JP2002511921A - 非破壊分類のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 好ましくは長形および／または板状の物体（11）を衝撃励振に付し、その自然モードの共鳴振動数を記録することにより、該物体の剛性、強度および／または構造特性を非破壊的に測定し、あるいは該物体の幾何学的寸法を測定するための方法および装置。本発明によれば、物体の自然モードの少なくとも一つからの共鳴振動数が使用され、該共鳴振動数は、衝突物体（24,31,38）によって物体（11）を振動させ、衝突物体（24,31,38）の動きの開始ならびに続く物理的衝撃を物体（11）の動きにより時間および空間的に実質的に制御することにより達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 非破壊分類のための方法および装置 技術分野 本発明は、好ましくは長形および／または板状の物体を衝撃励振に付し、その 自然モードの共鳴振動数を記録することにより、該物体の剛性、引張および／ま たは構造特性を非破壊的に測定し、あるいは該物体の幾何学的寸法を測定するた めの方法および装置に関する。 本発明はまた、本発明に係る装置を含む組立品にも関する。 発明の背景 建築木材の強度を機械的に分類する場合、その分類は、一般には、柔軟な方向 での静的曲げによる木材の弾性率の評価に基づく。この弾性率は木材の強度と相 関付けられ、それによって強度分類への仕分けの基礎が形成される。しかし、こ れらの機械は性能が限られており、高い強度の木材を解析するのに十分な能力を 有していない。現在の分類機の大部分は、木材がその機械の中を縦方向に輸送さ れることを必要とするが、一方、製造技術の観点から、ほどんどの場合、木材の 横方向への連続的搬送中に機械によってうまく分類を行うことができるならば有 利である。 実験室では、曲げおよび軸方向振動での基本共鳴振動数の測定に基づく方法は 各々、曲げ強度の予測に適用した場 合、現在の機械よりもかなり正確であることが示された。「慣例の動的方法の使 用による本材の強度および剛性予測」，Mikael Perstorper，First European Co lloquiums on Nondestructive Evaluation of Wood，University of Sopron，Hu ngary，September 21−23，1994，vol.2.。この方法に伴う問題は、速度、自動 化および連続的な流れに関する工業的条件への適合が現在まで可能でなかったこ とである。 今のところ、強度特性の予測に関しては、曲げおよび軸方向の振動夫々におけ る基本共鳴振動数を利用しているに過ぎない。多チャンネルモードからの情報を 使用することにより、測定される物体の機械的特性のより信頼できる解析が得ら れる。 スウェーデン特許348558は、サンプル本体の短い端に物理的衝撃を与えてサン プル本体にエネルギー波を生じさせることにより木材を分類する非破壊的方法を 記載している。波は縦方向に延びる。エネルギー波が２個のセンサー間を通過す るのに要する時間を測定し、サンプル本体をその弾性率に応じて分類しており、 弾性率は、エネルギー波の速度とサンプル本体の密度によって決定される。 従来技術は、多くの他の特許文献からも明らかである。例えば、米国特許第4, 926,691号は、木製構造、好ましくは地面に掘って埋めた杭の剛性および状態の 測定方法を開示している。最初の５個の共鳴モードを使用し、それらを加速度計 または速度変換器によって測定する。米国特許第4,446,733号は、耐久試験のた めの、硬質物体に圧縮応力 を誘導する系を示している。サンプル本体は、試験の間、ホルダーにしっかり保 持される。米国特許第4,399,701号も、木材、好ましくは地面に掘ってしっかり 埋めた木製のポールの劣化を検出する方法を示している。この特許によれば、ポ ールに音響変換器を挿入するために、ポールに溝を配列している。２個の比較的 複雑な装置が米国特許第5,207,100号および同第5,255,565号から公知であり、そ れらは、複雑な信号処理を必要とする。米国特許第2,102,614号は、飛行機のプ ロペラに振動を発生させ、識別する方法を記載している。プロペラは、弾性吊下 げ部材によって吊下げられ、発振器はプロペラの中央に接続されている。 発明の目的および特徴 本発明の目的は、木材および他の木に基づく製品などの物体を比較的正確で迅 速かつ効果的に強度分類する方法を提供することである。