JP2014139513A - Non-contact acoustic inspection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コンクリ−ト構造物の内部欠陥検出などに利用される固体内部の振動検査装置に関するものである。 The present invention relates to a vibration inspection apparatus for solids used for detecting internal defects in concrete structures.
近年、コンクリ−ト構造物の劣化が問題になっており、その内部の診断が必要とされている。従来、コンクリ−ト内部の診断手法として、超音波を利用する方法が種々提案されてきた。 In recent years, deterioration of concrete structures has become a problem, and the diagnosis inside is necessary. Conventionally, various methods using ultrasonic waves have been proposed as diagnostic methods inside the concrete.
特許文献1には、エア−シリンダを使用したハンマでコンクリ−ト製品を軽打し、この時発生する音波の音圧レベルを騒音計で検出して良品か欠陥品かを判別する方法が開示されている。
また、特許文献2には、コンクリ−ト構造物の内部に、鋼球を所定の高さから被検査対象物の表面に落下させることによって超音波を入射し、伝搬する超音波をこの構造物の表面に接触させた加速度計を用いて受信し、この受信した超音波の周波数スペクトルを分析することによってコンクリ−ト構造物内部における空洞発生の有無を検査する方法が開示されている。
Further, in
しかし、これらの方法によると、検査対象物に接触して計測する必要がある。 However, according to these methods, it is necessary to make a measurement in contact with the inspection object.
一方、接近する必要の無い非接触検査法として、特許文献3による、超音波を使用する方法がある。
On the other hand, as a non-contact inspection method which does not need to approach, there is a method using ultrasonic waves according to
この方法は、遠方から、超音波により検査対象物を加振し、加振された欠陥部の振動を、遠方において、光学的に検出する検査手法である。 This method is an inspection method in which an object to be inspected is vibrated with ultrasonic waves from a distance, and vibrations of the vibrated defect portion are optically detected at a distance.
しかし、この特許文献3による超音波加振においては、加振するために使用する超音波の周波数が、欠陥部の共振周波数よりも高いため、周波数帯域の異なる対象物の振動を励起することは困難となる。
However, in the ultrasonic vibration according to
また、接近する必要の無い非接触検査法として、発明者らによる非特許文献1による方法も知られている。
In addition, as a non-contact inspection method that does not need to approach, a method according to Non-Patent
この方法は、遠方から音波により非検査対象物を加振し、印加された対象物の振動を、遠方から、光学的に検出する検査手法もある。 This method also includes an inspection method in which a non-inspection object is vibrated from a distance with a sound wave, and vibration of the applied object is optically detected from a distance.
しかし、この非特許文献1方法においては、加振用の強力な音波が、光学検出系へ直接入射し、妨害振動として対象物の振動検出を阻害するため、非接触音響検査法の欠陥部検出能力が大幅に低下することとなる。
However, in this method of Non-Patent
また、この非特許文献1方法においては、加振用の強力な可聴周波数音波が、周囲環境へ拡散し、甚大な騒音被害を与えることとなる。
Further, in this method of Non-Patent
一方、1次音波として高い周波数の超音波を送波した場合に、音波伝搬媒体の非線形性により形成される、低い周波数の2次音波の基本特性については非特許文献2に開示されている。
On the other hand, Non-Patent
また、収束音波を1次音波とする場合に形成される、この2次音波の音場分布特性も非特許文献3に開示されている。
Further, Non-Patent
しかし、このような、超音波を送波し、形成される2次音波を利用する非接触音響検査法は知られていない。 However, such a non-contact acoustic inspection method that transmits ultrasonic waves and uses the formed secondary sound waves is not known.
従って、本発明の目的は、光学検出系へ直接入射する加振音波による種々の悪影響を除去し、非接触音響検査法における、欠陥部検出性能を向上させることにある。 Accordingly, an object of the present invention is to eliminate various adverse effects caused by the excitation sound wave directly incident on the optical detection system and to improve the defect detection performance in the non-contact acoustic inspection method.
本発明は、限局した空間に強力な超音波音場を形成し、当該強力超音波音場により対象位置近傍のみに形成される音響放射力により対称物を加振し、励起された対象物の振動を、遠方から光学的に検出する検査手法である。 The present invention forms a strong ultrasonic sound field in a limited space, vibrates a symmetrical object with an acoustic radiation force formed only near the target position by the strong ultrasonic sound field, and This is an inspection method for optically detecting vibration from a distance.
このような、対象位置近傍のみに形成される音響放射力により対称物を加振する構成によると、光学検出系へ直接入射する直達波の強度が低下し、光学検出系に与える加振音波による悪影響が解消される According to such a configuration in which the symmetrical object is vibrated by the acoustic radiation force formed only in the vicinity of the target position, the intensity of the direct wave directly incident on the optical detection system is reduced, and due to the excitation sound wave applied to the optical detection system Adverse effects are resolved
また、本発明における、超音波の音場特性から、限局された部位に対する局所検査も可能とする。 Moreover, the local inspection with respect to the limited site | part is also attained from the sound field characteristic of an ultrasonic wave in this invention.
本発明によると、超音波による照射領域の限局により、周囲環境への騒音妨害が軽減される。 According to the present invention, noise interference to the surrounding environment is reduced by limiting the area irradiated by ultrasonic waves.
さらに、残響時間は周波数の2乗にて短くなることから、超音波を使用すると、トンネル内における検査等の、閉空間における作業環境の改善にも有効である。 Furthermore, since the reverberation time is shortened by the square of the frequency, the use of ultrasonic waves is effective in improving the working environment in a closed space such as inspection in a tunnel.
また、細い指向性幅内のみを加振することから、従来方式において問題となる、加振超音波の特定入射角における、加振不能現象は発生しないこととなる。 Further, since the vibration is applied only within the narrow directivity width, the phenomenon that the vibration cannot be generated at the specific incident angle of the vibration ultrasonic wave, which is a problem in the conventional method, does not occur.
