JP2005083752A

JP2005083752A - 破断音センサ

Info

Publication number: JP2005083752A
Application number: JP2003312664A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Uchida; 昌勝内田; Hiroaki Mori; 寛晃森; Masaaki Toyama; 正明外山; Kiyoto Shibata; 清人柴田
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】破断音を検出するセンサが被測定物から剥がれたり、或いは剥がれかけているこ
とを検知するセルフ・モニタリング機能を有する破断音センサを提案すること。
【解決手段】破断音センサ２が、被測定物１に密着しなくなると、音響インピーダンスが
変化することに着目し、この変化に起因する特性の変化を検出する。具体的には、第２の
電気音響変換子７が検査音響信号を被測定物１に送り、第３の電気音響変換子４で上記検
査音響信号に起因する信号を受信し、被測定物１に密着している場合の第３の電気音響変
換子４の出力と被測定物１に密着していない場合の第３の電気音響変換子４の出力の差異
を検査音響信号処理部１０で検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、プレストレス・コンクリート構造物に埋設されている緊張材の破断を非破壊
的に検知する際に使用される破断音センサに関するもので、更に詳しくは、該センサがプ
レストレス・コンクリート構造物に密着して取付けられているか否か、緊張材の破断音の
受信感度は良好であるか否かをも検知するセルフ・モニタリング機能を有する破断音セン
サに関するものである。

例えば、道路橋や鉄道橋等のコンクリート構造物は、経時的な繰り返し荷重を受ける。
このため、緊張材を埋設したプレストレス・コンクリート構造物が使用されている。
これらのプレストレス・コンクリート構造物においては、緊張材の破断を検知すること
が構造物全体の崩壊を事前に予測するために非常に重要である。

ここで、プレストレス・コンクリート構造物の内部に埋設されている緊張材の破断を検
知する手法としては、アコースティック・エミッション法がある。
このアコースティック・エミッション法は、固体が変形若しくは破壊する際に開放され
るエネルギーによって生じる弾性波（アコースティック・エミッション）を検出し、該弾
性波を解析することにより、コンクリート構造物等の異常を診断する手法である。

しかし、上記アコースティック・エミッション法は、そもそも構造物内部で発生した急
速なひび割れの進展を評価するために開発されたものであるため、測定する音の収録間隔
が数μ秒〜数１００μ秒と非常に短いことが特徴である。従って、このようなアコーステ
ィック・エミッションを検知するセンサ、即ち、一般的なアコースティック・エミッショ
ンセンサは、このような短い時間応答に対応できるサンサである必要があった。
一方、プレストレス・コンクリート構造物に埋設されている緊張材の破断は、数時間〜
数年間隔であり、多数の緊張材が埋設された場合でも、その破断音の発生間隔は短くとも
数分以上である。また、測定対象は、道路橋や鉄道橋等の大型コンクリート構造物である
ため、できる限り広い範囲の破断音を検知し得るセンサである必要があった。
そのため、プレストレス・コンクリート構造物の内部に埋設されている緊張材の破断を
検知する破断音センサは、上記アコースティック・エミッションセンサとは異なる特性が
要求されるものであり、本発明は、この破断音センサを対象とする。

上記破断音センサは、被測定物に密着した状態で取付けられる受信板と、該受信板に接
着されている電気音響変換子と、上記受信板と前記電気音響変換子を収容するケースと、
前記電気音響変換子で作られた電気信号を外部に伝達するためのケーブルとを備えるてい
る。

そして、上記センサは、その受信板を被測定物の表面に密着させ、該受信板を介して被
測定物からの音響信号を上記電気音響変換子に伝達し、電気音響変換子からの信号を解析
することによって、破断音が発生したか否かを判別すると共に、破断音の発生場所等を特
定する。

上記のような破断音センサを用いた診断を、道路橋や鉄道橋等のプレストレス・コンク
リート構造物（以下、単に「コンクリート構造物」とも言う。）の保守・維持のための監
視において行う場合には、コンクリート構造物にセンサを取り付け、数年ないしは数十年
の長期にわたって継続的に破断音の計測を行わなければならない。
このような長期にわたる計測においては、コンクリート構造物に取り付けたセンサ自体
が不良になる場合もあり、センサを保守・管理することも、信頼性の高いコンクリート構
造物等の監視システムを構築する上において非常に重要となる。

