JP2015072229A

JP2015072229A - 欠陥検出方法及び装置

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Publication number: JP2015072229A
Application number: JP2013208744A
Authority: JP
Inventors: 本田　達也; Tatsuya Honda; 達也本田; 健志宮脇; Kenji Miyawaki; 深江　崇行; Takayuki Fukae; 崇行深江
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2015-04-16

Abstract

【課題】より高精度な欠陥検出方法を実現する手法を提供すること。【解決手段】本発明の欠陥検出方法は、応答音から心理音響パラメータのうちラウドネス、ノイジネス、シャープネスを算出する算出工程と、前記ラウドネスと前記ノイジネスとの第１関係に基づいて空洞の有無を判定する第１判定工程と、前記ラウドネスと前記シャープネスとの第２関係に基づいて空洞の有無を判定する第２判定工程と、前記第１及び第２判定工程の両方で空洞があると判定した場合に前記鉄筋コンクリート構造体内部に欠陥ありと判定する第３判定工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄筋コンクリート構造体を対象とした欠陥検出方法及び装置に関する。

建築後に長期間経過した鉄筋コンクリート構造体の内部に、鉄筋からコンクリートが浮きあがることで、空洞が発生することがある。この空洞は構造体の崩壊に繋がる危険な欠陥である場合がある。

このような欠陥を検出する方法として、鉄筋コンクリート構造体を打撃した際の応答音の周波数や振幅を分析する方法が検討されている。例えば、従来技術である特許文献１では、対象物の表面を打撃した際の応答音の基本周波数を特定し、この基本周波数と予め設定した基準周波数とを比較することで、欠陥の検出を図っている。

特開２００５−２０７８７０号公報

しかしながら、鉄筋コンクリート構造体における基準周波数はいくらかの幅を持つため、従来技術では、欠陥の検出精度が十分でないという課題があった。

本発明は、この課題を解決するもので、鉄筋コンクリート構造体を打撃した際の応答音に対して、心理音響特徴量に基づく判断を行うことで欠陥を検出する方法及び装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために本発明の欠陥検出方法は、応答音から心理音響パラメータのうちラウドネス、ノイジネス、シャープネスを算出する算出工程と、前記ラウドネスと前記ノイジネスとの第１関係に基づいて空洞の有無を判定する第１判定工程と、前記ラウドネスと前記シャープネスとの第２関係に基づいて空洞の有無を判定する第２判定工程と、前記第１及び第２判定工程の両方で空洞があると判定した場合に前記鉄筋コンクリート構造体内部に欠陥ありと判定する第３判定工程と、を含むことを特徴とする。

本発明は、心理音響特徴量に基づく判定を行うことにより、基本周波数により判定する従来技術と比較して、より高精度な欠陥検出を実現できる。

本発明の欠陥検出方法のフローチャート本発明の欠陥検出方法を実施するための装置を示すブロック図（ａ）空洞が存在しない鉄筋コンクリート構造体の表面を打撃した際の応答音の振動波形の図、（ｂ）空洞が存在する鉄筋コンクリート構造体の表面を打撃した際の応答音の振動波形の図（ａ）本発明の欠陥検出方法において、空洞の有無を識別するために使用するラウドネスとノイジネスとの関係を示す図、（ｂ）本発明の欠陥検出方法において、空洞の有無を識別するために使用するラウドネスとシャープネスとの関係を示す図欠陥の有無によるシャープネスの違いを示す図鉄筋コンクリート構造体における、欠陥とその深さの概念図本発明の他の例に係る欠陥検出方法のフローチャート欠陥が存在する鉄筋コンクリート構造体を２次元平面に展開した状態において欠陥の分布と深さとを示す図図８に示した状態においてシャープネスの分布とその値とを示した図

以下に本発明の実施形態について説明する。

（実施形態１）
図１に本実施形態に係る欠陥検出方法のフローを示し、この方法を実施するための欠陥検出装置の構成例を図２に示す。

本欠陥検出方法では、図２の鉄筋コンクリート構造体１０を一定の力でハンマーや棍棒などの打撃手段１１で打撃し、打撃に対する応答音をマイクなどの集音手段１で受音する。そして、応答音を受音した集音手段１からの受音信号を増幅器やＡ／Ｄ変換器などの前処理手段２で使用可能な信号に変換し、変換した信号を処理手段３にて処理する。処理結果は、表示手段４に表示される。この実施形態において、処理手段３と表示手段４はパソコンなどの同一機器であってもよい。