同様に、細い指向性幅内のみを加振することから、従来方式において問題となる、床面反射成分との干渉による、加振不能現象は発生しないこととなる。 Similarly, since vibration is applied only within a narrow directivity width, a phenomenon incapable of excitation due to interference with the floor reflection component, which is a problem in the conventional method, does not occur.
さらに、強力超音波により形成される音響放射力は、超音波のエネルギー密度により与えられることから、音響放射力の周波数特性は、直流成分まで形成可能である。 Furthermore, since the acoustic radiation force formed by high-intensity ultrasonic waves is given by the energy density of the ultrasonic waves, the frequency characteristic of the acoustic radiation force can be formed up to a direct current component.
また、強力超音波により形成される音響放射力は、超音波音場の領域内のみに形成されることから、低周波数の音響放射力を狭い領域に限局させ形成することが可能となり、狭領域の低周波加振に特に有効となる。 In addition, since the acoustic radiation force generated by high-intensity ultrasonic waves is formed only in the region of the ultrasonic sound field, it can be formed by confining the low-frequency acoustic radiation force to a narrow region. This is particularly effective for low-frequency excitation.
本発明の実施形態は、限局した空間に強力な超音波音場を形成し、当該強力超音波により、対象位置近傍のみに形成される音響放射力により、対称物を加振することを最も主要な特徴とする。 The embodiment of the present invention mainly forms a strong ultrasonic sound field in a confined space, and excites a symmetrical object by an acoustic radiation force formed only near the target position by the strong ultrasonic wave. Features.
図1は、従来例による非接触音響検査法における問題点を示す説明図であり、このような従来例においては、制御部8により制御される加振低周波音源1からの加振低周波音波2により、対象物3を加振し、レーザードップラー計測法等により構成される光学検出系5から放射される計測用光線25により、欠陥部4の振動状況を計測し、処理部7により欠陥6の有無を判定し判定結果9として出力する。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing problems in a non-contact acoustic inspection method according to a conventional example. In such a conventional example, an excitation low frequency sound wave from an excitation low
ここで、加振低周波音源1による加振低周波音波2の一部である直達音波成分10は不要妨害信号として光学検出系5に入射し、対象物反射音波11は環境への騒音妨害となる。
Here, the direct sound wave component 10 which is a part of the vibration low
特に、加振低周波音源1と光学検出系5とは実用上接近して配置されることから、直達音波成分10は光学検出系5を強力に振動させ、目的とする対象物信号の検出感度を大幅に低下させる。
In particular, since the excitation low-
また、周囲構造物20による周囲構造物反射音波21も、不要妨害信号として光学検出系5に入射し、対象物信号の検出感度を低下させることとなる。
Moreover, the surrounding structure reflected
図2は、従来例における、非接触音響検査法の動作を示す説明図であり、時間間隔T0にて繰り返す加振低周波音波s0は、時間長T1の短パルスであ、欠陥部4の共振周波数近傍の低周波数成分を主体とする。
2, in the conventional example is an explanatory view showing the operation of the non-contact acoustic inspection method is repeated at time intervals T 0 pressurized Fuhiku frequency sound waves s 0 is short pulse der time length T 1, defect The main component is a low frequency component in the vicinity of the
図2の加振低周波音波s0による加振により、欠陥部4は振動し、この振動が光学検出系5により検出され、図2における振動状況信号s1となる。
Due to the excitation by the excitation low-frequency sound wave s 0 in FIG. 2, the
この振動状況信号s1は、直達音波成分10による不要信号s1Aと、位置L2に存在する欠陥部4の振動であり、計測対象となる目的信号成分s1B、および、位置L3に存在する周囲構造物20からの周囲構造物反射音波22による、不要信号成分s1Cとにより構成される。
The vibration status signal s 1 is an unnecessary signal s 1A due to the direct sound wave component 10 and vibration of the
直達音波成分10による不要信号s1Aは、音速をcとして、既知の距離L1に対する音波伝搬時刻L1/cに出現し、加振低周波音源1の近傍であることから強大な成分となる。
The unnecessary signal s 1A from the direct sound wave component 10 appears at the sound wave propagation time L 1 / c with respect to the known distance L 1 with the sound speed as c, and is a strong component because it is in the vicinity of the excitation low-
一方、位置L2に存在する欠陥部からの目的信号成分s1Bは、距離L2に対する片道の音波伝搬時間に対応する時刻L2/cに出現し、遠方であることから不要信号s1Aの後方に出現する。 On the other hand, the target signal component s 1B from the defective portion existing at the position L 2 appears at a time L 2 / c corresponding to the one-way sound wave propagation time with respect to the distance L 2 , and since it is far away, the unnecessary signal s 1A Appears backwards.
また、位置L3に存在する周囲構造物20からの、周囲構造物反射音波21は、距離L3に対する往復の音波伝搬時間から、時刻2L3/cにs1Cとして強力に出現する。
Further, the surrounding structure reflected
従って、周囲構造物20による不要成分s1Cは、周囲構造物20の存在する距離L3の状況により、図2のs1に示されるように、目的信号成分s1Bに重畳して出現してしまう。
Accordingly, the unnecessary component s 1C due to the surrounding
従来構成においては、目的信号の出現時刻L2/c近辺に開始し、時間幅が概略T3にて終了する選択信号s2により、不要信号s1Aを抑圧する。 In the conventional configuration, the unnecessary signal s 1A is suppressed by the selection signal s 2 that starts near the appearance time L 2 / c of the target signal and ends at a time width of approximately T 3 .
この選択信号s2により、不要信号s1Aを抑圧した結果は信号s3となり、直接信号10による不要信号s1Aは抑圧されるが、周囲構造物20による不要成分s1Cは、目的信号成分s1Bと重畳する位置であり、選択信号s2の選択時間内であることから分離不可能となる。
The result of suppressing the unnecessary signal s 1A by the selection signal s 2 is the signal s 3 , and the unnecessary signal s 1A by the direct signal 10 is suppressed, but the unnecessary component s 1C by the surrounding
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明するが、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following embodiments do not limit the invention according to each claim, and are described in the embodiments. Not all the combinations of features described are necessarily essential for the solution of the invention.
