JP4001806B2 - 構造物の振動特性の非接触計測による同定方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の固有振動数や固有振動モードなどの振動特性を、振動、特に微動を非接触計測することにより同定する、構造物の振動特性の非接触計測による同定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道分野などでは、構造物の健全度などを振動測定を用いて検査する手法が研究されてきた。それらの検査では、接触型の振動計（ムービングコイル型、サーボ型などの加速度または速度センサなど）を構造物に設置して、構造物の振動を測定してきた（下記特許文献１、非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
一方、本願発明者らは、振動特性で構造物の地震時損傷度を精度良く検査できる手法を開発することを目的として、非線形構造解析を利用した構造物の振動特性の分析（下記非特許文献４及び５参照）、振動測定による構造物の振動特性の同定手法の開発（下記非特許文献６参照）などに取り組んできた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１０５６６５号公報 第６〜９頁 図１
【０００５】
【非特許文献１】
鈴木武夫：振動による橋脚の健全性の判定法、土木学会第６回年次学術講演会概要，ｐ．１８，１９５０．
【０００６】
【非特許文献２】
西村昭彦：ラーメン高架橋の健全度評価法の研究，鉄道総研報告，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．９，１９９０．９．
【０００７】
【非特許文献３】
中村豊：総合地震防災システムの研究，土木学会論文集，Ｎｏ．５３１／Ｉ−３４，ｐｐ．１−３３，１９９６．１．
【０００８】
【非特許文献４】
上半文昭，目黒公郎：非線形構造解析によるＲＣ構造物の即時地震損傷度判定法に関する一考察，応用力学論文集，Ｖｏｌ．３，ｐｐ．６２１−６２８，２０００．８．
【０００９】
【非特許文献５】
上半文昭，目黒公郎：鋼板補強された実大高架橋の損傷度判定に関する基礎的検討、土木学会第５６回年次学術講演会概要集（ＣＤ−ＲＯＭ），Ｉ−Ｂ０９７，２００１．１０．
【００１０】
【非特許文献６】
上半文昭，目黒公郎：固有振動数と振動モードを利用したＲＣ構造物の損傷度評価，第１回日本地震工学研究発表会・討論会梗概集，ｐ．１６６，２００１．１１．
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
接触型振動計を用いた従来の構造物振動測定の問題点としては、振動測定を利用した構造物の検査においては、橋梁等構造物上に振動測定用のセンサを設置する必要があるという点が挙げられる。センサの設置個所が高所、狭所などの場合にはセンサの設置が容易ではなく、多くの作業時間を要するだけでなく、検査作業員の安全確保が難しくなる場合がある。特に、地震後の構造物の損傷度検査の場合等には、検査作業員を余震による構造物倒壊などの２次災害の危険にさらすことになる。
【００１２】
これに対応して、レーザドップラ振動計などを用いた構造物の非接触振動測定技術は既に実用化されている。
【００１３】
しかしながら、このような、非接触型振動計を用いた構造物振動測定にも以下のような問題点が挙げられる。
【００１４】
（１）非接触型振動計自体の振動（ノイズ振動）の影響
すなわち、測定対象の振動レベルに対して、非接触型振動計自体の振動が無視できない大きさを持つ場合には、非接触型振動計による振動測定結果に含まれる誤差が大きくなることが予想される。つまり、微動のように振動レベルの非常に小さい振動を用いて土木構造物などを検査する場合、非接触型センサを支持する地盤や三脚等の振動の影響を無視できなくなる。特に、地震後の構造物の損傷度検査の場合等には、復旧工事などによって生じる各種のノイズ振動が非接触型センサに影響を与えると予想される。
【００１５】
レーザドップラ振動計で物体を測定する際に、レーザドップラ振動計自体の振動（センサに入力されるノイズ振動）を除去する方法としては、物体とレーザドップラ振動計を一つの除震台の上に設置する方法、２つのレーザドップラ振動計を利用して、それらから得られる速度情報の差分を用いて構造物の振動特性を得る方法などが考えられる。
【００１６】
しかし、サイズの大きな土木構造物などを測定対象とする場合には、構造物とセンサを一つの除震台に乗せて計測することは出来ない。また、２つのレーザドップラ振動計の記録の差分を利用して振動計自体の振動の影響を除去する手法を用いて装置を構成する場合、２つのレーザドップラセンサおよび復調装置を用いることになるため、現状では装置が非常に高価になるとともに、装置の制御が複雑になる（故障の危険度も高くなる）ため、現場で用いる検査用装置としては不向きであるといった問題があった。
【００１７】
（２）構造物の振動モード測定
レーザドップラ振動計で構造物の振動モード形状を計測する際には、複数のレーザドップラ振動計を用いて、構造物上の複数の点を対象とした同時測定を行う手法が用いられる。また、非定常性を考慮する必要の無い振動系を対象として振動モード形状を計測する際には、一つのドップラ振動計を制御して、構造物の振動をスキャンする手法が用いられる。
【００１８】
複数の非接触型振動計を用いた多点同時測定によって構造物の振動モード形状を測定することができるが、現場用検査装置に見合う金額での多点測定用の装置を構成することは現状では難しい。また、一つの非接触型振動計を用いたスキャニングによる手法では、時間的な非定常性のある微動を用いて構造物の振動モード形状を計測することは難しい。
【００１９】
本発明は、上記状況に鑑みて、構造物検査のための振動測定をより容易にかつ安全に実施できる構造物の振動特性の非接触計測による同定方法及び装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を解決するために、
〔１〕構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、支持装置１０５と、この支持装置１０５上に配置される水準器付きベース１０４と、この水準器付きベース１０４上に配置される角度測定器１０３と、この角度測定器１０３と連動し角度を調整できる構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計２５，１０１と、この非接触型振動計２５，１０１に取り付けられる接触型振動計２６，１０２とを配置し、構造物２１上の点２２をその振動方向２３と角度θずれた位置２４から前記非接触型振動計２５で計測し、この非接触型振動計２５に取り付けられた前記接触型振動計２６で振動方向２３と角度θをなす振動方向２７の振動を同時計測し、前記非接触型振動計２５で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）２８から、前記接触型振動計２６で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）２９を減じたものを、ｃｏｓθで除し、前記構造物２１上の点２２の振動方向２３の周波数特性ＳM （ｆ）３０を得るとともに、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳ R （ｆ）（４６）のピーク値Ｓ R MAX （４７）で、周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅Ｓ N MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする。
【００２１】
〔２〕構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、支持装置１０５と、この支持装置１０５上に配置される水準器付きベース１０４と、この水準器付きベース１０４上に配置される角度測定器１０３と、この角度測定器１０３と連動し角度を調整できる構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計３５，１０１と、この非接触型振動計３５，１０１に取り付けられる接触型振動計（３６，１０２とを配置し、構造物３１上の点３２をその振動方向３３と角度θずれた位置３４から前記非接触型振動計３５で計測し、この非接触型振動計３５に取り付けた前記接触型振動計３６で振動方向３３と角度θをなす振動方向３７の振動を同時計測し、前記非接触型振動計３５で得られた時系列振動データＸL （ｔ）３８Ａに、前記接触型振動計３６で得られた時系列振動データＸ S（ｔ）３８Ｂを加えて得られる時系列振動データをｃｏｓθで除することにより、前記構造物３１上の点３２の振動方向３３の振動の時系列データＸM （ｔ）３８Ｃを求め、この時系列データＸM （ｔ）３８Ｃをスペクトル演算することにより前記構造物３１上の点３２の振動方向３３の周波数特性ＳM （ｆ）３８Ｄを得るとともに、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳ R （ｆ）（４６）のピーク値Ｓ R MAX （４７）で、周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅Ｓ N MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする。
【００２２】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、地盤および基礎６１を伴った構造物６２の地表面付近の点６３およびその他の点６４〜６７を対象として、前記点６４〜６７の基準化振幅６８〜７２から前記地表面付近の点６３の基準化振幅を減ずることにより、構造物６２の地上部のみの振動モード形状７３を近似することを特徴とする。
【００２３】
〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか１項記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、前記非接触型振動計そのものの振動レベルが、構造物の振動に対して十分に小さい時に、前記非接触型振動計そのものの振動を無視して計測することを特徴とする。
