JP2014130135A - 複合構造体の界面検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査精度を向上させることの可能な複合構造体の界面検査方法を提供する。
【解決手段】セメント複合材と金属板とからなる複合構造体に振動を発生させる振動発生手段により振動を加え、複合構造体内を伝搬する振動を受信手段で受信して信号波形を取得する工程(S1)と、取得した信号波形に対して包絡線検波を行い、包絡線を取得する工程(S2)と、取得した包絡線のうち、減衰が開始する時点から減衰が終了するまでの間に含まれる包絡線を減衰曲線とし、減衰曲線における減衰特性を表す減衰係数に基づいて複合構造体の界面の状態を判定する工程(S4-S9)と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複合構造体の界面検査方法及び装置に係り、詳しくはコンクリートと鋼板とからなる合成床版の界面の健全状態を検査する方法、及び界面の健全状態の検査を行う装置に関する。

コンクリート構造物の健全状態を検査する手法の１つとして、打音法が知られている。打音法とは、コンクリート構造物等の被検体にハンマー等で打撃を加え、被検体内を伝搬する振動を空気振動、即ち音を介して採取して被検体内の状態を把握する手法である。
この打音法を利用して、インパルスハンマーを用いてコンクリート構造物に打撃を加え、打撃音及びマイクロホンで採取した音の振幅比や、採取した音の周波数スペクトルから求めた周波数重心に基づいて、コンクリート構造物の健全性を検査する方法が知られている（特許文献１参照）。

特許第４４５６７２３号

しかしながら従来の打音法では、被検体の大きさが被検体の状態判定に影響してしまうため、検査精度が低下してしまう虞がある。また、上記特許文献１では、打音法により取得した周波数スペクトルに打撃音の周波数帯域も含まれてしまうため、周波数スペクトルにおいて打撃音の周波数帯域が支配的となり、コンクリート構造物内の欠陥等による周波数の変化を把握しにくいという問題もある。このため、検査精度の向上が求められていた。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、検査精度を向上させることの可能な複合構造体の界面検査方法及び装置を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の複合構造体の界面検査方法は、セメント複合材と金属板とからなる複合構造体に振動を発生させる振動発生手段により振動を加え、前記複合構造体内を伝搬する振動を受信手段で受信して信号波形を取得する工程と、取得した信号波形に対して包絡線検波を行い、包絡線を取得する工程と、取得した包絡線のうち、減衰が開始する時点から減衰が終了するまでの間に含まれる包絡線を減衰曲線とし、前記減衰曲線における減衰特性を表す減衰係数に基づいて前記複合構造体の界面の状態を判定する工程と、を有することを特徴とする。

請求項２の複合構造体の界面検査方法では、請求項１において、前記包絡線を取得する工程は、前記振動発生手段により加えられた振動に相当する信号波形を前記包絡線から除去する工程を含むことを特徴とする。

請求項３の複合構造体の界面検査方法では、請求項２において、前記振動に相当する信号波形を除去する工程では、前記複合構造体内を伝搬する振動を前記受信手段で受信を開始した受信開始時間から、前記包絡線における振幅が最大となる時間までに含まれる信号波形を除去することを特徴とする。

請求項４の複合構造体の界面検査方法では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記減衰係数は、前記減衰曲線における指数関数の変数に対する係数であることを特徴とする。

請求項５の複合構造体の界面検査方法では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記減衰係数は、前記減衰曲線の振幅が、前記包絡線での減衰が開始する時間以降における前記減衰曲線の振幅となる第１の振幅から、前記第１の振幅よりも小さい前記減衰曲線における第２の振幅となるまでの時間幅であることを特徴とする。

請求項６の複合構造体の界面検査方法は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、さらに、取得した信号波形に対して周波数解析を行い、周波数に対する振幅特性の信号波形を取得する工程と、周波数解析をして得られた信号波形における、振幅が出現している周波数帯域と、その周波数帯域における振幅の大きさとに基づいて前記複合構造体の界面の状態を判定する工程と、を有することを特徴とする。

