JP4456723B2

JP4456723B2 - Concrete soundness judgment method and apparatus

Info

Publication number: JP4456723B2
Application number: JP2000130246A
Authority: JP
Inventors: 良浩伊東; 紀之歌川
Original assignee: Sato Kogyo Co Ltd
Current assignee: Sato Kogyo Co Ltd
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: JP2001311724A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート健全度判定方法及び装置に関し、更に詳しくは、トンネルなどのコンクリート構造物の内部に発生している亀裂や空隙などの存在を外部からの非破壊検査で判定するのに利用される方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、コンクリートの健全度の判定は、検査者が自ら叩くハンマーの打撃音を聴き取り亀裂や空隙の存在を判定する方法で行われていた。
【０００３】
特公平４−１０９８７号公報は、ハンマー打撃を機械により行うと共に打撃音の採取をマイクロホンで行う装置を開示している。この装置においては、打撃音は、ハンマー打撃によって発生する打撃部分の振動を空気振動（音）を介して採取される方式であり、ハンマー打撃部からコンクリート内部を一定の距離で伝播し、コンクリート内部の状態により変形された伝播振動をピックアップするものではない。
【０００４】
特許第３００９５４３号公報は、コンクリート表面を打撃して、該打撃音を解析する解析部による解析によりコンクリートの健全度を判定する方法において、打撃点から離れた位置に受音手段を配置してあり、該受音手段は、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取するマイクロホンと、該マイクロホンが内装されるものであり、受音方向が開放されており略半球形のフード部材で構成される遮音部材とで構成されており、コンクリート自体を伝播した伝播打撃音を、前記遮音部材をコンクリート表面に近接ないし密接させた前記受音手段が空気振動として採取し、前記解析部により解析することを特徴とするコンクリート健全度判定方法、並びに、コンクリート表面を打撃して、該打撃音を解析することによりコンクリートの健全度を判定する装置において、コンクリートを打撃する打撃手段と、この打撃手段から離れた位置に配置する受音手段と、採取した伝播打撃音を解析する解析部から成り、該受音手段は、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取するマイクロホンと、該マイクロホンが内装されるものであり、受音方向が開放されており略半球形状のフード部材で構成される遮音部材で構成されることを特徴とするコンクリート健全度判定装置、を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自ら叩いたハンマー打撃音を直に耳で聴取してコンクリートの健全度を判定する古典的な方法は、現在に至るまで依然として行われているが、この方法で判定を行うには熟練を要し、また、判定精度にもバラツキがあり、更に、判定に時間がかかるという難点もある。
【０００６】
ハンマー打撃を機械的に行い、打撃部分の振動を空気振動としてマイクロホンで採取して行う前記した特公平４−１０９８７号公報に記載の装置では、打撃部分に発生する被検査物の振動を検出するので、汚れの付着など打撃部分の表面の状態や、近傍に骨材などが存在する場合に、判定結果にバラツキが生じ易く、同一個所での多数回の打撃検査が必要であり能率の点に問題がある。
【０００７】
前記した特許第３００９５４３号公報に示されているコンクリート健全度判定方法及び装置は、上記した諸方法及び装置の難点を克服するものであるが、更に研究を続けると次のような改良の余地のあることが判明した。即ち、この方法ないし装置では、打撃用のハンマーとして、（Ａ）打診に用いられている一般的なハンマー、（Ｂ）前記特公平４−１０９８７号公報記載の球形ヘッドを有するハンマー、（Ｃ）略一定の打撃エネルギーとなるように人手でなく機械的に打撃を行うハンマー、を用いることが示されている。研究によると、（Ａ）及び（Ｂ）のハンマーによる打撃では、打撃する位置による制約は避けられるが、ハンマー打撃に強弱の差があるので打撃エネルギーが一定せず、出力である打撃音との相関が不明確となり、判定結果にバラツキが発生し易いとの知見が得られた。
【０００８】
また、（Ｃ）のハンマーは、装置が大掛かりとなり、小型化の要請に答えることができないだけでなく、打撃位置によっては利用が制約を受けることが判明した。
【０００９】
上記から明らかなように、本発明は、前記特許第特許第３００９５４３号公報に示されているコンクリート健全度判定方法及び装置に利用される打撃手段に、上記した観点から改良を加えることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は下記構成を有する。
１．コンクリート表面を打撃手段により打撃して振動を生じさせ、この打撃位置から離れた位置に配置したマイクロホンにより、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取して電気信号に変換し、この信号を解析するコンクリート健全度判定方法であって、打撃入力値の時間変化が既知となるハンマーを用いて打撃を行い、この打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とを解析することによりコンクリート健全度を判定する方法において、
前記ハンマーは、加速度計を内蔵したインパルスハンマーであり、
前記打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とによる解析が、打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）、打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）、打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの間の伝達関数の重心（周波数重心）の組み合わせをパラメーターとして行なわれ、
振幅比をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た振幅比が、他の個所に比して大きい場合には、その個所が、全体の構造から剥離しかけている個所、又は部材寸法が他と比較して不足している個所であると判定される構成であり、
実効値比をパラメーターとする解析が、該実効値比から減衰を導出し、被判定物であるコンクリートのある個所で得た減衰が、他の個所に比して小さく振動が継続する場合には、その個所が、密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在する個所、逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されている個所、又はひび割れなどに囲まれている個所であると判定される構成であり、
周波数重心をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た周波数重心が、他の個所に比して低周波数側にある場合には、その個所が、コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、又はひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所であると判定される構成である、
ことを特徴とするコンクリート健全度判定方法。
２．コンクリート表面を打撃手段により打撃して振動を生じさせ、この打撃位置から離れた位置に配置したマイクロホンにより、コンクリート中を伝播した打撃音（振動）を空気振動として採取して電気信号に変換し、この信号を解析するコンクリート健全度判定装置であって、打撃入力値の時間変化が既知となるハンマーを用いて打撃を行い、この打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とを解析することによりコンクリート健全度を判定する装置において、