本発明の別の目的は、 強度分類のために物体の共鳴振動数を測定するための工業的に適用可能な技術的 解決を提供することである。好ましい態様では、本発明は、主に連続して横方向 に輸送されるサンプル物体に適用できる。 実験から、本発明は生産能力を増加させることができ、例えば木材を分類する とき、１時間当たり、現在の40個と比較して約100個の物体を分類することがで きることが分かる。 これらの課題は、物体の自然モードの少なくとも１個 からの共鳴振動数を使用することにより解決されたものであり、共鳴振動数は、 該物体を衝突物体によって振動させること、および該物体の動きを通して衝突物 体の動きの開始ならびに続く物理的衝撃を時間および空間的に本質的に制御する ことによって得られる。本発明に係る装置は、物体を本質的に自由な振動状態に する手段、集められた振動データを処理し、かつ少なくとも物体の自然モードの 一つからの共鳴振動数によって物体の剛性および／または強度、あるいは物体の 幾何学的寸法を決定するユニットを含む。 図面の簡単な説明 本発明を、添付の図面で例示する多数の態様を参照してさらに詳細に説明する 。 図１ａ〜1cは、自由に振動する物体に関する軸方向の振動の自然モードである 。 図２は、図１に係る振動に関する対応の振動数スペクトルの一例である。 図３は、木材の典型的な横方向コンベヤーによって配置した本発明の態様を示 す。 図４は、図３に係る態様の横断面を図式的に示す。 図５〜７は、本発明に係る試験装置の一部およびその操作手順を示す図である 。 図８および９は、本発明に係る試験装置の別の２個の態様を示す。 図１０は、本発明に係る物体の分類のための別の配置の一部を示す図である。 図１１は、本発明に係る物体の分類のための制御装置に関する基本的な機能体 系の一例である。 基本的理論 プリズム形の物体を、例えばその物体の縦方向での物理的衝撃により振動させ る場合、固有の共鳴振動数ｆ_nおよび対応する振動を有する種々の自然モードが 確認される。自然モードの共鳴振動数および振動は構造特性である。物体上のど こで測定を行っても、或る自然モードに関しては同じ共鳴振動数が得られる。図 １ａ〜１ｃは、自由に振動する物体の軸方向の振動によるいくつかの自然モード の振動を示す。縦軸は、プラスの値が左への移動を示し、マイナスの値が右への 移動を示す。節は、一つの振動のゼロ点であり、最大はベリーズまたは波腹と言 う。図１ａはその共鳴振動数が基本トーンと言われる自然モードを示し、図１ｂ は第二の自然モードを示し、図１ｃは第三の自然モードを示す。図２の振動数ス ペクトルは、図１ａ〜１ｃに示す自然モードに属する共鳴振動数ｆ₁〜ｆ₃を示す 。軸方向の振動は、物体の膨張および圧縮を示す。物体の中心部分は第一モード では動きがない。第二モードでは、２個の節が得られ、そこでの物体の動きはな く、以下同様である。また、曲げおよび捩りモードなどの他のモードも生じ、使 用することができる。 共鳴振動数は、物体の寸法、密度ならびに、弾性率Ｅおよびせん断弾性率Ｇな どの弾性特性によって決定される。自由に振動する長形物体の軸方向の振動に関 する種々の自 然モードの共鳴振動数ｆ_A-nは次のように計算できる。 ｆ_A-n＝（ｎ／２Ｌ）・（Ｅ／ρ）^0.5 ［式中、 ｆ_A-n＝軸方向モードNo.nの共鳴振動数（Hz） ｎ＝モード数（−） Ｌ＝長さ（m） Ｅ＝弾性率（N／m²） ρ＝密度（kg／m³）である。］ 対応する関係は、曲げ振動および捩り振動に関して認められる。物体の共鳴振 動数、密度および寸法が規定されれば、物体の弾性率は、種々の自然モードに関 して決定できる。 Ｅ_A-n＝４・（ｆ_A-n・Ｌ）²・ρ／ｎ² 同様にして、他のパラメーターが既知であれば、寸法および密度を決定するこ とができる。 物体は、自然モードに応じて振動中の伸び（extensions）が種々の部分で異な る。自由に振動する軸方向の振動では、第一の自然モードの場合、中央部分に最 大の伸びが得られ、一方、両端に接する伸びは比較的小さい。第二の自然モード の場合、最大の伸びは物体の他の部分で得られ、以下同様である。同様にして、 物体の、振動中に主として動きのあるいくつかの部分の密度は、ほとんど動きの ない部分、すなわち節よりも共鳴振動数に関する重要性が比較的大きい。従って 、第一の軸方向モードの場合、中央部分の弾性率および両端の密度がその物体の 共鳴振動数を決定する。 弾性率が長さ方向で異なる均一でない物体、例えば木材の場合は、振動モードに 応じて異なる測定値が弾性率Ｅ_A-nに関して得られる。