JP2009121955A

JP2009121955A - 岩石試料のａｅ発生位置の同定方法

Info

Publication number: JP2009121955A
Application number: JP2007296370A
Authority: JP
Inventors: Takuya Urakoshi; 拓野浦越; Hideshi Yokoyama; 秀史横山; Takeshi Kawagoe; 健川越
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】ＡＥ発生位置の精度がやや劣っても作業が簡便で容易な岩石試料のＡＥ発生位置同定方法を提供する。
【解決手段】割れ目を内包する岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法において、前記割れ目面２と平行な岩石試料１の表面３に互いの距離が等距離になるように３個のＡＥセンサー４，５，６を設置し、前記岩石試料１の破壊時のＡＥを前記３個のＡＥセンサー４，５，６で捉え、前記岩石試料１の破壊時のＡＥイベント数の相対比を求めて、ＡＥ発生位置を同定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）発生位置の同定方法に係り、特に、同一平面に配置される３個のＡＥセンサーを用いて測定対象の試料の破壊時のＡＥを捉える岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法に関するものである。

本願発明者らは、落石現象を検討する上で岩石の割れ目部分の風化程度が引張強度に与える影響を研究してきた。

つまり、割れ目面を内包する岩石試料の引張試験を行なった際、破断面のどの部分が破壊強度を受け持っていたか（引張力に対して有効な面積であったか）を推定する方法を開発してきた。

また、ＡＥセンサを設置し、そのＡＥセンサからの出力信号の波形の変化に基づいた実験に裏付けられた、より確度の高い岩石等の破壊前駆段階推定方法が提案されている（下記特許文献１参照）。

さらに、地山や基礎構造物へのＡＥセンサを配置することにより、損傷度や破壊の探知を行う方法が提案されている（下記特許文献２及び３参照）。

岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法に関しては、従来２次元平面上の位置を同定する方法として、４点（任意の位置）および３点（音速が既知）での決定方法が存在する。

３点に関してはＡＥ波形の伝播時間を読み取り、下記の３式を解いて求める方法がある。各ＡＥセンサーの位置と観測点（ＡＥ源）の位置関係は図１１に示す。

第１到達センサーＳ１：Ｖ²ｔ²＝（ｘ−Ｘ１）²＋（ｙ−Ｙ１）²…（１）
第２到達センサーＳ２：Ｖ²（ｔ−Ｔ１）²
＝（ｘ−Ｘ２）²＋（ｙ−Ｙ２）² …（２）
第３到達センサーＳ３：Ｖ²（ｔ−Ｔ２）²
＝（ｘ−Ｘ３）²＋（ｙ−Ｙ３）² …（３）
ここで、ｔはＡＥ源Ｐ（ｘ，ｙ）から第１到達センサーＳ１までの伝播時間、Ｔ１，Ｔ２は第１到達センサーＳ１を基準とした信号の到達時間差である。
特開２００４−６１２０２号公報特許第３０５４７０９号公報特開２００２−２８６７００号公報

しかしながら、上記した従来の２次元平面上のＡＥ発生位置の同定方法は、以下のような欠点を有している。

（Ａ）測定対象の試料にセットされる３個のセンサーに到達するＡＥ波の初動部分の波形が複雑なため、上記式（１）〜（３）中のＡＥ源から第１到達センサーＳ１までの伝播時間ｔやＳ１を基準とした信号の到達時間差Ｔ１，Ｔ２を決定する作業が困難である。

