JP2020190460A - Noncontact acoustic analysis system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非接触音響解析システムに関する。 The present invention relates to a non-contact acoustic analysis system.
検査対象物に対して音波を照射することによって、接触せずに検査対象物の健全性を解析する手法が知られている。
この種の非接触音響解析システムとして、下記の特許文献１を例示する。
A method of analyzing the soundness of an inspection object without contact by irradiating the inspection object with sound waves is known.
The following Patent Document 1 is exemplified as this kind of non-contact acoustic analysis system.
特許文献１には、空中音波で検査対象面を加振し，レーザードップラー振動計(LDV：Laser Doppler Vibrometer)を用いて検査対象面の振動速度を測定することによって、欠陥部における共振周波数を検出することによって、検査対象面内部の欠陥の有無を解析する手法（以下、非接触音響探査法）が記載されている。 In Patent Document 1, the resonance frequency in a defective portion is detected by vibrating the surface to be inspected with aerial sound waves and measuring the vibration velocity of the surface to be inspected using a laser Doppler vibrometer (LDV). A method for analyzing the presence or absence of defects inside the surface to be inspected (hereinafter referred to as a non-contact acoustic exploration method) is described.
特許文献１に記載されている非接触音響探査を用いると、音源からの直接波や周囲からの反響等の影響により、高感度のレーザードップラー振動計が共振しやすい周波数帯域が生じうる。
通常の距離からの非接触音響探査は、その周波数帯域がごく狭い帯域（２０〜３０Ｈｚ程度）に限られるため、その周波数帯域を除いたデータ解析でも、その周波数帯域と欠陥部における共振周波数が完全に重ならない限りは欠陥検出の目的を十分に達成できる。
一方、遠距離からの非接触音響探査については、距離が離れるほど空中音波の音圧を大きくする必要があるものの、解放的な空間（例えば、高架橋の下部）で実施される場合には、通常の距離からの非接触音響探査と同じように、通常と同様のデータ解析でも特に問題を生じない。しかしながら、閉鎖的な空間（例えば、地下空洞）では、周囲を囲むコンクリートからの反響や残響等の影響により、レーザードップラー振動計のレーザーヘッドの共振周波数帯域が広がる傾向にあり、通常と同様のデータ解析では欠陥検出に支障をきたす場合がある。
When the non-contact acoustic exploration described in Patent Document 1 is used, a frequency band in which a high-sensitivity laser Doppler vibrometer easily resonates can be generated due to the influence of a direct wave from a sound source or a reverberation from the surroundings.
Since non-contact acoustic exploration from a normal distance is limited to a very narrow frequency band (about 20 to 30 Hz), even in data analysis excluding that frequency band, the frequency band and the resonance frequency in the defective part are perfect. As long as it does not overlap with, the purpose of defect detection can be sufficiently achieved.
On the other hand, for non-contact acoustic exploration from a long distance, it is necessary to increase the sound pressure of aerial sound waves as the distance increases, but when it is carried out in an open space (for example, the lower part of a high bridge), it is usually Similar to non-contact acoustic exploration from a distance of, the same data analysis as usual does not cause any problems. However, in a closed space (for example, an underground cavity), the resonance frequency band of the laser head of the laser Doppler vibrometer tends to widen due to the influence of reverberation and reverberation from the surrounding concrete, and the same data as usual. In the analysis, it may interfere with defect detection.
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、解放空間及び閉鎖空間のいずれにおいても有効に非接触音響探査を実施可能とする非接触検査システムを提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a non-contact inspection system capable of effectively performing non-contact acoustic exploration in both an open space and a closed space.
本発明によれば、構造物の測定面に音波を照射して前記測定面を加振する音響発信源と、前記測定面に定めた複数の計測点において前記測定面に対する振動速度スペクトルを計測するレーザードップラー振動計と、前記レーザードップラー振動計によって計測された前記振動速度スペクトルのそれぞれに対して周波数毎のスペクトルエントロピーである空間スペクトルエントロピーを適用することによって、当該振動速度スペクトルが計測された計測点を解析する解析装置と、を備え、前記構造物の欠陥部の共振周波数帯域および前記レーザードップラー振動計の共振周波数帯域を識別可能にする解析結果を、前記解析装置が出力することを特徴とする非接触音響解析システムが提供される。 According to the present invention, an acoustic transmission source that irradiates a measurement surface of a structure with sound waves to vibrate the measurement surface, and a vibration velocity spectrum with respect to the measurement surface is measured at a plurality of measurement points defined on the measurement surface. The measurement point at which the vibration velocity spectrum was measured by applying the spatial spectrum entropy, which is the spectral entropy for each frequency, to each of the laser Doppler vibrometer and the vibration velocity spectrum measured by the laser Doppler vibrometer. The analysis device is provided with an analysis device for analyzing the above, and the analysis device outputs an analysis result that makes it possible to distinguish the resonance frequency band of the defective portion of the structure and the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer. A non-contact acoustic analysis system is provided.
