JP2001041940A

JP2001041940A - 構造物表層部の内部欠陥診断方法

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Publication number: JP2001041940A
Application number: JP11216572A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Oi; 尚志大井; Yoshio Sawada; 凱夫澤田; Takaharu Yoshida; 隆治吉田; Akiyoshi Chichibu; 顕美秩父; Shigeki Wataya; 重規綿谷; Yoshiro Hattori; 芳朗服部; Yusuke Suzuki; 祐介鈴木
Original assignee: RINOTEKKU KK; SHOWA DENKI KENKYUSHO KK; Fujita Corp
Current assignee: RINOTEKKU KK; SHOWA DENKI KENKYUSHO KK; Fujita Corp
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】構造物表層部における内部欠陥の有無、その
深さ、大きさを的確に診断し、下地浮きやコンクリート
躯体内部のような深い位置の内部欠陥診断精度を向上さ
せる。【解決手段】構造物表面を打撃することによって得ら
れた打撃音信号Ｓ_１のうち、剥離や空隙等の内部欠陥が
存在することによる影響は第２周期以降の波に現れ、打
撃時点ｔ_１より１周期分の波は、打撃の瞬間に主に構造
物表面におけるタイル材等から発生した高い音であっ
て、内部欠陥診断の阻害となる成分であるため、打撃時
点ｔ_１より１周期分の波がマスクされる。打撃時点ｔ_１
より１周期分の波を除去された打撃音信号Ｓ_２は、フー
リエ変換により周波数解析され、そのパワースペクトル
から、スペクトルの尖り度及びピーク周波数Ｆｐ等を求
め、前記尖り度と、健全な構造物表面の打撃音スペクト
ルの尖り度との比から内部欠陥の有無及び深さを検出
し、ピーク周波数Ｆｐから内部欠陥の大きさを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造物の表面を叩
打した時に発生する打撃音の分析から、構造物表層部の
内部欠陥、外装タイルやその下地等の剥離・浮き等内部
欠陥の有無、これら内部欠陥の深さ、大きさ等を診断す
るための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】建築物のコンクリート躯体からの例えば
壁面タイル、下地モルタル等の剥離・浮き、モルタル等
の吹き付け面における風化による剥離、前記下地モルタ
ル等の内部に存在する空洞、空隙、クラック等（以下、
これらを総称して内部欠陥という）の有無を診断する方
法としては、ハンマー等で表面を軽く叩いた時の打撃音
から、作業員の聴覚によって判断する方法が広く採用さ
れて来た。しかし、このような聴覚に依存した打診方法
では、作業員の経験や資質に個人差があり、しかも長時
間の作業で一定の判断基準を保つことが困難であるた
め、内部欠陥の有無や深さ、大きさ等を正確に判定する
ことが困難であった。

【０００３】そこで近年は、建築物における診断対象壁
面を打撃手段で打撃し、これによって前記壁面から発生
する打撃音を打撃音信号に変換し、その信号を解析する
ことによって壁面タイル等の剥離の有無を判定する構造
物表層部の内部欠陥診断方法が種々開発されており、そ
の典型的な従来技術が、例えば特開平６−２３５７１９
号公報、特公平６−６８４８６号公報、特公平２−５４
９０３号公報等に開示されている。しかしこれらの従来
技術においては、それぞれ次のような問題が指摘され
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】まず、特開平６−２３
５７１９号公報に記載された剥離診断装置は、壁面の打
撃によって得られる打撃音信号をスペクトル分析し、そ
のピーク値から剥離の有無や深さを識別するものであ
る。しかしながら、例えば下地浮きのように、剥離が深
い位置に存在する場合は、その打撃音信号のスペクトル
が健全な壁面の打撃音のスペクトルと近似し、しかも、
剥離の存在によるスペクトルピークが、打撃の瞬間のス
ペクトルより小さくなるため、剥離の深さや大きさ等の
特徴を的確に捉えることが困難である。