【００２４】
〔５〕構造物の振動特性の非接触計測による同定装置において、構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計１０１と、この非接触型振動計１０１に取り付けられる接触型振動計１０２と、水準器付きベース１０４と、この水準器付きベース１０４と前記非接触型振動計１０１との間に配置される角度測定器１０３と、前記非接触型振動計１０１、接触型振動計１０２、角度測定器１０３及び水準器付きベース１０４を支える支持装置１０５と、電源装置１０６と、前記非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２からの情報を取り込み、構造物の振動特性の非接触計測による同定を行う、データを記録・表示できるデータ処理・記録・表示装置１０７を具備し、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳ R （ｆ）（４６）のピーク値Ｓ R MAX （４７）で、周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅Ｓ N MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする。
【００２５】
〔６〕上記〔５〕記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定装置において、前記データ処理・記録・表示装置１０７は、前記非接触型振動計１０１の信号を適切な電気信号に変換するための復調器１０８、前記非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２からの信号を等しい感度特性に調整するためのバンドパスフィルタ１０９、アナログの電気信号をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換装置１１０、および、入力された情報（及び演算結果）を記録する記録装置１１１、必要な処理を演算装置１１２に指示するための入力装置１１３、前記記録装置１１１に入力された情報および演算結果を表示する表示装置１１４とを具備することを特徴とする。
【００２６】
すなわち、
１．センサの設置が危険な対象を測定する手段として、非接触計測を導入する。
２．非接触型振動計自体の振動の影響を取り除くために、非接触型振動計にその非接触型振動計と等しい感度特性を持った接触型振動計を取り付け、非接触型振動計自体の振動を同時測定する。接触型振動計で記録された非接触型振動計自体の振動成分を利用して、非接触型振動計で記録された構造物の振動測定結果を補正する。この補正方法として２つの方法を提案する。
【００２７】
（１）簡易補正方法
非接触型振動計で記録した構造物振動の周波数特性から、接触型振動計で記録した非接触型振動計自体の振動の周波数特性を減じることにより、簡易に構造物振動の周波数特性を補正する。
【００２８】
（２）詳細補正方法
非接触型振動計で記録した構造物振動の時系列データに、接触型振動計で記録した非接触型振動計自体の振動の時系列データを加えることにより、構造物振動の時系列データを補正する。
３．構造物の振動モード形状を得るためには、上記２つの方法を用いて構造物の振動のより正確な振幅成分を得る。背の高い構造物を下方から計測できるようにするために、構造物の振動方向と異なる角度から上記２の方法を用いて構造物の振動を測定する場合の振幅の補正方法を提案する。一つの非接触型振動計で構造物をスキャニングすることにより構造物の振動モード形状を測定する場合に、構造物の振動の時間的非定常性の影響を取り除くために、構造物の１箇所に基準センサを設置して振動を同時計測し、非接触計測された構造物の振幅成分を、基準センサで記録された振動の振幅成分で基準化する。
４．非接触型振動計自体の振動を除去する技術および構造物の振動モード形状を求める技術として、複数の非接触型振動計を用いる手法も考えられる。しかし、現状では、レーザドップラ振動計などの非接触型振動計の価格は１台あたり数百万円程度であり、複数の非接触型振動計を用いて装置を構成しようとすれば、非常に高価になってしまう。そこで、１台あたり数万円〜数十万円程度と比較的安価な接触型振動計を利用することにより、非接触型振動計自体の振動の除去や構造物の振動モード形状の推定が可能な装置を低価格で構成できるようにする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明の実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定装置の構成図であり、図１（ａ）はその全体構成図、図１（ｂ）はそのシステムの構成図である。
【００３１】
これらの図において、１０１は構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計であり、ここでは、非接触型振動計１０１としてはレーザドップラ速度計を用いる。１０２はこの非接触型振動計１０１に取り付けられる接触型振動計であり、この接触型振動計１０２としてはセンサの傾きの影響を受けないサーボ型速度計（例えば、（株）東京測振製 ＶＳＥ−１５ 小型微動測定用）などを用いる。１０３は非接触型振動計１０１及び接触型振動計１０２が水準面となす角度を測定できる角度測定器、１０４は水準器付きベース、１０５は非接触型振動計１０１、接触型振動計１０２、角度測定器１０３及び水準器付きベース１０４を支える支持装置であり、ここでは３脚を用いる。
【００３２】
一方、１０６は電源装置、１０７は非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２と角度測定器１０３からの情報を取り込み、構造物の振動特性の非接触計測による同定を行う、データを記録・表示できるデータ処理・記録・表示装置であり、このデータ処理・記録・表示装置１０７は非接触型振動計１０１の信号を適切な電気信号に変換するための復調器１０８、非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２からの信号を等しい感度特性に調整するためのバンドパスフィルタ１０９、アナログの電気信号をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換装置１１０、及び入力された情報（及び演算結果）を記録する記録装置１１１、必要な処理を演算装置１１２に指示するための入力装置１１３、記録装置１１１に入力された情報及び演算結果を表示する表示装置１１４とを具備する。
【００３３】
なお、上記実施例では、角度測定器１０３を設けるようにしているが、絶えず、非接触型振動計１０１の向く方向を一定に設定、例えば、水平方向や所定の角度に固定して用いる場合には、その値をあらかじめ記録装置１１１に記憶させておき、角度測定器１０３は省略することもできる。
【００３４】
上記した構造物の振動特性の非接触計測による同定装置を用いて以下に説明する構造物の振動特性の非接触計測を行う。
【００３５】
以下では、まず、簡易補正方法（周波数補正方法）について説明する。
【００３６】
図２は本発明の第１実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００３７】
図２に示すように、非接触型振動計１で、構造物２の振動方向３の振動を計測する際に、非接触型振動計１に接触型振動計４を取り付けて振動方向３の振動を同時測定し、非接触型振動計１で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）５から接触型振動計４で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）６を減じることにより、非接触型振動計１の振動の影響を取り除いた構造物２の振動の周波数特性ＳM （ｆ）７を得る。
【００３８】
ここで、非接触型振動計１は、構造物２と非接触型振動計１間の相対振動を測定するため、非接触型振動計１で計測される構造物２の振動の周波数特性が含まれている。この非接触型振動計１自体の振動の周波数特性ＳL （ｆ）５から接触型振動計４で計測される構造物２の振動の周波数特性ＳS （ｆ）６を減じることにより、構造物２の振動の周波数特性ＳM （ｆ）７をより正しく計測できる。ただし、この方法では、非接触型振動計１と構造物２の振動間に生じる位相差は考慮されていない。
【００３９】
次に、本発明の詳細補正方法（時系列補正方法）について説明する。
【００４０】
図３は本発明の第２実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００４１】
図３に示すように、非接触型振動計１１で構造物１２の振動方向１３の振動を計測する際に、非接触型振動計１１に接触型振動計１４を取り付けて振動方向１３の振動を同時測定し、非接触型振動計１１で計測された時系列振動データＸL （ｔ）１５に接触型振動計１４で計測された時系列振動データＸS （ｔ）１６を加えて、非接触型振動計１１の振動の影響を取り除いた構造物１２の時系列振動データＸM （ｔ）１７を求め、この時系列振動データＸM （ｔ）１７をスペクトル演算して非接触型振動計１１の振動の影響を取り除いた構造物１２の振動の周波数特性ＳM （ｆ）１８を求める。
【００４２】
ここで、非接触型振動計１１は、構造物１２と非接触型振動計１１間の相対速度を測定するため、非接触型振動計１１で計測される構造物１２の時系列振動データＸL （ｔ）１５には、非接触型振動計１１自体の振動の時系列データの影響が含まれている。非接触型振動計１１の速度をｖ１１，構造物１２の速度をｖ１２とすれば非接触型振動計１１で計測される構造物１２の速度はｖ１２−ｖ１１となる。したがって、非接触型振動計１１で計測された構造物１２の振動の時系列データＸL （ｔ）１５に、接触型振動計１４で計測した非接触型振動計１１自体の振動の時系列データを加えることにより、構造物１２の時系列振動データＸM （ｔ）１７を正しく求めることができる。
【００４３】
図４は本発明の第１及び第２実施例の具体例であるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定装置を示す図、図５はそのフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【００４４】