請求項７の複合構造体の界面検査装置は、セメント複合材と金属板とからなる複合構造体に振動を発生させる振動発生手段と、前記振動発生手段により前記複合構造体に振動が加えられ、前記複合構造体内を伝搬する振動を受信して信号波形を取得する受信手段と、前記受信手段で取得した信号波形から包絡線を取得する包絡線検波手段と、取得した包絡線のうち、減衰が開始する時点から減衰が終了するまでの間に含まれる包絡線を減衰曲線とし、前記減衰曲線における減衰特性を表す減衰係数に基づいて前記複合構造体の界面の状態を判定する界面状態判定手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１の複合構造体の界面検査方法、及び請求項７の複合構造体の界面検査装置によれば、複合構造体に振動を加え、複合構造体内を伝搬する振動を信号波形として取得し、包絡線を減衰曲線として減衰係数を求め、減衰係数に基づいて界面の状態を判定する。
従って、界面状態の判定では複合構造体の大きさによる影響を受けないので、検査精度を向上させることができる。また、減衰係数に基づいて界面の状態を判定することにより、包絡線が減衰するまでの間に存在する振幅の影響を低減できるので、検査精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る界面検査装置の概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る界面検査方法のフローチャートである。 （Ａ）は合成床版内を伝搬した振動をマイクロホンで採取した音の測定波形、（Ｂ）は（Ａ）で取得した測定波形から取得した包絡線の信号波形、（Ｃ）は（Ｂ）に示す包絡線から打撃音に相当する信号を除去した包絡線を曲線近似して求めた減衰曲線の図、（Ｄ）は（Ｃ）を時間軸方向に拡大した図である。 第１実施形態の変形例を示す減衰曲線の図である。 本発明の第２実施形態に係る界面検査方法のフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る界面検査方法のフローチャートである。 ハンマーとマイクロホンとを一体にした界面検査ユニットを示す図である。 実施例１〜３で行う界面検査方法の概略図である。 実施例１〜４で行う界面検査方法において、界面に空洞が存在する場合の概略図である。 （Ａ）は界面に付着切れが形成された合成床版に打撃を加えて採取した信号波形から取り出した包絡線を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の包絡線から打撃音に相当する信号を除去した包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図である。 （Ａ）は界面に模擬空洞が形成された合成床版に打撃を加えて採取した信号波形から取り出した包絡線を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の包絡線から打撃音に相当する信号を除去した包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図である。 （Ａ）は界面の状態が健全である合成床版における打撃音に相当する信号を除去した包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図であり、（Ｂ）は界面に付着切れが形成された合成床版における打撃音に相当する信号を除去した包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図であり、（Ｃ）は界面に模擬空洞が形成された合成床版における打撃音に相当する信号を除去した包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図である。 （Ａ）は界面に付着切れが形成された合成床版の周波数解析結果を示す図であり、（Ｂ）は界面に１辺が１００ｍｍの模擬空洞が形成された合成床版の周波数解析結果を示す図であり、（Ｃ）は界面に１辺が２００ｍｍの模擬空洞が形成された合成床版の周波数解析結果を示す図である。 界面に模擬空洞が形成された合成床版の周波数解析結果を示す図である。 （Ａ）は８ｍｍの厚さの底鋼板の界面に模擬空洞が形成された合成床版の周波数解析結果を示す図であり、（Ｂ）は６ｍｍの厚さの底鋼板の界面に模擬空洞が形成された合成床版の周波数解析結果を示す図である。 （Ａ）は底鋼板とコンクリートとの界面に模擬空洞が形成された合成床版の概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のXIV-XIV線に沿う断面図である。 （Ａ）はコンクリートを打設する前の底鋼板における打撃音に相当する信号を除去した包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図であり、（Ｂ）はフレッシュコンクリートが完全に充填された合成床版における打撃音に相当する信号を除去した包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る複合構造体の界面検査装置の概略構成図である。界面検査装置１０は、例えば橋梁の桁上部に設けられた、底鋼板（金属板）２とコンクリート（セメント複合材）４とからなる合成床版（複合構造体）６の界面８の状態を検査するための装置である。なお、コンクリート４には、硬化したコンクリートに限られず、硬化する前のフレッシュコンクリートをも含んでいる。

界面検査装置１０は、ハンマー（振動発生手段）１２、マイクロホン（受信手段）１４、フード１６、演算装置（包絡線検波手段、界面状態判定手段）１８、及びモニタ２０を備えている。
ハンマー１２は、底鋼板２に振動を加えることができればよく、例えば鉄ハンマー、プラスチックハンマー、ゴムハンマー、木ハンマー等が挙げられる。

マイクロホン１４は、ハンマー１２から離れた位置に配置され、マイクロホン１４の位置に伝わった合成床版６内を伝搬する振動を音として採取し、電気信号に変換して演算装置１８へ入力する。詳しくは、合成床版６内を伝搬した振動は、ハンマー１２の打撃位置から離間した位置に配置されたマイクロホン１４に伝わり、マイクロホン１４と底鋼板２との間の空気を振動させる。この空気振動を音としてマイクロホン１４で採取する。
マイクロホン１４はフード１６で覆われており、フード１６を底鋼板２に接触させることで、外部の音を遮断してノイズを低減することが可能となる。

演算装置１８は、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという）２２、及びＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ２４を含んで構成されている。メモリ２４には各プログラムが格納されており、ＣＰＵ２２がこれらのプログラムを実行することによって、合成床版６の界面８の状態の検査が行われる。
演算装置１８には出力装置としてモニタ２０が接続されており、例えばマイクロホン１４で採取した信号波形をモニタ２０に出力するようにしてもよい。図示しないが、演算装置１８は、キーボード等の入力装置を有していてもよく、例えばパーソナルコンピュータであってもよい。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る複合構造体の界面検査方法の第１実施形態について説明する。第１実施形態において、コンクリート４は硬化したコンクリートである。
図２は、本発明の第１実施形態に係る界面検査方法のフローチャートを示しており、図３（Ａ）はマイクロホン１４で採取した音の測定波形、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示した測定波形から取り出した包絡線の信号波形、図３（Ｃ）は図３（Ｂ）に示す打撃音に相当する信号を除去した包絡線を曲線近似した減衰曲線の図、図３（Ｄ）は図３（Ｃ）を時間軸方向に拡大した図をそれぞれ示している。以下図２、図３に基づいて説明する。なお、以下に説明するステップＳ２以降の各処理は、演算装置１８で行われる。

ステップＳ１では、底鋼板２にハンマー１２で打撃を加え、合成床版６内を伝搬した振動を音としてマイクロホン１４で採取し、採取した振動を電気信号に変換して演算装置１８に入力する。マイクロホン１４で採取された音は、例えば図３（Ａ）に示すような測定波形として演算装置１８に入力される。なお、図３（Ａ）に示す測定波形は、界面８の状態が健全である場合の測定波形を示している。

ステップＳ２では、上記ステップＳ１で取得した測定波形に包絡線検波を行い、包絡線を取り出す。取り出された包絡線は、例えば図３（Ｂ）に示すような信号波形となる。
ステップＳ３では、上記ステップＳ１でハンマー１２が底鋼板２に加えた打撃音に相当する信号波形を除去する。打撃音に相当する信号波形は、図３（Ｂ）に示すように時間軸方向で見ると、測定を開始してから最初に現れる最大の振幅を有する信号波形として現れる。従って、上記ステップＳ１で音の採取を開始した測定開始時間、即ち０秒から最大振幅が現れる時点までの時間幅ｄＴに含まれる信号波形を除去する。これにより、打撃音の影響を包絡線から除去できるので、検査精度を向上させることが可能となる。