ここで、技術分野は異なるが、工具の異常をアコースティック・エミッションで検出す
るセンサにおいて、該センサ自体の異常を判定することができるものが、特許文献１に開
示されている。
この特許文献１に開示された技術は、目的のアコースティック・エミッションとは区別
される周波数領域で振動するもうひとつの圧電素子を設け、この圧電素子からの振動をセ
ンサが受信できるときは該センサが正常であり、受信しないときはセンサ自体が異常であ
ると判定するものである。
特開昭６１−７９１５９号公報

道路橋や鉄道橋等のコンクリート構造物からの破断音の計測をセンサを用いて長期にわ
たって継続的に行う場合、センサの不良原因は、センサ自体の性能が劣化して破断音を検
出できなくなることの他、自動車や列車等の走行に起因する振動等によって被測定物に取
付けられたセンサが被測定物から剥がれ、或いは剥がれかけて破断音がセンサに確実に伝
達されなくなることによる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、破断音を検出するセンサが被測定物である
コンクリート構造物から剥がれたり、或いは剥がれかけていること、即ち、センサの受信
板が被測定物に密着しているか否かをも検出することのできるセルフ・モニタリング機能
を有する破断音センサを提案することにある。

上記課題は、請求項１の発明によって解決された。
即ち、被測定物に密着した状態で取付けられる受信板と、該受信板を介して被測定物で
発生した破断音を受信してその破断音を電気信号に変換する第１の電気音響変換子を備え
る破断音センサであって、駆動信号に基づいて検査音響信号を発生して上記受信板を介し
て被測定物に検査音響信号を送る第２の電気音響変換子と、上記検査音響信号に起因する
信号を受信してその信号を電気信号に変換する第３の電気音響変換子と、上記受信板が被
測定物に密着している場合の上記第３の電気音響変換子の出力と上記受信板が被測定物に
密着していない場合の上記第３の電気音響変換子の出力の差異を検出する比較器を更に備
える破断音センサにより解決された。

一般に、破断音センサは、破断音を確実に捕らえるため、被測定物から受信板を通って
第１の電気音響変換子に至る音響信号の経路の音響インピーダンスができるだけ一定レベ
ルになるように設計されている。このことを、インピーダンスが整合していると言う。こ
れに反して、これらの部材の音響インピーダンスのレベルが一致していない場合、即ち、
境界にインピーダンスの不整合がある場合には、波動方程式の解の境界条件により、波動
の反射が起こり、信号の伝達効率が低下する。

代表的な数値を挙げると、被測定物であるコンクリート構造物は、音速が４０００ｍ／
ｓｅｃ、密度が２４００ｋｇ／ｍ^３、音響インピーダンスが９．６×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ
程度である。一方、代表的なセンサの受信板及び電気音響変換子の材料として使用されて
いるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）は、音速が２６００ｍ／ｓ、密度が７８００ｋｇ／
ｍ^３、音響インピーダンスが２０．３×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度である。
従って、上記材質からなる破断音センサが被測定物であるコンクリート構造物に密着し
ている、即ち、被測定物と受信板との間に空気層等が存在しない場合には、インピーダン
スがほぼ整合していると言える。

しかし、破断音センサが被測定物に密着しなくなると、両者の間に空気又は水が入り込
む。空気の音響インピーダンスは４．０×１０^−４ｋｇ／ｍ^２ｓ程度、水の音響インピーダンスは１．５ｋｇ／ｍ^２ｓ程度である。
この結果、破断音センサと被測定物の間に甚だしいインピーダンスの不整合が生じるこ
ととなる。

また、破断音センサが被測定物に密着しなくなると、破断音センサが中途半端に被測定
物に固定されることとなり、音響信号の減衰も顕著になる。即ち、音響インピーダンスの
虚数部分が大きくなり、このことによっても音響インピーダンスが変化し、インピーダン
スの不整合が大きくなる。