図４において、フレーム構造模型２１０は、４本のＬ字鋼２１１で錘２１３を載せた桁２１２を支えた構造を有しており、実験室の床２００上に固定されている。非接触型振動計として用いたレーザドップラ振動計２０１はノイズの多い測定状況を模擬するため、剛性をやや低めた三脚２０３に設置されている。フレーム構造模型２１０とレーザドップラ振動計２０１には、接触型振動計（速度計）２０２，２１４が設置されている。各振動計２０１，２０２，２１４で微動（起振機や打撃による加振によらない常時の振動）を約４１ｓｅｃ間、時間刻み０．０１ｓｅｃで測定し、振動データを保存した。
【００４５】
図５（ａ）にフレーム構造模型２１０上に設置した接触型振動計２１４で記録された微動のフーリエスペクトルを示す。その卓越振動数（１次振動モードの固有振動数に相当）は４．６Ｈｚであり、同卓越振動数における振幅は１．４μｍであった。
【００４６】
一方、図５（ｂ）に示すレーザドップラ振動計２０１で記録された振動のフーリエスペクトルには、２つの明瞭なピークが現れている。図５（ｃ）に示すレーザドップラ振動計２０１上に設置した接触型振動計２０２で記録された微動のフーリエスペクトルには、振動数５．２Ｈｚのピークがあり、これはレーザドップラ振動計２０１自体の振動の特性を表しているものと考えられる。
【００４７】
ここで、図５（ｂ）の２つのピークはそれぞれ、振動数４．６Ｈｚ、振幅１．４μｍと振動数５．２Ｈｚ，振幅１．３Ｈｚである。よって、図５（ｃ）より、後者がレーザドップラ振動計２０１の振動特性の影響を受けたものであることがわかるので、前者がフレーム構造模型２１０の１次振動モード特性を表すものと推定できる。この推定処理を機械的に行う場合には、図５（ｂ）のスペクトルから図５（ｃ）のスペクトルを減じた図５（ｄ）のスペクトルを作成し、そのピークを調べれば良い。
【００４８】
さらに、計測精度を高めるためには、レーザドップラ振動計２０１で測定された時系列振動データにレーザドップラ振動計２０１上に設置した接触型振動計２０２で測定された時系列振動データを加えて得た時系列データを用いるのが良い。前記処理により得られた時系列データのフーリエスペクトルが図５（ｅ）である。その卓越ピークは振動数４．６Ｈｚ、振幅１．４μｍで、図５（ａ）と等しいことが確かめられた。
【００４９】
図６は本発明の第３実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図であり、基本技術を構造物の振動モード形状測定へ応用したものである。
【００５０】
図６において、構造物２１上の点２２をその振動方向２３と角度θずれた位置２４から非接触型振動計２５で計測し、この非接触型振動計２５に取り付けられた接触型振動計２６で振動方向２３と角度θをなす振動方向２７の振動を同時計測し、非接触型振動計２５で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）２８から、接触型振動計２６で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）２９を減じたものを、ｃｏｓθで除することにより、構造物２１上の点２２の振動方向２３の周波数特性ＳM （ｆ）３０を求める。
【００５１】
レーザドップラ振動計は、「ドップラ効果」と「光ヘテロダイン干渉法」を利用して物体の振動速度と振動周波数を非接触で検出できるセンサである。
【００５２】
周波数ｆ0 、波長λ0 のレーザ光を、レーザ光の照射方向と角度θずれた方向に速度ｖで移動するターゲットに照射すると、ターゲットからの反射光の持つ周波数は次に示すｆD だけ変化する。
【００５３】
ｆD ＝２ｖ・ｃｏｓθ／λ0
レーザドップラ振動計では、このドップラシフト振動数ｆD を、光ヘテロダイン干渉法で検出することにより、ターゲットの速度を検出する。従って、ターゲットの振動方向とレーザの照射方向が角度θを持っているときには、ターゲットの振動速度はｃｏｓθ倍だけ小さく検出される。
【００５４】
そのため、この実施例では、構造物２１上の点２２の振動を振動方向２３と角度θずれた位置２４から測定する場合には、まず、非接触型振動計２５で測定した構造物２１の振動の周波数特性から、接触型振動計２６で測定した振動の周波数特性を減じて非接触型振動計２５自体の振動方向２３の振動の影響を除去し、次にｃｏｓθで除して、角度ずれの影響を除去する。
【００５５】
図７は本発明の第４実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００５６】
図７において、構造物３１上の点３２をその振動方向３３と角度θずれた位置３４から非接触型振動計３５で計測し、この非接触型振動計３５に取り付けた接触型振動計３６で振動方向３３と角度θをなす振動方向３７の振動を同時計測し、非接触型振動計３５で計測された時系列振動データＸL （ｔ）３８Ａに、接触型振動計３６で計測された時系列振動データＸS （ｔ）３８Ｂを加えて得られる時系列振動データをｃｏｓθで除することにより、構造物３１上の点３２の振動方向３３の時系列振動データＸM （ｔ）３８Ｃをスペクトル演算することにより構造物３１上の点３２の振動方向３３の周波数特性ＳM （ｆ）３８Ｄを得る。
【００５７】
この実施例でも、構造物３１上の点３２の振動を角度θずれた位置３４から測定する場合には、まず、非接触型振動計３５で測定した構造物３１の振動の時系列データＸL （ｔ）３８Ａから、接触型振動計３６で測定した振動の時系列データＸS （ｔ）３８Ｂを減じて非接触型振動計３５自体の振動方向３３の振動の影響を除去し、次にｃｏｓθで除して、角度ずれの影響を除去する。
【００５８】
図８は本発明の第５実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００５９】
一つの非接触型振動計で構造物各部の振動を順番に測定した結果から、構造物の振動モード形状を推定する場合には、利用した振動の時間的な非定常性を考慮しなければならない。微動などの時間的な非定常性を有する振動を用いる場合、ある部分を測定した時の構造物の振動レベルと異なる部分を測定した時の構造物の振動レベルが異なることは珍しくない。
【００６０】
図８に示すように、構造物４１上の点４２の振動方向４３の振動の周波数特性ＳM （ｆ）４４を求める際に、構造物４１上のある基準点４５に設置した接触型振動計で振動方向４３の振動を同時測定し、得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めたＳR （ｆ）４６のピーク値ＳR MAX ４７で、周波数特性ＳM （ｆ）４４を除することにより、基準点４５の振動レベルを用いて基準化した構造物４１上の点４２の振動方向４３の振動の周波数特性ＳN （ｆ）４８を求める。周波数特性ＳN （ｆ）４８において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅ＳN MAX ４９とする。この方法を構造物４１上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて構造物４１の振動モード形状５６を求める。
【００６１】
図９は本発明の第６実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００６２】
構造物の地盤および基礎６１より上の部分（上部構造）のみを対象とした振動特性を調べたいときに、地盤および基礎を伴った構造物の振動モード形状から、地盤および基礎の振動に伴う上部構造の並進運動分を取り除くことによって、上部構造のみの振動モード形状を概算する。
【００６３】
図９に示すように、地盤および基礎６１を伴った構造物６２の地表面付近の点６３およびその他の点６４〜６７を対象として地表面付近の点６３の基準化振幅６８〜７２から地表面付近の点６３の基準化振幅を減ずることにより、構造物６２の地上部のみの振動モード形状７３を近似する。
【００６４】
図１０は上記した第３〜第６実施例の具体例を示す図であり、図１１は図１０におけるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【００６５】
レーザドップラ振動計３０１に接触型振動計３０２を設置した非接触型振動計を用いて、柱３１２と桁３１３の接合部を剛に結合したフレーム構造模型３１１上の点Ａ（高さ１．１７ｍ）、点Ｂ（高さ０．９０ｍ）、点Ｃ（高さ０．６０ｍ）、点Ｄ（高さ０．３０ｍ）および点Ｅ（高さ０．０３ｍ）の各点の振動を上から順に測定する。フレーム構造模型３１１は、地盤・基礎を模擬した台３１０の上に設置してある。１点あたりの測定時間は約４１ｓｅｃで測定時間刻みは０．０１ｓｅｃである。各点の振動測定結果を第３実施例（第４実施例でも良い）の方法により、スペクトル化したものを図１１（ａ）〜図１１（ｅ）に、そのピーク値を表１に示す。
【００６６】
【表１】
【００６７】
一方、各点（Ａ〜Ｅ）の振動をレーザドップラ振動計３０１で測定する際に、フレーム構造模型３１１上に設置した接触型振動計３１５で同時測定した振動測定結果を基準点での振動測定結果とした。表１には、そのフーリエスペクトルＳR （ｆ）のピーク値ＳR MAX 及びこのＳR MAX を用いて第５実施例の手法で求めた各点の基準化振幅ＳN MAX 、また、この基準化振幅ＳN MAX を第６実施例の方法で整理し、さらにフレーム構造模型３１１上の点Ａの振幅を１として正規化した結果が示されている。さらに同結果を、下端固定−上端回転拘束の境界条件を持つ梁の１次振動モードの理論解と合わせて図１２に示す。
【００６８】
このように構成したので、フレーム構造模型の１次振動モード形状を、微動の時間的な非定常性の影響を受けることなく、ほぼ正確に同定することができる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７１】
（Ａ）構造物検査のための振動測定をより容易にかつ安全に実施できる。また、構造物への振動計の取付けに要していた時間と費用を節約することができる。
【００７２】
（Ｂ）複数の非接触型振動計を用いる場合に比べて、検査用装置の価格を大幅に低減できる。
【００７３】
（Ｃ）非接触型振動計自体の振動の周波数特性ＳL （ｆ）から接触型振動計で計測される構造物の振動の周波数特性ＳS （ｆ）を減じることにより、構造物の振動の周波数特性ＳM （ｆ）をより正しく計測できる。フレーム構造模型の１次振動モード形状を、微動の時間的な非定常性の影響を受けることなく、ほぼ正確に同定することができる。
