広島工業大学紀要研究編
第 42巻（2008）pp. 199-206

報

告打撃音法を用いた木材の弾性係数の非破壊検査測定精度の調査
川 上 和 貴 ・岩 井哲(平成19年10月31日受理)

Investigation of Nondestructive Measuring Accuracy of the Elastic Modulus of Timbers
Using the Tapping-Tone Method

Kazuki KAWAKAMI and Satoshi IWAI
(Received Oct.31,2007)

Abstract
In this study, the estimation accuracy of the elastic modulus of timbers by a tapping-tone method
used as a nondestructive test was examined against the real elastic modulus by the destructive test,changing section size, specimen length and kind of the timbers named Douglas fir, Chamaecyparis
obtusa and Cryptomeria japonica. The elastic modulus were measured by two different types oftapping-tone method:the longitudinal vibration method and the transverse vibration method. The
conclusions are as follows:it is found that the transverse vibration method predicts remarkably wellthe elastic modulus by the destructive test, regardless of the section size and the length of thespecimen. On the other hand,the longitudinal vibration method to the small-size specimen (specimenwith 480 mm length) shows, in certain cases, wrong estimation against the elastic modulus of thedestructive test.
Key Words: tapping-tone method, nondestructive test, elastic modulus, timber

使ったところ，弾性係数が著しく低く出る場合が生じた。

１．研究目的

本研究はこのような小サイズの試験体を含め，断面寸法，打撃音法は，固有振動数と質量（密度）から弾性係数を部材長さ，樹種を変えて同じ材で非破壊試験と破壊試験の求める非破壊測定法である。材料の共振現象を利用するも両 方 を 実 施 し，弾 性 係 数 の 測 定 精 度 を 調 べ た も の で あので，木材をハンマーによって打撃して発生する音の振動

る。１）,２)

数を FFT スペクトルアナライザーにより取得し，安定し２．研究方法た計測が可能とされる。打撃音法には木材の材軸方向に打撃する縦振動法と，木材の材中央を垂直方向に打撃する横2.1 試験体振動法がある。建材の実寸サイズにおいては圧縮試験や曲調査対象とした材は代表的な建築材料の米松，桧，杉のげ試験などの破壊試験により求めた弾性係数と，非破壊試３種である。全角材(105㎜×105㎜×1,680㎜)を用意し，桧験である打撃音法より求めた弾性係数は近似することが認と杉は各１体，米松は２体を切り出して米松Ａ，米松Ｂとめられている。しかし，JIS 規格で定められている小サイ区別している。打撃音法試験用として，全角材について計

ズ曲げ 試 験 用 試 験 体(30㎜×30㎜×480㎜)で 打 撃 音 法 を測調査を行った後，その全角材１本から太長材(50㎜×50広島工業大学大学院工学研究科建設工学専攻
広島工業大学工学部建築工学科199

川上和貴・岩井 哲

図１ 圧縮試験による弾性係数測定

図２ 曲げ試験による弾性係数測定

写真１ 縦圧縮試験(Ｌ＝50㎜)

写真２ 曲げ破壊試験㎜×800㎜)，細長材(30㎜×30㎜×800㎜)，太短材(50㎜×50㎜×480㎜)，細短材(30㎜×30㎜×480㎜)の４種 別 を 各 ３体，圧縮試験用試験片(30㎜×30㎜×90㎜)を３体，曲げ試験用試験片(30㎜×30㎜×480㎜)を３体切り出した。いずれも形状・寸法は JIS 規格で定められているものをもとにし，木材の切り出しはすべて木材業者に任せた。
2.2 破壊試験方法
図３ 縦振動法によるヤング係数測定

アムスラー型万能試験機により，圧縮試験用試験片を用いて木材の繊維方向に圧縮する縦圧縮試験を行い（図１，
写真１），圧縮弾性係数と圧縮強度を求めた。標点距離は 50㎜とし，50㎜間でのひずみを求め，応力ひずみ曲線の弾性域の傾きより縦圧縮弾性係数を求めた。また同じ万能試験機で曲げ試験用試験片を用いて曲げ試験を行い（図２，写真２），荷重−たわみ曲線，曲げ強度，曲げ比例限度，曲げ弾性係数を求めた。
2.3 打撃音法試験
縦振動法では，材軸方向に打撃し，発生した音の振動数を FFT(Fast Fourier Transform 高速フーリエ変換)スペク ト ル ア ナ ラ イ ザー(＝周 波 数 解 析 機；小 野 測 器

