）とし、前記鉄筋の縦波音速をｓＶｐ（ｍｍ／μ秒）とし、前記鉄筋の埋込深さ又はその予測値をｄ（ｍｍ）とし、前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離をＬ（ｍｍ）とするとき、下記数式が成立することを特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか１項に記載の超音波探知装置。
0004050470.tif 000091
【請求項２３】
被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において発信探触子及び受信探触子を夫々移動させながら、前記発信探触子にステップ型電圧に基づいて０から前記発信探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記受信探触子に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記受信探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする超音波探知方法。
【請求項２４】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とするとき、前記抽出工程において、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項２３に記載の超音波探知方法。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬ
【請求項２５】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をｆｐ（Ｈｚ）とするとき、ｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬで与えられる周波数ｆ０と前記共振周波数ｆｐとの間にｆ０＜４×ｆｐの関係が成立する場合に、前記ΔＬ（ｍｍ）の値を下記数式のように設定し、前記抽出工程において、（２×ｆｐ）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項２３に記載の超音波探知方法。
ΔＬ＝１０６×Ｖ／（２×ｆｐ）
【請求項２６】
前記算出工程において、前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離を一定とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記受信探触子の振動子の直径をΦ２（ｍｍ）とするとき、前記抽出工程において、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項２３に記載の超音波探知方法。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φ２
【請求項２７】
前記算出工程において、前記発信探触子の側面と前記受信探触子の側面とを相互に接触させ、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記発信探触子の振動子の直径をΦ１（ｍｍ）とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の厚さをＳ（ｍｍ）とし、前記発信探触子の振動子の直径毎に定まる所定値をβ（ｍｍ）とするとき、前記抽出工程において、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項２３に記載の超音波探知方法。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／Ｇ１
0004050470.tif 000092
【請求項２８】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をｔ０（μ秒）とするとき、前記抽出工程は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する工程と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をｄ（ｍｍ）とし、前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の最小値をｌ１（ｍｍ）とするとき、下記数式によりΔＬｔを算出する工程と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬによって決まる周波数（ｆ０／２）から下記数式により求まる所定値（ｆＡ／２）（Ｈｚ）の範囲で増加させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項２３に記載の超音波探知方法。
0004050470.tif 000093
【請求項２９】
前記発信探触子の中心と前記受信探触子の中心との間の距離の変動量の最大値をΔＬ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、探知対象深さをｄ（ｍｍ）とし、前記被探知体の縦波音速をＶｐ（ｍｍ／μ秒）とし、前記発信探触子及び前記受信探触子の外皮の共振振動数をｆｐとするとき、前記抽出工程は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する工程と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／ΔＬによって決まる周波数（ｆ０／２）から（４×ｆｐ）の範囲で減少させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項２３に記載の超音波探知方法。
0004050470.tif 000094
【請求項３０】
前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知する方法であり、前記算出工程において、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項２３乃至２９のいずれか１項に記載の超音波探知方法。
【請求項３１】
前記被探知体の厚さを計測する方法であり、前記算出工程において、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項２３乃至２９のいずれか１項に記載の超音波探知方法。
【請求項３２】
前記被探知体の厚さを計測する方法であり、前記算出工程において、前記発信探触子及び前記受信探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を挟む位置にある２つの領域内で夫々移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項２３乃至２９のいずれか１項に記載の超音波探知方法。
【請求項３３】
被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において共用探触子を移動させながら、前記共用探触子にステップ型電圧に基づいて０から前記共用探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記共用探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする超音波探知方法。
【請求項３４】
共用探触子の振動子の直径をΦ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とするとき、前記抽出工程において、下記数式により求まる周波数ｆ０の半分の周波数（ｆ０／２）（Ｈｚ）を前記狭帯域成分波の中心周波数とすることを特徴とする請求項３３に記載の超音波探知方法。
ｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φ
【請求項３５】
共用探触子の振動子の直径をΦ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、前記被探知体からの反射波の起生時刻をｔ０（μ秒）とするとき、前記抽出工程は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する工程と、前記被探知体の表面から被探知構造までの距離をｄ（ｍｍ）とし、前記共用探触子の直径をΦ（ｍｍ）とするとき、下記数式によりΔＬｔを算出する工程と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φによって決まる周波数（ｆ０／２）から下記数式により求まる所定値（ｆＡ／２）（Ｈｚ）の範囲で増加させつつ、前記時系列波から狭帯域成分波を抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項３３に記載の超音波探知方法。
0004050470.tif 000095
【請求項３６】
共用探触子の振動子の直径をΦ（ｍｍ）とし、前記被探知体内を伝達する探知を妨害する超音波の音速をＶ（ｍｍ／μ秒）とし、探知対象深さをｄ（ｍｍ）とし、前記被探知体の縦波音速をＶｐ（ｍｍ／μ秒）とし、前記共用探触子の外皮の共振振動数をｆｐとするとき、前記抽出工程は、前記加算平均波に下記数式により与えられる時系列関数Ｇ（ｔ）を複数回乗じて時系列波を算出する工程と、中心周波数をｆ０＝２×１０６×Ｖ／Φによって決まる周波数（ｆ０／２）から（４×ｆｐ）の範囲で減少させつつ、前記時系列波から前記狭帯域成分波を抽出する工程と、を有することを特徴とする請求項３３に記載の超音波探知方法。
0004050470.tif 000096
【請求項３７】
前記被探知体中の一方向に延びる内部構造体を探知する方法であり、前記算出工程において、前記共用探触子を、前記内部構造体を前記被探知体の表面に垂直に投影した線分上で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項３３乃至３６のいずれか１項に記載の超音波探知方法。
【請求項３８】
前記被探知体の厚さを計測する方法であり、前記算出工程において、前記共用探触子を、前記被探知体における前記超音波を反射する部位を前記被探知体の表面に垂直に投影した点を含む領域内で移動させながら前記超音波の発信及び受信を行うことを特徴とする請求項３３乃至３６のいずれか１項に記載の超音波探知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波を使用してコンクリート材等の内部欠陥等を検出する際等に使用される超音波探知装置及びそれを使用した超音波探知方法に関し、特に、コンクリート材内に配設された鉄筋及びひび割れの深さ、コンクリート厚並びに空隙等の探知を正確且つ高速に行うことができる超音波探知装置及びそれを使用した超音波探知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリート材はセメントと径が１乃至３ｍｍ程度の粗骨材との複合構造物であり、コンクリート材内を伝播する超音波は、粗骨材とセメントとの界面で反射、屈折及びモード変換を繰り返しながら散乱する。
【０００３】
このため、超音波がコンクリート材内部で拡散し、超音波の指向方向における強度が大きく減衰しやすい。この減衰の程度は超音波が高周波になるほど加速度的に大きくなる。
【０００４】
また、たて波又はよこ波等の超音波をコンクリート材の表面から入力した場合には、相対的に勢力が大きな夫々よこ波又はたて波並びに直接波がコンクリート材の内部に入力されたたて波又はよこ波等と共存する。また、コンクリート材の表面には勢力が大きな表面波が生じる。
【０００５】
これらの現象により、従来、コンクリート材及び多孔質材等において超音波による内部探知が困難なものとなっていた。
【０００６】
しかし、近時、超音波による内部探知方法が改良され、種々の条件を満たせば、コンクリート版の厚さ計測及び内部の空隙等の探知が探知深度２０乃至５０ｃｍ程度で可能な場合がある。この探知の条件を以下に示す。
【０００７】
第１に１００乃至５００ｋＨｚ程度の共振振動数をもつ超音波発信探触子及び受信探触子を使用することが必要である。第２に振動子の直径が５０乃至７０ｍｍ程度の大きい探触子を使用することが必要である。第３にステップ型の電圧を、従来使用されているパルス型の電圧の替わりに探触子内のセラミック振動子等に印加することが必要である。
【０００８】
図６８（ａ）はパルス型電圧を示すグラフ図、（ｂ）はパルス型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、（ｃ）はパルス型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。また、図６９（ａ）はステップ型電圧を示すグラフ図、（ｂ）はステップ型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、（ｃ）はステップ型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。これらのグラフ図は、パルス型電圧及びステップ型電圧の値を５０乃至５００Ｖとしたときのものである。パルス型電圧とステップ型電圧とでスペクトル及び時系列波形に相違が見られる。なお、図６８（ｂ）及び図６９（ｂ）におけるピークの振動数が振動子の共振振動数であり、図６８（ｃ）及び図６９（ｃ）における時系列が発信超音波を示している。
【０００９】
ここで、共振振動数が１ＭＨｚ、振動子径が５６ｍｍの超音波探触子を使用し、図６９（ａ）に示すステップ型電圧を印加するコンクリート材の従来の測定方法について説明する。図７０は被探知材であるコンクリート版を示す模式図である。
【００１０】
被探知材であるコンクリート版４１の厚さは２０ｃｍであり、このコンクリート版４１には径が２ｍｍ程度の細石が粗骨材として含まれている。また、コンクリート版４１内の気泡は比較的少ない。更に、この測定方法では、探触子４２が受信探触子及び発信探触子として機能する１探触子法計測とする。図７１は横軸に時刻をとり、縦軸に振幅をとって、上述の条件下で得られた反射波を示すグラフ図である。
【００１１】
図７１においてピーク４３ａがコンクリート版の底面からのたて波反射波４３を示している。ピーク４３ａは顕著であり、前述の条件でコンクリート版の厚さ測定が可能であるといえる。
【００１２】
一般に、種々の測定例によれば、コンクリート版４１のように、その表面積と比してその厚さが比較的薄い場合には、その隅部からのコーナー反射波４４及び表面波４５の反射波が小さいため、前述のような条件で厚さが５０ｃｍ程度の版まで厚さ測定が可能となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、経年変化を受けているコンクリート版においては、その底面からの反射波の起生を確認することが困難な場合が多い。同様に、コンクリート版が平版ではなくその隅部からのコーナー反射波及び表面波の反射波が大きい場合及びコンクリート版内部の気泡が多い場合等にも、底面からの反射波の起生を確認することが困難な場合が多い。
【００１４】
例えば、以下のような場合に厚さの測定が困難となる。図７２は被探知材であるコンクリート柱を示す図であって、（ａ）は切り出し前を示す模式図、（ｂ）は切り出し後を示す模式図である。
【００１５】
ここでは、長手方向に垂直な断面における一辺の長さが３０ｃｍ、他の一辺の長さが５０ｃｍであるコンクリート柱５１を作製した。このコンクリート柱５１の内部には、径が１乃至１０ｍｍ程度の気泡を大量に生じさせている。また、含有される粗骨材の割合は、径が５ｍｍより大きく１ｃｍ未満のものを３０重量％、１ｃｍより大きく２ｃｍ未満のものを４０重量％、２ｃｍより大きいものを４０重量％ととした。そして、このコンクリート柱５１から高さが５０ｃｍのコンクリート材５１ａを切り出した。
【００１６】
探触子５２を幅が５０ｃｍである面の中心Ａに配置して厚さ計測を行う場合について説明する。図７３は探触子５２を中心Ａに配置して厚さ計測を行った場合に生じる波を示す模式図である。
【００１７】
探触子５２を中心Ａに配置してたて波超音波をコンクリート材５１ａの表面から直下に入力すると、図７３に示すように、底面からの反射波５３の他にコーナー反射波５４、直接波５５、表面波５６並びに強度が小さいたて波５７が中心Ａに戻ってくる。従って、中心Ａにおける受信波は波５３乃至５７の重畳波となり、図７１に示したような底面からの反射波のピークを判別することが困難となる。
【００１８】
実際に種々の振動子を使用し５００Ｖのステップ型電圧を印加して計測を行った場合の結果を図示する。図７４（ａ）は共振振動数が２．５ＭＨｚ、直径が２０ｍｍの振動子を使用する発信探触子による計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、（ｂ）は共振振動数が５００ｋＨｚ、直径が４０ｍｍの振動子を使用する発信探触子による計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、（ｃ）は共振振動数が５００ｋＨｚ、直径が７０ｍｍの振動子を使用する発信探触子による計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、受信探触子には、共振振動数が２．５ＭＨｚ、直径が２０ｍｍの振動子を用いた。図７４（ａ）乃至（ｃ）においては、横軸の１０４μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の２０５μ秒は発信時刻から１０１μ秒が経過していることを示している。