本発明は、限局した空間に強力な超音波音場を形成し、当該強力超音波により、対象位置近傍のみに形成される音響放射力により対称物を加振し、励振された対象物の振動を、遠方において、光学的に検出する検査手法に関するものであり、図3に示す本発明による全体構成により、本発明の基本動作を説明する。 The present invention forms a strong ultrasonic sound field in a limited space, vibrates a symmetric object by the acoustic radiation force formed only near the target position, and vibrates the excited object. The basic operation of the present invention will be described with reference to an overall configuration according to the present invention shown in FIG.
図3の全体構成において、超音波加振凹面音源12は、超音波制御部13により制御され、加振超音波14を放射する。 In the overall configuration of FIG. 3, the ultrasonic excitation concave surface sound source 12 is controlled by the ultrasonic control unit 13 and radiates the excitation ultrasonic wave 14.
この、加振超音波14が形成する超音波音圧pHは、媒質の非線形効果により、加振領域15内に位置する対象物3の表面部分に音響放射圧pLを発生し、この音響放射圧pLにより対象物3を加振する。
This, the ultrasonic sound pressure p H which vibration ultrasound 14 is formed by the non-linear effect of the medium, the acoustic radiation pressure p L generated on the surface portion of the
この、加振超音波14による超音波音圧pHと、加振領域15に形成される音響放射圧pLとの関係は、ρを媒質(この場合には空気)の密度、cを媒質(この場合には空気)中の音速として次式となる。 The relationship between the ultrasonic sound pressure p H generated by the vibration ultrasonic wave 14 and the acoustic radiation pressure p L formed in the vibration region 15 is such that ρ is the density of the medium (in this case, air), and c is the medium. The speed of sound in (in this case air) is
(数1)
pL=pH 2/(ρC2)
(Equation 1)
p L = p H 2 / (ρC 2 )
この関係は2次であり、加振超音波14による超音波音圧pHが小さくなると、加振領域15に形成される音響放射圧pLは急速に減衰し、実質的には消滅する。 This relationship is quadratic, the ultrasonic sound pressure p H is reduced due to vibration ultrasound 14, the acoustic radiation pressure p L formed in vibration region 15 decay rapidly, is virtually eliminated.
実例を示すと、pH:3000Pa(パスカル:ニュートン/m2)においてはpL:100Pa(134dB−SPL)、pH:300PaにおいてはpL:1Pa(94dB−SPL)と低下する、さらに、pH:30PaにおいてはpL:0.01Pa(54dB−SPL)となり、pHが30Pa以下の超音波によると音響放射圧pLによる対象物3の加振は事実上不可能となる。
To illustrate, p H: 3000 Pa (Pascal: Newtons / m 2) in the p L: 100Pa (134dB-SPL ), p H: p L in 300 Pa: decreases the 1Pa (94dB-SPL), further, p H: in 30Pa p L: 0.01Pa (54dB- SPL) next, p H is excitation of the
従って、本発明による音響放射力による加振は、超音波音圧pHが30Pa以上の強力超音波を使用することにより、始めて好適に実現される。
Accordingly, vibration due to acoustic radiation force according to the present invention, ultrasonic sound pressure p H is by using a more
本発明においては、音響放射力による加振された欠陥部4の振動状況を、光学検出系5による計測用光線25により検出し、処理部7により欠陥6の有無を判定し判定結果9として出力する。
In the present invention, the vibration state of the
図3の実施例において使用する超音波音源は、超音波加振凹面音源12であり、凹面超音波送波器音場特性は、良く知られたように概略図4a)となり、凹面の曲率半径に相当する焦点距離Fにおいて収束する。 The ultrasonic sound source used in the embodiment of FIG. 3 is an ultrasonic excitation concave sound source 12, and the concave ultrasonic transmitter sound field characteristic is as shown in FIG. 4a), as well known, and the curvature radius of the concave surface. Converge at a focal length F corresponding to.
ここで、超音波の波長をλ、送波器の口径をDcとすると、焦点距離Fにおける方位方向の音場分布は、回折限界角λ/Dcで決まる方位方向ビーム幅dC(≒λF/DC)となる。 Here, when the wavelength of the ultrasonic wave is λ and the aperture of the transmitter is Dc, the azimuthal sound field distribution at the focal length F is the azimuth beam width d C determined by the diffraction limit angle λ / Dc (≈λF / D C) to become.
このように、細い方位方向ビーム幅dC内のみを加振することから、対象物の局所的な検査が可能となる。 In this manner, since only the narrow azimuth direction beam width d C is vibrated, it is possible to locally inspect the object.
また、このように、細い指向性幅dC内のみを加振することから、対象物内において加振力の位相が反転することによる、加振超音波14の入射角における加振不能角度は発生しないこととなる。 In addition, since the vibration is performed only within the narrow directivity width d C as described above, the vibration impossible angle at the incident angle of the vibration ultrasonic wave 14 due to the phase of the vibration force being reversed in the target object is It will not occur.
このような、凹面超音波送波器による方位方向音場特性の一例を、口径30cm、焦点距離1mの送波器により波長8mmの超音波を送波する場合につき示すと、図5となり、幅6cmの方位方向ビーム幅dCのみに高い超音波音圧pHを形成することとなる。 An example of such an azimuthal sound field characteristic by a concave ultrasonic wave transmitter is shown in FIG. 5 when an ultrasonic wave having a wavelength of 8 mm is transmitted by a wave transmitter having a diameter of 30 cm and a focal length of 1 m. It will form the azimuth beamwidth d C only high ultrasonic sound pressure p H of 6 cm.
図5において、破線が超音波音圧pHであり、実線が音響放射圧pLとなる(いずれも最大値に対する相対値)。 5, the dashed line is an ultrasonic sound pressure p H, solid line is the acoustic radiation pressure p L (relative value to the maximum value either).
