JP2015114155A - 内部構造の探査方法および探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】手前側の構造物を介して、その背後の空間の広がりや奥側の構造物の表面形状や配置物を検知することができる内部構造の探査方法および探触子を提供する。【解決手段】所定の空間５４を介して少なくとも第１被測定部５１および板状の第２被測定部５２が対向して配置された測定対象５０について、第２被測定部５２を除く測定対象５０の内部構造を探査する方法であって、超音波を第２被測定部５２に向けて送信する送信ステップと、金属材料よりも低い値の音響インピーダンスを有する材料から構成される第２被測定部５２および所定の空間５４を透過した後、少なくとも第１被測定部５１において反射して、所定の空間５４および第２被測定部５２を透過した超音波を受信する受信ステップと、受信された超音波に係る信号に基づき測定対象５０の内部構造に関する情報を表示する表示ステップと、を有することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波を用いて構造物の内部探査に用いて好適な内部構造の探査方法および探触子に関する。

検査対象である構造物の内部に存在する傷や欠陥を、構造物を破壊することなく探査する非破壊検査として超音波を用いた超音波探傷法が知られている。超音波探傷法は、例えば、構造物に向けて発信した超音波パルスのうち、上記の傷や欠陥により反射したパルスを受信することにより、傷や欠陥を検知している。そのため、超音波が伝わりやすい一体の構造物内部に存在する傷や欠陥を探査する場合に多く用いられている。

その一方で、二つの構造物の間に存在する欠陥を探査したいという要望もあり、この探査に超音波探傷法を適用する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の技術では、コンクリート構造物を打設する際に、型枠と打設されたコンクリートとの間に形成される空間が検出対象である欠陥となっている。

特開平０８−０２１８２４号公報

上述の特許文献１の技術では、型枠とコンクリートとの間の空間の有無を検知することができるが、空間を介して型枠と対向するコンクリート面の形状や、当該コンクリート面または空間内に配置されている他の物体の有無など、を検知することは難しいという問題があった。つまり、特許文献１の技術では、型枠に向けて発信した超音波パルスが、型枠とコンクリートとの境目で反射する程度の違いにより上述の空間の有無を検知していたため、対向するコンクリート面の形状や、当該コンクリート面または空間内に配置されている他の物体の有無などを検知することは、検知方法から考えると困難であった。

また、二つの構造物の組み合わせとしては、上述の型枠、及びコンクリート構造物の組み合わせの他にも、石膏ボードなどの内装ボード、及びコンクリート壁の組み合わせなど、種々の組み合わせを挙げることができる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、手前側の構造物を介して、その背後の空間の広がりや奥側の構造物の表面形状や配置物を検知することができる内部構造の探査方法および探触子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の内部構造の探査方法は、所定の空間を介して少なくとも第１被測定部および板状の第２被測定部が対向して配置された測定対象について、前記第２被測定部を除く前記測定対象の内部構造を探査する方法であって、超音波を前記第２被測定部に向けて送信する送信ステップと、金属材料よりも低い値の音響インピーダンスを有する材料から構成される前記第２被測定部および前記所定の空間を透過した後、少なくとも前記第１被測定部において反射して、前記所定の空間および前記第２被測定部を透過した前記超音波を受信する受信ステップと、受信された前記超音波に係る信号に基づき前記測定対象の内部構造に関する情報を表示する表示ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の内部構造の探査方法によれば、金属材料よりも低い値の音響インピーダンスを有する材料から構成される第２被測定部に向けて超音波を送信することにより、第１被測定部における第２被測定部側の面の形状や、第１被測定部と第２被測定部との間の間隔である所定の空間の広さや、所定の空間に配置された部材などを検知することができる。

上記発明において前記第２被測定部を構成する材料の音響インピーダンスの値は、前記第１被測定部を構成する材料と比較して、空気の音響インピーダンスの値に近いことが好ましい。