すなわち、異なるモード 間の弾性率の相違は、その物体の不均一性の度合いを示す。 境界条件（保存条件）は、物体の動的特徴の評価に非常に重要である。明確に 定義される保存条件は、典型的には、自由に振動する条件、すなわち自由−自由 吊下げを模倣する軟質バネに物体を吊下げることにより実験室で得られる。バネ の振動質量が物体の質量に関して小さくかつ物体−バネの系の基本共鳴振動数が 物体の最も低い共鳴振動数よりもかなり低い場合は、その装置を自由−自由吊下 げとして考えることができる。他の型の境界条件は、自由配置（disposition） およびクランプ固定である。後者は、米国特許第5,060,516号における梁に該当 する。 強度に関する木材の分類 本発明は主に、強度σ_breakおよび／または弾性率Ｅに関して特定の要求がな されるクラスに物体を分類することを意図する。本明細書では、木材の交番軸方 向振動に関する本発明の適用例を示すが、もちろん、その原理は他の物質および 他の振動に対して適用できる。 木材の強度分類に関する主要パラメーターは曲げ強度である。(安全サイドで の)許可される分類に関する規準は、100片の木材のうち最大５片までの曲げ強度 が各クラスの規定された値より下であるということである。従って、木材の曲げ 強度を予測することが、種々の機械操作間で比較 する場合の最も重要な規準である。機械の出力と木材の曲げ強度との間の良好な 相関（ｒ²）によって、より高い分類クラスに入る木材の割合が高くなる。 実験室において、本発明に係る動的に測定された弾性率と曲げ強度との間の関 係（ｒ²≒0.75）は、従来の静的曲げ分類機（ｒ²≒0.6）と比較して非常に良好 であることが分かった。これは、例えば、「従来及び動的方法による強度および 剛性の予測」、Mikael Perstorper，First European Colloquiums on Nondestruc tive Evaluation of Wood，University of Sopron，Hungary，September 21−23 1994，vol.2に記載されている。 本発明に係る方法は、主に、分類したい木材を縦方向で物理的衝撃に付し、木 材を軸方向に振動させることにより行われる。次いで、２以上の自然モードの共 鳴振動数をセンサーで検出する。対応する弾性率は、木材の密度および長さの知 見を使用して式（i）により計算する。従って、木材は支持手段上に静置されて いると考える。これは、浮遊条件を模倣する。その分類法は、軸方向の振動に基 づく。というのは、例えば、境界条件はこのモードに関する制御が比較的簡単で あるからである。 分析される自然モードからの弾性率の平均値Ｅ_dynは、曲げ強度の予測に関す る主要パラメーターを構成する。この平均値の形成は、木材の第一の自然モード の使用と比較して、木材の全体的な弾性率のより代表的な値が得られることを意 味する。中央部分の剛性は、後者の場合に完全に 重要であるが、最後の場合のそれは、木材のかなり大きい部分の衝撃を考慮する 。 種々の自然モードから得られる弾性率の相違は、木材の不均一性の度合いに関 する目安であり、強度の改善された予測のための独立パラメーターの一部となり 得る。一般に、強度の低い木材は、強度の高い木材よりもより不均一であること が知られている。さらに、物体の不均一性の度合いに関する情報は、強度分類以 外の方法のために重要であり得る 正確な分類を妨げる可能性のある測定誤差および妨害の危険性は、弾性率の重 複決定により最小にされる。平均値を生じる場合は、妥当性に関する制御を行い 、それによっていくつかの自然モード結果が無視されうる。従って、より信頼で きる予測および誤差制御の可能性が得られる。 木材の分類は、言及した平均値を生じる弾性率Ｅ_dynと曲げ強度σ_bendなどの 意図した機械的特性との間の確立された統計的関係： σ_bend＝Ａ＋Ｂ・Ｅ_dyn に従って行う。 あるいは、種々の自然モードのための所与の長さの物体の共鳴振動数と強度と の直接の関係を使用する。これは、各実体の密度を測定する代わりに分類グルー プの関与する平均値ρ_meanを使用することと等しい。 密度は、長さ、幅、厚みおよび重量を記録するか、ｘ線またはマイクロ波など の確立された非接触法を利用するこ とにより測定できる。長さならびに適用可能な場合は厚みおよび幅も、市販のレ ーザーによる方法を使用して決定することができる。 