JP2018040725A

JP2018040725A - 地上構造物の損傷検査装置及び方法

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Publication number: JP2018040725A
Application number: JP2016175611A
Authority: JP
Inventors: 天野　哲也; Tetsuya Amano; 哲也天野; 敏行真弓; Toshiyuki Mayumi
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: JP6711218B2

Abstract

【課題】内部に空間を有する地上構造物の損傷を容易に検査することができる地上構造物の損傷検査装置を提供する。【解決手段】内部に空間を有する地上構造物１に音波５を入射し、音波５を伝搬させる送波装置２を取り付ける。地上構造物１の損傷部８から外部に漏洩して空気を伝搬した音波９を音波センサ３で検出する。データ処理装置１２は、音波センサ３の検出データに基づいて、損傷部８の位置を特定する。表示装置１３は、撮影装置４が撮影した地上構造物１の撮影画像に、損傷部８の位置を可視化した画像を重ね合わせて表示する。【選択図】図１

Description

本発明は、地上構造物の損傷を検査するための装置及び方法に関する。

鉄塔等の地上構造物には、鋼製のものが多数存在する。鋼の腐食を防止するために、地上構造物の表面には、亜鉛メッキや塗装が施される。しかし、亜鉛メッキや塗装は経年により消失し、鋼の減肉、穴開き等の損傷を招く。このため、亜鉛メッキや塗装を定期的に補修する必要がある。

地上構造物が大型の場合、亜鉛メッキや塗装の補修には莫大なメンテナンス費用がかかる。メンテナンス費用を抑えるために、地上構造物の損傷状況を把握し、損傷箇所のみを部分的に補修したり、補修期間を延長したりすることが要請されている。

従来から、人が地上構造物に上り、目視や打音によって地上構造物の損傷状況を把握することが行われている。しかし、目視や打音による検査は、高所作業になるので、足場を必要とするという課題がある。

足場を不要にするために、特許文献１には、地上構造物を昇降する昇降ロボットやヘリコプターにカメラを搭載し、カメラで撮影した地上構造物の画像をコンピュータにより画像処理し、地上構造物の損傷状況を把握する構造物の検査方法が開示されている。

特開平１１−１３２９６２号公報

しかし、特許文献１に記載の検査方法にあっては、昇降ロボットやヘリコプターを必要とするので、検査に手間がかかるという課題がある。

ところで、地上構造物には、内部に空間を有するものも存在する。例えば、携帯電話の基地局には、電柱のような内部に空間を有する筒状体が用いられるし、橋脚にも内部に空間を有する構造材が用いられる。このような地上構造物には、内部に空間があるという特性を活かした検査が望まれる。

そこで、本発明は、内部に空間を有する地上構造物の損傷を容易に検査することができる地上構造物の損傷検査装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、内部に空間を有する地上構造物に音波を入射し、前記地上構造物の内部に前記音波を伝搬させる送波装置と、前記地上構造物の損傷部から前記地上構造物の外部に漏洩して空気を伝搬した音波を検出する音波センサと、前記音波センサの検出データに基づいて、前記損傷部の位置を特定するデータ処理装置と、を備える地上構造物の損傷検査装置である。

本発明の他の態様は、内部に空間を有する地上構造物に音波を入射し、前記地上構造物の内部に前記音波を伝搬させる工程と、前記地上構造物の損傷部から前記地上構造物の外部に漏洩して空気を伝搬した音波を検出する工程と、前記音波の検出データに基づいて、前記損傷部の位置を特定する工程と、を備える地上構造物の損傷検査方法である。

本発明によれば、腐食によって地上構造物に生じた孔若しくは減肉部、又はフランジのボルトの緩み部等の損傷部からの漏洩音を音波センサで検出して、損傷部の位置を特定することができる。このため、内部に空間を有する地上構造物の損傷を容易に検査することができる。