前記ハンマーは、加速度計を内蔵したインパルスハンマーであり、
前記打撃入力の既知量とコンクリート中を伝播した打撃音（振動）とによる解析が、打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）、打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）、打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの間の伝達関数の重心（周波数重心）の組み合わせをパラメーターとして行なわれ、
振幅比をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た振幅比が、他の個所に比して大きい場合には、その個所が、全体の構造から剥離しかけている個所、又は部材寸法が他と比較して不足している個所であると判定される構成であり、
実効値比をパラメーターとする解析が、該実効値比から減衰を導出し、被判定物であるコンクリートのある個所で得た減衰が、他の個所に比して小さく振動が継続する場合には、その個所が、密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在する個所、逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されている個所、又はひび割れなどに囲まれている個所であると判定される構成であり、
周波数重心をパラメーターとする解析が、被判定物であるコンクリートのある個所で得た周波数重心が、他の個所に比して低周波数側にある場合には、その個所が、コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、又はひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所であると判定される構成である、
ことを特徴とするコンクリート健全度判定装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るコンクリート健全度判定方法を行う装置の概略図で示したものであり、これによりコンクリートの健全度は次のように判定される。
【００１２】
判定を行おうとするコンクリート構造物１０の表面に、フード２１付きのマイクロホン２０を配置した状態で、マイクロホン２０の配置位置から任意の距離だけ離れたコンクリート構造物１０の表面に打撃手段３０により打撃を加える。この打撃により生じた振動は、コンクリート内部を伝播してマイクロホン２０の位置に伝わり、その上面の空気を振動させる。この空気振動は音としてマイクロホン２０によってピックアップされて電気信号に変換され、ケーブル２２を通じてパソコン４０に入力される。パソコン４０には後述する計算式に従って、各種の演算（解析）を行う演算部、記録部、表示部などが備えられている。
【００１３】
マイクロホン２０は、前述したように、打撃によりその周囲に直接生じる空気振動（音）を直接ピックアップするのではなく、コンクリート中を伝播した振動によりマイクロホン２０の配置位置に発生する空気振動（音）をピックアップするものである。このため、打撃によりその周囲に直接生じる空気振動（音）や周囲の雑音をピックアップしないように、フード２１により周囲が囲まれ遮音されていることが好ましい。
【００１４】
本発明の特徴の一つは、打撃手段３０として加速度計を内蔵したインパルスハンマーを利用する点にある。インパルスハンマーを利用することにより、装置全体を小型化することができるだけでなく、人力によりハンマー打撃を行うことが可能となり、また、インパルスハンマー入力値及び打撃音出力値間の振幅比、実効値比、伝達関数の重心（周波数重心）を求めることができ、これにより、打撃エネルギーが既知量となり、また、打撃入力の周波数特性が明らかとなり、コンクリート構造物内部の状態をより正確に判定することが可能となる。
【００１５】
利用できるインパルスハンマーとしては、打撃力を電圧などで出力できる構成を有するハンマーで、対象とする構造物によってハンマーの大きさ（打撃力）を変えることができるものであれば、いずれのものも用いることができる。
【００１６】
本発明の次なる特徴は、打撃入力値と打撃音出力値を用いた解析を行う点にある。具体的には、Ａ：打撃入力最大振幅に対する打撃音出力最大振幅の比（振幅比）をパラメータとして用いることにより、大振幅の振動が生じ易い個所をより正確に判定できるようにする。Ｂ：打撃入力値の実効値と打撃音出力値の実効値の比（実効値比）をパラメータとすることにより、残響の大きな振動が生じ易い個所をより正確に判定できるようにする。Ｃ：打撃入力の周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトルの伝達龍関の中心（周波数重心）を計算することにより、構造物や部材の周波数特性を評価できるようにする。その詳細は後述する。
【００１７】
本発明の理解のために、打撃検査における振動、振動の伝播、音について説明する。
【００１８】
人が耳で感じられる音とは、通常２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの周波数の空気振動である。この空気振動が耳の鼓膜を振動させると音として感知されるが、本発明が対象とするコンクリート健全度判定における打音法は、測定対象であるコンクリート構造物の表面を打撃したときに生じる空気振動を音響機器により測定しようとするものである。打撃により生じる打撃音は、その構造物の表面振動と非常に強い相関があり、これによって対象構造物の物性値や形状、欠陥の有無など種々の特徴が把握できる。
【００１９】
ここで注意すべき点は、打撃時に生じる音の全てが重要なのではないことである。その理由を説明するために、打撃物（ハンマーなど）と被打撃物（コンクリート構造物）が衝突するときに発生する衝突音についてやや詳細に考えるとすれば、打撃音を大きく以下のように二つに分けることができる。
【００２０】
▲１▼打撃物と被打撃物の接触による接触面の変形により発生する音
▲２▼変形により発生した弾性波の伝播によって打撃物及び被打撃物の各部から発生する音
図２−Ａに示すように、上記▲１▼の打撃物の接触により発生する音は、被打撃物の局部的な性状を表わしており、▲２▼の伝播によって生じる音は、図２−Ｂに示すように、弾性波によって励起された部材の固有周波数など、対象物の全体の平均的な性状を示していると考えられる。
【００２１】
コンクリートがモルタルと粗骨材という不均質材料で構成されていることを考えると、局部的な発生音はバラツキがより大きいものと思われるので、打撃音として測定されるべきものとしては、上記▲２▼の伝播した振動による音より構造物の各部からの放射音の方が適当であると考えられる。逆にそれ以外の音はできるだけ採取しないようにすることが望ましいと考えられる。
【００２２】
打撃音のような過渡的な音を表わす基本的な特性としては、振動・周波数・減衰・位相などが挙げられる。ここで、コンクリート構造物のような長大な構造物を対象とすることを考えると、膨大な測定結果を個々に波形分析することは困難であり、また、境界条件などが明確でないことが多いために振動理論などを用いての分析が行いにくい場合が多い。そこで、得られる打撃音を簡単なパラメータに置き換えて、パラメータの面的な分布や時間変化を評価する方法が有効であると考えられる。そこで、上記の特性の内、振幅・周波数・減衰に焦点を絞り、以下に示すような振幅比・実効値比・周波数重心の三つのパラメータを考える。尚、この方法では、打撃は人力で行うが、上記したように加速度計を内蔵したインパルスハンマーを使用する。
【００２３】
これは、打撃毎の打撃エネルギーを測定して、この違いによる影響を取り除いたパラメータとするためである。
【００２４】
先ず、図３に従って、振幅比（Ａｍ／Ａｉ）を説明する。
打撃音最大振幅値（Ａｍ）をインパルスハンマー加力振幅最大値（Ａｉ）で除した値で、振動の大きさを示すパラメータである。尚、インパルスハンマーは加力値或いは加速度、打撃音は音圧とそれぞれ較正係数を乗じて物理量に変換する必要があり、本来は、振幅比や下記の実効値比は単位打撃力当たりの出力音圧（単位Ｐａ／Ｎ）などで示されるべきものであるが、図３に示す値は、測定装置からの電圧出力値での比較になっている
【００２５】
図４に従って、実効値比（Ｒｍ／Ｒｉ）を説明する。
一定時間における打撃音実効値（Ｒｍ）を、インパルスハンマー加力実効値で除した値で、振動の大きさ及び減衰の大きさを示すパラメータである。
実効値の計算は、次式（２．１）による。
【００２６】
【数１】