実施態様の詳細な説明 図３および４は、例えば製材工場において、物体（この場合は木材11）を輸送 するための組立品10の簡略化された第一の態様を示す。物体は、木材の非破壊分 類のための測定ゾーンで分類される。非破壊的とは、物体の特徴に影響を及ぼさ ない試験操作を意味する。組立品10は例えば、キャリヤー14を有するエンドレス の輸送チェーン13を上に備えた多数のレール12を含む。組立品を駆動する形態の 駆動手段15および駆動車輪16は、木材11を試験ユニット18に搬送し、通過させる ために装備されている。 木材11は、木材を連続して前方に動かすキャリヤー14を有する輸送チェーン13 によって横方向に搬送される。木材11は、通常は、チェーン13上に直接静止して いるか、または例えばスチール片でできておりかつその中をチェーンが通ってい る、いわゆるチェーン支持体であるレール12上をスライドする。 木材11は、その一端を好ましくは大きな切れ端が突き出ることなく或る角度で きれいにのこぎりでひかれ、手動または自動でチェーン11上に置かれる。木材部 品は長さが異なりうるので、木材の端が同一線上での試験ユニットのライと接触 するようにチェーン上に置く。試験ユニット18を通り過ぎるとき、木材に図５に 詳細に示す装置によ ってその長さ方向の物理的衝撃を与える。衝撃の瞬間に、軸方向の振動に関する 自由振動条件が模倣される。これは、木材の縦方向の振動に関する剛性が十分低 くかつ共振動質量も十分低い支持体20上に木材を垂直に静置させることにより達 成される。 軸方向の振動に関する自由振動条件を模倣するために、木材11は例えば、チェ ーンまたはチェーン支持体の代わりにゴムのコンベヤー35（例えば図４に示す） を含む支持部材上に静置させて前方に移動させることができる。これらのコンベ ヤー35は、平面領域20を有し、そのレベルは、チェーン／チェーン支持体のレベ ルよりも十分高いので、垂直の支えはコンベヤー35にのみ備えられる。しかし、 この平面領域20のレベルは、キャリヤー14が木材とゆるく接触するほど高くはな い。支持部材は、木材がチェーン／チェーン支持体から徐々に持ち上げられるよ うに、わずかに傾けて取り付けてあるので。木材を再び平面領域および下方に案 内するために、コンベヤーに傾斜したスライドバーを装備することもできる。ゴ ムバンドがコンベヤーの両端に車輪17を有してループ状に通っている。ゴムバン ド35は、その上に木材が静置されており、摩擦の非常に小さい表面上をスライド する。木材11がキャリヤー14によりスライドバーを介してコンベヤー上に運ばれ るとき、木材11とゴムバンド35との間の摩擦はゴムバンドとその下のスライド表 面との間よりもかなり大きい。すなわち、ゴムバンドは、その表面に沿って通る ようにされる。 その結果、木材はゴムバンド上ではスライドしない。バンドがその上を通ってい る表面には、バンドが２、３mmより多くは横に移動できないように縁が付いてい る。すなわち、木材は、ゴムバンドが滑らかなトラック表面上を横にスライドす ることなく、衝撃機構によってその縦方向に負荷がかけられる。 図５〜７による試験ユニット18はアーム19を含み、それは、軸35の周りで垂直 平面内でスイングできる。木材11が前方に運ばれるとき、アーム19は反時計回り に回転し、バネ21は対応の分だけ伸長する。木材11はさらに前方に運ばれ、図６ による位置に達したとき、バネ21は最大に伸長する。アームに付いているスライ ドスペーサーまたは車輪23が木材22の端を押す。次の瞬間、木材はさらに前方に 移動し、その結果、アーム19は木材22の端との接触を失う。こうして、アームは バネの力の作用により、図７に従って、その静止位置へと戻される。この加速的 運動の間、木材22の端は、バー25を介してアーム19に付いている衝突物体24と出 会う。このバー25は、バー25およびその衝突物体24が軸方向の振動でのサンプル 物体の最も低い共鳴振動数の10分の１より小さい基本共鳴振動数を有するように 、その平面での曲げに関して低い曲げ強度を有する。すなわち、バー25およびそ の衝突物体24は、測定を乱しうる振動数成分を有する音響圧を生じない。 受け部材26は、衝撃時にアームがその先にもたれかからないように位置してい る。その結果、衝撃時にバネ21 は衝突物体24を木材22の端に対して押し、バー25は撓む。バー25の高い柔軟性の 結果、衝撃時の木材片からのパワーインパルスがアーム19から分離される。した がって、アームはあまり励起しないので、アーム19内での振動からは問題を生じ る音響圧は生じない。 