JP2018096858A - Method for non-contact acoustic probing and non-contact acoustic probing system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、音波を用いた非接触音響探査法および非接触音響探査システムに関するものである。 The present invention relates to a non-contact acoustic exploration method and a non-contact acoustic exploration system using sound waves.
近年、コンクリート構造物や各種材料の内部欠陥を発見したり地中に埋設された物品を検出したりするなどの目的で、音波や超音波を利用する方法が種々提案されている。本発明者らは下記の特許文献１および特許文献２において、音波を用いて非接触で欠陥等の探査対象物を探査する手法を提案している。これらの手法は、コンクリート構造などの対象構造物に対して二次元的に音波を照射し、この対象構造物の表面の振動速度を計測して探査対象物をスキャンするものである。このほか、レーザや電磁波などを対象構造物に照射して欠陥等の探査対象物を抽出または映像化する各種の手法が提案されている。 In recent years, various methods using sound waves and ultrasonic waves have been proposed for the purpose of discovering internal defects in concrete structures and various materials and detecting articles embedded in the ground. In the following Patent Document 1 and Patent Document 2, the present inventors have proposed a method for searching for a search object such as a defect in a non-contact manner using sound waves. In these methods, a target structure such as a concrete structure is two-dimensionally irradiated with sound waves, and the surface of the target structure is measured for vibration speed to scan the target object. In addition, various methods for extracting or imaging a search target such as a defect by irradiating the target structure with a laser or electromagnetic wave have been proposed.
コンクリート構造物や各種材料においては様々な状況下で健全部の内部に欠陥が発生するため、高い探査精度で健全部と内部欠陥とを識別する手法が望まれている。かかる要望は、コンクリート構造物や各種材料における内部欠陥の探査に限らず、土壌や工業製品など様々な探査対象物に対して広く希求されている。 In concrete structures and various materials, a defect occurs inside the healthy part under various circumstances, and therefore, a method for discriminating between the healthy part and the internal defect with high exploration accuracy is desired. Such a demand is not limited to exploration of internal defects in concrete structures and various materials, but is widely desired for various exploration objects such as soil and industrial products.
しかしながら従来の欠陥検出法では、欠陥部と健全部とを識別するためには何らかの閾値が必要とされるところ、閾値の設定基準は経験者による判断に委ねられており、明確な根拠に拠るものではなかった。すなわち従来の欠陥検出法では健全部を明確に規定する手法というものは存在しなかった。 However, in the conventional defect detection method, a certain threshold value is required to distinguish between a defective part and a healthy part. However, the threshold setting standard is left to the judgment of an experienced person and is based on a clear basis. It wasn't. That is, in the conventional defect detection method, there is no method for clearly defining the healthy part.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、各種のコンクリート構造物や材料等において健全部を明確かつ客観的に規定することが可能な非接触音響探査の手法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a non-contact acoustic exploration technique capable of clearly and objectively defining a healthy part in various concrete structures and materials. To do.
本発明者らは鋭意検討し、上記課題を解決する手法を見出し、そして本発明を完成させた。
本発明の非接触音響探査法は、被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程と、取得された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程と、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定する工程と、を含むことを特徴とする。
The present inventors diligently studied, found a technique for solving the above problems, and completed the present invention.
The non-contact acoustic exploration method of the present invention includes a step of irradiating a surface of an irradiated body with a transmitted sound wave to vibrate the irradiated body and acquiring acoustic features at a plurality of measurement points on the surface; Determining a confidence interval in a probability distribution followed by the population among the acquired population of acoustic feature amounts, and based on the acoustic feature amount existing inside the confidence interval, And a step of estimating the internal structure of the irradiated object.
また本発明の非接触音響探査システムは、被照射体の表面に送波音波を照射する音響発信源と、照射された前記送波音波により加振される前記被照射体の前記表面の複数の計測箇所において振動速度を光学的に計測する光学計測器と、前記光学計測器の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、算出された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定することを特徴とする。 Further, the non-contact acoustic exploration system of the present invention includes an acoustic transmission source that irradiates a surface of an irradiated body with a transmitted sound wave, and a plurality of surfaces of the irradiated body that are vibrated by the transmitted transmitted sound wave. An optical measuring instrument that optically measures a vibration velocity at a measurement location; and an arithmetic unit that calculates an acoustic feature quantity based on a measurement result of the optical measuring instrument, wherein the arithmetic unit calculates the calculated A confidence interval in a probability distribution followed by the population of acoustic feature quantities is determined, and an internal structure of the irradiated object is determined based on the acoustic feature quantities existing inside the confidence interval. It is characterized by estimating.
被照射体における健全部は或る程度の均一性を有しているため、健全部の表面から取得される音響学的特徴量の値は平均値の付近に集積し、正規分布などの確率分布に従うとともに所定の信頼区間に収まるように分布する。一方、内部欠陥などの探査対象物が存在している位置で取得された音響学的特徴量の値は、健全部で取得された値とは異なるものとなる。このため、探査対象物に応じて所定の信頼区間を設定し、この信頼区間の内側に存在する音響学的特徴量に基づいて被照射体の内部構造を推定することで、かかる推定結果は探査対象物における健全部の内部構造を示すものとなる。したがって本発明によれば、たとえば様々な組成をもち場所により特性の異なるコンクリート構造物や材料等を対象にした場合でも、非接触音響探査法に精通した熟練経験者を必要とせずに健全部を明確かつ客観的に規定することが可能である。 Since the healthy part in the irradiated object has a certain degree of uniformity, the acoustic feature values acquired from the surface of the healthy part are accumulated near the average value, and a probability distribution such as a normal distribution. And is distributed so as to be within a predetermined confidence interval. On the other hand, the value of the acoustic feature quantity acquired at the position where the search object such as the internal defect exists is different from the value acquired at the healthy part. For this reason, a predetermined confidence interval is set according to the object to be explored, and the estimation result is obtained by estimating the internal structure of the irradiated object based on the acoustic feature amount existing inside the confidence interval. It shows the internal structure of the healthy part in the object. Therefore, according to the present invention, for example, even when a concrete structure or material having various compositions and different characteristics depending on the location is targeted, a healthy part can be formed without requiring a skilled person who is familiar with the non-contact acoustic exploration method. It can be defined clearly and objectively.
本発明について説明する。本発明は、音響特徴量の統計的分布を用いた非接触音響探査法に関するものであり、コンクリート構造などの被照射体の健全部を抽出し、またこれにより被照射体の内部の探査対象物の位置を正確に把握することができる。被照射体は特に限定されないが、たとえば、コンクリート構造物、地面（土、砂、石、アスファルト等）、木、液体、人体などが挙げられる。たとえば、地面に埋められている地雷の位置を把握する場合には、地面が被照射体であり地雷が探査対象物である。コンクリート構造物の内部の欠陥部の位置を把握する場合には、コンクリート構造物が被照射体であり欠陥部が探査対象物である。人体の内部に存在する腫瘍等の位置を把握する場合には、臓器などの体組織が被照射体であり腫瘍等が探査対象物である。各種製品の内部の欠陥部の位置を非破壊にて把握すること場合には、当該各種製品が被照射体であり欠陥部が探査対象物である。 The present invention will be described. The present invention relates to a non-contact acoustic exploration method using a statistical distribution of acoustic features, and extracts a healthy part of an irradiated object such as a concrete structure, and thereby a search object inside the irradiated object. The position of can be accurately grasped. The irradiated body is not particularly limited, and examples thereof include a concrete structure, the ground (such as earth, sand, stone, and asphalt), wood, liquid, and human body. For example, when the position of a land mine buried in the ground is grasped, the ground is an irradiated object, and the land mine is an exploration target. When grasping the position of the defective part inside the concrete structure, the concrete structure is an irradiated object and the defective part is an object to be searched. When the position of a tumor or the like existing inside a human body is grasped, a body tissue such as an organ is an irradiated object, and a tumor or the like is an object to be searched. In the case of grasping the position of a defective portion inside various products in a non-destructive manner, the various products are irradiated objects, and the defective portion is an object to be searched.
図１は、本発明の実施形態の非接触音響探査システム（以下、「探査システム」と略記する場合がある）１０の構成を示す説明図である。探査システム１０は、探査対象物３を内部に含む被照射体１の表面に送波音波１２を照射して被照射体１を振動させ、表面の複数の計測箇所において振動速度を計測して探査対象物３の位置を判断するシステムである。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a non-contact acoustic exploration system (hereinafter, sometimes abbreviated as “exploration system”) 10 according to an embodiment of the present invention. The exploration system 10 irradiates the surface of the irradiated object 1 including the exploration target 3 with the transmitted sound wave 12 to vibrate the irradiated object 1 and measures the vibration velocity at a plurality of measurement points on the surface to search. This is a system for determining the position of the object 3.
探査システム１０は、音響発信源１１、光学計測器１３および演算部１５１を備えている。音響発信源１１は、被照射体１の表面に送波音波１２を照射する手段である。被照射体１は探査対象物３を内部に含んでもよい。光学計測器１３は、音響発信源１１から照射された送波音波１２により加振される被照射体１の表面の複数の計測箇所において、当該表面の振動速度を光学的に計測する機器である。演算部１５１は、光学計測器１３の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する。演算部１５１は、具体的にはコンピュータ１５のＣＰＵ(Central Processing Unit)により実現される。
本実施形態の演算部１５１は、算出された音響学的特徴量の母集団のうち、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、そしてこの信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて被照射体の内部構造を推定する。更に演算部１５１は、この信頼区間から外れる音響学的特徴量が算出された計測箇所を、計測不良位置または探査対象物の位置と推定してもよい。
The exploration system 10 includes an acoustic transmission source 11, an optical measuring instrument 13, and a calculation unit 151. The acoustic transmission source 11 is means for irradiating the surface of the irradiated object 1 with the transmitted sound wave 12. The irradiated object 1 may include the search object 3 inside. The optical measuring instrument 13 is an apparatus that optically measures the vibration speed of the surface at a plurality of measurement locations on the surface of the irradiated object 1 that is vibrated by the transmitted sound wave 12 irradiated from the acoustic transmission source 11. . The computing unit 151 calculates an acoustic feature amount based on the measurement result of the optical measuring instrument 13. The computing unit 151 is specifically realized by a CPU (Central Processing Unit) of the computer 15.