【００２７】
ここで、R:実効値、ａ：振幅、ｔ_１、ｔ_２：実効値を算定する開始時刻及び終了時刻を表わす。
【００２８】
図５に従って、周波数重心（Ｆ）を説明する。
【００２９】
測定範囲の周波数スペクトルの重心（Ｆ）を計算したもので、音色の高低を示すパラメータである。ここでは、入力であるインパルスハンマーの周波数スペクトルと打撃音周波数スペクトル間の伝達関数の重心を求める。伝達関数とは、入出力間の中間媒体の周波数特性を示すもので、ここでは覆工コンクリート（＋コンクリート〜マイクロホン間の空気層）の周波数特性を示す。
【００３０】
周波数重心の算定は次式（２．２）による。
【００３１】
【数２】

【００３２】
ここで、Ｆ：周波数重心、Ａ：周波数振幅、ｆ：周波数を表わす。
【００３３】
次に、打撃音パラメータと覆工コンクリートの欠陥との関係を説明する。打撃音の内、振幅比・実効値比・周波数重心の三つのパラメータが変化するような因子をトンネル覆工コンクリートの種々の状態との関連について考える。実際のトンネル覆工は内部や背面状態が様々で複雑な構造を持っていることは明らかであるが、簡単にするために１質点系モデルにおける自由振動を例にとって考える。１質点系モデルにおいて衝撃力Ｐが作用した後の自由振動は次式２．３で表わすことができる。
【００３４】
【数３】