（Ｂ）測定対象の試料が必ずしもこの手法の前提である等方均質ではない。

よって、作業が煩雑なわりに同定した位置に関して高い精度を期待できないといった問題があった。

一方、３次元物体内で発生するＡＥの位置を同定するには、一般的に４個のＡＥセンサーを用いて、それらのセンサーに到達するＡＥ信号の到達時間が必要である。しかしながら、この方法の場合でも、上記した２次元平面上のＡＥ発生位置の同定方法における欠点など幾つかの問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、ＡＥ発生位置同定の精度がやや劣っても作業が簡便で容易な岩石試料のＡＥ発生位置同定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕割れ目を内包する岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法において、前記割れ目面と平行な岩石試料の表面に互いの距離が等距離になるように３個のＡＥセンサーを設置し、前記岩石試料の破壊時のＡＥを前記３個のＡＥセンサーで捉え、前記岩石試料の破壊時のＡＥイベント数の相対比を求めて、ＡＥ発生位置を同定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法において、前記岩石試料を直方体に整形し、その際、割れ目面がどれかの面と平行になるようにし、前記割れ目面と平行な面に互いの距離が同じになるように前記３個のＡＥセンサーを接着し、前記割れ目面を含む面の方向に載荷して破壊させその時のＡＥを記録し、前記岩石試料の破壊後、前記３個のＡＥセンサーが設置されたブロックにおける破壊面の、前記３個のＡＥセンサーの背面位置と前記岩石試料の重心位置との４箇所を打撃してＡＥを記録し、前記破壊時に得たＡＥからそれぞれの位置での前記３個のＡＥセンサーのＡＥイベント数の比（構成比）を算出し、この位置が既知の４種類のＡＥイベント数の比と位置が不明の破壊試験時の単位時間ごとのＡＥイベント数の比を用い、前記３個のＡＥセンサーの比の差分平方和をとり、それが最小な値を示す位置でＡＥが発生したと同定することを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（１）ＡＥ発生位置同定の精度がやや劣っても、簡便な作業で容易に岩石試料のＡＥ発生位置の同定を行うことができる。

（２）ＡＥセンサーのセット数は３個で済むのでコストを低減することができる。

本発明の割れ目面を内包する岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法は、前記割れ目面と平行な岩石試料の表面に互いの距離が等距離になるように３個のＡＥセンサーを設置し、前記岩石試料の破壊時のＡＥを前記３個のＡＥセンサーで捉え、前記岩石試料の破壊時のＡＥイベント数の相対比を求めて、ＡＥ発生位置を同定する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定に用いる整形した岩石試料の斜視図、図２はその岩石試料への載荷試験状況を示す図、図３はそのＡＥ発生位置の同定方法における基準となるＡＥイベント数の比算出のための岩石試料の打撃状況を示す図、図４はそのＡＥ発生位置のエリア分けの例を示す図である。

これらの図において、１は岩石試料、２は岩石試料１の割れ目面、３は岩石試料１の割れ目面２の方向と平行な面である。

この岩石試料１を載荷装置７の上下に配置される円錐形の支圧治具８にセットして、岩石試料１に載荷して試験を行う。

本発明の岩石試料のＡＥ発生位置の同定手順について説明する。

（１）図１に示すように、割れ目を内包する岩石試料１を直方体に整形する。その際、岩石試料１の割れ目面２が直方体のどれかの面と平行になるように整形する。

（２）図１に示すように、岩石試料１の割れ目面２と平行な面３に、互いの距離が同じになるように３個のＡＥセンサー４，５，６を接着する。

（３）図２に示すように、点載荷試験装置７の上下に配置される円錐形の支圧治具８により、割れ目面２の方向に岩石試料１に載荷して破壊させ、そのときの３個のＡＥセンサー４，５，６のＡＥを記録する。

（４）岩石試料１を破壊後、３個のＡＥセンサー４，５，６が設置されたブロックにおいて、図３及び図４に示すように、破壊面（当初想定した割れ目面２の４箇所、つまり、３個のＡＥセンサー４，５，６の背面及びその岩石試料１の重心位置）を打撃して３個のＡＥセンサー４，５，６のＡＥを記録する。

（５）詳細は後述するが、破壊面９を打撃して得たＡＥからそれぞれの位置での３個のＡＥセンサー４，５，６のＡＥイベント数の比（構成比）を算出する。

（６）詳細は後述するが、この位置が既知の４種類のＡＥイベント数の比と、位置が不明の破壊試験時のＡＥイベント数の比（単位時間ごと）を用い、３個のＡＥセンサー４，５，６の比の差分平方和をとり、それが最小な値を示す位置をＡＥが発生したと同定する（図４参照）。

以下、より具体的な岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法及びその装置について説明する。

まず、ＡＥ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＥｍｉｓｓｉｏｎ）とは、材料が変形もしくは破壊する時に、それまで蓄えられていた歪みエネルギーが開放されて音（弾性波）となって伝播していく現象である。

ここで、ＡＥ測定システムの基本構成を図５に示す。

図５において、１１はＡＥセンサー、１２はプリアンプ、１３はメインアンプ、１４はバンドパスフィルター、１５はメインアンプ１３とバンドパスフィルター１４とからなるディスクリミネータである。このディスクリミネータ１５は、ＡＥ信号のアナログ処理とＡＥのイベントを計測するための閾値電圧の設定、イベント発生を表すパルス出力などを行う。

