JP3659578B2 - コンクリート圧縮強度測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンクリートの圧縮強度を測定するコンクリート圧縮強度測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3は、例えば特開平3−13859号公報に示された従来の超音波を用いたコンクリート圧縮強度測定装置を示す構成図である。
図において、1は被試験体となるコンクリートであり、その厚みをDとする。2は送信器としての探触子、3は受信器としての探触子、4、5は接触媒質、6はオシロスコープ、7は制御装置、8は出力装置である。
【0003】
次に、動作について説明する。
コンクリート1の両側に、適当な接触媒質4、5を介して探触子2、3を対向する位置に配置する。接触媒質4、5はコンクリート1と探触子2、3間における超音波の伝達効率を向上させるためのものである。この構成において、図3には示されていないが、適当な電気的駆動手段を用いて、探触子2にパルス状の超音波を発生させる。探触子2によって発生した超音波は、コンクリート1を伝搬して探触子3に到達し、電気信号に変換される。
【0004】
図4は、オシロスコープ6に表示されるイメージを示す図である。
図において、9は探触子2の駆動電気信号波形であり、10は探触子3が出力する受信電気信号波形であり、図4の縦軸は信号強度、横軸は時間を表す。図4から、超音波がコンクリート1を伝搬するのに要した時間を測定することができるので、厚みDを前述の時間で除算すると、超音波がコンクリート1を伝搬する速度(音速)を求めることができる。
【0005】
次に、先に求めた音速からコンクリート1の強度を推定する。例えば特開平3−13859号公報では、縦波音速だけでなく、横波音速、縦波受信周波数、および横波受信周波数もそれぞれ求めて、コンクリート強度の推定精度を向上させている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のコンクリート圧縮強度測定装置は、以上のように構成されており、音速の測定誤差がそのままコンクリート圧縮強度の推定誤差となるので、音速測定誤差を軽減するために信号対雑音比(S/N比)を大きくする必要がある。S/N比を大きくするためには、コンクリートに含まれる粗骨材平均粒径を考慮して超音波の周波数を最適に選ぶ必要があるが、このような機能を有していなかった。
【0007】
また、従来のコンクリート圧縮強度測定装置では、探触子(送信器)と探触子(受信器)を結ぶほぼ直線領域の平均的な圧縮強度推定値しか得らないため、圧縮強度低下部の大きさ、奥行き等の補修工事に必要とされる情報が得られない問題点があった。
【0008】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コンクリート圧縮強度推定精度を決定する音速測定誤差を許容範囲内にできるS/N比を確保しながら、コンクリート内部の圧縮強度分布を推定できるコンクリート圧縮強度測定装置を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るコンクリート圧縮強度測定装置は、コンクリートに超音波を送信する送信手段と、該送信手段から送信されて上記コンクリート内を伝搬した超音波を受信する受信手段と、該受信手段が受信した超音波に基づいて当該超音波がコンクリート内を伝搬するのに要した伝搬時間を計測する計測手段と、該計測手段で計測された伝播時間と上記送信手段および受信手段の位置とに基づいて上記コンクリート内の音速分布を求める第1の信号処理手段と、該第1の処理手段で得られた音速分布に基づいて上記コンクリートの圧縮強度分布を推定する第2の信号処理手段とを備え、上記第1の信号処理手段は、音速分布を求める範囲をより小さな領域に分割し、その領域における未知の音速は一定であると仮定し、各領域の音速の逆数とその領域を通過する超音波走行距離の積の走行経路にわたる総和が超音波伝搬時間となるよう行列方程式を導出し、上記送信手段および受信手段の位置と音速分布を求める範囲の大きさと分割のしかたを予め設定することで、上記行列方程式の係数行列を決定して行列方程式を解くものである。