【００１９】
これらの計測では、２探触子法を採用し発信探触子と受信探触子とを相互に極めて近い位置に配置した。図７４（ａ）乃至（ｃ）において、破線が示す時刻がコンクリート材５１ａの底面からの反射波５３の理論的起生時刻であるが、これらの時系列波形では、この時刻を図７２（ｂ）に示す反射波５３の起生時刻と特定することはできない。従って、このような場合には、コンクリート材５１ａの厚さを測定することができない。
【００２０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、幅が狭く厚さが厚いコンクリート材の厚さ、鉄筋かぶり厚及びその径並びにひび割れ深さ等を精度よく探知することができる超音波探知装置及びそれを使用した超音波探知方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係る第１の超音波探知装置は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて０からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有し、前記発信探触子及び受信探触子は、前記被探知体の表面上を移動しながら、前記超音波の発信及び受信を行うものであることを特徴とする。
【００２３】
本発明においては、加算平均器により超音波の受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均が１回の探知当たり１０００回以上行われるので、位相が変化している波は徐々に打ち消し合い、位相が実質的に変化していない波のみが強め合って残存する。従って、所望の波の位相が実質的に変化しない条件で測定を行えば、幅が狭く厚さが厚いコンクリート材の厚さ等でも高い精度で探知することが可能である。また、加算平均器により直接加算平均が行われているため、専用のソフトウェア等による処理は少ないので、その処理速度は速い。例えば、４０００回までの加算平均が加算平均器により処理され、これ以上の加算平均がソフトウェアで行われる場合であって１００００回の加算平均が必要な場合には、４０００回、４０００回、２０００回の加算平均が加算平均器により処理され、これらから得られた結果がソフトウェアにより処理される。
【００２５】
本発明に係る第２の超音波探知装置は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知装置において、前記被探知体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記被探知体の表面上を移動しながらステップ型電圧に基づいて０からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信すると共に前記超音波を受信して電気信号に変換する共用探触子と、前記電気信号に基づいて前記共用探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
本発明に係る第３の超音波探知装置は、コンクリートからなる構造体内にこの構造体の表面に平行に埋め込まれた複数の鉄筋を探知する超音波探知装置において、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、ステップ型電圧に基づいて０からその振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を発信する発信探触子と、前記構造体の表面上の任意の位置に接触可能に設けられ、前記超音波を受信して電気信号に変換する受信探触子と、前記電気信号に基づいて前記受信探触子が受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する加算平均手段と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出手段と、複数の前記狭帯域成分波を比較表示する表示手段と、を有し、前記構造体の表面に前記鉄筋が延びる方向と平行な方向に延びる複数本の測線を等間隔に設定し、この複数本の測線の夫々において、前記発信探触子及び前記受信探触子を同一の前記側線上に相互間の距離が一定になるように配置して前記加算平均波の算出を行うことにより、複数の前記加算平均波を取得し、前記抽出手段がこの複数の加算平均波から複数の前記狭帯域成分波を抽出し、前記表示手段がこの複数の狭帯域成分波を比較表示するものであることを特徴とする。
【００２７】
本発明に係る第１の超音波探知方法は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において発信探触子及び受信探触子を夫々移動させながら、前記発信探触子にステップ型電圧に基づいて０から前記発信探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記受信探触子に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記受信探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする。
【００２８】
本発明においては、超音波を発信する発信探触子及び超音波を受信する受信探触子を被探知材表面の所定の領域内で移動させながら複数回の超音波の発信及び受信を行っているので、位相が変化する受信波と変化しない受信波とが存在する。そして、超音波の受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均を行っているので、位相が変化した受信波を徐々に消滅させ、位相が変化しない受信波のみを残存させることが可能である。このため、不用な受信波を消滅させ、所望の受信波のみを取り出すことが可能である。
【００２９】
本発明に係る第２の超音波探知方法は、被探知体に対して超音波を入力することにより前記被探知体の内部構造を探知する超音波探知方法において、前記被探知体の表面上において共用探触子を移動させながら、前記共用探触子にステップ型電圧に基づいて０から前記共用探触子の振動子の共振周波数までの範囲の周波数成分を全て含む超音波を複数回発信させると共に前記超音波を受信して電気信号に変換させ、前記共用探触子が前記超音波を受信する度にそれまでに受信した複数回の前記超音波の加算平均波を算出する算出工程と、前記加算平均波に、周波数をｆ、特定の周波数をｆHLとして定まる関数Ｃ１＝ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））と、関数Ｃ２＝ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを夫々複数回乗じるフィルタリングをして前記加算平均波からこの加算平均波よりも帯域が狭い狭帯域成分波を抽出する抽出工程と、この狭帯域成分波に基づいて前記内部構造を特定する特定工程と、を有することを特徴とする。
【００３１】
本発明によれば、超音波の受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均を行う加算平均器を設けているので、加算平均により位相が実質的に変化していない波のみを取り出すことができる。従って、所望の波の位相が実質的に変化しない条件で測定を行えば、幅が狭く厚さが厚いコンクリート材の厚さ、鉄筋かぶり厚及びその径並びにひび割れ深さ等でも高い精度で探知することができる。更に、加算平均器により直接加算平均が行われるため、専用のソフトウェア等は不要であり速い速度で処理を行うことができる。
【００３２】
また、本発明方法によれば、超音波を発信する発信探触子及び超音波を受信する受信探触子を被探知材表面の所定の領域内で移動させながら複数回の超音波の発信及び受信を行い、受信毎にそれまでの受信超音波との加算平均を行っているので、不用な受信波を消滅させ、所望の受信波のみを取り出すことができる。更に、探触子間隔毎の加算平均の加算平均をとることにより、より過酷な条件においても精度が高い探知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例に係る超音波探知装置を示すブロック図である。
【図２】１探触子法が採用された例を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。
【図４】（ａ）乃至（ｃ）は第１の実施例方法による計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図５】コンクリート材５１ａの幅の計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。
【図６】本発明の第２の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。
【図７】第２の実施例方法による計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図８】ひび割れ深さの計測例における被探知材を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線による断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図９】（ａ）乃至（ｃ）はひび割れ深さの計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は一方の探触子の移動方法を示す模式図である。
【図１１】異形鉄筋の深さ計測例における被探知材を示す断面図である。
【図１２】探触子３３ａ及び３３ｂを定点Ｃの両側に固定したまま計測を行ったときに得られたスペクトルを示すグラフ図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は異形鉄筋の深さの計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【図１４】Ｃ2n・Ｙ1,1のフィルタリング処理により得られたスペクトルを示すグラフ図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は図１４に示すスペクトルに対応する時系列波形を示すグラフ図である。
【図１６】異形鉄筋における超音波の径路を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線による断面図である。
【図１７】円形鉄筋において円周方向に沿って伝達する超音波を示す模式図である。
【図１８】（ａ）及び（ｂ）はひび割れが形成されていないコンクリート材から得られる時系列波形を示すグラフ図である。
【図１９】ひび割れが形成されていないコンクリート材中での超音波の伝達径路を示す模式図である。
【図２０】同じく、ひび割れが形成されていないコンクリート材中での超音波の伝達径路を示す模式図である。
【図２１】本発明の第３の実施例における治具を示す模式図である。
【図２２】  加算平均ｙDk（ｔ）と加算平均ｙDk+1（ｔ）との間で任意の振動数の成分が１周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、（ａ）は加算平均ｙDk（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は加算平均ｙDk+1（ｔ）を示す模式図、（ｃ）はこれらの加算平均fｙave（ｔ）を示す模式図である。
【図２３】加算平均ｙDk（ｔ）と加算平均ｙDk+1（ｔ）との間で任意の振動数の成分が１／２周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、（ａ）は加算平均ｙDk（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は加算平均ｙDk+1（ｔ）を示す模式図、（ｃ）はこれらの加算平均f/2ｙave（ｔ）を示す模式図である。
【図２４】図７２（ｂ）に示すＡ’−Ｂ’間の計測を２探触子法を採用して測定した場合に生じる波の伝達を示す模式図である。
【図２５】２種の治具を使用し加算平均を行った場合に得られた波を示す図であって、（ａ）はフーリエスペクトルを示すグラフ図、（ｂ）は時系列波を示すグラフ図である。
【図２６】治具Ｄ２のみを使用した場合に得られた波を示す図であって、（ａ）はフーリエスペクトルを示すグラフ図、（ｂ）は時系列波を示すグラフ図である。
【図２７】１３０ｋＨｚを中心周波数とした場合に得られる波を示す図であって、（ａ）はフーリエスペクトルを示すグラフ図、（ｂ）は時系列波を示すグラフ図である。
【図２８】振動数ｆｉと基準化された振幅との関係を示すグラフ図である。
【図２９】探知対象である鉄筋が埋め込まれたコンクリート材を示す断面図である。
【図３０】図７３に示す異形鉄筋８２の探知の際に生じる波の伝達を示す模式図である。
【図３１】振動数成分を２ｆBとし、２種の治具を使用したときの波を示す図であって、（ａ）は短い探触子間隔で得られる加算平均ｙD1（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は長い探触子間隔で得られる加算平均ｙD2（ｔ）を示す模式図、（ｃ）はこれらの加算平均ｙave（ｔ）を示す模式図である。
【図３２】取り出しに使用した中心周波数が５９０ｋＨｚの周波数成分のフーリエスペクトルを示すグラフ図である。
【図３３】各計測位置における時系列波形を示す模式図である。
【図３４】各治具における探触子間隔を示す模式図である。
【図３５】４つの治具を使用したときに得られた時系列波形を示すグラフ図である。
【図３６】（ａ）はピーク９２に該当する起生波を示す模式図、（ｂ）はピーク９３に該当する起生波を示す模式図、（ｃ）はピーク９４及び９６に該当する起生波を示す模式図、（ｄ）はピーク６４に該当する起生波を示す模式図である。
【図３７】入力超音波から１１００ｋＨｚを中心周波数として取り出した広帯域周波数成分の時系列波を示すグラフ図である。
【図３８】（ａ）乃至（ｄ）は各治具を使用したときに得られる波を示す模式図であり、（ｅ）はこれらの加算平均を示す模式図である。
【図３９】数式２０による加算平均の手順を示す図である。
【図４０】スペクトルの変化を示すグラフ図である。
【図４１】スペクトルＢａ５とａ５を示すグラフ図である。
【図４２】発信探触子及び受信探触子ともに、共振振動数を５００ｋＨｚ、振動子径を４０ｍｍとして得た加算平均波を示すグラフ図である。
【図４３】図４２の加算平均波に数式５２及び数式５３を適用し、下記数式５５に示す周波数を中心周波数として取り出した成分波を示すグラフ図である。
【図４４】（ａ）乃至（ｄ）は、計測治具を用いないで接触子を走査する種々の方法を示す模式図である。
【図４５】たて波探触子の一般的形状を示す断面図である。
【図４６】コンクリート面より直下にたて波超音波を入力したときの伝達の様子を示す模式図である。
【図４７】図７２のコンクリートモデルで図４４（ｂ）に示す走査法による測定結果を示すグラフ図である。
【図４８】探知を邪魔する妨害波と版厚などの探知目標波のスペクトルを比較して示すグラフ図である。
【図４９】図４２の２００ｋＨｚの中心周波数成分波である波に３回乗じた結果を示すグラフ図である。
【図５０】ｆＤ＝６５ｋＨｚを中心周波数とした成分波の取り出し結果を示すグラフ図である。
【図５１】測定したコンクリートモデルを示す模式的断面図である。
【図５２】１９０ｋＨｚを中心周波数として取り出した各計測点での成分波を示すグラフ図である。
【図５３】図５２の各成分波に１０回乗じた波において、成分波の取り出し中心周波数をフィルタ処理で移行していく過程で得られた１例を示すグラフ図である。
【図５４】測定３での２００ｋＨｚ成分波を示すグラフ図である。
【図５５】中心周波数を徐々に高周波側へ掃引していった成分波の内６８０ｋＨｚとしたときの成分波の増幅表示である。
【図５６】１ＭＨｚを中心周波数とする成分波を示すグラフ図である。
【図５７】経年変化を受けたコンクリート材における種々の波の伝達を示す模式図である。
【図５８】臨界屈折波による経路を示す模式図である。
【図５９】ひび割れが表面に形成されているコンクリート材における鉄筋の探知方法を示す模式図である。
【図６０】打設後５年間乾燥させたまま放置したコンクリート材を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線による断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線による断面図である。
【図６１】計測位置Ｐ２８における受信波を示す図であって、（ａ）は電気的雑音及び外乱の除去を行わなかった場合を示すグラフ図、（ｂ）はこれらの除去を行った場合を示すグラフ図である。
【図６２】１２０ｋＨｚを中心周波数とするフーリエスペクトルを示すグラフ図である。