The computing unit 151 of the present embodiment determines a confidence interval in the probability distribution that the population follows among the population of the calculated acoustic feature amount, and the acoustics existing inside the confidence interval. The internal structure of the irradiated object is estimated based on the feature amount. Further, the calculation unit 151 may estimate the measurement location where the acoustic feature quantity deviating from the confidence interval is calculated as the measurement failure position or the position of the search target object.
以下、探査システム１０について更に詳細に説明する。 Hereinafter, the exploration system 10 will be described in more detail.
被照射体１は、たとえばコンクリート構造物や土壌などである。被照射体１の内部に探査対象物３が存在しない場合には、音響学的特徴量の母集団のうち計測不良を除く実質的に全部が信頼区間の内側に存在することとなる。一方、被照射体１の内部に局所的に探査対象物３が存在していてもよい。探査対象物３としては空洞や剥離欠陥などの欠陥部（ボイド）を挙げることができるが、このほか被照射体１と共振周波数が異なる金属などの埋設物でもよい。 The irradiated body 1 is, for example, a concrete structure or soil. When the exploration target 3 does not exist inside the irradiated object 1, substantially all of the acoustic feature quantity population excluding measurement failures exists inside the confidence interval. On the other hand, the exploration target 3 may exist locally inside the irradiated object 1. Examples of the object 3 to be investigated include a void (void) such as a cavity or a peeling defect, but other than this, an embedded object such as a metal having a resonance frequency different from that of the irradiated object 1 may be used.
音響発信源１１は、送波音波１２を所定の送波時間間隔ごとに送出する。音響発信源１１にはフラットスピーカを用いることができる。音響発信源１１の数やスピーカの角度等は特に限定されない。音響発信源１１には、フラットスピーカの他、パラメトリックスピーカも好ましく用いることができ、具体的にはＬＲＡＤ社製の長距離音響放射装置（LRAD（登録商標）：Long Range Acoustic Device）や強力超音波音源を好ましく用いることができる。このほか音響発信源１１にはラウドスピーカやパルスレーザ、高圧ガスガン、衝撃波管を用いることができる。 The acoustic transmission source 11 transmits the transmitted sound wave 12 at every predetermined transmission time interval. A flat speaker can be used as the sound source 11. The number of the sound transmission sources 11 and the angle of the speaker are not particularly limited. In addition to a flat speaker, a parametric speaker can also be preferably used as the acoustic transmission source 11. Specifically, a long-range acoustic radiation device (LRAD (registered trademark): Long Range Acoustic Device) manufactured by LRAD, or a powerful ultrasonic wave can be used. A sound source can be preferably used. In addition, a loudspeaker, a pulse laser, a high-pressure gas gun, or a shock tube can be used for the acoustic transmission source 11.
音響発信源１１から被照射体１へ照射される送波音波１２は、所望の周波数（ω）に調整することができ、かつ、被照射体１の表面をその振動速度が光学計測器１３によって測定できる程度に、表面に対して平行方向ではない方向（好ましくは、表面に対する垂直方向）へ振動させることができる音波であればよい。被照射体１の共振周波数帯が不明である場合には、音響発信源１１から被照射体１へ照射される送波音波１２は、広い周波数帯域を含むトーンバースト波であることが好ましい。ただし、全ての周波数を含むホワイトノイズを用いることも可能である。送波音波１２は、空気中で振動振幅が減衰し難い可聴帯域の音波（音響波）が好ましい。超音波は空気中で振動振幅の減衰が大きいものの、音響発信源１１が発する送波音波１２としての使用を排除するものではなく、音波には超音波を含む。送波音波１２の強度は、音響発信源１１から被照射体１へ当該送波音波１２を照射することで、被照射体１の表面に９０ｄＢ以上の音圧を発生させる強度であることが好ましく、１００ｄＢ程度の音圧を発生させる強度であることがより好ましい。 The transmitted sound wave 12 irradiated from the acoustic transmission source 11 to the irradiated object 1 can be adjusted to a desired frequency (ω), and the vibration speed of the surface of the irradiated object 1 is adjusted by the optical measuring instrument 13. Any sound wave that can be oscillated in a direction that is not parallel to the surface (preferably, a direction perpendicular to the surface) is sufficient. When the resonance frequency band of the irradiated object 1 is unknown, the transmitted sound wave 12 irradiated from the acoustic transmission source 11 to the irradiated object 1 is preferably a tone burst wave including a wide frequency band. However, it is also possible to use white noise including all frequencies. The transmitted sound wave 12 is preferably an audible sound wave (acoustic wave) whose vibration amplitude is difficult to attenuate in air. Although the ultrasonic wave has a large attenuation of vibration amplitude in the air, it does not exclude the use as the transmitted wave 12 generated by the acoustic transmission source 11, and the sound wave includes an ultrasonic wave. The intensity of the transmitted sound wave 12 is preferably an intensity that generates a sound pressure of 90 dB or more on the surface of the irradiated object 1 by irradiating the irradiated sound wave 12 from the acoustic transmission source 11 to the irradiated object 1. More preferably, the intensity is such that a sound pressure of about 100 dB is generated.
探査システム１０は、任意波形発生装置１７およびアンプ１９を有している。コンピュータ１５は、演算部１５１に加えて制御装置１５２および表示部１５３を含んでおり、制御装置１５２によって任意波形発生装置１７を制御して、所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる。光学計測器１３は、任意波形発生装置１７が発生するトリガ信号に制御装置１５２を同期させて計測する。表示部１５３は、振動速度分布図等を表示するディスプレイ画面等である。 The exploration system 10 includes an arbitrary waveform generator 17 and an amplifier 19. The computer 15 includes a control device 152 and a display unit 153 in addition to the calculation unit 151, and controls the arbitrary waveform generation device 17 by the control device 152 to generate a sound wave having a desired frequency from the acoustic transmission source 11. The optical measuring instrument 13 measures the control device 152 in synchronization with the trigger signal generated by the arbitrary waveform generator 17. The display unit 153 is a display screen or the like that displays a vibration velocity distribution diagram or the like.
任意波形発生装置１７は、制御装置１５２の指令によって所望の周波数の音波を音響発信源１１から発生させる。制御装置１５２は、音響発信源１１から送波音波１２が出力される時間関係を制御する手段である。任意波形発生装置１７には市販のファンクションジェネレータ等を用いることができる。アンプ１９に用いられる機器は特に限定されず、市販のオーディオアンプを用いることができる。 The arbitrary waveform generator 17 generates a sound wave having a desired frequency from the acoustic transmission source 11 according to a command from the controller 152. The control device 152 is a means for controlling the time relationship in which the transmitted sound wave 12 is output from the acoustic transmission source 11. A commercially available function generator or the like can be used for the arbitrary waveform generator 17. A device used for the amplifier 19 is not particularly limited, and a commercially available audio amplifier can be used.
光学計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を光学的に計測する計器である。光学計測器１３としてはレーザドップラ振動計を好ましく用いることができる。ただし、光学計測器１３を被照射体１に対して近距離に配置する場合には光学計測器１３としてレーザ変位計を用いることもできる。光学計測器１３にレーザドップラ振動計を用いる場合、光学計測器１３はレーザ（観察波１３１）を被照射体１に照射する。送波音波１２が照射されて振動する被照射体１の表面で観察波１３１が反射されて光学計測器１３の受光部（図示せず）で受光されることにより、光学計測器１３は被照射体１の表面の振動速度を計測する。この観察波１３１は、探査対象物３を内包する被照射体１の振動状況を示す目的信号である。光学計測器１３で得られた振動速度の計測データは演算部１５１で解析するために用いられる。 The optical measuring instrument 13 is an instrument that optically measures the vibration speed of the surface of the irradiated object 1. As the optical measuring instrument 13, a laser Doppler vibrometer can be preferably used. However, a laser displacement meter can be used as the optical measuring instrument 13 when the optical measuring instrument 13 is arranged at a short distance with respect to the irradiated object 1. When a laser Doppler vibrometer is used for the optical measuring instrument 13, the optical measuring instrument 13 irradiates the irradiated body 1 with a laser (observation wave 131). The optical measuring instrument 13 is irradiated by the observation wave 131 reflected by the surface of the irradiated object 1 that is irradiated with the transmitted sound wave 12 and vibrated and received by a light receiving unit (not shown) of the optical measuring instrument 13. The vibration speed of the surface of the body 1 is measured. The observation wave 131 is a target signal indicating the vibration state of the irradiated object 1 that includes the object to be searched 3. The vibration velocity measurement data obtained by the optical measuring instrument 13 is used for analysis by the calculation unit 151.
光学計測器１３には、１回の計測で被照射体１の表面の１点における振動計測が可能なシングルレーザタイプのレーザ振動計を用いることも可能であるが、スキャニングレーザタイプのレーザ振動計を用いることが好ましい。スキャニング振動計であるレーザドップラ振動計としては、具体的に、ポリテックジャパン社製のＰＳＶ５００およびＰＳＶ５００Ｘｔｒａが挙げられる。シングルレーザタイプのレーザ振動計としては、長距離測定用のレーザドップラ振動計であるポリテックジャパン社製のＲＳＶ−１５０を例示することができる。光学計測器１３は、演算部１５１の機能の一部を実現するものであってもよい。すなわち光学計測器１３は、被照射体１の表面の振動速度を計測し、かかる計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出してもよい。 As the optical measuring instrument 13, a single laser type laser vibrometer capable of measuring vibration at one point on the surface of the irradiated object 1 by one measurement can be used. However, a scanning laser type laser vibrometer can be used. Is preferably used. Specific examples of laser Doppler vibrometers that are scanning vibrometers include PSV500 and PSV500Xtra manufactured by Polytech Japan. As a single laser type laser vibrometer, RSV-150 manufactured by Polytech Japan, which is a laser Doppler vibrometer for long distance measurement, can be exemplified. The optical measuring instrument 13 may realize a part of the function of the calculation unit 151. That is, the optical measuring instrument 13 may measure the vibration speed of the surface of the irradiated object 1 and calculate the acoustic feature quantity based on the measurement result.
演算部１５１は、光学計測器１３で得られた振動速度の計測結果を用いて音響学的特徴量を算出し、そして算出された音響学的特徴量の母集団を統計処理することにより、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する。 The calculation unit 151 calculates an acoustic feature amount using the measurement result of the vibration velocity obtained by the optical measuring instrument 13, and statistically processes the population of the calculated acoustic feature amount, thereby Determine confidence intervals in the probability distribution followed by the population.
以下、本実施形態の非接触音響探査法（以下、本方法という場合がある）について説明する。 Hereinafter, the non-contact acoustic exploration method of the present embodiment (hereinafter sometimes referred to as the present method) will be described.