ここで、図１に示した欠陥検出の処理内容のフローについて説明する。

本フローチャートでは、鉄筋コンクリート構造体を打撃した際に発生する応答音をマイクで受音して得たアナログ音波信号を、Ａ／Ｄ変換したデジタル音波信号を使用する。アナログ音波信号は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）やＨＰＦ（ハイパスフィルター）を介して分析に不必要な周波数成分が除去され、そして、増幅器を用いてＡ／Ｄ変換器の入力端子の仕様に合う電圧にまで増幅された後に、Ａ／Ｄ変換される。変換されたデジタル信号は、パソコンで処理される。

まず、ステップＳ１において、応答音に対応する入力信号であるデジタル音波信号から、心理音響特徴量のうち、ラウドネス、ノイジネス、シャープネスの夫々の値を算出する（算出工程）。

ここで、心理音響特徴量とは、より人の聴感覚と相関の高い評価量として提唱されている値である。ラウドネスは人の聴覚で感じる音の大きさ、ノイジネスは人が感じる音のうるささ、シャープネスは音の金属感や甲高さ感を示す数値とされている。これらの値は、非線形的な聴覚の周波数特性と同等の処理で算出される。心理音響特徴量の算出方法については、Ｅ．Ｚｗｉｃｋｅｒ著、山田由紀子訳「心理音響学」に詳細が掲載されている。また、ラウドネスの求め方はＩＳＯ５３２Ｂ、ノイジネスの求め方についてはＩＳＯ３８９１で規格化されている。

シャープネスについては、以下の式１で求められる。

この式１に示すように、シャープネスは、全臨界帯域に渡って高周波域を強調する重み付き積分をして、面積重心を求めることで算出される。なお、式１において、Ｎ（ｚ）は、人の聴覚の２４個の臨海帯域の各帯域における検出音のラウドネス密度関数、ｇ（ｚ）は、このラウドネス密度関数の重心、０．１１は、相関係数を示す。

次のステップＳ２において、ラウドネスとノイジネスの関係（第１関係）と、ラウドネスとシャープネスの関係（第２関係）とを取得する。

発明者らの実験により、鉄筋コンクリート構造体中の空洞の発生箇所においては、空洞のない健全箇所に対して、打撃時の応答音が、「耳障り」、かつ、「甲高く」聴こえるといった音質感を持つことが見出されている。鉄筋コンクリート構造体に空洞からなる欠陥が存在する場合、空洞で反射した音は、空洞がない場合に構造体の内部や打撃面の対面で反射した音（健全な音）よりも周波数が高くなる。そして、空洞で反射した高い周波数の音と健全な音とが、重ね合せの原理より、特に高周波数帯における波高がより高くなり、聴こえる音が「耳障り」で「甲高い」音になる。このため、本実施形態において、応答音における音質感の「耳障り」さを、人が感じる音の大きさを示すラウドネスと、人が感じるうるささを示すノイジネスとの第１関係で表現する。一方、応答音における音質感の「甲高さ」を、人が感じる音の甲高さを示すシャープネスとラウドネスとの第２関係で表現する。これら第１及び第２関係に基づく判断を実施することで、「甲高く」、かつ、「耳障り」な応答音を、定量的に求めることができる。なお、この心理音響特徴量は、従来の基準周波数よりもばらつきが小さいことも発明者らにより見出されている。

ステップＳ３において、ラウドネスとノイジネスとの第１関係に基づいて空洞の有無を判定する（第１判定工程）。加えて、ラウドネスとシャープネスとの第２関係に基づいて空洞の有無を判定する（第２判定工程）。第１及び第２の２つの関係それぞれに基づく判定結果が共に健全な（空洞がない）場合のみ（ステップＳ３のＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、打撃した箇所は、空洞のない箇所（健全箇所）であると判定する。第１及び第２の２つの関係において、いずれか一方でも健全でない（空洞がある）との判定結果の場合は（ステップＳ３のＮｏ）、ステップＳ５に進む。健全であるか否かの具体的な判定方法については詳細を後述する。

