JP2009019881A - 樹幹内診断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】、樹幹内の状態を非破壊で正確に診断できる樹幹内診断装置等を提供することを課題とする。
【解決手段】樹幹２内に振動を加え、該振動を受振して周波数成分を分析することにより樹幹２内が正常であるか否かの診断を非破壊で行う樹幹内診断方法において、樹幹２を打撃することにより振動を加え、樹幹２と非接触な状態で配置され多方位から音波を受振可能なマイクロホン７により前記振動を音波として受振し、受振した音波の周波数成分から共振周波数Ｆを検出し、該共振周波数Ｆと、樹幹２内が正常である場合における共振周波数Ｆとを比較することにより樹幹２内の診断を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、樹幹内の状態を非破壊で診断する樹幹内診断方法及び装置に関する。

腐朽等の欠陥がある樹木１は、強度が弱く、見た目も悪いため、木材としての価値が低く、早期の間伐が望まれる。しかし、腐朽等の欠陥は、樹幹内部に発生することが殆どであり、樹木を破壊することなく樹幹内の状態を診断できる技術が切望されていた。このような背景から、樹幹に振動を加えて内部に振動波を伝搬させ、該振動波を受振して周波数成分を分析することにより樹幹内の診断を非破壊で行う非特許文献１に示すような樹幹内診断方法が公知となっている。

また、非特許文献１と略同一構成の樹幹内診断方法として図７に示すものがある。同図に示す樹幹内診断方法は、ハンマー５１等で樹木５２の幹５３（樹幹）を打撃して振動を加え、樹幹５３内を伝搬した振動波を、樹幹５３に押し当てた加速度ピックアップセンサ等の受振器５４により受振し、周波数分析装置５６（ＦＦＴアナライザ）を用いて周波数分析を行うことにより、樹幹５３内の診断を非破壊で行う構成になっている。
釜口、他２名、「横打撃共振法によるスギ立木の心材含水率非破壊的推定」、木材学会誌、木材学会、２０００年、第４６巻、第１号、ｐ．１３−１９

しかし、非特許文献１及び図７の樹幹内診断方法は、受振器５４を一定以上の力で樹幹に押し当てる必要があり、樹皮の状態によって手ブレ等が生じて樹幹５３内の振動波をうまく測定できない場合がある。また、樹幹５３内に非対称な心材腐朽等が発生していると、受振器５４を押し当てる箇所によって周波数成分が異なり、樹幹５３内診断に支障をきたすことがあるという問題もある。さらに、受振器５４として用いる加速度ピックアップセンサ５４及び加速度ピックアップセンサ５４を接続可能な周波数分析器５６が相当高価であるため、診断コストが高くなってしまうという問題もある。

上記課題を解決するため本発明は、第１に樹幹２内に振動を加え、該振動を受振して周波数成分を分析することにより樹幹２内が正常であるか否かの診断を非破壊で行う樹幹内診断方法において、樹幹２と非接触な状態で配置され多方位から音波を受振可能なマイクロホン７により前記振動を音波として受振することを特徴としている。

第２に、樹幹２を打撃することにより振動を加えることを特徴としている。

第３に、受振した音波の周波数成分から共振周波数Ｆを検出し、該共振周波数Ｆと、樹幹２内が正常である場合における共振周波数Ｆとを比較することにより樹幹２内の診断を行うことを特徴としている。

第４に、受振した音波の周波数成分における極大値を示す周波数のうちで、最も低い周波数を共振周波数Ｆとしたことを特徴としている。

第５に、受振した音波の周波数成分のうちから、樹幹２の径Ｄ、材質等の構成から共振周波数Ｆとなることが想定し難い低周波成分及び高周波成分を除去し、共振周波数Ｆの検出精度を高めたことを特徴としている。

第６に、樹幹２内に加えられた振動を受振する受振手段９と、該振動から周波数成分を分析する分析手段１３とを備え、樹幹２内が正常であるか否かの診断を非破壊で行う樹幹内診断装置において、受振手段９が、多方位から受振可能なマイクロホン７を樹幹２と非接触で配置することにより、樹幹２内の振動を音波として受振することを特徴としている。