本方法は、特徴量取得工程、信頼区間算出工程および推定工程を含む。
特徴量取得工程は、被照射体１の表面に音響発信源１１より送波音波１２を照射して被照射体１を振動させ、そして被照射体１の表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程である。
信頼区間算出工程は、取得された音響学的特徴量の母集団のうち、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程である。
推定工程は、信頼区間の内側に存在する音響学的特徴量に基づいて被照射体１の内部構造を推定する工程である。
The method includes a feature amount acquisition step, a confidence interval calculation step, and an estimation step.
In the feature amount acquisition step, the surface of the irradiated object 1 is irradiated with the transmitted sound wave 12 from the acoustic transmission source 11 to vibrate the irradiated object 1, and acoustics are measured at a plurality of measurement points on the surface of the irradiated object 1. This is a step of acquiring a target feature amount.
The confidence interval calculation step is a step of determining a confidence interval in the probability distribution followed by the population of the acquired acoustic feature quantity.
An estimation process is a process of estimating the internal structure of the to-be-irradiated body 1 based on the acoustic feature amount existing inside the confidence interval.
以下、本方法を更に詳細に説明する。 Hereinafter, this method will be described in more detail.
特徴量取得工程で制御装置１５２は、送波音波１２を特定時刻に限局して音響発信源１１から出力させる。音響発信源１１から出力される送波音波１２は特に限定されないが、ノイズ波やバースト波を好ましく用いることができる。送波音波１２の波形は正弦波でも三角波でも矩形波でもよい。 In the feature amount acquisition process, the control device 152 limits the transmitted sound wave 12 to a specific time and outputs it from the acoustic transmission source 11. The transmitted sound wave 12 output from the acoustic transmission source 11 is not particularly limited, but a noise wave or a burst wave can be preferably used. The waveform of the transmitted sound wave 12 may be a sine wave, a triangular wave, or a rectangular wave.
図１に示すように、音響発信源１１から被照射体１の表面までの距離をｄ１とする。光学計測器１３は、送波音波１２が照射されて振動している被照射体１の表面にレーザ（観察波１３１）を照射するなどして当該表面の振動速度を計測する。光学計測器１３から、被照射体１に対する観察波１３１の照射位置までの距離をｄ２とし、光学計測器１３と音響発信源１１との距離をｄ３とする。送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面で反射して光学計測器１３に到達するまでの距離はｄ１＋ｄ２となる。送波音波１２が音響発信源１１より送出されてから被照射体１の表面に到達するまでの時間（目標到達時間）はｄ１／音速（Ｖｓ）である。観察波１３１（レーザ）の速度は音速に比べて十分に高いため、被照射体１の表面の振動が開始する目標到達時間の瞬間が光学計測器１３による計測可能時間の開始タイミングとなる。音響発信源１１が送波音波１２を送出してから反射音波１２２が光学計測器１３に入射するまでの時間（反射到達時間）は（ｄ１＋ｄ２）／音速（Ｖｓ）となる。また、音響発信源１１より送出された送波音波１２は、ｄ３／音速（Ｖｓ）の時間（直接到達時間）で直接音波１２１として光学計測器１３に到達する。直接音波１２１は音響発信源１１から光学計測器１３に直接に到達する不要信号であり、反射音波１２２は被照射体１で反射して光学計測器１３に到達する不要信号である。音響発信源１１と光学計測器１３とが互いに近傍に配置される場合、直接到達時間は目標到達時間よりも短く、また反射到達時間は目標到達時間の約２倍となる。したがって、たとえば目標到達時間から反射到達時間までの時間帯は、光学計測器１３に不要信号が入射することなく観察波１３１を光学計測器１３が受光可能である。
演算部１５１は、光学計測器１３の計測結果のうち被照射体１が振動している時間帯を判定し、この時間帯と異なる時間に光学計測器１３が計測した計測結果から不要成分の少なくとも一部を抑圧する。演算部１５１は、光学計測器１３の計測結果である被照射体１の振動速度に関する目的信号を、この時間帯に限局して取得するようにゲート処理を施すとよい。このほか演算部１５１は目的信号に周波数ゲートを適用してもよい。演算部１５１におけるゲート処理の詳細は本発明者らによる特願２０１２−２５８８８８号（特許文献１）に記載の処理が例示される。演算部１５１は、目的信号に対して時間および周波数ゲート処理を行ったのち、ＦＦＴ（フーリエ変換）処理を行う。
As shown in FIG. 1, the distance from the acoustic source 11 to the surface of the irradiated body 1 and d 1. The optical measuring instrument 13 measures the vibration speed of the surface by irradiating the surface of the irradiated object 1 irradiated with the transmitted sound wave 12 with a laser (observation wave 131). From the optical measuring instrument 13, the distance to the irradiation position of the observation wave 131 with respect to the irradiated body 1 and d 2, the distance between the optical measuring instrument 13 and the acoustic source 11 and d 3. The distance from when the transmitted sound wave 12 is transmitted from the acoustic transmission source 11 until it is reflected by the surface of the irradiated object 1 and reaches the optical measuring instrument 13 is d 1 + d 2 . The time (target arrival time) from when the transmitted sound wave 12 is transmitted from the acoustic transmission source 11 until it reaches the surface of the irradiated object 1 is d 1 / sound velocity (Vs). Since the speed of the observation wave 131 (laser) is sufficiently higher than the speed of sound, the instant of the target arrival time at which the vibration of the surface of the irradiated object 1 starts becomes the start timing of the measurable time by the optical measuring instrument 13. The time from when the acoustic transmission source 11 sends the transmitted sound wave 12 until the reflected sound wave 122 enters the optical measuring instrument 13 (reflection arrival time) is (d 1 + d 2 ) / sound velocity (Vs). The transmitted sound wave 12 sent from the acoustic transmission source 11 reaches the optical measuring instrument 13 as a direct sound wave 121 at a time of d 3 / sound velocity (Vs) (direct arrival time). The direct sound wave 121 is an unnecessary signal that directly reaches the optical measuring instrument 13 from the acoustic transmission source 11, and the reflected sound wave 122 is an unnecessary signal that is reflected by the irradiated object 1 and reaches the optical measuring instrument 13. When the acoustic transmission source 11 and the optical measuring instrument 13 are arranged in the vicinity of each other, the direct arrival time is shorter than the target arrival time, and the reflection arrival time is about twice the target arrival time. Therefore, for example, in the time period from the target arrival time to the reflection arrival time, the optical measuring instrument 13 can receive the observation wave 131 without an unnecessary signal entering the optical measuring instrument 13.
The computing unit 151 determines a time zone in which the irradiated object 1 is oscillating among the measurement results of the optical measuring instrument 13, and at least unnecessary components are determined from the measurement results measured by the optical measuring instrument 13 at a time different from this time slot. Repress some. The calculation unit 151 may perform gate processing so as to acquire a target signal related to the vibration speed of the irradiated object 1 as a measurement result of the optical measuring instrument 13 limited to this time zone. In addition, the calculation unit 151 may apply a frequency gate to the target signal. Details of the gate processing in the calculation unit 151 are exemplified by the processing described in Japanese Patent Application No. 2012-258888 (Patent Document 1) by the present inventors. The arithmetic unit 151 performs time and frequency gate processing on the target signal, and then performs FFT (Fourier transform) processing.
送波音波１２としてバースト波を送波する場合、送波される各回の音波（バースト群）の送波時間間隔は一定であることが好ましい。また送波音波１２は、バースト群を構成する一または複数の音波の周波数が一定であるシングルトーンバースト波でもよく、またはバースト群を構成する複数の音波の個々の周波数が互いに異なるマルチトーンバースト波でもよい。マルチトーンバースト群は、送波される一つのバースト群における一の時刻の中心周波数と他の時刻の中心周波数とが異なる送波音波である。また、送波音波１２として送波されるシングルトーンバースト波およびマルチトーンバースト波は、バースト群ごとに周波数を変化させることが好ましく、すなわち、第１のバースト群に含まれる単一または複数の周波数（群）と、この第１のバースト群の後に送波される第２のバースト群に含まれる単一または複数の周波数（群）と、が互いに異なるとよい。なお、周波数群が互いに異なるとは、各周波数群に含まれる周波数が完全一致していることを排除する趣旨であり、各周波数群を構成する周波数の一部または全部が互いに異なることを意味する。
音響発信源１１が送波するバースト群の一個あたりの時間長は反射到達時間よりも短いとよい。これにより、目標到達時間から反射到達時間までの時間帯で送波音波１２の目的信号を取得するにあたり、次の送波音波１２による直接音波１２１が当該時間帯に光学計測器１３に到達することを回避可能である。
When a burst wave is transmitted as the transmitted sound wave 12, it is preferable that the transmission time interval of each transmitted sound wave (burst group) is constant. The transmitted sound wave 12 may be a single tone burst wave in which the frequency of one or a plurality of sound waves constituting the burst group is constant, or a multitone burst wave in which the individual frequencies of the plurality of sound waves constituting the burst group are different from each other. But you can. The multi-tone burst group is a transmitted sound wave in which the center frequency at one time and the center frequency at another time in one burst group to be transmitted are different. The single-tone burst wave and multi-tone burst wave transmitted as the transmitted sound wave 12 preferably change the frequency for each burst group, that is, a single frequency or a plurality of frequencies included in the first burst group. The (group) and the single or plural frequencies (group) included in the second burst group transmitted after the first burst group may be different from each other. Note that the frequency groups being different from each other means that the frequencies included in each frequency group are completely matched, and means that some or all of the frequencies constituting each frequency group are different from each other. .
The time length per burst group transmitted by the acoustic transmission source 11 is preferably shorter than the reflection arrival time. Thereby, when acquiring the target signal of the transmitted sound wave 12 in the time zone from the target arrival time to the reflection arrival time, the direct sound wave 121 by the next transmitted sound wave 12 reaches the optical measuring instrument 13 in the time zone. Can be avoided.