ステップＳ４では、上記ステップＳ３で打撃音に相当する信号波形を除去した包絡線を曲線近似し、減衰パラメータ（減衰係数）を求める。詳しくは図３（Ｃ）に示すように、打撃音に相当する信号波形を除去した包絡線において、少なくとも減衰開始から減衰終了までの間に含まれる包絡線を指数関数で曲線近似し、近似した曲線を減衰曲線とする。この減衰曲線は以下の式（１）のように定義される。
ｙ＝Ａｅ^-(x-x0)/t ・・・（１）
上記式（１）では、Ａは指数関数の係数、ｘは音の採取を開始してからの変化量、ｔは時間をそれぞれ示している。この時間ｔは指数関数の変化量ｘに対する係数であり、時間ｔは上記式（１）の減衰曲線の減衰特性を表しているので、時間ｔを減衰パラメータとして用いる。ｘ₀は音の採取を開始してから減衰開始位置までの変化量であるのがよいが、ｘ₀は上記時間幅ｄＴ相当量で代用してもよい。なお、包絡線において減衰開始とは、減衰が終了している時点から包絡線を時間軸方向に溯っていくと包絡線の振幅は略等増幅していくが、この略等増幅していく等増幅線の変曲点となる時点のことである。

ステップＳ５では、上記ステップＳ４で求めた減衰開始から減衰終了までの減衰パラメータｔが第１の閾値未満か否かを判定する。ここで第１の閾値とは、界面８の状態が不健全、即ち付着切れまたは空洞が存在すると判定される値である。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、上記ステップＳ４で求めた減衰パラメータｔは第１の閾値未満であるとして、ステップＳ６へ進む。
ステップＳ６では、上記ステップＳ４で求めた減衰パラメータｔが第１の閾値未満なので、界面８の状態は健全であると判定して、本フローチャートを終了する。

一方、上記ステップＳ５の判定結果が偽（Ｎｏ）である場合、上記ステップＳ４で求めた減衰パラメータｔは第１の閾値以上であり、界面８に付着切れまたは空洞が存在するとしてステップＳ７へ進む。
ステップＳ７では、上記ステップＳ４で求めた減衰パラメータｔが第２の閾値未満か否かを判定する。ここで第２の閾値とは、上述した第１の閾値より大きく、且つ底鋼板２とコンクリート４との界面８で空洞が存在していると判定される値である。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、減衰パラメータｔは第２の閾値未満としてステップＳ８へ進む。
ステップＳ８では、上記ステップＳ４で求めた減衰パラメータｔが第１の閾値以上であり、且つ第２の閾値未満なので、底鋼板２とコンクリート４との界面８で付着切れが生じていると判定して、本フローチャートを終了する。

一方、上記ステップＳ７の判定結果が偽（Ｎｏ）である場合、上記ステップＳ４で求めた減衰パラメータｔは第２の閾値以上であるとしてステップ９へ進む。
ステップＳ９では、減衰パラメータｔは第２の閾値以上であるので、底鋼板２とコンクリート４との界面８には空洞が存在すると判定して、本フローチャートを終了する。

このように、本実施形態では、底鋼板２にハンマー１２で打撃を加え、マイクロホン１４で測定した測定波形の包絡線を取り出し、打撃音に相当する信号波形を除去した包絡線を曲線近似して求めた減衰パラメータｔに基づいて、界面８の状態を識別する。
従って、界面８の状態の識別は合成床版６の大きさに依存しないので、界面８の検査精度を向上させることができる。また上記式（１）で表される指数関数の変化量ｘに対する係数となる時間ｔを減衰パラメータとすることにより、界面８の状態に応じて減衰曲線の減衰パラメータｔも変わるので、減衰パラメータｔに基づいて界面８の状態を識別することができる。また、空洞が存在していると判定される第２の閾値を用いて判定することにより、界面８の状態の健全／不健全だけでなく、不健全の状態が付着切れなのか、空洞が存在するのか、ということも識別可能となる。

＜第１実施形態の変形例＞
次に、上記第１実施形態の変形例について以下に説明する。本変形例は、上記第１実施形態に対して減衰パラメータとして減衰時間を用いる点が異なっており、その他の構成については共通しているので説明を省略する。

図４は、打撃音に相当する信号を除去した包絡線を指数関数で曲線近似した減衰曲線を示す図である。この減衰曲線における減衰パラメータは、振幅の大きさが、包絡線における最大振幅Ａｍの１／α₁（第１の振幅）から１／α₂（第２の振幅、ここでα₁、α₂は１以上の実数であり、α₁＜α₂である）に減衰するまでに要する減衰時間Ｔで表される。この減衰時間Ｔを減衰パラメータとする場合、上記ステップＳ５で利用する第１の閾値は界面８の状態が不健全であると判定される減衰時間となり、上記ステップＳ７で利用する第２の閾値は界面８の状態が空洞ありと判定される減衰時間となる。この減衰時間Ｔを用いて界面８の状態を識別する。

合成床版６に打撃を加えてから、打撃による振動が減衰し始めるまでには若干時間を要する。このため、上記ステップＳ３で打撃音に相当する信号波形を包絡線から除去しても、減衰が開始するまでの間の信号波形が残ってしまうことがある。そこで包絡線における最大振幅Ａｍの１／α₁となる振幅が、合成床版６に加えられた振動の減衰開始以降の時間に対する減衰曲線の振幅となるような値をα₁に設定するのが好ましい。これにより、検査精度をより向上させることが可能となる。またα₂は、α₁の値より大きければよいが、最大振幅Ａｍの１／α₂となる振幅が例えば振動の減衰が終了する近傍における振幅となるような値に設定するようにしてもよい。
これにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について以下に説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してさらに包絡線を周波数解析する点が異なっており、その他の構成については共通しているので説明を省略する。

図５は、本実施形態に係る界面検査方法のフローチャートである。以下、同フローチャートに基づいて説明する。なお、本フローチャートのステップＳ１１〜Ｓ１６は、上記第１実施形態のステップＳ１〜Ｓ６と共通しているので、簡単に説明する。