インピーダンスがほぼ整合していると、第２の電気音響変換子で作られた検査音響信号
は効率よく被測定物に送られる。この場合、破断音センサ内の音響信号は比較的単純な進
行波になる。しかし、インピーダンスの不整合があると、境界において減衰や反射が起こ
るため、破断音センサ内の音響信号は単純な進行波ではなく、種々の波の重ね合わせにな
り、音響信号の減衰特性、周波数特性、波動モードが変化し、第３の電気音響変換子の出
力のインパルス応答特性、及び振幅特性や位相特性等が変化する。
本発明では、このような変化を比較器において検出し、破断音センサの受信板が被測定
物に密着しているか否かを判定する。

上記した本発明に係る破断音センサによれば、破断音を捉える受信板が被測定物から剥
がれたり、或いは剥がれかけていることをも検出するセルフ・モニタリング機能を有する
破断音センサを実現でき、該本発明に係る破断音センサを使用すれば、道路橋や鉄道橋等
のコンクリート構造物からの破断音の計測を長期にわたって継続的に行い得る信頼性の高
い監視システムを構築することが可能となる。

以下、上記した本発明に係る破断音センサの実施の形態を、図面等を示して詳細に説明
する。
図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサの検出部を示した概念的な断
面図、図２は、同じく本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサのブロック・ダイ
アグラムである。

この実施の形態においては、上記した本発明における第１の電気音響変換子と第３の電
気音響変換子は共用されている。この共用は、検出する破断音の周波数帯域と、第２の電
気音響変換子によって発生させる検査音響信号の周波数帯域を分けることによって可能で
ある。
但し、共用することは必ずしも必須ではなく、別々に設けることも本発明においては可
能である。

図１に示したように、緊張材１ａを埋設したプレストレス・コンクリート構造物である
被測定物１に、本発明に係る破断音センサ２が取付けられている。
この状態で、緊張材１ａが破断したりして破断音が発生すると、その音響信号は、破断
音センサ２の底部の受信板３を介して第１の電気音響変換子としての第１の圧電セラミッ
クス素子４に伝達され、そこで音響信号は電気信号に変換される。

この第１の圧電セラミックス素子４において変換された電気信号の出力は、図２に示し
たように、第１のフィルタ５ａに送られ、破断音の周波数帯域の信号が取り出され、破断
音信号処理部６において信号処理がなされ、破断音の発生が記録されたり、破断音の発生
箇所が特定されたりする。

本発明に係る破断音センサは、図１に示したように、第２の電気音響変換子としての第
２の圧電セラミックス素子７が、上記第１の圧電セラミックス素子４の背後に中間部材８
を介して固定されている。この中間部材８は、音響減衰率の小さい材料から成り、上記し
た両圧電セラミックス素子４、７の共振周波数を調整するために設けられている。
上記第２の圧電セラミックス素子７は、駆動回路９からの信号により検査音響信号を発
生する、即ち、駆動回路９からの電気信号を検査音響信号に変換する。

上記第２の圧電セラミックス素子７、中間部材８、第１の圧電セラミックス素子４、そ
して受信板３の間は各々密着されて固定されている。また正常な状態では、上記受信板３
と被測定物１の間も密着した状態で取付けられている。そして、これらの部材７、８、４
、３、１の音響インピーダンスは、空気や水の音響インピーダンスと比較するとほぼ同じ
レベルとされ、音響信号の減衰率を小さく設計されている。
従って、上記受信板３と被測定物１の間が密着した状態で取付けられている正常な状態
では、これらの部材の間でほぼインピーダンスが整合している。そのため、第２の圧電セ
ラミックス素子７で発生した検査音響信号は、中間部材８、第１の圧電セラミックス素子
４、そして受信板３を経て被測定物１に効率よく伝達される。

上記第１の圧電セラミックス素子４は、破断音ばかりでなく、上記第２の圧電セラミッ
クス素子７からの検査音響信号に起因する信号を受信してその信号を電気信号に変換する
第３の電気音響変換子としても機能する。この第１の圧電セラミックス素子４が検知した
第２の圧電セラミックス素子７からの検査音響信号に起因する信号は、図２に示したよう
に、バンドパス・フィルタである第２のフィルタ５ｂによって取り出され、検査音響信号
処理部１０に送られ、そこで信号解析が行なわれる。