このように第２被測定部を構成する材料の音響インピーダンスの値を空気の音響インピーダンスの値に近づけることにより、空気の音響インピーダンスの値から離れている場合と比較して、超音波は第２被測定部から所定の空間へ透過しやすくなる。

本発明の探触子は、上記本発明の内部構造の探査方法に用いられる探触子であって、前記第２被測定部に超音波を送信するとともに、送信された前記超音波が前記第２被測定部および前記所定の空間を透過した後、少なくとも前記第１被測定部において反射して、前記所定の空間および前記第２被測定部を透過した前記超音波を受信信号に変換することを特徴とする。

本発明の探触子によれば、金属材料よりも低い値の音響インピーダンスを有する材料から構成される第２被測定部に向けて超音波を送信することにより、第１被測定部における第２被測定部側の面の形状や、第１被測定部と第２被測定部との間の間隔である所定の空間の広さや、所定の空間に配置された部材などを検知することができる。

本発明の内部構造の探査方法および探触子によれば、金属材料よりも低い値の音響インピーダンスを有する材料から構成される第２被測定部に向けて超音波を送信することにより、手前側の構造物である第２被測定部を介して、その背後の空間の広がりや奥側の構造物である第１被測定部の表面形状や配置物を検知することができるという効果を奏する。

本発明一実施形態に係る超音波探傷装置および界壁の構成を説明する模式図である。 図２（ａ）は探査対象である界壁の構成を説明する模式図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す界壁を探査した際の受信波信号の波形を説明する図である。 図３（ａ）は探査対象である界壁の構成を説明する模式図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す界壁を探査した際の受信波信号の波形を説明する図である。 図４（ａ）は探査対象である界壁の構成を説明する模式図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す界壁を探査した際の受信波信号の波形を説明する図である。 図５（ａ）は探査対象である界壁の構成を説明する模式図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す界壁を探査した際の受信波信号の波形を説明する図である。 図６（ａ）は探査対象である界壁の構成を説明する模式図であり、図５（ｂ）は、図６（ａ）に示す界壁を探査した際の受信波信号の波形を説明する図である。 図７（ａ）は探査対象である界壁の構成を説明する模式図であり、図５（ｂ）は、図７（ａ）に示す界壁を探査した際の受信波信号の波形を説明する図である。

この発明の一実施形態に係る探査方法および探傷子を備えた超音波探傷装置について、図１から図５を参照しながら説明する。本実施形態では、本願発明を集合住宅などの隣戸間に設けられた界壁５０等の内部構造を探査する探査方法および超音波探傷装置１に適用して説明する。

上述の界壁（測定対象）５０は、図１に示すように、コンクリート駆体（第１被測定部）５１の面に一定ピッチで団子状の接着剤５３を配して石膏ボードなどの内装下地板（第２被測定部）５２を貼り付ける、いわゆるボード直貼り工法により作られたものである。上述のボード直貼り工法のうち、接着剤５３として石膏系接着剤であるＧＬボンドを用いたものはＧＬ工法と呼ばれる。

なお、内装下地板５２を形成する材料としては上述の石膏ボードであってもよいし、音響インピーダンスが金属材料よりも低い他の公知な材料であってもよく、特に材料の種類を限定するものではない。

本実施形態の超音波探傷装置１は、パルス送受信部１０と、探触子２０と、解析部３０と、から主に構成されている。
パルス送受信部１０は、スパイクパルス信号、スクエアパルス信号、サインバースト波信号および矩形バースト波信号の少なくとも一つである送信波信号Ｓｔを出力するものである。また、後述する受信波信号Ｓｒが入力されるものでもある。

パルス送受信部１０には、送信波信号Ｓｔを生成する信号発生部１１と、信号ケーブル１６ｔを介して生成された送信波信号Ｓｔを探触子２０へ出力する送信部１２と、探触子２０から信号ケーブル１６ｒを介して受信波信号Ｓｒを受信する受信部１３と、受信した受信波信号Ｓｒを増幅して解析部３０へ出力する増幅部１４と、が設けられている。