【図６３】電気的雑音等を除去したときに各計測位置において得られた時系列波を示す模式図である。
【図６４】同じく、電気的雑音等を除去したときに各計測位置において得られた時系列波を示す図であって、図６３の目盛りを変更して示す模式図である。
【図６５】計測位置Ｐ２３及びＰ２５における屈折波の伝達径路を示す模式図である。
【図６６】種々の径路における起生順序を示す模式図である。
【図６７】（ａ）は加算平均波ｙA（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は加算平均波ｙB（ｔ）を示す模式図である。
【図６８】（ａ）はパルス型電圧を示すグラフ図、（ｂ）はパルス型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、（ｃ）はパルス型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。
【図６９】（ａ）はステップ型電圧を示すグラフ図、（ｂ）はステップ型電圧によるスペクトルを示すグラフ図、（ｃ）はステップ型電圧による時系列波形を示すグラフ図である。
【図７０】被探知材であるコンクリート版を示す模式図である。
【図７１】従来の測定方法により得られた反射波を示すグラフ図である。
【図７２】被探知材であるコンクリート柱を示す図であって、（ａ）は切り出し前を示す模式図、（ｂ）は切り出し後を示す模式図である。
【図７３】探触子５２を中心Ａに配置して厚さ計測を行った場合に生じる波の伝達を示す模式図である。
【図７４】（ａ）乃至（ｃ）は従来の探知方法による結果としての時系列波形を示すグラフ図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施例に係る超音波探知装置について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の実施例に係る超音波探知装置を示すブロック図である。
【００３５】
本実施例に係る超音波探知装置には、ステップ型電圧を外部に印加するステップ型電圧発生器１、このステップ型電圧発生器１から印加されたステップ型電圧を受け被探知材に超音波を発信する発信探触子２ａ、被探知材内部からの反射波等を受信しこれを電気信号に変換する受信探触子２ｂ、この受信探触子２ｂにより得られた電気信号を解析する解析装置４及びこの解析装置４による解析結果及びステップ型電圧発生器１により発生されたステップ型電圧の波形を表示する表示装置５が設けられている。
【００３６】
ステップ型電圧発生器１には、ステップ型電圧を発生するステップ電圧発生回路１ａ、制御された間隔でステップ電圧発生回路１ａに電流を供給する電流供給回路１ｂ及びステップ型電圧をステップ型電圧発生器１の外部に送り出すステップ電圧駆動回路１ｃが設けられている。なお、ステップ型電圧発生回器１からは、例えば５００Ｖのステップ型電圧が発生される。
【００３７】
また、解析装置４には、受信された電気信号を増幅するアンプ回路４ａ、増幅された信号にフィルタをかけるフィルタ回路４ｂ、フィルタをかけられた信号を変換するアナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）４ｃ、ゲートアレイ（加算平均器）４ｄ及び中央処理装置（ＣＰＵ）４ｅが設けられている。ゲートアレイ４ｄは受信波の加算平均を受信毎に行うものである。
【００３８】
更に、電流供給回路１ｂの電流供給間隔、アンプ回路４ａのアンプレンジ、フィルタ回路４ｂの動作、ＡＤＣ４ｃの収録インターバル及び収録データ長並びにゲートアレイ４ｄの加算回数の各制御を行うコントロール回路４ｆが解析装置４に設けられている。なお、コントロール回路４ｆはＣＰＵ４ｅ又は外付けのノート型パーソナルコンピュータにより制御される。
【００３９】
なお、図１に示す本実施例に係る超音波探知装置では２探触子法で表現しているが、１探触子法を採用してもよい。図２は１探触子法が採用された例を示す模式図である。この場合には、１個の探触子６が発信探触子及び受信探触子として機能する。
【００４０】
また、コンクリート材等の多孔質材の厚さ及び鉄筋等の検知においては、超音波がその内部で大きく減衰し、受信波に含まれる探知目標からの反射波が微弱となりやすい。このため、超音波探知装置は、電気的雑音、特に定常的な雑音が極力混入しない構成となっていることが好ましい。
【００４１】
そこで、ステップ型電圧発生器１内の電圧発生回路１ａ及び電圧駆動回路１ｃを極めて小さなサイズに基版化し、これらを電圧発生器１内ではなく発信探触子２ａ内に組み込ませることが好ましい。これにより、高電圧駆動時に解析装置４内への電気的雑音の混入が除去される。
【００４２】
更に、受信探触子２ｂにより受信され電気信号（電圧）に変換された波は微弱である。このため、発信探触子２ａと解析装置４との間で混入する電気的雑音が受信波のＳＮ比に大きく影響する。
【００４３】
そこで、解析装置４内のアンプ回路４ａを極めて小さなサイズに基版化し、これを解析装置４内ではなく受信探触子２ｂ内に組み込ませることが好ましい。
【００４４】
このように、より一層高い測定精度を得るためには、電圧発生回路１ａ及び電圧駆動回路１ｃを発信探触子２ａ内に、アンプ回路４ａを受信探触子２ｂ内に組み込むことが好ましい。
【００４５】
次に、上述の探知装置を使用した本発明の第１の実施例方法について説明する。第１の実施例方法においては、図７２（ｂ）における中心Ａを中心とする半径５乃至７ｃｍの円領域内で発信探触子２ａ／受信探触子２ｂ対を任意に移動させる。図３は本発明の第１の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。なお、図３において、実線のハッチングが施されたものは直径が２０ｍｍの発信探触子２ａを示し、破線のハッチングが施されたものは直径が２０ｍｍの受信探触子２ｂを示している。そして、２点鎖線で結ばれた対をなす探触子が、ある瞬間における各探触子を示している。
【００４６】
第１の実施例方法においては、図１に示す超音波探知装置を使用し、図３に示すように各探触子２ａ及び２ｂの位置を所定の円領域７内で変化させながら極めて多くの計測、例えば１００００回の計測を行うものである。このとき、各探触子２ａ及び２ｂの超音波発信面及び受信面は常にコンクリート材５１ａの表面に接している必要がある。従って、計測領域には予め超音波伝達媒質として油等を塗布しておく必要がある。
【００４７】
本実施例方法により図７２（ｂ）に示すコンクリート材５１ａの厚さ計測を行った場合、図７３におけるコーナー反射波５４、直接波５５、表面波５６並びに強度が小さいたて波の弱波５７の伝達距離は、各探触子２ａ及び２ｂの位置の変化に伴い変動する。その一方、探知目標であるコンクリート材５１ａの底面からのたて波反射波５３の径路長は、発信探触子２ａと受信探触子２ｂとの間の距離が十分短ければ、変動しないものとみなすことができる。
【００４８】
従って、各探触子２ａ及び２ｂの位置が変化する毎に波５４乃至５７の位相は変化するが、反射波５３の位相は実質的に変化しない。たとえ反射波５３の位相が変化しているとしても、低周波の超音波ではその変化量は無視できる程度のものである。このため、図３に示すように、各探触子２ａ及び２ｂの位置を変化させながら計測を行って受信波ωi（ｔ）を得た後、数多くの計測を加算平均すれば、波５４乃至５７による振幅は小さくなり、探知目標である反射波５３の振幅が大きくなる。従って、容易に反射波５３の起生を確認することができる。なお、図には示さないが、受信される波の中に多数の散乱波も混入しているが、これら散乱波の起生は探触子の位置に対して非定常であることより、この加算平均で散乱波も除去される。ｍ回の加算平均は下記数式１で表される。
【００４９】
【数１】0004050470.tif 000002
【００５０】
なお、計測回数が１０又は１００回程度では、波５４乃至５７の振幅減少が十分ではないので、反射波５３の起生の確認は困難である。多くの計測によれば１０００回程度以上の計測が必要である。このように膨大な数の計測波の加算平均をとることにより、コンクリート柱及び梁材等の厚さを計測することができるのであるが、この計算はできるだけ高速であることが望ましい。
【００５１】
そこで、本実施例方法においては、ゲートアレイ４ｄを使用し、上述の加算平均をＣＰＵ４ｅ又は図示しない外付けノート型パーソナルコンピュータの制御により行っている。この場合、ステップ型電圧発生器１により１．５乃至１０ｍ秒のいずれかの間隔でステップ型電圧を発信探触子に印加させる。そして、例えば１００００回のステップ型電圧を印加させている間に各探触子２ａ及び２ｂを移動させ、受信毎に加算平均をとる。
【００５２】
なお、例えば１．５ｍ秒の間隔でステップ型電圧を印加し１００００回の加算平均をとる場合に必要な時間はわずか１５秒間程度であり、十分に実用的である。そして、この加算時間は短ければ短いほど好ましい。従って、予め設定された所定の回数、例えば１０００回毎に、その時点での加算平均を示す波形を表示装置５に表示させ、探知目標からの反射波の起生を確認できたときにオペレータの判断により、計測及び加算平均の計算を終了させてもよい。
【００５３】
前述のような方法により、共振振動数が２．５ＭＨｚ又は５００ｋＨｚの発信探触子を使用し１００００回の加算平均をとった場合の測定結果について説明する。ここでは、発信探触子中の振動子の直径は、共振振動数が２．５ＭＨｚの場合には２０ｍｍ、共振振動数が５００ｋＨｚの場合には４０又は７０ｍｍとしており、受信探触子中の振動子の直径はいずれの場合も２０ｍｍであり、その共振振動数は２．５ＭＨｚである。また、ステップ型電圧の大きさは５００Ｖである。図４は第１の実施例方法による計測結果を示す図であって、（ａ）は共振振動数が２．５ＭＨｚ、直径が２０ｍｍの発信探触子を使用して計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、（ｂ）は共振振動数が５００ｋＨｚ、直径が４０ｍｍの発信探触子を使用して計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、（ｃ）は共振振動数が５００ｋＨｚ、直径が７０ｍｍの発信探触子を使用して計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、図４（ａ）乃至（ｃ）においては、横軸の１０４μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の２０５μ秒は発信時刻から１０１μ秒が経過していることを示している。
【００５４】
図４（ａ）乃至（ｂ）において、破線が示す時刻がコンクリート材５１ａの底面の中心Ｂからの反射波５３の起生時刻であり、この時刻でたて波反射波のピークが明敏に浮かび上がっている。図４（ａ）においては、発信時刻から１４２．３μ秒経過した時刻に反射波を示すピークが現れており、図４（ｂ）及び（ｃ）においては、発信時刻から１４１．３μ秒経過した時刻に反射波を示すピークが現れている。従って、前者によるコンクリート材の厚さは下記数式２で表され、後者によるコンクリート材の厚さは下記数式３で表される。但し、このモデルのコンクリート材中のたて波超音波の伝播速度を４．３ｍｍ／μ秒としている。
【００５５】
【数２】0004050470.tif 000003
【００５６】
【数３】0004050470.tif 000004
【００５７】
このように、低周波の超音波を使用した後者の方がより実値である３０ｃｍに近い値が得られたが、小径の振動子を使用し比較的高周波の超音波を発信した前者においても２％程度の誤差で測定を行うことができた。
【００５８】
なお、第１の実施例方法では発信探触子と受信探触子とを相互に極近傍に配置させて計測を行っているが、図２に示すような１個の探触子６が発信探触子及び受信探触子として機能する１探触子法を採用してもよい。この場合、コンクリート材の厚さ測定を行うのであれば、その底面からの反射波の径路長は変化せず、２探触子法を採用した場合と同様に、探知目標である反射波の起生を容易に特定することができる。
【００５９】
但し、これまでの本発明の第１の実施例方法によっても反射波の特定が困難な場合がある。例えば、図７２（ｂ）に示すコンクリート材において、探触子５２’を幅が３０ｃｍである面の中心Ａ’に配置して厚さ計測を第１の実施例に基づいて行う場合、探知目標である反射波の特定は困難となる。図５はコンクリート材５１ａの幅（５０ｃｍ）の計測を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、この計測では、共振振動数が５００ｋＨｚ、振動子の直径が４０ｍｍの発信探触子及び共振振動数が２．５ＭＨｚ、振動子の直径が２０ｍｍの受信探触子を使用し、ステップ型電圧の大きさを５００Ｖとした。また、加算平均の回数は１００００回とした。即ち、図４（ｂ）における計測と同じ条件である。なお、図５においては、横軸の１０４μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の２０５μ秒は発信時刻から１０１μ秒が経過していることを示している。
【００６０】
図５において、破線が示す時刻がコンクリート材５１ａの側面の中心Ｂ’からの反射波５３’の理論的起生時刻であるが、図４（ｂ）とは異なり、この時系列波形では、この時刻を反射波５３’の起生時刻と特定することは困難である。
【００６１】
これは、中心Ａでの計測と中心Ａ’での計測とでは、探触子が配置される面の幅が前者で５０ｃｍ、後者で３０ｃｍであり、計測対象である厚さが前者で３０ｃｍ、後者で５０ｃｍだからである。探触子が配置される面の幅が小さくなるか、又は測定対象である厚さが大きくなると、直接波、表面波及びコンクリート表面のたて波弱波の勢力が相対的に大きくなり、これらの波と探知目標である反射波とが重畳しやすくなる。更に、コーナー反射波と底面からの反射波とが実質的に同一の時刻に受信される。このため、同一の探知装置を使用し同様の方法により計測を行った場合であっても、測定可能なものと測定不可能なものとが生じるのである。
【００６２】
そこで、本発明の第２の実施例方法においては、発信探触子と受信探触子とを相互に異なる所定の領域内で移動させる。図６は本発明の第２の実施例方法における発信探触子と受信探触子との位置関係を示す模式図である。なお、図６において、２点鎖線で結ばれた対をなす探触子が、ある瞬間における各探触子を示している。図６においては、発信探触子１２ａの直径の方が受信探触子１２ｂのそれよりも大きいが、それらが同等であってもよく、発信探触子１２ａの方が小さくてもよい。
【００６３】
第２の実施例方法においては、図６に示すように発信探触子１２ａの位置をだ円領域１１ａ内で連続的に変化させ、受信探触子１２ｂの位置をだ円領域１１ｂ内で連続的に変化させながら極めて多くの計測、例えば１００００回の計測を行う。なお、だ円領域１１ａとだ円領域１１ｂとの中心間距離Ｌは、例えば１５ｃｍである。このとき、第１の実施例方法と同様に、被探知材の表面に予め超音波伝達媒質として油等を塗布しておく必要がある。
【００６４】
そして、第１の実施例方法と同様に、図１に示す探知装置を使用して、発信探触子へのステップ型電圧の印加毎に受信波を収録し、ゲートアレイ４ｄに自動的に加算平均の計算を行わせる。
【００６５】
実際に探触子を使用し５００Ｖのステップ型電圧を印加して第２の実施例に基づいて計測を行った場合の結果を図示する。図７は第２の実施例方法による計測結果としての時系列波形を示すグラフ図である。なお、図７においては、横軸の１０４μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の２０５μ秒は発信時刻から１０１μ秒が経過していることを示している。
【００６６】
図７において、破線が示す時刻がコンクリート材５１ａの側面の中心Ｂ’からの反射波５３’の起生時刻であり、この時刻でたて波反射波のピークが明敏に浮かび上がっている。そして、発信時刻から２３７．３μ秒経過した時刻に反射波５３’を示すピークが現れており、これから得られるコンクリート材の幅は５１．０ｃｍである。従って、２％程度の誤差で測定を行うことができる。
【００６７】
なお、第２の実施例においては、発信探触子又は受信探触子の位置が変化する領域をだ円領域としているが、その領域は円領域又は長方形領域であってもよい。但し、本実施例における被探知材のように、探触子が配置される面の幅が狭い場合には、当該幅に直交する方向を短軸方向又は短辺方向とするだ円領域又は長方形領域とすることにより、極めて良好な測定を行うことが可能である。また、その領域をどのような領域とするかは、探知目標及び計測法（１探触子法、２探触子法）によって決定することができる。更に、だ円領域又は長方形領域とする場合には、その長手方向を被探知材のいずれの方向に向けるかは、その形状及び配筋方向等によって決定することができる。
【００６８】
なお、第１及び第２の実施例方法においては、コンクリート材の厚さ計測について説明したが、コンクリート材内部の空隙、ひび割れ深さ又は鉄筋の探知等に本発明を適用することも可能である。
【００６９】
次に、実際のひび割れ深さの計測例について説明する。図８はひび割れ深さの計測例における被探知材を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線による断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線による断面図である。