特徴量取得工程で演算部１５１は、光学計測器１３が計測した目的信号に基づいて音響学的特徴量を取得する。本方法で用いられる音響学的特徴量は特に限定されるものではないが、被照射体１の表面の計測箇所における振動速度を少なくとも用いて算出される物理学的特徴量である。音響学的特徴量としては、振幅スペクトル（Ｓｆ）、振動エネルギー（ＰＳＤ）、振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））およびスペクトルエントロピー（Ｈ）を挙げることができる。 In the feature amount acquisition step, the calculation unit 151 acquires an acoustic feature amount based on the target signal measured by the optical measuring instrument 13. The acoustic feature amount used in the present method is not particularly limited, but is a physical feature amount calculated using at least the vibration velocity at the measurement location on the surface of the irradiated object 1. Examples of the acoustic feature amount include an amplitude spectrum (Sf), vibration energy (PSD), vibration energy ratio (VER (1)), and spectrum entropy (H).
振幅スペクトル（Ｓｆ）は、計測箇所における振動速度の波形をＦＦＴにより分解して求められる周波数ごとの振幅を示す値である。
振動エネルギー（ＰＳＤ）は、振動速度の２乗に比例する値である。
振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））は、最小ＰＳＤ部における振動エネルギーと、対象とする各計測箇所における振動エネルギーとの比であり、下記の式（１）から算出される。
The amplitude spectrum (Sf) is a value indicating the amplitude for each frequency obtained by decomposing the vibration velocity waveform at the measurement location by FFT.
The vibration energy (PSD) is a value proportional to the square of the vibration speed.
The vibration energy ratio (VER (1)) is a ratio between the vibration energy in the minimum PSD portion and the vibration energy in each target measurement location, and is calculated from the following equation (1).
ここで、最小ＰＳＤ部とは、本方法で対象とする多数の計測箇所においてそれぞれ求められた周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係を、光学計測器１３の共振周波数を含まない特定の周波数範囲で積分した値が最小値となるような計測箇所の位置をいう。最小ＰＳＤ部と判断された計測箇所は、内部欠陥などの探査対象物が存在しない比較的均一な内部構造の箇所（健全部）の１つと考えられる。上記の式（１）における分母の「ＰＳＤmin」は、最小ＰＳＤ部における、周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係についての積分値（積分範囲：ｆ1〜ｆ2）である。そして、式（１）における分子の「ＰＳＤx」は、最小ＰＳＤ部以外の計測箇所における、周波数と振動エネルギー（ＰＳＤ）との関係についての積分値（積分範囲：ｆ1〜ｆ2）である。 Here, the minimum PSD portion is a specific frequency range that does not include the resonance frequency of the optical measuring instrument 13 and represents the relationship between the frequency and the vibration energy (PSD) obtained at each of a large number of measurement points targeted by this method. This is the position of the measurement location where the value integrated in step is the minimum value. The measurement location determined to be the minimum PSD portion is considered to be one of relatively uniform internal structure locations (healthy portions) where there are no exploration objects such as internal defects. “PSD min ” of the denominator in the above equation (1) is an integral value (integral range: f 1 to f 2 ) regarding the relationship between the frequency and the vibration energy (PSD) in the minimum PSD portion. In the equation (1), “PSD x ” of the numerator is an integral value (integral range: f 1 to f 2 ) regarding the relationship between the frequency and vibration energy (PSD) at the measurement location other than the minimum PSD portion. .
スペクトルエントロピー（Ｈ）は、振幅スペクトル（Ｓｆ）を確率分布とみなした場合の情報エントロピーを示し、時間セグメントの周波数スペクトルが、全体としての領域の平均周波数スペクトルから異なる程度を表わす指標である。スペクトルエントロピー（Ｈ）は、振幅スペクトル（Ｓｆ）を用いて下記の式（２）および（３）から算出される。 Spectral entropy (H) indicates information entropy when the amplitude spectrum (Sf) is regarded as a probability distribution, and is an index representing the degree to which the frequency spectrum of the time segment differs from the average frequency spectrum of the region as a whole. The spectral entropy (H) is calculated from the following equations (2) and (3) using the amplitude spectrum (Sf).
なお、振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））およびスペクトルエントロピー（Ｈ）のより詳細な算出方法としては、本発明者らによる特願２０１４−１０８１４８（特許文献２）に記載された手法を用いることができる。
このほか音響学的特徴量としては、各計測箇所における振動速度の最大値を用いてもよい。すなわち特徴量取得工程において、光学計測器１３が被照射体１の計測箇所から計測した振動速度に基づいて演算部１５１が音響学的特徴量を取得するとは、上記のようにエネルギーやスペクトルを算出するほか、目的信号に対して各種のノイズ処理や抽出処理を施して、各計測箇所の振動状態を示す物理量を得ることをいう。
演算部１５１は、被照射体１の表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する。これにより、被照射体１の計測箇所の点数を要素数とする音響学的特徴量の母集団を得ることができる。
In addition, as a more detailed calculation method of vibration energy ratio (VER (1)) and spectrum entropy (H), the method described in Japanese Patent Application No. 2014-108148 (Patent Document 2) by the present inventors is used. it can.
In addition, as the acoustic feature quantity, the maximum value of the vibration velocity at each measurement location may be used. That is, in the feature amount acquisition step, when the calculation unit 151 acquires the acoustic feature amount based on the vibration speed measured by the optical measuring instrument 13 from the measurement location of the irradiated object 1, energy and spectrum are calculated as described above. In addition, it refers to obtaining a physical quantity indicating the vibration state of each measurement location by performing various noise processing and extraction processing on the target signal.
The calculation unit 151 acquires acoustic feature quantities at a plurality of measurement points on the surface of the irradiated object 1. Thereby, the population of the acoustic feature quantity which makes the number of points of the measurement location of the to-be-irradiated body 1 an element number can be obtained.
演算部１５１は、音響学的特徴量を１種類のみ取得してもよく、または複数種類の音響学的特徴量を取得してもよい。以下、本方法では、第一の音響学的特徴量として振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））、第二の音響学的特徴量としてスペクトルエントロピー（Ｈ）を取得するものとする。音響学的特徴量として振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））やスペクトルエントロピー（Ｈ）を採用することで、光学計測器１３が計測する目的信号の信号レベルの変動の影響を低減し、探査対象物３の正確な探査や、被照射体１における探査対象物３を除く健全部の正確な評価が可能となる。 The calculation unit 151 may acquire only one type of acoustic feature quantity or may acquire a plurality of types of acoustic feature quantities. Hereinafter, in this method, the vibration energy ratio (VER (1)) is acquired as the first acoustic feature amount, and the spectral entropy (H) is acquired as the second acoustic feature amount. By adopting vibration energy ratio (VER (1)) and spectral entropy (H) as acoustic feature quantities, the influence of fluctuations in the signal level of the target signal measured by the optical measuring instrument 13 is reduced, and the object to be searched 3 and accurate evaluation of the healthy part excluding the search object 3 in the irradiated object 1 becomes possible.
図２は、具体的な被照射体（コンクリート健全部）のＣＣＤカメラ画像である。計測点数は８１点（９×９）で、計測箇所の位置は図中に十字（＋）で示されている。この被照射体は、２４番や３４番の計測箇所に小さな内部欠陥を有している。かかる被照射体の表面に、長距離音響放射装置を用いて可聴域の送波音波を照射して振動させ、レーザドップラ振動計を用いて各計測箇所の振動速度を非接触音響探査法で光学的に計測した。
次に、計測された８１点の振動速度データから、各計測箇所での振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））とスペクトルエントロピー（Ｈ）を算出した。図３は振動エネルギー比（横軸）とスペクトルエントロピー（縦軸）との相関図であり、振動エネルギー比とスペクトルエントロピーの分布状態を示している。図３中のプロット近傍の数値は計測点番号である。図の左側にプロットが集合して分布していることがわかる。各計測点での音響学的特徴量（振動エネルギー比およびスペクトルエントロピー）の分布は正規分布に従うことが後述する実施例から推定されるところ、その正規分布からの外れ値と思われるプロットが図３の右側に幾つか点在して見られる。
FIG. 2 is a CCD camera image of a specific irradiated object (concrete healthy part). The number of measurement points is 81 (9 × 9), and the positions of the measurement points are indicated by a cross (+) in the figure. This irradiated body has a small internal defect at the 24th and 34th measurement locations. The surface of the irradiated object is vibrated by radiating audible transmitted sound waves using a long-range acoustic radiation device, and the vibration speed of each measurement point is optically measured by a non-contact acoustic exploration method using a laser Doppler vibrometer. Was measured.
Next, the vibration energy ratio (VER (1)) and spectral entropy (H) at each measurement location were calculated from the 81 vibration velocity data measured. FIG. 3 is a correlation diagram between the vibration energy ratio (horizontal axis) and the spectral entropy (vertical axis), and shows the distribution state of the vibration energy ratio and the spectral entropy. The numerical values in the vicinity of the plot in FIG. 3 are measurement point numbers. It can be seen that the plots are gathered and distributed on the left side of the figure. The distribution of acoustic features (vibration energy ratio and spectral entropy) at each measurement point is assumed to follow a normal distribution from the examples described later, and a plot that seems to be an outlier from the normal distribution is shown in FIG. It can be seen on the right side of the site.
図４は、コンクリート健全部に対する８１個の振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））の分布のＱ−Ｑプロットを示す図である。横軸は振動エネルギー比が正規分布の理論値に従う場合の期待累積パーセントであり、縦軸は振動エネルギー比の算出値の累積パーセントである。Ｑ−Ｑ（Ｑｕａｎｔｉｌｅ−Ｑｕａｎｔｉｌｅ）プロットは、データ群（ここでは８１個の振動エネルギー比の値）が、与えられた分布（ここでは正規分布）に従うかどうかを検定する手法である。
図４のグラフ中の右上がりの直線（参照線）は、正規分布に従う理想的なプロットの位置を示す。同図に示す結果では、大多数のプロットが参照線に乗っており、すなわち正規分布に従って存在することがわかる。そして、右上の楕円で囲まれた領域に幾つかの外れ値が目視される。
同図では６点を外れ値として目視にて検出することができるが、この検出をコンピュータにより客観的かつ機械的に実行するため、本方法では音響学的特徴量の確率分布の信頼区間を決定する。
FIG. 4 is a diagram showing a QQ plot of the distribution of 81 vibration energy ratios (VER (1)) with respect to the concrete sound part. The horizontal axis is the expected cumulative percentage when the vibration energy ratio follows the theoretical value of the normal distribution, and the vertical axis is the cumulative percentage of the calculated value of the vibration energy ratio. The Q-Q (Quantile-Quantile) plot is a method for testing whether a data group (here, 81 vibration energy ratio values) follows a given distribution (here, a normal distribution).