ステップＳ１１では、底鋼板２にハンマー１２で打撃を加え、合成床版６内を伝搬した振動を音としてマイクロホン１４で採取し、採取した振動を電気信号に変換して演算装置１８に入力する。
ステップＳ１２では、上記ステップＳ１１で取得した測定波形に包絡線検波を行い、包絡線を取り出す。
ステップＳ１３では、上記ステップＳ１１でハンマー１２が底鋼板２に加えた打撃音に相当する信号波形を除去する。

ステップＳ１４では、上記ステップＳ１３で打撃音に相当する信号波形を除去した包絡線を曲線近似し、減衰パラメータ（減衰係数）を求める。
ステップＳ１５では、上記ステップＳ１４で求めた減衰開始から減衰終了までの減衰パラメータｔが第１の閾値未満か否かを判定する。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、上記ステップＳ１４で求めた減衰パラメータｔは第１の閾値未満であるとして、ステップＳ１６へ進む。
ステップＳ１６では、上記ステップＳ１４で求めた減衰パラメータｔが第１の閾値未満なので、界面８の状態は健全であると判定して、本フローチャートを終了する。

一方、上記ステップＳ１５の判定結果が偽（Ｎｏ）である場合、上記ステップＳ１４で求めた減衰パラメータｔは第１の閾値以上であり、界面８に付着切れまたは空洞が存在するとしてステップＳ１７へ進む。
ステップＳ１７では、上記ステップＳ１３で打撃音に相当する信号波形を除去した信号波形に対して周波数解析を行う。信号波形を周波数解析することによって、周波数に対する振幅特性の信号波形が得られる。また、信号波形における波数に応じた周波数分布を容易に把握することができる。

ステップＳ１８では、上記ステップＳ１７で行った周波数解析結果の周波数分布に基づいて、振幅が現れている周波数帯域が広帯域か狭帯域かのいずれかを判定する。当該判定結果が狭帯域の場合には、特定の周波数帯域に振幅が現れているとして、ステップＳ１６へ進む。なお、本ステップ以降で述べる振幅とは、界面８の状態が健全または不健全と判定される大きさの振幅である。また、本ステップの狭帯域とは、周波数分布において限定された範囲にのみ振幅が現れている状態のことであり、例えばその幅が０．５ｋＨｚ未満の周波数帯域である。また、本ステップの広帯域とは、周波数分布において広範囲にわたり振幅が現れている状態のことであり、その幅が０．５ｋＨｚ以上、例えば４〜５ｋＨｚにわたる周波数帯域である。

ステップＳ１９では、上記ステップＳ１７で得られた周波数分布における振幅の現れている周波数帯域は狭帯域なので、界面８に空洞が存在すると判定して本フローチャートを終了する。
底鋼板２とコンクリート４との界面８に空洞が存在する場合、上記ステップＳ１２で得られる信号波形の波数は後述する付着切れが存在する場合の波数と比べて多くなるため、特定の周波数帯域に鋭い振幅が現れることになる。

一方、上記ステップＳ１８で広帯域と判定された場合には、上記ステップＳ１７で行った周波数解析結果の周波数分布は広帯域に分布しているとして、ステップＳ２０へ進む。
ステップＳ２０では、周波数分布が広帯域に分布しているので、界面８は付着切れの状態であると判定して本フローチャートを終了する。

底鋼板２とコンクリート４との界面８に付着切れが存在する場合、上記ステップＳ１２で得られる信号波形での波数は、界面８が健全である場合や空洞が存在する場合と比べて少なくなる。また、界面８に付着切れが存在する場合の合成床版６に打撃を加えると、付着切れが存在する界面８では底鋼板２とコンクリート４との接触面で複雑な振動が発生する。このため、周波数解析を行った結果の信号波形は、界面８が健全である場合や空洞が存在する場合と比べて幅広い帯域に目立った振幅が出現することになる。

このように本実施形態では、底鋼板２にハンマー１２で打撃を加え、マイクロホン１４で測定した測定波形から打撃音に相当する信号波形を除去し、その信号波形に対して周波数解析を行い、周波数に対する振幅特性に基づいて界面８の状態を判定する。

このように、上記第２実施形態では、減衰パラメータを用いて界面８の状態を識別し、さらに周波数解析を行った周波数に対する振幅特性に基づいて界面８の状態を識別し、減衰パラメータと周波数解析を行った結果とを併せて用いて界面８の状態を識別するようにしており、これにより、検査精度をより向上させることが可能となる。なお、減衰パラメータによる判定及び周波数解析による判定の実施順序は、必ずしも図５に示した順序である必要はないことは言うまでもない。即ち、先に周波数解析を行い、周波数分布に基づいて空洞が存在すると判定された場合に測定波形に対して減衰パラメータによる判定を行い、界面８に空洞が存在するのか、複合構造体全体の振動を拾っているだけで界面８は健全な状態であるのかを判定してもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について以下に説明する。本実施形態は、第１及び第２実施形態に対し、硬化する前のフレッシュコンクリートに本発明を適用する点が異なっており、その他の構成については共通しているので説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る界面検査方法のフローチャートである。以下、同フローチャートに基づいて説明する。なお、本フローチャートのステップＳ２１〜Ｓ２４は、上記第１及び第２実施形態のステップＳ１〜Ｓ４或いはステップＳ１１〜Ｓ１４と共通しているので、説明を省略する。

ステップＳ２５では、ステップＳ２４で求めた減衰開始から減衰終了までの減衰パラメータｔが第３の閾値未満か否かを判定する。ここで第３の閾値とは、界面８の状態が不健全、即ちフレッシュコンクリートが充填されておらず未充填と判定される値である。当該判定結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、上記ステップＳ２４で求めた減衰パラメータｔは第３の閾値未満であるとして、ステップＳ２６へ進む。
ステップＳ２６では、上記ステップＳ２４で求めた減衰パラメータｔが第３の閾値未満なので、界面８の状態は健全であり、フレッシュコンクリートが充填されていると判定して、本フローチャートを終了する。