【０００５】また、特公平６−６８４８６号公報に記載
された内部欠陥診断方法は、上述のような剥離判定の阻
害となる打撃の瞬間の打音信号を、打撃の時点から微小
時間経過時点まで除去することによって、剥離があるも
のとないものの振幅が明確に異なる信号のみを抽出し、
その最高レベル値や、時系列信号の積分値を基準値と比
較することによって剥離の有無を判定するものである。
しかし、この方法では、例えば躯体コンクリートから下
地モルタルが剥離した下地浮きのように、剥離が表面か
ら深い位置に存在する場合は、その大きさや、打撃面の
状況によって信号のレベルが大きく変化するため、実際
には、剥離判定のための基準値自体の設定が困難であ
る。

【０００６】また、特公平２−５４９０３号公報に記載
された剥離検知装置は、剥離の有無あるいは深さ等を判
定するための基準データは、剥離のない健全な壁面の打
撃音のデータや、あるいは剥離の深さや大きさ等が異な
る場合の打撃音のデータを、予め実験で求めてコンピュ
ータに記憶させる必要がある。しかし、実験に用いる壁
面では、実際の現場壁面を忠実に再現することが困難で
あるため、判定誤差を生じやすく、しかも予め剥離部の
形状、深さ、大きさ等の違いによるスペクトルパターン
を全て登録して剥離の判定に用いることは困難である。

【０００７】本発明は上述のような問題に鑑みてなされ
たもので、その主な技術的課題とするところは、構造物
表層部における内部欠陥の有無、その深さ、大きさ等を
的確に診断することが可能で、下地浮きやコンクリート
躯体内部の空洞、空隙のような深い位置の内部欠陥診断
精度を向上させることの可能な構造物表層部の内部欠陥
診断方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題は、
本発明によって有効に解決することができる。すなわ
ち、本発明に係る構造物表層部の内部欠陥診断方法は、
構造物の表面を打撃することにより得られた打撃音を打
撃音信号に変換し、前記打撃音信号を打撃時点から任意
の一定周期までマスクして周波数解析し、構造物表層部
内の剥離、空洞、空隙等内部欠陥の有無及び深さを判定
するものである。この場合、周波数解析されたスペクト
ルのピーク周波数とスペクトルピーク値及び尖り度か
ら、内部欠陥の有無、大きさ及び深さを判定することが
できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施において適
用される壁面内部欠陥診断装置の一例を示す概略的なブ
ロック図である。すなわち、この壁面内部欠陥診断装置
は、診断対象壁面Ｗを周期的に打撃する打撃部１と、前
記打撃によって壁面Ｗから発生した打撃音を捕捉してそ
の音圧レベル及び周波数に対応したアナログ打撃音信号
に変換する打撃音センサ２と、微弱な前記打撃音信号を
増幅する増幅回路３と、前記打撃音信号を所定のサンプ
リング周期において振幅が量子化されたディジタル打撃
音信号に変換するＡ−Ｄ変換回路４と、このＡ−Ｄ変換
回路４からのディジタル信号のＦＦＴ（高速フーリエ変
換）による周波数分析を行う周波数解析装置５と、メモ
リ６と、打撃部１のカムを回転させるモータを（図示省
略）の負荷電流を検出する負荷電流検出手段７と、この
負荷電流検出手段７で検出された負荷電流値ｉの減少開
始時点で前記周波数解析装置５にスタート信号Ｓｔを送
るスタート信号発生部８とを備える。

【００１０】打撃音センサ２としては、広い周波数域に
対してフラットな特性を持つコンデンサマイクロフォン
あるいは加速度センサ等が用いられる。また、周波数解
析装置５としては、例えばマイクロプロセッサ、又はＤ
ＳＰ（ディジタル信号処理装置）が用いられる。

【００１１】また、周波数解析装置５による処理結果は
出力表示回路９に出力表示されると共に、内部欠陥が検
出された箇所には、周波数解析装置５からの指令により
マーカー駆動回路１０を介して動作される例えば塗料ス
プレー装置等からなるマーカー１１によって、マーキン
グが行われるようになっている。