第７に、分析手段１３が、音波信号をフーリエ変換処理して周波数成分を算出する処理部１７を備えたことを特徴としている。

第８に、分析手段１３が、樹幹２の共振周波数Ｆを検出する検出部１９を備え、該共振周波数Ｆと、樹幹２内が正常である場合における共振周波数Ｆとを比較することにより樹幹２内の診断を行うことを特徴としている。

第９に、樹幹２が正常である場合の共振周波数Ｆがデータベース１２に蓄積されたことを特徴としている。

第１０に、検出部１９が、受振した音波の周波数成分における極大値を示す周波数のうちで最も低い周波数を共振周波数Ｆとして検出することを特徴としている。

第１１に、分析手段１３が、受振した音波の周波数成分のうちから、樹幹２の径Ｄ、材質等の構成から共振周波数Ｆとなることが想定し難い低周波数成分及び高周波数成分を除去する除去部１８を備えたことを特徴としている。

以上のように構成される本発明によれば、樹幹内の振動を受振する受振手段として樹幹と接触させる必要がないマイクロホンを用いるため、樹皮の状態によって手ブレ等が生じて樹幹内の振動波をうまく測定できない事態が防止されるとともに、多方位からの受信可能なマイクロホンを用いるため、受振する箇所によって周波数成分が変動することも防止される。以上により、正確な周波数成分の分析を行うことが可能になり、樹幹内診断の精度が向上するという効果がある。くわえて、多方位からの受信可能なマイクロホンは安価で、パソコン等の汎用品に接続して使用できるため、樹幹内診断のコストを低く抑えることが可能になる。

図１は、本発明を適用した樹幹内診断方法の模式図である。本発明の適用した樹幹内診断方法は、縦方向の樹木１の幹２（樹幹）を、樹幹２の軸方向に対して垂直方向（即ち、ここでは横方向）から木槌等のハンマー３で打撃して、樹幹２に振動を加え、該振動を本発明の樹幹内診断装置を適用した診断装置４で受振して周波数分析を行うことにより樹幹２内の診断を行うように構成されている。

診断装置４は、パソコン６と、パソコン６のマイク端子に接続されるマイクロホン７とからなる。該マイクロホン７は、多方位からの音波を受振可能な無指向性のものを用い、ハンマー３で樹幹２を打撃した際に発生する打撃音がひろえる程度に樹幹２に近づけられる一方で、樹幹２とは接触させないように樹幹２周囲に配置され、ハンマー３により樹幹２に与えた振動を音波として受振する。

図２は、診断装置の構成を示すブロック図である。診断装置４は診断システム８を搭載している。診断システム８は、音波を受振する受振手段９と、パソコン６のキーボードやマウス及びユーザインターフェース画面等からなる入力手段１１と、樹木１の種類や樹幹２の径Ｄに対応した各種データが蓄積されているデータベース１２と、受振した音波を分析する分析手段１３と、分析手段１３による分析結果を診断装置４に表示する出力手段１４とから構成されている。

受振手段９は、前述のマイクロホン７と、マイクロホン７からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１６とからなり、ハンマー３で樹幹２を打撃した際の打撃音を、デジタル信号に変換してパソコン６等で処理可能な状態にした後、分析手段１３に送る。

分析手段１３は、受振手段９から送られてきたデジタル信号をＦＦＴ変換処理（高速フーリエ変換処理，Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｒｏｍ）して上記打撃音に関する周波数成分を算出する処理部１７と、上記打撃音の周波数成分から不要な周波数成分を除去する除去部１８と、不要な周波数成分が除去された上記打撃音の周波数成分から樹幹内診断に必要な樹幹２の共振周波数Ｆ（横打撃共振周波数）を検出する検出部１９と、検出された樹幹２の共振周波数Ｆから樹幹２内の状態を推定する推定部２１とから構成されている。