上記検査音響信号処理部１０の機能は、上記駆動回路９への検査音響信号発生の指示、
判定のための基準値の設定及びその記憶、記憶した基準値と上記第１の圧電セラミックス
素子４が検出した検査音響信号に起因する信号との比較及びその比較に基づく判定、前記
判定結果の出力等である。

図３は、受信板３と被測定物１の間が密着した状態で取付けられている正常な状態で、
駆動回路９がインパルス信号で第２の圧電セラミックス素子７を駆動した場合の第１の圧
電セラミックス素子４の出力波形の一例を示した図である。
一方、図４は、受信板３と被測定物１の間が密接せず、僅かに浮いた状態で、同様にイ
ンパルス信号で第２の圧電セラミックス素子７を駆動した場合の第１の圧電セラミックス
素子４の出力波形の一例を示した図である。

上記の両図から、僅かに浮いた状態では、インピーダンスの不整合が起こるため、第２
の圧電セラミックス素子７で発生した音響信号が被測定物１に効率的に送られず、また境
界における減衰も大きいため、図３の波形と図４の波形は大きく相違したものとなってい
る。
従って、上記した検査音響信号処理部１０において、受信板３と被測定物１の間が密着
した状態における第１の圧電セラミックス素子４が検出した検査音響信号に起因する信号
の出力を基準値とし、この基準値と今回第１の圧電セラミックス素子４が検出した検査音
響信号に起因する信号の出力とを比較することにより、現在、受信板３と被測定物１の間
が密着した状態で取付けられているか否かを判定することができる。

具体的には、例えば、上記第２の圧電セラミックス素子７の駆動信号をインパルス信号
とし、上記検査音響信号処理部１０が、上記受信板３が被測定物１に密着している場合の
上記第１の圧電セラミックス素子４の出力振幅値の絶対値の総和であるエネルギー量と上
記受信板３が被測定物１に密着していない場合の上記第１の圧電セラミックス素子４の出
力振幅値の絶対値の総和であるエネルギー量との差異に基づき、上記受信板３が被測定物
１に密着しているか否かを判定する構成とすることができる。

または、上記第２の圧電セラミックス素子７の駆動信号をインパルス信号とし、上記検
査音響信号処理部１０が、上記受信板３が被測定物１に密着している場合の上記第１の圧
電セラミックス素子４の出力の最大振幅値と上記受信板３が被測定物１に密着していない
場合の上記第１の圧電セラミックス素子４の出力の最大振幅値の差異に基づき、上記受信
板３が被測定物１に密着しているか否かを判定する構成とすることができる。

このように、受信板３が被測定物１に密着しているか否かによって、音響インピーダン
スが変化し、これにより、第２の圧電セラミックス素子７へのインパルス入力に対する第
１の圧電セラミックス素子４の出力であるインパルス応答が変化している。インパルス応
答特性が変化するのであるから、当然、第２の圧電セラミックス素子７への連続したパル
ス波入力に対する第１の圧電セラミックス素子４の出力の振幅特性、位相特性、周波数特
性も変わると考えられる。
従って、これらの振幅特性や位相特性や周波数特性を解析することによっても、音響振
動モードの差異を検出することができ、受信板３と被測定物１の間が密着されて固定され
ているか否かを判定することができる。

具体的には、上記第２の圧電セラミックス素子７の駆動信号をパルス波とし、上記検査
音響信号処理部１０が、上記受信板３が被測定物１に密着している場合の上記第１の圧電
セラミックス素子４の出力振幅と上記受信板３が被測定物１に密着していない場合の上記
第１の圧電セラミックス素子４の出力振幅の差異に基づき、上記受信板３が被測定物１に
密着しているか否かを判定する構成とすることができる。

または、上記第２の圧電セラミックス素子７の駆動信号をパルス波とし、上記検査音響
信号処理部１０が、上記第２の圧電セラミックス素子７の駆動信号の位相に対する、上記
受信板３が被測定物１に密着している場合の上記第１の圧電セラミックス素子４の出力の
位相差と上記受信板３が被測定物１に密着していない場合の上記第１の圧電セラミックス
素子４の出力の位相差の差異に基づき、上記受信板３が被測定物１に密着しているか否か
を判定する構成とすることができる。

