JP2003149214A - Nondestructive inspecting method and its apparatus using ultrasonic sensor - Google Patents

Nondestructive inspecting method and its apparatus using ultrasonic sensor

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JP2003149214A
JP2003149214A JP2001345766A JP2001345766A JP2003149214A JP 2003149214 A JP2003149214 A JP 2003149214A JP 2001345766 A JP2001345766 A JP 2001345766A JP 2001345766 A JP2001345766 A JP 2001345766A JP 2003149214 A JP2003149214 A JP 2003149214A
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ultrasonic sensor
spectrum
frequency
obtaining
difference
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Shogo Tanaka
正吾 田中
Kohei Furukawa
浩平 古川
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Yamaguchi Technology Licensing Organization Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nondestructive inspecting method and its apparatus using an ultrasonic sensor capable of highly accurately and easily diagnosing the internal state such as cracks of a concrete structure, etc., even by an unskilled person. SOLUTION: By obtaining a difference spectrum, the difference between the frequency spectrum of reception signals of obtained multiple reflection waves and the frequency spectrum of fundamental reflection waves based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor, and analyzing the difference spectrum, the internal state of the object to be inspected is inspected.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を用いた非
破壊検査法に係わり、特に、コンクリ−ト構造物等の非
破壊検査に好適な、超音波を用いた非破壊検査法及びそ
の装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nondestructive inspection method using ultrasonic waves, and particularly to a nondestructive inspection method using ultrasonic waves suitable for nondestructive inspection of concrete structures and the like. Regarding the device.

【0002】[0002]

【従来の技術】トンネル、橋梁などのコンクリ−ト構造
物は、コンクリートの剥離・崩落などの事故防止及び長
寿命化の観点から、定期的或いは非定期的にその内部状
態の診断を行う必要があり、かかる内部状態の診断は、
従来、主として熟練者がハンマ−で衝撃を与え、その反
力や音などにより亀裂等を診断する打音による診断方法
が採られてきた。然しながら、打音による診断は、熟練
者の急減や、診断対象の数が急増するなどの背景があ
り、非熟練者でも内部状態を高精度に診断が行える診断
方法が求められている。
2. Description of the Related Art Concrete structures such as tunnels and bridges need to have their internal condition diagnosed periodically or irregularly from the viewpoint of preventing accidents such as peeling and collapse of concrete and extending the service life. Yes, the diagnosis of such internal conditions is
Conventionally, a diagnosis method using a hammering sound has been adopted, in which a skilled person mainly gives an impact with a hammer and diagnoses cracks and the like by the reaction force and sound. However, the diagnosis by tapping sounds has a background such as a sharp decrease in the number of skilled persons and a rapid increase in the number of objects to be diagnosed, and therefore a diagnostic method that enables even an unskilled person to diagnose the internal state with high accuracy is required.

【0003】このため、打音に替わる診断方法として、
X線法、電磁波法、赤外線法、超音波法などの非破壊検
査法が試みられてきたが、それぞれ欠点があり、未だ確
固たる診断方法は実用化されていない。即ち、X線法で
は、取扱が煩わしく、有資格者しか使用できず、且つリ
スクが伴い高コストである。また、透過を利用するた
め、トンネルなど片側からの検査対象には適用できない
という問題がある。一方、電磁波法では、鉄筋が内部に
ある場合や水分の多い場合、検査が不可能になることが
あり、赤外線法は、温度分布により分析を行うため、日
照がなく温度差が出難いトンネル内部等では、亀裂等の
検出が困難となる問題がある。また、これらの方法で
は、表面から数mm〜数cmにある浅い亀裂等しか検出でき
ないという問題もある。亀裂等までの音波往復伝播時間
を直接計測する超音波法では、亀裂等が浅く、亀裂等か
らの多重反射波が重畳し合う場合は、音波往復伝播時間
の計測が困難である。これらの従来技術については、例
えば、日本道路公団試験研究所試験研究推進委員会材料
施行研究会:材料施行資料(第8号)非破壊検査法、日
本道路公団試験研究所、試験研究所技術資料第128号、1
996年3月、などに記載が見られる。
Therefore, as a diagnostic method replacing the tapping sound,
Non-destructive inspection methods such as X-ray method, electromagnetic wave method, infrared ray method, and ultrasonic method have been tried, but each has its drawbacks, and a solid diagnostic method has not yet been put to practical use. That is, the X-ray method is troublesome to handle, can be used only by qualified personnel, and is risky and expensive. Further, since the transmission is used, there is a problem that it cannot be applied to an inspection target from one side such as a tunnel. On the other hand, the electromagnetic wave method may not be able to be inspected when the reinforcing bar is inside or when there is a lot of water. The infrared method analyzes the temperature distribution, so there is no sunshine and there is no temperature difference inside the tunnel. Etc., there is a problem that it becomes difficult to detect cracks and the like. Further, these methods have a problem that only a shallow crack or the like located within several mm to several cm from the surface can be detected. In the ultrasonic method that directly measures the sound wave round-trip propagation time up to a crack or the like, it is difficult to measure the sound wave round-trip propagation time when the crack or the like is shallow and multiple reflected waves from the crack or the like overlap each other. Regarding these conventional techniques, for example, Japan Highway Public Corporation Testing Research Institute Test Research Promotion Committee Material Enforcement Study Group: Material Enforcement Material (No. 8) Non-Destructive Inspection Method, Japan Highway Public Corporation Testing Laboratory, Testing Laboratory Technical Materials Issue 128, 1
The description can be seen in March 996, etc.

【0004】かかる超音波法の問題を解決し、コンクリ
−ト構造物の亀裂等の内部状態を非熟練者でも高精度に
診断が行える、超音波を用いた非破壊検査法及びその装
置を提供することを目的に、本発明者は先に、多重反射
波モデルに基づく時間領域の計測法、即ち、超音波セン
サの物理的特性及び信号の伝播特性に基づく予測受波信
号波形と実際の受波信号波形とのパタ−ンマッチングに
よりコンクリ−ト構造物の内部状態を検査する、超音波
を用いたコンクリ−ト構造物の非破壊検査方法及び装置
(特開2001-201487号公報)を提案した。然しながら、
この技術では、若干、判別が難しく、非熟練者には理解
し難いという問題があった。
Provided is a nondestructive inspection method using ultrasonic waves and an apparatus therefor, which solves the problems of the ultrasonic method and enables even an unskilled person to diagnose the internal state of a concrete structure such as a crack with high accuracy. In order to achieve the above, the present inventor has previously conducted a time domain measurement method based on a multiple reflection wave model, that is, a predicted received signal waveform and an actual received signal waveform based on the physical characteristics and signal propagation characteristics of the ultrasonic sensor. Proposed a nondestructive inspection method and device for concrete structure using ultrasonic waves, which inspects the internal state of the concrete structure by pattern matching with the wave signal waveform (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-201487) did. However,
This technique has a problem that it is slightly difficult to discriminate and it is difficult for an unskilled person to understand.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、コンクリ−
ト構造物等の非破壊検査法に係わる前述の状況に鑑み、
コンクリ−ト構造物等の亀裂等の内部状態を非熟練者で
も高精度かつ容易に診断が行える、超音波センサを用い
た非破壊検査法及びその装置を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a concrete
Considering the above-mentioned situation related to the non-destructive inspection method for structural objects,
An object of the present invention is to provide a nondestructive inspection method using an ultrasonic sensor and an apparatus therefor, which enables an unskilled person to easily and easily diagnose the internal state of a crack or the like in a concrete structure.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、多重反射波の受
波信号の周波数スペクトルから超音波センサの動特性に
基づく基本反射波の周波数スペクトルを差し引いた差分
スペクトルを解析することにより、コンクリ−ト構造物
等の表面と内部の亀裂等との間の音波往復伝播時間を高
精度に計測できるのを見出し、更に、非熟練者でも検査
対象物の内部状態を容易に診断できることを見出し、本
発明を完成するに至ったものである。
In order to achieve the above-mentioned object, the present inventor has conducted extensive studies, and as a result, from the frequency spectrum of the received signal of multiple reflected waves, the fundamental reflected wave based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor is obtained. It was found that the sound wave round-trip propagation time between the surface of the concrete structure, etc. and the internal crack, etc. can be measured with high accuracy by analyzing the difference spectrum from which the frequency spectrum of However, they have found that the internal state of the inspection object can be easily diagnosed and completed the present invention.