ステップＳ５では、ステップＳ３での判定において、第１関係又は第２関係のいずれか一方のみが健全な場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、ステップＳ６に進み、打撃した箇所が、欠陥候補（詳細は後述する）であるとの判定を行う。一方、第１及び第２関係の両方ともに健全でない場合、すなわち、第１及び第２関係の両者に基づく判定で、共に、空洞ありと判定した場合（ステップＳ５のＮＯ）、ステップＳ７に進み打撃箇所が、欠陥箇所である（欠陥あり）との判定を行う（第３判定工程）。これらの処理結果は、図２の表示手段４に表示される。または、処理結果のデータは、処理手段３に保存される。

ここで、図３（ａ）に、空洞のない健全箇所からの応答波形、図３（ｂ）に、空洞による欠陥が存在する箇所からの応答波形を示す。図３（ｂ）では、図３（ａ）と比較して波形の振幅が大きい。

ここで、ノイジネスとラウドネスとの第１関係、シャープネスとラウドネスとの第２関係とを用いた具体的処理について説明する。図４（ａ）は、複数の空洞箇所（空洞の発生している箇所）と複数の健全箇所とからそれぞれ得たノイジネスとラウドネスとの第１関係をプロットしたグラフである。このグラフでは、縦軸をノイジネス（ｎｏｙ）、横軸をラウドネス（Ｓｏｎｅ）としている。図４（ｂ）は、複数の空洞箇所と複数の健全箇所とからそれぞれ得たシャープネスとラウドネスとの第２関係をプロットしたグラフである。このグラフでは、縦軸をシャープネス（ａｃｕｍ）、横軸をラウドネス（Ｓｏｎｅ）としている。これらのグラフに示すように、点線で表したしきい値を境に、空洞箇所と健全箇所とを区別できる。図４（ａ）では、ラウドネス＞２２ｓｏｎｅ、または、ノイジネス＞２０ｎｏｙの範囲ならば空洞箇所である。これを利用して、第１関係が、この範囲内か否かに基づいて、図１のステップＳ３の工程（第１判定工程）を実行する。一方、図４（ｂ）では、シャープネス＞（−１．２×ラウドネス）＋３８を満たす範囲内なら空洞箇所である。これを利用して、第２関係が、この範囲内か否かに基づいて、図１のステップＳ３の工程（第２判定工程）を実行する。なお、これらの図におけるプロットやしきい値は、実際に欠陥のある鉄筋コンクリート構造体に対して打撃を与えて得た例である。ここでは、鉄筋コンクリート構造体として、橋脚（ピアー）を対象として本実施形態に係る欠陥検出方法を実施している。

ここで、図１のステップＳ５で説明したように、第１関係と第２関係とにおいて、判定結果が異なる場合には、欠陥候補と看做す。欠陥候補とは、発生している空洞のサイズが小さく、検査実施時（打撃時）においては放置しても問題とならないもの、すなわち、欠陥と判定すべきでないものを言う。欠陥候補までも欠陥と判定すれば、いわゆる、過検出となってしまう。ゆえに、第１関係と第２関係との両方で空洞あり（空洞箇所）と判断された場合にのみ、打撃箇所が欠陥箇所であると判定する。そして、第１関係または第２関係のいずれかに基づく判定結果のみが空洞ありの場合は、その鉄筋コンクリート構造に欠陥でない空洞がある（欠陥候補がある）と判定する。このことにより、欠陥の識別性能を向上できる。

ここで、図５に、複数の欠陥箇所と複数の健全箇所からの応答音からシャープネスを算出した結果を示している。図５において、欠陥箇所よりもシャープネスが高くなっている健全箇所もある。このことから、本実施形態では、シャープネス単独ではなく、ラウドネスと組合せることで、高い精度で欠陥箇所と健全箇所とを識別している。

以上のように、本実施形態の欠陥検出方法により、鉄筋コンクリート構造体の欠陥を精度よく検出することができる。

ここで、本実施形態の他の例に係る欠陥検出方法について説明する。

欠陥の重度を評価するために、図６に示すように鉄筋コンクリート構造体１０の表面（外壁）からどの深さ（位置）に空洞からなる欠陥２０が発生しているかを把握することが望まれる。浅い位置にある欠陥は、鉄筋コンクリート構造体の崩壊をもたらす重大な欠陥となる危険性が高いからである。そこで、本例では、シャープネスに基づき欠陥の深さ（位置）を判定する。

図７に本例に係る欠陥検出方法のフローを示す。ステップＳ１〜Ｓ７については、図１のフローと同じである。また、本例に係る欠陥検出方法も図２の欠陥検出装置で実施される。