A straight line (reference line) rising to the right in the graph of FIG. 4 indicates an ideal plot position according to a normal distribution. From the results shown in the figure, it can be seen that the majority of plots are on the reference line, that is, exist according to the normal distribution. Then, some outliers are visually observed in the area surrounded by the upper right ellipse.
In this figure, 6 points can be detected visually as outliers, but since this detection is performed objectively and mechanically by a computer, the method determines the confidence interval of the probability distribution of acoustic features. To do.
信頼区間算出工程で演算部１５１は、上記の特徴量取得工程で取得された音響学的特徴量の母集団のうち、当該母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する。図９（ａ）および（ｂ）を参照して後述するように、被照射体１としてコンクリート構造物を用い、可聴域の送波音波１２を送波して加振させた場合、その表面の振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーの分布は正規分布に従うことが本発明者らの検討結果から明らかとなっている。これはコンクリート構造物の健全部における内部構造は或る程度の均一性を有しているため、健全部の表面の多数点から取得される音響学的特徴量は、平均値の付近に集積し、そして健全部の内部構造の僅かな不均一さは正規分布に従うと考えられるからである。このため本方法において演算部１５１は、音響学的特徴量の確率分布が正規分布であるとして信頼区間を算出する。ただし被照射体１によっては、正規分布ではなく、たとえばガンマ分布など他の連続型の確率分布に音響学的特徴量が従うとして信頼区間を算出することを排除するものではない。
信頼区間を算出する目的は、被照射体１の実際の計測においては，正規分布からの外れ値が幾つか含まれることがあるためである。外れ値が生じる要因としては、大別して、被照射体１の内部構造の不均一さ（すなわち探査対象物３の存在）と、計測不良の発生が挙げられる。このような外れ値を識別除去することで、被照射体１の健全部のみを評価抽出することが可能となる。
In the confidence interval calculation step, the calculation unit 151 determines a confidence interval in the probability distribution followed by the population of the acoustic feature amount acquired in the feature amount acquisition step. As will be described later with reference to FIGS. 9 (a) and 9 (b), when a concrete structure is used as the irradiated body 1 and the audible wave 12 is transmitted and vibrated, It is clear from the examination results of the present inventors that the distribution of vibration energy ratio and spectral entropy follow a normal distribution. This is because the internal structure of the sound part of the concrete structure has a certain degree of uniformity, so the acoustic features obtained from many points on the surface of the sound part are accumulated near the average value. This is because a slight non-uniformity in the internal structure of the healthy part is considered to follow a normal distribution. For this reason, in this method, the calculation unit 151 calculates the confidence interval on the assumption that the probability distribution of the acoustic feature amount is a normal distribution. However, depending on the irradiated object 1, it is not excluded to calculate the confidence interval that the acoustic feature quantity follows the other continuous probability distribution such as the gamma distribution instead of the normal distribution.
The purpose of calculating the confidence interval is that the actual measurement of the irradiated object 1 may include some outliers from the normal distribution. The factors that cause outliers are broadly classified into the non-uniformity of the internal structure of the irradiated object 1 (that is, the presence of the exploration target 3) and the occurrence of measurement defects. By identifying and removing such outliers, it is possible to evaluate and extract only the healthy part of the irradiated object 1.
信頼区間は種々の方法で決定することができるが、本方法では四分位数(quartile points)を用いた外れ値の検出方法を用いることができる。具体的には、四分位範囲(ＩＱＲ：interquartile range)の関数として決定される「箱ひげ図」に基づくボックスプロット関数によって信頼区間を設定し、外れ値を検出することができる。
ここで、コンクリート構造物などのように音響学的特徴量のデータ分布が非対称で偏りがある場合や極端な外れ値がある場合は、四分位数を用いて外れ値を検出することが有用である。仮に平均と標準偏差に基づいて外れ値を検出する場合、大きな外れ値があるとそれに引っ張られて平均と標準偏差が大きく影響を受けてしまうためである。これに対し、データを小さい方から順に並べて四分の一または四分の三のデータ個数となるデータの数値を用いる四分位数を採用することで、大きな外れ値があっても、その影響を受けずに健全部を抽出することができる。また、コンクリート構造物に送波音波を照射して振動速度を計測する場合、内部欠陥の面積はコンクリート構造物の全体の照射面積のごく一部であることが一般的であり、また計測不良も多く発生するものではない。このため、四分位範囲を信頼区間とすることで、健全部に対応する計測箇所における音響学的特徴量は信頼区間の内側に収まり、そして内部欠陥や計測不良に対応する少数の計測箇所における音響学的特徴量は信頼区間の外側に外れることとなる。
The confidence interval can be determined by various methods. In this method, an outlier detection method using quartile points can be used. Specifically, a confidence interval is set by a box plot function based on a “box plot” determined as a function of an interquartile range (IQR), and an outlier can be detected.
Here, it is useful to detect outliers using quartiles when the data distribution of acoustic features is asymmetric and biased, such as in concrete structures, or when there are extreme outliers. It is. This is because if an outlier is detected based on the average and the standard deviation, if there is a large outlier, the average and the standard deviation are greatly affected by being pulled out. On the other hand, even if there is a large outlier, the data are arranged in order from the smallest, and the quartile is used, which uses the number of data that is one quarter or three quarters of data. A healthy part can be extracted without receiving. Also, when measuring the vibration velocity by irradiating a concrete structure with transmitted sound waves, the area of the internal defect is generally a small part of the entire irradiation area of the concrete structure, and there are also measurement failures. It does not occur much. For this reason, by setting the quartile range as the confidence interval, the acoustic features at the measurement location corresponding to the sound part are within the confidence interval, and at a small number of measurement locations corresponding to internal defects or measurement failures. The acoustic feature amount falls outside the confidence interval.
ボックスプロット関数では、最小値＝Ｑ１／４−ｋ×ＩＱＲ、最大値＝Ｑ３／４＋ｋ×ＩＱＲ（ただし、ＩＱＲ＝Ｑ３／４−Ｑ１／４）として、この最小値以上かつ最大値以下の範囲を信頼区間とする。Ｑ３／４は第３四分位点であり、Ｑ１／４は第１四分位点である。係数ｋは一例として１．５を用いることができるが、これに限られず、１未満でも１以上でもよい。この信頼区間の内側に存在する値、すなわち最小値以上かつ最大値以下の音響学的特徴量が取得された計測箇所が健全部と推定される。ただし本方法において上記のボックスプロット関数や係数ｋの設定は一例である。 In the box plot function, minimum value = Q 1/4 −k × IQR, maximum value = Q 3/4 + k × IQR (where IQR = Q 3/4 −Q 1/4 ) The range below the value is the confidence interval. Q 3/4 is the third quartile and Q 1/4 is the first quartile. The coefficient k can be 1.5 as an example, but is not limited thereto, and may be less than 1 or 1 or more. A measurement location where a value existing inside the confidence interval, that is, an acoustic feature quantity greater than or equal to the minimum value and less than or equal to the maximum value is estimated as a healthy part. However, in this method, the box plot function and the coefficient k are set as an example.
図５は、８１点の全計測点における振動エネルギー比の母集団のデータにボックスプロットを適用した例を示す。図中の〇が外れ値を示し、その左側に振動エネルギー比の値を表示している。またボックスプロットの右側に、上から外れ値（outlier）、最大値、第３四分位点、中央値、第１四分位点、最小値が表示されている。上から３つ目と４つ目の外れ値は振動エネルギー比の値自体が近接しているために重なって見えているが異なるデータである。すなわち、同図の例では６点の外れ値が検出されている。この６点の外れ値が図４において楕円で囲んだ６点に対応していることをＱ−Ｑプロットにより確認する。 FIG. 5 shows an example in which a box plot is applied to population data of vibration energy ratios at all 81 measurement points. O in the figure indicates an outlier, and the value of the vibration energy ratio is displayed on the left side. On the right side of the box plot, an outlier, a maximum value, a third quartile, a median, a first quartile, and a minimum value are displayed from the top. The third and fourth outliers from the top are different data although they appear to overlap because the vibration energy ratio values themselves are close. That is, six outliers are detected in the example of FIG. It is confirmed by the QQ plot that these 6 outliers correspond to the 6 points surrounded by an ellipse in FIG.
図６は、ボックスプロット関数により信頼区間外と判定された上記６点を外れ処理した後の振動エネルギー比の分布のＱ−Ｑプロットを示す図である。同図より、６点を除いて抽出された振動エネルギー比のデータは正規分布に極めて良く従うことが確認される。以上より，音響特徴量の統計的分布のひとつである振動エネルギー比を用いた場合に、統計的な手法を用いて音響特徴量の信頼区間を設定することで健全部と探査対象物とを明確に弁別できることがわかる。また、音響特徴量の他の統計的分布であるスペクトルエントロピーについても、同様の手順で外れ値を検出でき、確率分布（正規分布）を特定して信頼区間を設定することで健全部と探査対象物とを弁別することができる。 FIG. 6 is a diagram illustrating a QQ plot of the distribution of vibration energy ratios after the above six points determined to be outside the confidence interval by the box plot function are processed. From the figure, it is confirmed that the vibration energy ratio data extracted excluding 6 points follow the normal distribution very well. From the above, when the vibration energy ratio, which is one of the statistical distributions of acoustic features, is used, the sound part and the exploration target are clarified by setting the confidence interval of the acoustic features using a statistical method. It can be seen that discrimination is possible. For spectral entropy, which is another statistical distribution of acoustic features, outliers can be detected using the same procedure, and the probability section (normal distribution) is identified and the confidence interval is set to determine the healthy part and the search target. It can be distinguished from things.
信頼区間算出工程では、一つの音響学的特徴量に基づいて計測不良や探査対象物の位置を推定してもよく、または複数の音響学的特徴量に基づいてこれらを推定してもよい。複数の音響学的特徴量、たとえば振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーの両方を用い、それぞれについて信頼区間を決定するとよい。そして、第一の音響学的特徴量（振動エネルギー比）および第二の音響学的特徴量（スペクトルエントロピー）が信頼区間の内側にそれぞれ存在する場合に、これらの音響学的特徴量を取得した計測箇所を健全部と決定し、かかる音響学的特徴量に基づいて被照射体１の内部構造を推定するとよい。これにより、確実に健全部と推定される計測箇所から取得された計測データに基づいて健全部を評価することができる。 In the confidence interval calculation step, the measurement failure or the position of the search object may be estimated based on one acoustic feature quantity, or these may be estimated based on a plurality of acoustic feature quantities. A plurality of acoustic feature quantities, such as vibration energy ratio and spectral entropy, may be used, and a confidence interval may be determined for each. Then, when the first acoustic feature quantity (vibration energy ratio) and the second acoustic feature quantity (spectral entropy) exist inside the confidence interval, these acoustic feature quantities were acquired. It is good to determine a measurement location as a healthy part and to estimate the internal structure of the irradiated object 1 based on the acoustic feature amount. Thereby, a sound part can be evaluated based on the measurement data acquired from the measurement location estimated to be a sound part reliably.