【００７０】
被探知材であるコンクリート塊２１は、厚さが３０ｃｍ、他の２辺の長さが５０ｃｍの直方体形状を有している。その内部には、直径が１９ｍｍの貫通鉄筋２２が表面又は裏面から５ｃｍ離れた深さに１５ｃｍの間隔で総計６本埋め込まれている。また、幅が１ｍｍ程度のひび割れ２３が１５ｃｍの深さに形成されている。
【００７１】
上述のようなコンクリート塊２１におけるひび割れ２３の深さの計測では、共振振動数が２．５ＭＨｚ、振動子径が２０ｍｍの２個の探触子１２ａ及び１２ｂをひび割れ２３を挟むように、且つ２本の貫通鉄筋２２の中間に配置した。また、ステップ型電圧は５００Ｖとし、発信探触子１２ａにこのステップ型電圧を５ｍ秒の間隔で連続して印加した。つまり、５ｍ秒ごとに超音波をコンクリート塊２１の表面から直下へと入力した。このとき、移動領域１１ａ及び１１ｂ内で発信探触子１２ａ及び受信探触子１２ｂを、夫々の超音波発信面及び受信面をコンクリート塊２１の表面に超音波伝達媒質を介して接触させながら、任意且つ迅速に移動させた。そして、入力超音波毎に受信超音波を収録し、図１に示す探知装置により加算平均を行った。
【００７２】
図９はひび割れ深さの計測結果を示す図であって、（ａ）は加算平均を行っていない場合の時系列波形を示すグラフ図、（ｂ）は１０００回の加算平均を行った場合の時系列波形を示すグラフ図、（ｃ）は１００００回の加算平均を行った場合の時系列波形を示すグラフ図である。なお、図９（ａ）乃至（ｃ）においては、横軸の１０４μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の２０５μ秒は発信時刻から１０１μ秒が経過していることを示している。
【００７３】
図９（ａ）に示すように、加算平均を行っていない場合には、伝達距離が短い貫通鉄筋２２を径路する波の起生を示す波形が破線で示す時刻より前に現れている。このため、ひび割れ２３の底部を迂回する波の起生時刻を特定しにくい。
【００７４】
一方、図９（ｂ）及び（ｃ）に示すように、１０００回又は１００００回の加算平均を行った場合には、貫通鉄筋２２を径路する波の起生を示す波形が減少し、破線が示す時刻（６９．８μ秒）をひび割れ２３の底部を迂回する波の起生時刻と容易に特定することができる。コンクリート塊２１中の超音波伝播速度を４．３ｍｍ／μ秒とすると、ひび割れ２３の深さは下記数式４で求められる。
【００７５】
【数４】0004050470.tif 000005
【００７６】
このように、実値と完全に一致する値が得られた。これは、前述の厚さ測定の場合と同様に、ひび割れ２３の底部を迂回する迂回波２４については各探触子１２ａ及び１２ｂの位置が夫々移動領域１１ａ及び１１ｂ内で変化しても幾何学的関係よりその径路長は変化しないものとみなすことができる一方で、貫通鉄筋２２を径路する波２５の伝達距離は大きく変動しその位相が大きく変動するからである。このため、加算平均の回数が増加するのに伴って迂回波２４の起生を示す時系列波の振幅が大きくなり、波２５のそれが消滅していったのである。
【００７７】
なお、図９に示す時系列波形は受信波又はその加算平均をとったものそのものではなく、それらに以下に示す処理を行ったものである。
【００７８】
先ず、計測原波をｙ（ｔ）とし、０乃至４０９μ秒の間で下記数式５及び６の２回のフィルタリング処理を行った。
【００７９】
【数５】0004050470.tif 000006
【００８０】
【数６】0004050470.tif 000007
【００８１】
更に、下記数式７乃至１２の６回のフィルタリング処理を行った。
【００８２】
【数７】0004050470.tif 000008
【００８３】
【数８】0004050470.tif 000009
【００８４】
【数９】0004050470.tif 000010
【００８５】
【数１０】0004050470.tif 000011
【００８６】
【数１１】0004050470.tif 000012
【００８７】
【数１２】0004050470.tif 000013
【００８８】
但し、Δｔは（１０6／（２×ｆHL））、ｆHLは６２５ｋＨｚである。
【００８９】
そして、ｙ8（ｔ）を時系列波形として図９に示した。このようなフィルタリング処理を行うことにより、逆高速フーリエ変換（ＦＦＴ）演算が不要であるので、解析時間が短縮される。また、逆ＦＦＴ演算による時系列波形への誤差の混入が回避される。更に、前述の解析の対象は０乃至４０９μ秒の測定原波であるが、図９（ｃ）に示すｔa乃至ｔbの間のみの測定原波を解析対象としてそのフィルタリング処理を行うことにより、解析時間を著しく低減することができる。
【００９０】
なお、図９（ｂ）及び（ｃ）に示す波形は、図８（ｂ）に示すように、発信探触子及び受信探触子の双方を夫々の移動領域１１ａ及び１１ｂ内で任意に移動させることにより得たものであるが、いずれか一方の位置を固定し、他方のみを移動させながら測定してもよい。図１０（ａ）及び（ｂ）は一方の探触子の移動方法を示す模式図である。
【００９１】
一方の探触子６１ａの位置を固定し、他方の探触子６１ｂのみを移動させる方法としては、図１０（ａ）に示すように、探触子６１ａを中心とする略円弧上で探触子６１ｂを移動させながら加算平均時系列波を得る方法がある。また、図１０（ｂ）に示すように、探触子６１ｂを所定の領域内で任意に移動させてもよい。この場合、探知装置の使用方法を熟知した者であれば、ゲートアレイによる加算平均をとらなくても起生時刻を確認することができる。即ち、左右の貫通鉄筋６２ａ及び６２ｂを径路する波が相互に干渉し合うので、探触子６１ｂを移動させる毎にその時点での時系列波形を表示装置に表示させれば、貫通鉄筋６２ａ及び６２ｂを径路する波が実質的に消滅したものとなり、ひび割れ６３の底部を迂回する波の起生時刻を確認することができる。但し、この方法で起生時刻を認識するには極めて高度な熟練が必要とされるので、容易に起生時刻を得るためには、加算平均をとることが必要である。
【００９２】
次に、コンクリート材に埋め込まれた異形鉄筋の深さ及び径の計測例について説明する。図１１は異形鉄筋の深さ及び径の計測例における被探知材を示す断面図である。
【００９３】
被探知材であるコンクリート材３１には、その表面から５０ｍｍの深さに径が１９ｍｍの異形鉄筋３２が埋め込まれている。
【００９４】
上述のようなコンクリート材３１における異形鉄筋３２の深さ計測では、共振振動数が２．５ＭＨｚの発信探触子３３ａ及び受信探触子３３ｂを４０ｍｍの間隔で異形鉄筋３２の直上に配置した。また、ステップ型電圧は５００Ｖとし、発信探触子３３ａにこのステップ型電圧を２．５ｍ秒の間隔で１０００回連続して印加した。つまり、計測時間は約２．５秒間となる。そして、入力超音波毎に受信超音波を収録し、図１に示す探知装置により加算平均を行った。その後、加算平均により得られた波形に所定のフィルタリング処理を行った。
【００９５】
このフィルタリング処理では、ｓｉｎk（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とｃｏｓn（（π／２）×（ｆ／ｆHL））とを乗じた下記数式１３に示す関数をフィルタとして使用し、加算平均波ｙB（ｔ）＝ＹB・ｅｘｐ（ｉωyｔ）のＹBにこの関数を乗じた。
【００９６】
【数１３】0004050470.tif 000014
【００９７】
以下、ｓｉｎ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））をＣ1、ｃｏｓ（（π／２）×（ｆ／ｆHL））をＣ2と記す。
【００９８】
図１２は探触子３３ａ及び３３ｂを定点Ｃの両側に固定したまま計測を行ったときに得られたスペクトルを示すグラフ図である。なお、図１２に示すスペクトルは、１０００回の加算平均受信波をｙ（ｔ）＝Ｙ・ｅｘｐ（ｉωyｔ）とし、ｆHL＝２．５ＭＨｚの条件の下でＣ16・Ｃ24・Ｙ（但し、ｆHL＝２．５ＭＨｚ）のフィルタリング処理を行うことにより得られた広帯域（０乃至２．５ＭＨｚ）の振動成分を有する波のスペクトルである。
【００９９】
また、図１３は異形鉄筋の深さの計測結果を示す図であって、（ａ）は各探触子３３ａ及び３３ｂを定点Ｃの両側に固定したまま計測を行ったときに得られた時系列波形を示すグラフ図、（ｂ）は各探触子３３ａ及び３３ｂを点Ｃから点Ｄまで移動させながら計測を行ったときに得られた時系列波形を示すグラフ図である。なお、図１３（ａ）及び（ｂ）においては、横軸の１０４μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の２０４秒は発信時刻から１００μ秒が経過していることを示している。
【０１００】
図１１に示すコンクリート材３１中のたて波超音波の伝播速度は４．２ｍｍ／μ秒であり、下記数式１４より発信してから２５．６μ秒後に鉄筋上端からの反射波３４の起生が確認されるはずである。
【０１０１】
【数１４】0004050470.tif 000015
【０１０２】
しかし、図１３（ａ）に示すように、各探触子３３ａ及び３３ｂを固定したまま計測を行った場合には、破線が示す２５．６μ秒で反射波３４の起生を特定することはできない。
【０１０３】
一方、図１３（ｂ）に示すように、各探触子３３ａ及び３３ｂを点Ｃから異形鉄筋３２直上の点Ｄまで、ほぼ一定の速度でその間隔を４０ｍｍに保持し直線的に移動させながら超音波発振毎に得られる受信波を１０００回加算平均した波の場合には、破線が示す２５．７μ秒に反射波３４の大きな振幅の起生を確認できる。なお、各探触子３３ａ及び３３ｂの夫々の発信面及び受信面が表面に密着するように、コンクリート材３１の表面には予め超音波伝達媒質を塗布した。
【０１０４】
図１３（ａ）及び（ｂ）における縦軸は同一スケールで表示している。図１３（ａ）においては、振幅が大きな波が多数起生しているが、これらは、直接波３５、表面波３７、たて波及び散乱波（図示せず）等の起生を示している。発信探触子３３ａと受信探触子３３ｂとの間隔が４０ｍｍと短いため、直接波３５、表面波３７、たて波及び散乱波の振幅が大きく長時間持続している。そして、探知目標である反射波３４がこれらの波の中に埋もれてしまっている。
【０１０５】
ところで、計測位置近傍の粗骨材（径が１乃至２ｃｍ程度の細石）及び径が１乃至２ｍｍ程度の気泡の存在は、直接波３５及び散乱波の振幅及び位相を計測位置により大きく変動させる。従って、発信探触子３３ａ及び受信探触子３３ｂを移動させながら受信波の加算平均を行えば、異なる位相を持った波は相互に打ち消し合うので、加算回数が増加するに連れ直接波３５及び散乱波が消滅していく。このとき、探触子間隔を一定に保持していれば、鉄筋上端からの反射波３４及び下端からの反射波３６の径路長は変化せず、その位相も変化しない。このため、反射波３４の振幅は、加算回数が増加するに連れ相対的に増幅していく。従って、図１３（ｂ）に示すように、１０００回の加算平均により鉄筋上端からの反射波３４が卓越してきたわけである。
【０１０６】
しかし、図１３（ｂ）において確認できる反射波の起生は反射波３４のもののみであり、鉄筋下端からの反射波３６の起生は確認できない。円形断面を有する鉄筋等の探知の場合、鉄筋下端からの反射波３６に含まれている振動数成分は極めて微少である。しかしながら、多くの測定例によれば、鉄筋径を測定する情報を与える他の起生波を低周波成分の波として取り出すことができる。以下に低周波成分の波の取り出し方法を説明する。
【０１０７】
先ず、図１３（ｂ）に示す時系列波をｙ1,1（ｔ）＝Ｙ1,1・ｅｘｐ（ｉωyｔ）とし、ｆHL＝２．５ＭＨｚの条件の下でＣ2n・Ｙ1,1のフィルタリング処理を行う。実際には、以下の数式１５及び１６に示す計算を行ってもよい。
【数１５】0004050470.tif 000016
【０１０８】
【数１６】0004050470.tif 000017
【０１０９】
但し、Δｔは（１０6／（２×ｆHL））、ｆHLは２．５ＭＨｚである。そして、ｙn,1（ｔ）を求め、これを高速フーリエ変換して、Ｃ2n・Ｙ1,1を求めればよい。
【０１１０】
図１４はＣ2n・Ｙ1,1のフィルタリング処理により得られたスペクトルを示すグラフ図である。図１４において、細線はｎ＝２５のときのスペクトルであり、太線はｎ＝５５のときのスペクトルである。
【０１１１】
図１５は図１４に示すスペクトルに対応する時系列波形を示す図であって、（ａ）はｎ＝２５のときのグラフ図、（ｂ）はｎ＝５５のときのグラフ図である。但し、図１５（ａ）及び（ｂ）に示す時系列波形は実際に得られた時系列波を各時刻において４乗したものである。なお、図１５（ａ）及び（ｂ）においては、横軸の１０４μ秒が超音波の発信時刻であり、例えば図中の２０５秒は発信時刻から１０１μ秒が経過していることを示している。
【０１１２】
図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ｎ＝５５の時系列波の方が、ｎ＝２５の時系列波よりも多くの低周波成分を有している。そして、ｎ＝５５の時系列波においては、図１３（ａ）及び（ｂ）に示す高周波成分を多く含む時系列波では確認することができなかった鉄筋３２の径の情報を与える波の起生を示すピーク３７が、鉄筋上端からの反射波３４のピーク３４ａより後の破線で示す時刻に確認できる。
【０１１３】
しかし、ピーク３７が示す波は鉄筋下端からの反射波３６を示すものではない。図１６は異形鉄筋における超音波の径路を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線による断面図である。図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、円形断面を有する鉄筋等においては、その下端からの反射波３６の強度は極めて弱く、多くの計測においてその確認は特別な他の計測法を用いなければ困難であった。
【０１１４】
一方、図１４に示すような１５０乃至５００ｋＨｚの低周波広帯域のスペクトルで時系列波を取り出せば、同種のいかなる計測例によっても図１５（ｂ）に示すピーク３７ａが確認できる。
【０１１５】
そこで、コンクリート材に埋め込まれた円形断面を有する鉄筋、管及び円状の空洞等においては、それらの円周方向に沿って伝達する超音波が存在すると考えられる。図１７は円形鉄筋において円周方向に沿って伝達する超音波を示す模式図である。実際に円形鉄筋３２ａについて約５０回の測定及び検証を行った結果、ピーク３７は鉄筋の円周に沿って鉄筋材内及びコンクリート材内を迂回し伝達する波の重畳波起生であることが確認された。この結果、鉄筋上端からの反射波の起生時刻及び鉄筋等を迂回する迂回波の起生時刻から鉄筋の直径を算出する下記数式１７が導かれた。
【０１１６】
【数１７】0004050470.tif 000018
【０１１７】
但し、ｄは鉄筋の直径、ｔ1は鉄筋上端からの反射波の起生時刻、ｔ2は鉄筋を迂回する迂回波の起生時刻、ＶPは鉄材中のたて波超音波の伝播速度である。
【０１１８】
数式１７に前述の測定におけるｔ1＝２５．５（μ秒）、ｔ2＝３７．３（μ秒）、ＶP＝５．９（ｍｍ／μ秒）を代入すると、ｄ＝２２（ｍｍ）となる。実際の１９ｍｍの異形鉄筋３２の最大径は２１．５ｍｍ、最小径は１８ｍｍである。ほぼ正確に測定できている。
【０１１９】
なお、数式１７は円形断面を有する鉄筋だけでなく、前述の管及び円状の空洞等においても成り立つものである。
【０１２０】
また、図１１に示すコンクリート材３１の表面には髪の毛よりも細い微細なひび割れが複数生じている。これに対し、このようなひび割れが形成されていないコンクリート材に対して同様の測定を行った場合には、得られる波形が相違する。図１８（ａ）及び（ｂ）はこのようなひび割れが形成されていないコンクリート材から得られる時系列波形を示すグラフ図である。
【０１２１】
図１８（ａ）に示すように、ひび割れが形成されていないコンクリート材から得られる時系列波は、図１３（ｂ）に示すひび割れが形成されたコンクリート材のそれと著しく相違する。図１９（ａ）乃至（ｃ）並びに図２０（ａ）及び（ｂ）はひび割れが形成されていないコンクリート材中での超音波の伝達径路を示す模式図である。図１８（ａ）においては、異形鉄筋７７の細径部からの反射波７１の起生７１ａが極めて強く現れている。また、探触子間の表面波７２の起生７２ａ及び異形鉄筋７７の太径部からの反射波７３の起生７３ａも強く現れている。
【０１２２】
また、図１８（ｂ）は反射波７１及び７３並びに表面波７２による振幅を小さくし鉄筋の周囲に沿って迂回する迂回波７４の起生７４ａ（鉄筋内）及び７４ｂ（コンクリート材内）並びに７．５ｃｍ離れた端部からのコーナー反射波７５の起生７５ａを大きくしたものである。このように、所望の波の振幅のみを増幅させることも可能である。なお、探触子間の距離は４０ｍｍであり、異形鉄筋７７はコンクリート材の表面から５０ｍｍの深さに埋め込まれている。また、図１９（ｃ）に示すような異形鉄筋７７の下端からの反射波７６の起生は図１８（ａ）及び（ｂ）でも確認されなかった。更に、図１８（ａ）に示す時系列波形は実際に得られた時系列波を各時刻において３乗したものであり、図１８（ｂ）に示すものは同様に３乗したものである。
【０１２３】