本発明の第一の実施形態の地上構造物の損傷検査装置の全体構成図である。地上構造物に取り付けられるスピーカを示す図（地上構造物を断面で示す）である。スピーカを地上構造物の内部に配置した例を示す図である。開口合成法を説明する模式図である。開口合成における信号加算を説明する図である。開口合成における加算後の信号波形を示す図である。本発明の第二の実施形態の地上構造物の損傷検査装置の全体構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の地上構造物の損傷検査装置（以下、単に損傷検査装置という）を説明する。ただし、本発明の損傷検査装置は種々の形態で具体化することができ、明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本実施形態の損傷検査装置の全体構成図を示す。図１において、符号１は地上構造物、符号２は送波装置としてのスピーカ、符号３は複数の音波センサ３ａ〜３ｄとしてのマイクロホンアレイ、符号４は撮影装置としてのＣＣＤ又は赤外線カメラである。

地上構造物１は、筒状であり、一方向（例えば上下方向）に細長い。地上構造物１の内部の空間も一方向に細長い。筒状の地上構造物１の断面形状は、特に限定されるものではなく、円形でも四角形でもよい。地上構造物１の下部の側面には、スピーカ２が取り付けられる。図２に示すように、地上構造物１の側面には、孔１ａが開けられる。スピーカ２は、孔１ａを介して地上構造物１の内部の空気に連通する。図１に示すように、スピーカ２は、地上構造物１の内部に音波５を入射する。音波５は、地上構造物１の内部を伝搬する。

図３に示すように、スピーカ２は、地上構造物１の側面でなく内部に配置することもできる。この場合、スピーカ２を地上構造物１の下部に配置し、スピーカ２が上方に向かって音波５を発生するようにするのが望ましい。地上構造物１にマンホール等があり、内部にスピーカ２を配置することができる場合は、地上構造物１に孔１ａなどの加工が不要である上、入射音波による騒音等の問題も生じにくい。

図１に示すように、スピーカ２が発生させる音波５の周波数は、信号発生装置６によって調整される。信号発生装置６が発生させた波形は、増幅器７によって増幅され、スピーカ２を振動させる。

信号発生装置６は、周波数を調整した波形として、符号となるパターンを発生させる。符号となるパターンとは、周波数を時間変化させたチャープ信号、擬似ランダム信号（Ｍ系列によって位相変調を行った信号、Ｍ系列パターンでオンオフしたホワイトノイズ信号）等である。符号となるパターンは、地上構造物１の内部を伝搬させた音波５を地上構造物１の周辺環境の音波から識別するために使用される。

信号発生装置６は、周波数が一定の正弦波を発生させることも、互いに異なる複数の周波数の正弦波を重ね合わせた波形を発生させることもできる。例えば煙突のように地上構造物１の頂部が開放している場合、地上構造物１の頂部から音波５が漏れにくくするために、信号発生装置６は、地上構造物１の頂部が音波５の節になるような周波数の正弦波を発生させる。一方、地上構造物１の頂部が蓋等で塞がれている場合、信号発生装置６は、地上構造物１の内部に定在波が生じるような周波数の正弦波を発生させる。小さいエネルギで地上構造物１の内部に振幅の大きな音波５を発生させるためである。

地上構造物１の内部を伝搬する音波５は、腐食により生じた孔、フランジのボルトの緩みなどにより生じた隙間など、外部と通じている損傷部８から漏洩する。腐食による減肉部等の損傷部８からも、同様に外部に音波５が漏洩する。

損傷部８から外部に漏洩した音波９は、空気のみを伝搬し、マイクロホンアレイ３によって検出される。損傷部８から漏洩した音波９をマイクロホンアレイ３で検出することによって、音源の位置、すなわち損傷部８の位置を特定することができる。

マイクロホンアレイ３の検出データは、データ記録装置１１に記録され、データ処理装置１２に入力される。データ処理装置１２は、開口合成法を用いて、マイクロホンアレイ３が検出した音波データの位相差から損傷部８の位置を特定する。また、データ処理装置１２は、信号発生装置６が発生させた信号とマイクロホンアレイ３が検出した音波データとの相互相関をとり、マイクロホンアレイ３が検出した音波データが地上構造物１の内部を伝搬し、損傷部８から漏洩した音波９であることを確認する。

