計測自動制御学会東北支部 第162回研究集会（1996．T．19）
資料番号162・9

超音波による地下水下砂中の物体識別の基礎検討
Thefoundationalexaminationforimagingobject

in占and占aturatedwithundergroundwaterbyultra80nicwave○伊佐地 昭裕

及川 勝利

井上 浩

OAkihiroIsaji，Ⅱat凱ItO与hiOikawa，Hiro畠hiInoue
秋田大学 鉱山学部 電気電子工学科

DepartmentofElectricalandElectl・OnicEngineering，

MiningCollege，AEITAUniverBity
キーワNド：超音波（l11trasonic wave），水を含んだ砂の減衰（attenuation Df sand 8aturatβdwithwater），パルスエコー法（1）ulseechotechnique），映像化（imaging）

連絡先：〒010 秋声市手形学園町1・1秋田大学鉱山学郁電気電子工学科井上研究室
井上 浩 Tel．：（O18fi）89・2491，Fax．：（OIBB）35・4651，E・Mail：inoueh＠il］C．akita・u．aC．jp

1．はじめに地中の様子を探る方法に，ボーリング調査がある．この方法で，例えば，地滑りが起こボーリング孔パイプりやすい場所を調査した場合，地中の砂礫を取り出すことはできるが，その物体がどの位超音波置に，どのように置かれていたかの情報が乏駆軌波しい．そこで，図1・1のようにポーリング孔−・一・・・

パイプ内から超音波を用いてパイプのごく近反射波傍の測定を行い，地中（パイプの周囲）にあ施工j虹工：＞

坦王座ユ地史る物体のより詳しい情報（位置，形状，種類など）を得ることを検討してきた‖．超音波
は空気中より水中の方が伝搬しやすいので，

国1−1モデル実験図

地下水下での測定を条件とし，パルスエコ

パルスエコー法で測定を行うとき．物体法で測定を行うことにした．また，パイプ町（反射体）との伝搬時間と反射波の大きさが外の媒質は，水を含んだ砂であると仮定する．

問題となる．媒質中の音速が分かれば物体までの距離を伝搬時間から知ることができる．
水を含んだ砂の音速は約1700m／s望）と測定
・1．

されていて水中と比較すると約200m／島ほど

九叩 凡速い．また，物体の反射率の違いによる反射−＝−・T婚・n抑・β￣2α∬

（2・4）

如 軋

波の大きさから，およその物体を識別できる．となり，自然対数をとると，ここで媒質中の超音波の減衰が大きいと，反射波が小さくなり映像化を行う場合には影響塘ト2α腋・h〔岩・T紺S・nw〕（2一郎がでることが考えられる．となる．（2・5）式の第2項は，同一条件下にそこで最初に水を含んだ砂の超音波の減衰おいては定数となるので，砂の層の厚さ∬を率の測定を行い，またパイプ内からその水を変化させ，反射音圧♪。と♪㈲を測定すれば，含んだ砂の中にある物体の表面形状の測定を傾きから減衰率2α Np／mを求めることが行った．

できる．

dB／mで減衰率を表すと

2．水を含んだ砂の超音波の減衰

r購・n紺ヲ0lo据】＝側・如ogほ・〕（2・6）

2．1 測定原理となり，減衰率は傾き40αlo酢 dB／mとな

砂中と水中の超音波の反射波の振幅の比にる．

よって減衰率を得ることを考える．一般に音波が媒質中を∬方向に伝搬するとき，αを減♪仰 ♪r ♪J衰定数とするとその昔圧の減衰は平面披に対水して次のように表されるユ）．
如＝如一加

透過TIY
ホ（2−1）砂

ここで♪0は∬＝0における音圧で，♪∫は距離∬における昔圧である．

n，

厚さ♪d∬

か ト

反射体 反射率乱

図2・1に示すように水中と水を含んだ砂について音波伝搬を考える．水中について，入反射体

反射率凡

図2−1減衰率の測定原理

射彼の音圧をれ 反射波の昔圧をか，反射体の反射率を虎Ⅳとすると，
如＝函・軋

2．2 露式料の砂について（2−2）となる．次に水を含んだ砂中について，入射秋田県内で採取した砂を表2・1のようにふ波の音圧をれ 反射波の昔圧をか。，砂の層るい分けて使用した2）．以下，砂を表2−1にの厚さを∬，水を含んだ砂中での反射体の反従って，砂＃1，砂＃2，砂＃3と呼ぶ．