【００１２】打撃部１は、例えば先端にハンマが設けら
れた打撃ロッドが、モータで回転されるカムによる後退
・蓄勢行程とバネの反発力による打撃行程が一定の周期
で反復され、診断対象壁面（例えばタイル張りの壁面）
Ｗを打撃するものである。好ましくは、図２に示される
ように、後端にローラ１ａが設けられたロッド１ｂと、
前記ローラ１ａに係合し矢印Ｒ方向への回転によってロ
ッド１ｂをそのストローク後端位置まで後退させてから
前記係合を解除する行程を周期的に繰り返すカム１ｃ
と、ロッド１ｂの後退動作に伴って圧縮されることによ
りこのロッド１ｂを前進方向に付勢する打撃用コイルス
プリング１ｄと、ロッド１ｂの前進方向端部にこのロッ
ド１ｂに対して移動自在に配置されたハンマ１ｅと、こ
のハンマ１ｅを診断対象壁面Ｗとの接触位置から引き戻
す復帰用コイルスプリング１ｆとを備える。

【００１３】ところで、壁面打撃の際には、打撃された
壁面Ｗからだけでなく、ハンマ１ｅ自体からも音が発生
するため、その共振周波数が、診断対象壁面Ｗからの打
撃音の周波数帯域（一般に１０〜２０ｋＨｚ）に存在す
ると、特に下地浮きのように剥離等の内部欠陥１０４が
深い位置に存在する場合の内部欠陥診断が困難になる。
したがって、この実施形態では、この点を考慮し、ハン
マ１ｅ自体から発生する音が、２０ｋＨｚ以上までほぼ
白色ノイズ状の連続スペクトルを示すように、しかも打
撃時にハンマ１ｅが診断対象壁面Ｗと接触している時間
を７５μsec.以内となるように、ハンマ１ｅの質量、材
質、形状、大きさ及び衝突速度が設定され、これによっ
て、鋼球落下による壁面打撃に近い状態が実現されるよ
うに構成されている。

【００１４】上記構成の装置を用いた内部欠陥診断方法
においては、モータの駆動によって打撃部１のカム１ｃ
が回転されると、まず、図２（Ａ）に示された状態か
ら、ロッド１ｂのローラ１ａが、カム１ｃのインボリュ
ート面状の外周面に乗り上がってこの外周面上を回転し
ながらカム１ｃの回転と共に図の上方へ向けて押し上げ
られるため、ロッド１ｂは打撃用コイルスプリング１ｄ
を圧縮しながら上方へ後退移動される。また、収縮状態
にある復帰用コイルスプリング１ｆを介して、ハンマ１
ｅもロッド１ｂと共に後退移動される。

【００１５】そして、図２（Ｂ）に示されるように、カ
ム１ｃの最大径部までローラ１ａが乗り上がることによ
って、ロッド１ｂがそのストローク後端位置に達した
後、更にカム１ｃの回転が継続されると、ローラ１ｂが
前記最大径部との係合状態を解除されるので、図２
（Ｃ）に示されるように、圧縮されていた打撃用コイル
スプリング１ｄの伸長によってロッド１ｂが高速で前進
移動し、これに伴ってハンマ１ｅもロッド１ｂと共に前
進移動される。ロッド１ｂはローラ１ａがカム１ｃの最
小径部と接触することによって、所定の前進位置まで移
動した時点で制止されるが、ハンマ１ｅはロッド１ｂの
停止後も慣性によって前進移動を継続し、診断対象壁面
Ｗを打撃する。

【００１６】ロッド１ｂの停止後のハンマ１ｅの慣性に
よる前進移動は復帰用コイルスプリング１ｆの伸長を伴
うので、図２（Ｄ）に示されるように、ハンマ１ｅは診
断対象壁面Ｗを打撃した後、直ちに前記復帰用コイルス
プリング１ｆの引張付勢力によって診断対象壁面Ｗとの
接触位置から後退される。このため、ハンマ１ｅが打撃
時に診断対象壁面Ｗと接触した状態で一定時間止まるこ
とがなく、診断対象壁面Ｗの状態（内部欠陥の有無）に
忠実な打撃音が得られる。そしてその後カム１ｃの回転
が更に継続されることによって、ローラ１ａが再びカム
１ｃの外周面上を転動して図２（Ａ）の状態になる。し
たがって、カム１ｃが１回転する度に上述の動作が繰り
返され、一定の周期で診断対象壁面Ｗに対する打撃が行
われる。

