JP2017053693A - 構造物の非破壊検査方法及び非破壊検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造物の健全性を定量的に遠隔にて検査することのできる非破壊検査方法及び非破壊検査装置を提供する。【解決手段】構造物の健全性を遠隔にて検査する構造物の非破壊検査方法であって、構造物の表面を粒子化した水で打撃することにより打音を発生させ、打音の波形信号を受信して周波数解析することにより波形信号の周波数情報を得て、波形信号の周波数情報に基づいて構造物の健全性を遠隔にて非破壊で定量的に検査する構造物の非破壊検査方法及び非破壊検査装置。【選択図】図１

Description

本願発明は、構造物の健全性を検査する構造物の非破壊検査方法及び非破壊検査装置に関する。

トンネルや橋梁などの構造物は豊かな社会を支える重要な社会インフラであるが、老朽化や災害時の対応に、調査・点検が必要とされる。構造物の検査は、まず目視でおこない、問題箇所が発見された場合に打音検査を行う。

遠隔にて打音検査を行う方法としては、特許文献１や特許文献２のものが知られている。特許文献１には、構造物の打撃に空気の密度差による衝撃波を用いるものが記載されている。また、特許文献２には、氷玉を検査面に当てるものが記載されている。

特開２００１−２６４３０２号公報 特開２００３−２４０７６３号公報

しかしながら、特許文献１のように空気による密度差を利用すると、膨大な騒音が発生してしまう。また、特許文献２によれば、氷を生成する必要があるために装置が大きなものになる。また、当たった個所のみを検査することとなり、検査の効率が悪い。トンネルや橋梁の全面にわたる打音検査は、膨大な費用が必要であり、効率的かつ経済的な打音検査方法が望まれている。

そこで、本願発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、構造物の健全性を効率的かつ経済的に検査を行う非破壊検査方法及び非破壊検査装置を提供することにある。

本願発明の第１の観点は、構造物の健全性を検査する非破壊検査方法であって、前記構造物の表面を水で打撃することにより前記構造物に振動を発生させ、前記振動を周波数解析して前記構造物の健全性を非破壊で検査することを特徴とするものである。

本願発明の第２の観点は、第１の観点の非破壊検査方法であって、前記振動は、前記構造物の表面に前記水を打撃することにより生じた打音であり、センサーが前記打音を検出することにより、前記構造物の健全性を非破壊で遠隔にて検査することを特徴とするものである。

本願発明の第３の観点は、第１又は２の観点の非破壊検査方法であって、前記構造物の表面に粒子化された水を打撃することにより、打撃の間に間隔を空けて、複数回の粒子化された水を打撃し、複数回のそれぞれの粒子化された水の打撃による打音を、前記間隔を利用して、前記周波数解析を行うことを特徴とするものである。

本願発明の第４の観点は、前記粒子化された水は、前記水に増粘剤を添加することによって、粒子を大型化することを特徴とするものである。

本願発明の第５の観点は、前記構造物の表面に、水量を変動して打撃し、水量が変動する水の打撃による打音を、前記変動を利用して、前記周波数解析を行うことを特徴とするものである。

本願発明の第６の観点は、放水する水の圧力を変調し、及び／又は、放水するノズルの水路の断面積を変調して、前記水量を変動させることを特徴とするものである。

本願発明の第７の観点は、前記水を放水するためのノズルは、ノズル内を撥水剤でコーティングし、ノズル内の管路抵抗を低減させたことを特徴とするものである。

本願発明の第８の観点は、前記構造物の表面の検査対象範囲を水で打撃することを特徴とするものである。

本願発明の第９の観点は、構造物の健全性を検査する非破壊検査装置であって、前記構造物の表面を水で打撃することにより前記構造物に振動を発生させる振動発生手段と、前記振動を検出するセンサーと、前記振動を周波数解析する信号処理手段と、前記周波数解析の結果を用いて前記構造物の健全性を非破壊で検査する検査処理手段を備えることを特徴とするものである。

本願発明の各観点によれば、構造物の表面に水を打撃することにより、構造物を振動させる。そのため、氷などを生成する必要がなく、安価に非破壊検査を実現することができる。

特に、第２の観点によれば、水を打撃することによる打音を利用することにより、非破壊かつ遠隔にて検査することが可能になる。例えば特許文献１のように空気の密度差を利用すると、打音を利用した非破壊検査を行うことができない。そのため、例えばレーザーなどを利用することとなり、検査が高価なものとなる。それに対し、本願発明によれば、常温で存在する水を利用し、かつ、その打音を利用するため、安価かつ容易に検査をすることができる。

さらに、第３の観点にあるように粒子化された水を利用して間隔を設けたり、第５の観点にあるように水量を変動させたりすることにより、構造物の表面への打撃に間隔や変化をさせることにより、水を利用した構造物の健全性を検査することが可能になる。特に、断続的に放水することにより、粒子化した水の打撃によって加振された壁面は、打撃が停止しても振動を継続し、振動音を発する。このとき、水が壁面で砕け散る音がないので、水が壁面を打撃していない間に波形信号を収集すると、ノイズの少ない波形信号を得ることができる。

