パラメトリック送信技術を用いた水中構造物内部点検手法について*○岸寛人(寒地土研)†，浅田昭，虻川

1. はじめに
近年，社会資本の老朽化に関する問題が顕在化している．国土交通省によると港湾施設においては，建設後 50 年を経過する岸壁が，2013年時点で約 8%であったものが，2023 年には約32%，2033 年には約 58％と急速に増加することから，今後一斉に補修や改修が必要となることが予想されている 1)．
老朽化が進行した水中構造物では，損傷箇所などから内部の土砂が流出する．これにより水中構造物内部に空洞が発生し，空洞箇所の上の路面が陥没するなどの現象が発生することがある（Fig. 1）．
岸壁エプロン内部の点検には，地中を探査する技術が使われており，非破壊で路面下空洞探査を行える地中レーダ探査法が普及している．
地中レーダ探査法とは，地上から地中に向けて電磁波を照射し，空洞などからの反射波を測定することで地中の状況を推定・把握する手法である．しかし，電磁波は水分を多く含んだ地中では減衰するため，水中構造物の海面水位以下
では地中レーダによる探査は困難となる 2), 3)．
これらの課題に対して，超音波のパラメトリ
ック送信技術を利用した水中構造物内部点検手法の開発に取り組んでいる．本稿では，試験水路および実際の港湾において実施した試験内容について報告する．

Fig. 1 Corrosion holes on sheet pile walls(left) and a top surface collapse of quay wallcaused by hole which formed inside (right).

2. 計測手法と計測装置
2.1. 計測手法
パラメトリック送信技術は，わずかに周波数*†

和紀，藤澤慶 (東大生研)が異なる 2 つの音波（1 次波）を同時に送信することで発生する差音（2 次波）を利用する技術である．2 次波は透過性および方位分解能に優れているという性質を持っており，海底下地層探査技術として利用されている 4), 5)．この技
術を応用して，海中から水中構造物内部の点検を行う手法を研究している（Fig. 2）．

Fig. 2

Schematic of measurement method.

Fig. 3 Parametric probe (left) and poweramplifier (right).

2.2. 計測装置
本手法による水中構造物の内部点検を実現するため，パラメトリックプローブ（東大生研と米国 MSI 社との共同開発）を導入し，試験を行っている 6), 7)．パラメトリックプローブおよびパワーアンプの外観を Fig. 3 に示す．パラ
メトリックプローブは，同心円状に 5 つの送信チャンネルと 5 つの受信チャンネルが配置されたアニュラアレイプローブである．焦点距離が標準の状態で 1.5m となるように素子が配置されており，パラメトリックプローブ前面はわずかに凹面状になっている．また焦点距離は送Inspection Method for Inside States of Underwater Structure by Use of Parametric Transmission Technology
Norihito Kishi (Civil Engineering Research Institute for Cold Region), Akira Asada, Kazuki Abukawa, Kei Fujisawa(Institute of Industrial Science, Univ. of Tokyo)
kishi-n22aa@ceri.go.jp

波タイミングを電子的に制御することで±0.5m の範囲で変更することができる．1 次波の中心周波数は 100kHz であり，2 次波周波数は 5～20kHz を使用できる．

3. 試験水路におけるパラメトリックプローブ透過性能確認試験
3.1. 試験方法
パラメトリックプローブを使って寒地試験
水路で音波が鋼矢板を透過するか確認試験を行った．試験方法および試験状況を Fig. 4，5にそれぞれ示す．水路幅は 1.6m，水路底面から水面までの深さは約 1.1m であり，パラメトリックプローブの中心が水路幅方向の中央，水面から 0.5m の深さになるよう単管で固定した．
次にパラメトリックプローブ前面から 1m の位置に鋼矢板（有効幅 600mm，有効高さ 130mm，厚さ 10.3mm）を設置した．その際，ターゲッ
トからの反射波が鋼矢板の周囲から回り込んでこないように，鋼矢板の両側に木板を設置し，水路を塞いだ．そしてパラメトリックプローブからの 1.5m の位置にターゲットを沈め，1.5m→1m→1.5m と移動させ，その様子を計測した．
強い反射を得られるようターゲットには，EVA樹脂板（幅 600mm，長さ 845mm，厚さ 20mm）を使用した．
3.2. 試験結果
Fig. 6 に試験結果を示す．2 次波周波数は5kHz である．まずパラメトリックプローブから 1m の位置に見える強い反射が見えており，これは鋼矢板表面からの反射を表している．次に，図中 A の位置から現れ，時間とともに 1.5mから 1m まで近づき，再び 1.5m まで離れ，Bの位置で消える線が見えており，これが鋼矢板の後ろで前後に移動させたターゲットからの反射を表している．A の位置で現れるのは計測を開始してからターゲットを水中（パラメトリ
ックプローブの音軸上）に投入したため，B の位置で消えるのはターゲットを水上に回収したためである．また，ターゲットからの反射より遠い位置に複数の線が見えている．この内，2m→1m→2m および 2.5m→1m→2.5m と移動している線は鋼矢板とターゲットの間で発生した多重反射を表している．また，機械振動も含まれていると考えられる．
以上により，パラメトリックプローブから送信する音波が鋼矢板を透過し，背後のターゲットまでの距離を計測できることを確認した．

Fig. 4 Schematic of experiment in waterchannel (top view).