上記発明は、レーザードップラー振動計の計測結果（測定面上の複数の計測点において計測された振動速度スペクトル）に対して空間スペクトルエントロピーを適用して解析を行うものである。この空間スペクトルエントロピーは、振動速度スペクトルに係る情報エントロピーを複数の計測点において計測された振動速度スペクトルに対して周波数毎に算出したものであり、測定面における振動速度分布の白色性を周波数毎に解析することができる。
欠陥部におけるたわみ共振周波数帯域においては、測定面における振動速度分布の白色性が低くなる傾向があり、レーザードップラー振動計の共振周波数帯域における測定面における振動速度分布の白色性が高くなる傾向があるため、上記発明は、これらを区別した解析を実現でき、解放空間及び閉鎖空間のいずれで実施する非接触音響探査においても十分な精度で欠陥部を検出することができる。
In the above invention, the spatial spectrum entropy is applied to the measurement result of the laser Doppler vibrometer (vibration velocity spectrum measured at a plurality of measurement points on the measurement surface) for analysis. This spatial spectrum entropy is obtained by calculating the information entropy related to the vibration velocity spectrum for each frequency with respect to the vibration velocity spectrum measured at a plurality of measurement points, and the whiteness of the vibration velocity distribution on the measurement surface is calculated for each frequency. Can be analyzed.
In the deflection resonance frequency band in the defect portion, the whiteness of the vibration velocity distribution on the measurement surface tends to be low, and the whiteness of the vibration velocity distribution on the measurement surface in the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer tends to be high. Therefore, the above invention can realize an analysis that distinguishes between them, and can detect a defective portion with sufficient accuracy in non-contact acoustic exploration performed in either an open space or a closed space.
本発明によれば、解放空間及び閉鎖空間のいずれにおいても有効に非接触音響探査を実施可能とする非接触検査システムが提供される。 According to the present invention, there is provided a non-contact inspection system capable of effectively performing non-contact acoustic exploration in both an open space and a closed space.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same components are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
＜スペクトルエントロピーについて＞
スペクトルエントロピーとは、一般的には時間信号に対して用いられ、時間信号のスペクトルを確率分布とみなし情報エントロピーを計算したものであり、その時間信号の白色性を示す特徴量である。
本発明では、レーザードップラー振動計の計測結果に対してスペクトルエントロピーを援用する。なお、本発明に用いるスペクトルエントロピーについては、単一の測定点に対するスペクトルエントロピーと区別するために空間スペクトルエントロピーと呼称する。
<About spectral entropy>
The spectral entropy is generally used for a time signal, and the information entropy is calculated by regarding the spectrum of the time signal as a probability distribution, and is a feature quantity indicating the whiteness of the time signal.
In the present invention, spectral entropy is used for the measurement result of the laser Doppler vibrometer. The spectral entropy used in the present invention is referred to as spatial spectral entropy in order to distinguish it from the spectral entropy for a single measurement point.
図１は、本発明の解析に用いる空間スペクトルエントロピーの原理を示す概念図である。
図１に示すように、測定面２上にある測定点の振動速度スペクトルの周波数軸を考える。図１に図示される周波数軸は、各計測点（計測点ｒａ、計測点ｒｂ、計測点ｒｃ）における複数の振動速度スペクトル（振動速度スペクトルＳａ、振動速度スペクトルＳｂ、振動速度スペクトルＳｃ）を示している。
本発明の解析において空間スペクトルエントロピーを適用するにあたり、解析装置は測定面２に配置された複数の計測点のそれぞれについてスペクトルエントロピーを計算することが好ましい。
以下の式（１）は、本発明の解析に用いる空間スペクトルエントロピーの演算式の一具体例を示すものである。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the principle of spatial spectral entropy used in the analysis of the present invention.
As shown in FIG. 1, consider the frequency axis of the vibration velocity spectrum of the measurement point on the measurement surface 2. The frequency axis shown in FIG. 1 has a plurality of vibration velocity spectra (vibration velocity spectrum S a , vibration velocity spectrum S b , vibration velocity) at each measurement point (measurement point ra, measurement point r b , measurement point r c ). The spectrum Sc ) is shown.
In applying the spatial spectral entropy in the analysis of the present invention, it is preferable that the analysis device calculates the spectral entropy for each of the plurality of measurement points arranged on the measurement surface 2.
The following formula (1) shows a specific example of the calculation formula of the spatial spectrum entropy used in the analysis of the present invention.
ここで、Si,j(f)は、測定面２に定めた各計測点（ri,j）で計測された信号を離散フーリエ変換して得られるパワー・スペクトルの周波数成分を表すものであり、単位はHz（ヘルツ）である。
また、Pi,j(f)は、測定面２に定めた各計測点（ri,j）におけるパワー・スペクトルの周波数成分が、測定面内で存在する確率である。
Here, S i, j (f) represents the frequency component of the power spectrum obtained by discrete Fourier transforming the signal measured at each measurement point (ri , j ) defined on the measurement surface 2. Yes, the unit is Hz (hertz).
Further, P i, j (f) is the probability that the frequency component of the power spectrum at each measurement point (ri , j ) defined on the measurement surface 2 exists in the measurement surface.
上述したように、上記の演算式は測定面２の全体（二次元の計測空間）に拡張されるものである。ここで、測定面２は、全ての領域が平面であることに限られず、領域の少なくとも一部に曲面が含まれてもよい。 As described above, the above calculation formula is extended to the entire measurement surface 2 (two-dimensional measurement space). Here, the measurement surface 2 is not limited to having all the regions flat, and at least a part of the regions may include a curved surface.
＜本発明に係る解析システム１０について＞
図２は、本発明に係る非接触音響解析システム（以下、「解析システム」と略記する場合がある）１０の構成図である。
<About the analysis system 10 according to the present invention>
FIG. 2 is a block diagram of a non-contact acoustic analysis system (hereinafter, may be abbreviated as “analysis system”) 10 according to the present invention.