【0010】
また、この発明に係るコンクリート圧縮強度測定装置は、上記送信手段は、上記コンクリートの一側に取り付けられた第1の探触子と、該第1の探触子を駆動するための駆動信号を発生する信号発生器とからなり、上記受信手段は上記コンクリートの他側に上記第1の探触子と対向して取り付けられた第2の探触子からなるものである。
【0011】
また、この発明に係るコンクリート圧縮強度測定装置は、上記第1および第2の探触子は、上記コンクリートを伝搬する超音波の縦波音速を粗骨材平均直径で除した値の1/2を中心周波数とし、超音波伝搬時間測定における時間分解能の逆数を周波数帯域の上限とする広帯域なものである。
【0012】
また、この発明に係るコンクリート圧縮強度測定装置は、上記信号発生器は、測定対象となる上記コンクリートの厚みから減衰率を想定し、受信信号強度が外来雑音強度および装置が発生する雑音強度よりも大きくなるような周波数の駆動信号を発生するものである。
【0013】
また、この発明に係るコンクリート圧縮強度測定装置は、上記信号発生器の駆動信号の発生は、超音波の送出完了から次に超音波の送出を開始するまでの時間が、先に上記コンクリート内に送出された超音波が十分減衰するまでの時間となるように設定されているものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるコンクリート圧縮強度測定装置を示す構成図である。
図において、1は被試験体となるコンクリート、2は第1の探触子、3は受信手段としての第2の探触子、4、5はコンクリート1と探触子2、3間における超音波の伝達効率を向上させるための接触媒質、11は探触子2を駆動するための駆動信号を発生する信号発生器、12は探触子3の出力と信号発生器11の出力から超音波伝搬時間を演算し、得られた超音波伝搬時間と探触子2、3の位置から音速分布を演算し圧縮強度分布を推定する演算器、13は演算器12の出力を表示する表示器である。
【0016】
探触子2はコンクリート1の一側に接触媒質4を介して取り付けられ、探触子3はコンクリート1の他側に接触媒質4を介し且つ探触子2と対向して取り付けられる。また、探触子2と信号発生器11とは、コンクリート1に超音波を送信する送信手段を構成する。
また、ここでは、図示していないけれも、演算器12は、探触子3が受信した超音波にからこの超音波がコンクリート1内を伝搬するのに要した伝搬時間を計測する計測手段と、この計測手段で計測された伝播時間と探触子2および3の位置からコンクリート1内の音速分布を求める第1の信号処理手段と、この第1の処理手段で得られた音速分布からコンクリート1の圧縮強度分布を推定する第2の信号処理手段とを含む。
【0017】
次に、動作について説明する。
探触子2、3はコンクリートを伝搬する超音波の縦波音速を粗骨材平均直径で除した値の1/2を中心周波数の上限とし、超音波伝搬時間測定における時間分解能の逆数を周波数帯域の上限とする広帯域なものを使用する。信号発生器11はコンクリート1の厚みDから減衰率を想定し、受信信号強度が外来雑音強度および装置が発生する雑音強度よりも大きくなるような周波数の駆動信号を発生する。なお、この駆動信号の発生は、超音波の送出完了から次に超音波の送出を開始するまでの時間が、先にコンクリート1内に送出された超音波が十分減衰するまでの時間となるように設定されている。
【0018】
上記のように信号発生器11が出力する駆動信号の周波数帯域を設定することで、所望のS/N比を得ることができ、次に述べる超音波伝搬時間の測定誤差を軽減できる。
【0019】
超音波が送出された時刻と受信された時刻との差から、超音波がコンクリート1を伝搬するのに要した伝搬時間を測定することができる。この伝搬時間を用いて、コンクリート内部の音速分布を求める。