【0007】即ち、請求項1の発明は、本発明の超音波
センサを用いた非破壊検査法であって、得られた多重反
射波の受波信号の周波数スペクトルと超音波センサの動
特性に基づく基本反射波の周波数スペクトルとの差であ
る差分スペクトルを求め、その差分スペクトルを解析す
ることにより検査対象物の内部状態を非破壊検査する超
音波センサを用いた非破壊検査法である。
That is, the invention of claim 1 is a non-destructive inspection method using the ultrasonic sensor of the present invention, wherein the frequency spectrum of the received signal of the multiple reflected waves obtained and the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor are This is a non-destructive inspection method using an ultrasonic sensor that non-destructively inspects the internal state of an inspection target by obtaining a difference spectrum that is the difference from the frequency spectrum of the fundamental reflected wave and analyzing the difference spectrum.

【0008】請求項2の発明は、前記本発明の超音波セ
ンサを用いた非破壊検査法において、超音波センサに入
力した電気信号に対応する多重反射波の受波信号から多
重反射波の周波数スペクトルを求める工程と、超音波セ
ンサの動特性に基づく基本反射波の周波数スペクトルを
求める工程と、多重反射波の周波数スペクトルと基本反
射波の周波数スペクトルとの差である差分スペクトルを
求める工程と、差分スペクトルから検査対象物表面と内
部の亀裂等との間の音波往復伝播時間を求める工程とを
有する超音波センサを用いた非破壊検査法である。
According to a second aspect of the present invention, in the nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor of the present invention, the frequency of the multiple reflected wave from the received signal of the multiple reflected wave corresponding to the electric signal input to the ultrasonic sensor is A step of obtaining a spectrum, a step of obtaining a frequency spectrum of a basic reflected wave based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor, a step of obtaining a difference spectrum which is a difference between the frequency spectrum of the multiple reflected wave and the frequency spectrum of the basic reflected wave, A non-destructive inspection method using an ultrasonic sensor, which comprises a step of obtaining a sound wave round-trip propagation time between a surface of an inspection object and an internal crack or the like from a difference spectrum.

【0009】請求項3の発明は、前記多重反射波の周波
数スペクトルを求める工程を、最大エントロピー法によ
り多重反射波の周波数スペクトルを求める工程とした超
音波センサを用いた非破壊検査法である。
A third aspect of the present invention is a nondestructive inspection method using an ultrasonic sensor, wherein the step of obtaining the frequency spectrum of the multiple reflected waves is the step of obtaining the frequency spectrum of the multiple reflected waves by the maximum entropy method.

【0010】請求項4の発明は、前記基本反射波が、超
音波センサの動特性を送波器の固有角周波数と減衰係
数、受波器の固有角周波数と減衰係数、及びゲインをパ
ラメータとして含みモデル化した伝達関数を用いて表し
た基本反射波であって、パラメータを、前記多重反射波
の周波数スペクトルと基本反射波の周波数スペクトルと
の二乗誤差が最小となるようにして決定する工程を有す
る超音波センサを用いた非破壊検査法である。
According to a fourth aspect of the present invention, the fundamental reflected wave uses the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor as parameters of the natural angular frequency and attenuation coefficient of the transmitter, the natural angular frequency and attenuation coefficient of the receiver. A fundamental reflected wave represented by using a modeled transfer function including a parameter, a step of determining a parameter such that the square error between the frequency spectrum of the multiple reflected wave and the frequency spectrum of the fundamental reflected wave is minimized. It is a non-destructive inspection method using an ultrasonic sensor.

【0011】請求項5の発明は、前記差分スペクトル
を、前記多重反射波の周波数スペクトルから前記基本反
射波の周波数スペクトルを差し引いた差分スペクトルと
し、前記音波往復伝播時間を求める工程を、差分スペク
トルの負の値をもつ部分だけを抜き出した第二の差分ス
ペクトルを求める処理を含む工程とした超音波センサを
用いた非破壊検査法である。
According to a fifth aspect of the present invention, the difference spectrum is a difference spectrum obtained by subtracting the frequency spectrum of the fundamental reflected wave from the frequency spectrum of the multiple reflected wave, and the step of obtaining the sound wave round-trip propagation time is performed by the difference spectrum. This is a non-destructive inspection method using an ultrasonic sensor including a process of obtaining a second difference spectrum by extracting only a portion having a negative value.

【0012】請求項6の発明は、前記音波往復伝播時間
を求める工程を、前記差分スペクトル又は前記第二の差
分スペクトルの自己相関関数を求める処理を含む工程と
した超音波センサを用いた非破壊検査法であり、請求項
7の発明は、前記音波往復伝播時間を求める工程を、前
記自己相関関数から検査対象物表面と内部の亀裂等との
間の音波往復伝播時間を求める処理を含む工程とした超
音波センサを用いた非破壊検査法である。
According to a sixth aspect of the present invention, the step of obtaining the sound wave round-trip propagation time includes the step of obtaining the autocorrelation function of the difference spectrum or the second difference spectrum, and nondestructive using an ultrasonic sensor. The invention is an inspection method, and the invention of claim 7 includes the step of obtaining the sound wave round-trip propagation time, and the step of obtaining the sound wave round-trip propagation time between the surface of the inspection object and an internal crack or the like from the autocorrelation function. Is a non-destructive inspection method using the ultrasonic sensor.

【0013】請求項8の発明は、前記音波往復伝播時間
を求める工程を、前記差分スペクトル又は前記第二の差
分スペクトルに現れた極大値又は極小値のいずれかの極
値に関わる複数の極点周波数からその繰り返し周波数を
求め、該繰り返し周波数を音波往復周波数とする処理を
含む工程とした超音波センサを用いた非破壊検査法であ
り、請求項9の発明は、前記複数の極点周波数を繰り返
し周波数の整数倍で近似したときの誤差を最小化するこ
とにより前記繰り返し周波数を求めるようにした超音波
センサを用いた非破壊検査法あり、請求項10の発明
は、前記差分スペクトル又は前記第二の差分スペクトル
に現れた前記極点周波数の内、スペクトルの強さが相対
的に大きな複数の極点周波数を用いて前記繰り返し周波
数を求めるようにした超音波センサを用いた非破壊検査
法である。また、請求項11の発明は、概ね30KHzの超
音波を用いて非破壊検査を行うようにした前記の超音波
センサを用いた非破壊検査法である。
According to an eighth aspect of the present invention, the step of obtaining the sound wave round-trip propagation time is performed by a plurality of pole frequencies related to either the maximum value or the minimum value appearing in the difference spectrum or the second difference spectrum. The invention is a non-destructive inspection method using an ultrasonic sensor, the method including the step of obtaining the repetition frequency from the ultrasonic wave and making the repetition frequency the sound wave reciprocating frequency. There is a non-destructive inspection method using an ultrasonic sensor configured to obtain the repetition frequency by minimizing an error when approximated by an integer multiple of, and the invention of claim 10 provides the difference spectrum or the second Among the pole frequencies appearing in the difference spectrum, the repetition frequency is obtained using a plurality of pole frequencies having relatively large spectrum strength. A nondestructive inspection method using an ultrasonic sensor. Further, the invention of claim 11 is a nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor, wherein the nondestructive inspection is performed using ultrasonic waves of approximately 30 KHz.