解析システム１０は、構造物１の測定面２に音波を照射することをもって種々の解析（例えば、構造物１の内部に生じた欠陥部３の有無の解析等）を行うシステムである。
解析システム１０は、少なくとも以下の音響発信源１１、レーザードップラー振動計１３、及びコンピュータ１５を備える。
音響発信源１１は、構造物１の測定面２に音波を照射して測定面２を加振する。
レーザードップラー振動計１３は、測定面２に定めた複数の計測点（例えば、計測点ｒ１、計測点ｒ２、計測点ｒ３、計測点ｒ４及び計測点ｒ５）において測定面２に対する振動速度スペクトルを計測する。
コンピュータ１５は、レーザードップラー振動計１３によって複数の計測点において計測された振動速度スペクトルに対して空間スペクトルエントロピーを適用することによって、当該振動速度スペクトルが計測された計測点を解析する機能（本発明の解析装置に相当するもの）を有する。
本発明に係る解析システム１０は、構造物１の欠陥部３の共振周波数帯域およびレーザードップラー振動計１３の共振周波数帯域を識別可能にする解析結果を、コンピュータ１５が出力することを特徴とする。
The analysis system 10 is a system that performs various analyzes (for example, analysis of the presence or absence of a defective portion 3 generated inside the structure 1) by irradiating the measurement surface 2 of the structure 1 with sound waves.
The analysis system 10 includes at least the following acoustic sources 11, a laser Doppler vibrometer 13, and a computer 15.
The sound source 11 irradiates the measurement surface 2 of the structure 1 with sound waves to vibrate the measurement surface 2.
The laser Doppler vibrometer 13 relates to the measurement surface 2 at a plurality of measurement points (for example, measurement point r 1 , measurement point r 2 , measurement point r 3 , measurement point r 4 and measurement point r 5 ) defined on the measurement surface 2. Measure the vibration velocity spectrum.
The computer 15 has a function of analyzing the measurement points at which the vibration velocity spectra are measured by applying the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectra measured at a plurality of measurement points by the laser Doppler vibrometer 13 (the present invention). It has the equivalent of the analyzer of.
The analysis system 10 according to the present invention is characterized in that the computer 15 outputs an analysis result that makes it possible to distinguish the resonance frequency band of the defect portion 3 of the structure 1 and the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer 13.
図２に図示した構成は一具体例であり、本発明の実施における解析システム１０は、不図示の構成が追加されてもよい。
例えば、音響発信源１１から照射する音波の周波数を制御する装置（ファンクションジェネレータ）や音響発信源１１から照射する音波の出力を増幅させる装置（オーディオアンプ）等が追加されてもよい。
また、音響発信源１１は、必ずしも固定的に設置される必要はなく、不図示の移動体（車両や航空機等）に搭載されて移動可能であってもよい。
The configuration shown in FIG. 2 is a specific example, and a configuration (not shown) may be added to the analysis system 10 in carrying out the present invention.
For example, a device (function generator) that controls the frequency of the sound wave emitted from the acoustic source 11 and a device (audio amplifier) that amplifies the output of the sound wave emitted from the acoustic source 11 may be added.
Further, the acoustic transmission source 11 does not necessarily have to be fixedly installed, and may be mounted on a moving body (vehicle, aircraft, etc.) (not shown) and movable.
解析システム１０によって解析される構造物１としては、例えば、コンクリート構造物（橋梁やトンネル等の建築物）や鋼構造物（鋼橋や鉄塔の構造物）等が挙げられる。 Examples of the structure 1 analyzed by the analysis system 10 include concrete structures (buildings such as bridges and tunnels) and steel structures (structures of steel bridges and steel towers).
音響発信源１１には、測定面２を面的に加振しうるフラットスピーカを好ましく用いることができる。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、ラウドスピーカ、パルスレーザ、高圧ガスガン、衝撃波管等を用いることができる。 As the sound transmission source 11, a flat speaker capable of laterally vibrating the measurement surface 2 can be preferably used. In addition to the flat speaker, a parametric speaker, a loud speaker, a pulse laser, a high-pressure gas gun, a shock wave tube, or the like can be used as the sound transmission source 11.
音響発信源１１から測定面２に照射される音波は、測定面２に係る振動速度がレーザードップラー振動計１３によって測定できる程度に、測定面２を振動させることができる音波であればよい。
音響発信源１１から送出される音波の周波数は、欠陥部３の共振特性に合わせて調整可能であることが好ましく、可聴帯域の音波（音響波）及び可聴帯域より高い帯域の音波（超音波）を含みうる。
The sound wave emitted from the sound source 11 to the measurement surface 2 may be a sound wave capable of vibrating the measurement surface 2 to such an extent that the vibration velocity related to the measurement surface 2 can be measured by the laser Doppler vibrometer 13.
The frequency of the sound wave transmitted from the acoustic source 11 is preferably adjustable according to the resonance characteristic of the defective portion 3, and is preferably an audible band sound wave (acoustic wave) and a sound wave higher than the audible band (ultrasonic wave). Can include.
レーザードップラー振動計１３は、音波により加振された測定面２の振動速度を光学的に計測する手段である。
レーザードップラー振動計１３は、１００〜１５０メートル程度離れている位置に存在する測定面２についても振動速度を計測可能であるため、構造物１が比較的大きな建築物であっても解析対象としうる。
The laser Doppler vibrometer 13 is a means for optically measuring the vibration velocity of the measurement surface 2 excited by sound waves.
Since the laser Doppler vibrometer 13 can measure the vibration velocity even on the measurement surface 2 existing at a position about 100 to 150 meters away, even if the structure 1 is a relatively large building, it can be analyzed. ..