なお、本願発明における波形信号の周波数解析において、周波数情報を加算平均することが望ましい。センサーで収集される波形信号には、構造物の健全性（あるいは欠陥）の情報を含む壁面の振動による波形信号と、粒子化した水が壁面で砕け散る時に生じる波形信号と、外部からの波形信号とが含まれる。構造物の健全性（あるいは欠陥）の情報を含む壁面の振動による波形信号は、時間に依存しない定常的な波形信号である。そのため、その周波数情報も時間に関係なく一定である。そこで、時間の異なる複数の周波数情報を加算平均すると、健全性（あるいは欠陥）によって生じる特異の周波数情報は強調され、時間に依存する粒子化した水の砕け散る時に生じる波形信号や、外部からの波形信号の周波数情報は低減する。その結果、精度の高い健全性（あるいは欠陥）評価が可能になる。

本願発明の一実施の形態に係る検査装置の概略構成例を表す図である。 高速バルブの図である。 高速バルブの拡大図である。 本願発明のウォータージェットの形状を示した図である。 水滴８が検査面を打撃している様子を示した図である。 信号処理方法を示した図である。 高圧水ポンプを用いた検査装置の概略構成例を表す図である。 遠隔打音検査装置等を車両に搭載して連続検査を行っている図である。 断続的にウォータージェットを放水している図である。 欠陥のないコンクリート壁面の波形信号である。 図９のような波形信号の周波数スペクトルである。 人工欠陥を埋め込んだコンクリート壁面の波形信号である。 図１２のような波形信号の周波数スペクトルである。 図１３のパワースペクトルである。

以下、本願発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

＜実施の形態＞
［検査措置１の構成］
図１は、本願発明の実施の形態の一例である検査装置（検査装置１）の概略構成を模式的に表したものである。検査装置１は、粒子化した水の打撃によって生じる打音を利用して、遠隔にて非破壊検査を行う装置である。

この検査装置１は、高速バルブ１、リニアソレノイド４、電源２、コンピューター３、高圧タンク５、パラボラ集音板１１、単一指向性マイクロフォン１２、信号処理装置３を備えている。本願発明の実施の形態の一例である検査方法は、本願実施の形態の検査装置１において具現化されるため、以下併せて説明する。

高速バルブ１には、高圧タンク５から高圧水が供給される。高圧タンク５内は水６と高圧空気７が充填されている。高速バルブ１の開閉は、リニアソレノイド４によっておこなう構造になっている。リニアソレノイド４のコイルは電源２とつながれており、電源２はコンピューター３で制御される。

図２は、本願発明の実施の形態の一例である検査装置（検査装置１）の高速バルブ１の詳細図である。図３は、その拡大図である。高圧タンク５から供給された高圧水は高圧水注入口２５から高圧水室２４に入る。ニードルバルブ２９はスプリング２２によってノズル２１に押しつけられ、高圧水は高圧室２４内に保持される。ニードルバルブ２９はソレノイドのプランジャー２６に連結されている。

［検査装置１の作用・効果］
（基本動作）
この検査装置１では、電源２からリニアソレノイド４に電力が供給されると、直ちにニードルバルブ２９が引っ張られ、高圧水がノズルの円孔３０を通過して放水される。

すると、図４に示すように、連続した水は水の表面張力によって粒子化した水８となる。

そして、粒子化した水８は、図５に示すように、ある領域９にわたって構造物の壁面１４を平均的に打撃する。打音１５は、パラボラ集音板１１で収音され、単一指向性マイクロフォン１２によって電気信号に変換される。

図６は、信号処理の流れを示した図である。マイクロフォン１２によって収集された波形信号３１を一定の時間間隔で分割し、分割信号３２、３３、３４、３５、・・・、とする。それぞれの分割信号の周波数スペクトル３６、３７、３８、３９、・・・を高速フーリエ変換によって求め、平均した周波数スペクトル４０を算出する。この平均した周波数スペクトルによって、検査対象の健全性を判定する。

［検査措置２の構成］
図７は、本願発明の実施の形態の一例である検査装置（検査装置２）の概略構成を模式的に表したものである。高圧水ポンプ４１を用いて、水タンク４２から供給される水を放水する構成となっている。

（実施の形態）
図８は、検査装置（検査装置２）を車両１６に搭載して連続検査を行っている図である。

図９は、断続的に水を放水している図である。粒子状の水が構造物の壁面を打撃していない時に信号計測をおこなうと、水が壁面で砕け散る音を拾うことがなく、ノイズを低減することができる。

（実施例）
ここで、図１の検査装置１を用いて計測をおこなった。ノズル直径１ｍｍ、水の放水の速度１０ｍ／ｓ、距離４ｍ。壁面では水滴は約直径１０ｃｍの領域に広がった。粒子径はビデオ計測から約２ｍｍであった。検査対象は、欠陥のないコンクリート壁面と、直径２００ｍｍの円盤状人工欠陥を深さ２５ｍｍに埋めたコンクリート壁面とした。欠陥を有するコンクリートへ壁面の打撃点は、欠陥中心上とした。