【００７４】
（Ｄ）非接触型振動計で計測された構造物の振動の時系列データに、接触型振動計で計測した非接触型振動計自体の振動の時系列データを加えることにより、構造物の時系列振動データＸM （ｔ）を正しく求めることができる。
【００７５】
（Ｅ）レーザドップラ振動計で測定された時系列振動データにレーザドップラ振動計上に設置した接触型振動計で測定された時系列振動データを加えて得た時系列データを用いることにより、更なる精度の向上を図ることができる。
【００７６】
（Ｆ）構造物上の点をその振動方向と角度θずれた位置から非接触型振動計で計測する場合には、非接触型振動計に取り付けられた接触型振動計で振動方向と角度θをなす振動方向の振動を同時計測し、非接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）から、接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）を減じたものを、ｃｏｓθで除することにより、構造物上の点の振動方向の周波数特性ＳM （ｆ）を求め、簡便な手法で角度ずれの影響を除去することができる。
【００７７】
（Ｇ）構造物上の点の振動を角度θずれた位置から測定する場合には、まず、非接触型振動計で測定した構造物の振動の時系列データＸL （ｔ）から、接触型振動計で測定した振動の時系列データＸS （ｔ）を減じて非接触型振動計自体の振動方向の振動の影響を除去し、次にｃｏｓθで除して、角度ずれの影響を除去することができる。
【００７８】
（Ｈ）フレーム構造模型の１次振動モード形状を、微動の時間的な非定常性の影響を受けることなく、ほぼ正確に同定することができる。
【００７９】
（Ｉ）構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、微動測定を用いて行うことにより、簡便で、かつ正確な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定装置の構成図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図３】 本発明の第２実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図４】 本発明の第１及び第２実施例の具体例であるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定装置を示す図である。
【図５】 図４におけるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【図６】 本発明の第３実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図７】 本発明の第４実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図８】 本発明の第５実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図９】 本発明の第６実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図１０】 本発明の第３〜第６実施例の具体例を示す図である。
【図１１】 図１０におけるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【図１２】 フレーム構造模型上の点の振幅を１として正規化した結果を下端固定−上端回転拘束の境界条件を持つ梁の１次振動モードの理論解と合わせて示す図である。
【符号の説明】
１，１１，２５，３５，１０１ 非接触型振動計（レーザドップラ速度計）
２，１２，２１，３１，４１ 構造物
３，１３，２３，３３，４３ 振動方向
４，１４，２６，３６，１０２ 非接触型振動計上に取り付けた接触型振動計（サーボ型速度計）
５ 非接触型振動計で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）
６ 接触型振動計で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）
７，１８，３８Ｄ，４４ 構造物の振動の周波数特性ＳM （ｆ）
１５，３８Ａ 非接触型振動計で計測された時系列振動データＸL （ｔ）
１６，３８Ｂ 接触型振動計で計測された時系列振動データＸS （ｔ）
１７，３８Ｃ 構造物の時系列振動データＸM （ｔ）
２２，３２，４２ 構造物上の点
２４，３４ 振動方向と角度θずれた位置
２７，３７ 振動方向と角度θをなす振動方向
２８ 非接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）
２９ 接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）
３０ 構造物上の点の振動方向の周波数特性ＳM （ｆ）
４５ 構造物上のある基準点
４６ 構造物上のある基準点に設置した振動計で振動方向の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳR （ｆ）
４７ ＳR （ｆ）のピーク値ＳR MAX
４８ 構造物上の点の振動方向の振動の周波数特性ＳN （ｆ）
４９ 基準化振幅ＳN MAX
５０〜５２ 構造物上の複数の点
５３〜５５ ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅
５６ 構造物の振動モード形状
６１ 地盤および基礎
６２ 地盤および基礎を伴った構造物
６３ 地盤および基礎を伴った構造物の地表面付近の点
６４〜６７ その他の点
６８〜７２ 基準化振幅
７３ 構造物の地上部のみの振動モード形状
１０３ 角度測定器
１０４ 水準器付きベース
１０５ 支持装置
１０６ 電源装置
１０７ データ処理・記録・表示装置
１０８ 復調器
１０９ バンドパスフィルタ
１１０ Ａ／Ｄ変換装置
１１１ 記録装置
１１２ 演算装置
１１３ 入力装置
１１４ 表示装置
２００ 実験室の床
２０１，３０１ レーザドップラ振動計
２０２，２１４，３０２，３１５ 接触型振動計（速度計）
２０３ 三脚
２１０，３１１ フレーム構造模型
２１１ ４本のＬ字鋼
２１２，３１３ 桁
２１３ 錘
３１０ 台
３１２ 柱
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造物の固有振動数や固有振動モードなどの振動特性を、振動、特に微動を非接触計測することにより同定する、構造物の振動特性の非接触計測による同定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道分野などでは、構造物の健全度などを振動測定を用いて検査する手法が研究されてきた。それらの検査では、接触型の振動計（ムービングコイル型、サーボ型などの加速度または速度センサなど）を構造物に設置して、構造物の振動を測定してきた（下記特許文献１、非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
一方、本願発明者らは、振動特性で構造物の地震時損傷度を精度良く検査できる手法を開発することを目的として、非線形構造解析を利用した構造物の振動特性の分析（下記非特許文献４及び５参照）、振動測定による構造物の振動特性の同定手法の開発（下記非特許文献６参照）などに取り組んできた。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１０５６６５号公報 第６〜９頁 図１
【０００５】
【非特許文献１】
鈴木武夫：振動による橋脚の健全性の判定法、土木学会第６回年次学術講演会概要，ｐ．１８，１９５０．
【０００６】
【非特許文献２】
西村昭彦：ラーメン高架橋の健全度評価法の研究，鉄道総研報告，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．９，１９９０．９．
【０００７】
【非特許文献３】
中村豊：総合地震防災システムの研究，土木学会論文集，Ｎｏ．５３１／Ｉ−３４，ｐｐ．１−３３，１９９６．１．
【０００８】
【非特許文献４】
上半文昭，目黒公郎：非線形構造解析によるＲＣ構造物の即時地震損傷度判定法に関する一考察，応用力学論文集，Ｖｏｌ．３，ｐｐ．６２１−６２８，２０００．８．
【０００９】
【非特許文献５】
上半文昭，目黒公郎：鋼板補強された実大高架橋の損傷度判定に関する基礎的検討、土木学会第５６回年次学術講演会概要集（ＣＤ−ＲＯＭ），Ｉ−Ｂ０９７，２００１．１０．
【００１０】
【非特許文献６】
上半文昭，目黒公郎：固有振動数と振動モードを利用したＲＣ構造物の損傷度評価，第１回日本地震工学研究発表会・討論会梗概集，ｐ．１６６，２００１．１１．
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
接触型振動計を用いた従来の構造物振動測定の問題点としては、振動測定を利用した構造物の検査においては、橋梁等構造物上に振動測定用のセンサを設置する必要があるという点が挙げられる。センサの設置個所が高所、狭所などの場合にはセンサの設置が容易ではなく、多くの作業時間を要するだけでなく、検査作業員の安全確保が難しくなる場合がある。特に、地震後の構造物の損傷度検査の場合等には、検査作業員を余震による構造物倒壊などの２次災害の危険にさらすことになる。
【００１２】
これに対応して、レーザドップラ振動計などを用いた構造物の非接触振動測定技術は既に実用化されている。
【００１３】
しかしながら、このような、非接触型振動計を用いた構造物振動測定にも以下のような問題点が挙げられる。
【００１４】
（１）非接触型振動計自体の振動（ノイズ振動）の影響
すなわち、測定対象の振動レベルに対して、非接触型振動計自体の振動が無視できない大きさを持つ場合には、非接触型振動計による振動測定結果に含まれる誤差が大きくなることが予想される。つまり、微動のように振動レベルの非常に小さい振動を用いて土木構造物などを検査する場合、非接触型センサを支持する地盤や三脚等の振動の影響を無視できなくなる。特に、地震後の構造物の損傷度検査の場合等には、復旧工事などによって生じる各種のノイズ振動が非接触型センサに影響を与えると予想される。
【００１５】