【0014】請求項12の発明は、本発明の超音波セン
サを用いた非破壊検査装置であって、前記本発明の何れ
かの方法を用いたことを特徴とする超音波センサを用い
た非破壊検査装置である。
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a non-destructive inspection device using the ultrasonic sensor of the present invention, which is characterized by using any one of the methods of the present invention. It is a destructive inspection device.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明は、多重反射波モデルに基
づく周波数領域の計測法であって、先ず、多重反射波モ
デルについて説明する。超音波センサは、機構的に、送
波器が電気信号を音圧信号に受波器が音圧信号を電気信
号に変換する、音響振動子を有する変換器であることか
ら、U(s)を送波器に入力する電気信号u(t)のラプラス
変換として、受波器に出力される電気信号r(t)は、例え
ば、(1)式のようにモデル化できる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention is a method for measuring a frequency domain based on a multiple reflected wave model. First, the multiple reflected wave model will be described. An ultrasonic sensor mechanically is a transducer having an acoustic transducer in which a transmitter converts an electric signal into a sound pressure signal and a receiver converts the sound pressure signal into an electric signal. Therefore, U (s) As a Laplace transform of the electric signal u (t) input to the wave transmitter, the electric signal r (t) output to the wave receiver can be modeled, for example, as in Expression (1).

【0016】[0016]

【数1】 [Equation 1]

【0017】[0017]

【数2】 [Equation 2]

【0018】[0018]

【数3】 [Equation 3]

【0019】サフィックスiは送波器と受波器を意味
し、ωiは固有角周波数、ζiは減衰係数、Κi はゲイン
であり、T0は送波してから受波されるまでの音波往復
伝播時間を表す。このモデルに現れる固有角周波数等
は、音響振動子の形状、材質、これに繋がる電気回路な
ど超音波センサの動特性に基づく未知パラメ−タであ
る。(1)式において、T0=0とした反射波形は、超音波
センサに電気信号を入力したとき受波される電気信号波
形の標準形といえるものであり、本発明では基本反射波
形と称し、以下、r0(t)で表す。
Suffix i means a transmitter and a receiver, ω i is a natural angular frequency, ζ i is a damping coefficient, K i is a gain, and T 0 is from transmission to reception. Represents the round trip propagation time of the sound wave. The natural angular frequency and the like appearing in this model are unknown parameters based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor such as the shape and material of the acoustic oscillator and the electric circuit connected to it. In equation (1), the reflection waveform with T 0 = 0 can be said to be a standard form of the electric signal waveform received when an electric signal is input to the ultrasonic sensor, and is referred to as a basic reflection waveform in the present invention. , R 0 (t) hereinafter.

【0020】コンクリート構造物等、検査対象物の表面
から超音波を発信すると、表面と内部の亀裂等との間で
多重反射波が生じ、これらを加えたものが表面に設置し
た超音波センサに受波される。例えば、亀裂等を1個と
し、横波の影響が大きい初期のデータを除く適切な幅の
データウィンドDを考えると、受波信号rx(t)は、基本
反射波形r0(t)を用いて、(4)式のようにモデル化でき
る。なお、(4)式において、mはデータウィンドに含ま
れる反射波の数を、kはデータウィンドに最初に含まれ
る反射波が第k番目の反射波であることを意味し、Tは
反射波の音波往復伝播時間であり、p(0<p<1)は
p=αaγa1γa2を表し、αaは1往復時の減衰率、
γa1、γa2はそれぞれ表面及び亀裂等での反射率を表
す。
When ultrasonic waves are emitted from the surface of an object to be inspected, such as a concrete structure, multiple reflected waves are generated between the surface and internal cracks, etc. Received. For example, considering a data window D having an appropriate width except for the initial data which is greatly affected by the transverse wave with one crack or the like, the received signal r x (t) uses the basic reflection waveform r 0 (t). Then, it can be modeled as in equation (4). In equation (4), m is the number of reflected waves contained in the data window, k is the reflected wave contained first in the data window is the kth reflected wave, and T is the reflected wave. Is a round-trip sound wave propagation time of p, and p (0 <p <1) represents p = α a γ a1 γ a2 , where α a is the attenuation rate during one round trip,
γ a1 and γ a2 represent reflectances on the surface and cracks, respectively.

【0021】[0021]

【数4】 [Equation 4]

【0022】(4)式は、一般的に、pが小さいため、(5)
式で近似することができ、(5)式をフーリエ変換すると
(6)式が得られ、更に、周波数スペクトルを求めるた
め、(6)式の絶対値をとれば、(7)式が得られる。なお、
G1(jω)、G2(jω)は、それぞれ(3)式においてs=jωと
したものであり、jは虚数単位である。
Equation (4) generally has a small p, so
Equation (5) can be approximated by
Equation (6) is obtained, and in order to obtain the frequency spectrum, the equation (7) is obtained by taking the absolute value of equation (6). In addition,
G 1 (jω) and G 2 (jω) are respectively s = jω in the equation (3), and j is an imaginary unit.

【0023】[0023]

【数5】 [Equation 5]

【0024】[0024]

【数6】 [Equation 6]

【0025】[0025]

【数7】 [Equation 7]

【0026】次に、(7)式の対数(常用対数)をとり多
重反射波の受波信号の周波数スペクトルを求め、これか
ら基本反射波の周波数スペクトルg(ω)=log|G1(jω)
G2(jω)|を差し引けば、(8)式の差分スペクトルs(ω)
が得られる。
Next, the logarithm (common logarithm) of the equation (7) is taken to obtain the frequency spectrum of the received signal of the multiple reflected wave, and from this, the frequency spectrum of the basic reflected wave g (ω) = log│G 1 (jω)
Subtracting G 2 (jω) |, the difference spectrum s (ω) in Eq. (8)
Is obtained.

【0027】[0027]

【数8】 [Equation 8]

【0028】(8)式は、差分スペクトルs(ω)が、ω(=
2πf)について、2π/Tを周期とする周期関数となり、周
波数fについては、音波往復伝播時間の逆数(1/T)を
周期とする周期関数となることを示している。即ち、こ
の関係は、多重反射波の受波信号の周波数スペクトルか
ら超音波センサの動特性に基づく基本反射波の周波数ス
ペクトルを差し引けば、周波数fについて、コンクリ−
ト構造物等の表面と内部の亀裂等との間の音波往復伝播
時間の逆数を周期とするスペクトルが得られることを示
すものである。
Equation (8) shows that the difference spectrum s (ω) is ω (=
2πf) is a periodic function having a period of 2π / T, and frequency f is a periodic function having a period that is the reciprocal (1 / T) of the sound wave round-trip propagation time. That is, this relationship is obtained by subtracting the frequency spectrum of the basic reflected wave based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor from the frequency spectrum of the received signal of the multiple reflected waves, and the frequency f
It shows that a spectrum can be obtained with the period being the reciprocal of the sound wave round-trip propagation time between the surface of a structure or the like and an internal crack or the like.

【0029】理想的には、差分スペクトルs(ω)から、
直接、音波往復周期に対応する周波数f1(Hz)を求める
ことができるが、実際には、受波信号に亀裂等との多重
反射波だけでなく、種々の外乱が加わるため、周波数f
を変数とするs(ω)の自己相関関数を求め、この自己相
関関数から周期周波数f1を求めるのが好ましい。f1が求
まれば、T=1/f1により、音波往復伝播時間が求まり、
L=V(T/2)の関係から、亀裂等の深さLを求めることがで
きる。なお、Vは検査対象物中の音速である。自己相関
関数は、本発明を限定するものではないが、例えば、有
本:線形システム理論、産業図書(1977)などに記載の
方法で求めることができる。
Ideally, from the difference spectrum s (ω),
The frequency f 1 (Hz) corresponding to the sound wave reciprocating period can be obtained directly, but in reality, not only multiple reflected waves such as cracks but also various disturbances are added to the received signal, so the frequency f 1
It is preferable to obtain an autocorrelation function of s (ω) with the variable as a variable and obtain the periodic frequency f 1 from this autocorrelation function. If f 1 is obtained, the sound wave round-trip propagation time is obtained by T = 1 / f 1 ,
From the relation of L = V (T / 2), the depth L of the crack or the like can be obtained. Note that V is the speed of sound in the inspection object. The autocorrelation function is not limited to the present invention, but can be obtained, for example, by the method described in Arimoto: Linear System Theory, Industrial Book (1977) and the like.