また、凹面超音波送波器の焦点近傍に形成される、収束領域の長さWCは、焦点における方位方向ビーム幅dCによりWC≒dC 2/λと与えられ、この収束領域より遠方においては、超音波ビームは急速に拡散し、強度が低下することも知られている。 Further, the length W C of the convergence region formed near the focal point of the concave ultrasonic wave transmitter is given by W C ≈d C 2 / λ by the azimuth beam width d C at the focal point. It is also known that in the distance, the ultrasonic beam diffuses rapidly and the intensity decreases.
このように、収束領域より遠方においては、超音波ビームは急速に拡散し、強度が低下することから、収束領域以外の周囲環境に対する、騒音妨害も大幅に軽減される。 As described above, since the ultrasonic beam diffuses rapidly and decreases in intensity far from the convergence region, noise interference with respect to the surrounding environment other than the convergence region is greatly reduced.
このような凹面超音波送波器による軸上音圧分布の一例を、口径30cm、焦点距離1mの送波器により波長8mmの超音波を送波する場合につき示すと、図6となり、幅約6cmの焦点領域WC’のみに高い超音波音圧pHを形成することとなる。 An example of the on-axis sound pressure distribution by such a concave ultrasonic wave transmitter is shown in FIG. 6 when an ultrasonic wave with a wavelength of 8 mm is transmitted by a wave transmitter having a diameter of 30 cm and a focal length of 1 m. It will form the focal region W C 'only in high ultrasonic sound pressure p H of 6 cm.
図6において、破線が超音波音圧pHであり、実線が音響放射圧pLとなる(いずれも最大値に対する相対値)。 6, a broken line is an ultrasonic sound pressure p H, solid line is the acoustic radiation pressure p L (relative value to the maximum value either).
ここで、実際の加振に貢献する音響放射圧pLは、超音波音圧pHの2乗に比例することから、pLにより評価すると図6の焦点領域WCとなり、さらに狭い5cm程度の領域に駆動力が限局されることを示している。 Here, the acoustic radiation pressure p L to contribute to the actual vibration is proportional to the square of the ultrasonic sound pressure p H, the focal region W C next to FIG. 6 as assessed by p L, narrower about 5cm It is shown that the driving force is limited to the area.
このように、凹面超音波送波器により形成される加振領域15は、焦点領域WCの近傍に限局されることから、図3に示す構成において、光学検出系5の近傍における直達超音波成分16は弱く、直達超音波成分16による、光学検出系5に対する妨害は軽微であり、処理部7による正確な欠陥判定が可能となる。
Thus, vibration region 15 is formed by a concave ultrasonic wave transmitter, since it is confined to the vicinity of the focal region W C, in the configuration shown in FIG. 3, the direct ultrasound in the vicinity of the
また、音響放射圧pLと超音波音圧pHは共に対象物により反射されるが、図3の24に示すこれら対象物反射成分は全て、微小領域からの放射であるため球面拡散し、照射対象位置からの距離の2乗に反比例して急速に減衰することから、対象物反射成分の周囲環境への悪影響も軽微となる。 Although acoustic radiation pressure p L and the ultrasonic sound pressure p H is reflected by both the object, these objects reflection components shown in 24 of FIG. 3 are all spherically diffuse because it is emitted from the minute area, Since it attenuates rapidly in inverse proportion to the square of the distance from the irradiation target position, the adverse effect of the object reflection component on the surrounding environment is also small.
図3に例示する超音波音源を、超音波加振平面音源23とする構成も可能であり、平面音源音場特性は、良く知られたように概略図4b)となる。 The ultrasonic sound source illustrated in FIG. 3 may be configured as an ultrasonic excitation flat sound source 23, and the flat sound source sound field characteristic is schematically shown in FIG. 4b) as is well known.
この平面音源23においても、図4b)に示すように、超音波の波長をλ、送波器の口径をDFとして、近距離音場距離WF≒DF 2/λ以内において、音源口径DF相当の限局した空間内のみに音圧を形成することが可能となる。 Also in the flat sound source 23, as shown in FIG. 4b), the sound source diameter is within the short-distance sound field distance W F ≈D F 2 / λ, where λ is the wavelength of the ultrasonic wave and DF is the diameter of the transmitter. Sound pressure can be formed only in a limited space equivalent to DF .
ここで仮に、超音波の波長λを1cm(超音波周波数30kHz程度)とし、平面音源23の口径DFを30cmとすると、近距離音場距離WF(≒DF 2/λ)は900cm(9m)となり、距離9mまでに、直径30cmの円柱状に限局された照射領域を、平面音源23により形成することが可能となる。
Here if the ultrasonic wavelength lambda and 1 cm (about
本実施例においては、図3の構成において使用する加振超音波14の波形を、図7a)に示す、最も基本的な波形である単一PCW波形sSAとし、単一PCW波形sSAの周波数スペクトルを図7b)のSSAに示す。 In the present embodiment, the vibration ultrasound 14 of waveform used in the construction of FIG. 3, shown in FIG. 7a), and a single PCW waveform s SA is the most basic waveform, a single PCW waveform s SA the frequency spectrum shown in S SA of FIG. 7b).
この加振超音波波形sSAの2乗が、加振領域15に形成される音響放射圧pLとなることから、音響放射圧pLは、図7a)のsSBとなる。 The square of the vibration ultrasonic waveform s SA is, since the acoustic radiation pressure p L formed in vibration region 15, the acoustic radiation pressure p L is a s SB in Fig 7a).
この音響放射圧sSBは、図7a)に示す二つの波形sSCとsSDとの和により表されることから、音響放射圧sSBの周波数スペクトルSSBは図7c)となり、加振超音波波形sSAの中心周波数(f0)2倍の中心周波数(2f0)を有する高周波成分スペクトルSSCと、直流成分をも有する低周波成分スペクトルSSDとを有することとなる。 Since this acoustic radiation pressure s SB is represented by the sum of two waveforms s SC and s SD shown in FIG. 7a), the frequency spectrum S SB of the acoustic radiation pressure s SB becomes FIG. a high-frequency component spectrum S SC having a sonic waveform s SA of the center frequency (f 0) 2 times the center frequency (2f 0), will have a low-frequency component spectrum S SD also having DC component.