レーザドップラ振動計で物体を測定する際に、レーザドップラ振動計自体の振動（センサに入力されるノイズ振動）を除去する方法としては、物体とレーザドップラ振動計を一つの除震台の上に設置する方法、２つのレーザドップラ振動計を利用して、それらから得られる速度情報の差分を用いて構造物の振動特性を得る方法などが考えられる。
【００１６】
しかし、サイズの大きな土木構造物などを測定対象とする場合には、構造物とセンサを一つの除震台に乗せて計測することは出来ない。また、２つのレーザドップラ振動計の記録の差分を利用して振動計自体の振動の影響を除去する手法を用いて装置を構成する場合、２つのレーザドップラセンサおよび復調装置を用いることになるため、現状では装置が非常に高価になるとともに、装置の制御が複雑になる（故障の危険度も高くなる）ため、現場で用いる検査用装置としては不向きであるといった問題があった。
【００１７】
（２）構造物の振動モード測定
レーザドップラ振動計で構造物の振動モード形状を計測する際には、複数のレーザドップラ振動計を用いて、構造物上の複数の点を対象とした同時測定を行う手法が用いられる。また、非定常性を考慮する必要の無い振動系を対象として振動モード形状を計測する際には、一つのドップラ振動計を制御して、構造物の振動をスキャンする手法が用いられる。
【００１８】
複数の非接触型振動計を用いた多点同時測定によって構造物の振動モード形状を測定することができるが、現場用検査装置に見合う金額での多点測定用の装置を構成することは現状では難しい。また、一つの非接触型振動計を用いたスキャニングによる手法では、時間的な非定常性のある微動を用いて構造物の振動モード形状を計測することは難しい。
【００１９】
本発明は、上記状況に鑑みて、構造物検査のための振動測定をより容易にかつ安全に実施できる構造物の振動特性の非接触計測による同定方法及び装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を解決するために、
〔１〕構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、支持装置１０５と、この支持装置１０５上に配置される水準器付きベース１０４と、この水準器付きベース１０４上に配置される角度測定器１０３と、この角度測定器１０３と連動し角度を調整できる構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計２５，１０１と、この非接触型振動計２５，１０１に取り付けられる接触型振動計２６，１０２とを配置し、構造物２１上の点２２をその振動方向２３と角度θずれた位置２４から前記非接触型振動計２５で計測し、この非接触型振動計２５に取り付けられた前記接触型振動計２６で振動方向２３と角度θをなす振動方向２７の振動を同時計測し、前記非接触型振動計２５で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）２８から、前記接触型振動計２６で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）２９を減じたものを、ｃｏｓθで除し、前記構造物２１上の点２２の振動方向２３の周波数特性ＳM （ｆ）３０を得るとともに、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳ R （ｆ）（４６）のピーク値Ｓ R MAX （４７）で、周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅Ｓ N MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする。
【００２１】
〔２〕構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、支持装置１０５と、この支持装置１０５上に配置される水準器付きベース１０４と、この水準器付きベース１０４上に配置される角度測定器１０３と、この角度測定器１０３と連動し角度を調整できる構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計３５，１０１と、この非接触型振動計３５，１０１に取り付けられる接触型振動計（３６，１０２とを配置し、構造物３１上の点３２をその振動方向３３と角度θずれた位置３４から前記非接触型振動計３５で計測し、この非接触型振動計３５に取り付けた前記接触型振動計３６で振動方向３３と角度θをなす振動方向３７の振動を同時計測し、前記非接触型振動計３５で得られた時系列振動データＸL （ｔ）３８Ａに、前記接触型振動計３６で得られた時系列振動データＸ S（ｔ）３８Ｂを加えて得られる時系列振動データをｃｏｓθで除することにより、前記構造物３１上の点３２の振動方向３３の振動の時系列データＸM （ｔ）３８Ｃを求め、この時系列データＸM （ｔ）３８Ｃをスペクトル演算することにより前記構造物３１上の点３２の振動方向３３の周波数特性ＳM （ｆ）３８Ｄを得るとともに、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳ R （ｆ）（４６）のピーク値Ｓ R MAX （４７）で、周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅Ｓ N MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする。
【００２２】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、地盤および基礎６１を伴った構造物６２の地表面付近の点６３およびその他の点６４〜６７を対象として、前記点６４〜６７の基準化振幅６８〜７２から前記地表面付近の点６３の基準化振幅を減ずることにより、構造物６２の地上部のみの振動モード形状７３を近似することを特徴とする。
【００２３】
〔４〕上記〔１〕から〔３〕の何れか１項記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、前記非接触型振動計そのものの振動レベルが、構造物の振動に対して十分に小さい時に、前記非接触型振動計そのものの振動を無視して計測することを特徴とする。
【００２４】
〔５〕構造物の振動特性の非接触計測による同定装置において、構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計１０１と、この非接触型振動計１０１に取り付けられる接触型振動計１０２と、水準器付きベース１０４と、この水準器付きベース１０４と前記非接触型振動計１０１との間に配置される角度測定器１０３と、前記非接触型振動計１０１、接触型振動計１０２、角度測定器１０３及び水準器付きベース１０４を支える支持装置１０５と、電源装置１０６と、前記非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２からの情報を取り込み、構造物の振動特性の非接触計測による同定を行う、データを記録・表示できるデータ処理・記録・表示装置１０７を具備し、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳ R （ｆ）（４６）のピーク値Ｓ R MAX （４７）で、周波数特性Ｓ M （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性Ｓ N （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅Ｓ N MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする。
【００２５】
〔６〕上記〔５〕記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定装置において、前記データ処理・記録・表示装置１０７は、前記非接触型振動計１０１の信号を適切な電気信号に変換するための復調器１０８、前記非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２からの信号を等しい感度特性に調整するためのバンドパスフィルタ１０９、アナログの電気信号をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換装置１１０、および、入力された情報（及び演算結果）を記録する記録装置１１１、必要な処理を演算装置１１２に指示するための入力装置１１３、前記記録装置１１１に入力された情報および演算結果を表示する表示装置１１４とを具備することを特徴とする。
【００２６】
すなわち、
１．センサの設置が危険な対象を測定する手段として、非接触計測を導入する。
２．非接触型振動計自体の振動の影響を取り除くために、非接触型振動計にその非接触型振動計と等しい感度特性を持った接触型振動計を取り付け、非接触型振動計自体の振動を同時測定する。接触型振動計で記録された非接触型振動計自体の振動成分を利用して、非接触型振動計で記録された構造物の振動測定結果を補正する。この補正方法として２つの方法を提案する。
【００２７】
（１）簡易補正方法
非接触型振動計で記録した構造物振動の周波数特性から、接触型振動計で記録した非接触型振動計自体の振動の周波数特性を減じることにより、簡易に構造物振動の周波数特性を補正する。
【００２８】
（２）詳細補正方法
非接触型振動計で記録した構造物振動の時系列データに、接触型振動計で記録した非接触型振動計自体の振動の時系列データを加えることにより、構造物振動の時系列データを補正する。
３．構造物の振動モード形状を得るためには、上記２つの方法を用いて構造物の振動のより正確な振幅成分を得る。背の高い構造物を下方から計測できるようにするために、構造物の振動方向と異なる角度から上記２の方法を用いて構造物の振動を測定する場合の振幅の補正方法を提案する。一つの非接触型振動計で構造物をスキャニングすることにより構造物の振動モード形状を測定する場合に、構造物の振動の時間的非定常性の影響を取り除くために、構造物の１箇所に基準センサを設置して振動を同時計測し、非接触計測された構造物の振幅成分を、基準センサで記録された振動の振幅成分で基準化する。