【0030】周波数スペクトルを求める方法は、特に本
発明を限定するものではないが、例えば、FFT(高速フ
ーリエ変換法)、或いはMEM(最大エントロピー法)等
を用いることができ、特に、MEMは、周波数分解能に優
れ、好ましい。然しながら、MEMは、漸化計算の回数Mを
パラメータとし、Mが小さいと大まかな周波数スペクト
ルしか求まらず、Mを必要以上に大きくすると、外乱に
よる波形にも反応し、スペクトルピークの割れなど、外
乱のピークが現れるため、高精度な検出を期すにはMを
適正に選定する必要がある。関連し、本発明者は、数々
の実験を通じ、s(ω)の負の部分がMの値の影響を受け
難いことを見出し、s(ω)に、直接、自己相関関数を適
用するのではなく、s(ω)の負の値をもつ部分だけを抜
き出した第二の差分スペクトルh(ω)の自己相関関数を
求めるのが好ましいことを見出した。
The method for obtaining the frequency spectrum is not particularly limited to the present invention. For example, FFT (fast Fourier transform method), MEM (maximum entropy method) or the like can be used. It is excellent in frequency resolution, which is preferable. However, MEM uses the number M of recurrence calculations as a parameter, and if M is small, only a rough frequency spectrum can be obtained.If M is made larger than necessary, it also reacts to the waveform due to disturbance and the spectrum peak is broken. Since a disturbance peak appears, it is necessary to properly select M in order to achieve highly accurate detection. Relatedly, the present inventor has found through a number of experiments that the negative part of s (ω) is not easily affected by the value of M, and it is not possible to directly apply the autocorrelation function to s (ω). However, it was found that it is preferable to obtain the autocorrelation function of the second difference spectrum h (ω) by extracting only the part of s (ω) having a negative value.

【0031】次に、(1)式のモデルに現れる固有角周波
数等、未知パラメ−タの求め方について説明する。この
パラメ−タは、理想的には、音響振動子の形状、材質、
これに繋がる電気回路など、超音波センサ固有の動特性
により定まるものであり、例えば、特開2001-201487号
公報に示されているように、実際の受波信号波形と予測
受波信号波形とのパタ−ンマッチングにより実験的に求
め、近似的には、以降これを定数として用いることもで
きる。
Next, a method of obtaining unknown parameters such as the natural angular frequency appearing in the model of the equation (1) will be described. Ideally, this parameter is the shape, material,
Such as the electrical circuit connected to this, is determined by the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor, for example, as shown in JP 2001-201487, the actual received signal waveform and the predicted received signal waveform It can be experimentally obtained by the pattern matching of, and approximately this can be used as a constant thereafter.

【0032】然しながら、実際には、超音波センサと検
査対象物表面との接触度などにより、基本反射波形も若
干変わり得るため、検査の都度、固有角周波数などの未
知パラメ−タを求めるのが望ましい。例えば、最適化手
法(田中:計測システム工学、朝倉書店、1994、或い
は、J.コワリック、M.R.オスボーン(山本・小山共
訳):非線形最適化問題、培風館、1976、など)を用
い、多重反射波の周波数スペクトルlog|Rx(jω)|と基
本反射波の周波数スペクトルlog|G1(jω)G2(jω)|と
の二乗誤差が最小となるようにして決定することができ
る。
However, in practice, the basic reflection waveform may slightly change depending on the degree of contact between the ultrasonic sensor and the surface of the object to be inspected. Therefore, it is necessary to obtain unknown parameters such as the natural angular frequency at each inspection. desirable. For example, using an optimization method (Tanaka: Measurement System Engineering, Asakura Shoten, 1994, or J. Kowarik, MR Osbourne (Yamamoto and Koyama): Nonlinear Optimization Problem, Baifukan, 1976, etc.) may be a square error is determined as the minimum | of the frequency spectrum log | R x (jω) | and fundamental wave reflected frequency spectrum log | G 1 (jω) G 2 (jω).

【0033】次に、自己相関関数の好適な解析方法につ
いて説明する。自己相関関数の解析は、理想的には、自
己相関関数の第1極大値を与える周波数f1を求めるとい
う単純なことになるが、一般的には、繰り返し周波数の
整数倍の箇所で極大値が現れるため、第1極大値が明確
に検出できない場合は、第2極大値、第3極大値などを
総合的に用い、繰り返し周波数を求める必要がある。
Next, a suitable analysis method of the autocorrelation function will be described. The analysis of the autocorrelation function is ideally a simple matter of finding the frequency f 1 that gives the first maximum value of the autocorrelation function, but in general, the maximum value is found at the integral multiple of the repetition frequency. Therefore, when the first maximum value cannot be clearly detected, it is necessary to obtain the repetition frequency by comprehensively using the second maximum value, the third maximum value, and the like.

【0034】次に、自己相関関数のみでは判断し難い場
合の、差分スペクトル又は第二の差分スペクトルを用い
た解析方法について説明する。即ち、差分スペクトル又
は第二の差分スペクトルにおいて、例えば、極大値のグ
ループ(ある基準となる周波数の整数倍で表される周波
数を有するグループ)を考えた場合、グループ内の極大
値を与える周波数は必ずしも正確に整数倍で表されるこ
とはなく、一般に、バラツイたり、或いは欠けるものも
現れるが、より正確な基準周波数(繰り返し周波数)の
求め方について説明する。即ち、ある極大値のグループ
を構成するN個の極大値を与える周波数をf1 、f2
…、fNとした場合、基準周波数をfとし、各点の周波数
をfの整数倍で近似したときの誤差を最小化するfを求
めれば、それが上記極大点グループの基準周波数fとな
る。具体的には、〔・〕をガウス記号とすれば、fiは、
〔fi/f〕f≦fi≦(〔fi/f〕+1)fと表され、グ
ループ全体の誤差は、(10)式で表される。ここでα
iは、δi=fi/f-〔fi/f〕として、(9)式で定義され
るものである。
Next, an analysis method using the difference spectrum or the second difference spectrum in the case where it is difficult to judge only by the autocorrelation function will be described. That is, in the difference spectrum or the second difference spectrum, for example, when considering a group of maximum values (a group having a frequency represented by an integer multiple of a certain reference frequency), the frequency giving the maximum value in the group is Although it is not always expressed exactly as an integral multiple, and in general, there may be variations or lacks, but a more accurate method of obtaining a reference frequency (repetition frequency) will be described. That is, the frequencies that give N maximum values that form a group of certain maximum values are f 1 , f 2 ,
, F N , if the reference frequency is f, and f that minimizes the error when the frequency at each point is approximated by an integer multiple of f is obtained, it becomes the reference frequency f of the maximum point group. . Specifically, if [•] is a Gaussian symbol, then f i is
[F i / f] f ≦ f i ≦ ([f i / f] +1) f, and the error of the entire group is expressed by equation (10). Where α
i is defined by the equation (9) as δ i = f i / f- [f i / f].

【0035】[0035]

【数9】 [Equation 9]

【0036】[0036]

【数10】 [Equation 10]

【0037】以上のようにして、差分スペクトル又は第
二の差分スペクトルを用いて、第一近似解としての繰り
返し周波数を求めることができるが、差分スペクトル又
は第二の差分スペクトルに現れるピーク値(極値)の
内、相対的にスペクトル強度の大きな複数のピークだけ
を用いて、同様な解析により、更に正確な第二近似解を
求めることもできる。
As described above, the repetition frequency as the first approximate solution can be obtained using the difference spectrum or the second difference spectrum, but the peak value (polar value) appearing in the difference spectrum or the second difference spectrum can be obtained. It is also possible to obtain a more accurate second approximate solution by a similar analysis using only a plurality of peaks having relatively large spectral intensities among the (values).