【００３５】
ここで、Ｍ：質量、Ｃ：減衰係数、Ｋ：バネ定数、ｕ：変位、
【００３６】
【数４】

【００３７】
を示す。
（１）振幅比と欠陥との関係
打撃音の振幅がコンクリート構造物の表面の加速度と強い関連があることが考えられるので、式（２．３）を変形して、次式（２．４）とすれば、質点の質量
【００３８】
【数５】

【００３９】
が加速度的に大きな影響を及ぼすことがわかる。構造物の状態として、被打撃点の質量が関係するような欠陥や劣化現象としては、
ａ．全体の構造から剥離しかけているような個所、
ｂ．部材寸法が他と比較して不足するよう個所、
などが考えられる。従って、構造上一定の形状であると判断される位置で、他の個所と比較して振幅比の大きな個所があるとすれば、上記のような欠陥が存在する可能性が高いと考えられる。
【００４０】
（２）実効値比と欠陥の関係
実効値に関しては、前述のように波の減衰特性の指標として判断する。式（２．３）で減衰係数Cがゼロであれば、打撃を与えた構造物は永久に振動し続ける。然し、実際には空気などに接触しているための粘性減衰、振動が繰り返される間に内部で熱が発生することによる履歴減衰、振動する系に摩擦などが生じる摩擦減衰、振動中にエネルギーの一部が逸散する逸散減衰などが生じる。特に、逸散減衰に着目して、打撃点付近の減衰特性が関係するような欠陥や劣化現象を考えると、
ａ．密実であるべき個所に弾性波の反射する空洞や低密度の材料が存在するような個所、
ｂ．逆に中空にあるべき個所に水や土砂などが充填されているるような個所、
ｃ．ひび割れなどに囲まれている個所、
などが考えられる。構造物の用途や形状によるが、一般的には減衰が小さく振動が継続するような個所は欠陥が存在する可能性が高いと考えられる。
【００４１】
（３）周波数重心と欠陥との関係
１質点系モデルでは、モデルの固有周波数ｆは、次式（２．５）で計算される。
【００４２】
【数６】