非接触マイクロホン27は、木材11に発生する音波を記録するために配置される 。マイクロホン27は、衝撃の瞬間に実質的に木材片の幅の中央に在るように設置 される。マイクロホン27は、衝撃により発生された共鳴振動から生じた木材端か らの放出された音響圧を衝撃時に集めることができるように位置される。別の態 様は、レーザーに基づくセンサーで物体の振動を検出することである。あるいは 、木材の幅が変化する場合は、多数のマイクロホンを直列に配置することができ 、それによって最も正しい位置のマイクロホンを使用することができる。 マイクロホンは、コンピューター装置（図示していない）に接続される。その 機能は後に説明する。 必要な柔軟性を達成するための一つの可能な方法を図８に示す。図８によれば 、比較的硬いバー15がジョイント28を介してアーム19にしっかり固定され、引張 バネ29によって柔軟性が付与される。引張バネ29は受け部材30の方にわずかに偏 らせられ、衝突物体24の開始位置が毎回確実に同じになるようにする。さらに別 の態様を図９に示す。円柱状の衝突物体31を、底に圧縮バネ33を有するチューブ 32の中を通して配置する。チューブは、バー34 によってアーム19にしっかり取り付ける。 さらに、衝突物体の質量ならびにその寸法およびその停止面の弾性率は、バネ の剛性ならびにアームおよびバーの大きさに適合されて、物理的衝撃が、検出さ れる共鳴振動数をカバーする振動数内容を有する振動を生じる／励起するように する。 アームの励起作用を回避するための別の方法は、衝撃が緩衝されるように受け 部材を設計することである。 図10に示す態様では、木材11をスライドバー36上に配置する。レール36は、少 なくとも試，験ゾーンでは、すなわち試験ユニット18の正前に延びる領域では、 回転可能にまたは摩擦の非常に小さい表面を有して配置される。衝突機構37、例 えば空気圧モーターまたは油圧ピストンは、搬送レール36の一方の側に配置され る。木材11がその機構37を通過すると、それが検出され、圧縮空気の吹き出しが マイクロホン27の近くに配置された硬質衝撃吸収体またはエンドストップ38の方 に向かって木材を横方向に移動させる。木材とエンドストップ38との衝突は、木 材片の制御された衝撃励起を軸方向（長さ方向）に生じる。その衝撃の振動数内 容は、最初の２個の軸方向の振動モードが分類される全ての木材片に関して励起 されうるようなものである。ホルダーのすぐ隣にマイクロホン27を位置させる。 それは、音響圧を記録し、コンピューター装置に伝達する。木材の長さは変わり 得るので、衝突機構37を木材の移動面に関して移動可能に配置し、あるいは、木 材の長さ全体に同じ強度の衝撃が与えられるように、その衝撃強度を木材の長さ に関して変化させることができる。 例えば図３、４または10による組立品は、製材工場または他の製材産業におい て木材を横方向に搬送するプロセスの一部として、例えばいわゆる荷繰機におい て位置されると考えられる。本発明に係る組立品では、約2〜5mの種々の長さを 有する木材片を、進行しているプロセスにおいてほんの1〜2秒の間に分類するこ とができる。 一般に、衝撃における振動数内容は、最初の２個の軸方向の振動モードが分類 したい木材片全てに関して励起され得るような内容である。マイクロホン27によ って記録される、木材の端から反射される音は、生じた衝撃と同じ振動数内容を 含む。木材片の軸方向の最も低い２個の共鳴振動数と一致する振動数は、残りの 振動数に関して強い高められた音響圧レベルを示す。また、隣接の振動数は、高 い振幅を示す。 図11は、一部では組立品を制御することができ、一部ではマイクロホンから受 け取った音を処理するコンピューター装置のためのブロックダイヤグラムを図式 的に示す。マイクロホン27によって記録された音は、増幅器101で増幅され、時 間単位でのアナログ応答信号は、振動数平面において変換され(102)そしてフー リエ変換された(103)デジタル「信号」に対応し、それによって音響圧スペクト ルが作られる。 次いで、このスペクトルにおける共鳴振動数は、対応す る高い振幅値の後のスペクトルをアルゴリズム走査する（105）ことにより簡単 に決定することができる。実際の２個の共鳴振動数が評価されると、それらの値 を、測定および計算手続きを管理するコンピューター装置100によってデータベ ース106に保存されている実際の長さに関する妥当な値と比較する。かかる制御 が行われると、式(i)に従って推定された弾性率Ｅ_dynに関する平均値を計算する (107)。