JP4471862B2 - 弾性波検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、構造物等の被検査対象物に発生する弾性波を検出する弾性波検出装置に関し、特に屋外地上に設置された構造物や液体を貯蔵する構造物等が引き起こす腐食や疲労破壊等をリアルタイムに検出する弾性波検出装置に関するものである。
石油製品貯槽タンク、国家備蓄重油タンクなど、屋外地上に設置された鋼製タンクは、長い間外気環境に曝されることにより側壁や底板に腐食が発生することがある。そこで従来から、腐食が起こっているか否か、また腐食が起こっていれば、内容物を除去することなく腐食箇所を簡便に調べるために、腐食（錆の破壊）によって発生する超音波（以下、ＡＥ（Acoustic Emission）と記す）を測定する手法が試みられている。この手法は、鋼製タンクの側壁や底板に設置した多くの圧電素子センサ（チタンジルコン酸鉛）を用いてＡＥを検出し、ＡＥを検出した圧電素子センサの位置により腐食箇所を特定するものである。
一方、ガソリンスタンドには、鋼製の地下貯蔵容器（横型横長タンク）が埋設されており、タンクに貯蔵するガソリンには、タンカーによる輸送中にバラストに注入する海水等が混入する場合がある。そのためガソリンに混入した海水や土壌によって内外面の腐食が発生し、内容物の漏洩による土壌や地下水汚染の危険性が指摘されている。
ここでＡＥとは、金属等の固体の内部で微小な変形、亀裂等の破壊、相変態あるいは結晶粒界の移動などの現象が起きる場合に発生する超音波領域（周波数が２０ｋＨｚ以上）の弾性波を指すが、広義には、岩盤の亀裂や地下地盤の変動における数１００ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数帯域の弾性波も含まれる。上記のＡＥをリアルタイムに検出することにより、構造物の腐食や疲労破壊等を検出することができる。
またＡＥを検出する他の方法として特許文献１には、マイケルソン型干渉計を使用した方法として、光ファイバにより送られてくる光を光カプラでセンシング側とリファレンス側に分離し、センシング側への光は、センシング部において受ける外部からの信号を受信し、ミラーで反射して再び逆の経路により光カプラに戻す。またリファレンス側への光は、外部からの信号の影響を受けないリファレンス部を通り、ミラーで反射し、逆の経路を通って光カプラに戻す。光カプラでは、センシング側とリファレンス側の光が干渉し、この干渉光が光ファイバへ送られ、この干渉光に基づいてＡＥを検出する技術について開示されている。
特開２００２−１４８１１０公報
一方、ガソリンスタンドには、鋼製の地下貯蔵容器（横型横長タンク）が埋設されており、タンクに貯蔵するガソリンには、タンカーによる輸送中にバラストに注入する海水等が混入する場合がある。そのためガソリンに混入した海水や土壌によって内外面の腐食が発生し、内容物の漏洩による土壌や地下水汚染の危険性が指摘されている。
ここでＡＥとは、金属等の固体の内部で微小な変形、亀裂等の破壊、相変態あるいは結晶粒界の移動などの現象が起きる場合に発生する超音波領域（周波数が２０ｋＨｚ以上）の弾性波を指すが、広義には、岩盤の亀裂や地下地盤の変動における数１００ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの周波数帯域の弾性波も含まれる。上記のＡＥをリアルタイムに検出することにより、構造物の腐食や疲労破壊等を検出することができる。
またＡＥを検出する他の方法として特許文献１には、マイケルソン型干渉計を使用した方法として、光ファイバにより送られてくる光を光カプラでセンシング側とリファレンス側に分離し、センシング側への光は、センシング部において受ける外部からの信号を受信し、ミラーで反射して再び逆の経路により光カプラに戻す。またリファレンス側への光は、外部からの信号の影響を受けないリファレンス部を通り、ミラーで反射し、逆の経路を通って光カプラに戻す。光カプラでは、センシング側とリファレンス側の光が干渉し、この干渉光が光ファイバへ送られ、この干渉光に基づいてＡＥを検出する技術について開示されている。
しかし、従来から試みられている圧電素子センサを用いてＡＥを検出する方法では以下の問題がある。即ち、１）ＡＥは複雑な経路を伝播するため検出が難しい。２）環境からのノイズと被検査対象物から発生するＡＥの区別が難しい。３）圧電素子センサの防爆認定が取れない等の事情により信頼できる検査法になっていない。