一般に、コンクリート材の表面には目に見えない程度の微細なひび割れが多数存在し、また、コンクリート材の経年変化としての劣化等は避けることができない。従って、図１８（ａ）及び（ｂ）に示すような時系列波が得られるのは極めて運がよい場合のみである。従って、図１４並びに図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、前述のような処理を行い低周波成分の波で取り出す必要がある。
【０１２４】
以上、コンクリート材の厚さ、ひび割れ深さ並びに鉄筋のかぶり厚及び径の測定が可能であることを示した。しかし、コンクリート材の状態によっては、上述の方法のみでは十分な測定を行うことができない場合がある。これは、コンクリート材に次のような６つの特性があるからである。第１に、コンクリート材はセメントと径が１乃至３ｃｍの石（粗骨材）とを混合し硬化させたものであり、超音波がセメントと粗骨材との界面で散乱してしまう。第２に、一般的なコンクリート材では、その内部に径が１乃至１０ｍの無数の気泡が含まれており、この気泡により散乱現象が増幅される。第３に、コンクリート材の強度は、建設対象によって３６０乃至７００（ｋｇ／ｃｍ2）と大きく相違しており、超音波の伝達特性及び減衰特性はこの強度により大きく変化する。第４に、コンクリート材には、経年変化としての劣化現象が存在し、超音波の伝達特性及び減衰特性はこの劣化の度合いでも大きく変化する。第５に、散乱現象が発生するために、床、柱及び梁等の探知対象の形状が受信超音波の波形に大きく影響する。例えば、柱又は梁では、直接波とよばれるコンクリート材内を回り込む波が大きく発生し、探知対象からの反射波等がこの中に埋もれてしまう。第６に、コンクリート材の表面では、多数の微細で大きなひび割れが形成されていることが一般的であり、このようなひび割れにより探知が困難となる場合がある。
【０１２５】
例えば、劣悪な環境下で１０乃至２０年経過したコンクリート材を探知対象とした場合には、その厚さ測定等は困難である。
【０１２６】
このような場合、発信探触子及び受信探触子に次のような治具を取り付けて測定を行うことにより、正確な測定を行うことができるようになる。この治具を取り付けた測定を第３の実施例とする。図２１は本発明の第３の実施例における治具を示す模式図である。
【０１２７】
第３の実施例には、発信探触子Ｃ１と受信探触子Ｃ２との間隔を一定に保持するｋ種類の治具Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・、Ｄｋが設けられている。治具Ｄ１における探触子間隔はｌ1、治具Ｄ２における探触子間隔はｌ2、治具Ｄ３における探触子間隔はｌ3、治具Ｄｋにおける探触子間隔はｌkとなっている。そして、これらの探触子間隔には、ｌk+1−ｌk＝Δｌ（一定）の関係が成立している。
【０１２８】
このような治具を備えた第３の実施例を使用した探知方法においては、各治具毎に前述の探知方法と同様に測定波の加算平均を同一回数（ｎ）行い、その後、これらの加算平均波を更に加算平均する。治具Ｄｉにおけるｊ回目の測定における受信波をωDi,j（ｔ）とすると、治具Ｄｉにおける加算平均をｙDi（ｔ）は下記数式１８で表される。
【０１２９】
【数１８】0004050470.tif 000019
【０１３０】
そして、探知装置に具備されているゲートアレイ又はＣＰＵにより、下記数式１９又は２０の加算平均を行うことにより、全測定による加算平均ｙave（ｔ）を算出する。なお、この加算平均は外付けのノート型パーソナルコンピュータを使用して行ってもよい。
【０１３１】
【数１９】0004050470.tif 000020
【０１３２】
【数２０】0004050470.tif 000021
【０１３３】
次に、このような加算平均を算出することにより得られる効果について説明する。図２２は加算平均ｙDk（ｔ）と加算平均ｙDk+1（ｔ）との間で任意の振動数の成分が１周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、（ａ）は加算平均ｙDk（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は加算平均ｙDk+1（ｔ）を示す模式図、（ｃ）はこれらの加算平均fｙave（ｔ）を示す模式図である。図２２（ａ）及び（ｂ）に示すように、加算平均ｙDk（ｔ）と加算平均ｙDk+1（ｔ）との間で任意の振動数の成分が１周期分ずれている場合、図２２（ｃ）に示すように、最初の１周期分の振幅が加算平均ｙDk（ｔ）のそれの１／２となり、それ以降は加算平均ｙDk（ｔ）及びｙDk+1（ｔ）のものと同一のものとなっている。但し、加算平均ｙDk（ｔ）及び加算平均ｙDk+1（ｔ）の成分波の振幅を夫々１．０とした。
【０１３４】
図２３は加算平均ｙDk（ｔ）と加算平均ｙDk+1（ｔ）との間で任意の振動数の成分が１／２周期分ずれている場合のこれらの加算平均を示す図であって、（ａ）は加算平均ｙDk（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は加算平均ｙDk+1（ｔ）を示す模式図、（ｃ）はこれらの加算平均f/2ｙave（ｔ）を示す模式図である。図２３（ａ）及び（ｂ）に示すように、加算平均ｙDk（ｔ）と加算平均ｙDk+1（ｔ）との間で任意の振動数の成分が１／２周期分ずれている場合、図２３（ｃ）に示すように、最初の１周期分の振幅が加算平均ｙDk（ｔ）のそれの１／２となり、それ以降は０となっている。
【０１３５】
なお、このように２周期目以降の振幅が０となる振動数の成分波は１／２ｆの振動数だけではなく、（ｎ±１／２）×ｆ（ｎ；自然数）の振動数成分においてこのような現象が生じる。
【０１３６】
さて、コンクリート材の厚さ測定等を例にすれば、探触子間隔がΔｌ異なる治具を用いて計測した２つの加算平均波で反射波等の受信時刻が大きく変化する伝達径路の波が存在する。図２４は図７２（ｂ）に示すＡ’−Ｂ’間の計測を２探触子法を採用して測定した場合に生じる波の伝達を示す模式図である。
【０１３７】
コンクリート材５１ａの底面からの反射波２０１の受信時刻は、探触子間隔が変化してもほとんど変化しないが、径路波２０２、２０３及び２０４の受信時刻は、上述のように探触子間隔の変化により大きく変化する。
【０１３８】
このときの２つの波の受信時刻差Δｔ（μ秒）は超音波の伝達速度をｖ（ｍｍ／μ秒）とすると、下記数式２１が成り立つ。
【０１３９】
【数２１】0004050470.tif 000022
【０１４０】
そして、これに相当し加算平均ｙave（ｔ）が図２２及び３０のようになる振動数ｆは下記数式２２で表される。
【０１４１】
【数２２】0004050470.tif 000023
【０１４２】
そして、探触子Ａ1及びＡ2間の等価音速を利用すれば、振動数ｆの概略値を求めることができる。
【０１４３】
一般的なコンクリート材中における超音波のたて波の伝達速度を４．０（ｍｍ／μ秒）とすると、前述の径路波２０２乃至２０４の伝達速度は３乃至４（ｍｍ／μ秒）程度とばらつくことになる。従って、数式１９又は２０を使用した加算平均においては、下記数式２３に示す周波数範囲の成分波が、図２２（ａ）及び（ｂ）に示すように、減衰していないものと考えれば径路波２０２乃至２０４が減衰せずに、長時間継続する。このため、探知目標である反射波２０１が径路波２０２乃至２０４の中に埋もれてしまうことになる。
【０１４４】
【数２３】0004050470.tif 000024
【０１４５】
一方、１／２ｆの周波数成分においては、径路波２０２乃至２０４は図２３（ｃ）に示すように、大きく減衰する。また、反射波２０１の伝達長は幾何学的関係よりほとんど変化しないため、即ち、位相ずれがほとんど生じないので、相対的に増幅する。
【０１４６】
このように、前述の２個の治具を使用し、探触子間隔の変化量Δｌに対し数式２１及び２２から得られる振動数ｆの１／２の振動数に相当する周波数を中心とする成分を数式１９又は２０の加算平均により得られた波から取り出せば、反射波２０１が径路波２０２乃至２０４の中に埋もれることなく浮かび上がってくる。
【０１４７】
次に、本発明の第３の実施例を使用した実際のコンクリート材の厚さ測定方法及びその結果について説明する。
【０１４８】
ここでは、共振振動数が２．５ＭＨｚ、径が２０ｍｍの２個の振動子を使用し、探触子間隔が８１ｍｍとなる治具Ｄ１及び探触子間隔が１０８ｍｍとなる治具Ｄ２を使用し、ステップ型電圧を印加した。即ち、Δｌは２７ｍｍである。そして、図３に示すように、探触子を所定領域内で移動させながら、図７２（ｂ）のＡ’−Ｂ’間の距離の測定のために各治具について４０００回の加算平均を行った。その後、数式２０に示す加算平均を行い、この結果得られた波から６５ｋＨｚを中心周波数とする成分波を取り出した。図２５はこの場合のｙave（ｔ）の波を示す図であって、（ａ）はフーリエスペクトルを示すグラフ図、（ｂ）は時系列波を示すグラフ図である。図２５（ｂ）中の点線で示すように、底面からの反射波の起生が明敏に浮かび上がっている。
【０１４９】
一方、治具Ｄ２のみを使用し、数式１９又は２０に示す加算平均を行わなかった場合には、反射波の起生の確認が困難であった。図２６は治具Ｄ２のみを使用した場合に得られた波を示す図であって、（ａ）はフーリエスペクトルを示すグラフ図、（ｂ）は時系列波を示すグラフ図である。この場合にも、４０００回の測定の加算平均を示す合成波から６５ｋＨｚを中心周波数とする成分波を取り出した。図２６（ｂ）中の点線が示す時刻が反射波が起生する理論的時刻であるが、その判別は困難となっている。
【０１５０】
なお、上述の探知において最終的に６５ｋＨｚの成分波を取り出したのは、以下の理由による。数式２３にΔｌ＝２７ｍｍを代入すると、振動数ｆは１１０乃至１５０ｋＨｚとなる。この１／２の値は、５５乃至７５ｋＨｚとなる。そして、この範囲の中心をとったものが６５ｋＨｚである。
【０１５１】
ここで、振動数の１／２の値を使用せずにその中心である１３０ｋＨｚを使用した場合に得られる波について説明する。この場合に、数式２０により加算平均を求めると、前述のように、反射波以外の径路波が増幅されるので、探知目標である反射波２０１が径路波２０２乃至２０４の中に埋もれてしまう。図２７は１３０ｋＨｚを中心周波数とした場合に得られる波を示す図であって、（ａ）はフーリエスペクトルを示すグラフ図、（ｂ）は時系列波を示すグラフ図である。図２７（ｂ）に示す点線の時刻が反射波２０１が起生する理論的時刻であるが、その判別は困難なものとなっている。
【０１５２】
なお、理論的には、反射波２０１は、上記２つの治具による径路長の変化Δｌを用いて数式２１及び２２で算定される振動数ｆより、（ｎ±１／２）×ｆの成分波において浮かび上がることになるが、実際には、以下の理由によりこのようにはならない。図２２（ｃ）及び図２３（ｃ）に示す成分波の加算平均は成分波が減衰していないと仮定したものである。実際には、図２５に示すように、反射波等は数波からなるため、振動数が数式２１及び２２から求められる値よりも大きい場合には、反射波２０１が増幅せず消滅する。そして、この現象は、測定対象であるコンクリート材の厚さが厚ければ厚いほど、波の成分が高周波になるほど、加速度的に大きくなる。このような理由により、反射波が浮かび上がらない場合がある。
【０１５３】
次に、本発明の第３の実施例を使用した鉄筋の平面的位置及びかぶり厚の実際の測定方法及びその結果について説明する。
【０１５４】
図２２及び図２３は、２つの治具で計測した夫々の加算平均波において位相が１周期分ずれる任意の低周波の波の振動数ｆと、その（１／２）ｆの振動数の成分波の加算平均がどのようになるかを示したものであった。これを拡張し、横軸に振動数、たて軸にその振動数成分の加算平均波の加算平均の振幅の規格値を示したものが図２８である。振幅は余弦関数の絶対値をとったものとなっている。なお、図中のｆは探触子間隔Δｌに対して数式２１及び２２から算出されたものである。
【０１５５】
図２９は探知対象である鉄筋が埋め込まれたコンクリート材を示す断面図である。この探知で使用されるコンクリート材８１の縦、横及び高さの寸法は、いずれも３００ｍｍである。そして、両側壁から７５ｍｍの位置に合計で４本の径が１９ｍｍの異形鉄筋８２が埋め込まれている。また、２本の異形鉄筋８２の深さは表面から５０ｍｍであり、他の２本のそれは表面から２３０ｍｍである。そして、鉄筋８２の長手方向に直交する方向に１３点の計測位置Ｐ１乃至Ｐ１３を設定した。
【０１５６】
そして、各計測位置毎に２種の治具を使用して夫々６００回の加算平均（数式１８）を求め、更にこれらの加算平均ｙave（ｔ）を算出した。また、このときの測定方法としては、図１１に示すように、発信探触子及び受信探触子をスライドさせるように移動させた。なお、一方の治具における探触子間隔は１１０ｍｍであり、他方の治具における探触子間隔は１３５ｍｍであり、それらの差Δｌは２５ｍｍである。このときの探触子は、前述の第３の実施例で使用したコンクリート材の厚さ測定に使用したものと同一のものである。
【０１５７】
図３０は図２９に示す異形鉄筋８２の探知の際に生じる波の伝達を示す模式図である。探触子間隔が１１０ｍｍのときの上側鉄筋８２上端からの反射波８３ａの受信時刻と探触子間隔が１３５ｍｍのときのそれとの差は、このコンクリート材８１における超音波の伝達速度が４．４４ｍｍ／μ秒であるため、数式２１から下記数式２４で表される。
【０１５８】
【数２４】0004050470.tif 000025
【０１５９】
従って、これに相当する振動数ｆAは数式２２より２３００ｋＨｚとなる。即ち、図２８において、これらの加算平均の成分波はｆ＝ｆA＝２３００ｋＨｚとしたときに最大振幅となり、１／２ｆA＝１１５０ｋＨｚとしたときに最小振幅となる。そして、振動数ｆｉが１／２ｆAから０に近づくに連れて余弦関数に基づいてその振幅が増大する。
【０１６０】
一方、コンクリート材８１の表面を伝達する波８５ａ及び８５ｂについての受信時刻差Δｔ及びこれに相当する振動数ｆBは、それが表面波の場合には、音速を４．４４×０．５９ｍｍ／μ秒として、下記数式２５及び２６で表され、それがたて波の場合には、下記数式２７及び２８で表される。
【０１６１】
【数２５】0004050470.tif 000026
【０１６２】
【数２６】0004050470.tif 000027
【０１６３】
【数２７】0004050470.tif 000028
【０１６４】
【数２８】0004050470.tif 000029
【０１６５】
また、直接波８４ａ及び８４ｂについての受信時刻差Δｔ及びこれに相当する振動数ｆBは、直接波の等価速度をたて波の１／２程度と考えれば、下記数式２９及び３０で表される。
【０１６６】
【数２９】0004050470.tif 000030
【０１６７】
【数３０】0004050470.tif 000031
【０１６８】
従って、図２８に示すように、これらの波は、振動数ｆｉがｆB、２ｆB、３ｆB、・・・となったときに、最大振幅となる。しかし、入力超音波のこれら成分波が数波で減衰するものであれば、加算平均波に含まれる同一の成分波も数波で減衰したものとなる。例えば、５０ｋＨｚの波で２波、５００ｋＨｚ以上の波で１波程度とすると、周波数ｆBに相当する周波数よりも周波数が高くなると、その波は消滅していく。図３１は振動数成分を２ｆBとし、２種の治具を使用したときの波を示す図であって、（ａ）は短い探触子間隔で得られる加算平均ｙD1（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は長い探触子間隔で得られる加算平均ｙD2（ｔ）を示す模式図、（ｃ）はこれらの数式２０による加算平均ｙave（ｔ）を示す模式図である。図３１（ａ）及び（ｂ）に示すように、数式２１及び２２で決まるΔｔの周期の波の波数が２波程度であれば、それらの加算平均ｙave（ｔ）の振幅は加算平均波ｙD1（ｔ）及びｙD2（ｔ）の１／２となる。
【０１６９】
以上より、図２９に示す測定において２つの前述の治具を用い、数式１９又は２０の加算平均ｙave（ｔ）を算出した後、２ｆB乃至１／２ｆAの振動数領域で、任意の中心周波数の成分波をフィルタ処理により取り出せば、探知目標とする鉄筋からの反射波等を取り出すことができる。図３２は取り出した中心周波数が５９０ｋＨｚの周波数成分のフーリエスペクトルを示すグラフ図であり、図３３は各計測位置における図３２に示すスペクトルに対応する時系列波形を示す模式図である。
【０１７０】
図３３に示すように、散乱波、直接波並びにコンクリート表面を伝達するたて波及び表面波が除去され、探知目標である異形鉄筋８２からの反射波等のみが計測位置Ｐ３及びＰ１１において浮かび上がっている。即ち、計測位置Ｐ３及びＰ１１のほぼ直下に鉄筋８２が存在していることが示され、そのかぶり厚が約５ｃｍであることが示されている。なお、図３３においてかぶり厚を示す縦軸の数値はよこ波の伝達速度から求めたものである。また、図３３は実際に得られた波形を４乗することにより得られたものである。
【０１７１】
更に、上述の径が１９ｍｍの異形鉄筋８２のかぶり厚をより一層高精度に、そして、その径を求めるために以下の測定を行った。ここでは、探触子間隔が４ｍｍずつ相違する４個の治具を使用した。図３４は各治具における探触子間隔を示す模式図である。治具Ｄ１の探触子間隔ｌ1は４０ｍｍ、治具Ｄ２の探触子間隔ｌ2は４４ｍｍ、治具Ｄ３の探触子間隔ｌ3は４８ｍｍ、治具Ｄ４の探触子間隔ｌ4は５２ｍｍである。そして、これらの平均間隔ｌaveは４６ｍｍである。なお、異形鉄筋８２の大径は２１．５ｍｍ、小径は１８ｍｍ、大径の間隔は１２ｍｍである。