図４ないし図６は、開口合成法を説明する模式図である。音源位置（損傷部８の位置）から離れた位置に複数の音波センサ１〜Ｍを配置すると、音源位置からの距離に応じて複数の音波センサ１〜Ｍへの音波の到達時間が変化する。符号１の音波センサにはτ_１時間経過後に音波が到達し、符号２の音波センサにはτ_２時間経過後に音波が到達し、…符号ｉの音波センサには、τ_ｉ時間経過後に音波が到達する。音源位置から最も離れている符号Ｍの音波センサにはτ_ｍａｘ時間経過後に音波が到達する。

図５の左側の遅延前の欄には、符号１〜Ｍの音波センサが受信した波形Ｓ_１（ｔ）〜Ｓ_Ｍ（ｔ）を示す。図５の右側の遅延後の欄に示すように、符号１〜ｉの音波センサが受信した波形Ｓ_１（ｔ）〜Ｓ_ｉ（ｔ）の位相を符号Ｍの音波センサが受信した波形の位相に合わせてずらす、すなわち遅延させると、符号１〜Ｍの音波センサの波形の位相が一致する。図６に示すように、位相を一致させた符号１〜Ｍの音波センサの波形を重ね合わせると、波形のピークが得られる。

開口合成法では、符号１〜ｉの音波センサの波形の位相を電気的に少しずつずらし、重ね合わせた波形がピークになるように位相差（符号Ｍの音波センサの波形の位相と符号１〜ｉの音波センサの波形の位相との差）を求める。位相差は、音源位置から符号１〜Ｍの音波センサまでの距離の差に相当する。データ処理装置１２は、この距離の差に基づいて、音源位置を特定する。

表示装置１３は、画像処理装置と、画像処理装置が生成する画像を表示するディスプレイと、を備える。データ処理装置１２は、損傷部８の位置を表示装置１３の画像処理装置の座標系に変換し、表示装置１３の画像処理装置に出力する。

マイクロホンアレイ３には、カメラ４が隣接して配置される。カメラ４は、撮影した画像データを表示装置１３の画像処理装置に出力する。

表示装置１３の画像処理装置は、カメラ４が撮影した地上構造物１の撮影画像に損傷部８の位置を可視化した画像を重ね合わせた画像を生成する。損傷部８の位置を可視化した画像は、円形等のマークである。表示装置１３のディスプレイは、この重ね合わせた画像を表示する。これにより、損傷部８の位置をディスプレイ上で把握することができる。

出力装置１４は、地上構造物１に損傷部８を指示するレーザビームを照射する。出力装置１４は、レーザビームを出射するレーザビーム出射部と、レーザビーム出射部が出射するレーザビームの方向を制御する制御部と、を備える。レーザビーム出射部は、レーザ光源から発光されたレーザを回転可能なミラーで反射させて地上構造物１に向かわせる。データ処理装置１２が算出した損傷部８の位置データは、制御部に入力される。制御部は、損傷部８の位置データに基づいて、レーザビームが損傷部８を照射するようにミラーの角度を制御する。

地上構造物１にレーザビームを照射する替わりに、表示装置１３の画像処理装置が作成した画像をプロジェクタにより地上構造物１に投影することもできる。本発明の「地上構造物１に損傷部８を指示するビームを照射する」は、プロジェクタによって地上構造物１に損傷部８の位置を可視化した画像を投影する場合を含む。

以上に記載の損傷検査装置により、地上構造物１の損傷部８の位置を可視化することができる。また、損傷検査を一定期間ごとに繰り返して行い、音波センサ３ａ〜３ｄの検出データの経時的な変化を記録することで、初期段階の損傷を検出することが可能になる。

図７は、本発明の第二の実施形態の損傷検査装置の全体構成図を示す。地上構造物１、スピーカ２、増幅器７、信号発生装置６、表示装置１３、出力装置１４の構成は、第一の実施形態の損傷検査装置と同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。