【0038】本発明で使用する超音波の周波数として
は、本発明者の数々の実験によれば、中心周波数が概ね
30KHzの超音波を用いることにより、広範囲な深さにあ
る亀裂等の検出が可能であり、好適に本発明を実施でき
る。
As the frequency of the ultrasonic wave used in the present invention, according to various experiments by the present inventor, the center frequency is approximately
By using ultrasonic waves of 30 KHz, it is possible to detect cracks and the like in a wide range of depth, and the present invention can be preferably implemented.

【0039】次に、本発明の超音波センサを用いた非破
壊検査装置について説明する。本発明の超音波センサを
用いた非破壊検査装置は、本発明の非破壊検査方法を用
いた装置であって、その詳細な構成は特に本発明を限定
するものではないが、例えば、図1の概念構成図の如
く、所定の中心周波数を有する超音波を送信する送波器
と検査対象物を経由した多重反射波を受信して電気信号
に変換する受波器を含む超音波センサ、受波信号から多
重反射波の周波数スペクトルを求める手段など本発明の
方法を実現する手段をプログラムとして内蔵したコンピ
ュータ、超音波センサとコンピュータと間の信号変換を
行う増幅器、コンピュータに付属するディスプレイやプ
リンタ−、等により構成することができる。
Next, a nondestructive inspection apparatus using the ultrasonic sensor of the present invention will be described. A nondestructive inspection apparatus using the ultrasonic sensor of the present invention is an apparatus using the nondestructive inspection method of the present invention, and the detailed configuration thereof does not particularly limit the present invention. As shown in the conceptual configuration diagram of FIG. 1, an ultrasonic sensor including a wave transmitter that transmits an ultrasonic wave having a predetermined center frequency and a wave receiver that receives a multiple reflected wave that has passed through an inspection object and converts it into an electric signal, A computer having a program as a means for realizing the method of the present invention such as a means for obtaining the frequency spectrum of multiple reflected waves from a wave signal, an amplifier for signal conversion between the ultrasonic sensor and the computer, a display or printer attached to the computer , And the like.

【0040】なお、本発明は、亀裂等とコンクリート構
造物表面等の間に生ずる多重反射波の検出によるコンク
リート構造物等の非破壊検査のみでなく、基本反射波な
るものが大きさを変えて続けて現れる場合の各基本反射
波の受波時刻、或いは伝播時間の差の計測に帰着できる
異常診断にも有効である。
The present invention is not limited to the non-destructive inspection of concrete structures by detecting multiple reflected waves generated between cracks and the surface of concrete structures, but the size of basic reflected waves can be changed. It is also effective for abnormality diagnosis that can result in the measurement of the difference between the reception time or propagation time of each fundamental reflected wave when they appear successively.

【0041】[0041]

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
るが、本発明がこれらの実施例に限定されるものではな
いことは言うまでもない。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to these examples.

【0042】先ず、以下で説明する実施例で用いた検査
対象物としての供試体について説明する。供試体は、一
辺が略600mmの立方体のコンクリートブロック2つであ
り、粗骨材、セメント、細骨材、水の混入割合は、体積
にしてそれぞれ、40%、10%、30%、20%の標準的な構
成のもので、粗骨材のサイズは10mm以下である。このコ
ンクリートブロック内に、表面からの深さを変えた複数
の擬似クラックを作成して、供試体とした。擬似クラッ
クは、発泡スチロール板(60mm×100mm×厚さ5mm)を、
100mmの辺を上面に、垂直に埋め込むことにより作成し
たものであり、図2は、供試体の上面から見たときの擬
似クラックの配置図である。図2の(b)に示した黒丸
は、直径が9mmの鉄筋であり、深さ310mmのクラックの
前方、深さ153mmの位置に設けられている。
First, a specimen as an inspection object used in the examples described below will be described. The specimens are two cubic concrete blocks with a side of about 600 mm, and the mixing ratios of coarse aggregate, cement, fine aggregate and water are 40%, 10%, 30% and 20% respectively by volume. The standard size of the coarse aggregate is 10 mm or less. A plurality of pseudo-cracks having different depths from the surface were created in this concrete block to prepare a test piece. Pseudo crack is made of Styrofoam plate (60 mm × 100 mm × thickness 5 mm)
It was created by vertically embedding a 100 mm side on the upper surface, and FIG. 2 is a layout view of pseudo cracks when viewed from the upper surface of the test piece. The black circle shown in FIG. 2B is a reinforcing bar having a diameter of 9 mm, and is provided in front of a crack having a depth of 310 mm and at a position of a depth of 153 mm.

【0043】なお、本実施例で使用した超音波センサ
は、東横エルメス社製ESP-10であり、中心周波数30KHz
の超音波センサである。ノート型パソコンは、Dell社製
のInspiron7500である。
The ultrasonic sensor used in this embodiment is an ESP-10 manufactured by Toyoko Hermes, and has a center frequency of 30 KHz.
Is an ultrasonic sensor. The laptop is the Dell Inspiron 7500.

【0044】第一の実施例として、比較的浅い位置のク
ラック(表面から41mmの平行クラック)に、本発明の超
音波センサを用いた非破壊検査法を適用した例について
説明する。図3は、その実測した受波信号の例であり、
理想的には、コンクリート中での音速は3,000m/sのた
め、27μs周期で多重反射波が現れることになるが、実
際には、強度の重畳が生じ、図3から基本反射波形を読
取るのは困難である。なお、図3の受信初期に現れてい
る大きな波形(ピークカットされている)は、横波の影
響によるものである。
As a first embodiment, an example in which a nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor of the present invention is applied to a crack at a relatively shallow position (parallel crack 41 mm from the surface) will be described. FIG. 3 is an example of the measured received signal,
Ideally, since the sound velocity in concrete is 3,000 m / s, multiple reflected waves will appear at a period of 27 μs, but in reality, superposition of intensities will occur and the basic reflected waveform will be read from Fig. 3. It is difficult. The large waveform (peak-cut) appearing in the initial stage of reception in FIG. 3 is due to the influence of transverse waves.

【0045】図4は、実施例1の解析経過を示す図であ
って、(a)は、図3の受波信号データ(データウィン
ド:0〜2ms)にMEMを適用して求めた多重反射波の周
波数スペクトルlog|Rx(jω)|(但し、M=900)と、最
小二乗法により求めた基本反射波の周波数スペクトルlo
g|G1(jω)G2(jω)|(破線で表示)とを示し、(b)はこ
れらの差分スペクトルの負領域波形(第二の差分スペク
トル。但し、反転させた正表示)であり、(c)は(b)の負
領域波形の自己相関関数である。図4の(c)より、33.3k
Hzでピーク値の大きい極大値を示し、更に、このピーク
周波数の約2倍の66.8kHzでもピークを示していること
から、33.3kHz が差分スペクトルの繰り返し周波数であ
ることがわかる。これより、音波往復伝播時間Tは30.0
μsとなり、クラックの計測深さは45.0mmとなる。即
ち、実施例1は、実際の41mmに近い、高精度な計測が可
能であることを証明するものである。
FIG. 4 is a diagram showing an analysis process of the first embodiment. FIG. 4A shows multiple reflections obtained by applying MEM to the received signal data (data window: 0 to 2 ms) shown in FIG. Wave frequency spectrum log | R x (jω) | (where M = 900) and the frequency spectrum lo of the fundamental reflected wave obtained by the least squares method
g | G 1 (jω) G 2 (jω) | (displayed by a broken line), and (b) is a negative region waveform of these difference spectra (second difference spectrum, but inverted positive display). Yes, (c) is the autocorrelation function of the negative region waveform of (b). From (c) of Figure 4, 33.3k
It shows a maximum value with a large peak value at Hz, and also shows a peak at 66.8 kHz, which is about twice this peak frequency, indicating that 33.3 kHz is the repetition frequency of the differential spectrum. From this, the sound wave round-trip propagation time T is 30.0
μs, and the crack measurement depth is 45.0 mm. That is, Example 1 proves that highly accurate measurement close to the actual 41 mm is possible.