４．非接触型振動計自体の振動を除去する技術および構造物の振動モード形状を求める技術として、複数の非接触型振動計を用いる手法も考えられる。しかし、現状では、レーザドップラ振動計などの非接触型振動計の価格は１台あたり数百万円程度であり、複数の非接触型振動計を用いて装置を構成しようとすれば、非常に高価になってしまう。そこで、１台あたり数万円〜数十万円程度と比較的安価な接触型振動計を利用することにより、非接触型振動計自体の振動の除去や構造物の振動モード形状の推定が可能な装置を低価格で構成できるようにする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３０】
図１は本発明の実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定装置の構成図であり、図１（ａ）はその全体構成図、図１（ｂ）はそのシステムの構成図である。
【００３１】
これらの図において、１０１は構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計であり、ここでは、非接触型振動計１０１としてはレーザドップラ速度計を用いる。１０２はこの非接触型振動計１０１に取り付けられる接触型振動計であり、この接触型振動計１０２としてはセンサの傾きの影響を受けないサーボ型速度計（例えば、（株）東京測振製 ＶＳＥ−１５ 小型微動測定用）などを用いる。１０３は非接触型振動計１０１及び接触型振動計１０２が水準面となす角度を測定できる角度測定器、１０４は水準器付きベース、１０５は非接触型振動計１０１、接触型振動計１０２、角度測定器１０３及び水準器付きベース１０４を支える支持装置であり、ここでは３脚を用いる。
【００３２】
一方、１０６は電源装置、１０７は非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２と角度測定器１０３からの情報を取り込み、構造物の振動特性の非接触計測による同定を行う、データを記録・表示できるデータ処理・記録・表示装置であり、このデータ処理・記録・表示装置１０７は非接触型振動計１０１の信号を適切な電気信号に変換するための復調器１０８、非接触型振動計１０１と接触型振動計１０２からの信号を等しい感度特性に調整するためのバンドパスフィルタ１０９、アナログの電気信号をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換装置１１０、及び入力された情報（及び演算結果）を記録する記録装置１１１、必要な処理を演算装置１１２に指示するための入力装置１１３、記録装置１１１に入力された情報及び演算結果を表示する表示装置１１４とを具備する。
【００３３】
なお、上記実施例では、角度測定器１０３を設けるようにしているが、絶えず、非接触型振動計１０１の向く方向を一定に設定、例えば、水平方向や所定の角度に固定して用いる場合には、その値をあらかじめ記録装置１１１に記憶させておき、角度測定器１０３は省略することもできる。
【００３４】
上記した構造物の振動特性の非接触計測による同定装置を用いて以下に説明する構造物の振動特性の非接触計測を行う。
【００３５】
以下では、まず、簡易補正方法（周波数補正方法）について説明する。
【００３６】
図２は本発明の第１実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００３７】
図２に示すように、非接触型振動計１で、構造物２の振動方向３の振動を計測する際に、非接触型振動計１に接触型振動計４を取り付けて振動方向３の振動を同時測定し、非接触型振動計１で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）５から接触型振動計４で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）６を減じることにより、非接触型振動計１の振動の影響を取り除いた構造物２の振動の周波数特性ＳM （ｆ）７を得る。
【００３８】
ここで、非接触型振動計１は、構造物２と非接触型振動計１間の相対振動を測定するため、非接触型振動計１で計測される構造物２の振動の周波数特性が含まれている。この非接触型振動計１自体の振動の周波数特性ＳL （ｆ）５から接触型振動計４で計測される構造物２の振動の周波数特性ＳS （ｆ）６を減じることにより、構造物２の振動の周波数特性ＳM （ｆ）７をより正しく計測できる。ただし、この方法では、非接触型振動計１と構造物２の振動間に生じる位相差は考慮されていない。
【００３９】
次に、本発明の詳細補正方法（時系列補正方法）について説明する。
【００４０】
図３は本発明の第２実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００４１】
図３に示すように、非接触型振動計１１で構造物１２の振動方向１３の振動を計測する際に、非接触型振動計１１に接触型振動計１４を取り付けて振動方向１３の振動を同時測定し、非接触型振動計１１で計測された時系列振動データＸL （ｔ）１５に接触型振動計１４で計測された時系列振動データＸS （ｔ）１６を加えて、非接触型振動計１１の振動の影響を取り除いた構造物１２の時系列振動データＸM （ｔ）１７を求め、この時系列振動データＸM （ｔ）１７をスペクトル演算して非接触型振動計１１の振動の影響を取り除いた構造物１２の振動の周波数特性ＳM （ｆ）１８を求める。
【００４２】
ここで、非接触型振動計１１は、構造物１２と非接触型振動計１１間の相対速度を測定するため、非接触型振動計１１で計測される構造物１２の時系列振動データＸL （ｔ）１５には、非接触型振動計１１自体の振動の時系列データの影響が含まれている。非接触型振動計１１の速度をｖ１１，構造物１２の速度をｖ１２とすれば非接触型振動計１１で計測される構造物１２の速度はｖ１２−ｖ１１となる。したがって、非接触型振動計１１で計測された構造物１２の振動の時系列データＸL （ｔ）１５に、接触型振動計１４で計測した非接触型振動計１１自体の振動の時系列データを加えることにより、構造物１２の時系列振動データＸM （ｔ）１７を正しく求めることができる。
【００４３】
図４は本発明の第１及び第２実施例の具体例であるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定装置を示す図、図５はそのフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【００４４】
図４において、フレーム構造模型２１０は、４本のＬ字鋼２１１で錘２１３を載せた桁２１２を支えた構造を有しており、実験室の床２００上に固定されている。非接触型振動計として用いたレーザドップラ振動計２０１はノイズの多い測定状況を模擬するため、剛性をやや低めた三脚２０３に設置されている。フレーム構造模型２１０とレーザドップラ振動計２０１には、接触型振動計（速度計）２０２，２１４が設置されている。各振動計２０１，２０２，２１４で微動（起振機や打撃による加振によらない常時の振動）を約４１ｓｅｃ間、時間刻み０．０１ｓｅｃで測定し、振動データを保存した。
【００４５】
図５（ａ）にフレーム構造模型２１０上に設置した接触型振動計２１４で記録された微動のフーリエスペクトルを示す。その卓越振動数（１次振動モードの固有振動数に相当）は４．６Ｈｚであり、同卓越振動数における振幅は１．４μｍであった。
【００４６】
一方、図５（ｂ）に示すレーザドップラ振動計２０１で記録された振動のフーリエスペクトルには、２つの明瞭なピークが現れている。図５（ｃ）に示すレーザドップラ振動計２０１上に設置した接触型振動計２０２で記録された微動のフーリエスペクトルには、振動数５．２Ｈｚのピークがあり、これはレーザドップラ振動計２０１自体の振動の特性を表しているものと考えられる。
【００４７】
ここで、図５（ｂ）の２つのピークはそれぞれ、振動数４．６Ｈｚ、振幅１．４μｍと振動数５．２Ｈｚ，振幅１．３Ｈｚである。よって、図５（ｃ）より、後者がレーザドップラ振動計２０１の振動特性の影響を受けたものであることがわかるので、前者がフレーム構造模型２１０の１次振動モード特性を表すものと推定できる。この推定処理を機械的に行う場合には、図５（ｂ）のスペクトルから図５（ｃ）のスペクトルを減じた図５（ｄ）のスペクトルを作成し、そのピークを調べれば良い。
【００４８】
さらに、計測精度を高めるためには、レーザドップラ振動計２０１で測定された時系列振動データにレーザドップラ振動計２０１上に設置した接触型振動計２０２で測定された時系列振動データを加えて得た時系列データを用いるのが良い。前記処理により得られた時系列データのフーリエスペクトルが図５（ｅ）である。その卓越ピークは振動数４．６Ｈｚ、振幅１．４μｍで、図５（ａ）と等しいことが確かめられた。
【００４９】
図６は本発明の第３実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図であり、基本技術を構造物の振動モード形状測定へ応用したものである。
【００５０】
図６において、構造物２１上の点２２をその振動方向２３と角度θずれた位置２４から非接触型振動計２５で計測し、この非接触型振動計２５に取り付けられた接触型振動計２６で振動方向２３と角度θをなす振動方向２７の振動を同時計測し、非接触型振動計２５で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）２８から、接触型振動計２６で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）２９を減じたものを、ｃｏｓθで除することにより、構造物２１上の点２２の振動方向２３の周波数特性ＳM （ｆ）３０を求める。
【００５１】
レーザドップラ振動計は、「ドップラ効果」と「光ヘテロダイン干渉法」を利用して物体の振動速度と振動周波数を非接触で検出できるセンサである。
【００５２】
周波数ｆ0 、波長λ0 のレーザ光を、レーザ光の照射方向と角度θずれた方向に速度ｖで移動するターゲットに照射すると、ターゲットからの反射光の持つ周波数は次に示すｆD だけ変化する。
【００５３】
ｆD ＝２ｖ・ｃｏｓθ／λ0
レーザドップラ振動計では、このドップラシフト振動数ｆD を、光ヘテロダイン干渉法で検出することにより、ターゲットの速度を検出する。従って、ターゲットの振動方向とレーザの照射方向が角度θを持っているときには、ターゲットの振動速度はｃｏｓθ倍だけ小さく検出される。
【００５４】