レーザードップラー振動計１３については、１回の計測で１点における計測が可能なシングルレーザタイプのものを用いることも可能である。
しかしながら、レーザードップラー振動計１３は、１回の計測で複数点における計測が可能なスキャニングレーザタイプのものを用いることが好ましい。言い換えれば、測定面２に定める計測点（図２の例によれば、計測点ｒ１、計測点ｒ２、計測点ｒ３、計測点ｒ４、計測点ｒ５）が複数になっており、レーザードップラー振動計１３は、測定面２上に定められた複数の計測点において振動速度スペクトルを並行して計測するものであることが好ましい。
これにより、コンピュータ１５（解析装置）は、測定面２上に定められた複数の計測点において計測された振動速度スペクトルのそれぞれに対して空間スペクトルエントロピーを適用することができる。
As the laser Doppler vibrometer 13, it is also possible to use a single laser type vibrometer 13 that can measure at one point by one measurement.
However, it is preferable to use a laser Doppler vibrometer 13 of a scanning laser type capable of measuring at a plurality of points in one measurement. In other words, there are a plurality of measurement points defined on the measurement surface 2 (according to the example of FIG. 2, measurement point r 1 , measurement point r 2 , measurement point r 3 , measurement point r 4 , and measurement point r 5 ). The laser Doppler vibrometer 13 preferably measures the vibration velocity spectrum in parallel at a plurality of measurement points defined on the measurement surface 2.
As a result, the computer 15 (analyzer) can apply the spatial spectrum entropy to each of the vibration velocity spectra measured at a plurality of measurement points defined on the measurement surface 2.
測定面２に定める複数の計測点については、上述した空間スペクトルエントロピーを用いることを前提とするならば、その配列が格子点になっていることによって測定面２が二次元空間を構成していることが好ましい。そして、コンピュータ１５（解析装置）は、二次元空間を構成する複数の計測点において計測された振動速度スペクトルに対して空間スペクトルエントロピーを適用することが好ましい。しかしながら、本発明の実施はこの実施態様に限られない。
例えば、測定面２に定める複数の計測点が直線状に配列されていることや、測定面２に定める計測点がランダムな配置であることを許容する。なお、これらの変形例において、コンピュータ１５が解析に用いる空間スペクトルエントロピーの演算式は、式（１）のまま適用することができる。
Assuming that the above-mentioned spatial spectral entropy is used for the plurality of measurement points defined on the measurement surface 2, the measurement surface 2 constitutes a two-dimensional space because the arrangement is a lattice point. Is preferable. Then, it is preferable that the computer 15 (analyzer) applies the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectra measured at a plurality of measurement points constituting the two-dimensional space. However, the practice of the present invention is not limited to this embodiment.
For example, it is allowed that a plurality of measurement points defined on the measurement surface 2 are arranged in a straight line, and that the measurement points defined on the measurement surface 2 are randomly arranged. In these modifications, the calculation formula of the spatial spectrum entropy used by the computer 15 for the analysis can be applied as it is in the formula (1).
コンピュータ１５は、本発明の解析装置に相当する機能を有する他に、音響発信源１１による音波の出力を制御する機能や音響発信源１１の出力と同期してレーザードップラー振動計１３による計測を開始させる機能等を更に有してもよい。
コンピュータ１５を実現するハードウェアは、上述した種々の機能を実現できるものであれば特に限定されず、汎用的なコンピュータを用いることができる。
In addition to having a function corresponding to the analysis device of the present invention, the computer 15 has a function of controlling the output of sound waves by the acoustic source 11 and starts measurement by the laser Doppler vibrometer 13 in synchronization with the output of the acoustic source 11. It may further have a function of causing the vibration.
The hardware that realizes the computer 15 is not particularly limited as long as it can realize the various functions described above, and a general-purpose computer can be used.
＜本発明の評価試験について＞
以下、本発明（上述の空間スペクトルエントロピーを適用して解析を行う解析システム１０）の評価試験について、説明する。
<About the evaluation test of the present invention>
Hereinafter, the evaluation test of the present invention (analysis system 10 for performing analysis by applying the above-mentioned spatial spectral entropy) will be described.
（評価試験方法について）
図３は、本発明の評価試験に用いたコンクリート試供体１Ａの説明図である。
コンクリート試供体１Ａ自体の大きさは、幅２ｍ、高さ２ｍ、奥行き０．３ｍである。
コンクリート試供体１Ａの内部には、空洞欠陥を模した円形の発泡スチロール（以下、円形空洞欠陥３Ａと称する）が埋設されている。
円形空洞欠陥３Ａの直径Ｒは２００ｍｍであり、円形空洞欠陥３Ａの厚みＤ２は２５ｍｍである。
円形空洞欠陥３Ａが埋設されている深さＤ１は、コンクリート試供体１Ａの表面から６０ｍｍである。
(About evaluation test method)
FIG. 3 is an explanatory view of the concrete specimen 1A used in the evaluation test of the present invention.
The size of the concrete specimen 1A itself is 2 m in width, 2 m in height, and 0.3 m in depth.
A circular styrofoam (hereinafter referred to as a circular cavity defect 3A) that imitates a cavity defect is embedded in the concrete specimen 1A.
The diameter R of the circular cavity defect 3A is 200 mm, and the thickness D2 of the circular cavity defect 3A is 25 mm.
The depth D1 in which the circular cavity defect 3A is embedded is 60 mm from the surface of the concrete specimen 1A.
音響発信源１１からコンクリート試供体１Ａの測定面２までの距離は５．０ｍである。
レーザードップラー振動計１３からコンクリート試供体１Ａの測定面２までの距離は７．７ｍである。
音響発信源１１から出力される音波には、トーンバースト波（２０００〜６０００Ｈｚ、変調周波数２００Ｈｚ、インターバル５０ｍ秒）が用いられる。ここでトーンバースト波とは、所定のインターバルごとに周波数の異なる要素波形を複数含むものをいう。
この評価試験における加算平均回数は５回であり、計測点の数は１２１点（１１×１１）である。
The distance from the sound source 11 to the measurement surface 2 of the concrete specimen 1A is 5.0 m.