【0046】次に、第二の実施例として、深さ274mmの
平行クラックに本発明の超音波センサを用いた非破壊検
査法を適用した例について説明する。図5は、実施例1
の図3と同様な、実施例2の実測した受波信号の例であ
る。
Next, as a second embodiment, an example in which a non-destructive inspection method using the ultrasonic sensor of the present invention is applied to a parallel crack having a depth of 274 mm will be described. FIG. 5 shows the first embodiment.
4 is an example of a measured received signal of Example 2 similar to FIG.

【0047】図6は、実施例1の図4と同様な、実施例
2の解析経過を示す図である。図6の(c)より、繰り返
し周波数は、ほぼ6.5kHzとなることが分かるが、以降の
ピークが明確な整数倍でないため、図6(b)の第1〜第
6ピークまでの値を用いて、前述の第一近似解を求める
と7.46kHzとなる。更に、第一近似解に基づく周期周波
数の近傍で、スペクトル強度の大きいピーク(〜)
を用い、前述の第二近似解を求めると6.30kHzとなる。
繰り返し周波数6.30kHzに対応する音波往復伝播時間は1
59μsであり、クラックの計測深さは238mmとなる。即
ち、クラックが深い、実施例2にでも、比較的、高精度
な計測が可能であることを示すものである。
FIG. 6 is a view showing the analysis process of the second embodiment, which is similar to FIG. 4 of the first embodiment. It can be seen from FIG. 6 (c) that the repetition frequency is approximately 6.5 kHz, but since the subsequent peaks are not clear integer multiples, the values from the first to sixth peaks in FIG. 6 (b) are used. Then, the above first approximate solution is calculated to be 7.46 kHz. Furthermore, in the vicinity of the periodic frequency based on the first approximate solution, a peak (~) with large spectral intensity
Using, the above-mentioned second approximate solution is calculated to be 6.30 kHz.
The sound wave round-trip propagation time corresponding to a repetition frequency of 6.30 kHz is 1
It is 59 μs, and the crack measurement depth is 238 mm. That is, even in Example 2 where the crack is deep, it is possible to perform relatively high-precision measurement.

【0048】次に、第三の実施例として、深さ490mmの
平行クラックに本発明の超音波センサを用いた非破壊検
査法を適用した例について説明する。図7は、実施例1
の図4と同様な、実施例3の解析経過を示す図である。
本実施例では、図7(c)の自己相関関数から繰り返し周
波数を判断するのはかなり難しいが、図7(b)の第1〜
第10ピークの値を用いて第一近似解を求めると、3.55kH
zが得られ、これに対応する音波往復伝播時間は282μ
s、クラックの計測深さは423mmとなる。即ち、本実施例
は、490 mmという非常に深い位置にあるクラックでも、
比較的、高精度な計測が可能であることを示すものであ
る。
Next, as a third embodiment, an example in which a non-destructive inspection method using the ultrasonic sensor of the present invention is applied to a parallel crack having a depth of 490 mm will be described. FIG. 7 shows the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing an analysis process of Example 3 similar to FIG.
In this embodiment, it is quite difficult to determine the repetition frequency from the autocorrelation function of FIG. 7C, but the first to the first of FIG.
When the first approximate solution is calculated using the value of the 10th peak, it is 3.55kH
z is obtained, and the corresponding sound wave round-trip propagation time is 282μ.
s, the measurement depth of cracks is 423 mm. That is, in this embodiment, even a crack at a very deep position of 490 mm,
This shows that relatively high precision measurement is possible.

【0049】次に、第四の実施例として、深さ153mmに
鉄筋を有する、深さ310mmの平行クラックに本発明の超
音波センサを用いた非破壊検査法を適用した例について
説明する。図8は、実施例1の図4と同様な、実施例4
の解析経過を示す図である。図8(c)より、約10kHzを繰
り返し周波数とする比較的小さいピークと、約5kHzを繰
り返し周波数とする比較的大きいピークとの、2タイプ
の多重反射波が存在していることがわかる。後者は、前
者に比べ、ピーク値がかなり大きく、繰り返し周波数が
小さいことから、前者より深い箇所の大きな反射面で反
射している多重反射波に対応していることが分かる。具
体的に第一近似解を求めると、前者は10.2kHz、後者は
5.12kHzが得られ、これらに対応する、音波往復伝播時
間は98.4μsと195μs、計測深さは148mmと292mmとな
り、それぞれ深さ153mmの鉄筋、深さ310mmの平行クラッ
クに対応することが分かる。即ち、本実施例は、鉄筋が
存在した場合でもクラックの検出が可能であり、更に
は、それらの位置を同時、且つ高精度に計測できること
を示すものである。なお、鉄筋の位置は、設計図などか
ら予め知り得るため、鉄筋の有無に拘わらず、クラック
の検出が可能である。
Next, as a fourth embodiment, an example in which a nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor of the present invention is applied to a parallel crack having a reinforcing bar at a depth of 153 mm and a depth of 310 mm will be described. FIG. 8 shows a fourth embodiment similar to FIG. 4 of the first embodiment.
It is a figure which shows the analysis progress of. From FIG. 8C, it can be seen that there are two types of multiple reflection waves, a relatively small peak having a repetition frequency of about 10 kHz and a relatively large peak having a repetition frequency of about 5 kHz. Since the latter has a considerably larger peak value and a smaller repetition frequency than the former, it can be seen that the latter corresponds to multiple reflection waves reflected by a large reflecting surface at a deeper place than the former. Specifically, when the first approximate solution is obtained, the former is 10.2 kHz and the latter is
5.12 kHz was obtained, and the corresponding sound wave round-trip propagation times were 98.4 μs and 195 μs, and the measurement depths were 148 mm and 292 mm, which indicate that they correspond to a reinforcing bar with a depth of 153 mm and a parallel crack with a depth of 310 mm, respectively. That is, the present example shows that cracks can be detected even when reinforcing bars are present, and that their positions can be measured simultaneously and with high accuracy. Since the position of the reinforcing bar can be known in advance from a design drawing or the like, cracks can be detected regardless of the presence or absence of the reinforcing bar.

【0050】本実施例は又、超音波センサの中心周波数
(本実施例30kHz)を高めれば、クラックからの反射波
は弱まり、表面に近い鉄筋の反射波が強まるため、鉄筋
のかぶりなども、高精度に計測できることを示すもので
ある。
In this embodiment, if the center frequency of the ultrasonic sensor (30 kHz in this embodiment) is increased, the reflected wave from the cracks weakens and the reflected wave of the reinforcing bar near the surface strengthens. This shows that the measurement can be performed with high accuracy.

【0051】次に、第五の実施例として、コンクリート
表面に対し傾斜したクラックに、本発明の超音波センサ
を用いた非破壊検査法を適用した例について説明する。
図9は、図2(a)の45度傾いたクラックに適用した結果
の例であって、実施例1の図4と同様な、実施例5の解
析経過を示す図である。
Next, as a fifth embodiment, an example in which a non-destructive inspection method using the ultrasonic sensor of the present invention is applied to a crack inclined with respect to the concrete surface will be described.
FIG. 9 is an example of the result applied to the crack inclined at 45 degrees in FIG. 2A, and is a diagram showing the analysis progress of Example 5 similar to FIG. 4 of Example 1.