【００１７】上記打撃部１の打撃動作において、ロッド
１ｂの後退動作は打撃用コイルスプリング１ｄの付勢力
に抗して行われるので、カム１ｃに作用するトルクが増
大する。したがって図３（Ａ）に示されるように、モー
タの駆動回路における負荷電流値ｉは、ロッド１ｂがス
トローク後端位置に達するまでは増大し、ローラ１ａが
カム１ｃの最大径部との係合状態を解除されることによ
って打撃動作に移行するのと同時に減少するので、打撃
周期に対応して変化する。そして、スタート信号発生回
路８は、図３（Ｂ）に示されるように、前記負荷電流値
ｉの減少開始時点ｔ_０でスタート信号Ｓｔを周波数解析
装置５へ送るものである。

【００１８】打撃部１の打撃動作によって診断対象壁面
Ｗから発生した打撃音は、打撃音センサ２によって、音
圧レベル及び周波数に対応したアナログ打撃音信号Ｓ_０
に変換され、増幅回路３によって増幅され、Ａ−Ｄ変換
回路４でディジタル打撃音信号に変換されて、周波数解
析装置５へ送られる。周波数解析装置５は、スタート信
号Ｓｔを受けた後、Ａ−Ｄ変換回路４から入力される図
３（Ｃ）に示されるような打撃音信号Ｓ_１をモニタし、
一定振幅値（例えば５００ｍＶ）以上、一定幅δｔ（例
えば２００μｓ）未満の波を打撃の瞬間の波形として検
出した後、必要な長さの波形（例えば５０ｋサンプル／
ｓのＡ−Ｄ変換器の場合は、サンプリング点数が５１２
点、１０．２４ｍｓ）をメモリ６に記憶する。記憶した
信号波形は、図３（Ｄ）に示されるように、打撃時点ｔ
_１より１周期分の波をマスクして０とする。

【００１９】ここで、打撃時点ｔ_１より１周期分の波を
カットするのは、壁面内部に内部欠陥１０４が存在する
ことによる影響は第２周期以降の波に現れ、打撃時点ｔ
_１より１周期分の波は、打撃の瞬間に主に診断対象壁面
Ｗにおける例えばタイル１０３等から発生した比較的高
い音であって、内部欠陥診断の阻害となる成分であるか
らである。また、この方法によれば、打撃面の状況によ
って、カットされる波数が変化するようなことがない。

【００２０】なお、負荷電流値ｉの減少開始時点ｔ_０と
打撃音信号Ｓ_１の立上り時点（打撃時点）ｔ_１との時差
Δｔは、図２において、ローラ１ａがカム１ｃの最大径
部との係合状態を解除されることによって、ロッド１ｂ
が前進移動を開始してから、その先端のハンマ１ｅが診
断対象壁面Ｗに衝突するまでに要する時間に相当するも
のである。

【００２１】打撃時点ｔ_１より１周期分の波を除去され
た打撃音信号Ｓ_２は、ＦＦＴ（フーリエ変換）により周
波数解析する。図３（Ｅ）はこれによって得られるパワ
ースペクトルを概略的に示すもので、内部に剥離等の内
部欠陥が存在する壁面を打撃した場合の信号のパワース
ペクトルには、顕著なピークＰが存在する。そこで、こ
のパワースペクトルから、スペクトルの平均値Ｐａｖ、
スペクトルのピーク値Ｐｓ、スペクトルの尖り度Ｋｓ
（＝Ｐｓ／Ｐａｖ）及びピーク周波数Ｆｐ等のパラメー
タを求める。

【００２２】次の処理においては、予めメモリ６に登録
しておいた、内部欠陥のない健全な壁面での尖り度デー
タと、打撃音信号Ｓ_２を周波数解析したスペクトルピー
クの尖り度データとの比Ｋｎを求める。そして、Ｋｎが
一定の倍率以上であれば、診断対象壁面Ｗの内部に内部
欠陥が存在するものと診断する。例えばＫｎ≧２とすれ
ば、深さ７０ｍｍ以内、大きさ１５０ｍｍ角以上の内部
欠陥を検出することができる。