そのため、この実施例では、構造物２１上の点２２の振動を振動方向２３と角度θずれた位置２４から測定する場合には、まず、非接触型振動計２５で測定した構造物２１の振動の周波数特性から、接触型振動計２６で測定した振動の周波数特性を減じて非接触型振動計２５自体の振動方向２３の振動の影響を除去し、次にｃｏｓθで除して、角度ずれの影響を除去する。
【００５５】
図７は本発明の第４実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００５６】
図７において、構造物３１上の点３２をその振動方向３３と角度θずれた位置３４から非接触型振動計３５で計測し、この非接触型振動計３５に取り付けた接触型振動計３６で振動方向３３と角度θをなす振動方向３７の振動を同時計測し、非接触型振動計３５で計測された時系列振動データＸL （ｔ）３８Ａに、接触型振動計３６で計測された時系列振動データＸS （ｔ）３８Ｂを加えて得られる時系列振動データをｃｏｓθで除することにより、構造物３１上の点３２の振動方向３３の時系列振動データＸM （ｔ）３８Ｃをスペクトル演算することにより構造物３１上の点３２の振動方向３３の周波数特性ＳM （ｆ）３８Ｄを得る。
【００５７】
この実施例でも、構造物３１上の点３２の振動を角度θずれた位置３４から測定する場合には、まず、非接触型振動計３５で測定した構造物３１の振動の時系列データＸL （ｔ）３８Ａから、接触型振動計３６で測定した振動の時系列データＸS （ｔ）３８Ｂを減じて非接触型振動計３５自体の振動方向３３の振動の影響を除去し、次にｃｏｓθで除して、角度ずれの影響を除去する。
【００５８】
図８は本発明の第５実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００５９】
一つの非接触型振動計で構造物各部の振動を順番に測定した結果から、構造物の振動モード形状を推定する場合には、利用した振動の時間的な非定常性を考慮しなければならない。微動などの時間的な非定常性を有する振動を用いる場合、ある部分を測定した時の構造物の振動レベルと異なる部分を測定した時の構造物の振動レベルが異なることは珍しくない。
【００６０】
図８に示すように、構造物４１上の点４２の振動方向４３の振動の周波数特性ＳM （ｆ）４４を求める際に、構造物４１上のある基準点４５に設置した接触型振動計で振動方向４３の振動を同時測定し、得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めたＳR （ｆ）４６のピーク値ＳR MAX ４７で、周波数特性ＳM （ｆ）４４を除することにより、基準点４５の振動レベルを用いて基準化した構造物４１上の点４２の振動方向４３の振動の周波数特性ＳN （ｆ）４８を求める。周波数特性ＳN （ｆ）４８において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅ＳN MAX ４９とする。この方法を構造物４１上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて構造物４１の振動モード形状５６を求める。
【００６１】
図９は本発明の第６実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【００６２】
構造物の地盤および基礎６１より上の部分（上部構造）のみを対象とした振動特性を調べたいときに、地盤および基礎を伴った構造物の振動モード形状から、地盤および基礎の振動に伴う上部構造の並進運動分を取り除くことによって、上部構造のみの振動モード形状を概算する。
【００６３】
図９に示すように、地盤および基礎６１を伴った構造物６２の地表面付近の点６３およびその他の点６４〜６７を対象として地表面付近の点６３の基準化振幅６８〜７２から地表面付近の点６３の基準化振幅を減ずることにより、構造物６２の地上部のみの振動モード形状７３を近似する。
【００６４】
図１０は上記した第３〜第６実施例の具体例を示す図であり、図１１は図１０におけるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【００６５】
レーザドップラ振動計３０１に接触型振動計３０２を設置した非接触型振動計を用いて、柱３１２と桁３１３の接合部を剛に結合したフレーム構造模型３１１上の点Ａ（高さ１．１７ｍ）、点Ｂ（高さ０．９０ｍ）、点Ｃ（高さ０．６０ｍ）、点Ｄ（高さ０．３０ｍ）および点Ｅ（高さ０．０３ｍ）の各点の振動を上から順に測定する。フレーム構造模型３１１は、地盤・基礎を模擬した台３１０の上に設置してある。１点あたりの測定時間は約４１ｓｅｃで測定時間刻みは０．０１ｓｅｃである。各点の振動測定結果を第３実施例（第４実施例でも良い）の方法により、スペクトル化したものを図１１（ａ）〜図１１（ｅ）に、そのピーク値を表１に示す。
【００６６】
【表１】
一方、各点（Ａ〜Ｅ）の振動をレーザドップラ振動計３０１で測定する際に、フレーム構造模型３１１上に設置した接触型振動計３１５で同時測定した振動測定結果を基準点での振動測定結果とした。表１には、そのフーリエスペクトルＳR （ｆ）のピーク値ＳR MAX 及びこのＳR MAX を用いて第５実施例の手法で求めた各点の基準化振幅ＳN MAX 、また、この基準化振幅ＳN MAX を第６実施例の方法で整理し、さらにフレーム構造模型３１１上の点Ａの振幅を１として正規化した結果が示されている。さらに同結果を、下端固定−上端回転拘束の境界条件を持つ梁の１次振動モードの理論解と合わせて図１２に示す。
【００６８】
このように構成したので、フレーム構造模型の１次振動モード形状を、微動の時間的な非定常性の影響を受けることなく、ほぼ正確に同定することができる。
【００６９】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７１】
（Ａ）構造物検査のための振動測定をより容易にかつ安全に実施できる。また、構造物への振動計の取付けに要していた時間と費用を節約することができる。
【００７２】
（Ｂ）複数の非接触型振動計を用いる場合に比べて、検査用装置の価格を大幅に低減できる。
【００７３】
（Ｃ）非接触型振動計自体の振動の周波数特性ＳL （ｆ）から接触型振動計で計測される構造物の振動の周波数特性ＳS （ｆ）を減じることにより、構造物の振動の周波数特性ＳM （ｆ）をより正しく計測できる。フレーム構造模型の１次振動モード形状を、微動の時間的な非定常性の影響を受けることなく、ほぼ正確に同定することができる。
【００７４】
（Ｄ）非接触型振動計で計測された構造物の振動の時系列データに、接触型振動計で計測した非接触型振動計自体の振動の時系列データを加えることにより、構造物の時系列振動データＸM （ｔ）を正しく求めることができる。
【００７５】
（Ｅ）レーザドップラ振動計で測定された時系列振動データにレーザドップラ振動計上に設置した接触型振動計で測定された時系列振動データを加えて得た時系列データを用いることにより、更なる精度の向上を図ることができる。
【００７６】
（Ｆ）構造物上の点をその振動方向と角度θずれた位置から非接触型振動計で計測する場合には、非接触型振動計に取り付けられた接触型振動計で振動方向と角度θをなす振動方向の振動を同時計測し、非接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）から、接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）を減じたものを、ｃｏｓθで除することにより、構造物上の点の振動方向の周波数特性ＳM （ｆ）を求め、簡便な手法で角度ずれの影響を除去することができる。
【００７７】
（Ｇ）構造物上の点の振動を角度θずれた位置から測定する場合には、まず、非接触型振動計で測定した構造物の振動の時系列データＸL （ｔ）から、接触型振動計で測定した振動の時系列データＸS （ｔ）を減じて非接触型振動計自体の振動方向の振動の影響を除去し、次にｃｏｓθで除して、角度ずれの影響を除去することができる。
【００７８】
（Ｈ）フレーム構造模型の１次振動モード形状を、微動の時間的な非定常性の影響を受けることなく、ほぼ正確に同定することができる。
【００７９】
（Ｉ）構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、微動測定を用いて行うことにより、簡便で、かつ正確な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定装置の構成図である。
【図２】 本発明の第１実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図３】 本発明の第２実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図４】 本発明の第１及び第２実施例の具体例であるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定装置を示す図である。
【図５】 図４におけるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【図６】 本発明の第３実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図７】 本発明の第４実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図８】 本発明の第５実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図９】 本発明の第６実施例を示す構造物の振動特性の非接触計測による同定方法の模式図である。
【図１０】 本発明の第３〜第６実施例の具体例を示す図である。
【図１１】 図１０におけるフレーム構造模型の１次振動モード特性の同定結果を示す図である。
【図１２】 フレーム構造模型上の点の振幅を１として正規化した結果を下端固定−上端回転拘束の境界条件を持つ梁の１次振動モードの理論解と合わせて示す図である。
【符号の説明】
１，１１，２５，３５，１０１ 非接触型振動計（レーザドップラ速度計）
２，１２，２１，３１，４１ 構造物
３，１３，２３，３３，４３ 振動方向
４，１４，２６，３６，１０２ 非接触型振動計上に取り付けた接触型振動計（サーボ型速度計）
５ 非接触型振動計で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）