弾性率と曲げ強度との間の統計的関係を使用することにより、木材片を 、現行の規準または他の要求に従って有効な強度クラスに従って分類する（108 ）ことができる。 規準が変化すると、分類値および／または間隔は、分類機の制御ユニットとし て作動し得るコンピューター装置100において簡単に変えられる。木材片がある 強度のクラスと関係付けられると、その木材片は視覚検査および制御のためにマ ーキングされる(109)。 機械はまた、後の作業において個々の木材片を正しい「ライン」に案内するため の情報を提供する。 共鳴振動数の測定に関連して、質量密度および木材の長さに関する情報もコン ピューター装置100から取り出される。 木材の長さは、共鳴振動数の測定と密接に関連して公知の市販されているレー ザー技術110により決定できる。木材片の密度は、二つの方法の一方に従って決 定できる。第一の方法では、波動法111およびレーザーに基づく長さ測 定112が使用され、それによって質量Ｍ、さらには幾何学的寸法、断面の寸法Ｔ 、Ｂが得られる。 他の方法はマイクロ波技術113によって行われ、それによって密度（および水 分率）が明確に得られる114。しかし、密度の「完全な」平均値は得られず、得 られるのは木材片の一点または一対の点に基づく平均値である。これらの手法は 市販されている。 密度ρは、マイクロ波技術によって決定することもできる。また、この手法は 、水分率に関する情報も提供する。これは、弾性率に関して重要なパラメーター である。あるいは、水分率は、貯蔵時の気候条件に基づく推定値を割り当てられ ることもできる。長さＬならびに断面の寸法ＢおよびＴは、レーザー法によって 測定するものとし、これは、現在、いくつかの製材工場で使用されている。かか る市販装置から測定されたデータは、分類機のコンピューター装置に伝達される 。木材の長さＬは、レーザーに基づく長さ測定法によって得られる。 マーキングは目で読み取れるように行い、後の製品工程で使用され、制御され る。 組立品は、分類結果に関する情報を制御装置に残すことができ、その結果、各 木材単位が分類機を出た後に種々の強度クラスの木材を物理的に分離して貯蔵す ることができる。データの保存は、一部には統計用ベースとしての種々の要求を 満たすべきであり、一部には、信頼性の制御および検定などに関して認証当局が 指示する要求を満たすべき である。 本発明方法は、任意の長さおよび断面の木材の物体に適用することができる。 長形物体を分類する場合、長さは好ましくは断面の寸法の少なくとも４倍であり うる。物体としては、生木材、杭またはブロック（板、板張り、グルラム（glul am）角材および積層木材の角材など）が挙げられる。該方法はまた、木のリブお よびフランジを有するＩ形角材または木に基づく物質にも適用できる。 非接触マイクロホンの代わりに圧電センサーを使用することもできる。 他の応用 本発明に係る方法および装置は、原則として、弾性率、大きさまたは密度など のパラメーターのいくつかを決定する点から、弾性理論が適用できる、好ましく はプリズム形の任意の硬質物体、例えばれんが状ブロック、コンクリートパネル 、セメントで安定化されたハイダイト（haydite）要素、スチール要素、プラス チック、石膏などに適用できる。 上記の説明では、分析が一つの同じ振動形内のより多くのモードに基づくもの とした。弾性率の重複決定を行うための別の方法は、軸方向モードおよび曲げモ ードの両方を調べることである。曲げ振動によって、軸方向の振動と同様の方法 で弾性率を決定することができるが、物体の断面の寸法を正確に測定することが 要求される。 通常、木材は、木材の乾燥から生じる縦方向（しばしば 全体にわたって）の亀裂を有する。これらの亀裂は両端に現れることが多く、木 材の横からの力に対して支える能力を低下させる。簡単に言うと、木材のせん断 強度が低い。従って、このような亀裂の存在は、強度分類に関しては重要である 。現在、このような亀裂は、信頼できる検出用機械がまだ存在しないので、訓練 された分類業者によって視覚的に判断されている。 しかし、捩り振動からせん断弾性率（G）を決定することにより、亀裂の存在 が決定できる。このような亀裂は、物体の捩り剛性も低下させる。すなわち、物 体のせん断弾性率の評価の顕著な低下が得られる。従って、捩り振動からの低い せん断弾性率は、縦方向の亀裂が存在することを示す。 さらに、弾性率、寸法および共鳴振動数が既知であるならば、本発明方法によ り、無重力状態での物体の密度を決定することができる。 