【００２３】発明者の実験により、ピーク値の比Ｐｎと
内部欠陥の深さＴｃとの間には、図４に示されるよう
に、次の関係式（１）が成り立つことがわかっている。Ｔｃ＝−Ｋ１・ｌｎ（Ｐｎ）＋Ｋ２・・・・・・・・・・（１）ここで、図１及び図５に示されるように、壁面Ｗが躯体
コンクリート１０１に下地モルタル１０２を介して小口
タイル１０３を張ったものである場合は、上記式（１）
におけるＫ１，Ｋ２は、それぞれ次のとおりであった。Ｋ１＝１．２６２３Ｋ２＝８．３４３１

【００２４】また、図５における内部欠陥１０４の形状
が、一辺がＡの正方形であって、その表層側の厚さＴｃ
の浮き部分１０５は、周囲を固定した板状の独立した振
動体をなし、その共振周波数Ｆｐは次式（２）で求めら
れる。

【数１】

【００２５】上記式（２）に、α＝１０．４、ν＝０．
２、Ｖ＝４×１０^５ｃｍ／ｓｅｃを代入し、変形する
と、次式（３）が得られ、これによって内部欠陥１０４
の一辺の大きさＡを求めることができる。

【数２】

【００２６】また、内部欠陥１０４が直径Ｄの円形であ
る場合は、上記式（２）における振動モード定数αを１
１．７９とし、同様に計算すると次式（４）が得られ、
これによって内部欠陥１０４の直径Ｄを求めることがで
きる。

【数３】

【００２７】なお、内部欠陥１０４が正方形状である場
合の一辺Ａに対して、円形である場合の直径Ｄは６％程
度の大きさの違いしかなく、したがって、実用上は細か
な形状の違いは無視することができる。

【００２８】ところで、内部欠陥１０４の真上の壁面を
打撃した場合、内部欠陥１０４の深さＴｃが深いほど、
その表層側の浮き部分１０５の剛性が大きくなるので、
この部分１０５の共振周波数Ｆｐは高くなり、すなわち
図３（Ｅ）に示された打撃音のパワースペクトルデータ
におけるピークＰが高周波側へずれる。しかし発明者の
実験によれば、内部欠陥１０４の大きさＡよりも深さＴ
ｃが大きくなると、共振周波数Ｆｐは、上記式（２）に
より求められた値よりも低くなる傾向があり、それによ
る見かけ上の大きさが大きくなり、その倍率Ｍは、内部
欠陥１０４の形状係数Ｔ／Ａに対して次式（５）のよう
な良い相関があることがわかった。

【数４】

【００２９】内部欠陥１０４の表層側の浮き部分１０５
の共振周波数Ｆｐは、その大きさＡの２乗に逆比例する
ため、式（２）による計算値に対する周波数のずれは、
見かけ上の大きさの相違によるものとして、次式（６）
によりＡを補正して補正値Ａｃを求めることができる。

【数５】

【００３０】下地浮きのように内部欠陥１０４が深い位
置に存在する場合は、その打撃音信号のスペクトルが内
部欠陥の存在しない健全な壁面における打撃音信号のス
ペクトルと近似するため、従来方法では、的確な内部欠
陥診断が困難であったが、上記実施形態の内部欠陥診断
方法によれば、表装タイル材等から発生した最初の１周
期分の波をカットした信号のスペクトルデータから、尖
り度の比Ｋｎによって内部欠陥１０４の深さＴｃや大き
さＡを的確に診断することができる。