６ 接触型振動計で計測された時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）
７，１８，３８Ｄ，４４ 構造物の振動の周波数特性ＳM （ｆ）
１５，３８Ａ 非接触型振動計で計測された時系列振動データＸL （ｔ）
１６，３８Ｂ 接触型振動計で計測された時系列振動データＸS （ｔ）
１７，３８Ｃ 構造物の時系列振動データＸM （ｔ）
２２，３２，４２ 構造物上の点
２４，３４ 振動方向と角度θずれた位置
２７，３７ 振動方向と角度θをなす振動方向
２８ 非接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）
２９ 接触型振動計で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）
３０ 構造物上の点の振動方向の周波数特性ＳM （ｆ）
４５ 構造物上のある基準点
４６ 構造物上のある基準点に設置した振動計で振動方向の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳR （ｆ）
４７ ＳR （ｆ）のピーク値ＳR MAX
４８ 構造物上の点の振動方向の振動の周波数特性ＳN （ｆ）
４９ 基準化振幅ＳN MAX
５０〜５２ 構造物上の複数の点
５３〜５５ ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅
５６ 構造物の振動モード形状
６１ 地盤および基礎
６２ 地盤および基礎を伴った構造物
６３ 地盤および基礎を伴った構造物の地表面付近の点
６４〜６７ その他の点
６８〜７２ 基準化振幅
７３ 構造物の地上部のみの振動モード形状
１０３ 角度測定器
１０４ 水準器付きベース
１０５ 支持装置
１０６ 電源装置
１０７ データ処理・記録・表示装置
１０８ 復調器
１０９ バンドパスフィルタ
１１０ Ａ／Ｄ変換装置
１１１ 記録装置
１１２ 演算装置
１１３ 入力装置
１１４ 表示装置
２００ 実験室の床
２０１，３０１ レーザドップラ振動計
２０２，２１４，３０２，３１５ 接触型振動計（速度計）
２０３ 三脚
２１０，３１１ フレーム構造模型
２１１ ４本のＬ字鋼
２１２，３１３ 桁
２１３ 錘
３１０ 台
３１２ 柱
Claims (6)
- （ａ）支持装置（１０５）と、
（ｂ）該支持装置（１０５）上に配置される水準器付きベース（１０４）と、
（ｃ）該水準器付きベース（１０４）上に配置される角度測定器（１０３）と、
（ｄ）該角度測定器（１０３）と連動し角度を調整できる構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計（２５，１０１）と、
（ｅ）該非接触型振動計（２５，１０１）に取り付けられる接触型振動計（２６，１０２）とを配置し、
（ｆ）構造物（２１）上の点（２２）をその振動方向（２３）と角度θずれた位置（２４）から前記非接触型振動計（２５）で計測し、該非接触型振動計（２５）に取り付けられた前記接触型振動計（２６）で振動方向（２３）と角度θをなす振動方向（２７）の振動を同時計測し、前記非接触型振動計（２５）で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳL （ｆ）（２８）から、前記接触型振動計（２６）で得られた時系列振動データをスペクトル演算して求めた周波数特性ＳS （ｆ）（２９）を減じたものを、ｃｏｓθで除し、前記構造物（２１）上の点（２２）の振動方向（２３）の周波数特性ＳM （ｆ）（３０）を得るとともに、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性ＳM （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳR （ｆ）（４６）のピーク値ＳR MAX （４７）で、周波数特性ＳM （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性ＳN （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性ＳN （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅ＳN MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする構造物の振動特性の非接触計測による同定方法。 - （ａ）支持装置（１０５）と、
（ｂ）該支持装置（１０５）上に配置される水準器付きベース（１０４）と、
（ｃ）該水準器付きベース（１０４）上に配置される角度測定器（１０３）と、
（ｄ）該角度測定器（１０３）と連動し角度を調整できる構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計（３５，１０１）と、
（ｅ）該非接触型振動計（３５，１０１）に取り付けられる接触型振動計（３６，１０２）とを配置し、
（ｆ）構造物（３１）上の点（３２）をその振動方向（３３）と角度θずれた位置（３４）から前記非接触型振動計（３５）で計測し、該非接触型振動計（３５）に取り付けた前記接触型振動計（３６）で振動方向（３３）と角度θをなす振動方向（３７）の振動を同時計測し、前記非接触型振動計（３５）で得られた時系列振動データＸL （ｔ）（３８Ａ）に、前記接触型振動計（３６）で得られた時系列振動データＸ S（ｔ）（３８Ｂ）を加えて得られる時系列振動データをｃｏｓθで除することにより、前記構造物（３１）上の点（３２）の振動方向（３３）の振動の時系列データＸM （ｔ）（３８Ｃ）を求め、この時系列データＸM （ｔ）（３８Ｃ）をスペクトル演算することにより前記構造物（３１）上の点（３２）の振動方向の周波数特性ＳM （ｆ）（３８Ｄ）を得るとともに、振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳR （ｆ）（４６）のピーク値ＳR MAX （４７）で、周波数特性ＳM （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性ＳN （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性ＳN （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅ＳN MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする構造物の振動特性の非接触計測による同定方法。 - 請求項１又は２記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、地盤および基礎（６１）を伴った構造物（６２）の地表面付近の点（６３）およびその他の点（６４〜６７）を対象として、前記点（６４〜６７）の基準化振幅（６８〜７２）から前記地表面付近の点（６３）の基準化振幅を減ずることにより、構造物（６２）の地上部のみの振動モード形状（７３）を近似することを特徴とする構造物の振動特性の非接触計測による同定方法。
- 請求項１から３の何れか１項記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定方法において、前記非接触型振動計そのものの振動レベルが、構造物の振動に対して十分に小さい時に、前記非接触型振動計そのものの振動を無視して計測することを特徴とする構造物の振動特性の非接触計測による同定方法。
- （ａ）構造物の振動を非接触で検出する非接触型振動計（１０１）と、
（ｂ）該非接触型振動計に取り付けられる接触型振動計（１０２）と、
（ｃ）水準器付きベース（１０４）と、
（ｄ）該水準器付きベース（１０４）と前記非接触型振動計（１０１）との間に配置される角度測定器（１０３）と、
（ｅ）前記非接触型振動計（１０１）、接触型振動計（１０２）、角度測定器（１０３）及び水準器付きベース（１０４）を支える支持装置（１０５）と、
（ｆ）電源装置（１０６）と、
（ｇ）前記非接触型振動計（１０１）と接触型振動計（１０２）からの情報を取り込み、構造物の振動特性の非接触計測による同定を行う、データを記録・表示できるデータ処理・記録・表示装置（１０７）を具備し、
（ｈ）振動レベルが非常に小さい微動を非接触計測し、前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性ＳM （ｆ）（４４）を求める際に、構造物（４１）上のある基準点（４５）に設置した振動計で振動方向（４３）の振動を同時測定し、得られた時系列データをスペクトル演算して求めたＳR （ｆ）（４６）のピーク値ＳR MAX （４７）で、周波数特性ＳM （ｆ）（４４）を除することにより、前記基準点（４５）の振動レベルを用いて基準化した前記構造物（４１）上の点（４２）の振動方向（４３）の振動の周波数特性ＳN （ｆ）（４８）を求め、前記周波数特性ＳN （ｆ）（４８）において、ある分析対象のモード成分に対応するスペクトル振幅を基準化振幅ＳN MAX （４９）となし、これを前記構造物（４１）上の複数の点（５０〜５２）も対象として実施し、ある分析対象のモード成分に対応する各点の基準化振幅（５３〜５５）を求め、それらを用いて前記構造物（４１）の振動モード形状（５６）を得ることを特徴とする構造物の振動特性の非接触計測による同定装置。 - 請求項５記載の構造物の振動特性の非接触計測による同定装置において、前記データ処理・記録・表示装置（１０７）は、前記非接触型振動計（１０１）の信号を適切な電気信号に変換するための復調器（１０８）、前記非接触型振動計（１０１）と接触型振動計（１０２）からの信号を等しい感度特性に調整するためのバンドパスフィルタ（１０９）、アナログの電気信号をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換装置（１１０）、および、入力された情報（及び演算結果）を記録する記録装置（１１１）、必要な処理を演算装置（１１２）に指示するための入力装置（１１３）、前記記録装置（１１１）に入力された情報および演算結果を表示する表示装置（１１４）とを具備することを特徴とする構造物の振動特性の非接触計測による同定装置。
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