このように、音響放射圧sSBの低周波成分スペクトルSSDは、加振超音波波形sSAの2乗により形成されることから、加振超音波波形sSAの包絡線形状に類似した波形であり、加振超音波波形sSAの包絡線形状を選択することにより、低周波成分スペクトルSSDの形状を欠陥部の共振周波数特性に類似させることができる。 Thus, the low-frequency component spectrum S SD acoustic radiation pressure s SB is vibration from being formed by the square of the ultrasonic waveform s SA, similar waveform to the envelope shape of the vibration ultrasonic waveform s SA , and the by selecting the envelope shape of the vibration ultrasonic waveform s SA, may be similar to the low-frequency component spectrum S SD shape resonance frequency characteristic of the defect.
ここで、音響放射圧sSBの周波数スペクトルSSBは図8a)に示す通りであり、対象物欠陥の共振スペクトルを図8b)に示すSFとすると、図8a)における低周波成分スペクトルSSD中に、SFの周波数成分を含むことから、音響放射圧sSBによる対象物加振の結果、周波数スペクトルを図8c)のSSRFとする対象物欠陥の振動が励起されることとなる。 Here, the frequency spectrum S SB acoustic radiation pressure s SB is as shown in FIG. 8a), when the S F indicating a resonance spectrum of an object defect in FIG. 8b), the low-frequency component spectrum S SD in FIG. 8a) during, since it contains a frequency component of S F, acoustic radiation pressure s SB result of the object vibration by, so that the vibration of the object defects and S SRF in Figure 8c) the frequency spectrum is excited.
本実施例においては、この周波数スペクトルが図8c)のSSRFとなる対象物欠陥の振動を、時間波形sSRFとして光学的に検出する。 In this embodiment, the vibration of the object defect whose frequency spectrum becomes S SRF in FIG. 8c) is optically detected as a time waveform s SRF .
ここで、欠陥振動波形sSRFの持続時間長をT2とすると、対象物欠陥共振スペクトルSFの帯域幅は1/T2となり、この持続時間長T2は、発明者らの詳細な検討から、通常のコンクリート内部欠陥においては10ms程度であることが判明している。 Here, if the duration length of the defect vibration waveform s SRF and T 2, the bandwidth of the object defect resonance spectrum S F is 1 / T 2, and this duration length T 2 are, detailed studies of the inventors Therefore, it has been found that it is approximately 10 ms for a normal concrete internal defect.
このように、超音波の音響放射力により加振力を発生する構成おいては、超音波周波数に関係なく低周波加振力が形成されることから、対象欠陥の振動周波数に関係なく超音波周波数を選択可能であり、可聴周波数以上の高周波(16kHz以上)とすることにより、周囲住人に対する騒音妨害の低減も可能となる。 In this way, in the configuration in which the excitation force is generated by the acoustic radiation force of the ultrasonic wave, a low-frequency excitation force is formed regardless of the ultrasonic frequency, so the ultrasonic wave is generated regardless of the vibration frequency of the target defect. The frequency can be selected, and by setting the frequency to be higher than the audible frequency (16 kHz or higher), it is possible to reduce noise disturbance to surrounding residents.
以下、本実施例による、加振高周波音波をsSA(sSA1、sSA2、sSA3−−)とする構成における、各部の信号形状を図9により説明する。 Hereinafter, according to this embodiment, the vibration frequency sound waves s SA (s SA1, s SA2 , s SA3 -) in a configuration to be described each part of the signal shape by FIG.
図9の動作において、加振高周波音波sSAは、時間間隔T0にて繰り返す、時間長T1の単一PCW高周波信号であり、非線形効果により欠陥部4の共振周波数近傍の低周波成分を形成する。
In the operation of FIG. 9, the excitation high-frequency sound wave s SA is a single PCW high-frequency signal having a time length T 1 that repeats at a time interval T 0 , and a low-frequency component near the resonance frequency of the
図9の加振高周波音波sSAにより対象物を加振し、対象物の振動を光学検出系5により計測することにより、図9に示す対象物の振動状況信号sSRが得られる。
It vibrated objects by vibrating frequency sound waves s SA in FIG. 9, by measuring the
この、対象物の振動状況信号sSRには、不要直達超音波成分16による不要信号sSRDと、位置L2に存在する欠陥部から計測される目的信号成分sSRFが含まれる。 This, the oscillating condition signal s SR object, and unwanted signal s SRD by unwanted feedthrough ultrasonic component 16, which has the desired signal component s SRF as measured from the defective portion at the position L 2.
一方、位置L3に存在する周囲構造物20は、加振超音波の照射領域外となるため、周囲構造物20からの反射波である周囲構造物反射超音波21は発生せず、振動状況信号sSRには含まれないこととなる。
On the other hand, the surrounding
本発明においては、振動状況信号sSRから、目的信号出現時刻L2/c近辺に開始し、時間幅が概略T3(>T2)となる選択信号sGにより、目的信号成分選択的に抽出し、選択抽出信号sSRGとする。 In the present invention, the target signal component is selectively selected by the selection signal s G starting from the vibration state signal s SR in the vicinity of the target signal appearance time L 2 / c and having a time width of approximately T 3 (> T 2 ). Extraction is made into a selective extraction signal s SRG .
この選択信号sGにより、直達超音波成分16による不要信号sSRDは抑圧され、さらに、加振超音波の照射領域外のため、周囲構造物反射超音波21も存在しないことから、選択抽出信号sSRGには目的とする対象欠陥による信号成分sSRFのみが含まれる事となる。
The unnecessary signal s SRD due to the direct ultrasonic component 16 is suppressed by the selection signal s G , and since the surrounding structure reflected
このように、選択抽出信号sSRGには、目的とする対象欠陥による信号成分sSRFのみが含まれる事から、本実施例の構成により、不要信号に影響されない高精度の欠陥検出が可能となる。 As described above, since the selective extraction signal s SRG includes only the signal component s SRF due to the target defect of interest, the configuration of this embodiment enables highly accurate defect detection that is not affected by unnecessary signals. .