Fig. 5A scene of the water channelexperiment.

Fig. 6
A result of the water channelexperiment.

4. 実海域試験
4.1. 試験方法
本装置を使用して，北海道内の港において実海域試験を実施した．
パラメトリックプローブを用いた水中構造
物内部計測では，送信する超音波をできるだけ垂直に岸壁面へ入射させる必要がある．そのためバックホウに機器を搭載し計測を行った（Fig. 7，8）
．バックホウのバケットに計測機器昇降装置を固定し，そこにパラメトリックプ

ローブ，モーションセンサ（DMS-05，Teledyne
TSS 社，UK），GPS 移動局アンテナ（SPS851，Trimble 社 ， USA ）， GPS 方 位 計 ア ン テ ナ（SPS552H，Trimble 社，USA）を取り付けた．
データ収集用 PC や GPS 受信機本体等はバッ
クホウ上部の旋回体側面に取り付けた計測機器収納ボックス内に固定した．各計測機器のケーブルはバックホウのアームに沿わせて，計測機器収納ボックスまで配線した．計測機器昇降装置は電動ラックピニオン式，可動範囲は 3mである．
4.2. 試験結果
バックホウを停止させた状態で，パラメトリックプローブを水深 2.8m の位置に垂下し，そこから水深 1m まで上昇させ，岸壁内部計測を行った結果について，Fig. 9 に示す．計測した岸壁は鋼矢板岸壁である．岸壁の上部工に設置されている防舷材との接触を避けるため，パラメトリックプローブと岸壁の距離は約 2m とした．2 次波周波数は 8kHz である．
パラメトリックプローブから約 2.2m の位置に反射が見られ，岸壁表面を表している．次に，パラメトリックプローブからの距離が約 2.3m，水深約 1.6m の位置から，右斜め下に向かう反射層が見えており，これは岸壁内部からの反射を表している．この反射層は，異なる材質の境界や，水分を多く含む部分とそうでない部分の境界などの可能性が考えられる．

Fig. 8A scene of the field experiment.

Fig. 9 A result of the measurement of insidestate of sheet pile quay wall.

5. まとめFig. 7

Schematic of the field experiment.

パラメトリック送信技術を利用したパラメ
トリックプローブについて，試験水路において透過性能確認試験を行い，パラメトリックプローブから送信した音波が鋼矢板を透過し，背後のターゲットまでの距離を計測できることを確認した．また，実海域試験において実際の岸壁を水中から探査し，岸壁内部からの反射波を取得できることを確認した．

今後は，屋外実験水路において，鋼矢板背後に土砂が詰まっている状態（正常な岸壁の状態），鋼矢板背後に空洞があり空気や水が入っている状態，異なる材質による境界がある状態などを再現し試験を行い，得られる反射波の違いや，探査可能な距離などについて詳細に検証していきたいと考えている．

5)

6)

参考文献
1)
2)
3)

4)

国土交通省港湾局，今後の港湾施設の維持管理等の課題に対する対応方針（2014）p. 2
利岡徹馬，”レーダ探査による河床部探査実験”，地質ニュース，537 号，24-28（1999）
小池豊，三木偉信，”三次元地中レーダを活用した鋼矢板岸壁エプロン部の補修履歴と吸出し空洞の評価”，海洋開発論文集，第 26巻（2010）
海洋音響学会編，海洋音響の基礎と応用

7)（（株）成山堂書店，東京，2009），p. 277-279
F. Madricardo, S. Buogo, P. Calicchia, G. B.
Cannelli and A. Lezziero, “AcousticalProspecting in Extremely Shallow Water in The
Venice Lagoon: First Results and Comparisons”,
Proceedings of the Eigth European Conference
on Underwater Acoustics, (2006).
Abukawa, K., Asada, A. and Igarashi, T.,“Three-Dimensional Diagnostic Method of
Quay Wall using Focusing Acoustic Parametric
Probe and Imaging Sonar”, OCEANS' 2012(2012).
Abukawa, K., Asada, A., Mizuno, K., Igarashi,T., Kishi, N. and Akimoto, K., “Diagnostic
Evaluationof
Quay
WallusingThree-Dimensional Acoustic Measurement
Systems”, Underwater Technology 2013 (2013).