用語として用いられる“ＡＥの発生頻度”とは、ひび割れ等の発生に伴って離散的に発生するＡＥを回数として計数したもので、一般には“カウント”と呼ばれ、さらに発生総数を“トータルカウント”、ある時間間隔での発生頻度を“カウントレート”という。

このカウントの計数法には、リングダウン計数法と事象（イベント）計数法とが提案されている。リングダウン計数法とは、複雑に振動するＡＥ波形に対してある閾値を設定し、その閾値を越えるすべての回数を計測する方法で、金属などのように連続してＡＥが発生するような材料に対して適用される。それに対して、岩盤やコンクリート、土質材料などでは発生したＡＥ波を個々に計数するイベント計数が一般的で、その中にパルス法と包絡線検波法がある。

パルス法とは、ある閾値を越えるとパルスを発生し、不感時間を設けてリングダウンしないようにする方式で、包絡線検波法とはＡＥ波形の包絡線から１イベントを定め、その個数を計数する方式である。

図６は本発明の実施例を示すＡＥ測定システムの波形処理の考え方の説明図である。

今回の実験では、包絡線検波法を基本とし、ＡＥ波形を半波整流し、その包絡線に対して２種類の閾値（ディスクリ・ハイレベル：Ｖ_H、ディスクリ・ロウレベル：Ｖ_L）を設定する。そして、Ｖ_Hを下から上へ横切った時点から次にＶ_Lを上から下へ横切った時点までを１イベントとする方式である。この考えからＡＥ事象の発生のカウントは“イベント数”とも呼ばれ、以下ＡＥの発生回数をイベント数と呼ぶ。

次に、実験で使用したＡＥの測定機器および記録装置について説明する。

ＡＥセンサーに関しては同一のセンサーを準備したが、ＡＥ波形からＡＥイベント数を求めるアルゴリズムは異なる２種類の機器（デュアルカウンタ、ＡＥテスタ）によるものとなった。

デュアルカウンタは、図６のアルゴリズムによるが、ＡＥテスタはＡＥ波形をそのまま用い、閾値も一つでその値を越えた回数をイベント数として出力する。

ここでＡＥセンサー１１は、（株）ＮＦ回路設計ブロック製、９００Ｍ・周波数特性３００ｋＨｚ〜２ＭＨｚを用いた。また、プリアンプ１２は（株）ＮＦ回路設計ブロック製、ＡＥ−９１２、周波数特性５０ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、ハイパスフィルタ遮断周波数５０ｋＨｚ、ゲイン４０ｄＢを用いた。

ディスクリミネータ１５は、（株）ＮＦ回路設計ブロック製ＡＥ−９２２を用い、これはハイパスフィルタ０．１ＭＨｚ、ローパスフィルタはスルー、ゲイン３０ｄＢ、ディスクリハイレベル１００ｍＶ、ディスクリローレベル４０ｍＶ、出力０〜１０（Ｖ）である。

デュアルカウンタは、（株）ＮＦ回路設計ブロック製ＡＥ−９３２、出力１０Ｖである。

ＡＥテスタは、（株）ＮＦ回路設計ブロック製９５０１、出力０〜５０ｍＶ、周波数特性１００ｋＨｚ〜２ＭＨｚである。

データレコーダは、リオン（株）製、Ａ／Ｄ分解能１６ｂｉｔ、サンプリング周波数５１．２ｋＨｚである。なお、データレコーダへの収録条件を表１に示す。

次に、測定原理について説明する。

図７は本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法における点載荷試験装置を示す図である。

今回のＡＥ測定は、図７に示すように、点載荷試験装置と呼ぶ引張試験装置を用いて載荷を行う。図７において、２１は試料固定部、２２は手動ポンプ、２３は高圧域用ゲージ、２４は低圧域用ゲージである。直方体の岩石試料と点載荷試験装置との間隔が狭いことからＡＥセンサーを設置可能な面は互いに向かい合う２面のみである（図２参照）。また、その岩石試料は主に割れ目を内在したもの（図１参照）で、その割れ目を含む面（割れ目面）を上下から円錐形の支圧治具で挟み込む状態で設置されるためこの割れ目面で選択的に破壊することを期待している。

今回の載荷試験では上記したように試験条件のいくつかが限定できることから、位置同定の精度がやや劣っても、センサー数を少なくして作業が簡便で容易な同定方法を目指しており、破壊後に破壊面９の数箇所を打撃して、そのときに得られるＡＥイベント数の比と破壊試験時に得られたＡＥイベント数の比を比較し、概略のＡＥ発生位置を決定（同定）するようにした。その概要について述べる。