なお、入力手段１１によって樹木１の種類及び樹幹直径Ｄが入力され、データベース１２には樹幹２が健全木である場合（正常である場合）の樹木１の種類及び樹幹２の径Ｄに応じた共振周波数Ｆが記録されている。上記入力データ及びデータベース１２のデータを用いて、除去部１８における処理及び推定部２１における樹幹２内の状態推定を行う。

図３は、心材腐朽が発生している樹木の幹をハンマーで横方向から打撃した際に発生する打撃音の周波数スペクトルの一例を表す特性グラフである。同図に示す特性グラフでは、横軸が周波数に、縦軸が強度に対応しており、上記強度が高いほどその周波数の正弦波（又は余弦波）がより多く打撃音に含まれていることを意味している。

樹幹２を打撃した際の打撃音は、強度が所定の周波数帯で極大値となるような特性を有しており、極大値を示す周波数が樹幹２の共振周波数Ｆとなる。そして、強度が極大値を示す周波数のうちで最も低い周波数における極大値Ｐ_１（１次ピーク）と、その次に低い周波数における極大値Ｐ_２（２次ピーク）と、その次に低い周波数における極大値Ｐ_３（３次ピーク）とでは、１次ピークＰ_１が最も樹幹２内の情報をより正確に捉えたものであることが実験等から明らかになっている。

よって、上記検出部１９では打撃音の周波スペクトルから１次ピークＰ_１を検出し、推定部２１では該１次ピークＰ_１を示す周波数を共振周波数Ｆとして樹幹内診断に用いる（図３においては８８０Ｈｚが樹幹内診断に用いる共振周波数Ｆになる）。なお、上記データベース１２には、上記１次ピークＰ_１を示す周波数が共振周波数Ｆとして蓄積されている。なお、樹幹に与える打撃の大きさ等により、１次ピークや２次ピークぐらいまでしか検出されないこともある。

そして、樹幹２の共振周波数Ｆは、粗密波である縦振動に関する以下の式でモデル化できる。

Ｄは樹幹直径（ｃｍ）、Ｆは共振周波数（Ｈｚ）、Ｅは縦弾性係数であるヤング率（Ｐａ）、ρは密度（ｇ／ｃｍ^３）、ｋは形状係数を意味し、上記形状定数ｋは常に略一定であると仮定する。そして、同一種類且つ同一径の樹木１において、樹幹２内が腐朽した樹木１は、健全木と比較して、ヤング率Ｅ及び密度ρの両方が低下するとともに樹幹直径Ｄと共振周波数Ｆとの乗算値Ｄ・Ｆが低下することが実験等から明らかになった。また、この関係を樹幹直径Ｄが略同一の樹木１で考えると、樹幹２内に腐朽が発生している場合の共振周波数Ｆは、樹幹２内が健全な場合の共振周波数よりも低くなる。

上記特性から、本診断装置４は、検出部１９により検出される共振周波数Ｆと、同一種類且つ同一径の健全木における樹幹２の共振周波数Ｆとを推定部２１において比較することにより、樹幹２内が腐朽しているか否かの判断を行う構成になっている。ちなみに、同一種類且つ同一径の健全木における樹幹２の共振周波数Ｆのデータは前述したようにデータベース１２から取得する。

また、樹幹２内が腐朽している場合における共振周波数Ｆの減少率と、樹幹断面（ハンマー３で打撃した部分における樹幹２の垂直断面）に占める腐朽部分の面積の割合である腐朽面積率との関係は、樹木１の種類に拘わらず略同一になることが実験等で明らかになっている。このため、本診断装置４は、所定の種類の樹木１における共振周波数Ｆの減少率と腐朽面積率との関係を求めてデータベース１２に蓄積しておくことにより、診断対象となっている樹幹２の腐朽面積率を推定部２１によって算出する構成になっている。