The distance from the laser Doppler vibrometer 13 to the measurement surface 2 of the concrete specimen 1A is 7.7 m.
A tone burst wave (2000 to 6000 Hz, modulation frequency 200 Hz, interval 50 msec) is used as the sound wave output from the sound source 11. Here, the tone burst wave means a wave including a plurality of element waveforms having different frequencies at predetermined intervals.
The average number of additions in this evaluation test is 5, and the number of measurement points is 121 points (11 × 11).
（測定結果について）
図４は、円形空洞欠陥３Ａの中心部に対応する計測点における振動速度スペクトルを示す図である。
図４に図示する２５００Ｈｚ付近の共振ピークＰ１は、レーザードップラー振動計１３のレーザーヘッドの共振によるものである。
図４に図示する４１００Ｈｚ付近の共振ピークＰ２は、円形空洞欠陥３Ａの共振によるものである。
(About measurement results)
FIG. 4 is a diagram showing a vibration velocity spectrum at a measurement point corresponding to the central portion of the circular cavity defect 3A.
The resonance peak P1 near 2500 Hz shown in FIG. 4 is due to the resonance of the laser head of the laser Doppler vibrometer 13.
The resonance peak P2 near 4100 Hz shown in FIG. 4 is due to the resonance of the circular cavity defect 3A.
図５は、図４に図示した振動速度スペクトルに空間スペクトルエントロピーを適用した解析結果を示す図である。
図５に示すように、当該解析結果における空間スペクトルエントロピーの値は、２５００Ｈｚ付近（ピークＰ３）で増加しており、４１００Ｈｚ付近（ピークＰ４）で減少している。
FIG. 5 is a diagram showing an analysis result in which spatial spectrum entropy is applied to the vibration velocity spectrum illustrated in FIG.
As shown in FIG. 5, the value of the spatial spectral entropy in the analysis result increases around 2500 Hz (peak P3) and decreases around 4100 Hz (peak P4).
図４と図５を比較すれば明らかであるように、ピークＰ３はレーザードップラー振動計１３のレーザーヘッドの共振によるものであり、ピークＰ４は円形空洞欠陥３Ａの共振によるものであり、これらの値の大小に着目することによって、各々の共振周波数帯域を適切に区別することが可能である。
従って、コンピュータ１５が図５に示す解析結果を出力することによって、解析者はコンクリート試供体１Ａの円形空洞欠陥３Ａの共振周波数帯域およびレーザードップラー振動計１３の共振周波数帯域を目視により識別することができる。
As is clear from a comparison of FIGS. 4 and 5, the peak P3 is due to the resonance of the laser head of the laser Doppler vibrometer 13, and the peak P4 is due to the resonance of the circular cavity defect 3A. By paying attention to the magnitude of, it is possible to appropriately distinguish each resonance frequency band.
Therefore, by outputting the analysis result shown in FIG. 5 by the computer 15, the analyst can visually identify the resonance frequency band of the circular cavity defect 3A of the concrete specimen 1A and the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer 13. it can.
（円形空洞欠陥の映像化について）
図６は、従来方法によって測定結果を映像化した画像を示す図である。
図７は、空間スペクトルエントロピーの適用によって測定結果を映像化した画像を示す図である。
なお、図６及び図７において白色破線で囲っている領域は、円形空洞欠陥３Ａが内在している位置を示すものである。
(About visualization of circular cavity defects)
FIG. 6 is a diagram showing an image in which the measurement result is visualized by the conventional method.
FIG. 7 is a diagram showing an image in which the measurement result is visualized by applying the spatial spectrum entropy.
The region surrounded by the white broken line in FIGS. 6 and 7 indicates the position where the circular cavity defect 3A is contained.
図６及び図７は共に、コンピュータ１５が、レーザードップラー振動計１３によって測定された振動速度スペクトルから、目的とする時間帯及び周波数帯域を選択的に抽出して不要信号を除去し、不要信号除去後の振動速度スペクトルに基づいて計測点ごとの振動エネルギー比を算出して可視化したものである。
但し、上述した空間スペクトルエントロピーを適用した解析（図５参照）によって、円形空洞欠陥３Ａの共振周波数は４１００Ｈｚ付近と推測されるので、図７の映像化については、振動エネルギー比を算出する周波数帯域を４０００〜４２５０Ｈｚに絞り込んでいる。一方、図６の映像化については、従来方法に従って、トーンバースト波の全周波数帯域である２０００〜６０００Ｈｚについて振動エネルギー比を算出した。
In both FIGS. 6 and 7, the computer 15 selectively extracts the target time zone and frequency band from the vibration velocity spectrum measured by the laser Doppler vibrometer 13 to remove unnecessary signals, and removes unnecessary signals. The vibration energy ratio for each measurement point is calculated and visualized based on the later vibration velocity spectrum.
However, the resonance frequency of the circular cavity defect 3A is estimated to be around 4100 Hz by the analysis applying the above-mentioned spatial spectral entropy (see FIG. 5). Therefore, for the visualization of FIG. 7, the frequency band for calculating the vibration energy ratio. Is narrowed down to 4000 to 4250 Hz. On the other hand, for the visualization of FIG. 6, the vibration energy ratio was calculated for 2000 to 6000 Hz, which is the entire frequency band of the tone burst wave, according to the conventional method.