最初に、位置の決定方法を検討する上での前提条件を整理する。

（１）試料の形状はほぼ直方体で，その体積を２等分する位置付近に割れ目面を有する。

（２）ＡＥはこの割れ目面を中心に発生する。

（３）ＡＥセンサーの設置可能な面は、割れ目面とほぼ平行な２面のどちらかである。

（４）試料の材質には不均質なものもあり、ＡＥの伝播経路をより同一に近くするために、センサーの設置面は同一面とした方がよい。

（５）センサーは現有のものを使用することから測点は３点とする。

同一の発生源からのＡＥを立方体のある１面に接着させた複数のセンサーでＡＥイベント数として捉えるとき、材料が当方均等（ＡＥ波の減衰特性が同じ）ならば、各センサー相互のイベント数の大小関係は、発生源とセンサーとの距離に関係することは明らかである。しかし、実際には材料は不均質で伝播経路ごとに減衰特性が異なる上、各センサーの接着状況も異なるため、得られるイベント数の関係にはこれら不均質性や接着状況の違いも含まれる。

そこで、これらの不均質性等の影響をも含んだイベント数の関係を得るために、破壊（引張）試験で分離した試料の中でセンサーが接着している側の試料において、破壊面（当初想定した割れ目面に相当）の３個のＡＥセンサー裏とその３つのＡＥセンサーからなる三角形の重心の計４箇所を打撃し、３個のＡＥセンサーのイベント数を得る。このセンサーごとのイベント数の比（構成比）と破壊試験時に得られた単位時間ごとのイベント数の比とを比較し、４箇所の中でも最も構成比が近似する箇所の近くでＡＥが発生したと決定（同定）する。

この同定方法によって、割れ目面を各センサーを基準におおまかに４つのエリア（各センサー近傍の３個のエリアと中心付近のエリア）に分割し、ＡＥがどのエリアで発生しているかを概略決定する。

この作業を具体的に示す。

図１に示すように、直方体に整形した岩石試料面において３個のＡＥセンサーを互いの距離が同じになるように接着用のろうを用いて設置し、破壊試験を行う。引張試験後に、図３に示すように、分離した岩石試料の中でＡＥセンサーが接着している側の試料の破壊面において、３個のＡＥセンサー裏とその三角形の重心の計４箇所を：最大のＡＥイベント数が一定個数（今回は約２００個）になるまで打撃し、３個のＡＥセンサーのイベント数を得る。

破壊試験のデータ処理では、各点ごとに単位時間（サンプリング間隔１９．５μｓｅｃ，１０００データ）ごとの３個のＡＥセンサーのイベント数を計算し、それらの合計を１として３個のＡＥセンサーのイベント数の比を計算する。

どのエリアで発生したかの決定は、破壊試験の単位時間ごとに、その時間帯のＡＥイベント数の比と分離面４箇所でのＡＥイベント数の比との差分平方和（３センサーの比の差分平方和）が最も小さくなる箇所を求め、その箇所（エリア）でＡＥが発生しているものと決定（同定）する。

図８は岩石試料のＡＥ発生位置決定作業の概略フローチャートである。

（１）岩石試料にほぼ三角になるような当距離の位置にＡＥセンサー３個を設置する（ステップＳ１）。

（２）岩石試料の破壊試験（点載荷試験）を行う（ステップＳ２）。

（３）単位時間ごとの３個のＡＥセンサーのＡＥイベント数を得る（ステップＳ３）。

（４）分離面において３個のＡＥセンサー裏とその重心位置の４箇所で打撃してＡＥイベント数を得る（ステップＳ４）。

（５）破壊試験時のＡＥイベント数の比と上記４箇所のＡＥイベント数の比の比較を行う（ステップＳ５）。

（６）ＡＥ発生エリアを決定する（ステップＳ６）。

図９及び図１０は、載荷開始から約２１秒で破壊した際のＡＥデータを、１０００データを一組として６０組ごとに整理した３個のＡＥセンサーのイベント数の合計で、ある程度のイベント数が発生した時間のみを抽出している。３個のＡＥセンサーの内訳も示されている。

図中のイベント数１０個のラインは、イベント数の合計に関する閾値で、イベント数があまり少ない場合には構成比の情報の中に期待する各センサーごとのＡＥの伝播状態の違いが適切に含まれないと判断し、改めて設定したものである。