推定工程では、信頼区間の内側に存在する音響学的特徴量、言い換えると信頼区間から外れる音響学的特徴量を除去した母集団に基づいて、探査対象物を含まない位置（健全部）における被照射体の内部構造を推定する。健全部の内部構造を推定する具体的な手法としては公知のものを採用することができ、周波数や、音響学的特徴量として挙げた上記の物理学的特徴量の一以上（以下、振動特性という場合がある）を用いることができる。 In the estimation process, based on the acoustic feature that exists inside the confidence interval, in other words, the population from which the acoustic feature that deviates from the confidence interval is removed, the coverage at the position (sound part) that does not include the exploration target object. Estimate the internal structure of the irradiated body. As a specific method for estimating the internal structure of the healthy part, a known method can be adopted, and one or more of the above-mentioned physical feature amounts (hereinafter referred to as vibration characteristics) listed as the frequency or acoustic feature amount. May be used).
推定工程においては、探査対象物または計測不良と推定される可能性のある計測箇所を母集団からより多く除去して、健全部における音響学的特徴量のみを確実に抽出して健全部評価の精度を高めることが好ましい。この場合、信頼区間を狭く設定し、すなわち信頼区間の外側にプロットされる計測箇所を多くすることが好ましい。そして音響学的特徴量の母集団から、音響学的特徴量が信頼区間の外側に位置し、すなわち探査対象物または計測不良と推定される計測箇所を全て除去し、残る母集団の計測箇所における振動速度や音響学的特徴量に基づいて被照射体の健全部を評価するとよい。これにより、局所的な内部欠損や一部の計測不良の影響を排除して、被照射体の健全部の構造を精度よく評価することができる。このため、内部欠陥などの探査対象物と健全部とを識別するための閾値を、健全部の評価結果に近い値に設定することが可能となり、この結果、上述した光学計測器１３の計測結果に対して時間ゲートや周波数ゲート処理を施すにあたり、適切なゲート条件を設定することが可能になる。よって本方法によれば各種のノイズの影響を低減して探査対象物を精度よく探査することができる。 In the estimation process, the number of measurement objects that may be estimated to be exploration objects or measurement defects are removed from the population, and only the acoustic features in the healthy part are reliably extracted to evaluate the healthy part. It is preferable to increase the accuracy. In this case, it is preferable to set the confidence interval narrow, that is, to increase the number of measurement points plotted outside the confidence interval. And, from the population of acoustic features, the acoustic features are located outside the confidence interval, that is, all the measurement points that are estimated to be exploration objects or measurement defects are removed, and the remaining population measurement points The healthy part of the irradiated object may be evaluated based on the vibration speed and the acoustic feature amount. Thereby, the influence of a local internal defect | deletion and a part of measurement defect can be excluded, and the structure of the healthy part of a to-be-irradiated body can be evaluated accurately. For this reason, it becomes possible to set the threshold value for identifying the exploration object such as the internal defect and the healthy part to a value close to the evaluation result of the healthy part, and as a result, the measurement result of the optical measuring instrument 13 described above. Therefore, it is possible to set appropriate gate conditions when performing time gate and frequency gate processing. Therefore, according to this method, the influence of various noises can be reduced and the search object can be searched with high accuracy.
すなわち本方法は探査工程を更に含むとよい。探査工程は、推定工程によって健全部の内部構造の推定結果から上記の閾値を設定し、その後に行うことが好ましい。ただし本方法はこれに限らず、信頼区間算出工程の後であれば探査工程をいつ行なってもよい。
探査工程は、信頼区間から外れる音響学的特徴量が特徴量取得工程で取得された計測箇所を、計測不良位置または被照射体の内部に含まれる探査対象物の位置と推定する工程である。言い換えると、音響学的特徴量が所定の確率分布（正規分布）に乗っている計測箇所を健全部と推定し、確率分布（正規分布）に乗っていない計測箇所を計測不良位置または探査対象物の位置と推定する。本方法によれば、被照射体１から取得された音響学的特徴量の母集団を統計的に処理することで、信頼区間から外れる音響学的特徴量が取得された計測箇所が計測不良位置または探査対象物の位置と推定されるため、内部欠陥などの探査対象物とその周囲にある健全部などの構造体とを高い探査精度で弁別することが可能となる。
That is, the method may further include an exploration step. It is preferable that the exploration process is performed after setting the above-described threshold value based on the estimation result of the internal structure of the healthy part in the estimation process. However, the present method is not limited to this, and the exploration process may be performed anytime after the confidence interval calculation process.
The exploration step is a step of estimating a measurement location where an acoustic feature amount deviating from the confidence interval is acquired in the feature amount acquisition step as a measurement failure position or a position of an exploration target included in the irradiated body. In other words, a measurement location where the acoustic feature amount is on the predetermined probability distribution (normal distribution) is estimated as a healthy part, and a measurement location that is not on the probability distribution (normal distribution) is determined as a measurement failure position or an object to be searched. Estimated as the position of. According to this method, the statistical location of the acoustic feature quantity acquired from the irradiated object 1 is statistically processed, so that the measurement location from which the acoustic feature quantity outside the confidence interval is acquired is the measurement failure position. Alternatively, since the position of the search target is estimated, it is possible to discriminate the search target such as an internal defect from a structure such as a healthy part around the target with high search accuracy.
探査工程においても、複数の音響学的特徴量に基づいて計測不良位置または探査対象物の位置を推定するとよい。複数の音響学的特徴量、たとえば振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーの両方を用いることで、より高い精度で計測不良や探査対象物の位置を推定可能となることが期待される。すなわち、たとえば振動エネルギー比またはスペクトルエントロピーの少なくとも一方が信頼区間から外れた計測箇所を探査対象物の位置と推定することで見落としを低減することができる。言い換えると本方法においては、被照射体における複数点の計測箇所ごとに第一および第二の音響学的特徴量を取得して信頼区間をそれぞれ算出し、そして第一または第二の音響学的特徴量の少なくとも一方が信頼区間から外れる場合に、当該音響学的特徴量が取得された計測箇所を、計測不良位置または探査対象物の位置と推定するとよい。 Also in the exploration process, it is preferable to estimate the measurement failure position or the position of the exploration target based on a plurality of acoustic feature quantities. By using a plurality of acoustic feature quantities, for example, both vibration energy ratio and spectral entropy, it is expected that the measurement failure and the position of the search object can be estimated with higher accuracy. That is, for example, an oversight can be reduced by estimating a measurement location where at least one of vibration energy ratio or spectral entropy is out of the confidence interval as the position of the object to be searched. In other words, in this method, the first and second acoustic feature quantities are obtained for each of a plurality of measurement points on the irradiated object, the confidence intervals are calculated, and the first or second acoustic feature is calculated. When at least one of the feature quantities is out of the confidence interval, the measurement location from which the acoustic feature quantity has been acquired may be estimated as the measurement failure position or the position of the search object.
なお、上の説明では四分位数を用いる態様を例示したが、これに代えて、本方法では三分位数、五分位数、十分位数などｑ分位数（ｑは四以外で三以上の自然数）を用いてもよい。探査対象物の見落としを減らすことを優先して被照射体を探査する場合は、信頼区間を狭く設定し、すなわち信頼区間の外側にプロットされる計測箇所を多くすることが好ましい。これにより、探査対象物と疑われる計測箇所が漏れなく抽出される。かかる場合、たとえばボックスプロット関数における係数ｋを１．５よりも小さくしてもよく、または三分位数を用いて最小値＝Ｑ１／３−ｋ×ＩＱＲ、最大値＝Ｑ２／３＋ｋ×ＩＱＲ（ただし、ＩＱＲ＝Ｑ２／３−Ｑ１／３）としてもよい。 In the above description, an example using the quartile was illustrated, but instead of this, in this method, the q quartile such as the tertile, quintile, decile, etc. A natural number of 3 or more) may be used. When exploring the irradiated object with priority given to reducing the oversight of the search object, it is preferable to set a narrow confidence interval, that is, to increase the number of measurement points plotted outside the confidence interval. Thereby, the measurement location which is suspected of being an exploration object is extracted without omission. In such a case, for example, the coefficient k in the box plot function may be smaller than 1.5, or the minimum value = Q 1/3 −k × IQR and the maximum value = Q 2/3 + k using the tertile. × IQR (where IQR = Q 2/3 −Q 1/3 ) may be used.
以上説明した本実施形態の探査システムおよび本方法によれば、コンクリート構造物などの被照射体に対する非接触音響探査法から得られる音響学的特徴量の分布が正規分布に従うことを利用することにより、統計的手法を用いて外れ値である（計測不良点や内部欠陥）を自動検出して健全部を評価抽出することが可能である。そして本方法により被照射体の健全部を抽出して高精度で内部構造を評価できることにより、健全部の振動特性が既知のものとなる。この結果として、特徴量取得工程で行う時間ゲートや周波数ゲートにおいて適切にゲートを設定でき、不要信号を好適に抑圧することができる。これにより、被照射体１の周囲構造物からの反射波によるノイズを抑圧して健全部と内部欠陥（探査対象物）とを高精度に弁別することが可能となる。 According to the exploration system and the present method of the present embodiment described above, by utilizing the fact that the distribution of acoustic features obtained from the non-contact acoustic exploration method for irradiated objects such as concrete structures follows a normal distribution. It is possible to automatically detect a healthy part by automatically detecting outliers (measurement defect points and internal defects) using a statistical method. And by extracting the healthy part of the irradiated object and evaluating the internal structure with high accuracy by this method, the vibration characteristics of the healthy part become known. As a result, gates can be appropriately set in the time gate and frequency gate performed in the feature amount acquisition step, and unnecessary signals can be suitably suppressed. As a result, it is possible to suppress noise caused by the reflected wave from the surrounding structure of the irradiated object 1 and discriminate between the healthy part and the internal defect (search object) with high accuracy.