以上のようにして、本診断装置４は、樹幹２内が腐朽しているか否かの判断及び樹幹２内が腐朽している場合には腐朽面積率の算出を行い、これによって樹幹内診断を行う。なお、前述の除去部１８は、診断対象の樹幹２と同一種且つ同一径の健全木の共振周波数Ｆと、算出される樹幹２の周波数成分とを対比し、腐朽による減少率等を考慮しても共振周波数Ｆとなることが想定し難い高周波数成分及び低周波数低分をカットするように構成されており、１次ピークＰ_１の検出精度を向上させている。

次に、診断システム８のユーザインターフェース画面について説明する。
図４は、本診断装置のユーザインターフェース画面を示している。本診断装置４は、グラフィカルユーザインターフェース２２（ＧＵＩ）を備えており、樹木１の種類と樹幹直径Ｄを入力する入力欄２３と、周波数スペクトル及び該周波数スペクトルより検出された１次ピークＰ_１、２次ピークＰ_２及び３次ピークＰ_３での各周波数を表示する検出結果表示欄２４と、診断結果を表示する診断結果表示欄２６と、該診断結果をパソコン６内に保存する「保存」ボタン２７と、保存せずに次の樹幹内診断に移行する「次へ」ボタン２８とから構成されている。そして、上記診断結果表示欄２６では、樹幹２内が腐朽しているか否かの判定結果を表示する判定結果欄２６ａと、算出された腐朽面積率を表示する推定腐朽面積率欄２６ｂとを備えている。

また、本診断システム８は、パソコン６のＯＳ（オペレーティングシステム）上で常駐するソフトであり、所定音量以上の音波の受振手段９への入力を常に監視し、所定以上の音量の音波が入力されると、その音をハンマー３による打撃音とみなし、前述した処理に基づき樹幹内診断を行い、上記検出結果表示欄２４に検出結果を、診断結果表示欄２６に診断結果を表示するように構成されている。

さらに、入力欄２３に、樹木１の種類や樹幹直径Ｄが入力されていない場合には、検出結果表示欄２４に周波数スペクトル、１次ピークＰ_１、２次ピークＰ_２及び３次ピークＰ_３が表示されるとともに、診断結果表示欄２６に「樹木種類が○○で、樹幹直径が○○ｃｍの場合は樹幹内に腐朽が無しで、推定腐朽面積率が０％」、「樹木種類が△△で、樹幹直径が△△ｃｍの場合は樹幹内に腐朽が有りで、推定腐朽面積率が△△％」等の表示が樹木１の種類毎、樹幹直径Ｄ毎にされる。

診断システム８の上記構成によれば、所定音量以上の音よって樹幹内診断処理が自動的に開始されるため、同一種類且つ同一直径の樹木１の樹幹内診断を行う際、樹木１毎にデータを入力し直す手間が省かれ、樹幹内診断作業を効率的に行うことできる。また、樹木１の種類や樹幹直径Ｄの異なる樹木１を診断する場合にも、前述したように樹木１の種類毎、樹幹直径Ｄ毎に診断結果が表示され、診断対象の樹木１の種類や樹幹直径Ｄを作業者が目視により確認して適切なデータを選択すればよいため、樹幹内診断を効率的に行うことが可能になる。

なお、本診断装置４では、診断システム８をパソコン６に搭載したが、マイクロホン７が接続可能で診断システム８に関するプログラムを実行できる装置であれば、ＰＤＡや携帯電話等を用いてもよい。

また、本診断装置４では、腐朽した樹木１の特性を用いて樹幹内診断を行っているが、樹木の腐朽以外に、樹木が冷却されて樹幹に縦方向の裂け目ができる「凍裂」、スギの内部が黒く変色する「スギ黒心」、細菌等による変色する「材変色」、急傾斜で育ったことにより繊維や密度等が偏る「あて」、乾燥等によって内部に裂け目できる「内部割」が生じた場合の樹木１の特性を利用することもできる。これらの状態が生じた場合、樹木１の樹幹直径Ｄと共振周波数Ｆとの乗算値Ｄ・Ｆは下記表のようになる。