射率を風，水中から砂中への透過率をn∫，

砂中から水中への透過率をn膵とし，水と砂

表2−1砂の諸データの層を考慮すると，密度
声朗＝如・㌔・凡∵T㌦・β￣拍∫也♯号 筒寸法 平均放任隙間串 乾捷砂 水を含んだ砂（2−3）となる．

［m］

ここで，水中と水を含んだ砂で反射波の背任の比をとると，．2．

【x押鴫／m，】l吊0，鴫ノ川】】【¶］ ［1】

削0．105−0．250 0．235＃20．250−0．ヰ20 （）．301＃30．ヰ20−1．190．728514049ユ．0

2．0ヱ．Tl．9

ヱ．6

2．0皇．3 測定方法

国2−2に測定図を示す．表2−1の砂を脱気（周波数570kHz．砂＃1）した水に浸し十分かき混ぜて1日以上経過した状態で測定を行った．振動子を発振器で駆動し，反射体であるアルミ披から反射した反射波の振幅を，それぞれ水を含んだ砂の畳合と，水のみの場・合でオシロスコープで観測した．（2・6）式によりdB換算し，砂の層の厚さに対する砂中における超音波の減衰（dB）とする．駆動周波数は570kHz，

010 30 50 TO 90 110

700kH乙，砂の層の圧さ【mm】

種類で測定を行った．
（a）周波数570kH乙（周波数700kH乙 砂削）

反射体（アルミ坂）

図2−2 測定図

2．4 測定結果

010 30 50 TO 90 1川

測定にばらつきがでることが予想されるの

砂の層の厚さ【mm】

で，それぞれの周波数と砂について5回以上の測定を行った．また，砂の層の厚さは，仲）周波数700kHヱ

測定周波数によって異なるが，およそ10〜110mmである．それぞれの周波数の砂の層（周波数1MH三．砂＃1）の厚さに対する減衰の測定結果を，砂＃1は図2−3に，砂＃2は図2−4に示す．ここで砂＃3については散乱が大きいために反射波の測定ができなかった．

以上の結果から，砂＃1と砂＃2について，それぞれの測定ごとに最小二乗近似の一次式から傾きを求め，周波数に対する平均減衰率と標準偏差を表した結果を図2−5に示す．

0 1030 50 TO 90 110
砂の眉の圧さ【mm】（c）周波数1MH三回2−3 砂＃1の減衰の測定結果
・3・（周波数570kH子．砂＃2）

∩リ
0

ヰ30

∩リ

︻∈ ︑ 皿 P ︼ 掛 憫 域0．8周波数tMH王】

01D 30 50 70 90 110
砂の膚の厚さ【mm】

図2−5 周波数に対する減衰率（a）周波数570kHE

2．5 検討
超音波の減衰の原因はいろいろあるが，考（周波数700kHヱ．砂＃2）

えられる原因としては粒子による散乱減衰，粘性減衰などがある．基本的に減衰率は周波数の関数で表すことができる，図2−5の結果からはばらつきが大きいので周波数の関数として表すことは難しいが，傾向として周波数が大きくなると減衰も大きくなる結果となった．また，砂＃1と砂＃2を比較した場合，砂の粒径が大きい砂＃2の方が減衰率は小さ

010 30 50 70 90 110
砂の庸の厚さ【mm】かった．しかし．砂＃3は測定を行った［】］では最も粒径が大きかったが，減衰が大きいた

仲）周波数700kHEめに測定ができなかった．

（周波数1MH王．砂＃2）

3．ポーリング孔パイプ内からの砂中の物体形状測定のモデル実験

3．1 測定方法
囲3−1に測定図を示す．地下水下でパイプ内から砂中の物体形状を測定することを想定しているので，砂は水に満たされ，パイプの上は水中である．測定はパルスエコT法で行010 30 50 TO 90 110
砂の層の厚さ【mm】

い，ボーリング孔パイプ内を上下方向に走査した場合を想定して行った一 駆動波はバース

ト状波で，1MHz（直径10mmの振軌子）（c）周波数1MHE
図2−4 砂＃2の減衰の測定結果と570kH芝（直径15mmの振動子）の振動＿ 4．

子を用い，試料は平面と曲面との形状比較の込んだデータにかけて反射波形を強調し，包ために，アルミ板（幅25mm）と円筒形真路線抽出を行った結果が図3朝c）である．こ輪（直径25mm）を用いた．パイプの外側れを走査した順に3次元座標に並べ，そのの媒質となる砂は，他と比較して減衰率の小振幅データから等高線を描いて映像化を行う．

さい砂＃2を用いた．また，用いたパイプのこの等高線表示により，媒繋中の音速が分材質は塩化ビニルパイプであり，鉄パイプとかれば試料皇での距離が分かる．また振動子

比較して超音波の透過率は非常によいl）．塩に近い方から試料の表面の形状を，反射波の化ビ土ルパイプは外径88．7mm，内径大きさを等高線のレベルにより知ることがで

丁乱5mm，厚さ5．1mmである．

きる。

FUNCrION G・ENERATORDIGITALOSCJLLOSCOPl王
DL120（】HPユ3120 3A

走査方向
パソコン
水パイプ

‖ ▲ll ＿■J0 10 20 30 ヰ0 50

図3−1測定囲伝搬時間【〃S】

3．2 映像化するためのデータ処理の方法
ディジタルオシロスコープで取り込んだ波（a）取り込んだ波形データの→部分

形データの1つの例（周波数1MHE）は，固3−2（a）のようになる．横軸データ数が0〜5J上白程度までの波形が，振動子を駆動している駆動波形で，5〜15〃Sにある波形が，パイプの中で反射した波形を含む，パイ0 10 20 30 ヰ0 50プからの反射波である。この駆動波形と，パ時間【〃S】