以下、本発明について実施例を用いて更に詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
図１に示した実験セットアップにて本方法の実施例を行った。音響発信源１１として長距離音響放射装置（ＬＲＡＤ−３００Ｘ）を用い、音響発信源１１から発した平面波音波（送波音波１２）により被照射体１の計測対象面を励振した。そして光学計測器１３としてスキャニング振動計（ＳＬＤＶ：ScanningLaser Doppler Vibrometer、ポリテック社製、ＰＳＶ４００−Ｈ４）を使用して、励振時の対象面上の振動速度を２次元的に計測した。 An example of the method was performed with the experimental setup shown in FIG. A long-distance acoustic radiation device (LRAD-300X) was used as the acoustic transmission source 11, and the measurement target surface of the irradiated object 1 was excited by plane wave sound waves (transmitted sound waves 12) emitted from the acoustic transmission source 11. Then, using a scanning vibrometer (SLDV: ScanningLaser Doppler Vibrometer, manufactured by Polytech Co., Ltd., PSV400-H4) as the optical measuring instrument 13, the vibration velocity on the target surface during excitation was measured two-dimensionally.
図７に、被照射体１として用いたコンクリート試験体の外観をＣＣＤカメラで撮影した画像を示す。コンクリート供試体は、コンクリート壁に円盤状の空洞を内部欠損として埋め込んだものを用いた。空洞には発砲スチロールを充填し、これをコンクリートで埋設した。円形空洞の輪郭部を図７に円形の枠で示す。円形空洞の直径は２００ｍｍ、厚さは２５ｍｍとし、コンクリート試験体の表面から円形空洞（発泡スチロール）の上面までの深さ距離は８０ｍｍとした。
コンクリート試験体の測定面上には約４ｃｍピッチで９×９＝８１点の正方格子状に計測点を配置した。円の外側に健全部、円の内側に空洞欠陥が存在する。画像中の＋マークは測定点で、その右下に測定点番号が表示されている。たとえば３２番や４１番の計測点は円形空洞の中央近傍に位置し、４８番等の計測点は円形空洞の輪郭部の近傍点であり、１１番などの計測点は円形空洞の外部、すなわち健全部に位置している。
In FIG. 7, the image which image | photographed the external appearance of the concrete test body used as the to-be-irradiated body 1 with the CCD camera is shown. As the concrete specimen, a concrete wall in which a disk-shaped cavity was embedded as an internal defect was used. The cavities were filled with foamed polystyrene and buried with concrete. The outline of the circular cavity is shown by a circular frame in FIG. The diameter of the circular cavity was 200 mm, the thickness was 25 mm, and the depth distance from the surface of the concrete specimen to the upper surface of the circular cavity (foamed polystyrene) was 80 mm.
On the measurement surface of the concrete specimen, measurement points were arranged in a square lattice of 9 × 9 = 81 points at a pitch of about 4 cm. A healthy part exists outside the circle, and a cavity defect exists inside the circle. The + mark in the image is a measurement point, and the measurement point number is displayed at the lower right. For example, measurement points No. 32 and No. 41 are located near the center of the circular cavity, measurement points No. 48 and the like are points near the contour of the circular cavity, and measurement points No. 11 and the like are outside the circular cavity, that is, Located in a healthy part.
光学計測器１３は、測定面上の各格子点を、加算平均回数５回で測定した。音響発信源１１から出力される送波音波１２の音圧は、コンクリート試験体の測定面上での最大音圧が約１００ｄＢになるように調節された。送波音波１２として、５００Ｈｚ以上７１００Ｈｚ以下の周波数帯域のトーンバースト波を用いた。トーンバースト波のパルス長は３ｍｓ、周波数インターバルは２００Ｈｚ、パルス・インターバルは５０ｍｓとした。 The optical measuring instrument 13 measured each lattice point on the measurement surface with an addition average number of 5 times. The sound pressure of the transmitted sound wave 12 output from the acoustic transmission source 11 was adjusted so that the maximum sound pressure on the measurement surface of the concrete specimen was about 100 dB. As the transmitted sound wave 12, a tone burst wave having a frequency band of 500 Hz to 7100 Hz was used. The pulse length of the tone burst wave was 3 ms, the frequency interval was 200 Hz, and the pulse interval was 50 ms.
音響発信源１１から光学計測器１３への直接音波（直達波）１２１および被照射体１からの反射音波１２２により光学計測器１３のレーザーヘッドが振動して生じる光学ノイズを軽減するため、各計測点で計測される振動速度波形について時間ゲート処理を行った。具体的には、送波音波１２と光学計測器１３のレーザ光の伝搬速度差を用いた時間分離法を用いて振動速度波形の目的信号を抽出した。また、周囲構造物からの反射波（残響）によるノイズを低減するため、送波音波１２の周波数帯域域を分離抽出する周波数ゲート処理を行った。かかるゲート処理の後、各計測点で得られた振幅スペクトル（Ｓｆ）から振動エネルギー（ＰＳＤ）を計算した。更に、振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））を上記の式（１）に基づいて算出した。振動エネルギー比（ＶＥＲ（１））の算出にあたっては、光学計測器１３のヘッドの共振周波数の影響を除くため１２００Ｈｚから８１９２Ｈｚの周波数帯域で積分を行った。そして、得られたデータから各計測点でのスペクトルエントロピー（Ｈ）を算出した。 In order to reduce optical noise generated by the vibration of the laser head of the optical measuring instrument 13 by the direct sound wave (direct wave) 121 from the acoustic transmission source 11 to the optical measuring instrument 13 and the reflected acoustic wave 122 from the irradiated object 1, each measurement is performed. Time gating was performed on the vibration velocity waveform measured at the point. Specifically, the target signal of the vibration velocity waveform was extracted using a time separation method using the propagation velocity difference between the transmitted sound wave 12 and the laser beam of the optical measuring instrument 13. Further, in order to reduce noise due to reflected waves (reverberation) from surrounding structures, frequency gate processing for separating and extracting the frequency band of the transmitted sound wave 12 was performed. After the gate processing, vibration energy (PSD) was calculated from the amplitude spectrum (Sf) obtained at each measurement point. Further, the vibration energy ratio (VER (1)) was calculated based on the above formula (1). In calculating the vibration energy ratio (VER (1)), integration was performed in the frequency band from 1200 Hz to 8192 Hz in order to eliminate the influence of the resonance frequency of the head of the optical measuring instrument 13. Then, the spectral entropy (H) at each measurement point was calculated from the obtained data.
健全部・欠陥部・計測不良点の識別は以下のようにして行った。図８は実施例にかかる振動エネルギー比とスペクトルエントロピーとの相関図である。図７に示した円形空洞の欠陥部に対応する計測点における振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーは、図８の右下の枠内に集合して存在していた。一方、コンクリートの健全部に対応する６２点の計測点における振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーは、図８の左上の枠内に集合して存在することとなった。これは、コンクリート構造の健全部は、欠陥部に比べて、小さい振動エネルギー比と大きなスペクトルエントロピーの値を示すためと考えられる。また、１５番の計測点は健全部に属するが、他の健全部の計測結果と比較して振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーが大きい値として算出された。これは計測不良点に該当すると考えられる。 The sound part, defective part, and measurement defect point were identified as follows. FIG. 8 is a correlation diagram between vibration energy ratio and spectral entropy according to the example. The vibration energy ratio and the spectral entropy at the measurement point corresponding to the defect portion of the circular cavity shown in FIG. 7 are present together in the lower right frame of FIG. On the other hand, the vibration energy ratio and the spectral entropy at 62 measurement points corresponding to the healthy part of the concrete are gathered in the upper left frame of FIG. This is probably because the sound part of the concrete structure shows a smaller vibration energy ratio and a larger spectral entropy value than the defective part. Further, the measurement point No. 15 belongs to the healthy part, but the vibration energy ratio and the spectral entropy were calculated as large values compared with the measurement results of the other healthy parts. This is considered to be a measurement failure point.
図８に示したように、コンクリート構造物を被照射体とする場合、健全部と比較して、振動エネルギー比（横軸）は内部欠陥において大きく算出され、スペクトルエントロピー（縦軸）は内部欠陥において小さく算出されることが分かった。このため、探査対象物が内部欠陥である本方法においては、第一または第二の音響学的特徴量の一方（具体的には振動エネルギー比）が信頼区間の上限側に外れ、他方（具体的にはスペクトルエントロピー）が信頼区間の下限側に外れる場合に当該音響学的特徴量が取得された計測箇所を探査対象物の位置と推定できることが分かった。 As shown in FIG. 8, when a concrete structure is used as an irradiated object, the vibration energy ratio (horizontal axis) is greatly calculated in the internal defect, and the spectral entropy (vertical axis) is the internal defect, compared with the healthy part. It was found that it was calculated to be small. For this reason, in the present method in which the object to be investigated is an internal defect, one of the first or second acoustic feature quantities (specifically, the vibration energy ratio) falls outside the upper limit side of the confidence interval and the other (specifically In other words, when the spectral entropy) deviates to the lower limit side of the confidence interval, it was found that the measurement location where the acoustic feature value was acquired can be estimated as the position of the exploration target.
以下、汎用の統計解析ソフトを用いて統計解析を行った。図９（ａ）は本実施例にかかる振動エネルギー比の分布のヒストグラムであり、具体的には図８で健全部と判定された６２点の計測点で取得された振動エネルギー比の分布のヒストグラムである。図９（ｂ）は同じく健全部の６２点におけるスペクトルエントロピーの分布のヒストグラムである。図９各図に示すように、健全部で取得される振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーは、正規分布に極めて良く従うことが分かった。 Hereinafter, statistical analysis was performed using general-purpose statistical analysis software. FIG. 9A is a histogram of vibration energy ratio distribution according to the present embodiment. Specifically, the histogram of vibration energy ratio distribution acquired at 62 measurement points determined to be healthy in FIG. It is. FIG. 9B is a histogram of spectral entropy distribution at 62 points in the healthy part. As shown in each figure of FIG. 9, it was found that the vibration energy ratio and the spectral entropy acquired in the healthy part follow the normal distribution very well.