更には、上記第２の圧電セラミックス素子７の駆動信号をパルス波とし、上記検査音響
信号処理部１０が、上記受信板３が被測定物１に密着している場合の上記第１の圧電セラ
ミックス素子４の出力振幅値の絶対値の総和であるエネルギー量と上記受信板３が被測定
物１に密着していない場合の上記第１の圧電セラミックス素子４の出力振幅値の絶対値の
総和であるエネルギー量との差異に基づき、上記受信板３が被測定物１に密着しているか
否かを判定する構成とすることができる。

そして、上記の判定方法としては、例えば、検査音響信号処理部１０が、受信板３が被
測定物１に密着しているときの上記した特性を各々基準値としてメモリに記憶しておき、
実際に測定されたこれらの特性をメモリに記憶された基準値と比較することにより、受信
板３と被測定物１の間が密着されて固定されているか否かを判定する構成とすることがで
きる。

また、上記の実施の形態においては、第１の電気音響変換子と第３の電気音響変換子は
第１の圧電セラミックス素子４で共用されているが、この場合には、破断音を検出するセ
ンサとしての第１の電気音響変換子である第１の圧電セラミックス素子４の動作自体が正
常であるか否かを検査する構成とすることもできる。
即ち、第２の電気音響変換子である第２の圧電セラミックス素子７からの検査音響信号
に起因する信号を、第１の電気音響変換子である第１の圧電セラミックス素子４が所定以
上の精度、具体的には、例えば検査音響信号振幅の７０％以上の振幅で受信できる時は、
第１の電気音響変換子の受信感度は良好であると判定し、前記精度で受信できないときは
、第１の電気音響変換子の受信感度は不良であると判定し、センサの保守・維持管理に必
要な措置、例えば、センサの交換等を講じるように警告信号を発生させる構成とすること
もできる。

以上、本発明に係るセルフ・モニタリング機能を有する破断音センサの実施の形態を説
明したが、本発明は、何ら既述の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した本
発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサの検出部の概念的な断面図である。本発明の好ましい実施の形態に係る破断音センサのブロック・ダイアグラムである。センサの受信板と被測定物の間が密着されて固定されている正常な状態で、駆動回路がインパルス信号で第２の電気音響変換子を駆動した場合の第１の電気音響変換子の出力波形の一例を示した図である。センサの受信板と被測定物の間が密接せず、僅かに浮いた状態で、同様に駆動回路がインパルス信号で第２の電気音響変換子を駆動した場合の第１の電気音響変換子の出力波形の一例を示した図である。

符号の説明

１被測定物（プレストレス・コンクリート構造物）
１ａ緊張材
２破断音センサ
３受信板
４第１の圧電セラミックス素子（第１の電気音響変換子，第３の電気音響変換子）
５ａ，５ｂ第１と第２のフィルタ
６破断音信号処理部
７第２の圧電セラミックス素子（第２の電気音響変換子）
８中間部材
９駆動回路
１０検査音響信号処理部

Claims

被測定物に密着した状態で取付けられる受信板と、該受信板を介して被測定物で発生し
た破断音を受信してその破断音を電気信号に変換する第１の電気音響変換子を備える破断
音センサであって、駆動信号に基づいて検査音響信号を発生して上記受信板を介して被測
定物に検査音響信号を送る第２の電気音響変換子と、上記検査音響信号に起因する信号を
受信してその信号を電気信号に変換する第３の電気音響変換子と、上記受信板が被測定物
に密着している場合の上記第３の電気音響変換子の出力と上記受信板が被測定物に密着し
ていない場合の上記第３の電気音響変換子の出力の差異を検出する比較器を更に備えるこ
とを特徴とする、破断音センサ。
上記第３の電気音響変換子が上記第１の電気音響変換子と共用されていることを特徴と
する、請求項１に記載の破断音センサ。
被測定物に密着した状態で取付けられる受信板を有し、該受信板を介して被測定物で発
生した破断音を受信する破断音センサであって、上記受信板の被測定物への密着状態及び
破断音の受信感度についてセルフ・モニタリング機能を有することを特徴とする、破断音
センサ。