一方、上記ステップＳ２５の判定結果が偽（Ｎｏ）である場合、上記ステップＳ２４で求めた減衰パラメータｔは第３の閾値以上であるので、ステップＳ２７へ進み、界面８は不健全であり、フレッシュコンクリートが未充填と判定して、本フローチャートを終了する。
このように、本実施形態では、底鋼板２にハンマー１２で打撃を加え、マイクロホン１４で測定した測定波形の包絡線を取り出し、打撃音に相当する信号波形を除去した包絡線を曲線近似して求めた減衰パラメータｔに基づいて、コンクリートの打設後、硬化する前のフレッシュコンクリートからなる合成床版（複合構造体）６において、フレッシュコンクリートが充填されているか、或いは未充填であるかを識別することが可能である。

なお、第３実施形態の変形例として、上記第１実施形態の変形例と同様に上記第３実施形態に対し減衰パラメータとして減衰時間を用いるようにしてもよい。
ところで、上記各実施形態において、界面検査装置１０をハンマー１２で自動的に打音を発生させる装置として構成するようにしてもよく、さらにハンマー１２とマイクロホン１４を一体に備えて構成するようにしてもよい。即ち、例えば、図７に示すような、ハンマー１２とマイクロホン１４とを一体にしたような界面検査ユニット１１０を用いるようにしてもよい。

界面検査ユニット１１０は、自動的に底鋼板２に打撃を加えて打音を発生させるソレノイドハンマーユニット（振動発生手段）１１２、マイクロホン（受信手段）１１４、ソレノイドハンマーユニット１１２の作動を制御する打撃制御ユニット１１３、マイクロホン１１４で採取した音を電気信号に変換するＡ／Ｄユニット１１５、バッテリ１１９、打撃制御ユニット１１３及びＡ／Ｄユニット１１５と演算装置１８との電気信号の入出力を行う通信コネクタ１１７、打撃を実施するための打撃スイッチ１２０を備えて構成されている。

ソレノイドハンマーユニット１１２は、電磁ソレノイド１１２ｂに通電することでハンマー本体１１２ａを電磁ソレノイド１１２ｂ内でハンマー本体１１２ａの軸線方向に振動させて底鋼板２に打撃を加えるよう構成されており、例えば演算装置１８から打撃制御ユニット１１３へ送信する指令信号に応じて打撃力や打撃回数等が可変操作される。
なお、ハンマー本体１１２ａの先端部は対象物に応じて取り替えることが可能で、例えば通常プラスチックハンマーを使用する場合に対して本装置を使用する場合には、樹脂部材１１２ｃを取り付ける。

マイクロホン１１４はフード１１６で覆われており、フード１１６についても、底鋼板２に接触させることで、外部の音を遮断してノイズを低減可能である。
また、界面検査ユニット１１０には、界面検査ユニット１１０を底鋼板２に押し当てるべくハンドル１１１が設けられている。
底鋼板２に対向する面には、マグネット１２２を設けるのがよく、マグネット１２２で界面検査ユニット１１０を底鋼板２に固定することで作業性の向上を図ることが可能である。

また、上記各実施形態では、合成床版６を振動させる方法としてハンマーを用いて底鋼板２に打撃を加える打音法について説明したが、これに限られず、音響法や鉄球等により振動を加える手段や超音波等による弾性波法等を用いてもよい。
さらに、上記各実施形態では、底鋼板２とコンクリート４とからなる合成床版６を例として説明しているが、コンクリート４はセメント複合材であれば例えばモルタルでもよく、この場合であっても本発明の界面検査方法及び装置を適用可能である。

以下、本発明について実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
本発明に係る界面検査装置１０を用いて、上記第１実施形態で説明した界面検査方法を実施し、合成床版６の界面８の健全状態の検査を行った。
本実施例で行う界面検査方法の概略図を図８、図９に示す。図８は、界面８が健全状態の合成床版６、または付着切れ（図示せず）が生じている状態の合成床版６ａに対して界面検査方法を示す概略図である。図９は、界面８に空洞９が存在する合成床版６ｂに対して界面検査方法を示す概略図である。付着切れとは、底鋼板２とコンクリート４との接触が剥がれてしまい、底鋼板２上にコンクリート４が載っている状態のことである。

図８において、合成床版６の底鋼板２に、ハンマー１２の打撃位置から離間する位置にマイクロホン１４を配置し、ハンマー１２で打撃を加えて界面８の検査を行った。また、合成床版６ａには、底鋼板２とコンクリート４との界面８に、一辺の長さが２００ｍｍの付着切れ（図示せず）を形成し、ハンマー１２の打撃位置から離間した位置にマイクロホン１４を配置している。この合成床版６ａの付着切れが存在する位置に対してハンマー１２で打撃を加え、界面８の検査を行った。なお、マイクロホン１４とハンマー１２との打撃位置は、界面８の状態を十分に取得できるよう、検出対象の大きさ以内に収まるような位置関係に設定することが望ましい。

また、図９において、合成床版６ｂには、底鋼板２とコンクリート４との界面８に、１辺の長さＷが２００ｍｍ、高さｄが１０ｍｍの模擬空洞９を形成し、ハンマー１２の打撃位置から離れた位置にマイクロホン１４を配置して、模擬空洞９が形成された位置に対してハンマー１２で打撃を加え、界面８の検査を行った。合成床版６、６ａ、６ｂで用いた底鋼板２の板厚ｈは８ｍｍのものを使用した。

結果を上記図３（Ｂ）、（Ｄ）、図１０、図１１に示す。図３（Ｂ）、（Ｄ）は、界面８が健全な状態である場合の信号波形をそれぞれ示している。図１０（Ａ）は界面８に付着切れが形成された合成床版６ａの測定波形から取り出した包絡線を示す図であり、図１０（Ｂ）はハンマー１２により底鋼板２に加えられた打撃に相当する信号を図１０（Ａ）の包絡線から除いた包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図である。図１１（Ａ）は界面８に模擬空洞９が形成された合成床版６ｂの測定波形から取り出した包絡線を示す図であり、図１１（Ｂ）はハンマー１２により底鋼板２に加えられた打撃に相当する信号を図１１（Ａ）の包絡線から除いた包絡線及びこの包絡線を曲線近似した減衰曲線を示す図である。なお、図１１（Ｂ）の減衰曲線は、測定波形の包絡線とほぼ重なり合っている。