図６と図７を比較すると、空間スペクトルエントロピーを適用した解析結果（図７の画像）の方が従来方法の解析結果（図６の画像）に比べて、円形空洞欠陥３Ａの位置をより忠実に再現していることがわかる。
また、空間スペクトルエントロピーを適用した解析結果の方が、従来方法の解析結果に比べて、円形空洞欠陥３Ａが内在している位置とその周囲（健全な部分）との間の階調差（コントラスト）が大きくなることがわかる。
Comparing FIGS. 6 and 7, the analysis result (image of FIG. 7) to which the spatial spectral entropy is applied is more faithful to the position of the circular cavity defect 3A than the analysis result of the conventional method (image of FIG. 6). It can be seen that it is reproduced in.
In addition, the analysis result applying the spatial spectral entropy has a gradation difference (contrast) between the position where the circular cavity defect 3A is present and its surroundings (healthy part) as compared with the analysis result of the conventional method. ) Becomes larger.
＜閉鎖空間における本発明の実施について＞
続いて、実際の閉鎖空間における本発明の実施について説明する。
<About the implementation of the present invention in a closed space>
Subsequently, the practice of the present invention in an actual closed space will be described.
（実施環境について）
閉鎖空間として地下大空洞を選定し、その地下大空洞の天井面を測定面２として、本発明に係る解析システム１０を用いた非接触音響探査法を実施した。
なお、当該天井面は、吹き付けコンクリートになっている。
(About the implementation environment)
A large underground cavity was selected as the closed space, and a non-contact acoustic exploration method using the analysis system 10 according to the present invention was carried out with the ceiling surface of the large underground cavity as the measurement surface 2.
The ceiling surface is shotcrete.
音響発信源１１から測定面２までの距離は２１．５ｍである。
レーザードップラー振動計１３から測定面２までの距離は２２．０ｍである。
音響発信源１１から出力される音波には、マルチトーンバースト波を用いた。ここでマルチトーンバースト波とは、所定のインターバルごとに到来する１回の送出タイミングにおいて、そのインターバルより短い時間長さであって且つ各々が異なる周波数である要素波形を複数含むものをいう。マルチトーンバースト波は、１回の出力で複数とおり周波数帯域にわたってカバーすることができるので、試験時間の短縮を図ることができる。
The distance from the sound source 11 to the measurement surface 2 is 21.5 m.
The distance from the laser Doppler vibrometer 13 to the measurement surface 2 is 22.0 m.
A multitone burst wave was used as the sound wave output from the sound source 11. Here, the multitone burst wave refers to a wave that includes a plurality of element waveforms having a time length shorter than that interval and having different frequencies at one transmission timing that arrives at a predetermined interval. Since a plurality of multitone burst waves can be covered over a plurality of frequency bands with one output, the test time can be shortened.
図８は、地下大空洞の天井面（測定面２）を撮影した画像を示す図である。
図８に示される数字は計測点の識別番号であり、各数字の左側に示す+（プラス）の標記は計測点の位置を示している。
図８に示すとおり、この実施において測定面２に定めた計測点の数は１２１点（１１×１１）である。
また、図８における白色破線で囲われている領域は、地下大空洞における断層ＦＡの位置を示すものである。
FIG. 8 is a diagram showing an image of the ceiling surface (measurement surface 2) of the large underground cavity.
The numbers shown in FIG. 8 are the identification numbers of the measurement points, and the + (plus) mark shown on the left side of each number indicates the position of the measurement point.
As shown in FIG. 8, the number of measurement points defined on the measurement surface 2 in this implementation is 121 points (11 × 11).
The area surrounded by the white broken line in FIG. 8 indicates the position of the fault FA in the large underground cavity.
（測定結果について）
図９は、欠陥部と判断された計測点（図８に「６０」の識別番号が付与された計測点）における振動速度スペクトルを示す図である。
図９に図示する６００Ｈｚ付近の共振ピークＰ５は、地下大空洞の天井面における欠陥部の共振によるものである。
図９に図示する６３０Ｈｚ付近の共振ピークＰ６及び１４８０Ｈｚ付近の共振ピークＰ７は、レーザードップラー振動計１３のレーザーヘッドの共振によるものである。
(About measurement results)
FIG. 9 is a diagram showing a vibration velocity spectrum at a measurement point determined to be a defective portion (a measurement point to which the identification number “60” is assigned in FIG. 8).
The resonance peak P5 near 600 Hz shown in FIG. 9 is due to the resonance of the defective portion on the ceiling surface of the large underground cavity.
The resonance peak P6 near 630 Hz and the resonance peak P7 near 1480 Hz shown in FIG. 9 are due to the resonance of the laser head of the laser Doppler vibrometer 13.
図１０は、図９に図示した振動速度スペクトルに空間スペクトルエントロピーを適用した解析結果を示す図である。
図１０に示すように、当該解析結果における空間スペクトルエントロピーの値は、６００Ｈｚ付近（ピークＰ８及びピークＰ９）で減少し、当該付近が地下大空洞の天井面における欠陥部の共振周波数帯域であることがわかる。
図１０に示すように、当該解析結果における空間スペクトルエントロピーの値は、６３０Ｈｚ付近（ピークＰ１０）及び１４８０Ｈｚ付近（ピークＰ１１）で増加し、当該付近がレーザードップラー振動計１３のレーザーヘッドの共振周波数帯域であることがわかる。
FIG. 10 is a diagram showing an analysis result in which spatial spectrum entropy is applied to the vibration velocity spectrum illustrated in FIG.