探触子２０は、超音波を界壁５０に向けて送信するものであるとともに、界壁５０から戻ってきた超音波を受信するものである。探触子２０には振動子が設けられ、振動子は送信波信号Ｓｔに基づいて超音波を発生させものであるとともに、受信した超音波に応じた受信波信号Ｓｒを生成するものである。

解析部３０は、パルス送受信部１０の各種設定を行うものであり、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェース等を有する市販のパーソナルコンピュータやマイクロコンピュータ等である。ＲＯＭ等に記憶されている制御プログラムは、ＣＰＵを判定部３１や、周波数変換部３２や、設定部３３などとして機能させるものである。入出力インタフェースとしては、表示部３４や、キーボードおよびマウスの少なくとも一方を含む操作部３５を挙げることができる。

判定部３１は、パルス送受信部１０の増幅部１４から出力された増幅後の受信波信号Ｓｒの信号レベル（実際には、信号発生部１１から出力された送信波信号Ｓｔの信号レベルとの比）に基づいて、欠陥の有無を判定して判定結果に係る情報を表示部３４に出力するものである。

周波数変換部３２は、パルス送受信部１０の増幅部１４から出力された増幅後の受信波信号Ｓｒを、設定部３３で指定された周波数範囲で高速フーリエ変換するものである。周波数変換された受信波信号Ｓｒは周波数変換部３２から表示部３４に出力されて表示部３４により表示される。

設定部３３は、操作部３５を介して測定者が入力する矩形波送信波信号Ｓｔにおける電圧や、周波数などの測定条件をパルス送受信部１０の信号発生部１１へ出力するものである。さらに、設定部３３は、指定した周波数に対応する周波数範囲を周波数変換部３２へ出力するものでもある。

次に、上記の構成からなる超音波探傷装置１における作用について図１を参照しながら説明する。
信号発生部１１は、設定部３３から入力された測定条件に基づいて送信波信号Ｓｔを生成し、生成した送信波信号Ｓｔを送信部１２に出力する。生成された送信波信号Ｓｔは送信部１２によって探触子２０に向けて出力される。探触子２０の振動子は、入力された送信波信号Ｓｔに応じた超音波を発生させ、発生した超音波は界壁５０の内装下地板５２に向けて送信される。

送信された超音波は内装下地板５２から、接着剤５３により形成されているコンクリート駆体５１と内装下地板５２との間の空間５４に伝搬し、コンクリート駆体５１の表面で反射する。反射した超音波は、空間５４を伝搬して内装下地板５２に入射し、探触子２０に受信される。

探触子２０の振動子は受信した超音波に応じた受信波信号Ｓｒを生成し、生成された受信波信号Ｓｒは受信部１３に入力される。その後、受信波信号Ｓｒは受信部１３から増幅部１４へ入力され、増幅された後、判定部３１や表示部３４へ出力される。表示部３４では、増幅部１４から出力された受信波信号Ｓｒの波形が表示される。表示される受信波信号Ｓｒの波形については後述する。

表示部３４で表示されるものとしては、受信波信号Ｓｒの波形の他に判定部３１から出力された情報や、周波数変換部３２から出力された情報や、操作部３５に入力された情報などを挙げることができる。

次に、上記の構成からなる超音波探傷装置１を用いた界壁５０の測定結果を図２から図５を参照しながら説明する。まず、図２および図３を参照しながら、コンクリート駆体５１における内装下地板５２と対向する面に配置された吸音断熱層５５の有無を探査する例について説明する。

ここでは、界壁５０のコンクリート駆体５１と内装下地板５２とは３０ｍｍ程度離れ、両者の間に空間５４が形成されている（図２（ａ）および図３（ａ）参照。）。また、吸音断熱層５５は発泡形成されたポリウレタン樹脂であるポリウレタンフォームから形成されたものである。なお、吸音断熱層５５としてはポリウレタンフォームから形成されたものであってもよいし、その他の公知の材料から形成されたものであってもよく、特に限定するものではない。なお、内装下地板５２である石膏ボードの音響インピーダンスの値としては、３×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度を挙げることができる。