【００４３】
従って、バネ定数Ｋが小さいほど周波数の低い値が得られる。構造物において、バネ定数に関係する欠陥や劣化現象を考えると、
ａ．コンクリートの弾性係数の低下が認められる個所、
ｂ．部材厚さが他と比較して薄い、或いは断面欠損などにより断面２次モーメントが小さい個所、
ｃ．ひび割れなどのために剛性低下を起こしている個所、
などが考えられ、周波数重心が低周波数側にあるような個所では欠陥が存在する可能性が高いと考えられる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、誰が利用してもコンクリートの健全度を精度よく判定することができ、また、装置を小型化できるので、利用できる場所に制約がなく、頭記した課題が解決される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る装置の概念図
【図２】打撃音を示す概念図
【図３】振幅比の説明図
【図４】実効値比の説明図
【図５】周波数重心の説明図
【符号の説明】
１０−コンクリート構造物
２０−マイクロホン
２１−フード
２２−ケーブル
３０−打撃手段
４０−パソコン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a concrete soundness determination method and apparatus, and more particularly, is used to determine the presence of cracks and voids generated in a concrete structure such as a tunnel by nondestructive inspection from the outside. The present invention relates to a method and an apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, determination of the soundness of concrete has been performed by a method of determining the presence of cracks and voids by listening to the hammering sound of an inspector himself.
[0003]
Japanese Examined Patent Publication No. 4-10987 discloses a device that performs hammering with a machine and collects an impact sound with a microphone. In this device, the striking sound is a system in which the vibration of the striking part generated by hammer striking is picked up via air vibration (sound) and propagates from the hammer striking part through the concrete at a constant distance, It is not intended to pick up the propagation vibration deformed by the state of
[0004]
In Japanese Patent No. 3009543, a sound receiving means is disposed at a position away from the striking point in a method of determining the soundness of concrete by analyzing the impact sound by hitting the concrete surface. The sound receiving means includes a microphone that collects a striking sound (vibration) propagated in concrete as air vibrations, and a built-in microphone, the sound receiving direction is open, and a substantially hemispherical hood member The sound-insulating member is composed of a sound-insulating member that propagates through the concrete itself, and the sound-receiving means that brings the sound-insulating member close to or in close contact with the concrete surface is sampled as air vibrations, and is analyzed by the analysis unit A concrete soundness judgment method characterized by analyzing, and a concrete surface by striking the concrete surface and analyzing the impact sound. In the apparatus for judging the soundness of the riet, it comprises a striking means for striking concrete, a sound receiving means arranged at a position away from the striking means, and an analysis unit for analyzing the collected propagation hitting sound, the sound receiving means Is a microphone that collects impact sound (vibration) that has propagated in concrete as air vibration, and the microphone is built in, and the sound receiving direction is open and the sound insulation is composed of a substantially hemispherical hood member The concrete soundness determination apparatus characterized by comprising with a member is disclosed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The classic method of judging the soundness of concrete by listening directly to the hammering sound of a hammer hit by itself has been carried out until now, but skill is required to make a judgment using this method. In addition, there is a variation in determination accuracy, and further, there is a problem that determination takes time.
[0006]
In the device described in Japanese Patent Publication No. 4-10987, which performs mechanical hammering and picks up the vibration of the hitting portion with a microphone as air vibration, detects the vibration of the inspection object generated in the hitting portion. Therefore, when there is a surface condition of the hit part such as adhesion of dirt, or there is aggregate etc. in the vicinity, the judgment result is likely to vary, and it is necessary to perform a lot of hit inspections at the same place, which is efficient. There's a problem.
[0007]
The concrete soundness judgment method and device disclosed in the above-mentioned Japanese Patent No. 3009543 overcomes the difficulties of the above-described methods and devices. However, if further research is continued, there is room for improvement as follows. It turned out to be. That is, in this method or apparatus, (A) a general hammer used for percussion, (B) a hammer having a spherical head described in Japanese Patent Publication No. 4-10987, (C) It has been shown that a hammer that mechanically hits instead of manually is used to achieve a substantially constant hitting energy. According to the research, in the hammering with the hammers (A) and (B), the restriction by the hitting position is avoided, but the hammering energy is not constant because the hammering has a difference in strength, and the impact sound with the output is not constant. It was found that the correlation was unclear and the judgment results were likely to vary.
[0008]
In addition, it has been found that the hammer of (C) is not only able to respond to the demand for miniaturization due to the large size of the device, but also its use is restricted depending on the striking position.
[0009]
As apparent from the above, the present invention has an object to add improvements from the above viewpoint to the striking means used in the concrete soundness determination method and apparatus disclosed in the above-mentioned Japanese Patent No. 3009543. To do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
1. The concrete surface is struck by striking means to generate vibration, and the microphone placed at a position away from the striking position is used to collect the striking sound (vibration) propagated in the concrete as air vibration and convert it into an electrical signal. a Turkish Nkuri preparative soundness degrees-size measuring method to analyze the signal, performs hit with a hammer time variation of the striking input value is known, has propagated a known amount and in the concrete of the blow input batting a method of determining concrete soundness by analyzing the sound (vibration),
The hammer is an impulse hammer with a built-in accelerometer,
The analysis based on the known amount of impact input and the impact sound (vibration) propagated in the concrete is the ratio (amplitude ratio) of the impact sound output maximum amplitude to the impact input maximum amplitude, the effective value of the impact input value, and the impact sound output value. The effective value ratio (effective value ratio), the combination of the center frequency (frequency center of gravity) of the transfer function between the frequency spectrum of the striking input and the sound frequency spectrum of the striking sound is performed as a parameter,
If the amplitude ratio obtained by analysis using the amplitude ratio as a parameter is large compared to other locations, the location where the concrete is to be judged is separated from the entire structure. Or a configuration in which it is determined that the part dimension is insufficient compared to other parts,
When the analysis using the effective value ratio as a parameter derives the attenuation from the effective value ratio, and the attenuation obtained at a certain part of the concrete that is the judgment object is small compared to other parts, and the vibration continues. , Where there should be a cavity where elastic waves are reflected or where there is a low-density material, where the material should be solid, or where the material should be hollow, where water or earth or sand is filled, or where cracks are present It is determined to be a part surrounded by
If the frequency center of gravity obtained at a certain part of the concrete that is the object to be judged is on the lower frequency side than the other parts, the analysis using the frequency center of gravity as a parameter indicates that the part is the elastic modulus of the concrete. Configuration where it is determined that the portion where the reduction is observed, the member thickness is thinner than the others, the portion where the second moment of section is small due to a cross-sectional defect, etc., or the portion where the rigidity is reduced due to cracks, etc. Is,
The concrete soundness judgment method characterized by this.
2. The concrete surface is struck by striking means to generate vibration, and the microphone placed at a position away from the striking position is used to collect the striking sound (vibration) propagated in the concrete as air vibration and convert it into an electrical signal. a Turkish Nkuri preparative soundness degrees determination Priority determination unit to analyze the signal, performs hit with a hammer time variation of the striking input value is known, has propagated a known amount and in the concrete of the blow input batting an apparatus for determining the concrete soundness by analyzing the sound (vibration),
The hammer is an impulse hammer with a built-in accelerometer,
The analysis based on the known amount of impact input and the impact sound (vibration) propagated in the concrete is the ratio (amplitude ratio) of the impact sound output maximum amplitude to the impact input maximum amplitude, the effective value of the impact input value, and the impact sound output value. The effective value ratio (effective value ratio), the combination of the center frequency (frequency center of gravity) of the transfer function between the frequency spectrum of the striking input and the sound frequency spectrum of the striking sound is performed as a parameter,