図１０（ａ）は本実施例にかかる健全部の振動エネルギー比の分布のＱ−Ｑプロットを示す図であり、図９（ａ）の振動エネルギー比の分布にＱ−Ｑプロットを適用して正規性を視覚化したグラフである。図１０（ａ）におけるプロットは対角線の近傍に存在し、正規分布によく一致していることが分かった。さらに、シャピロウィルク検定を用いて分布の正規性を検証したところ、Ｗ＝０．９９、ｐ−ｖａｌｕｅ＝０．９０＞０．０５（有意水準）となり、健全部の振動エネルギー比の分布は極めて良く正規分布に従っているといえる。振動エネルギー比の分布は、平均１．８１、標準偏差０．７１であった。 FIG. 10A is a diagram showing a QQ plot of the vibration energy ratio distribution of the healthy part according to the present embodiment. The QQ plot is applied to the vibration energy ratio distribution of FIG. It is a graph visualizing normality. The plot in FIG. 10A exists in the vicinity of the diagonal line, and was found to be in good agreement with the normal distribution. Furthermore, when the normality of the distribution was verified using the Shapiro-Wilk test, W = 0.99 and p-value = 0.90> 0.05 (significant level), and the distribution of the vibration energy ratio of the healthy part is It can be said that it follows a normal distribution very well. The distribution of the vibration energy ratio was an average of 1.81 and a standard deviation of 0.71.
図１０（ｂ）は本実施例にかかる健全部のスペクトルエントロピーの分布のＱ−Ｑプロットを示す図であり、図９（ｂ）のスペクトルエントロピーの分布にＱ−Ｑプロットを適用して正規性を視覚化した結果である。図１０（ｂ）におけるプロットもまた対角線の近傍に存在し、正規分布によく合っていた。さらに、シャピロウィルク検定を用いて分布の正規性を検証したところ、Ｗ＝０．９６、ｐ−ｖａｌｕｅ＝０．０７＞０．０５（有意水準）となり、健全部のスペクトルエントロピーの分布は、ほぼ正規分布に従っているといえる。スペクトルエントロピーの分布は、平均１２．４、標準偏差０．１３であった。 FIG. 10B is a diagram illustrating a QQ plot of the distribution of the spectral entropy of the healthy portion according to the present embodiment, and normality is obtained by applying the QQ plot to the spectral entropy distribution of FIG. 9B. It is the result of visualizing. The plot in FIG. 10 (b) also exists in the vicinity of the diagonal line and fits well with the normal distribution. Furthermore, when the normality of the distribution was verified using the Shapiro-Wilk test, W = 0.96, p-value = 0.07> 0.05 (significance level), and the distribution of spectral entropy in the healthy part is It can be said that it follows a normal distribution. The spectral entropy distribution had an average of 12.4 and a standard deviation of 0.13.
図１１は、実施例にかかる欠陥部を振動エネルギー比によって映像化した結果の例であり、欠陥検出アルゴリズムを用いて円形空洞の欠陥を映像化した画像の例である。図１１は、被照射体の表面の全８１点の計測箇所における振動エネルギー比の値の分布図である。図１１より、３２番の計測箇所を中心とし、３０番、４８番、３４番、５２番を輪郭近傍とする略円形の欠陥が形成されていることが可視化される。かかる結果を図７と対比すると、本実施例の方法によればコンクリート試験体の内部欠陥が高い精度で映像化されて探査されたことが理解される。 FIG. 11 is an example of a result obtained by visualizing the defect portion according to the embodiment based on the vibration energy ratio, and an example of an image obtained by visualizing the defect of the circular cavity using the defect detection algorithm. FIG. 11 is a distribution diagram of vibration energy ratio values at all 81 measurement locations on the surface of the irradiated object. From FIG. 11, it is visualized that a substantially circular defect having the measurement location No. 32 as the center and the Nos. 30, 48, 34, and 52 near the contour is formed. When this result is compared with FIG. 7, it is understood that the internal defect of the concrete specimen was imaged and searched with high accuracy according to the method of this example.
上記実施形態は以下の技術思想を包含するものである。
（１）被照射体の表面に送波音波を照射して前記被照射体を振動させ、前記表面の複数点の計測箇所において音響学的特徴量を取得する工程と、取得された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程と、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定する工程と、を含む非接触音響探査法。
（２）前記確率分布が正規分布である上記（１）に記載の非接触音響探査法。
（３）複数点の前記計測箇所ごとに第一および第二の前記音響学的特徴量を取得して前記信頼区間をそれぞれ決定し、第一および第二の前記音響学的特徴量が前記信頼区間の内側にそれぞれ存在する場合に、当該音響学的特徴量に基づいて前記内部構造を推定する上記（１）または（２）に記載の非接触音響探査法。
（４）第一および第二の前記音響学的特徴量が、それぞれ振動エネルギー比およびスペクトルエントロピーである上記（３）に記載の非接触音響探査法。
（５）前記被照射体が探査対象物を内部に含み、前記信頼区間から外れる前記音響学的特徴量が取得された前記計測箇所を、計測不良位置または前記探査対象物の位置と推定する工程と、を更に含む上記（１）から（４）のいずれか一項に記載の非接触音響探査法。
（６）前記探査対象物が内部欠陥であり、振動エネルギー比が前記信頼区間の上限側に外れ、スペクトルエントロピーが前記信頼区間の下限側に外れる場合に、当該音響学的特徴量が取得された前記計測箇所を前記探査対象物の位置と推定する上記（４）に従属する上記（５）に記載の非接触音響探査法。
（７）被照射体の表面に送波音波を照射する音響発信源と、照射された前記送波音波により加振される前記被照射体の前記表面の複数の計測箇所において振動速度を光学的に計測する光学計測器と、前記光学計測器の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、算出された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定することを特徴とする非接触音響探査システム。
The above embodiment includes the following technical idea.
(1) A step of irradiating a surface of an irradiated body with a transmitted sound wave to vibrate the irradiated body and acquiring acoustic feature quantities at a plurality of measurement points on the surface; and the acquired acoustics Determining the confidence interval in the probability distribution followed by the population of the statistical feature quantity population, and the internal structure of the irradiated object based on the acoustic feature quantity existing inside the confidence interval A non-contact acoustic exploration method comprising the step of estimating.
(2) The non-contact acoustic exploration method according to (1), wherein the probability distribution is a normal distribution.
(3) The first and second acoustic feature quantities are obtained for each of the plurality of measurement points to determine the confidence intervals, and the first and second acoustic feature quantities are the confidence points. The non-contact acoustic exploration method according to the above (1) or (2), in which the internal structure is estimated based on the acoustic feature amount when each exists inside a section.
(4) The non-contact acoustic exploration method according to (3), wherein the first and second acoustic feature quantities are vibration energy ratio and spectral entropy, respectively.
(5) A step of estimating the measurement location from which the object to be irradiated includes an exploration target and the acoustic feature quantity deviating from the confidence interval is acquired as a measurement failure position or the position of the exploration target. The non-contact acoustic exploration method according to any one of (1) to (4), further including:
(6) The acoustic feature is acquired when the search object is an internal defect, the vibration energy ratio falls outside the upper limit side of the confidence interval, and the spectral entropy falls outside the lower limit side of the confidence interval. The non-contact acoustic exploration method according to the above (5) subordinate to the above (4) in which the measurement location is estimated as the position of the exploration object.
(7) An acoustic transmission source that radiates a transmitted sound wave to the surface of the irradiated object, and an optical vibration velocity at a plurality of measurement points on the surface of the irradiated object that are vibrated by the transmitted transmitted sound wave And an arithmetic unit that calculates an acoustic feature amount based on a measurement result of the optical instrument, and the arithmetic unit is a population of the calculated acoustic feature amount A confidence interval in a probability distribution followed by the population is determined, and an internal structure of the irradiated object is estimated based on the acoustic feature quantity existing inside the confidence interval. Contact acoustic exploration system.
１ 被照射体
３ 探査対象物
１０ 探査システム
１１ 音響発信源
１２ 送波音波
１３ 光学計測器
１５ コンピュータ
１７ 任意波形発生装置
１９ アンプ
１２１ 直接音波
１２２ 反射音波
１３１ 観察波
１５１ 演算部
１５２ 制御装置
１５３ 表示部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Irradiated body 3 Search target object 10 Search system 11 Acoustic transmission source 12 Transmission sound wave 13 Optical measuring device 15 Computer 17 Arbitrary waveform generator 19 Amplifier 121 Direct sound wave 122 Reflected sound wave 131 Observation wave 151 Calculation part 152 Control apparatus 153 Display part
Claims (7)
取得された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定する工程と、
前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定する工程と、を含む非接触音響探査法。 Irradiating the surface of the irradiated body with a transmitted sound wave to vibrate the irradiated body, and acquiring acoustic features at a plurality of measurement points on the surface; and
Determining a confidence interval in the probability distribution followed by the population of the acquired acoustic feature population;
Estimating the internal structure of the irradiated object based on the acoustic feature quantity existing inside the confidence interval.
第一および第二の前記音響学的特徴量が前記信頼区間の内側にそれぞれ存在する場合に、当該音響学的特徴量に基づいて前記内部構造を推定する請求項１または２に記載の非接触音響探査法。 Obtaining the first and second acoustic feature quantities for each of the measurement points of a plurality of points to determine the confidence interval,
3. The non-contact according to claim 1, wherein when the first and second acoustic features are present inside the confidence interval, the internal structure is estimated based on the acoustic features. Acoustic exploration.
前記信頼区間から外れる前記音響学的特徴量が取得された前記計測箇所を、計測不良位置または前記探査対象物の位置と推定する工程と、を更に含む請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触音響探査法。 The irradiated object includes an exploration target inside,
5. The method according to claim 1, further comprising: estimating the measurement location from which the acoustic feature amount deviating from the confidence interval is acquired as a measurement failure position or a position of the search target object. The non-contact acoustic exploration method described.
照射された前記送波音波により加振される前記被照射体の前記表面の複数の計測箇所において振動速度を光学的に計測する光学計測器と、
前記光学計測器の計測結果に基づいて音響学的特徴量を算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、
算出された前記音響学的特徴量の母集団のうち、前記母集団が従う確率分布における信頼区間を決定し、
前記信頼区間の内側に存在する前記音響学的特徴量に基づいて前記被照射体の内部構造を推定することを特徴とする非接触音響探査システム。 An acoustic source for irradiating the surface of the irradiated object with the transmitted sound wave;
An optical measuring instrument that optically measures a vibration velocity at a plurality of measurement points on the surface of the irradiated object that is vibrated by the transmitted sound wave.
An arithmetic unit that calculates an acoustic feature based on a measurement result of the optical measuring instrument, and
The computing unit is
Of the calculated population of acoustic features, determine a confidence interval in the probability distribution followed by the population,
A non-contact acoustic exploration system characterized in that an internal structure of the irradiated object is estimated based on the acoustic feature quantity existing inside the confidence interval.
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