ここでは、第2の実施例として、図3の構成における加振超音波14として、図10a)に示す有限長PCW波形を、加振超音波波形sMAとして使用する構成につき、その動作を説明する。 Here, as a second embodiment, the operation of a configuration using the finite-length PCW waveform shown in FIG. 10 a) as the excitation ultrasonic waveform s MA as the excitation ultrasonic wave 14 in the configuration of FIG. 3 will be described. To do.
この加振超音波波形sMAの2乗が、加振領域15に形成される音響放射圧pLとなることから、音響放射圧pLは、図10a)のsMBとなる。 The square of the vibration ultrasonic waveform s MA is, since the acoustic radiation pressure p L formed in vibration region 15, the acoustic radiation pressure p L is a s MB in Figure 10a).
この音響放射圧sMBは、図10a)の波形sMCとsMDとの和であることから、音響放射圧sMBの周波数スペクトルSMBは、2倍の中心周波数を有する高周波成分スペクトルと、低周波成分スペクトルSMDとを有することとなる。 Since this acoustic radiation pressure s MB is the sum of the waveforms s MC and s MD of FIG. 10a), the frequency spectrum S MB of the acoustic radiation pressure s MB is a high-frequency component spectrum having a double center frequency, and A low frequency component spectrum SMD .
ここで、対象物の駆動に寄与する成分は低周波成分スペクトルSMDであり、この低周波成分スペクトルSMDは、図10b)に示すように、中心周波数が1/T4であり、帯域幅は1/T5に制限されている。 Here, the component that contributes to the driving of the object is the low-frequency component spectrum SMD , and the low-frequency component spectrum SMD has a center frequency of 1 / T 4 as shown in FIG. It is limited to 1 / T 5.
ここで、低周波成分スペクトルSMDは、帯域幅が1/T5に制限されていることから、この帯域内の信号成分については信号の強度が増加している。 Here, since the bandwidth of the low frequency component spectrum SMD is limited to 1 / T 5 , the signal strength is increased for the signal component in this band.
このような音響放射圧sMBにより、図11b)の共振スペクトルSFを有する対象物欠陥を加振すると、低周波成分スペクトルSMDにより対象物は加振され、図11c)に示す周波数スペクトルSMRFとして振動し、光学的に検出されることとなる。 Such acoustic radiation pressure s MB, when vibrated objects defect having a resonance spectrum S F in FIG. 11b), the object by the low-frequency component spectrum S MD is vibrated, the frequency spectrum S shown in FIG. 11c) It vibrates as MRF and is detected optically.
ここで、音響放射圧sMBによる低周波成分スペクトルSMDは図11a)であり、対象物欠陥の共振スペクトルSFを、低周波成分スペクトルSMD中に強く含むことから、音響放射圧sMBによる対象物加振の結果、周波数スペクトルを図11c)のSMRFとする対象物欠陥の振動が強く励起されることとなる。 Here, the low-frequency component spectrum S MD by acoustic radiation pressure s MB is a diagram 11a), a resonance spectrum S F of the object defect, because they contain strong in the low-frequency component spectrum S MD, acoustic radiation pressure s MB results of the object vibration by, so that the vibration of the object defects and S MRF in Figure 11c) the frequency spectrum is strongly excited.
本実施例においても、図11c)の、周波数スペクトルがSMRFとなる対象物欠陥の振動を、時間波形sMRFとして光学的に検出する。 Also in this embodiment, the vibration of the object defect whose frequency spectrum is S MRF in FIG. 11c) is optically detected as the time waveform s MRF .
ここで、図11b)の共振スペクトルSFの中心周波数は未知であり、低周波成分SMDの位置と共振スペクトルSFの位置とが一致しない場合には、対象物が加振されないことから、対象物の欠陥は検知されない。 Here, the center frequency of the resonant spectrum S F in FIG. 11b) is unknown, if the position of the low-frequency component S MD and position of the resonance spectrum S F do not coincide, since the object is not vibrated, Object defects are not detected.
このような場合においても、図12a)のsMTDに示す、中心周波数が順次変化する、有限長PCW波形を順次連結して使用することにより、それぞれの送信パルスの周波数スペクトルが、図12b)に示すSMTD2,SMTD3,SNTD4として相互に重畳するため、未知の共振スペクトルSFを、図12b)に示す周波数スペクトルSMTRFとして見落とし無く検知可能となる(この図においては、T5を一定とし、Nを自然数とし、T5=NT4 としている)。 Even in such a case, the frequency spectrum of each transmission pulse is shown in FIG. 12b) by sequentially connecting and using finite-length PCW waveforms whose center frequency sequentially changes as shown in s MTD in FIG. 12a). for superimposing each other as S MTD2, S MTD3, S NTD4 , unknown resonance spectrum S F, the oversight not detectable as a frequency spectrum S MTRF shown in FIG. 12b) (in this figure, the T 5 constant indicating And N is a natural number and T 5 = NT 4 ).
図12のように、時間とともに音響放射圧の中心周波数を順次変化させる構成において、選択抽出信号sSRGに対して周波数選択手段(濾波器)を使用することにより、着目周波数範囲を音響放射圧の中心周波数変化に対応して変化させる構成が可能である As shown in FIG. 12, in the configuration in which the center frequency of the acoustic radiation pressure is sequentially changed with time, the frequency range of interest is set to the acoustic radiation pressure by using frequency selection means (filter) for the selective extraction signal s SRG . A configuration that can be changed in response to changes in the center frequency is possible.
具体的には、図12における、時間TMTD2においては、周波数選択手段により、周波数スペクトルSMTD2の周波数成分のみを通過させ、時間TMTD3においては、周波数スペクトルSMTD3の周波数成分のみを通過させ、同様に、時間TMTD4においては、周波数スペクトルSMTD4の周波数成分のみを通過させるように構成する。 Specifically, in FIG. 12, at time T MTD2 , only the frequency component of the frequency spectrum S MTD2 is passed by the frequency selection means, and at time T MTD3 , only the frequency component of the frequency spectrum S MTD3 is passed. Similarly, at time T MTD4 , only the frequency component of frequency spectrum S MTD4 is passed.