図2は音速を求める範囲を示す図である。図2に示すように、音速を求める範囲を分割し、分割された各領域では音速は一定とする。図2に示すように、探触子2、3を配置し、超音波は破線のように直進するものとする。分割された各領域の音速の逆数を各々χ1,χ2,〜,χ9とすると、伝搬時間tは、次式で表される。
【0020】
t=α2χ2+α4χ4+α5χ5+α7χ7 (1)
【0021】
ただし、上記(1)式において、α2,α4,α5,α7は破線が各々の領域を横切る長さであり、音速を求める領域の大きさ、分割数、および、探触子2、3の位置によって決まる既知の値となる。音速測定の精度を高めるため、探触子2、3の位置を変更しながら多点計測を実施する。p回の多点計測を実施し、分割された領域数がq個のとき上記式(1)は、p行q列の係数行列A、伝搬時間測定結果からなるp行の列ベクトルt、分割された各領域の音速の逆数からなる列ベクトルχを用いて、下記の式(2)に示す連立1次方程式の形に書き改めることができ、この式を解くことで、各領域の音速を求めることができる。
【0022】
t=Aχ (2)
【0023】
係数行列Aは、音速を求める領域の大きさ、分割数、および探触子2、3の位置によって決まる既知の値となるので、Aおよびその逆行列A-1を測定毎に演算する必要はなく、演算処理時間を省くことができる。
【0024】
最後に、上記で求めた各領域の音速vj(ただし、j=1〜9)から、各領域の圧縮強度fjを推定する。本実施の形態では、下記の式(3)に示す建築学会の推定式を採用し、最終的に求めたいコンクリート内部の圧縮強度分布を得る。
【0025】
f=214v−620 (3)
【0026】
演算器12は、超音波が送出された時刻と受信された時刻との差から超音波がコンクリートを伝搬するのに要した伝搬時間tを計測し(計測手段)、予め設定されている音速を求める領域の大きさ、分割数、および、探触子2、3の位置から、上記の各領域の音速を演算し(第1の信号処理手段)、ついで、各領域の圧縮強度を推定するよう動作する(第2の信号処理手段)。表示器13は、演算器12の出力を表示するものである。
【0027】
上記のように、本実施の形態では、コンクリート内部の圧縮強度分布を推定・表示することで、強度低下部の広がり、奥行きがわかるので、補修工事における補修方法および補修にかかる工期・費用などを見積もるのに有益な測定結果とすることができる。
【0028】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、コンクリートに超音波を送信する送信手段と、該送信手段から送信されて上記コンクリート内を伝搬した超音波を受信する受信手段と、該受信手段が受信した超音波に基づいて当該超音波がコンクリート内を伝搬するのに要した伝搬時間を計測する計測手段と、該計測手段で計測された伝播時間と上記送信手段および受信手段の位置とに基づいて上記コンクリート内の音速分布を求める第1の信号処理手段と、該第1の処理手段で得られた音速分布に基づいて上記コンクリートの圧縮強度分布を推定する第2の信号処理手段とを備え、上記第1の信号処理手段は、音速分布を求める範囲をより小さな領域に分割し、その領域における未知の音速は一定であると仮定し、各領域の音速の逆数とその領域を通過する超音波走行距離の積の走行経路にわたる総和が超音波伝搬時間となるよう行列方程式を導出し、上記送信手段および受信手段の位置と音速分布を求める範囲の大きさと分割のしかたを予め設定することで、上記行列方程式の係数行列を決定して行列方程式を解くので、補修工事における補修方法および補修にかかる工期・費用などを見積もるのに有益な測定結果が得られ、さらに係数行列およびその逆行列を測定毎に演算する必要はなく、演算処理時間を省くことができるという効果がある。
【0029】
また、この発明によれば、上記送信手段は、上記コンクリートの一側に取り付けられた第1の探触子と、該第1の探触子を駆動するための駆動信号を発生する信号発生器とからなり、上記受信手段は上記コンクリートの他側に上記第1の探触子と対向して取り付けられた第2の探触子からなるので、補修工事における補修方法および補修にかかる工期・費用などを見積もるのに有益な測定結果を得るのに寄与できるという効果がある。