イプからの反射波は，同じ条件で走査を行っている場合は，ほぼ同じ場所に現れる．
そして，最も重要な波形データは，パイプの外から反射してくる波形データである，約匝）STC関数15〟島以降に現れるデータである．図3−2（a）の場合，およそ25J上￡以降に，パイプの外にある試料で音波が反射し，戻ってきた波形データがある．

10 20 30 40 50
伝搬時間l〃Sl

駆動波形とパイプからの反射波は，映像化を行うときには，必要のないデータである．

反射波を強調させるために，図3−2仲）のよ（c）（a）と仲）を掛け，包路線抽出した結果

うな時間的感度制御（STC）関数を，触り

図3−2 データ処理の方法
・5・

の振動子）と1MHz（直径10mmの振動子）で，平面であるアルミ板（幅25mm）を走査した結果を回3・3に，曲面である円筒形鼻l−

それぞれ駆動周波数570kHヱ（直径15mm牢咋 榊 順 母 ≠ 森 璧

3．8 測定措果

輪（直径25mm）を走査した結果を回3＿4に示す．また，図の横軸は振動子から水，パイプ，水を含んだ砂の3媒質から成り立ってと伝搬時間から求めた．

−1−牢中側頗百中南璧−−−1

年壇榊報∈中森岳

いるが，水を含んだ砂の音速約1700m／82）（a）振動子と試料の距離 40mm
（駆動周波数5TO旺Hヱ）仲）振動子と試料の距離 20nlm（駆動用波数1MH乙）（a）振動子と試料の距離 49．2mm

図3−4 円筒形真輪を走査した結果（駆動周波数570Ⅰ（HE）

白．4 検討状を持つ試料を走査し映像化を行った結果，l

在k榊根百中南璧

図3−3と図3−4のそれぞれ平面と曲面の形平面と曲面の表面形状を測定することができた・ただし図3−4（a〕については試料の位置を把握するのは難しい．ここで表面形状とは3・2で述べたように，振動子に近い方から現れてくるデータである．同様に横軸に現れる
幅はパルス幅であり，試料の大きさを表すものではない．

一方縦軸について試料の大きさは，平面のアルミ板の幅は横方向に振動子の直径が加わ巾）振動子と試料の拒離 20．4mm（駆動周波数1MH乙）った幅が現れたために，実際の幅25mmより大きい結果となった．また，直径25mmの円筒形真輸の幅は約15mmとなり，全体像を測定することはできなかった．

図3−3 アルミ板を走査した結果【Il】面（円筒形）の試料の音波の反射率は平・6．

面より小さくなるので，今回の測定でも，平謝辞面であるアルミ板の方がより長い距離で映像研究に協力していただいた奥山ボーリング㈱林克彦氏に感謝します．皇た，種々お世化が可能であった．

駆動周波数について，2．5で述べたように話になった井上研究室の皆様に感謝します．

周波数が低い方が砂中の超音波の減衰が小さくなるので，反射波が大きくなる．従って駆動周波数570kHヱで測定を行った場合の方が卒寿文献

よりはっきりと表面形状を映像化できると考

1）伊佐地，井上， ポーリング孔パイプ内えられるが，バースト状波で測定を行っていからの超音波の透過に関する一考察 ，平成

るので，周波数が低くなると波長が長くなり，7年電気関係学会東北支部連合大会2A22

パルス幅が大きくなり，距離分解能が悪くな

2）井上，吉田，西平，奥山，林，る．今回の測定での砂中でのパルス幅は，砂粒径の異なる砂の音速測定 ．日本音響学会中の音速を1700mノ占とすると，駆動周波数

講演論文集 平成5年3月

5了OkHzで約15mm，1MH見で約8．5mmでB）日本学術振興会製鋼第19委員会編， 超あった．これにリンギングなどの影響が加わ音波探魔法（改訂新版） ∴ 日刊工業新聞軌

ったパルス幅が結果に現れた．また，振軌子

昭和62年1月の特性により，特に570kHzの振動子は他の低い周波数成分が出てしまし，パルス幅が長くなった．従って1MH冨の振動子による測定結果の方がはっきりと映像化できた．

ヰ．おわりにボーリンダ孔パイプ内から地下水下砂中の物体識別を行うために，水を含んだ砂の粒径と周波数に対する超音波の減衰率を測定し，モデル実験としてパイプ内からの水を含んだ砂中の，平面であるアルミ版と曲面である円筒形真諭の表面形状を測定した．その結果，水を含んだ砂の減衰率は周波数に対して増加する傾向を示した．またアルミ板は70mm程度まで，円筒形真輸は50mm程度までの表面形状を測定することができた．
今後は様々な状況を想定した実験を行う予定である．

・7・

水中の