このように、着目周波数範囲を音響放射圧の中心周波数変化に対応して変化させるように構成することにより、前後の加振による不要信号の混入を効果的に除去することが可能となり、欠陥の検出精度が向上する。 In this way, by configuring the frequency range of interest to change in response to the change in the center frequency of the acoustic radiation pressure, it becomes possible to effectively eliminate mixing of unnecessary signals due to front and rear excitation, Detection accuracy is improved.
ここでは、第3の実施例として、図3の構成における加振超音波14として、図13a)に示す連続PCW波形を、加振超音波波形sIAとして使用する構成につき、その動作を説明する。 Here, as a third embodiment, the operation will be described for a configuration in which the continuous PCW waveform shown in FIG. 13A) is used as the excitation ultrasonic waveform s IA as the excitation ultrasonic wave 14 in the configuration of FIG. .
この加振超音波波形sIAの2乗が、加振領域15に形成される音響放射圧pLとなることから、音響放射圧pLの波形は、図13a)のsIBとなる。 Since the square of the excitation ultrasonic waveform s IA becomes the acoustic radiation pressure p L formed in the excitation region 15, the waveform of the acoustic radiation pressure p L becomes s IB in FIG. 13a).
この波形sIBは、図13a)のsICとsIDとの和であることから、音響放射圧pLの波形sIBの周波数スペクトルSIBは、2倍の中心周波数を有する高周波成分スペクトルと、低周波成分スペクトルSIDとを有することとなる。 Since this waveform s IB is the sum of s IC and s ID in FIG. 13 a), the frequency spectrum S IB of the waveform s IB of the acoustic radiation pressure p L is a high-frequency component spectrum having a double center frequency. , it will have a low-frequency component spectrum S ID.
ここで、対象物の駆動に寄与する成分は低周波成分スペクトルSIDであり、低周波成分スペクトルSIDは図13b)に示すように、周波数1/T4の線スペクトルとなり、この周波数においては信号強度が最高になる。
Here, the component contributing to the driving of the object is the low frequency component spectrum S ID , and the low frequency component spectrum S ID becomes a line spectrum of
このような波形sIAの繰り返し周期T4を変化させることにより、低周波成分sIDの周波数を変化させ(周波数掃引幅Bs)、このsIDにより図14b)の共振スペクトルSFを有する対象物欠陥を加振すると、未知のSFと一致した周波数のSIDにより対象物欠陥は加振され、最終的には、図14c)に示す周波数スペクトルSIRFによる振動信号が得られ、対象物欠陥が光学的に検出されることとなる。 By varying the repetition period T 4 in such a waveform s IA, varying the frequency of the low frequency component s ID (frequency sweep width Bs), an object having a resonant spectrum S F in FIG. 14b) This s ID When a defect vibrated, object defects by S ID of the frequency that matches the unknown S F is vibrated, ultimately, the vibration signal according to the frequency spectrum S IRF shown in FIG. 14c) is obtained, the object defects Will be detected optically.
第4の実施例として、図3の構成における加振超音波14として、有限長の2種類の等振幅正弦波により形成される、図15に示す、搬送波抑圧両側波帯信号(DSB−SC波)sWAを使用する構成につき説明する。 As a fourth embodiment, a carrier-suppressed double sideband signal (DSB-SC wave) shown in FIG. 15 is formed by two types of finite-length sinusoidal waves as the excitation ultrasonic wave 14 in the configuration of FIG. ) A configuration using sWA will be described.
この加振超音波波形sWAの2乗が、加振領域15に形成される音響放射圧pLとなることから、音響放射圧pLは、図15のsWBとなる。 The square of the vibration ultrasonic waveform s WA is, since the acoustic radiation pressure p L formed in vibration region 15, the acoustic radiation pressure p L is a s WB in FIG.
この音響放射圧sWBは、図15の高周波成分波形sWCと低周波成分波形sWDとに分解され、この低周波成分波形sWDは、図10a)のsMDに類似した波形であるが、正弦波の形状であることから高調波成分が無く、不要信号の少ない加振を可能とする。 This acoustic radiation pressure s WB is decomposed into a high frequency component waveform s WC and a low frequency component waveform s WD in FIG. 15, and this low frequency component waveform s WD is a waveform similar to s MD in FIG. 10a). Because of the shape of the sine wave, there is no harmonic component and excitation with less unnecessary signals is possible.
したがって、この搬送波抑圧両側波帯信号sWAを使用する構成により、欠陥検出の精度が向上することとなる。 Therefore, the accuracy of defect detection is improved by the configuration using this carrier-suppressed double-sideband signal sWA .
ここで、周波数変調波(FM波)において、変調指数(Modulation index:搬送波周波数偏移量/変調信号周波数)を、零次ベッセル関数の第一零点である2.40483とすると、周波数変調波における搬送波成分が消滅し両側波帯信号のみとなる。 Here, in the frequency modulation wave (FM wave), if the modulation index (modulation index: carrier frequency deviation amount / modulation signal frequency) is 2.40483 which is the first zero point of the zero-order Bessel function, the frequency modulation wave The carrier wave component disappears and only the double sideband signal is obtained.
従って、変調指数をこの2.40483とする周波数変調波により、狭帯域単共振特性の超音波振動子を駆動すると、搬送波抑圧両側波帯信号sWAによる加振超音波14が放射されることになる。 Thus, the modulation index by the frequency-modulated wave to the 2.40483, narrow the band driving the ultrasonic vibrator of the single resonance characteristic, that the ultrasound 14 vibrating by double sideband suppressed carrier signal s WA is radiated Become.
このように、加振超音波14として使用する加振超音波波形は、種々選択可能であり、本実施例に限られるものではない。 As described above, the excitation ultrasonic waveform used as the excitation ultrasonic wave 14 can be variously selected and is not limited to the present embodiment.