If the amplitude ratio obtained by analysis using the amplitude ratio as a parameter is large compared to other locations, the location where the concrete is to be judged is separated from the entire structure. Or a configuration in which it is determined that the part dimension is insufficient compared to other parts,
When the analysis using the effective value ratio as a parameter derives the attenuation from the effective value ratio, and the attenuation obtained at a certain part of the concrete that is the judgment object is small compared to other parts, and the vibration continues. , Where there should be a cavity where elastic waves are reflected or where there is a low-density material, where the material should be solid, or where the material should be hollow, where water or earth or sand is filled, or where cracks are present It is determined to be a part surrounded by
If the frequency center of gravity obtained at a certain part of the concrete that is the object to be judged is on the lower frequency side than the other parts, the analysis using the frequency center of gravity as a parameter indicates that the part is the elastic modulus of the concrete. Configuration where it is determined that the portion where the reduction is observed, the member thickness is thinner than the others, the portion where the second moment of section is small due to a cross-sectional defect, etc., or the portion where the rigidity is reduced due to cracks, etc. Is,
Concrete soundness judgment device characterized by that.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for performing a concrete soundness determination method according to the present invention, whereby the soundness of concrete is determined as follows.
[0012]
In the state where the microphone 20 with the hood 21 is disposed on the surface of the concrete structure 10 to be determined, the striking means 30 strikes the surface of the concrete structure 10 separated by an arbitrary distance from the position where the microphone 20 is disposed. Add. The vibration generated by this impact propagates through the concrete and is transmitted to the position of the microphone 20 to vibrate the air on the upper surface. This air vibration is picked up as sound by the microphone 20 and converted into an electric signal, which is input to the personal computer 40 through the cable 22. The personal computer 40 is provided with a calculation unit that performs various calculations (analysis), a recording unit, a display unit, and the like according to calculation formulas described later.
[0013]
As described above, the microphone 20 does not directly pick up the air vibration (sound) generated directly around it by hitting, but generates the air vibration (sound) generated at the arrangement position of the microphone 20 by the vibration propagated through the concrete. What to pick up. For this reason, it is preferable that the hood 21 is surrounded and sound-insulated so as not to pick up air vibration (sound) or ambient noise directly generated by the impact.
[0014]
One of the features of the present invention is that an impulse hammer incorporating an accelerometer is used as the hitting means 30. By using the impulse hammer, not only the entire device can be downsized, but it is also possible to perform hammering manually, and the amplitude ratio and effective value ratio between the impulse hammer input value and the impact sound output value. The center of gravity (frequency center of gravity) of the transfer function can be obtained, so that the hit energy becomes a known amount, the frequency characteristic of the hit input becomes clear, and the condition inside the concrete structure can be determined more accurately. It becomes possible.
[0015]
As the impulse hammer that can be used, any hammer can be used as long as it can change the size of the hammer (striking force) depending on the target structure. be able to.
[0016]
The next feature of the present invention is that the analysis is performed using the hit input value and the hit sound output value. Specifically, by using as a parameter the ratio (amplitude ratio) of the maximum impact sound output amplitude to the maximum impact input amplitude, it is possible to more accurately determine the location where large amplitude vibration is likely to occur. B: By using the ratio (effective value ratio) between the effective value of the impact input value and the effective value of the impact sound output value as a parameter, it is possible to more accurately determine a location where vibration with large reverberation is likely to occur. C: Transmission of frequency spectrum of impact input and impact sound frequency spectrum By calculating the center (frequency center of gravity) of Ryuguan, the frequency characteristics of structures and members can be evaluated. Details thereof will be described later.
[0017]
In order to understand the present invention, vibration, vibration propagation, and sound in the impact inspection will be described.
[0018]
The sound felt by human ears is usually air vibration having a frequency of 20 Hz to 20 kHz. This air vibration is perceived as sound when the eardrum is vibrated, but the sound percussion method in the concrete soundness determination targeted by the present invention is the air generated when the surface of the concrete structure to be measured is struck. The vibration is to be measured by an acoustic device. The striking sound generated by the striking has a very strong correlation with the surface vibration of the structure, whereby various characteristics such as the physical property value and shape of the target structure and the presence or absence of defects can be grasped.
[0019]
It should be noted here that not all of the sounds that occur when hitting are important. To explain the reason, considering the impact sound generated when the hit object (hammer, etc.) and the hit object (concrete structure) collide with each other in detail, the impact sound is greatly increased as follows. It can be divided into two.
[0020]
(1) Sound generated by deformation of contact surface due to contact between hit object and hit object (2) Sound generated from each part of hit object and hit object due to propagation of elastic wave generated by deformation shown in Fig. 2-A Thus, the sound generated by the contact of the hit object of (1) represents the local properties of the hit object, and the sound generated by the propagation of (2) is as shown in FIG. It is thought that the average property of the whole target object, such as the natural frequency of the member excited by the elastic wave, is shown.
[0021]
Considering that concrete is composed of non-homogeneous materials such as mortar and coarse aggregate, it seems that the locally generated sound is more uneven. It is considered that the sound emitted from each part of the structure is more appropriate than the sound caused by the propagated vibration of 2 ▼. Conversely, it may be desirable to collect as little as possible other sounds.
[0022]
As basic characteristics representing a transient sound such as a hitting sound, there are vibration, frequency, attenuation, phase, and the like. Here, considering that the target is a long structure such as a concrete structure, it is difficult to analyze the waveform of huge measurement results individually, and boundary conditions are often not clear. In many cases, analysis using vibration theory is difficult. Therefore, it is considered effective to replace the obtained hitting sound with a simple parameter and evaluate the area distribution and temporal change of the parameter. Therefore, focusing on amplitude, frequency, and attenuation among the above characteristics, the following three parameters are considered: amplitude ratio, effective value ratio, and frequency centroid. In this method, hitting is performed manually, but an impulse hammer incorporating an accelerometer is used as described above.
[0023]
This is because the impact energy for each impact is measured and the parameter is removed from the influence of this difference.
[0024]
First, the amplitude ratio (Am / Ai) will be described with reference to FIG.
It is a parameter indicating the magnitude of vibration by a value obtained by dividing the maximum impact sound amplitude value (Am) by the impulse hammer force amplitude maximum value (Ai). The impulse hammer needs to be converted into a physical quantity by multiplying the applied force or acceleration, and the impact sound by the sound pressure and the calibration coefficient. Originally, the amplitude ratio and the following effective value ratio are the output sound per unit impact force. Although the pressure (unit Pa / N) should be indicated, the value shown in FIG. 3 is a comparison with the voltage output value from the measuring device.
The effective value ratio (Rm / Ri) will be described with reference to FIG.
It is a parameter indicating the magnitude of vibration and the magnitude of attenuation by a value obtained by dividing the impact sound effective value (Rm) at a certain time by the impulse hammer force effective value.
The effective value is calculated according to the following equation (2.1).
[0026]
[Expression 1]