図２（ｂ）には、図２（ａ）に示す吸音断熱層５５が設けられていない界壁５０を探査した場合の、表示部３４に表示される増幅後の受信波信号Ｓｒの波形が示されており、図３（ｂ）には、図３（ａ）に示す吸音断熱層５５が設けられた界壁５０を探査した場合の、表示部３４に表示される増幅後の受信波信号Ｓｒの波形が示されている。

吸音断熱層５５が設けられていない界壁５０の場合、図２（ｂ）に示すように、コンクリート駆体５１の表面で反射した超音波に係る複数の波形Ｗが表示部３４に表示される。その一方で、吸音断熱層５５が設けられている界壁５０の場合、超音波が吸音断熱層５５に吸収されるため、図３（ｂ）に示すように、波形Ｗが表示されない。

また、コンクリート駆体５１の表面で反射した超音波は、その一部が内装下地板５２内に入射し、残りは内装下地板５２の表面で反射される。つまり、コンクリート駆体５１と内装下地板５２との間で超音波が繰り返し反射するため、複数回にわたり内装下地板５２内に超音波が入射する。そのため、図２（ｂ）に示すように、反射した超音波に係る波形Ｗが複数となり、時間が経過する（図２（ｂ）の右側に進む）とともに波形Ｗの振幅が小さくなる。さらに、隣接する波形Ｗの時間間隔Ｌ１は、コンクリート駆体５１と内装下地板５２との間隔（距離）と、超音波の伝播速度に依存するものである。

次に、図４および図５を参照しながら、コンクリート駆体５１と内装下地板５２とに接する軽量鉄骨５６が配置されている界壁５０の内部構造を探査する例について説明する。ここでは、界壁５０のコンクリート駆体５１と内装下地板５２とは９０ｍｍ程度離れ、両者の間に空間５４が形成されている（図４（ａ）および図５（ａ）参照。）。

図４（ｂ）には、界壁５０における軽量鉄骨５６が配置されていない箇所（図４（ａ）参照。）を探査した場合の、表示部３４に表示される増幅後の受信波信号Ｓｒの波形が示されており、図５（ｂ）には、界壁５０における軽量鉄骨５６が配置されている箇所（図５（ａ）参照。）を探査した場合の、表示部３４に表示される増幅後の受信波信号Ｓｒの波形が示されている。

軽量鉄骨５６が配置されていない箇所の場合には、図４（ｂ）に示すように、コンクリート駆体５１の表面で反射した超音波に係る複数の波形Ｗが表示部３４に表示される。このとき、コンクリート駆体５１と内装下地板５２との間隔が９０ｍｍ程度と広く設定されているため、隣接する波形Ｗの時間間隔Ｌ２は、時間間隔Ｌ１よりも長くなっている。その一方で、軽量鉄骨５６が配置されている箇所の場合では、図５（ｂ）に示すように、コンクリート駆体５１の表面で反射した超音波に係る複数の波形Ｗは表示されない。

次に、図６を参照しながら、界壁５０の内装下地板５２が厚さ１０ｍｍ程度のアクリル樹脂からなる板である例について説明する。ここでは、界壁５０のコンクリート駆体５１と内装下地板５２とは５５ｍｍ程度離れ、両者の間に空間５４が形成されている（図６（ａ）参照。）。なお、アクリル樹脂の音響インピーダンスの値としては、３．２程度を挙げることができる。

図６（ｂ）には、図６（ａ）に示す界壁５０を探査した場合の表示部３４に表示される増幅後の受信波信号Ｓｒの波形が示されている。この場合においても、コンクリート駆体５１の表面で反射した超音波に係る複数の波形Ｗが表れていることが判る。