樹木１の種類によって、これらの異常状態が生じる確率がかなり異なるため、健全木の共振周波数Ｆと、検出した共振周波数Ｆとを比較することにより、樹幹内にどのような異常が生じているかも、ある程度推測可能になる。ちなみに、樹幹内の腐朽は多くの樹木に生じる異常であるため、上記診断装置４では、腐朽した樹木１の特性を樹幹内診断に用いている。

次に、樹幹２に接触させる必要のない受振手段であるマイクロホン７を用いた樹幹内診断方法（音響法）と、樹幹２に接触させる必要がある受振手段である加速度ピックアップセンサ２９を用いた樹幹内診断方法（振動法）との比較例について、以下に説明する。図５（Ａ）は振動法での樹幹内診断方法を示した模式図であり、（Ｂ）は音響法での樹幹内診断方法を示した模式図である。

診断対象の樹木１としては、直径Ｄが１８ｃｍの向上ヒノキを用い、樹幹２内に三日月状の隙間Ｓを切抜形成し、樹幹２内部が腐朽しているのを同様の状態にして１次ピークＰ_１が９２０〜９６０Ｈｚ、２次ピークＰ_２が１１８０〜１２２０Ｈｚ、３次ピークＰ_３が１４６０〜１５４０Ｈｚとなる状態にした。そして、樹幹２の打撃箇所Ｉを同一にし、振り子を用いて上記打撃箇所Ｉを略一定の力で打撃して、比較実験を行った。

上記比較実験において、振動法では、加速度ピックアップセンサ２９（小野測器社製ＮＰ４００）をＦＦＴアナライザ３１（小野測器社製ＣＦ１２００）に接続し、樹幹２周囲上における等間隔な計６０点において上記加速度ピックアップ２９を押し当て、１次ピークＰ_１における強度及び２次ピークＰ_２における強度を計測した。

一方、音響法では、樹幹２からマイクロホン７を５ｃｍ又は３０ｃｍに離して設置し、各距離において１次ピークＰ_１及び２次ピークＰ_２における強度を計測した。なお、マイクロホン７（多方位からの音波を受振可能な無指向性のマイクロホン）をパソコン６に接続し、受振した音波を周波数分析プログラム（フリーウェアであるＷａｖｅＳｐｅｃｔｒａ）で周波数分析して１次ピークＰ_１及び２次ピークＰ_２の強度を算出した。

図６（Ａ）は振動法での各計測点における１次ピーク及び２次ピークの強度を示した特性グラフであり、（Ｂ）は樹幹から５ｃｍ離してマイクロホンを設置した場合の音響法での各計測点における１次ピーク及び２次ピークの強度を示した特性グラフであり、（Ｃ）は樹幹から３０ｃｍ離してマイクロホンを設置した場合の音響法での各計測点における１次ピーク及び２次ピークの強度を示した特性グラフでる。同図（Ａ）に示すように、振動法においては、１次ピークＰ_１及び２次ピークＰ_２の強度が樹幹２周囲で一定せず、１次ピークＰ_１の強度が低く、極大値として検出しずらい箇所が幾つかあった。このような場合、２次ピークＰ_２を１次ピークＰ_１として検出してしまう恐れがあり、正確な樹幹内診断を行うことが困難である。

一方、音響法においては、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すように、樹幹２周囲全体にわたり安定して高い強度の１次ピークＰ_１が検出され、さらに、マイクロホン７を５ｃｍ離した場合（同図（Ｂ）参照）よりも３０ｃｍ（同図（Ｃ）参照）離した場合の方が、２次ピークＰ_２に対して安定した高い強度の１次ピークＰ_１が検出されている。

上記結果から、振動法よりも音響法が正確に共振周波数Ｆを検出することができとともに、音響法においても樹幹２から所定距離以上離した方が共振周波数Ｆの検出がより正確にできることが分かる。