[0027]
Here, R: effective value, a: amplitude, t ₁ , t ₂ : start time and end time for calculating effective value.
[0028]
The frequency centroid (F) will be described with reference to FIG.
[0029]
This is a parameter that indicates the height of the timbre by calculating the center of gravity (F) of the frequency spectrum in the measurement range. Here, the center of gravity of the transfer function between the frequency spectrum of the impulse hammer as an input and the frequency spectrum of the hitting sound is obtained. The transfer function indicates the frequency characteristic of the intermediate medium between the input and output, and here indicates the frequency characteristic of the lining concrete (+ the air layer between the concrete and the microphone).
[0030]
The frequency center of gravity is calculated by the following equation (2.2).
[0031]
[Expression 2]

[0032]
Here, F: frequency centroid, A: frequency amplitude, f: frequency.
[0033]
Next, the relationship between the impact sound parameter and the lining concrete defect will be described. Factors that change three parameters of the impact sound, amplitude ratio, effective value ratio, and frequency center of gravity are considered to be related to various conditions of tunnel lining concrete. It is clear that the actual tunnel lining has a complicated structure with various internal and rear surfaces, but for the sake of simplicity, let us consider free vibration in a one-mass system model. The free vibration after the impact force P is applied in the one mass point system model can be expressed by the following equation 2.3.
[0034]
[Equation 3]

[0035]
Here, M: mass, C: damping coefficient, K: spring constant, u: displacement,
[0036]
[Expression 4]

[0037]
Indicates.
(1) Relationship between amplitude ratio and defect Since the amplitude of the impact sound is strongly related to the acceleration of the surface of the concrete structure, equation (2.3) is modified and the following equation (2.4) ) Mass of mass point [0038]
[Equation 5]

[0039]
It can be seen that has a large effect on acceleration. As the state of the structure, as a defect or deterioration phenomenon related to the mass of the hit point,
a. The part that is about to peel off from the whole structure,
b. The part dimensions are insufficient compared to other parts,
And so on. Therefore, if there is a part having a large amplitude ratio compared to other parts at a position where the structure is determined to have a certain shape, it is highly likely that the above-described defect exists.
[0040]
(2) Relationship between effective value ratio and defect The effective value is determined as an index of the wave attenuation characteristic as described above. If the damping coefficient C is zero in the equation (2.3), the hit structure will continue to vibrate forever. However, in actuality, viscous damping due to contact with air, etc., hysteresis damping due to heat generated internally during repeated vibrations, friction damping causing friction in the vibrating system, and energy absorption during vibrations. Dissipation attenuation, etc., in which part of the energy is dissipated. In particular, focusing on dissipation attenuation, considering defects and deterioration phenomena related to attenuation characteristics near the impact point,
a. Where there are cavities that reflect elastic waves or low-density materials in places that should be solid,
b. On the contrary, the place where water and earth and sand are filled in the place that should be hollow,
c. Locations surrounded by cracks, etc.
And so on. Although it depends on the application and shape of the structure, it is generally considered that there is a high possibility that a defect exists in a portion where the vibration is small and vibration continues.
[0041]
(3) Relationship between Frequency Center of Gravity and Defect In the one-mass system model, the natural frequency f of the model is calculated by the following equation (2.5).
[0042]
[Formula 6]