次に、図７を参照しながら、界壁５０の内装下地板５２が厚さ１７ｍｍ程度であり、４層構造を有するＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）からなる板である例について説明する。ここでは、界壁５０のコンクリート駆体５１と内装下地板５２とは５５ｍｍ程度離れ、両者の間に空間５４が形成されている（図７（ａ）参照。）。なお、ＣＦＲＰ板の音響インピーダンスの値としては、４．５×１０^６ｋｇ／ｍ^２ｓ程度を挙げることができる。

図７（ｂ）には、図７（ａ）に示す界壁５０を探査した場合の表示部３４に表示される増幅後の受信波信号Ｓｒの波形が示されている。この場合においても、コンクリート駆体５１の表面で反射した超音波に係る波形Ｗが表れていることが判る。

上記の構成の超音波探傷装置１を用いた内部構造の探査方法によれば、金属材料よりも低い値の音響インピーダンスを有する材料である石膏ボードを用いて形成された内装下地板５２に向けて超音波を送信することにより、コンクリート駆体５１における内装下地板５２側の面の形状や、コンクリート駆体５１と内装下地板５２との間の間隔である空間５４の広さや、コンクリート駆体５１の表面形状を検知することができる。

さらに、空間５４に超音波を反射する部材、例えば電気配線など、が配置された場合であっても、その電気配線などを検知することができる。つまり、電気配線などで反射された超音波は、コンクリート駆体５１で反射された超音波よりも早いタイミングで探触子２０に受信される。そのため、表示部３４に表示される反射した超音波に係る波形Ｗの時間間隔が、コンクリート駆体５１で反射された超音波の時間間隔Ｌ１よりも短くなり、電気配線などの存在を検知することができる。

内装下地板５２を形成する材料の音響インピーダンスの値を、空気の音響インピーダンスの値に近づけることにより、空気の音響インピーダンスの値から離れている場合と比較して、超音波は内装下地板５２から空間５４へ透過しやすくなる。そのため、探触子２０から送信された超音波のうち、界壁５０等の内部構造探査に用いられる超音波の割合を増やすことができ、探査を行いやすくなる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記の実施の形態においては、ボード直貼り工法により作られた界壁５０の内部構造と探査する方法に適用して説明したが、探査する対象は上述の界壁５０と同様な空間５４が存在する構成を有しているものであればよく、上述の界壁５０に限定するものではない。

１…超音波探傷装置、１０…パルス送受信部、１１…信号発生部、１２…送信部、１３…受信部、１４…増幅部、２０…探触子、３０…解析部、３１…判定部、３２…周波数変換部、３３…設定部、３４…表示部、３５…操作部、５０…界壁（測定対象）、５１…コンクリート駆体（第１被測定部）、５２…内装下地板（第２被測定部）、５３…接着剤、５５…吸音断熱層、５６…軽量鉄骨、Ｓｔ…送信波信号、Ｓｒ…受信波信号

Claims (3)

1. 所定の空間を介して少なくとも第１被測定部および板状の第２被測定部が対向して配置された測定対象について、前記第２被測定部を除く前記測定対象の内部構造を探査する方法であって、
   超音波を前記第２被測定部に向けて送信する送信ステップと、
   金属材料よりも低い値の音響インピーダンスを有する材料から構成される前記第２被測定部および前記所定の空間を透過した後、少なくとも前記第１被測定部において反射して、前記所定の空間および前記第２被測定部を透過した前記超音波を受信する受信ステップと、
   受信された前記超音波に係る信号に基づき前記測定対象の内部構造に関する情報を表示する表示ステップと、
   を有することを特徴とする内部構造の探査方法。
2. 前記第２被測定部を構成する材料の音響インピーダンスの値は、前記第１被測定部を構成する材料と比較して、空気の音響インピーダンスの値に近いことを特徴とする請求項１記載の内部構造の探査方法。
3. 請求項１記載の内部構造の探査方法に用いられる探触子であって、
   前記第２被測定部に超音波を送信するとともに、送信された前記超音波が前記第２被測定部および前記所定の空間を透過した後、少なくとも前記第１被測定部において反射して、前記所定の空間および前記第２被測定部を透過した前記超音波を受信信号に変換することを特徴とする探触子。