【0052】図9(c)より、13kHz程度の繰り返し周波数
を有する大きめのピーク(13.0kHz、44.6kHz、57.8kHz
)と、4kHz程度の繰り返し周波数を有する数多くの小
さいピークとの、2タイプの多重反射波が存在している
ことがわかる。具体的に第一近似解を求めると、前者は
14.5kHz、後者は4.48kHzが得られ、これらに対応する、
音波往復伝播時間は68.8μsと223μsであり、計測深さ
は103mmと335mmとなる。前者は、クラックの中央付近ま
での距離に相当しており、クラックが斜めの場合でも、
本発明によりクラックの位置が高精度に計測できること
を示すものである。一方、後者は、図2(a)より、クラ
ックを介した供試体側面までの距離に相当し、クラック
を介し供試体側面に到達した超音波がそこで反射した、
供試体側面との間の多重反射波を示すものであり、検査
対象物の形状によって分離可能なものである。本実施例
は、傾斜クラックでも高精度に計測できることを示す実
施例である。
From FIG. 9 (c), large peaks (13.0 kHz, 44.6 kHz, 57.8 kHz) having a repetition frequency of about 13 kHz are obtained.
) And many small peaks having a repetition frequency of about 4 kHz, it can be seen that there are two types of multiple reflection waves. Specifically, when the first approximate solution is obtained, the former is
14.5kHz, the latter 4.44kHz is obtained, corresponding to these,
The sound wave round-trip propagation times are 68.8 μs and 223 μs, and the measurement depths are 103 mm and 335 mm. The former is equivalent to the distance to the center of the crack, even if the crack is diagonal,
It shows that the crack position can be measured with high accuracy according to the present invention. On the other hand, the latter corresponds to the distance to the side surface of the sample through the crack from FIG. 2 (a), and the ultrasonic waves reaching the side surface of the sample through the crack are reflected there.
It shows multiple reflected waves between the side surface of the specimen and can be separated according to the shape of the inspection object. This example is an example showing that even an inclined crack can be measured with high accuracy.

【0053】次に、第六の実施例として、基本反射波の
特性について、図10に基づき説明する。図10は、実
施例1(深さ41mmの平行クラック)と実施例2(深さ27
4mmの平行クラック)の基本反射波を示した図である
が、両者の波形が少し異なっているのが分かる。基本反
射波は、前述のように、超音波センサの動特性に基づく
ものであり、理想的には、超音波センサ固有のものであ
るが、実際には、図10の例のように、コンクリート内
部での伝播距離の差異など、計測状況により少し異なる
ことがあり、本実施例は、非破壊検査の都度、基本反射
波を求めるのが望ましいことを示すものである。以上、
詳細に説明した実施例によれば、コンクリ−ト構造物の
亀裂等の内部状態を非熟練者でも高精度かつ容易に診断
を行うことができ、また、中心周波数30kHzの超音波だ
けで広範囲な深さの亀裂等を計測することができ、更に
は、傾斜した亀裂等、或いは前方に鉄筋を有する亀裂を
も計測することができる。更にまた、鉄筋のかぶりなど
も、高精度に計測できる。以上、本発明の実施例を説明
したが、特許請求の範囲で規定された本発明の精神と範
囲から逸脱することなく、その形態や細部に種々の変更
がなされても良いことは明らかである。
Next, as a sixth embodiment, the characteristics of the fundamental reflected wave will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows Example 1 (41 mm deep parallel cracks) and Example 2 (depth 27 mm).
It is a diagram showing the basic reflected wave of a 4 mm parallel crack), but it can be seen that the waveforms of the two are slightly different. As described above, the fundamental reflected wave is based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor, and ideally is unique to the ultrasonic sensor. However, in reality, as shown in the example of FIG. There may be some differences depending on the measurement situation, such as differences in the propagation distance inside, and this embodiment shows that it is desirable to obtain the basic reflected wave each time a nondestructive inspection is performed. that's all,
According to the embodiment described in detail, even an unskilled person can easily and easily diagnose the internal state such as a crack of a concrete structure, and a wide range can be obtained only by ultrasonic waves having a center frequency of 30 kHz. It is possible to measure depth cracks and the like, and it is also possible to measure inclined cracks and the like, or cracks having reinforcing bars in the front. Furthermore, the covering of the reinforcing bars can be measured with high accuracy. Although the embodiments of the present invention have been described above, it is obvious that various changes may be made in the form and details without departing from the spirit and scope of the present invention defined in the claims. .

【0054】例えば、実施例では、説明の都合上、多重
反射波の解析過程を詳細に説明したが、これらの解析
は、コンピュータに内蔵したプログラムで行い、各解析
過程での結果、或いは最終的な結果などを、逐次、或い
は検査者の要求に応じてCRT等に表示し、更には、使用
するデータウィンドの設定、近似解を求めるときに使用
するピークの選択などを検査者が行えるようにすること
もでき、これらにより、本発明を更に好適に実施するこ
とができる。
For example, in the embodiments, the analysis process of multiple reflected waves is described in detail for convenience of explanation, but these analyzes are performed by a program incorporated in the computer, and the results of each analysis process or the final Such results can be displayed on the CRT, etc., either sequentially or in response to the inspector's request, and the inspector can set the data window to be used and select the peak to be used when obtaining an approximate solution. It is also possible to carry out the present invention more suitably.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明によれば、多重反射波の受波信号
の周波数スペクトルと超音波センサの動特性に基づく基
本反射波の周波数スペクトルの差分スペクトルを解析す
ることにより、コンクリ−ト構造物等の表面と内部の亀
裂等との間の音波往復伝播時間を高精度かつ容易に求め
ることができ、コンクリ−ト構造物等の亀裂等の内部状
態を非熟練者でも高精度かつ容易に診断が行えるという
効果がある。
According to the present invention, the concrete structure is analyzed by analyzing the difference spectrum between the frequency spectrum of the received signal of the multiple reflected waves and the frequency spectrum of the basic reflected wave based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor. It is possible to accurately and easily determine the sound wave reciprocating propagation time between the surface such as a crack and the inside crack, and to easily and accurately diagnose the internal state of a crack such as a concrete structure even by an unskilled person. There is an effect that can be done.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の超音波センサを用いた非破壊検査装置
の構成を説明するための概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a configuration of a nondestructive inspection device using an ultrasonic sensor of the present invention.

【図2】実施例で用いた検査対象物としての供試体の説
明図であって、供試体の上面から見たときの擬似クラッ
クの配置図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a test piece used as an inspection object used in an example, and is a layout diagram of pseudo cracks when viewed from the top surface of the test piece.

【図3】実施例1(深さ41mmの平行クラック)の実測し
た受波信号の一例である。
FIG. 3 is an example of a measured received signal of Example 1 (parallel crack having a depth of 41 mm).

【図4】実施例1の解析経過を示す図であって、(a)
は、図3の受波信号データにMEMを適用して求めた多重
反射波の周波数スペクトルと、最小二乗法により求めた
基本反射波の周波数スペクトル(破線で表示)とを示
し、(b)はこれらの差分スペクトルの負領域波形(但
し、反転させた正表示)であり、(c)は(b)の自己相関関
数である。
FIG. 4 is a diagram showing an analysis process of Example 1, (a)
Shows the frequency spectrum of the multiple reflected wave obtained by applying MEM to the received signal data of FIG. 3 and the frequency spectrum of the basic reflected wave obtained by the least squares method (displayed by the broken line). These are the negative-region waveforms of these difference spectra (however, the inverted positive display), and (c) is the autocorrelation function of (b).

【図5】実施例2(深さ274mmの平行クラック)の実測
した受波信号の一例である。
FIG. 5 is an example of a measured received signal of Example 2 (parallel crack having a depth of 274 mm).

【図6】実施例1の図4と同様な、実施例2の解析経過
を示す図である。
FIG. 6 is a diagram similar to FIG. 4 of the first embodiment, showing the analysis process of the second embodiment.

【図7】実施例1の図4と同様な、実施例3(深さ490m
mの平行クラック)の解析経過を示す図である。
7 is a third embodiment (depth 490 m) similar to FIG. 4 of the first embodiment.
It is a figure which shows the analysis progress of (parallel crack of m).

【図8】実施例1の図4と同様な、実施例4(深さ153m
mに鉄筋を有する、深さ310mmの平行クラック)の解析経
過を示す図である。
8 is the same as FIG. 4 of the first embodiment, the fourth embodiment (depth 153m;
It is a figure which shows the analysis progress of the parallel crack of 310 mm in depth which has a reinforcing bar in m.

【図9】実施例1の図4と同様な、実施例5(傾斜クラ
ック)の解析経過を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an analysis process of Example 5 (gradient crack) similar to FIG. 4 of Example 1.