写真３ 縦振動法によるヤング係数測定状況

CF-5220Ｚ)から求めた(図３，写真３)。５回の打撃で得た波形
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打撃音法を用いた木材の弾性係数の非破壊検査測定精度の調査

図４ 横振動法によるヤング係数測定

図５ 縦圧縮弾性係数−密度関係

図６ 曲げ弾性係数−密度関係
写真４ 横振動によるヤング係数測定の状況を平化した波形から固有振動数を求めている。縦振動法

による弾性係数の推定式は＝2ρ(1)で与えられる。ここで， N ㎟)は弾性係数， (㎜)は試験体の材長， (㎐)は固有振動数，ρ(㎏/㎣)は試験体の密度である。
横振動法では，材中央を垂直方向に打撃し，発生した音の基本振動数解析から固有振動数を求める。５回の打撃で得た波形を平図７ 圧縮強度−密度関係化した波形から固有振動数を求めている。

横振動法による弾性係数の推定式は＝ 2πρで与えられる。ここで， (㎜)は 断面２次半径，(2)は振動次数によって決まる定数である。ここでは１次振動数で支持方法は両端自由梁としたので 4.73となる。（図４，写真４）。

３．弾性係数の測定結果
3.1 破壊試験結果
図８ 曲げ強度−密度関係

縦圧縮弾性係数と密度の関係を図 5に示す。回帰直線の相関係数 R が 0.36である。相関はあるが高くない。曲げR は 0.71である。縦弾性係数と密度の関係よりも相関は弾性係数と密度の関係を図６に示す。回帰直線の相関係数高い。次に，圧縮強度と密度の関係を図７に示す。回帰直201

川上和貴・岩井 哲

図９ 縦圧縮弾性係数−圧縮強度

図 12 全角材の横振動フーリエスペクトル（米松Ｂ）

図 10 曲げ弾性係数−曲げ強度

図 13 材長 800㎜の縦振動フーリエスペクトル（米松Ａ）

図 11 全角材の縦振動フーリエスペクトル（米松Ｂ）

図 14 材長 480㎜の縦振動フーリエスペクトル（米松Ａ）

線の相関係数 R が 0.95でかなり高い。曲げ強度と密度の関係を図８に示す。回帰直線の相関係数 R は 0.41で ある。曲げ強度のばらつきがやや大きく，圧縮強度と密度の関係に比べ相関は低い。縦圧縮弾性係数と縦圧縮強度の関係を図９に示す。一般的に木材では弾性係数が高いと強度も高いとされるが，回帰直線の相関係数 R は 0.33で ある。曲げ弾性係数と曲げ強度の関係を図 10に示す。回帰直線の相関係数は 0.66である。図９，10より弾性係数と強度にも相関が認められ，特に曲げ弾性係数と曲げ強度の相関は比較的良い。
図 15 材長 800㎜の横振動フーリエスペクトル（米松Ａ）

3.2 打撃音法試験結果と図 13，14に示す。全角材では弾性係数が 12.1kN/㎟とな縦振動法により求めたフーリエスペクトルの例を図 11り（表１）破壊試験で得られた弾性係数(13.0〜15.4kN/㎟)
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打撃音法を用いた木材の弾性係数の非破壊検査測定精度の調査

図 19 各試験による弾性係数（檜）図 16 材長 480㎜の横振動フーリエスペクトル（米松Ａ）

図 20 各試験による弾性係数（杉）図 17 各試験による弾性係数（米松Ａ）

図 21 打撃音法の弾性係数と曲げ強度の関係
図 18 各試験による弾性係数（米松Ｂ）と近い値が得られている（表３）。長さ 800㎜の細長材では，弾性係数が 15.4kN/㎟となり，破壊試験で得られた弾性係数に近い値が出ているのに対し，長さ 480㎜の細短材では弾性係数が 0.238kN/㎟と著しく低い値となった。これは１次ピーク振動数が低く出たため弾性係数も低く出たもので，米松Ｂ，桧，杉でも同様の結果となった。
一方，横振動法により求めたフーリエスペクトルの例を
図 12，15，16に示す。横振動法の場合は材長が 800㎜でも480㎜でも，弾性係数が 14.0〜14.5kN/㎟となり破壊試験から得られた弾性係数(13.0〜15.4 kN/㎟)に近い値が得