【０１７２】
先ず、図１１に示す測定と同様にして、治具毎に図２９の計測位置Ｐ３の上で探触子を１０ｃｍ移動させながら１０００回の加算平均ｙDi（ｔ）を求めた。次いで、数式２０により下記数式３１に示す加算平均ｙave（ｔ）を算出した。
【０１７３】
【数３１】0004050470.tif 000032
【０１７４】
その後、６９０ｋＨｚを中心周波数とし図３２に示すフーリエスペクトルと類似した帯域の成分波を取り出した。そして、この波の振幅を２乗した。図３５はこの場合の時系列波形を示すグラフ図である。また、図３５における各起生波の起生時刻を下記表１に示す。なお、表１には、参考のため、１２００ｋＨｚを中心周波数としてとりだした場合の起生時刻も示してある。
【０１７５】
【表１】0004050470.tif 000033
【０１７６】
これらの起生波のうち、ピーク９１乃至９７は直下の鉄筋８２からの反射波又は鉄筋８２の円周に沿って鉄筋８２又はコンクリート材８１内を迂回する波を示している。
【０１７７】
以下、表１に示す起生時刻から鉄筋のかぶり厚及び径を測定する。
【０１７８】
鉄筋のかぶり厚については、ピーク９１が鉄筋８２の上端からの反射波を示しているので、その伝達長ａは２３．３×４．４４／２より５１．７３ｍｍとなる。また、多くの計測の結果、鉄筋のかぶり厚をｄとすると、下記数式３２が成り立つ。
【０１７９】
【数３２】0004050470.tif 000034
【０１８０】
但し、ｃは探触子の径である。そして、ａ＝５１．７３等を数式３２に代入すると、下記数式３３としてかぶり厚が求められる。
【０１８１】
【数３３】0004050470.tif 000035
【０１８２】
実測値は、前述のように５０ｍｍであるので、極めて高い精度が得られているといえる。
【０１８３】
また、ピーク９２乃至９７が示す起生は、直下の鉄筋８２を径路する波である。図３６（ａ）はピーク９２に該当する起生波を示す模式図、（ｂ）はピーク９３に該当する起生波を示す模式図、（ｃ）はピーク９４及び９６に該当する起生波を示す模式図、（ｄ）はピーク９５及び９７に該当する起生波を示す模式図である。
【０１８４】
即ち、ピーク９２に該当する起生波９２ａは、鉄筋８２の横方向の端部からの反射波である。また、ピーク９３に該当する起生波９３ａは、鉄筋８２の上端で屈折し下端で反射され更に上端で屈折した波である。ピーク９４に該当する起生波９４ａは、鉄筋８２の円周に沿って鉄筋８２内を迂回するたて波であり、ピーク９６に該当する起生波９６ａは、同様のよこ波である。また、ピーク９５に該当する起生波９５ａは、鉄筋８２の円周に沿ってコンクリート材８１内を迂回するたて波であり、ピーク９７に該当する起生波９７ａは、同様のよこ波である。
【０１８５】
以上の判断は、２００例程度の同種の測定結果を基に測定の再現性を含めた検討よりなされたものである。
【０１８６】
理論的に考えれば、異形鉄筋を径路する波の起生順序は、その径路長及び音速により次のように整理することができる。図６６は種々の径路における起生順序を示す模式図である。
【０１８７】
図６６において、起生波１０１ａ及び１０１ｂは鉄筋上端からのたて波反射であり、前者が大径径路、後者が小径径路である。
【０１８８】
起生波１０２は異形鉄筋の長さ方向にある突起からのたて波反射である。
【０１８９】
起生波１０３ａ及び１０３ｂは起生波９３ａの径路のたて波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【０１９０】
起生波１０４ａ及び１０４ｂは起生波９４ａの径路の鉄筋内をたて波で迂回する波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【０１９１】
起生波１０５ａ及び１０５ｂは起生波９５ａの径路のたて波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【０１９２】
起生波１０６ａ及び１０６ｂは起生波９６ａの径路の鉄筋内をよこ波で迂回する波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【０１９３】
起生波１０７ａ及び１０７ｂは起生波９７ａの径路のコンクリート材内をよこ波で迂回する波であり、前者が小径径路、後者が大径径路である。
【０１９４】
以上の起生波はコンクリート材内を全てたて波で伝達する波である。これ以外に比較的勢力が大きいものとして、コンクリート材内の往路をたて波で、復路をよこ波で伝達する波もある。起生波１０９ａ、１０９ｂ、１１０ａ及び１１０ｂがこのような波である。
【０１９５】
即ち、起生波１０９ａ及び１０９ｂは起生波９６ａの鉄筋内をよこ波で迂回する径路をとり、コンクリート材内での伝達が往路でたて波、復路でよこ波となる。前者が小径径路、後者が大径径路である。
【０１９６】
起生波１１０ａ及び１１０ｂは起生波９７ａのコンクリート材内をよこ波で迂回する径路をとり、コンクリート材内での伝達が往路でたて波、復路でよこ波となる。前者が小径径路、後者が大径径路である。
【０１９７】
前述の測定結果としての図３５の起生波は、６９０ｋＨｚを中心周波数とする低周波での成分波を示したものであった。この程度の周波数では、異形鉄筋からの反射波及び迂回波は、夫々小径からのものと大径からのものとで重畳してしまう。
【０１９８】
以上より、ピーク９１は起生波１０１ａと起生波１０１ｂとが重畳したものであり、ピーク９２は起生波１０２そのものであり、ピーク９３は起生波１０３ａと起生波１０３ｂとが重畳したものであり、ピーク９４は起生波１０４ａと起生波１０４ｂとが重畳したものであり、ピーク９５は起生波１０５ａと起生波１０５ｂとが重畳したものであり、ピーク９６は起生波１０６ａと起生波１０６ｂとが重畳したものであり、ピーク９８は起生波１０８ａと起生波１０８ｂとが重畳したものであるものとして、図３５の起生波が得られたわけである。図３５では起生波１０９ａ及び１０９ｂの重畳波並びに起生波１１０ａ及び１１０ｂの重畳波の起生は見られないが、他の同種の計測で、その起生を確認することができる場合も度々あった。
【０１９９】
従って、鉄筋の形状については、以下のようにして種々の値を求めることができる。先ず、ピーク９１及び９３の起生時刻から大径が、下記数式３４及び３５のように、求められる。
【０２００】
【数３４】0004050470.tif 000036
【０２０１】
【数３５】0004050470.tif 000037
【０２０２】
スネルの定理により得られる大径でのｌの値は２２．５ｍｍであるので、極めて精度が高い。
【０２０３】
また、ピーク９１及び９４の起生時刻から大径が、数式１７を用いて下記数式３６及び３７のように、求められる。
【０２０４】
【数３６】0004050470.tif 000038
【０２０５】
【数３７】0004050470.tif 000039
【０２０６】
更に、ピーク９１及び９５の起生時刻から大径が、下記数式３８及び３９のように、求められる。
【０２０７】
【数３８】0004050470.tif 000040
【０２０８】
【数３９】0004050470.tif 000041
【０２０９】
実際の大径は２１．５ｍｍであるので、極めて精度が高い。
【０２１０】
また、ピーク９１及び９６の起生時刻から小径が、下記数式４０及び４１のように、求められる。
【０２１１】
【数４０】0004050470.tif 000042
【０２１２】
【数４１】0004050470.tif 000043
【０２１３】
更に、ピーク９１及び９７の起生時刻から小径が、下記数式４２及び４３のように、求められる。
【０２１４】
【数４２】0004050470.tif 000044
【０２１５】
【数４３】0004050470.tif 000045
【０２１６】
このように、鉄筋のかぶり厚及び形状が極めて高精度に測定可能である。従って、鉄筋が丸鋼であるか異形鉄筋であるかの判断も可能である。なお、異形鉄筋であるか丸鋼であるかの別の判断法として、ピーク９２の起生の有無を利用してもよい。
【０２１７】
また、コンクリート材中の鉄筋が腐食している場合には、超音波は鉄筋内部を伝達しないので、前述の測定におけるピーク９３、９４及び９６は起生しない。従って、これらのピークの強度により、鉄筋の腐食の進展状況が判断可能である。これにより、コンクリート材の保守及び保全の観点からも極めて高い有用性がある。
【０２１８】
また、コンクリート材中に埋め込まれている部材が塩化ビニル管等であっても、同様の埋め込み深さ及び径の測定が可能である。
【０２１９】
なお、本測定例の場合、４つの治具を用い数式１９及び２０で加算平均波を求めるものであった。この場合、加算平均で増幅する成分波の振動数は数式２１及び２２の代わりに数式４４を用いる。
【０２２０】
【数４４】0004050470.tif 000046
【０２２１】
ここで、ΔＬは探触子間距離の最大値と最小値との差である。前述のコンクリート材８１における超音波の伝達速度がたて波で４．４４（ｍｍ／μ秒）、探触子間を伝達する直接波等の等価音速を２．７乃至３．５（ｍｍ／μ秒）とすると、図１１における直接波３５、表面波３７ａ及びたて波３７ｂ等を増幅させる振動数はΔＬ＝４９０−４００＝９０（ｍｍ）として、下記数式４５乃至４８から求められる。なお、これらの波は探知目標である反射波３４及び３６の特定を困難なものとする波であり、本来除去すべきものである。また、数式４５及び４６はたて波３７ｂのものを示し、数式４７及び４８は表面波３７ａ及び直接波３５のものを示している。
【０２２２】
【数４５】0004050470.tif 000047
【０２２３】
【数４６】0004050470.tif 000048
【０２２４】
【数４７】0004050470.tif 000049
【０２２５】
【数４８】0004050470.tif 000050
【０２２６】
５９０乃至７７０ｋＨｚの振動数ｆにおいて前述の除去すべき波が、理論的には増幅することになる。このような波の起生波が増幅すると、探知目標である反射波３４及び３６が埋もれてしまい、探知不能となってしまう。しかし、前述の測定例では、６８０ｋＨｚを中心周波数とする広帯域周波数成分による取り出しによって望ましいピーク９１乃至９７の起生が極めて明敏に現れていた。なお、図示しないが、１２００ｋＨｚを中心周波数とした場合でも同様である。これは、以下の理由によるものである。
【０２２７】
図３７は入力超音波から１１００ｋＨｚを中心周波数として取り出した広帯域周波数成分の時系列波を示すグラフ図である。図３７に示すように、ほぼ１周期（１μ秒）の波となっている。この超音波は、コンクリート材に入力されると、反射、屈折、モード変換及び減衰を行いながら伝達し受信探触子等により受信される。このとき、受信波の１１００ｋＨｚの成分波は前述の１周期分の入力波が減衰し、振幅が小さくなったものとなる。
【０２２８】
従って、このようなほぼ１周期程度のみの成分波の場合、数式１９又は２０の加算平均を行ったとしても、ΔＬから求められる振動数以上の振動数成分の波は増幅しない。
【０２２９】
図３８（ａ）乃至（ｄ）は各治具を使用したときに得られる波を示す模式図であり、（ｅ）はこれらの加算平均を示す模式図である。前述の測定においては、図３８（ｅ）に示すように、数式２０による４つの波の加算平均により、その結果として得られる加算平均ｙave（ｔ）に含まれる直接波等の振幅は元の１／４となる。更に、図３５においては、この結果を２乗して表示しているので、その振幅は、見掛上（１／４）2＝１／１６となっている。
【０２３０】
一方、探知目標である鉄筋からの反射波等に関して、４０ｍｍであった探触子間隔をΔＬ＝３ｍｍだけ３回変化させ、４９ｍｍとなったときの伝達距離の変化量ΔＬtは、下記数式４９で求められる。
【０２３１】
【数４９】0004050470.tif 000051
【０２３２】
従って、これに相当する振動数は下記数式５０及び５１で表される。
【０２３３】
【数５０】0004050470.tif 000052
【０２３４】
【数５１】0004050470.tif 000053
【０２３５】
従って、探知目標である鉄筋からの反射波の振幅は５．０ＭＨｚの半分の２．５ＭＨｚ程度で最小となり、以降、低周波側に移行するのに伴って増幅する。
【０２３６】
これより、αｆB乃至１／２ｆAの範囲内の任意の中心周波数で広帯域の成分波を取り出せば探知目標である鉄筋を径路する反射波及び迂回波等の起生を極めて高い精度で確認することが可能である。
【０２３７】
前述の第３の実施例で、複数の治具を用いた場合について示した。この場合、加算平均波より数式４４のｆ値の１／２を中心周波数とする成分波を取り出せば、探知を邪魔する表面波及び直接波が低周波領域で最も効率よく除去された波となる理由を以下に詳述する。
【０２３８】
図２１に示すＤ１、Ｄ２…Ｄｋ＋１を用いた（ｋ＋１）個の加算平均波を考える。仮定条件として、これ等加算平均波の任意振動数の成分波の強度は概略同一とする。図３９は数式２０による加算平均の手順を示すものである。最下階（ａ１）に（ｋ＋１）個の加算平均波の計測位置を示している。数式２０でこれ等加算波の加算平均を求めるかわりに、隣り合う位置にある加算平均波を加算すると（ｋ＋１）／２個の加算波が（ａ２）の如く求まる。この処理を繰り返せば、順に（ａ１）→（ａ２）→（ａ３）…→（ａ６）の如くなる。
【０２３９】
最後の（ａ６）の段階で得られる波が数式２０で示す加算平均波となる。（ａ１）段階における各加算波の各成分波の振幅が同一と仮定して、各段階での加算波のスペクトルがどの様に変化していくかを示したものが図４０である。（ａ１）段階におけるスペクトル値を全周波数帯にわたって１．０として表現したとき、ａ１スペクトルが（ａ２）段階での加算波であり、図２８におけるスペクトルの０〜（２／４）ｆの振動数領域を示している。この（１／２）ｆが（ａ２）段階で探知を邪魔する表面波直接波が低周波領域で最も効率よく加算波より除去される振動数となる。
【０２４０】
次の（ａ３）段階の加算波スペクトルはａ２の如くなる。同様にして（ａ４）段階の加算波スペクトルがａ３の如くなる。最後に（ａ６）段階での加算波スペクトルがａ５で示す如く太線で得られることとなる。
【０２４１】
図中に示す（１／２）ｆ０＝ｆ／３２のｆ０値が数式４４で示されるｆ値に対応している。このため、数式４４のかわりに下記数式５２を定義する。
【０２４２】
【数５２】0004050470.tif 000054
【０２４３】
前記３２なる数値は治具の数を３２と想定したためである。治具の数が１２８であれば前記３２なる数値は１２８となる。
【０２４４】
前述の説明はＤｉとＤｉ＋１治具の長さがΔｌだけ異なり、多数（３２個）の治具を用いた測定の場合で示した。
【０２４５】
このような治具を用いないで、図３、図６に示す探触子の走査において、探触子間距離の最小値をｌ１、最大値をｌＭとし、探触子間距離の変動が等速となる様にすれば、前述と全く同等の効果を得ることができる。
【０２４６】
この場合の数式５２に適用するΔＬは数式５３となる。
【０２４７】
【数５３】0004050470.tif 000055
【０２４８】
一方、前述の加算平均化処理で、探知目標とする、例えば版厚に関する反射波のスペクトルを考えてみよう。
【０２４９】
図２４の計測図を用いてこれを説明する。同図で、版厚をｄとすれば、２０１の経路長は最大経路長が｛（ｌＭ／２）２＋ｄ２｝１／２、最小経路長が｛（ｌ１／２）２＋ｄ２｝１／２となり、この経路長の差を△ＬＢとすれば、前述にならい版厚反射波の成分波が消滅する最も低い周波数は数式５２を用いて次式５２のようになる。
【０２５０】
【数５４】0004050470.tif 000056
【０２５１】
従って、図４０のｆ値をｆＢに置き変えた版厚反射波のスペクトルを得ることができる。ｌ＝ｌＭ−ｌｌとし、ｌとｄの関係で、ｄ＞＞２×ｌであれば、ｆＢ値はｆ値に比して極端に大きくなる。このｆＢ値を用い図４０のａ５スペクトルに対応するスペクトルを求め、これをＢａ５とし、Ｂａ５とａ５を一緒に表示したものが図４１である。このＢａ５が最終的に得られる加算平均波の２０１経路の波の基準化されたスペクトルとなる。図４１の←→で示した周波数帯で探知目的とする２０１経路波のスペクトルＢａ５が探知を邪魔する２０２、２０３の表面波及び２０４の直接波のスペクトルａ５より大きく卓越している。これより、この周波数帯で時系列波を取り出せば、誤ることなく２０１経路波のみが大きく励越した波を得ることができる。
【０２５２】
前述した数式５２及び数式５３を用いた測定を第４の実施例として示す。
【０２５３】
第２の実施例において、図６に示す探触子走査法で１００００回の加算平均を行い、図７に示す加算平均波を得た。この計測に対応する測定である。
【０２５４】
図６の走査で、探触子間距離Ｌの最大値を１５ｃｍ、最小値を１０ｃｍ、この距離の変動速度を等速とした測定である。発信探触子及び受信探触子ともに、共振振動数を５００ｋＨｚ、振動子径を４０ｍｍとして得た加算平均波を図４２に示す。
【０２５５】
図４２の加算平均波に数式５２及び数式５３を適用し、下記数式５５に示す周波数を中心周波数として取り出した成分波を図４３に示す。
【０２５６】
【数５５】0004050470.tif 000057
【０２５７】