図３（Ｄ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）にそれぞれ示すように、界面８の状態が健全である図３（Ｄ）の減衰曲線は、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）と比べて、合成床版６に加えられた振動が減衰する速度が速いことが判る。そして、界面８に模擬空洞９が形成された場合の図１１（Ｂ）の減衰曲線は、図３（Ｄ）、図１０（Ｂ）の減衰曲線と比べて減衰する速度が遅いことが判る。また、上記式（１）で表されるそれぞれの減衰曲線の減衰パラメータｔは、界面８が健全状態である場合には約１．７６ｍｓ、界面８が付着切れの場合には約３．３７ｍｓ、界面８に模擬空洞９が存在する場合には約５３．５９ｍｓとなっている。このように、包絡線を曲線近似した減衰曲線の減衰パラメータｔは、界面８の状態が健全である場合に最も小さい値となり、界面８に空洞が存在する場合に最も大きな値となることが判る。

従って、図３（Ｄ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）は、減衰曲線の減衰パラメータｔに基づいて、底鋼板２とコンクリート４との界面８の状態を識別することが可能であることを示している。このように、本発明の第１実施形態に係る界面検査方法を用いて底鋼板２とコンクリート４との界面８の検査を行うことで、界面８の健全状態を容易に識別することが可能であることが判る。

＜実施例２＞
本発明に係る界面検査装置１０を用いて、上記第１実施形態の変形例に係る界面検査方法を実施し、合成床版６、６ａ、６ｂにおける界面８の健全状態の検査を行った。なお、本実施例では、検査対象、構成、及び検査条件は上述した実施例１と同様である。

結果を図１２（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図１２（Ａ）は界面８の状態が健全である合成床版６から取得した包絡線を曲線近似した結果を示す図であり、図１２（Ｂ）は界面８に付着切れが形成された合成床版６ａから取得した包絡線を曲線近似した結果を示す図であり、図１２（Ｃ）は界面８に模擬空洞９が形成された合成床版６ｂから取得した包絡線を曲線近似した結果を示す図である。なお、図１２（Ａ）〜（Ｃ）では、打撃に相当する信号波形が除去された包絡線を用いている。

図１２（Ａ）〜（Ｃ）ではα₁を３、α₂を５０として、振幅が、それぞれの最大振幅Ａｍの１／３となる時点から、最大振幅Ａｍの１／５０となる時点までの減衰時間Ｔをそれぞれ求めた。図１２（Ａ）では減衰時間Ｔ：約４ｍｓ、図１２（Ｂ）では減衰時間Ｔ：約１５ｍｓ、図１２（Ｃ）では減衰時間Ｔ：約１５０ｍｓであった。このように、界面８の状態が健全である場合の減衰時間Ｔが最も短くなり、界面８に空洞が存在する場合の減衰時間Ｔが最も長くなることが判る。

従って、図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、減衰曲線における最大振幅Ａｍの１／α₁から１／α₂となるまでの減衰時間Ｔに基づいて、底鋼板２とコンクリート４との界面８の状態を識別することが可能であることを示している。
このように、包絡線を曲線近似した減衰曲線において、振幅が最大振幅Ａｍの１／α₁から１／α₂となるまでの減衰時間Ｔに基づいて、界面８の健全状態を把握することが可能となることが判る。

＜実施例３＞
本発明に係る界面検査装置１０を用いて、上述した第２実施形態の界面検査方法を実施し、底鋼板２とコンクリート４とからなる合成床版６ａ、６ｂの界面８の健全状態の検査を行った。なお、本実施例では、１辺の長さＷが２００ｍｍ、高さｄが１０ｍｍの模擬空洞９を有する合成床版６ｂ、一辺の長さＷが１００ｍｍ、高さｄが１０ｍｍの模擬空洞９を有する合成床版６ｂを準備した点が異なり、他の構成及び検査条件は上述した実施例１と同様である。

結果を図１３（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図１３（Ａ）は界面８に付着切れが形成された合成床版６ａの周波数解析結果を示している。図１３（Ｂ）は界面８に１辺の長さが１００ｍｍの模擬空洞９が形成された合成床版６ｂの周波数解析結果を示しており、図１３（Ｃ）は界面８に１辺の長さが２００ｍｍの模擬空洞９が形成された合成床版６ｂの周波数解析結果を示している。

図１３（Ａ）に示すように、界面８に付着切れが形成されている場合には、幅広い周波数帯域に目立った振幅が現れている。また、図１３（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、界面８に模擬空洞９が形成されている場合、特定の周波数帯域に顕著な大きさの鋭い振幅が現れている。図１３（Ｂ）に示すように、模擬空洞９の１辺の長さが１００ｍｍの場合には３．５〜４ｋＨｚの周波数帯域に鋭い振幅が現れている。また図１３（Ｃ）に示すように、模擬空洞９の１辺の長さが２００ｍｍの場合には１．０〜１．５ｋＨｚの周波数帯域に顕著な大きさの鋭い振幅が現れている。

従って、図１３（Ａ）〜（Ｃ）から、周波数解析した結果の周波数分布において、界面８が健全または不健全でも顕著な大きさの鋭い振幅が現れるので、その振幅が現れる周波数帯域に基づいて界面８の状態を識別することが可能であることが判る。また、図１３（Ｂ）、（Ｃ）から、界面８に空洞が存在する場合には、顕著な大きさの鋭い振幅が現れる特定の周波数帯域は、空洞の大きさ、即ち空洞の辺の長さに依存していることが判る。