図中棒グラフの上に示す数字（１〜３）およびアルファベット（Ｃ）は、前述のＡＥイベント数の比の差分平方和から決定したエリア（図４参照）を示している。

表２は、模擬割れ目試験体を用いた引張試験で得られたある単位時間におけるエリア推定結果の例である。

表２中（ａ）はある単位時間でのＡＥイベント数の構成比で、表２中（ｂ）は破壊試験後行った分離面４箇所で得られたイベント数の構成比である。この構成比の差分平方和を計算し、その最も小さいセンサー２のエリア（図４参照）でＡＥが発生したと同定した例である。

図１０における（ｇ）が破壊時のデータで、それ以前のデータのうち、図９の（ｂ），図９の（ｃ）でエリア３での発生が見られるが、それ以外はエリア１，２，ｃと決定している。破壊試験後の試料に円錐形の支圧治具が食い込んだ跡が明瞭に残ることから、ＡＥの発生は引張による内部の破壊だけではなく、載荷開始直後から載荷点付近の破壊からも発生しているものと推定される。図１０の（ｇ）までに見られるエリア１，２，ｃと決定した発生源はこの現象を捉えているものと判断した。また、図１０の（ｇ）ではエリア２が混在するものの、エリア３が多くみられる。このことは、実際の試料において削り残した部分がこの領域にあることと符合する。なお、図９の（ｂ），図９の（ｃ）でエリア３が多く見られるのは、この時期に若干の破壊がこの削り残した部分で発生したものと推定する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の割れ目面を内包する岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法は、同定位置の精度は犠牲にしても容易に岩石試料のＡＥ発生位置の同定に利用することができる。

本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定に用いる整形した岩石試料の斜視図である。本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法における岩石試料への載荷試験状況を示す図である。本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法における基準となるＡＥイベント数の比算出のための岩石試料の打撃状況を示す図である。本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法におけるＡＥ発生位置のエリア分けの例を示す図である。本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法におけるＡＥ測定システムの基本構成を示す図である。本発明に係る包絡線検波法における波形処理の考え方の説明図である。本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法における点載荷試験装置を示す図である。本発明の実施例を示す岩石試料のＡＥ発生位置決定作業の概略フローチャートである。本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法における岩石試料への載荷開始から破壊までのＡＥデータを示す図（その１）である。本発明の実施例を示すＡＥ発生位置の同定方法における岩石試料への載荷開始から破壊までのＡＥデータを示す図（その２）である。各ＡＥセンサーの位置と観測点（ＡＥ源）の位置関係を示す図である。

符号の説明

１岩石試料
２岩石試料の割れ目面
３岩石試料の割れ目面と平行な面
４，５，６３個のＡＥセンサー
７点載荷試験装置
８円錐形の支圧治具
９分離面（破壊面）
１１ＡＥセンサー
１２プリアンプ
１３メインアンプ
１４バンドパスフィルター
１５ディスクリミネータ
２１試料固定部
２２手動ポンプ
２３高圧域用ゲージ
２４低圧域用ゲージ

Claims

割れ目面を内包する岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法において、前記割れ目面と平行な岩石試料の表面に互いの距離が等距離になるように３個のＡＥセンサーを設置し、前記岩石試料の破壊時のＡＥを前記３個のＡＥセンサーで捉え、前記岩石試料の破壊時のＡＥイベント数の相対比を求めて、ＡＥ発生位置を同定することを特徴とする岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法。
請求項１記載の岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法において、前記岩石試料を直方体に整形し、その際、割れ目面がどれかの面と平行になるようにし、前記割れ目面と平行な面に互いの距離が同じになるように前記３個のＡＥセンサーを接着し、前記割れ目面を含む面の方向に載荷して破壊させその時のＡＥを記録し、前記岩石試料の破壊後、前記３個のＡＥセンサーが設置されたブロックにおける破壊面の、前記３個のＡＥセンサーの背面位置と前記岩石試料の重心位置との４箇所を打撃してＡＥを記録し、前記破壊時に得たＡＥからそれぞれの位置での前記３個のＡＥセンサーのＡＥイベント数の比（構成比）を算出し、該位置が既知の４種類のＡＥイベント数の比と位置が不明の破壊試験時の単位時間ごとの前記ＡＥイベント数の比を用い、前記３個のＡＥセンサーの比の差分平方和をとり、それが最小な値を示す位置でＡＥが発生したと同定することを特徴とする岩石試料のＡＥ発生位置の同定方法。