ここで、図3の構成における超音波加振凹面音源12の構成例を図16および図17により説明する。 Here, a configuration example of the ultrasonic excitation concave sound source 12 in the configuration of FIG. 3 will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
図16の構成例においては、多数の微小超音波振動子17を凹面形状18に配置し、共通の駆動信号を印加することにより、凹面状波面19を送出し、焦点位置Fに超音波を収束させることができる。
In the configuration example of FIG. 16, a number of micro
また、図17に示す構成例においては、微小超音波振動子17を平面上に配置し、同心円上の素子17を部分配線26により共通接続する。
In the configuration example shown in FIG. 17, the micro
この部分配線26に、共通駆動信号28をタップ付き遅延線27により凹面状の時間差を与えることにより生成した、個別信号29を印加する。
An
この、時間差有する個別信号29による、部分配線26の個別駆動により、同様に、凹面状の波面19を送出し、焦点位置Fに超音波を収束させることができる。
By the individual driving of the
超音波加振凹面音源12の構成は、本実施例に述べた構成に限られるものではなく、大型面状素子単体により構成される音源、あるいは、凸面形状とすることにより、比較的広い領域に加振超音波14を照射する音源など、機能を達成する目的で種々変更可能であることは自明である。 The configuration of the ultrasonic excitation concave surface sound source 12 is not limited to the configuration described in the present embodiment, and a sound source configured by a single large planar element or a convex surface shape allows a relatively wide area. It is obvious that various changes can be made for the purpose of achieving the function, such as a sound source that irradiates the excitation ultrasonic wave 14.
ここで、実施例6として、図3の構成における超音波加振凹面音源12および光学検出系5の構成を図18とする構成につき説明する。
Here, as Example 6, the configuration of the ultrasonic excitation concave sound source 12 and the
ここで、図18の構成においては、超音波加振凹面音源12の中央に、計測用光線25の通過孔30を形成し、超音波加振凹面音源12の後方に、光学検出系5を配置する。
Here, in the configuration of FIG. 18, a
ここで、計測用光線25を、中心軸31上に配置すると、計測用光線25が加振領域15を必ず通過することとなる。
Here, when the
このような図18の構成によると、超音波加振凹面音源12の中心軸31上の計測用光線25により、対象物までの距離も計測が可能であり、この光学的な距離の計測結果に応じて、タップ付き遅延線27に与える凹面状の時間差を設定することにより、超音波加振凹面音源12の焦点位置を対象面位置に一致させることが可能となる。
According to such a configuration of FIG. 18, the distance to the object can be measured by the
また、このように、超音波加振凹面音源12の後方に、光学検出系5を配置することにより、光学検出系5は、凹面状波面19の妨害振動を受けないこととなり、高精度の計測が可能となる。
Further, by arranging the
本発明によると、限局した空間のみに加振超音波14が形成されることから、光学検出系への妨害信号が低下することにより、計測時間が短縮されると共に、微小欠陥の検出も可能となる。 According to the present invention, since the excitation ultrasonic wave 14 is formed only in the limited space, the interference signal to the optical detection system is reduced, so that the measurement time is shortened and the minute defect can be detected. Become.
同様に、限局した空間のみに加振超音波14が形成されることから、住宅地等における、住民あるいは周囲環境への放射騒音も低減される。 Similarly, since the excitation ultrasonic wave 14 is formed only in a limited space, radiation noise to residents or the surrounding environment in a residential area or the like is also reduced.
また、限局した空間のみに加振超音波14が形成されることから、従来方式において問題となる、床面反射成分との干渉による、検査不能領域の形成も解消する。 In addition, since the vibration ultrasonic wave 14 is formed only in a limited space, the formation of an uninspectable region due to interference with the floor reflection component, which is a problem in the conventional method, is also eliminated.
さらに、狭い面積のみを加振することから、小欠陥に対する局所検査など、限局された部位に対する詳細な検査も可能となる。 Furthermore, since only a small area is vibrated, a detailed inspection for a limited part such as a local inspection for a small defect can be performed.
また、狭い面積のみを加振することから、加振超音波を特定角度にて入射させた場合に発生する、加振不能現象は発生しないこととなり、トンネルの天井等の傾斜した対象物における大面積欠陥を、遠方から見落とし無く検出可能とする。 In addition, since only a small area is vibrated, the non-vibration phenomenon that occurs when a vibrating ultrasonic wave is incident at a specific angle does not occur. Area defects can be detected from a distance without being overlooked.
また、本発明における、音響放射圧による加振の特性から、直流までの超低周波加振が可能となり、共振周波数が低くなる大型剥離欠陥等における、低周波にて振動する欠陥の検出も可能となる。 In addition, due to the characteristics of excitation by acoustic radiation pressure in the present invention, ultra-low frequency excitation up to direct current is possible, and it is possible to detect defects that vibrate at low frequencies, such as large peeling defects where the resonance frequency is low It becomes.
本発明における加振超音波14における最高使用可能周波数は、空中における超音波の伝搬減衰が周波数と共に急速に増大することから制限され、通常は、加振超音波14における中心周波数f0を500kHz以下とすることが望ましい。 The maximum usable frequency in the excitation ultrasonic wave 14 in the present invention is limited because the propagation attenuation of the ultrasonic wave in the air rapidly increases with the frequency. Usually, the center frequency f 0 in the excitation ultrasonic wave 14 is set to 500 kHz or less. Is desirable.
1 加振低周波音源
2 加振低周波音波
3 対象物
4 欠陥部
5
光学検出系
6 欠陥
7 処理部
8 制御部
9 判定結果
10 直達音波成分
11 対象物
反射音波
12 超音波加振凹面音源
13 超音波制御部
14 加振超音波
15
加振領域
16 直達超音波成分
17 微小超音波振動子
18 凹面形状
19 凹面状超音波波面
20 周囲構造物
21 周囲構造物反射音波
22 周囲構造物反射超音波
23 超音波加振平面音源
24 対象物反射成分
25 計測用光線
26 部分配線
27 タップ付き遅延線
28 共通駆動信号
29 個別信号
30 通過孔
31 中心軸
1 Exciting Low
Excitation area 16 Direct
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