＜実施例４＞
本発明に係る界面検査装置１０を用いて、上述した第２実施形態の界面検査方法を実施し、界面８に形成された空洞の大きさと振幅が現れる周波数帯域との関係、及び底鋼板２の厚さと振幅が現れる周波数帯域との関係についてさらに調査した。なお、本実施例は、上記実施例１に対し、１辺の長さＷが２００ｍｍ、高さｄが１０ｍｍの模擬空洞９を有する合成床版６ｂ、１辺の長さＷが２００ｍｍ、高さｄが５０ｍｍの模擬空洞９を有する合成床版６ｂ、１辺の長さＷが１４０ｍｍ、高さｄが０．５ｍｍの模擬空洞９で板厚ｈが８ｍｍの底鋼板２を有する合成床版６ｂ、及び１辺の長さＷが１４０ｍｍ、高さｄが０．５ｍｍの模擬空洞９で板厚ｈが６ｍｍの底鋼板２を有する合成床版６ｂを準備した点が異なり、他の構成及び検査条件は上述した実施例１と同様である。

結果を上記図１３（Ｃ）、図１４、図１５に示す。図１４は界面８に１辺の長さが２００ｍｍの模擬空洞９が形成された合成床版６ｂの周波数解析結果を示している。図１５（Ａ）は板厚が８ｍｍの底鋼板２の界面８に１辺の長さＷが１４０ｍｍ、高さｄが０．５ｍｍの模擬空洞９が形成された合成床版６ｂの周波数解析結果を示す図であり、図１５（Ｂ）は図１５（Ａ）の底鋼板２の板厚ｈを６ｍｍに変えた合成床版６ｂの周波数解析結果を示す図である。

上記実施例３で示した図１３（Ｃ）と、図１４の周波数解析結果とを比較してみると、図１３（Ｃ）と図１４とでは模擬空洞９の高さｄが異なるだけであり、鋭い振幅が現れる周波数帯域は両方とも１．０〜１．５ｋＨｚの周波数帯域である。従って、鋭い振幅が現れる周波数帯域は、空洞の高さｄには依存していないことが判る。

次に図１５（Ａ）、（Ｂ）を比較してみると、底鋼板２の板厚ｈが８ｍｍの場合には、図１５（Ａ）に示すように２．０〜２．５ｋＨｚの周波数帯域に顕著な大きさの鋭い振幅が現れているが、底鋼板２の板厚ｈが６ｍｍの場合には、図１５（Ｂ）に示すように１．５〜２．０ｋＨｚの周波数帯域に顕著な大きさの鋭い振幅が現れている。このことから、鋭い振幅が現れる周波数帯域は、底鋼板２の板厚ｈに依存していることが判る。

図１３（Ｂ）、（Ｃ）や図１５（Ａ）、（Ｂ）から判るように、顕著な大きさの鋭い振幅が現れる周波数帯域は、空洞の辺の長さ、及び底鋼板２の厚さに依存している。これは、空洞の辺の長さ及び鋼板の厚さと、それに対する固有振動数の関係があるためである。
図１６（Ａ）は界面８に模擬空洞９が形成されている合成床版６ｂの概略図であり、図１６（Ｂ）は図１６（Ａ）のXIV-XIV線に沿う断面図であり、以下同図に基づいて説明する。

図１６（Ａ）に示すように、底鋼板２とコンクリート４との界面８には、辺の長さがそれぞれａ、ｂの模擬空洞９が形成されている。ここで、模擬空洞９が形成されている位置に相当する底鋼板２を、辺の長さがそれぞれａ、ｂの矩形板（図示せず）とした場合、図１６（Ｂ）に示すように、底鋼板２に加えられた打撃はこの矩形板の部分を振動させる。この矩形板の固有振動数ｆ［ｋＨｚ］は、以下の式（２）より求められる。

上記式（２）において、ａ：辺の長さ［ｍ］、ｈ：鋼板の厚さ［ｍ］、ρ：単位体積当りの質量［ｋｇ／ｍ³］、Ｄ：板の曲げ剛性、λ：境界条件と振動モードによって決まる無次元の定数をそれぞれ示している。板の曲げ剛性Ｄは以下の式（３）で表される。
Ｄ＝Ｅｈ³／１２（１−ν²） ・・・（３）
ここで、Ｅ：縦弾性定数［Ｎ／ｍ²］、ν：ポアソン比をそれぞれ示している。

４辺単純支持の場合、ｍ、ｎを正の整数とすると、定数λは以下の式（４）より求められる。
λ＝ｍ²＋（ａ／ｂ）²ｎ² ・・・（４）
ここで、ｍ＝ｎ＝１とすると、定数λは以下の式（５）で表される。
λ＝１＋（ａ／ｂ）² ・・・（５）
また、空洞９が正方形の空洞であるとすると、辺の長さａ、ｂはａ＝ｂとなり、これを上記式（５）に代入した以下の式（６）により定数λが求められる。
λ＝１＋（ａ／ａ）²＝２ ・・・（６）
従って、固有振動数ｆは、定数λを上記式（２）に代入した以下の式（７）より求められる。

上記式（７）より、固有振動数ｆが鋼板の厚さｈ及び空洞の辺の長さａに依存していることが判る。
ここで、上記式（７）を用いて、本実施例で説明した図１５（Ａ）、（Ｂ）で用いた合成床版６ｂの固有振動数ｆを求める。なお、縦弾性定数Ｅ＝２１０Ｇ［Ｎ／ｍｍ²］、ポアソン比ν＝０．３として計算した。

図１５（Ａ）で用いた合成床版６ｂは、底鋼板２の板厚ｈ＝８ｍｍ、模擬空洞９の１辺の長さａ＝１４０ｍｍであり、これらを上記式（７）に代入して求めた固有振動数ｆは、ｆ≒２ｋＨｚとなる。図１５（Ａ）では、約２．２５ｋＨｚに顕著な大きさの振幅が現れており、上記式（７）から逆算して空洞の１辺の長さａを求めると、ａ＝１３２ｍｍとなり、空洞の中心から左右のずれは各４ｍｍであった。この場合、１辺の長さａの推定誤差は５．７％となる。