図７のステップＳ８において、シャープネスから、欠陥の発生している位置（深さ方向の位置）を判定する（位置判定工程）。ステップＳ７において欠陥ありと判断された場合にステップＳ８を行う。具体的には、欠陥ありと判定された箇所におけるシャープネスが２１ａｃｕｍ以上であれば、欠陥が深さ８０ｍｍ以上の位置に存在すると判定する。一般的に表面から８０ｍｍ未満の浅い位置の欠陥は、鉄筋コンクリート構造体の崩壊をもたらす危険性の高い重大欠陥とされ直ちに対策を講じる必要がある。逆に、深さ８０ｍｍ以上と表面から深い位置に存在する欠陥は、重大欠陥とは看做されない。したがって、本例において、欠陥の深さ（表面からの位置）が８０ｍｍ以上であるか否かを判断することで、重大な欠陥の検出を可能とする。なお、図７中では、欠陥の発生している位置を欠陥発生深さと記載している。

ここで、シャープネスの値と欠陥の位置（深さ）との関係を説明する。図８は、柱状の鉄筋コンクリート構造体の側壁面の展開図であり、展開図に、欠陥の箇所とその発生深さ（深さ方向の位置）を示している。図のＹ方向が、鉄筋コンクリート構造体の鉛直方向であり、図のＸ方向が鉄筋コンクリート構造体の水平方向である。ここでは、表面から８０ｍｍ以上の位置（深さ）の欠陥が検出された地点を（１）から（４）で示している。一方、図９は、図８に示した鉄筋コンクリート構造体の展開図において、打撃に対する応答音におけるシャープネスの値の分布を示している。図９において、シャープネスが２１ａｃｕｍ以上である地点を（１）から（４）にて示す。図８と図９において、地点（１）〜（４）は略一致する。従って、本例では、シャープネスが２１ａｃｕｍ以上であれば、打撃を与えた表面から欠陥までの深さが８０ｍｍ以上であると判定する。すなわち、シャープネスが２１ａｃｕｍ未満であれば、欠陥が表面から８０ｍｍ未満の位置に存在すると判定し、打撃を与えた構造体には、重大な欠陥が存在すると判定する。以上により、本例によって、欠陥のうち、重要なものとそうでないものとを識別することができ、より高精度な欠陥検出方法を実現できる。

本発明は、トンネル、橋、ビル等を構成する鉄筋コンクリート構造体の検査に利用できる。

１集音手段
２前処理手段
３処理手段
４表示手段
１０鉄筋コンクリート構造体
１１打撃手段
２０欠陥

Claims

鉄筋コンクリート構造体の表面を打撃した際の応答音に基づいて、内部の欠陥を検出する欠陥検出方法において、
前記応答音から心理音響パラメータのうちラウドネス、ノイジネス、シャープネスを算出する算出工程と、
前記ラウドネスと前記ノイジネスとの第１関係に基づいて空洞の有無を判定する第１判定工程と、
前記ラウドネスと前記シャープネスとの第２関係に基づいて空洞の有無を判定する第２判定工程と、
前記第１及び第２判定工程の両方で空洞があると判定した場合に前記鉄筋コンクリート構造体内部に欠陥ありと判定する第３判定工程と、を含む欠陥検出方法。
前記第３判定工程で欠陥ありと判定した場合に、前記シャープネスに基づいて欠陥の位置を判定する位置判定工程を更に有する、請求項１記載の欠陥検出方法。
前記位置判定工程は、前記シャープネスが２１ａｃｕｍ以上の場合に、前記鉄筋コンクリート構造体の表面から欠陥までの位置が８０ｍｍ以上であると判定する、請求項２記載の欠陥検出方法。
前記第１判定工程において、前記ラウドネスが２２ｓｏｎｅより大きい、または、前記ノイジネスが２０ｎｏｙより大きい場合に空洞ありと判定し、
前記第２判定工程において、前記シャープネス＞（−１．２×前記ラウドネス）＋３８を満たす場合に空洞ありと判定する、請求項１〜３のいずれか記載の欠陥検出方法。
前記第３判定工程において、前記第１判定工程又は前記第２判定工程のいずれかのみで空洞ありとの判定をした場合に、前記鉄筋コンクリート構造に欠陥でない空洞があると判定する、請求項１〜４のいずれか記載の欠陥検出方法。
請求項１〜５のいずれか記載の欠陥検出方法を実施するための欠陥検出装置。