As shown in FIG. 10, the value of the spatial spectral entropy in the analysis result decreases around 600 Hz (peak P8 and peak P9), and the vicinity is the resonance frequency band of the defective portion on the ceiling surface of the underground large cavity. I understand.
As shown in FIG. 10, the value of the spatial spectral entropy in the analysis result increases near 630 Hz (peak P10) and around 1480 Hz (peak P11), and the vicinity is the resonance frequency band of the laser head of the laser Doppler vibrometer 13. It can be seen that it is.
また、図１０には、当該解析結果における空間スペクトルエントロピーの中央値Ｍが図示されている。
図１０に示すように、ピークＰ８及びピークＰ９は中央値Ｍより小さい値であり、ピークＰ１０及びピークＰ１１は中央値Ｍより大きい値である。
従って、中央値Ｍより小さい閾値（以下、第１の閾値と称す）と、中央値Ｍより大きい閾値（以下、第２の閾値と称す）と、を適切に定めることによって、以下のような解析が可能になる。
まず、空間スペクトルエントロピーが第１の閾値以下である場合、コンピュータ１５（解析装置）は、その振動速度スペクトルが計測された計測点の内部に欠陥が生じているものと解析することができる。一方、空間スペクトルエントロピーが第２の閾値以上である場合、コンピュータ１５（解析装置）は、その振動速度スペクトルがレーザードップラー振動計のヘッドの共振周波数又は共振周波数帯域であるものと解析することができる。
従って、コンピュータ１５が上記のような閾値を用いた解析の結果を出力することによって、地下大空洞の天井面の欠陥部の共振周波数帯域およびレーザードップラー振動計１３の共振周波数帯域を自動的に（目視判断を要さずに）識別することができる。
Further, FIG. 10 shows the median value M of the spatial spectral entropy in the analysis result.
As shown in FIG. 10, peak P8 and peak P9 are values smaller than the median value M, and peaks P10 and peak P11 are values larger than the median value M.
Therefore, by appropriately determining the threshold value smaller than the median M (hereinafter referred to as the first threshold value) and the threshold value larger than the median M (hereinafter referred to as the second threshold value), the following analysis is performed. Becomes possible.
First, when the spatial spectrum entropy is equal to or less than the first threshold value, the computer 15 (analyzer) can analyze that the vibration velocity spectrum has a defect inside the measured measurement point. On the other hand, when the spatial spectrum entropy is equal to or higher than the second threshold value, the computer 15 (analyzer) can analyze that the vibration velocity spectrum is the resonance frequency or the resonance frequency band of the head of the laser Doppler vibrometer. ..
Therefore, when the computer 15 outputs the result of the analysis using the above threshold value, the resonance frequency band of the defective portion on the ceiling surface of the underground large cavity and the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer 13 are automatically set ( Can be identified (without the need for visual judgment).
なお、上記の第１の閾値を用いた解析及び第２の閾値を用いた解析は、本発明の実施において必ずしもコンピュータ１５が実行可能である必要はなく、双方を実行できなくてもよいし、いずれか一方のみが実行できてもよい。
また、上記の第１の閾値を用いた解析及び第２の閾値を用いた解析は、欠陥部の共振周波数帯域とレーザードップラー振動計１３の共振周波数帯域とを、コンピュータ１５が自動的に識別可能とするための手法の一具体例に過ぎず、これに代えて別の手法を用いてもよい。
The analysis using the first threshold value and the analysis using the second threshold value do not necessarily have to be executable by the computer 15 in the implementation of the present invention, and both may not be executable. Only one of them may be able to be executed.
Further, in the analysis using the first threshold value and the analysis using the second threshold value, the computer 15 can automatically identify the resonance frequency band of the defective portion and the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer 13. This is just one specific example of the method for the above, and another method may be used instead.
また、図示省略するが、コンピュータ１５は、図７に示した画像と同様に、本試験の測定結果についても計測点ごとの振動エネルギー比を算出して可視化した画像を生成してもよい。 Further, although not shown, the computer 15 may generate a visualized image by calculating the vibration energy ratio for each measurement point for the measurement result of this test as well as the image shown in FIG. 7.
＜まとめ＞
以上、説明したように、本発明に係る解析システム１０は、空間スペクトルエントロピーを適用した解析処理を行うことによって、検査対象物（構造物１）に内在する欠陥部３の共振周波数帯域と、レーザードップラー振動計１３のレーザーヘッドの共振周波数帯域と、を区別して検出することができる。
また、本発明に係る解析システム１０は、空間スペクトルエントロピーについて適切な閾値を設定することによって、これらの共振周波数帯域を自動的に検出することができる。
<Summary>
As described above, the analysis system 10 according to the present invention performs the analysis process applying the spatial spectrum entropy to obtain the resonance frequency band of the defect portion 3 inherent in the inspection object (structure 1) and the laser. The resonance frequency band of the laser head of the Doppler vibrometer 13 can be detected separately.
Further, the analysis system 10 according to the present invention can automatically detect these resonance frequency bands by setting an appropriate threshold value for the spatial spectral entropy.