また、上記した種々の物体の幾何学的寸法は、本発明にかかる方法によって決 定できる。 本発明の好ましい態様を例示して説明したが、請求の範囲内でいくつかの変形 および改変が生じうることは明らかである。 図における番号 10 ＝ 組立品 11 ＝ 木材（物体） 12 ＝ レール 13 ＝ チェーン 14 ＝ キャリヤー 15 ＝ 駆動装置 16 ＝ 駆動車輪 17 ＝ 車輪 18 ＝ 試験ユニット 19 ＝ アーム 20 ＝ 支持部材 21 ＝ バネ 22 ＝ 木材端 23 ＝ 車輪／スライドスペーサー 24 ＝ 衝突物体 25 ＝ バー 26 ＝ 受け部材 27 ＝ マイクロホン 28 ＝ ジョイント 29 ＝ 引張バネ 30 ＝ 受け部材 31 ＝ 衝突物体 32 ＝ ホルダー 33 ＝ 圧縮バネ 34 ＝ バー 35 ＝ ゴムバンド 36 ＝ レール 37 ＝ 衝突機構 38 ＝ ホルダー 39＝ 軸 100＝ コンピューター装置 101＝ 増幅器 102＝ Ａ／Ｄ変換器 103＝ フーリエー変換装置 104＝ 処理ユニット 105＝ プロセッサーユニット 106＝ データ収集装置 107＝ 計算装置 108＝ 分類装置 109＝ マーキング 110＝ 測定装置 111＝ スケール装置 112＝ 測定装置 113＝ マイクロ波装置 114＝ 密度計算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．好ましくは長形および／または板状の物体（11）を衝撃励振に付し、その自 然モードの共鳴振動数を記録することにより、該物体の剛性、強度および／また は構造特性を非破壊的に測定し、あるいは該物体の幾何学的寸法を測定するため の方法において、 該物体の自然モードの少なくとも一つからの共鳴振動数を使用すること、ここで 該共鳴振動数は衝突物体（24,31,38）によって物体（11）を振動させることによ って得られる、かつ衝突物体（24,31,38）の動きの開始ならびに続く物理的衝撃 を該物体（11）の動きによって時間および空間的に実質的に制御することを特徴 とする方法。 ２．自然モードが軸方向モードおよび／または曲げモードを含むことを特徴とす る請求項１に記載の方法。 ３．捩り振動からのせん断弾性率を使用して物体の特徴付けを行うことを特徴と する請求項１または２に記載の方法。 ４．モード数ｎを有する自然モードに属する共鳴振動数(ｆ_n,exp)を測定し、測 定された共鳴振動数を対応する理論値（ｆ_n,theo）と比較することを特徴とする 請求項１に記載の方法。 ５．重複決定を測定値と理論値との比較を通して行い、それを平均値生成を通し て剛性および／または関連する強度を決定するための数値のベースとして使用す ることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ６．重複決定を測定値と理論値との比較を通して行い、それを剛性および／また は関連する強度の幾何学的変化の決定のためのベースとして使用することを特徴 とする請求項４に記載の方法。 ７．重複決定を測定値と理論値との比較を通して行い、それを平均値生成と関連 した統計的分散率によって不均一性の検出のためのベースとして使用することを 特徴とする請求項４に記載の方法。 ８．重複決定を測定値と理論値との比較を通して行い、それを、種々の共鳴振動 数（ｆ_n）から決定された確立された剛性率の非現実的に大きい統計的分散での 誤った測定結果を除外するためのベースとして使用することを特徴とする請求項 ４に記載の方法。 ９．重複決定を幾何学的変化が物体の剛性に関して独立していると仮定して行う ことを特徴とする請求項４〜８のいずれか一つに記載の方法。 １０．物体の振動応答を少なくとも一つの試験装置（27）によって記録し、共鳴 振動数をコンピューター装置（100）での処理により決定することを特徴とする 請求項１に記載の方法。 １１．衝突物体（24,31,38）の動き、形状、質量および剛性を、物体に対する物 理的衝撃が振動数およびエネルギーに関して適合するように決定オることを特徴 とする請求項１０に記載の方法。 １２．物体の運動量を使用して物理的衝撃を生成させるか、 物体の動きによってバネ（21）を伸長させて該物理的衝撃を生成させることを特 徴とする請求項１０または１１に記載の方法。 １３．衝撃の瞬間に物体（11）が装置（20）上に静置しており、それによって、 分析される自然モードの理想の境界条件を模倣することを特徴とする請求項１０ 〜１２のいずれか一つに記載の方法。 １４．共鳴振動数を、振動応答および／または音響圧応答のフーリエ変換によっ て生じる振動数スペクトルの自動走査によって決定することを特徴とする請求項 １０〜１３のいずれか一つに記載の方法。 １５．物体（11）が本質的に自由に振動する長形の物体であり、種々の自然モー ドｎに関する共鳴振動数ｆ_A-nがｆ_A-n＝（ｎ／２Ｌ）・（Ｅ／ρ）^0.5 ［式中、 ｆ_A-n＝軸方向モードNo．ｎの共鳴振動数（Hz） ｎ＝モード数（−） Ｌ＝長さ（m） Ｅ＝弾性率（N／m²） ρ＝密度（kg／m³）である。］ によって計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。 １６．曲げ振動および捩り振動の場合の物体の種々の自然モードの弾性率が Ｅ_A-n＝４・（ｆ_A-n・Ｌ）²・ρ／ｎ² [式中、 Ｅ_A-n＝モードNo.nの弾性率（N／m²） ｆ_A-n＝軸方向モードNo.nの共鳴振動数（Hz） ｎ＝モード数（−） Ｌ＝長さ（m） ρ＝密度（kg／m³） である。]であることを特徴とする請求項１に記載の方法。 １７．衝撃励振および自然モードの共鳴振動数の記録により、好ましくは長形お よび／または板状の物体（11）の剛性、強度および／または構造特性を非破壊的 に測定し、あるいは該物体の幾何学的寸法を測定するための装置であって、該装 置が衝撃励振を生じるための部材（24,31,38）および振動共鳴の記録のための試 験装置（27）から本質的に成る少なくとも一つの試験ユニット（18）を含む装置 において、該装置が、物体を本質的に自由な振動状態にする手段、集められた振 動データを処理し、かつ物体の自然モードの少なくとも一つからの共鳴振動数に よって物体の剛性および／または強度、あるいは物体の幾何学的寸法を決定する 装置（100）をさらに含むことを特徴とする装置。 １８．試験ユニット（18）が物体（11）の動きによって作動されるように配置さ れた旋回アーム（19）を含み、該アームはバネ（21,29,33）の作用によって物体 に物理的衝撃を引き起こす衝突物体（24,31）を配置されることを特徴とする請 求項１７に記載の装置。 １９．衝撃の瞬間に物体（11）がその上で静置している装 置（20）が物体の自由な振動状態を模倣するように配置されることを特徴とする 請求項１７に記載の装置。 ２０．試験装置（27）が少なくとも一つのマイクロホンおよび／またはレーザー ならびにセンサーおよび／または圧電センサーから成ることを特徴とする請求項 １７に記載の装置。 ２１．試験装置が非接触で測定することを特徴とする請求項１７に記載の装置。 ２２．コンピューター装置（100）がアナログデータを収集する手段、アナログ データをデジタルデータに変換するためのアナログ／デジタル変換器(102)、デ ータのフーリエ変換装置(103)、振動数スペクトルを作るための処理装置(104)、 比較、計算および制御のためのプロセッサー装置（105;107;108）および命令を 処理するための記憶装置ならびにデータを保存するためのメモリ（106）を含む ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。 ２３．物体（11）が任意の長さおよび断面を有する木材であり、ただし長さが断 面寸法より少なくとも４倍大きいことを特徴とする請求項１７〜２２のいずれか 一つに記載の装置。 ２４．試験ユニット（18）が衝撃吸収体（38）から成り、その上で物体（11）が 衝突機構（37）によって転置されることを特徴とする請求項１７〜２３のいずれ か一つに記載の装置。 ２５．物体（11）を試験ユニット（18）に輸送するための 搬送手段(13,35,36)、搬送手段を操作するための装置(15)ならびに任意的なマー キングおよび分類ユニットをさらに含むことを特徴とする請求項１７〜２４のい ずれか一つに記載の装置を含む組立品。 ２６．搬送手段がゴム状の粗い表面を有するコンベヤー（35）またはキャリヤー （14）を有する輸送チェーン（13）から成ることを特徴とする請求項２５に記載 の組立品。 ２７．支持部材（20）が、ゴム状の表面を有しかつガイドレールに配置されたバ ンドから成り、該バンドは低い摩擦でスライドし、物体が物体とバンドとの間の 高い摩擦によりコンベヤーと接触するとバンドが加速し、その結果、物体は測定 の間、相対的には動くことなくバンド上に静置していることを特徴とする請求項 ２５に記載の組立品。