【００３１】［実施例］次に、本発明の具体的な実施例
について説明する。まず下の表１は、大きさＡ及び深さ
Ｔｃの異なる剥離を意図的に形成した壁面サンプル＃１
〜＃９、及び剥離のない健全な壁面サンプル＃１０の打
撃音スペクトルから得られたスペクトルピークの周波数
Ｆｐ、スペクトルのピーク値Ｐｓ、スペクトル平均値Ｐ
ａｖ、スペクトルの尖り度Ｋｓ（＝Ｐｓ／Ｐａｖ）、健
全な壁面サンプル＃１０の尖り度に対する尖り度の比Ｋ
ｎ、及び健全な壁面サンプル＃１０のピークとの比Ｐｎ
のデータを示すものであり、表２は、表１のデータから
式（１）により求めた剥離深さ換算値、式（３）により
求めた剥離大きさ換算値、及びこれを式（６）により補
正した剥離大きさ補正値等を示すものである。

【表１】

【表２】

【００３２】上記表１及び表２から明らかなように、式
（１）に打撃音スペクトルデータを代入して求めた剥離
深さ換算値は、実際の剥離深さ（設計値）に対して若干
の乖離はあるものの、比較的良い近似が得られた。ま
た、式（３）に打撃音スペクトルデータを代入して求め
た剥離大きさ換算値は、全てのサンプルについて、実際
の剥離大きさ（設計値）より大きくなっているが、式
（６）により補正した剥離大きさ補正値は極めて良い近
似が得られた。

【００３３】上述の実施形態は、本発明の方法をコンク
リート躯体に下地モルタルを介してタイルを貼った壁面
の内部欠陥診断に適用した場合について説明したが、そ
のほかにも、例えばコンクリート躯体に吹き付けたモル
タル等の風化に伴う剥離や浮き、コンクリート構造物内
部の空洞、空隙等の診断にも適用可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、打撃音信号を打撃時点
から一定周期までマスクして周波数解析することによっ
て、深層の内部欠陥判定の阻害となる信号を除去するた
め、内部欠陥の有無を的確に診断することができる。ま
た、周波数解析されたスペクトルのピーク周波数とスペ
クトルピーク値及び尖り度から、内部欠陥の大きさ及び
深さを高精度で把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る構造物表層部の内部欠陥診断方法
の実施において使用される装置の一例を示す概略構成説
明図である。

【図２】上記装置の打撃部の動作を示す説明図である。

【図３】信号の処理を示す説明図である。

【図４】打撃音信号におけるスペクトルピークのピーク
値の比Ｐｎと内部欠陥の深さＴｃとの関係を示す説明図
である。

【図５】内部に剥離を有するタイル張り壁面の一例を示
すもので、（Ａ）は部分的な正面図、（Ｂ）は部分的な
断面図である。

【符号の説明】

１打撃部２打撃音センサ４Ａ−Ｄ変換回路５周波数解析装置Ｗ診断対象壁面

フロントページの続き (72)発明者大井尚志東京都渋谷区千駄ヶ谷四丁目６番15号株式会社フジタ内 (72)発明者澤田凱夫東京都渋谷区千駄ヶ谷四丁目６番15号株式会社フジタ内 (72)発明者吉田隆治東京都渋谷区千駄ヶ谷四丁目６番15号株式会社フジタ内 (72)発明者秩父顕美東京都渋谷区千駄ヶ谷四丁目６番15号株式会社フジタ内 (72)発明者綿谷重規東京都渋谷区千駄ヶ谷四丁目６番15号株式会社フジタ内 (72)発明者服部芳朗名古屋市千種区鹿子殿19−７ (72)発明者鈴木祐介福岡県福岡市西区愛宕１丁目14−35 株式会社昭和電気研究所内Ｆターム(参考） 2G047 AA09 AA10 AD11 BC04 BC07 BC10 CA03 EA10 GG01 GG09 GG19 GG24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構造物の表面を打撃することにより得ら
れた打撃音を打撃音信号に変換し、前記打撃音信号を打撃時点から任意の一定周期までマス
クして周波数解析し、構造物表層部内の剥離、空洞、空
隙等の内部欠陥の有無及び深さを判定することを特徴と
する構造物表層部の内部欠陥診断方法。
【請求項２】周波数解析されたスペクトルのピーク周
波数とスペクトルピーク値及び尖り度から、内部欠陥の
有無、大きさ及び深さを判定することを特徴とする請求
項１に記載の構造物表層部の内部欠陥診断方法。