[0043]
Accordingly, the smaller the spring constant K, the lower the frequency. In the structure, considering defects and deterioration phenomena related to the spring constant,
a. Where a decrease in the elastic modulus of concrete is observed,
b. Where the member thickness is thinner than others, or where the moment of inertia of the section is small due to a missing section, etc.
c. Where the rigidity is reduced due to cracks, etc.
It is considered that there is a high possibility that a defect exists at a location where the frequency center of gravity is on the low frequency side.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention, the soundness of concrete can be accurately determined by anyone who uses it, and the apparatus can be miniaturized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of an apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a conceptual diagram showing an impact sound. FIG. 3 is an explanatory diagram of an amplitude ratio. FIG. 4 is an explanatory diagram of an effective value ratio. [Explanation of symbols]
10-Concrete structure 20-Microphone 21-Hood 22-Cable 30-Blowing means 40-Personal computer

Claims

The concrete surface is struck by striking means to generate vibration, and the microphone placed at a position away from the striking position is used to collect the striking sound (vibration) propagated in the concrete as air vibration and convert it into an electrical signal. a Turkish Nkuri preparative soundness degrees-size measuring method to analyze the signal, performs hit with a hammer time variation of the striking input value is known, has propagated a known amount and in the concrete of the blow input batting a method of determining concrete soundness by analyzing the sound (vibration),
The hammer is an impulse hammer with a built-in accelerometer,
The analysis based on the known amount of impact input and the impact sound (vibration) propagated in the concrete is the ratio (amplitude ratio) of the impact sound output maximum amplitude to the impact input maximum amplitude, the effective value of the impact input value, and the impact sound output value. The effective value ratio (effective value ratio), the combination of the center frequency (frequency center of gravity) of the transfer function between the frequency spectrum of the striking input and the sound frequency spectrum of the striking sound is performed as a parameter,
If the amplitude ratio obtained by analysis using the amplitude ratio as a parameter is large compared to other locations, the location where the concrete is to be judged is separated from the entire structure. Or a configuration in which it is determined that the part dimension is insufficient compared to other parts,
When the analysis using the effective value ratio as a parameter derives the attenuation from the effective value ratio, and the attenuation obtained at a certain part of the concrete that is the judgment object is small compared to other parts, and the vibration continues. , Where there should be a cavity where elastic waves are reflected or where there is a low-density material, where the material should be solid, or where the material should be hollow, where water or earth or sand is filled, or where cracks are present It is determined to be a part surrounded by
If the frequency center of gravity obtained at a certain part of the concrete that is the object to be judged is on the lower frequency side than the other parts, the analysis using the frequency center of gravity as a parameter indicates that the part is the elastic modulus of the concrete. Configuration where it is determined that the portion where the reduction is observed, the member thickness is thinner than the others, the portion where the second moment of section is small due to a cross-sectional defect, etc., or the portion where the rigidity is reduced due to cracks, etc. Is,
The concrete soundness judgment method characterized by this.

The concrete surface is struck by striking means to generate vibration, and the microphone placed at a position away from the striking position is used to collect the striking sound (vibration) propagated in the concrete as air vibration and convert it into an electrical signal. in Turkey Nkuri door Ken all degree-size constant apparatus to analyze the signal
There performs blow with a hammer time variation of the striking input value is known, to determine the concrete soundness by analyzing known amounts and propagated striking sound in concrete and (vibration) of the blow input In the device
The hammer is an impulse hammer with a built-in accelerometer,
The analysis based on the known amount of impact input and the impact sound (vibration) propagated in the concrete is the ratio (amplitude ratio) of the impact sound output maximum amplitude to the impact input maximum amplitude, the effective value of the impact input value, and the impact sound output value. The effective value ratio (effective value ratio), the combination of the center frequency (frequency center of gravity) of the transfer function between the frequency spectrum of the striking input and the sound frequency spectrum of the striking sound is performed as a parameter,
If the amplitude ratio obtained by analysis using the amplitude ratio as a parameter is large compared to other locations, the location where the concrete is to be judged is separated from the entire structure. Or a configuration in which it is determined that the part dimension is insufficient compared to other parts,
When the analysis using the effective value ratio as a parameter derives the attenuation from the effective value ratio, and the attenuation obtained at a certain part of the concrete that is the judgment object is small compared to other parts, and the vibration continues. , Where there should be a cavity where elastic waves are reflected or where there is a low-density material, where the material should be solid, or where the material should be hollow, where water or earth or sand is filled, or where cracks are present It is determined to be a part surrounded by
If the frequency center of gravity obtained at a certain part of the concrete that is the object to be judged is on the lower frequency side than the other parts, the analysis using the frequency center of gravity as a parameter indicates that the part is the elastic modulus of the concrete. Configuration where it is determined that the portion where the reduction is observed, the member thickness is thinner than the others, the portion where the second moment of section is small due to a cross-sectional defect, etc., or the portion where the rigidity is reduced due to cracks, etc. Is,
Concrete soundness judgment device characterized by that.