本実施形態は以下の技術思想を包含する。
（１）構造物の測定面に音波を照射して前記測定面を加振する音響発信源と、前記測定面に定めた複数の計測点において前記測定面に対する振動速度スペクトルを計測するレーザードップラー振動計と、前記レーザードップラー振動計によって計測された前記振動速度スペクトルのそれぞれに対して周波数毎のスペクトルエントロピーである空間スペクトルエントロピーを適用することによって、当該振動速度スペクトルが計測された計測点を解析する解析装置と、を備え、前記構造物の欠陥部の共振周波数帯域および前記レーザードップラー振動計の共振周波数帯域を識別可能にする解析結果を、前記解析装置が出力することを特徴とする非接触音響解析システム。
（２）前記測定面に定める複数の計測点の配列が格子点になっていることによって、前記測定面が二次元空間を構成しており、前記解析装置は、前記二次元空間を構成する複数の計測点において計測された前記振動速度スペクトルに対して前記空間スペクトルエントロピーを適用する（１）に記載の非接触音響解析システム。
（３）前記解析装置は、前記振動速度スペクトルに対して前記空間スペクトルエントロピーを適用して導出される値が第１の閾値以下である場合、当該振動速度スペクトルが計測された計測点の内部に欠陥が生じているものと解析する（１）または（２）に記載の非接触音響解析システム。
（４）前記解析装置は、前記振動速度スペクトルに対して前記空間スペクトルエントロピーを適用して導出される値が第２の閾値以上である場合、当該振動速度スペクトルが前記レーザードップラー振動計のレーザーヘッドの共振周波数又は共振周波数帯域であるものと解析する（１）から（３）のいずれか一つに記載の非接触音響解析システム。
（５）前記第１の閾値が、前記振動速度スペクトルに対して前記空間スペクトルエントロピーを適用して導出される値の中央値より小さく、前記第２の閾値が、前記中央値より大きい（３）に従属する（４）に記載の非接触音響解析システム。
The present embodiment includes the following technical ideas.
(1) An acoustic source that irradiates a measurement surface of a structure with sound waves to vibrate the measurement surface, and laser Doppler vibration that measures a vibration velocity spectrum with respect to the measurement surface at a plurality of measurement points defined on the measurement surface. By applying the spatial spectrum entropy, which is the spectral entropy for each frequency, to each of the meter and the vibration velocity spectrum measured by the laser Doppler vibrometer, the measurement point at which the vibration velocity spectrum was measured is analyzed. A non-contact acoustic wave including an analysis device, wherein the analysis device outputs an analysis result that makes it possible to distinguish the resonance frequency band of the defective portion of the structure and the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer. Analysis system.
(2) Since the arrangement of a plurality of measurement points defined on the measurement surface is a grid point, the measurement surface constitutes a two-dimensional space, and the analysis device constitutes the two-dimensional space. The non-contact acoustic analysis system according to (1), which applies the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectrum measured at the measurement point of.
(3) When the value derived by applying the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectrum is equal to or less than the first threshold value, the analyzer is inside the measurement point where the vibration velocity spectrum is measured. The non-contact acoustic analysis system according to (1) or (2), which analyzes that a defect has occurred.
(4) When the value derived by applying the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectrum is equal to or greater than the second threshold value, the analysis device determines that the vibration velocity spectrum is the laser head of the laser Doppler vibrometer. The non-contact acoustic analysis system according to any one of (1) to (3), which analyzes the system as having a resonance frequency or a resonance frequency band.
(5) The first threshold value is smaller than the median value derived by applying the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectrum, and the second threshold value is larger than the median value (3). The non-contact acoustic analysis system according to (4), which is subordinate to.
１ 構造物
１Ａ コンクリート試供体
２ 測定面
３ 欠陥部
３Ａ 円形空洞欠陥
１０ 解析システム
１１ 音響発信源
１３ レーザードップラー振動計
１５ コンピュータ
1 Structure 1A Concrete specimen 2 Measuring surface 3 Defect part 3A Circular cavity Defect 10 Analysis system 11 Acoustic source 13 Laser Doppler vibrometer 15 Computer
Claims (5)
前記測定面に定めた複数の計測点において前記測定面に対する振動速度スペクトルを計測するレーザードップラー振動計と、
前記レーザードップラー振動計によって計測された前記振動速度スペクトルのそれぞれに対して周波数毎のスペクトルエントロピーである空間スペクトルエントロピーを適用することによって、当該振動速度スペクトルが計測された計測点を解析する解析装置と、
を備え、
前記構造物の欠陥部の共振周波数帯域および前記レーザードップラー振動計の共振周波数帯域を識別可能にする解析結果を、前記解析装置が出力することを特徴とする非接触音響解析システム。 An acoustic source that irradiates the measurement surface of a structure with sound waves to vibrate the measurement surface,
A laser Doppler vibrometer that measures the vibration velocity spectrum with respect to the measurement surface at a plurality of measurement points defined on the measurement surface.
An analyzer that analyzes the measurement points at which the vibration velocity spectrum was measured by applying the spatial spectrum entropy, which is the spectral entropy for each frequency, to each of the vibration velocity spectra measured by the laser Doppler vibrometer. ,
With
A non-contact acoustic analysis system characterized in that the analyzer outputs analysis results that make it possible to distinguish the resonance frequency band of a defective portion of the structure and the resonance frequency band of the laser Doppler vibrometer.
前記解析装置は、前記二次元空間を構成する複数の計測点において計測された前記振動速度スペクトルに対して前記空間スペクトルエントロピーを適用する請求項１に記載の非接触音響解析システム。 Since the array of a plurality of measurement points defined on the measurement surface is a grid point, the measurement surface constitutes a two-dimensional space.
The non-contact acoustic analysis system according to claim 1, wherein the analysis device applies the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectrum measured at a plurality of measurement points constituting the two-dimensional space.
前記第２の閾値が、前記中央値より大きい請求項３に従属する請求項４に記載の非接触音響解析システム。 The first threshold value is smaller than the median value derived by applying the spatial spectrum entropy to the vibration velocity spectrum.
The non-contact acoustic analysis system according to claim 4, wherein the second threshold value is greater than the median value.
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