【図10】実施例1(深さ41mmの平行クラック)と実施
例2(深さ274mmの平行クラック)の基本反射波を示し
た図である。
FIG. 10 is a diagram showing fundamental reflected waves of Example 1 (parallel crack with a depth of 41 mm) and Example 2 (parallel crack with a depth of 274 mm).

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G047 AA10 BA03 BC04 BC09 CA01 EA10 EA11 GG12 GG24 GG27 GG30 GG32 GG36    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 2G047 AA10 BA03 BC04 BC09 CA01                       EA10 EA11 GG12 GG24 GG27                       GG30 GG32 GG36

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 得られた多重反射波の受波信号の周波数
スペクトルと超音波センサの動特性に基づく基本反射波
の周波数スペクトルとの差である差分スペクトルを求
め、該差分スペクトルを解析することにより検査対象物
の内部状態を非破壊検査することを特徴とする超音波セ
ンサを用いた非破壊検査法。
1. A difference spectrum, which is the difference between the frequency spectrum of the received signal of the multiple reflected waves obtained and the frequency spectrum of the basic reflected wave based on the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor, is obtained, and the difference spectrum is analyzed. A nondestructive inspection method using an ultrasonic sensor, which is characterized by performing a nondestructive inspection of the internal state of an inspection object by means of.
【請求項2】 超音波センサに入力した電気信号に対応
する多重反射波の受波信号から該多重反射波の周波数ス
ペクトルを求める工程と、該超音波センサの動特性に基
づく基本反射波の周波数スペクトルを求める工程と、該
多重反射波の周波数スペクトルと該基本反射波の周波数
スペクトルとの差である差分スペクトルを求める工程
と、該差分スペクトルから検査対象物表面と内部の亀裂
等との間の音波往復伝播時間を求める工程とを有するこ
とを特徴とする請求項1記載の超音波センサを用いた非
破壊検査法。
2. A step of obtaining a frequency spectrum of the multiple reflected wave from a received signal of the multiple reflected wave corresponding to an electric signal input to the ultrasonic sensor, and a frequency of the basic reflected wave based on the dynamic characteristic of the ultrasonic sensor. Between the step of obtaining a spectrum, the step of obtaining a difference spectrum which is the difference between the frequency spectrum of the multiple reflection wave and the frequency spectrum of the basic reflection wave, and the step of obtaining a difference between the inspection object surface and an internal crack or the like from the difference spectrum. A nondestructive inspection method using an ultrasonic sensor according to claim 1, further comprising a step of obtaining a sound wave round-trip propagation time.
【請求項3】 前記多重反射波の周波数スペクトルを求
める工程は、最大エントロピー法により多重反射波の周
波数スペクトルを求める工程であることを特徴とする請
求項1又は請求項2記載の超音波センサを用いた非破壊
検査法。
3. The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the step of obtaining the frequency spectrum of the multiple reflected waves is a step of obtaining the frequency spectrum of the multiple reflected waves by the maximum entropy method. Non-destructive inspection method used.
【請求項4】 前記基本反射波は、超音波センサの動特
性を、送波器の固有角周波数と減衰係数、受波器の固有
角周波数と減衰係数、及びゲインをパラメータとして含
みモデル化した伝達関数を用いて表した基本反射波であ
って、該パラメータを、前記多重反射波の周波数スペク
トルと該基本反射波の周波数スペクトルとの二乗誤差が
最小となるようにして決定する工程を有することを特徴
とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の超音波
センサを用いた非破壊検査法。
4. The basic reflected wave was modeled by including the dynamic characteristics of the ultrasonic sensor as parameters including the natural angular frequency and attenuation coefficient of the transmitter, the natural angular frequency and attenuation coefficient of the receiver, and gain. A fundamental reflected wave represented by using a transfer function, the method including the step of determining the parameter so that a squared error between the frequency spectrum of the multiple reflected wave and the frequency spectrum of the fundamental reflected wave is minimized. A nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 前記差分スペクトルは、前記多重反射波
の周波数スペクトルから前記基本反射波の周波数スペク
トルを差し引いた差分スペクトルであって、前記音波往
復伝播時間を求める工程は、該差分スペクトルの負の値
をもつ部分だけを抜き出した第二の差分スペクトルを求
める処理を含む工程であることを特徴とする請求項2乃
至請求項4のいずれかに記載の超音波センサを用いた非
破壊検査法。
5. The difference spectrum is a difference spectrum obtained by subtracting the frequency spectrum of the fundamental reflected wave from the frequency spectrum of the multiple reflected wave, and the step of obtaining the sound wave round-trip propagation time is a negative spectrum of the difference spectrum. The nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor according to any one of claims 2 to 4, which is a step including a process of obtaining a second difference spectrum in which only a portion having a value is extracted.
【請求項6】 前記音波往復伝播時間を求める工程は、
前記差分スペクトル又は前記第二の差分スペクトルの自
己相関関数を求める処理を含む工程であることを特徴と
する請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の超音波セ
ンサを用いた非破壊検査法。
6. The step of obtaining the sound wave round-trip propagation time comprises:
The non-destructive inspection method using the ultrasonic sensor according to claim 2, which is a step including a process of obtaining an autocorrelation function of the difference spectrum or the second difference spectrum. .
【請求項7】 前記音波往復伝播時間を求める工程は、
前記自己相関関数から検査対象物表面と内部の亀裂等と
の間の音波往復伝播時間を求める処理を含む工程である
ことを特徴とする請求項6記載の超音波センサを用いた
非破壊検査法。
7. The step of determining the sound wave round-trip propagation time comprises:
The non-destructive inspection method using an ultrasonic sensor according to claim 6, which is a step including a process of obtaining a sound wave round-trip propagation time between a surface of an inspection object and an internal crack or the like from the autocorrelation function. .
【請求項8】 前記音波往復伝播時間を求める工程は、
前記差分スペクトル又は前記第二の差分スペクトルに現
れた極大値又は極小値のいずれかの極値に関わる複数の
極点周波数からその繰り返し周波数を求め、該繰り返し
周波数を音波往復周波数とする処理を含む工程であるこ
とを特徴とする請求項2乃至請求項7のいずれかに記載
の超音波センサを用いた非破壊検査法。
8. The step of obtaining the sound wave round-trip propagation time comprises:
A step including a process of obtaining the repeating frequency from a plurality of extreme point frequencies related to any of the maximum values or the minimum values appearing in the difference spectrum or the second difference spectrum, and setting the repeating frequency as a sound wave reciprocating frequency. The nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor according to any one of claims 2 to 7.
【請求項9】 前記複数の極点周波数を繰り返し周波数
の整数倍で近似したときの誤差を最小化することにより
前記繰り返し周波数を求めることを特徴とする請求項8
記載の超音波センサを用いた非破壊検査法。
9. The repeating frequency is obtained by minimizing an error when the plurality of pole frequencies are approximated by an integral multiple of the repeating frequency.
A nondestructive inspection method using the described ultrasonic sensor.
【請求項10】 前記差分スペクトル又は前記第二の差
分スペクトルに現れた前記極点周波数の内、スペクトル
の強さが相対的に大きな複数の極点周波数を用いて前記
繰り返し周波数を求めることを特徴とする請求項8又は
請求項9記載の超音波センサを用いた非破壊検査法。
10. The repeating frequency is obtained by using a plurality of pole frequencies having relatively large spectrum strength among the pole frequencies appearing in the difference spectrum or the second difference spectrum. A nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor according to claim 8.
【請求項11】 概ね30KHzの超音波を用いて非破壊検
査を行うことを特徴とする請求項1乃至請求項10のい
ずれかに記載の超音波センサを用いた非破壊検査法。
11. The nondestructive inspection method using the ultrasonic sensor according to claim 1, wherein the nondestructive inspection is performed using ultrasonic waves of approximately 30 KHz.
【請求項12】 請求項1乃至請求項11のいずれかに
記載の方法を用いたことを特徴とする超音波センサを用
いた非破壊検査装置。
12. A nondestructive inspection apparatus using an ultrasonic sensor, characterized by using the method according to any one of claims 1 to 11.
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