ここで、このコンクリートのたて波音速が４３００ｍ／秒であることより、探知を邪魔する表面波、直接波の等価音速が３０００〜４０００ｍ／秒の範囲にばらつくと考え、平均的に３．５ｍｍ／μ秒とし数式５５を下記数式５６とした。
【０２５８】
【数５６】0004050470.tif 000058
【０２５９】
図４２に比べ図４３では探知を邪魔する表面波、直接波そして散乱波がほとんど除去されて、Ａ’−Ｂ’経路の反射波が明敏に確認できる。なお、この測定での加算平均化回数は３０００回である。
【０２６０】
ところで、計測治具を用いないで、接触子を走査する方法として考えられているものを示すと、図４４の如くなる。図４４（ａ）は第４の実施例で示した方法であり、図４４（ｃ）が探触子間距離を固定し、図３の７、図６の１１ａ、１１ｂの移動領域内で任意に図１１に示す如くＣ点からＤ点まで探知対象直上に沿って直線走査で曲線走査でもかまわない２つの探触子を等速で走査する方法である。また、図４４（ｂ）が図４４（ｃ）に示す走査法で２つの探触子と密着させた場合であり、図４４（ｄ）が１探触子による計測の場合で、発信と受信供用の１つの探触子を図３の７の円形領域内で任意に（楕円、方形領域であってもかまわない）及び図１１に示す如くＣ点からＤ点まで探知対象直上（直線走査でも曲線走査でもかまわない）に沿って、１つの発信と受信供用の探触子を等速で走査する方法である。
【０２６１】
以上の走査法毎に数式５２がどの様になるかを以下に示す。探知を邪魔する表面波及び直接波などが低周波領域で最も効率よく除去される周波数を示す数式５２のｆ０値には、所定量の限定値が図４４（ａ）乃至（ｄ）に示す走査法に対して共通に存在することをまず説明する。たて波探触子の一般的形状を図４５に示すが、この様な探触子を受信探触子とすれば、受信波に外皮の共振振動数ｆＰで励起された成分波が混在する。探触子１００１には、振動子１００１ａ、被探知材接触面保護材１００１ｂ、減衰材１００１ｃ及び外皮１００１ｄが設けられている。数式５２で定義するｆ０値の１／２が、このｆＰと合致すると、（１／２）ｆ０を中心周波数とする成分波を取り出しても、この成分波に外皮１００１ｄの共振振動数による励起波が重畳することになる。これより、この様な周波数での成分波の取り出しを回避する必要がある。多くの実験計測によれば、この回避のためにｆ０値を下記数式５７の如くすればよいと判明した。なお、同図に示すＳは外皮厚である。
【０２６２】
【数５７】0004050470.tif 000059
【０２６３】
以下、各走査法毎、前述数式５２の右辺ΔＬが、どの様になるかを調整する。
【０２６４】
図４４（ａ）に示す走査法に関しては、第４の実施例で述べた理由よりΔＬを数式５３で求め、これを数式５２に適用してｆ０を求めればよい。但し、ｆ０＜４ｆＰのとき、ｆ０＝４ｆＰとすればよい。言い変えると、ΔＬ＝１０６Ｖ／（２ｆＰ）に変更し、ｆ０を求めればよい。
【０２６５】
図４４（ｃ）に示す走査法に関しては、受信探触子が小形探触子の集合からなると考えれば、第４の実施例で述べた理由より、ΔＬを下記数式５８に示すように受信探触子内の振動子径をΦ２とし、これを数式５２に適用して、ｆ０を求めればよい。但し、ｆ０＜４ｆＰのとき、ｆ０＝４ｆＰとすればよい。言い変えると、ΔＬ＝１０６Ｖ／（２ｆＰ）に変更し、ｆ０を求めればよい。
【０２６６】
【数５８】0004050470.tif 000060
【０２６７】
なお、図４４（ｃ）に示す走査法を用い、第３の実施例で示した２つの探触子間隔固定治具毎に加算平均波を求め、この２つの加算平均波の加算平均を求める方法では、２つの治具の長さの差Δｌを用いてΔＬを下記数式５９の如くすればよい。このΔＬを数式５２に適用してｆ０を求める。但し、ｆ０＜４ｆＰのとき、ｆ０＝４ｆＰとすればよい。言い変えると、ΔＬ＝１０６Ｖ／（２ｆＰ）に変更し、ｆ０を求めればよい。
【０２６８】
【数５９】0004050470.tif 000061
【０２６９】
図４４（ｂ）に示す走査法に関しては、数式５２で用いるΔＬを下記数式６０に示すように、被探知体の材質、探触子内の振動子径、及び受信探触子の外皮の厚さ及びこの外皮の共振振動数で決まる所定量Ｇ１とすればよい。
【０２７０】
【数６０】0004050470.tif 000062
【０２７１】
図４４（ｄ）に示す走査法に関しては、数式５２で用いるΔＬを下記数式６１に示すように、被探知体の材質、探触子内の振動子径、及び受信探触子の外皮の厚さ及びこの外皮の共振振動数で決まる所定量Ｇ２とすればよい。
【０２７２】
【数６１】0004050470.tif 000063
【０２７３】
前述の図４４（ｂ）に示す走査法における所定量Ｇ１がどの様な量になるかを以下に示す。図４６は発信探触子４０１からコンクリート面より直下に４０３のたて波超音波を入力したときにコンクリート表面に４０４ａのたて波、４０４ｂのよこ波、４０４ｃの表面波が受信探触子４０２に伝達する様子を示している。但し、探触子の外皮厚Ｓを０として作図している。
【０２７４】
４０７は離散化表示した４０３の発信超音波ごとに生じる４０４の波の合成波の強度を模式的に示したものである。４０８がこれ等強度の包絡線であり、前述合成波が急激に減衰する様子を示している。探知を邪魔する表面波、直接波等の成分が低周波側で最も小さくなる周波数の２倍値を示す数式５２の導入にならえば、図４６の受信探触子において、離散化された受信点Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２…、Ｓｎで受信する各振動数成分波の強度が概略等しいという仮定条件が成立する必要がある。これを満足させるために、４０９なる点線を設定し、受信点を２つの領域４０５、４０６に分け、図ではＳ０〜Ｓ４での受信成分波の強度が各々等しいと、そしてＳ５〜Ｓｎでの受信成分波の強度が各々等しいとみなした。ここで、前述４０９の点線と発信探触子の中心線４１０との距離をβと定義した。
【０２７５】
そして、領域４０５と領域４０６の成分波の強度を比較すると、前者が格段に大きいことより、後者を無視し、Ｓ０，Ｓ１…，Ｓ４の受信点を各々小さな径の受信探触子と考えれば、第４の実施例で示した理由より、探知を邪魔する４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃの波の内、その強度が小さくなる最も低周波の成分波の振動数（１／２）ｆ０を決めるための数式６０の所定量Ｇ１がΦ１を発信探触子内の振動子径、Φ２を受信探触子内の振動子径、Ｓを前記探触子の外皮厚及びｆＰを受信探触子外皮の共振振動数として、下記数式６２及び６３の如く導入できる。
【０２７６】
【数６２】0004050470.tif 000064
【０２７７】
但し、Φ２＜Ｇ１のとき、Ｇ１＝Φ２である。
【０２７８】
上記Ｇ１を数式６０及び５２に適用して得るｆ０値においてｆ０＜４ｆＰの場合、ｆ０＝４ｆＰとすればよい。言い変えると、Ｇ１値は数式６３となる。
【０２７９】
【数６３】0004050470.tif 000065
【０２８０】
なお、βの値は、強度３５０〜４５０ｋｇ／ｃｍ２の一般的コンクリートの場合で、以下の如き数値となることが、多くの計測実験で確認された。
【０２８１】
発信探触子内振動子径４０ｍｍ：β＝５０〜５３ｍｍ
発信探触子内振動子径７６ｍｍ：β＝６５〜６８ｍｍ
【０２８２】
更に、図４４（ｄ）に示す走査法における所定量Ｇ２がどのようになるかを以下に示す。発信及び受信供用探触子が小さな径の探触子の集合と離散化して考えれば、前述所定量Ｇ１の導入に準じ、そして、数式５２及び５３の導入にならい所定量Ｇ２がΦを発信及び受信供用探触子の振動子径として数式６４の如く導入できる。
【０２８３】
【数６４】0004050470.tif 000066
【０２８４】
更に、ｆＰをこの探触子の外皮の共振振動数としたとき、数式５２、６１及び６４で算定されるｆ０値がｆ０＜４ｆＰとなる場合、Ｇ２値は数式６５となる。
【０２８５】
【数６５】0004050470.tif 000067
【０２８６】
ところで、図４４（ｂ）又は（ｄ）に示す走査法を用いた測定の場合、数式５２で得られるｆ０値が大きくなる。振動子径４０ｍｍ、周波数５００ｋＨｚ及び外皮厚１０ｍｍの探触子を用いた図４４（ｂ）に示す走査法によれば、数式６２により数式６６が成り立つ。
【０２８７】
【数６６】0004050470.tif 000068
【０２８８】
そして、数式５２及び６０で探知を邪魔する波の平均音速を、３５００〜４０００ｍ／秒とすれば、下記数式６７に示すｆ０が得られる。
【０２８９】
【数６７】0004050470.tif 000069
【０２９０】
この結果、最も低周波で探知を邪魔する波が最も小さくなる周波数（ｆ０／２）は１９０ｋＨｚ程度となろう。
【０２９１】
コンクリート内での超音波は散乱現象でその伝達距離が長くなると、加速度的に減衰し、その量は伝達距離の２乗〜３乗に比例することも珍しくない。５０ｃｍ、１００ｃｍ又はそれ以上の版厚測定では、上記１９０ｋＨｚの周波数程度の波ではこの散乱減衰により、測定し難くなる場合がある。事例として図７２のコンクリートモデルでＡ’点で振動子径４０ｍｍ、５００ｋＨｚの発信探触子及び受信探触子を用いた図４４（ｂ）に示す走査法による測定例を図４７に示す。矢印で示すところが版厚反射波の理論的起生位置だが、反射波の存在を確認できない。探知を邪魔する表面波の残存が、その伝達距離が長い故に大きく減衰している版厚反射波より相対的にその振幅が大きい故である。
【０２９２】
この様な場合の受信波に含まれる探知を邪魔する妨害波と版厚などの探知目標波のスペクトルを比較して示せば図４８の如くなる。
【０２９３】
５０１が加算平均波に含まれる探知を邪魔する妨害波、６０１が探知目標波のスペクトルである。妨害波も探知目標波と同様伝達距離が長いと大きく減衰しているはずである。これより、妨害波のスペクトル５０１の時系列波は加算平均波の中で起生時刻の早いところに集中しているはずである。これより、時系列フィルタを数式６８の如く定義する。
【０２９４】
【数６８】0004050470.tif 000070
【０２９５】
ここでｔ０は探知対称深さをとして数式６９で定義される。
【０２９６】
【数６９】0004050470.tif 000071
【０２９７】
これを加算平均波に乗じれば、５０１は５０２のスペクトルへ、さらに乗じていけば、５０２→５０３→５０４の如く、スペクトル値が図に示す如く減じていくはずである。加算平均波に含まれる妨害波スペクトルが５０４の如くなった段階でみれば、探知目標波スペクトル６０１が、妨害波５０４より、（１／２）ｆ０〜ｆＤの周波数範囲で格段に大きくなってくる。これより、加算平均波からの成分波取り出しの中心周波数を（１／２）ｆ０から低周波側へ可能とする限り移行していけば、低周波の成分波になればなるほど、散乱伝達減衰が縮小していくことより、探知目標波が浮かび上がってくるはずである。
【０２９８】
これより、ｆＤは前述受信探触子の外皮の共振振動数ｆＰを用いて数式７０の如くなる。
【０２９９】
【数７０】0004050470.tif 000072
【０３００】
以上、図４４（ｂ）又は（ｄ）に示す走査法を用いて深い位置からの反射波を得るためには、あらかじめ定められた探知対象深さより決まるｔ０値を数式６９で求め、これを数式６８に適用し、得られる時系列フィルターを前述加算平均波に複数回乗じ、数式６０及び数式５２の組合せ又は数式６１及び数式５２の組合せで決まる（１／２）ｆ０値から数式７０のｆＤ値までの範囲で中心周波数を設定し、徐々に（１／２）ｆ０からｆＤへこの設定を移動させた成分波の取り出しを行っていけばよい。
【０３０１】
前述の図４４（ｂ）又は（ｄ）に示す走査法を用いた深いところからの反射波の取得を第５の実施例として示す。但し、図４４（ｂ）及び（ｄ）に示す走査法は本質的に同じものである。これにより、図４４（ｂ）に示す走査法で第５の実施例を示す。図７２のコンクリートモデルを用いた図４２の版厚５０ｃｍの版厚反射の測定例を用いて説明する。図４９は探知対象深さを約８０ｃｍすなわち、数式６９でｔ０を４００μ秒とし、これを数式６８に適用し、時系列フィルタ関数ＧをＧ（ｔ）＝ｓｉｎ（（π／２）・（ｔ／４００））とし、これを図４２の２００ｋＨｚの中心周波数成分波である波に３回乗じたものである。この時点でカーソルで示す位置に版厚反射らしきものが見えるが、これを版厚反射と特定するのは困難である。これより、（１／２）ｆ０値からｆＤ値まで徐々に成分波取り出しの中心周波数を移動する解析を行う。
【０３０２】
（１／２）ｆ０値は前述の如く１９０ｋＨｚである。ｆＤ値は使用した探触子の共振振動数が１６．５ｋＨＺ程度より数式７０を適用して４×１６．５≒６５ｋＨｚとなる。途中の経過を省略し、ｆＤ＝６５ｋＨｚを中心周波数とした成分波の取り出し結果を図５０に示す。２００ｋＨ付近の成分波（図４７）では全く確認し得なかった版厚反射波が、図５０では驚くほど明敏に確認できる。
【０３０３】
前述のｆ０値の１／２を中心として取り出し成分波を高周波方向へ、あるいは低周波方向へ移動させる測定例を第６の実施例として示す。
【０３０４】
図５１に測定したコンクリートモデルを示す。平面が３０ｃｍ×３０ｃｍ、厚さが３５ｃｍ、表面よりかぶり厚で１０ｃｍの位置に径１９ｃｍの丸鋼９００を埋め込んでいる。１から５の計測点で図４４（ｂ）に示す走査法を用い埋め込み鉄筋長手方向に平行に、探触子を２０ｃｍの移動幅で走査する。加算平均化回数は夫々３０００回、用いた探触子は受信子及び発信子とも振動子径４０ｍｍ、共振振動数１ＭＨｚ、探触子径６０ｍｍである。
【０３０５】
この計測におけるｆ０値は第５の実施例と同じである。すなわち（１／２）ｆ０＝１９０ｋＨｚであった。
【０３０６】
１９０ｋＨｚを中心周波数として取り出した各計測点での成分波を示したものが図５２である。妨害波がこの周波数では消滅し、測定３の直下にある鉄筋からの反射波のみが明敏に確認できる。一方、図５３は探知対象深さを５０ｃｍとし数式６９を用いて、ｔ０＝（２×５００／４．３）≒２３０μ秒として、これを数式６８に適用して得た時系列フィルタＧ（ｔ）＝ｓｉｎ（πｔ／（２×２３０））を図５２の各成分波に１０回乗じた波において、成分波の取り出し中心周波数を、前記（１／２）ｆ０（＝１９０ｋＨｚ）から、受信探触子の外皮の共振振動数（用いた探触子では１６．５ｋＨｚ）を数式７０に適用して得られる値（６６ｋＨｚ）まで順にフィルタ処理で移行していく過程で得られた１例である。取り出しの中心周波数が１５０ｋＨｚの例である。鉄筋からの反射波及び版厚に関する反射波の相方が明敏に浮き上がっている。厚さが３５ｃｍと比較的短い故、４ｆＤ＝６６ｋＨｚより高周波でも厚さに関する反射波を取り出すことができる事例である。なお、図５２及び図５３は取り出し成分波を４乗表示したものである。
【０３０７】
前述の解析で、即ち図５２及び図５３で鉄筋の平面的存在位置及びかぶり厚が測定できるわけだが、鉄筋径の測定はどうだろう。
【０３０８】
図５２は２００ｋＨｚ、図７２は１５０ｋＨｚでの、成分波の取り出しであった。この様な低周波の成分波では鉄筋径を認識する反射波などの取得は不可能である。このため、成分波取り出しの中心周波数を高周波方向へ移動させていく必要がある。この方法について説明する。
【０３０９】
図５４は、測点３での２００ｋＨｚ成分波である。探知対象が比較的深くなると探知目標からの反射波の高周波成分の強度が小さくなることより、高周波成分の取り出しでは、消滅していた妨害波が相対的に浮き上がってくる。
【０３１０】
このため、高周波への掃引の前に、図５４の鉄筋反射波のカーソルで示す位置をｔ０とし、これを数式６８に適用し、時系列関数Ｇ（ｔ）を作成し、これを図５４の２００ｋＨｚ成分波に複数回乗ずる。本実施例では３回である。この様な時系列フィルタリング処理を行った波から高周波成分波を取り出す。中心周波数を徐々に高周波側へ掃引していった成分波の内６８０ｋＨｚとしたときの成分波の増幅表示を図５５に示す。最左の大きな振幅の波８０１が鉄筋上端からの反射波である。カーソルで示す位置がその起生時刻である。
【０３１１】
その右側のカーソルが往路７０１をたて波で、復路７０２をよこ波で伝達する反射波の起生位置を示し、更にその右側のカーソル位置が、探触子より微小量発信されるよこ波が７０１、７０２経路ともよこ波で伝達する反射波の起生位置である。この位置に微小な振幅の当該反射波８０５の起生があることを確認願いたい。
【０３１２】
８０２が図１９（ｃ）に示す鉄筋下端からの反射波７６でコンクリート内の往路、復路の伝達をたて波で、及び鉄筋内もたて波で伝達する波である。
【０３１３】
８０３は図２０（ａ）の鉄筋円周上で鉄筋内をたて波で及びコンクリート内の往路７０１、復路７０２もたて波で伝達する波である。
【０３１４】
８０４は図２０（ａ）の鉄筋円周上で鉄筋内をよこ波で及びコンクリート内をよこ波で伝達し、コンクリート内の往路７０１、復路７０２をたて波で伝達する２つの波の重畳波である。また、８０６は、非常に特殊な波の起生である。発信探触子よりコンクリート内に入力されたたて波は、コンクリート内の多量の細石及び微細な空隙との界面でモード変換を起こす。この変換で生じたよこ波の重畳波が鉄筋上端で反射し、７０１、７０２経路共よこ波で伝達する波である。
【０３１５】
以上より、８０１の波の起生時刻をｔ２、８０２、８０３、８０４、８０５の波の起生時刻をｔ１及びＶＰを鉄材中の超音波のたて波音速とし、８０１と８０２の波を用いた鉄筋径ｄの算定を下記数式７１により行う。
【０３１６】
【数７１】0004050470.tif 000073