【0030】
また、この発明によれば、上記第1および第2の探触子は、上記コンクリートを伝搬する超音波の縦波音速を粗骨材平均直径で除した値の1/2を中心周波数とし、超音波伝搬時間測定における時間分解能の逆数を周波数帯域の上限とする広帯域なものであるので、超音波伝搬時間の測定誤差を軽減できるという効果がある。
【0031】
また、この発明によれば、上記信号発生器は、測定対象となる上記コンクリートの厚みから減衰率を想定し、受信信号強度が外来雑音強度および装置が発生する雑音強度よりも大きくなるような周波数の駆動信号を発生するので、超音波伝搬時間の測定誤差を軽減できるという効果がある。
【0032】
また、この発明によれば、上記信号発生器の駆動信号の発生は、超音波の送出完了から次に超音波の送出を開始するまでの時間が、先に上記コンクリート内に送出された超音波が十分減衰するまでの時間となるように設定されているので、超音波伝搬時間の測定誤差の軽減に寄与できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1によるコンクリート圧縮強度測定装置を示す構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1のコンクリート圧縮強度測定装置における音速分布を求める範囲を示す図である。
【図3】 従来のコンクリート圧縮強度測定装置を示す構成図である。
【図4】 従来のコンクリート圧縮強度測定装置における送信信号および受信信号波形を示す図である。
【符号の説明】
1 コンクリート、2,3 探触子、11 信号発生器、12 演算器、13表示器。
Claims (5)
- コンクリートに超音波を送信する送信手段と、
該送信手段から送信されて上記コンクリート内を伝搬した超音波を受信する受信手段と、
該受信手段が受信した超音波に基づいて当該超音波がコンクリート内を伝搬するのに要した伝搬時間を計測する計測手段と、
該計測手段で計測された伝播時間と上記送信手段および受信手段の位置とに基づいて上記コンクリート内の音速分布を求める第1の信号処理手段と、
該第1の処理手段で得られた音速分布に基づいて上記コンクリートの圧縮強度分布を推定する第2の信号処理手段と
を備え、
上記第1の信号処理手段は、音速分布を求める範囲をより小さな領域に分割し、その領域における未知の音速は一定であると仮定し、各領域の音速の逆数とその領域を通過する超音波走行距離の積の走行経路にわたる総和が超音波伝搬時間となるよう行列方程式を導出し、上記送信手段および受信手段の位置と音速分布を求める範囲の大きさと分割のしかたを予め設定することで、上記行列方程式の係数行列を決定して行列方程式を解くことを特徴とするコンクリート圧縮強度測定装置。 - 上記送信手段は、上記コンクリートの一側に取り付けられた第1の探触子と、該第1の探触子を駆動するための駆動信号を発生する信号発生器とからなり、上記受信手段は上記コンクリートの他側に上記第1の探触子と対向して取り付けられた第2の探触子からなることを特徴とする請求項1記載のコンクリート圧縮強度測定装置。
- 上記第1および第2の探触子は、上記コンクリートを伝搬する超音波の縦波音速を粗骨材平均直径で除した値の1/2を中心周波数とし、超音波伝搬時間測定における時間分解能の逆数を周波数帯域の上限とする広帯域なものであることを特徴とする請求項2記載のコンクリート圧縮強度測定装置。
- 上記信号発生器は、測定対象となる上記コンクリートの厚みから減衰率を想定し、受信信号強度が外来雑音強度および装置が発生する雑音強度よりも大きくなるような周波数の駆動信号を発生することを特徴とする請求項2または3記載のコンクリート圧縮強度測定装置。
- 上記信号発生器の駆動信号の発生は、超音波の送出完了から次に超音波の送出を開始するまでの時間が、先に上記コンクリート内に送出された超音波が十分減衰するまでの時間となるように設定されていることを特徴とする請求項4記載のコンクリート圧縮強度測定装置。
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