また、センサとモニタリング装置は、重い同軸ケーブルを用いて接続する必要があり、センサの設置や撤収に膨大な時間と労力が必要となる、計測装置が高価であるため風雨のない静かな日に１時間程度のモニタリングしか行われていないなどの問題がある。
また地下に埋設されているタンクの健全性診断は極めて困難である。つまり、埋設タンクの地表露出部分は、給油やガス抜き、液面計のための直径３０〜４０ｍｍ程度の管のみである。消防法では危険物貯蔵容器や配管は溶接施工することが義務付けられているため、取り外しのできる箇所は地上開放管以外にはない。従って、人間や機械が埋設タンク内部に入って、腐食や漏洩などの状態を診断することは不可能である。
また地下タンクにおいても、腐食や漏洩によるＡＥが放出されるので、適切な方法を用いてＡＥを検出すれば健全性を評価することが可能であるが、ガソリンや灯油等の引火性物質の近傍に火花の危険性のある圧電素子センサを使用することは消防法によって禁止されている。従って、現在の圧電素子センサでは可燃物貯蔵容器の健全性検査はできないといった問題がある。
また特許文献１に開示されているマイケルソン型干渉計では、光ファイバをフラットに切断し、この切断した端面に金等の反射膜を蒸着する必要がある。即ち、マイケルソン型干渉計のＡＥの検出精度は光ファイバの端面の精度に依存するが、上記端面を高精度に加工することは難しく、また端面への反射膜の蒸着が難しい。このため、マイケルソン型干渉計ではＡＥの高い検出精度を得ることが困難であるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、光ファイバを屋外地上に設置された被検査対象物に設置したり、液体を貯蔵する被検査対象物には液体中に直接浸漬または懸垂及び浮遊するようにして、被検査対象物から発生するＡＥを検出すると共に、外来ノイズ成分をキャンセルすることにより、ノイズの影響を低減して被検査対象物から発生するＡＥの検出精度を高め、且つ可燃物貯蔵容器の健全性検査を安全に行うことが可能な弾性波検出装置を提供することを目的とする。
また他の目的は、被検査対象物の腐食および疲労破壊等の箇所を特定することである。
また、センサとモニタリング装置は、重い同軸ケーブルを用いて接続する必要があり、センサの設置や撤収に膨大な時間と労力が必要となる、計測装置が高価であるため風雨のない静かな日に１時間程度のモニタリングしか行われていないなどの問題がある。
また地下に埋設されているタンクの健全性診断は極めて困難である。つまり、埋設タンクの地表露出部分は、給油やガス抜き、液面計のための直径３０〜４０ｍｍ程度の管のみである。消防法では危険物貯蔵容器や配管は溶接施工することが義務付けられているため、取り外しのできる箇所は地上開放管以外にはない。従って、人間や機械が埋設タンク内部に入って、腐食や漏洩などの状態を診断することは不可能である。
また地下タンクにおいても、腐食や漏洩によるＡＥが放出されるので、適切な方法を用いてＡＥを検出すれば健全性を評価することが可能であるが、ガソリンや灯油等の引火性物質の近傍に火花の危険性のある圧電素子センサを使用することは消防法によって禁止されている。従って、現在の圧電素子センサでは可燃物貯蔵容器の健全性検査はできないといった問題がある。
また特許文献１に開示されているマイケルソン型干渉計では、光ファイバをフラットに切断し、この切断した端面に金等の反射膜を蒸着する必要がある。即ち、マイケルソン型干渉計のＡＥの検出精度は光ファイバの端面の精度に依存するが、上記端面を高精度に加工することは難しく、また端面への反射膜の蒸着が難しい。このため、マイケルソン型干渉計ではＡＥの高い検出精度を得ることが困難であるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、光ファイバを屋外地上に設置された被検査対象物に設置したり、液体を貯蔵する被検査対象物には液体中に直接浸漬または懸垂及び浮遊するようにして、被検査対象物から発生するＡＥを検出すると共に、外来ノイズ成分をキャンセルすることにより、ノイズの影響を低減して被検査対象物から発生するＡＥの検出精度を高め、且つ可燃物貯蔵容器の健全性検査を安全に行うことが可能な弾性波検出装置を提供することを目的とする。
また他の目的は、被検査対象物の腐食および疲労破壊等の箇所を特定することである。