第二の実施形態の損傷検査装置では、ドローン等の飛行体２１にマイクロホン等の音波センサ２２及びＣＣＤ又は赤外線カメラ２３を搭載する。音波センサ２２の検出データ及びカメラ２３が撮影した画像データは、無線又は有線通信を介してデータ記録装置２４に記録され、データ処理装置２５に入力される。データ処理装置２５には、飛行体２１の位置も入力される。

データ処理装置２５は、音波センサ２２が地上構造物１に接近し、地上構造物１に対して昇降したり、円周方向に移動したりするときの音波センサ２２の検出データの強度に基づいて、損傷部８の位置を特定する。すなわち、データ処理装置２５は、音波センサ２２が地上構造物１に対して昇降するとき、検出した音波９の強度がピークになるときの音波センサ２２の高さを損傷部８の高さと特定する。また、音波センサ２２が地上構造物１の円周方向に移動するとき。検出した音波９の強度がピークになるときの音波センサ２２の円周方向の位置を損傷部８の円周方向の位置と特定する。データ処理装置２５は、損傷部８の位置を表示装置１３の画像処理装置の座標系に変換し、表示装置１３に出力する。

表示装置１３は、カメラ２３が撮影した地上構造物１の撮影画像に損傷部８の位置を可視化した画像を重ね合わせた画像を表示する。出力装置１４は、地上構造物１に損傷部８を指示するレーザビームを照射する。

以上に本実施形態の損傷検査装置及び方法を説明した。なお、本発明は上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に変更可能である。

例えば、上記第一の実施形態の損傷検査装置において、複数の音波センサを用いて損傷部の位置を特定しているが、集音器（パラボラアンテナ）と組み合わせた一つの音波センサを用いて損傷部の位置を特定することもできる。例えば、集音器及び一つの音波センサを水平方向に移動させながら音波の強度がピークになるように集音器を首振り（回転）させれば、損傷部の位置を特定することができる。

１…地上構造物
２…スピーカ（送波装置）
３…マイクロホンアレイ（音波センサ）
４…カメラ（撮影装置）
５，９…音波
６…信号発生装置
７…増幅器
８…損傷部
１１…データ記録装置
１２…データ処理装置
１３…表示装置
１４…出力装置
２１…飛行体
２２…音波センサ
２３…カメラ（撮影装置）
２４…データ記録装置
２５…データ処理装置

Claims

内部に空間を有する地上構造物に音波を入射し、前記地上構造物の内部に前記音波を伝搬させる送波装置と、
前記地上構造物の損傷部から前記地上構造物の外部に漏洩して空気を伝搬した音波を検出する音波センサと、
前記音波センサの検出データに基づいて、前記損傷部の位置を特定するデータ処理装置と、を備える地上構造物の損傷検査装置。
前記損傷検査装置は、
前記地上構造物を撮影する撮影装置と、
前記撮影装置が撮影した前記地上構造物の撮影画像に、前記損傷部の位置を可視化した画像を重ね合わせて表示する表示装置と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の地上構造物の損傷検査装置。
前記損傷検査装置は、
前記損傷部の位置データに基づいて、前記地上構造物に前記損傷部を指示するビームを照射する出力装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の地上構造物の損傷検査装置。
前記データ処理装置は、複数の前記音波センサが検出した音波の位相差に基づいて、前記損傷部の位置を特定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の地上構造物の損傷検査装置。
前記損傷検査装置は、
前記音波センサが搭載される飛行体を備え、
前記データ処理装置は、前記飛行体が前記損傷部に接近したときの前記音波センサの検出データに基づいて、前記損傷部の位置を特定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の地上構造物の損傷検査装置。
内部に空間を有する地上構造物に音波を入射し、前記地上構造物の内部に前記音波を伝搬させる工程と、
前記地上構造物の損傷部から前記地上構造物の外部に漏洩して空気を伝搬した音波を検出する工程と、
前記音波の検出データに基づいて、前記損傷部の位置を特定する工程と、を備える地上構造物の損傷検査方法。
請求項６に記載の損傷検査方法を一定期間ごとに繰り返して行い、前記音波の検出データの経時的な変化を記録することを特徴とする請求項６に記載の地上構造物の損傷検査方法。