図 22 曲げ試験の弾性係数と圧縮試験の弾性係数の関係られた。全角材はやや低い弾性係数となっている。
弾性係数のそれぞれの関係を調べたものを図 21に示す。弾
3.3 破壊試験と打撃音法の比較

性係数が高くなると強度も高くなり，近似直線の相関係数

破壊試験と打撃音法から求めた全試験体の弾性係数を表

R は 0.61と高い相関を示している。曲げ試験と圧縮試験

１〜３，図 17〜20に示す。縦振動法，横振動法，破壊試験から求めた弾性係数の関係を図 22に示す。曲げ試験よりもから求めた弾性係数を材種別に示した。前述のように横振圧縮試験のほうが弾性係数が高く出ている。近似直線の相動法では材長による弾性係数の大きな違いは見られなかっ関係数 R は 0.68となった。打撃音法と破壊試験から求めた。打撃音法で用いた材と同一の材を破壊して曲げ強度とた弾性係数の比較を図 23，24に示す。打撃音法の弾性係数203

川上和貴・岩井 哲
表１ 打撃音法試験結果

表２ 打撃音法試験結果

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打撃音法を用いた木材の弾性係数の非破壊検査測定精度の調査
表３ 破壊試験結果の相関係数は 0.70となった。縦振動法と横振動法から求めた弾性係数の関係を図 25に示す。縦振動法の弾性係数は横振動法の弾性係数よりもやや高く出る傾向にある。近似直線の相関係数 R は 0.75となった。
今後は 480㎜の材で打撃音法を行ったときに弾性係数が低く出る原因と，破壊試験と近い弾性係数を得るための解決法を探りたい。

４．結論
木材の圧縮と曲げ破壊試験で弾性係数を求め，30㎜角
図 23 打撃音法の弾性係数と曲げの弾性係数の関係〜105㎜角材の打撃音法による弾性係数の計測精度を検証した。また樹種を変え，その影響を検証した。
１) 全角材においては縦振動法，横振動法ともに破壊試験で得られる弾性係数に近い値が求まった。横振動法では試験体サイズを問わず破壊試験と近い弾性係数が得られた。
２) 縦振動法においては 30㎜角の 800㎜材長では破壊試験と近い値が得られるが，480㎜の材長では弾性係数が著しく低く出ることがわかった。
３) 縦振動法の弾性係数は横振動法の弾性係数よりもやや高く出る傾向がある。縦振動法で得られた弾性係数は

図 24 打撃音法の弾性係数と縦圧縮の弾性係数の関係破壊試験の圧縮試験で得られた弾性係数に近い値が出て，横振動法で得られた弾性係数は破壊試験の曲げ試
験で得られた弾性係数に近い値が出る傾向がある。
４) １)〜３)の傾向は材種を変えても同様の結果が得られた。

文１) 岩井哲，大林献

眞：木材弾性係数の非破壊測定のための工学実験教育における打撃音法の利用，広島工業大学紀要教育編，第６巻，pp.15‑18，(2007)２) 柏田貴志，川上和貴：打撃音法を用いた木材の力学特性の非破壊検査精度の調査，広島工業大学卒業論文，

図 25 縦振動法の弾性係数と横振動法の弾性係数の関係(2007)
は曲げの弾性係数と１対１の相関が強いことがわかる。近３) 秋田県立大学木材高度加工研究所編：「コンサイス木似曲線の相関係数 R は図 23では 0.87，図 24の近似直線材百科」，改訂版，(2002)205

川上和貴・岩井 哲

４) 祖父江信夫：タッピング

木材材料の弾性係数測定，レオロジー研究資料，(1993)

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