＜欠陥のないコンクリート壁面＞
図１１は、計測した２００ｍｓの波形信号を十分割した一つである。図１１は、１０個の区間の周波数スペクトルを求めて平均化した周波数スペクトルである。明確なピークは確認できない。

＜直径２００ｍｍ、深さ２５ｍｍの人工欠陥を有するコンクリート壁面＞
図１２は、計測した２００ｍｓの波形信号を十分割した一つである。図１３は、１０個の区間の周波数スペクトルを求めて平均化した周波数スペクトルである。卓越したピークが２．７ｋＨｚに確認できる。また、図１４は、図１３の振幅を二乗したパワースペクトルを示している。ピークはさらに卓越し、精度の高い計測が可能であることがわかる。

本願発明の特徴は、遠隔において高速度で打音検査が可能である点である。周波数解像度を０．５ｋＨｚとすれば、２ｍｓ（１／０．５ｋＨｚ）の波形信号で一つの周波数波形を得ることができる。非破壊検査装置を車両に搭載して検査した場合、３６ｋｍ／ｈ（１０ｍ／ｓ）で車両が移動すると、１０ｍ／ｓ×０．００２ｓ＝０．０２ｍの移動の間に一回の計測が可能である。

本願発明は経済的にも優れている。図１では、圧縮空気を用いた加圧を用いているが、図７に示すように、高圧水ポンプを用いることもできる。この装置は極めて安価で、打撃に用いる水も河川等から汲み上げれば、ランニングコストはほぼゼロである。

検査において、水滴による検査面の洗浄効果もある。表面の付着物による美観低下の改善や酸性雨などの化学的侵食によるコンクリートの劣化の予防効果が期待できる。

１ 高速バルブ、
２ 電源、
３ コンピューター、
４ リニアソレノイド、
５ 高圧タンク、
６ 水、
７ 高圧空気、
８ 粒子化した水、
９ 円形の打撃領域
１０ 拡散した粒子化した水、
１１ パラボラ集音板、
１２ 単一指向性マイクロフォン、
１３ 欠陥、
１４ 構造物、
１５ 打音、
１６ 遠隔打音検査装置搭載車両、
１７ 水タンク及び高圧ポンプ、
１８ 放水装置、
１９ 超指向性高感度マイクロフォン、
２１ ノズル、
２２ スプリング、
２４ 高圧水室、
２５ 高圧水注入口、
２６ リニアソレノイドのプランジャー、
２７ ベース、
２８ シリンダー、
２９ ニードルバルブ、
３０ ノズルの円孔、
３１ 波形信号、
３２、３３、３４、３５ 分割された波形信号、
３６、３７、３８、３９ 分割された波形信号の周波数スペクトル、
４０ 平均化された周波数スペクトル、
４１ 高圧水ポンプ
４２ 水タンク。

Claims (9)

1. 構造物の健全性を検査する非破壊検査方法であって、
   前記構造物の表面を水で打撃することにより前記構造物に振動を発生させ、
   前記振動を周波数解析して前記構造物の健全性を非破壊で検査することを特徴とする構造物の非破壊検査方法。
2. 前記振動は、前記構造物の表面に前記水を打撃することにより生じた打音であり、
   センサーが前記打音を検出することにより、前記構造物の健全性を非破壊で遠隔にて検査することを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査方法。
3. 前記構造物の表面に粒子化された水を打撃することにより、打撃の間に間隔を空けて、複数回の粒子化された水を打撃し、
   複数回のそれぞれの粒子化された水の打撃による打音を、前記間隔を利用して、前記周波数解析を行う、請求項１又は２に記載の非破壊検査方法。
4. 前記粒子化された水は、前記水に増粘剤を添加することによって、粒子を大型化する、請求項３に記載の非破壊検査方法。
5. 前記構造物の表面に、水量を変動して打撃し、
   水量が変動する水の打撃による打音を、前記変動を利用して、前記周波数解析を行う、請求項１又は２に記載の非破壊検査方法。
6. 放水する水の圧力を変調し、及び／又は、放水するノズルの水路の断面積を変調して、前記水量を変動させる、請求項５に記載の非破壊検査方法。
7. 前記水を放水するためのノズルは、
   ノズル内を撥水剤コーティングし、ノズル内の管路抵抗を低減させたものである、請求項１から６のいずれかに記載の非破壊検査方法。
8. 前記構造物の表面の検査対象範囲を水で打撃することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の非破壊検査方法。
9. 構造物の健全性を検査する非破壊検査装置であって、
   前記構造物の表面を水で打撃することにより前記構造物に振動を発生させる振動発生手段と、
   前記振動を検出するセンサーと、
   前記振動を周波数解析する信号処理手段と、
   前記周波数解析の結果を用いて前記構造物の健全性を非破壊で検査する検査処理手段を備える構造物の非破壊検査装置。