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表面弾性波速度測定の基礎的研究（株）コサカ技研（株）コサカ技研（株）コサカ技研
iTECS 技術協会

1. はじめに

正会員
正会員
正会員
正会員

○福井磯野法官
極檀啓人
道夫
淳邦夫

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国土交通省は，平成 18 年に「微破壊・非破壊試験によるコンクリート構造物の強度測定要領 (案)」を発表し，全国で 37 カ所の橋梁を対象に試行された。測定者の要件として，試験に固有の検査技術ならびに

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その評価法について十分な知識を有することが必要である。そのため，衝撃弾性波試験法に関する知識、経験を有し、iTECS 法については、iTECS 技術協会

㪩が実施する講習会を受講した者となっている。筆者は

iTECS 技術協会の講習会を受講し，表面弾性波の挙動および速度測定方法について検討する必要性をいだ
いた。そこで，表面弾性波速度測定について基礎的な実験を行なったので報告する。具体的な目的は次の２点である。(1) 表面弾性波速度測定のパソコンによる自動処理。(2) 表面切欠きが弾性波伝播に及ぼす影響。
2. 表面弾性波および速度測定の数値処理㪉㪺㪿㪧㪧ᵄવ᠞ᤨ㑆
図-1

打点位置と表面弾性波

り始点を精度良く求めなければならないが，容易ではコンクリート表面をインパクターで打撃すると，縦ない。打撃信号を不明瞭にする要因として，打撃力の弾性波（P 波）、横弾性波（S 波），表面波（R 波）

強弱，打撃力の強弱による弾性波伝播深さの影響，コが生起され，内部に球面状に伝播するとともに，表ンクリート表面の硬軟，コンクリート表面の局部的微面を平面的に伝播する。表面を伝播する縦弾性波の

少破壊，コンクリートの気泡含有率の影響，一定トリ速度は，Cp =Eρ ，内部を伝播する速度は V p=ガーレベルの影響。

(4) の方法で速度をパソコンで処理させるには波形の始点決定が重要である。波形の始点を求める数値処リートの縦弾性波速度は約 4000m/s である。ポアソン
理は、等間隔離散点座標に対する波形値のある範囲に比を 0.2 とすると，P 波を 100%とすると S 波は 61%、ついて、それら数値の集合を対象に検出プログラムをR 波は 56%程度である
走らせることになるが、混入雑音や微少ピークの影響2 個の加速度計の間隔を 30cm に固定して，1ch からで正しい結果は得られない。その対策として、波形の30cm（2ch から 60cm）の点の打撃波形を図 1 に示し傾斜を求める差分演算に適当な平滑操作を併用する方た。打点と加速度計の距離が大きくなるにしたがい，法がある。
P 波，S 波，R 波が分離していくことが分かる。表面
微分処理は本質的に高周波強調処理で雑音成分を増弾性波速度算出の方法として、以下の 4 つ方法が考え大させる働きがある。ところが、平滑化処理は一種のられる。(1)P 波始点を目視で決定する方法 (2)R 波始積分処理であたるので互いに背反的な処理を組み合わ点を目視で決定し P 波に換算する方法 1) 。(3) 波形のせることになる。始点検出処理は雑音に敏感であり、類似性に着目して相互相関係数により時間差を計算す
雑音軽減のために併用した平滑化は検出感度を低下さる方法。(4)P 波始点を傾斜閾値 Slope Sense（SS）にせる。このようなことから、Savitzky-Golay 方式のより決定 2) 。
平滑化の適用と，波形の歪みを少なくするための重み弾性波速度を正確に測定するには波形の立ちあがを用いた移動平均の併用がよいと思われる。取得したキーワード 表面弾性波, 平滑化微分, レイリー波
データには，すぐに平滑化とピーク検出のための 1 次
連絡先 八戸市長苗代上碇田 56-2 コサカ技研
Tel 0178-27-3444
Email:fukui@kosakagiken.co.jp
微分処理を施す。平滑法はふつうの単純な指数平滑で(1−ν)
Eρ (1+ν)(1−2ν) となり約 5%速くなる。良質なコンク

2ある。図-2 に示すように、始点はデータの 1 次微分値が設定したパラメータ SS（Slope Sense）より大きくなったところとして求める。SS を小さくとるとノイズによって始点の検出位置が不安定になり、大きくすれば始点が後ろにずれる。そこで、もう一つのパラメータ DT（ Detection Time ）を用いて、1 次微分4.2 表面切欠のよる影響
深さ 6cm の切欠から 3cm 離れた点に設置した加速度計の波形を図-3 に示す。鋼球は直径 5mm で，サンプルレートは 0.2 マイクロ秒である。波形から求めた
鋼球接触時間は 31 マイクロ秒であったので，波長は約 13cm である。

値が SS よりも大きい区間が DT よりも長く続いたと㋦⋥ゲടㅦᐲ

きに、その区間の始まりを始点とするアルゴリズムを考えた。

3. 測定装置と試験体測定装置は，オシロスコープ HP54540A；4ch，１GSa/s と iTECS-503 を用 い た 。1 軸加 速 度 計 は
PCB352C66， 3 軸加速度計 PCB356A24 である。コンクリート平板は，B6 × L90 × H30cm の既製品で直径 6mm の鉄筋が配置されている。始めに切込みのない状態で，次に深さ 6cm の切込みを入れて測定した。2 個の加速度計の設置距離は 6cm〜30cm、鋼球はφ 5mm〜32mm、鋼球の打点は，ch1 の加速度計から 5〜50cm の範囲に設定した。

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4 実験結果および考察
4.1 平滑化微分による始点の決定

図-3

表面弾性波の測定データはテキストで記録されているのでエクセルに読み込み VBA で処理した。今回は，連続した 5 点のデータにより平滑化微分した。

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図-2

平滑化微分の波形

1 回のデータ数 2048, 60 回分のデータを読み込み目視による結果と比較したところ，ほぼ一致したが波形の立ちあがりが緩やかな場合は差違が大きい傾向を示した。ゆるやかな場合でも平滑化微分を施した波形の方が立ちあがり始点を決定するのが容易であった。さらに，波形の立ちあがりが不明瞭な場合は，打撃不良あるいは測定データ不良と判断する判定基準を設けて再測定させるようにしたい。

表面切欠の鉛直と水平の表面弾性波

波長よりも切欠が深いとレイリー波は切欠の表面に沿って伝播するといわれている 3) 。切欠のない場合の表面弾性波速度および厚さ測定の多重反射速度は約4300m/s に比較して，かなり遅くなり，鉛直軸波形の速度は約 2400m/s であった。
レイリー波の振動振幅は表面からの深さの増加につれて急激に減少するので，表面から 1 波長程度の深さまでに振動エネルギーの 95%以上が集中している。したがって，波長の短いレイリー波を用いると板の裏面の影響を受けずに表面近傍の劣化の程度を測定できる可能性があると考えられる。
5. まとめ1. 表面弾性波の立ち上がり始点は，傾斜閾値 SlopeSense とその継続時間を組み合わせる方法が有功であることが分かった。
2. 切り欠き深さと同程度の短い波長を与える鋼球を用いると，弾性波速度が明らかに遅くなり切り欠きの影響が受けることが分かった。
参考文献
1)
2)
3)

秋松和正他，衝撃弾性波法によるボックスカルバートの施工管理，日本非破壊検査協会秋期講演会概要集，2006.9
南茂夫他, 機器分析のためのコンピュータ入門，講談社サイエンティフイクス
平尾雅彦他，表面クラックにおけるレーリー波の反射と透過, 超音波エレクトロニクスシンポジウム，1981