また、図１５（Ｂ）で用いた合成床版６ｂは、底鋼板２の板厚ｈ＝６ｍｍ、模擬空洞９の１辺の長さａ＝１４０ｍｍであり、これらを上記式（７）に代入して求めた固有振動数ｆは、ｆ≒１．５ｋＨｚとなる。図１５（Ｂ）では、約１．７５ｋＨｚに顕著な大きさの振幅が現れており、上記式（７）から逆算して空洞の１辺の長さａを求めると、ａ＝１３０ｍｍとなり、空洞の中心から左右のずれは各５ｍｍであった。この場合、１辺の長さａの推定誤差は７．１％となる。
従って、周波数解析を行って得られた顕著な大きさの鋭い振幅が現れる周波数帯域から、空洞の大きさを精度よく推定することが可能であることが判る。

＜実施例５＞
本発明に係る界面検査装置１０を用いて、上記第３実施形態に係る界面検査方法を実施し、底鋼板２とフレッシュコンクリートからなる合成床版６における界面８の健全状態の検査を行った。ここでは、コンクリートを打設する前の底鋼板２とコンクリートを打設した後のフレッシュコンクリートが完全に充填された合成床版６とを比較した。なお、本実施例でも、構成及び検査条件は上述した実施例１と同様である。

結果を図１７（Ａ）、（Ｂ）に示す。図１７（Ａ）はコンクリートを打設する前の底鋼板２から取得した包絡線を曲線近似した結果を示す図であり、図１７（Ｂ）はフレッシュコンクリートが完全に充填された合成床版６から取得した包絡線を曲線近似した結果を示す図である。なお、図１７（Ａ）、（Ｂ）においても、打撃に相当する信号波形が除去された包絡線を用いている。

図１７（Ａ）に示すように、コンクリートを打設する前の底鋼板２の減衰曲線では、合成床版６に加えられた振動が減衰する速度が非常に遅いことが判る。そして、図１７（Ｂ）に示すように、フレッシュコンクリートが完全に充填された合成床版６では、振動が減衰する速度が速いことが判る。この場合、上記式（１）で表されるそれぞれの減衰曲線の減衰パラメータｔは、コンクリートを打設する前の底鋼板２では約６３．４３ｍｓ、フレッシュコンクリートが完全に充填された合成床版６では約６．０８ｍｓである。

従って、図１７（Ａ）、（Ｂ）は、減衰曲線の減衰パラメータｔに基づいて、底鋼板２とフレッシュコンクリートからなるコンクリート４との界面８の状態を識別することが可能であることを示している。減衰曲線の減衰パラメータｔにおいて第３の閾値を約６３．４３ｍｓよりも小さく約６．０８ｍｓよりも大きな値に設定することで、この第３の閾値より小さければ、フレッシュコンクリートは充填されていると判定でき、この第３の閾値以上であれば、フレッシュコンクリートは未充填と判定することができる。

２ 底鋼板（金属板）
４ コンクリート
６ 合成床版（複合構造体）
８ 界面
１０ 界面検査装置
１２ ハンマー（振動発生手段）
１４ マイクロホン（受信手段）
１８ 演算装置（包絡線検波手段、界面状態判定手段）
１１０ 界面検査ユニット
１１２ ソレノイドハンマーユニット（振動発生手段）
１１４ マイクロホン（受信手段）

Claims (7)

1. セメント複合材と金属板とからなる複合構造体に振動を発生させる振動発生手段により振動を加え、前記複合構造体内を伝搬する振動を受信手段で受信して信号波形を取得する工程と、
   取得した信号波形に対して包絡線検波を行い、包絡線を取得する工程と、
   取得した包絡線のうち、減衰が開始する時点から減衰が終了するまでの間に含まれる包絡線を減衰曲線とし、前記減衰曲線における減衰特性を表す減衰係数に基づいて前記複合構造体の界面の状態を判定する工程と、
   を有することを特徴とする複合構造体の界面検査方法。
2. 前記包絡線を取得する工程は、前記振動発生手段により加えられた振動に相当する信号波形を前記包絡線から除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の複合構造体の界面検査方法。
3. 前記振動に相当する信号波形を除去する工程では、前記複合構造体内を伝搬する振動を前記受信手段で受信を開始した受信開始時間から、前記包絡線における振幅が最大となる時間までに含まれる信号波形を除去することを特徴とする請求項２に記載の複合構造体の界面検査方法。
4. 前記減衰係数は、前記減衰曲線における指数関数の変数に対する係数であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合構造体の界面検査方法。
5. 前記減衰係数は、前記減衰曲線の振幅が、前記包絡線での減衰が開始する時間以降における前記減衰曲線の振幅となる第１の振幅から、前記第１の振幅よりも小さい前記減衰曲線における第２の振幅となるまでの時間幅であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合構造体の界面検査方法。
6. さらに、取得した信号波形に対して周波数解析を行い、周波数に対する振幅特性の信号波形を取得する工程と、
   周波数解析をして得られた信号波形における、振幅が出現している周波数帯域と、その周波数帯域における振幅の大きさとに基づいて前記複合構造体の界面の状態を判定する工程と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複合構造体の界面検査方法。
7. セメント複合材と金属板とからなる複合構造体に振動を発生させる振動発生手段と、
   前記振動発生手段により前記複合構造体に振動が加えられ、前記複合構造体内を伝搬する振動を受信して信号波形を取得する受信手段と、
   前記受信手段で取得した信号波形から包絡線を取得する包絡線検波手段と、
   取得した包絡線のうち、減衰が開始する時点から減衰が終了するまでの間に含まれる包絡線を減衰曲線とし、前記減衰曲線における減衰特性を表す減衰係数に基づいて前記複合構造体の界面の状態を判定する界面状態判定手段と、
   を備えることを特徴とする複合構造体の界面検査装置。

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