【０３１７】
８０１と８０３の波を用いた鉄筋径ｄの算定を数式１７により行う。
【０３１８】
８０１と８０４の波を用いた鉄筋径ｄの算定を下記数式７２により行う。
【０３１９】
【数７２】0004050470.tif 000074
【０３２０】
ここで、ＶＳ＝０．５３ＶＰである。
【０３２１】
なお、更に高周波の成分波の取り出しで８０４の波を２つに分離できる場合、この２つの波の内、より早く生ずる波の起生時刻をｔ１として前記数式７２を用いて鉄筋径を算定し、より遅く起生する波の起生時刻をｔ１として、下記数式７３を用いて、鉄筋径を算定することもできる。
【０３２２】
【数７３】0004050470.tif 000075
【０３２３】
ここで、ＣＶＳはコンクリート内の超音波のよこ波速度であり、たて波ＣＶＰの０．５９〜０．６２で算定される値である。これより鉄筋径は、８０１と８０２より、ｄ＝（５０．９−４４．５）（μ秒）×５．９（ｍｍ／μ秒）／２＝１８．９ｍｍ、８０１と８０３より、ｄ＝（５４．５−４４．５）（μ秒）×５．９（ｍｍ／μ秒）／π＝１８．８ｍｍ、８０１と８０４より、ｄ＝（６５−４４．５）（μ秒）×５．９（ｍｍ／μ秒）×０．５３／π＝２０．４ｍｍ、となり、実値１９ｍｍを極めて高精度に測定している。
【０３２４】
更に、高周波へ掃引すると、８０２、８０５、８０６の波はその振幅が縮小していくようである。図５６に１ＭＨｚを中心周波数とする成分波を示す。
【０３２５】
なお、図５５及び図５６は成分波を３乗表示している。
【０３２６】
前述実施例では、受信波より所定の中心周波数をもった成分波を前記受信波にフィルタ処理を行うことにより取りだした。図には示さないが、前述所定の中心周波数をもつ発振超音波を発信探触子から出力でき、受信探触子で受信波を計測する機構をもった超音波探知装置であれば、受信した超音波は前記実施例によるフィルタ処理で取り出した成分波と概略同一となる。このような前述の機構をもった超音波探知装置を用いれば前述の所定の中心周波数をもつ成分波と同等の成分波を受信波として得ることができる。
【０３２７】
前述の測定方法によれば、鉄筋の平面的位置、かぶり厚及び径等を高い精度で測定することが可能であるが、風雨に曝され経年変化を受けたコンクリート材の場合、その表層の物性変化のみならず、表面が比較的良好に見えるものであっても、無数の微細な幅のひび割れが形成されていることが多い。図５７は経年変化を受けたコンクリート材における種々の波の伝達を示す模式図である。
【０３２８】
このようなコンクリート材において鉄筋のかぶり厚等を測定しようとしても、探知目標である鉄筋１１２からの反射波１１１等は微細幅のひび割れ１１５により、その伝達を遮断される。その一方で、深い経路をとる直接波１１３がより多く受信点Ａ２で受信される。従って、前述の方法では、鉄筋の平面的位置を探知できる場合もあるが、できない場合も出てくる。なお、表面波１１４もひび割れ１１５により受信点Ａ２までの経路が遮断されている。
【０３２９】
このような場合であっても、鉄筋の表面を伝達する臨界屈折波による超音波の伝達経路を利用することにより、極めて高精度に鉄筋の位置を確実に探知することができる。図５８は臨界屈折波による経路を示す模式図である。
【０３３０】
前述のように、表面に無数のひび割れ１２５が生じている場合、反射波等の伝達はひび割れ１２５により遮断されるので、発信点Ａ１から入力されて受信点Ａ２で受信される超音波の伝達経路は、鉄筋１２２を介する臨界屈折波として伝達する波１２１及びコンクリート材の深層の直接波１２３となる。
【０３３１】
ここで、屈折波として伝達する波１２１の経路と直接波１２３の経路とでは、前者のほうが短い。また、超音波の伝達速度は、鉄筋１２２の方がコンクリート材よりも速い。従って、受信点Ａ２においては、屈折波として伝達する波１２１の方が直接波１２３よりも先に受信される。そして、発信点Ａ１と受信点Ａ２との間隔が大きくなればなるほど、それらの受信時刻の差が大きくなる。
【０３３２】
但し、屈折波として伝達する波１２１の振幅は極めて微小であるため、微細な電気的雑音又は測定環境下における外乱等が存在すると、それらの中に屈折波として伝達する波１２１は埋もれてしまい、これを検出することが従来困難であった。
【０３３３】
そこで、本願発明者が鋭意研究を重ねた結果、超音波の発信回路（ステップ電圧発生回路１ａ、ステップ電圧駆動回路１ｃ）と受信回路（アンプ回路４ａ）とを夫々探触子に組み込み電気的に分離することにより、定常又は非定常の電気的雑音を極力低減し、これでも残存する非定常の電気的雑音及び大きな勢力の外乱を除去するための超高速な受信波の加算平均を行う装置を設けることにより、以下に示す方法で測定を行うことにより、表面にひび割れが形成されているコンクリート材でも、極めて精度が高い測定を行うことができることを見出した。
【０３３４】
図５９はひび割れが表面に形成されているコンクリート材における鉄筋の探知方法を示す模式図である。先ず、発信探触子と受信探触子との間隔をＬとし、発信点Ａ１と受信点Ａ２との間で計測を行う。このとき、１０００乃至２０００回の測定を行い加算平均を行うが、場合によっては１００００回又は２００００回もの加算平均を行う。このとき、発信探触子及び受信探触子を図３０のように移動させて数式１９又は２０の加算平均を行う必要はない。探知を邪魔する表面波１１４、浅い径路の直接波１１３等は、ひび割れ１１５で遮断されているからである。その後、同様の方法により、発信点Ｂ１と受信点Ｂ２との間及び発信点Ｃ１と受信点Ｃ２との間で計測を行う。なお、発信点Ｂ１と受信点Ｂ２との間隔及び発信点Ｃ１と受信点Ｃ２との間隔もＬである。
【０３３５】
この方法によれば、発信点Ｂ１と受信点Ｂ２との間での計測のように、経路１３１乃至１３３の波の伝達がひび割れに遮断されずに、臨界屈折波による波が受信される場合がある。なお、経路１３２の波は、鉄筋の埋め込み深さよりも深いひび割れが存在していても、その伝達は遮断されない。また、探触子を移動させる方向は、探知する鉄筋の配筋方向である。
【０３３６】
次に、実際に上述の方法で測定を行った結果について説明する。図６０は打設後５年間乾燥させたまま放置したコンクリート材を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ線による断面図、（ｃ）は（ａ）のＥ−Ｅ線による断面図である。コンクリート材１４１の縦及び横方向の寸法は５０ｃｍであり、厚さは３０ｃｍである。そして、表面及び裏面から５ｃｍの位置に径が１９ｍｍの丸鋼１４３が合計で６本埋め込まれている。そして、各計測位置Ｐ２１乃至Ｐ３５において、Ｌ＝３０ｃｍとして発信探触子及び受信探触子の距離を固定した計測で１０００回の加算平均波を受信波として得た。
【０３３７】
図６１は計測位置Ｐ２８における受信波を示す図であって、（ａ）は定常又は非定常の電気的雑音及び外乱の除去を行わなかった場合を示すグラフ図、（ｂ）はこれらの除去を行った場合を示すグラフ図である。即ち、図６１（ｂ）は前述の数式１の加算平均を用いて電気的雑音及び外乱を取り除いたものである。なお、電気的雑音を除去する方法として図１のステップ型電圧発生器１中のステップ電圧発生回路１ａ及びステップ電圧駆動回路１ｃを小さく基版化して発信探触子２ａに組み込み、解析装置４中のアンプ回路４ａを小さく基版化して受信探触子に組み込んだ。図６１（ａ）に示すように、電気的雑音及び外乱の除去を行わなかった場合には、図中の×−×線で示す時刻が臨界屈折波による波の理論的起生時刻であるが、これを判別することは困難である。即ち、定常的及び非定常的な電気的雑音及び非定性的な外乱が起生しており、これらの波の中にこの屈折波による波の起生が埋没してしまっている。
【０３３８】
一方、図６１（ｂ）に示すように、電気的雑音及び外乱の除去を行なった場合には、種々の雑音が除去され、屈折波の起生時刻を明敏に特定することが可能である。ここで、定常的及び非定常的な電気的雑音及び外乱を除去する方法としては、超音波発信部と受信部とでハードウェア回路を電気的に分離する前述のような方法を採用し、数式１による２０００回の加算平均を行った。
【０３３９】
なお、図６１（ａ）及び（ｂ）の時系列波は１２０ｋＨｚを中心周波数として取り出したものである。図６２は１２０ｋＨｚを中心周波数とするフーリエスペクトルを示すグラフ図である。また、図６１（ａ）及び（ｂ）における破線で示す時刻１０３．９μ秒は超音波の発信時刻である。
【０３４０】
図６０に示す鉄筋１４３の探知においては、超音波の入射角がスネルの定理による後述の数式７７に本コンクリートモデルの音速ＣＶＰ＝３９５０ｍ／秒、鉄筋の音速ｇＶｐ５９００ｍ／秒を適用すると４２゜であるため、コンクリート材１４１中の伝達長は６７．３ｍｍ×２であり、鉄筋１４３部分の伝達長は２１０ｍｍである。従って、理論的な受信時刻ｔkは下記数式７４で表される。
【０３４１】
【数７４】0004050470.tif 000076
【０３４２】
これは、１７２．２−１０３．９から求められる測定値６８．３（μ秒）とほとんど一致する。
【０３４３】
図６３及び図６４は電気的雑音等を除去したときに各計測位置において得られた時系列波を示す模式図である。なお、図６４は図６３における振幅を約１０倍にして表示したものである。図６３に示すように、各計測位置において直接波を示す振幅が大きい波の前に小さな振幅の波が起生している。この小さな振幅の波が鉄筋１４３を介した臨界屈折波による波である。また、図６４を見ると、鉄筋の直上の位置である位置Ｐ２３、Ｐ２８及びＰ３３において臨界屈折波による波の起生時刻が最も早いものとなっている。また、その振幅も最大となっている。そして、これらの位置から離れるにつれて、起生時刻が遅くなり、振幅が小さくなっている。同図で各波の起生時刻を結んだ線分を点線で示している。この点曲線が極小値をとる計測点位置に鉄筋が埋め込まれていることになる。また、かぶり厚ｄも、前述の極小値位置での起生時刻ｔｋをｔ１１と置き変え、後述の数式８０に適用することで計算できる。
【０３４４】
このように、電気的雑音及び計測環境における交通騒音等の大きな外乱を除去すると共に、一定の間隔で２つの探触子を配筋方向と平行に配置して計測を行い加算平均を行うことにより、表面にひび割れが形成されているコンクリート材においても鉄筋の探知が可能となる。なお、以下のようなソフトウェアを超音波探知装置に具備させる必要がある。
【０３４５】
このソフトウェアの内容について説明する。ここでは、図５９のＡ１−Ａ２計測での数式１による加算平均波をｙA（ｔ）、Ｂ１−Ｂ２計測での数式１による加算平均波をｙB（ｔ）とする。図６７（ａ）は加算平均波ｙA（ｔ）を示す模式図、（ｂ）は加算平均波ｙB（ｔ）を示す模式図である。
【０３４６】
図６７（ａ）に示すように、加算平均波ｙA（ｔ）においては、ひび割れ１２５等により鉄筋を介する臨界屈折波による波１２１は遮断され、直接波１２３のみが受信される。一方、図６７（ｂ）に示すように、加算平均波ｙB（ｔ）においては、波１２１を遮断するひび割れがないので、直接波１２３の起生の前に臨界屈折波による微少振幅の波１２１が生ずる。この時、図６７（ｂ）に示す破線の時刻が臨界屈折波による波１２１の起生時刻である。そして、前述のソフトウェアは、計測をＡ１−Ａ２、Ｂ１−Ｂ２、Ｃ１−Ｃ２、・・・と繰り返したときに、この破線の時刻が最も早く生じる加算平均波を受信波とするものである。
【０３４７】
このような計測を各計測位置で行えば、図６３及び図６４に示すように、鉄筋上を臨界屈折波として経路する波の起生を確実に特定することができる。
【０３４８】
ところで、前述の発信探触子と受信探触子の距離ＬはＬが大きくなればなるほど、図６４に示す点曲線の極大値と極小値との差が大きくなり、極大値となる位置、いい変えると鉄筋の平面的存在位置を特定し易くなる。
【０３４９】
これにより、Ｌ値はある程度大きい方が良い。しかしながら、Ｌ値には限度がある。あまりＬ値が大きいと、前述した鉄筋上を臨界屈折波で伝達する波の強度が小さくなり、受信子で受信される図６３及び図６４の波の起生時刻を読み取りにくくなる。多くの計測例より、このＬ値は下記数式７５で定義すればよいと判断した。
【０３５０】
【数７５】0004050470.tif 000077
【０３５１】
なお、前述の臨界屈折波を利用した探知法はコンクリート表面にひび割れのない場合にも適用できる。但し、このときのＬ値は下記数式７６で定義されるものとする。
【０３５２】
【数７６】0004050470.tif 000078
【０３５３】
ここで、θは後述の数式７９で求められる。また数式中の５．９は鉄筋のたて波音速（ｍｍ／μ秒）である。及びは鉄筋の埋め込深さ予測値である。
【０３５４】
即ち、発信探触子より直下にたて波を入力したとき、コンクリート表面に発生する微弱なたて波が受信子に達する時間Ｌ／ＣＶＰが後述する鉄筋上を臨界屈折波で伝達する起生時刻を示す数式８０で算定されるｔ１１より大きくなることがその適用条件となる。
【０３５５】
これまでの探知方法においては、コンクリート材中の超音波の伝達速度が既知としているが、コンクリート構造物によっては、コンクリート材の劣化が著しい場合等に、予めその中の伝達速度を測定しておくことができないことがある。しかし、図６３及び図６４に示す結果から鉄筋の平面的存在位置及び埋め込み深さだけでなくコンクリート材の超音波の伝達速度の算出も可能である。以下、この算出方法について説明する。図６５は計測位置Ｐ２３及びＰ２５における屈折波の伝達径路を示す模式図である。図６５中で実線で示す方が計測位置Ｐ２３における伝達径路であり、破線で示す方が計測位置Ｐ２５における伝達径路である。また、鉄筋のかぶり厚をｄ、計測位置Ｐ２３と計測位置Ｐ２５との間隔をｂとしている。
【０３５６】
図６５に示すように、計測位置Ｐ２５における鉄筋径路の長さは下記数式７７で表され、計測位置Ｐ２３におけるそれは下記数式７８で表される。
【０３５７】
【数７７】0004050470.tif 000079
【０３５８】
【数７８】0004050470.tif 000080
【０３５９】
但し、SＶPを鉄筋中のたて波の伝達速度（５．９ｍｍ／μ秒）、CＶPをコンクリート材中のたて波の伝達速度（未知量）として、スネルの定理より、入射角θは下記数式７９で求めることができる。
【０３６０】
【数７９】0004050470.tif 000081
【０３６１】
図６５において、斜め方向の径路は超音波がコンクリート材中を伝達する領域であり、水平方向の径路は鉄筋中を伝達する領域である。従って、鉄筋直上（計測位置Ｐ２３）での屈折波の起生時刻をｔ11、この位置から水平方向にｂだけ離れた位置（計測位置Ｐ２５）での起生時刻をｔ12とすると、下記数式８０及び８１が成り立つ。
【０３６２】
【数８０】0004050470.tif 000082
【０３６３】
【数８１】0004050470.tif 000083
【０３６４】
そして、起生時刻ｔ11及びｔ12は図６３及び図６４から極めて高精度に求められているので、これらの値を数式８０及び８１に代入して連立方程式を解くことにより、２つの未知量であるコンクリート材中での伝達速度及び鉄筋の埋め込み深さを算出することができる。図６４よりｔ11＝１７２．２−１０３．９＝６８．３（μ秒）、ｔ12＝１８２−１０３．９＝７８．１（μ秒）であり、ｂ＝６０（ｍｍ）、Ｌ＝３００（ｍｍ）であるため、数式８０及び８１からｄ＝４９．５（ｍｍ）、CＶP＝４．０（ｍｍ／μ秒）が算出される。実際の超音波の伝達速度と２％以内の誤差で計測されていると判断できる。このように、鉄筋の埋め込み深さだけでなく、コンクリート材中での超音波の伝達速度を求めることができる。
【０３６５】
なお、前述のｂの値は前述ｔ１１を得た位置と平行して埋められている鉄筋との平面的な最小距離（図６０（ｂ）ではＳの値）を用いて下記数式８２で決めればよい。
【０３６６】
【数８２】0004050470.tif 000084
【図１】
0004050470.tif 000097
【図２】
0004050470.tif 000098
【図３】
0004050470.tif 000099
【図４】
0004050470.tif 000100
【図５】
0004050470.tif 000101
【図６】
0004050470.tif 000102
【図７】
0004050470.tif 000103
【図８】
0004050470.tif 000104
【図９】
0004050470.tif 000105
【図１０】
0004050470.tif 000106
【図１１】
0004050470.tif 000107
【図１２】
0004050470.tif 000108
【図１３】
0004050470.tif 000109
【図１４】
0004050470.tif 000110
【図１５】
0004050470.tif 000111
【図１６】
0004050470.tif 000112
【図１７】
0004050470.tif 000113
【図１８】
0004050470.tif 000114
【図１９】
0004050470.tif 000115
【図２０】
0004050470.tif 000116
【図２１】
0004050470.tif 000117
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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