本発明を適用した樹幹内診断方法の模式図である。 診断装置の構成を示すブロック図である。 心材腐朽が発生している樹木の幹をハンマーで横方向から打撃した際に発生する打撃音の周波数スペクトルの一例を表す特性グラフである。 本診断装置のユーザインターフェース画面を示している。 （Ａ）は振動法での樹幹内診断方法を示した模式図であり、（Ｂ）は音響法での樹幹内診断方法を示した模式図である。 （Ａ）は振動法での各計測点における１次ピーク及び２次ピークの強度を示した特性グラフであり、（Ｂ）は樹幹から５ｃｍ離してマイクロホンを設置した場合の音響法での各計測点における１次ピーク及び２次ピークの強度を示した特性グラフであり、（Ｃ）は樹幹から３０ｃｍ離してマイクロホンを設置した場合の音響法での各計測点における１次ピーク及び２次ピークの強度を示した特性グラフでる。 従来公知の樹幹内診断方法の模式図である。

符号の説明

２ 樹幹（幹）
７ マイクロホン
９ 受振手段
１２ データベース
１３ 分析手段
１７ 処理部
１８ 除去部
１９ 検出部
Ｄ 樹幹直径（径，直径）
Ｆ 共振周波数（横打撃共振周波数）

Claims (11)

1. 樹幹（２）内に振動を加え、該振動を受振して周波数成分を分析することにより樹幹（２）内が正常であるか否かの診断を非破壊で行う樹幹内診断方法において、樹幹（２）と非接触な状態で配置され多方位から音波を受振可能なマイクロホン（７）により前記振動を音波として受振する樹幹内診断方法。
2. 樹幹（２）を打撃することにより振動を加える請求項１又は２の樹幹内診断方法。
3. 受振した音波の周波数成分から共振周波数（Ｆ）を検出し、該共振周波数（Ｆ）と、樹幹（２）内が正常である場合における共振周波数（Ｆ）とを比較することにより樹幹（２）内の診断を行う請求項１又は２の樹幹内診断方法。
4. 受振した音波の周波数成分における極大値を示す周波数のうちで、最も低い周波数を共振周波数（Ｆ）とした請求項３の樹幹内診断方法。
5. 受振した音波の周波数成分のうちから、樹幹（２）の径（Ｄ）、材質等の構成から共振周波数（Ｆ）となることが想定し難い低周波成分及び高周波成分を除去し、共振周波数（Ｆ）の検出精度を高めた請求項３又は４の樹幹内診断方法。
6. 樹幹（２）内に加えられた振動を受振する受振手段（９）と、該振動から周波数成分を分析する分析手段（１３）とを備え、樹幹（２）内が正常であるか否かの診断を非破壊で行う樹幹内診断装置において、受振手段（９）が、多方位から受振可能なマイクロホン（７）を樹幹（２）と非接触で配置することにより、樹幹（２）内の振動を音波として受振する樹幹内診断装置。
7. 分析手段（１３）が、音波信号をフーリエ変換処理して周波数成分を算出する処理部（１７）を備えた請求項６の樹幹内診断装置。
8. 分析手段（１３）が、樹幹（２）の共振周波数（Ｆ）を検出する検出部（１９）を備え、該共振周波数（Ｆ）と、樹幹（２）内が正常である場合における共振周波数（Ｆ）とを比較することにより樹幹（２）内の診断を行う請求項６，７又は８の樹幹内診断装置。
9. 樹幹（２）が正常である場合の共振周波数（Ｆ）がデータベース（１２）に蓄積された請求項８の樹幹内診断装置。
10. 検出部（１９）が、受振した音波の周波数成分における極大値を示す周波数のうちで最も低い周波数を共振周波数（Ｆ）として検出する請求項９の樹幹内診断装置。
11. 分析手段（１３）が、受振した音波の周波数成分のうちから、樹幹（２）の径（Ｄ）、材質等の構成から共振周波数（Ｆ）となることが想定し難い低周波数成分及び高周波数成分を除去する除去部（１８）を備えた請求項８，９又は１０の樹幹内診断装置。

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