かかる課題を解決するために、請求項１は、単一波長光を出射する光源と、該光源からの出射光を分岐するスプリッタと、被検査対象物に配設され前記スプリッタにより分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバと、前記スプリッタにより分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバと、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、該結合手段により重ね合わされた光の強度を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された検出信号に基づいて前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段と、前記光検出手段の検出信号からノイズ成分を抽出するノイズ抽出手段と、該ノイズ抽出手段が抽出した検出信号に含まれるノイズ成分を除去するように前記参照光用の光ファイバの伸縮量を制御する伸縮制御手段と、を備え、前記伸縮制御手段は、前記参照光用の光ファイバに備えられ、前記ノイズ成分を除去するように当該光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる伸縮手段を備えたことを特徴とする。
被検査対象物（例えば、建物、タンク、橋梁等）から発生するＡＥを、光ファイバにより伝送される弾性波として検出することにより、被検査対象物の破壊、亀裂および腐食をリアルタイムに検出することができる。そのためには、光ファイバに単一波長光を出射する光源からの光を導光し、その光ファイバを被検査対象物に設置する。設置する方法は被検査対象物の表面を横断するように接着して固定する。ここで例えば被検査対象物が腐食すると、そこから錆によるＡＥが発生し、このＡＥにより光ファイバに微弱な伸縮作用を起こさせる。光ファイバが伸縮すると屈折率および光路長が変化して、その中を伝播する光の位相が変化し、その位相変化から弾性波を検出するものである。しかし、被検査対象物の周辺には外部からの環境ノイズ（例えば、車両の通過による振動等）があり、この環境ノイズを光ファイバ部で検出してしまうため、本発明ではフィードバック制御により、光ファイバ部で検出してしまう環境ノイズの検出信号からノイズ成分（この場合は低周波成分）を抽出し、積分回路、アクチュエータドライバを介してアクチュエータを作動させ、それによりノイズをキャンセルするものである。また、干渉計では振動のない時のセンサ光と参照光の位相差がπ／２の時にもっとも感度が良くなることから、それをノイズがある環境においても自動的に実現できるように制御を行っている。
また、光ファイバは軸方向に沿って伸縮することにより、屈折率および光路長が変化してコアを伝播する光の位相を変化させることができる。このような光ファイバの性質を利用して、２本の光ファイバの一方をセンサ用光ファイバとし、他方を参照光用光ファイバとして備える。そして環境ノイズを光ファイバ部で検出した場合、本発明ではフィードバック制御により、光ファイバ部で検出してしまう環境ノイズの検出信号からノイズ成分を抽出し、積分回路、アクチュエータドライバを介してアクチュエータを作動させ、参照光用の光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させるように伸縮手段を備えるものである。
被検査対象物（例えば、建物、タンク、橋梁等）から発生するＡＥを、光ファイバにより伝送される弾性波として検出することにより、被検査対象物の破壊、亀裂および腐食をリアルタイムに検出することができる。そのためには、光ファイバに単一波長光を出射する光源からの光を導光し、その光ファイバを被検査対象物に設置する。設置する方法は被検査対象物の表面を横断するように接着して固定する。ここで例えば被検査対象物が腐食すると、そこから錆によるＡＥが発生し、このＡＥにより光ファイバに微弱な伸縮作用を起こさせる。光ファイバが伸縮すると屈折率および光路長が変化して、その中を伝播する光の位相が変化し、その位相変化から弾性波を検出するものである。しかし、被検査対象物の周辺には外部からの環境ノイズ（例えば、車両の通過による振動等）があり、この環境ノイズを光ファイバ部で検出してしまうため、本発明ではフィードバック制御により、光ファイバ部で検出してしまう環境ノイズの検出信号からノイズ成分（この場合は低周波成分）を抽出し、積分回路、アクチュエータドライバを介してアクチュエータを作動させ、それによりノイズをキャンセルするものである。また、干渉計では振動のない時のセンサ光と参照光の位相差がπ／２の時にもっとも感度が良くなることから、それをノイズがある環境においても自動的に実現できるように制御を行っている。
また、光ファイバは軸方向に沿って伸縮することにより、屈折率および光路長が変化してコアを伝播する光の位相を変化させることができる。このような光ファイバの性質を利用して、２本の光ファイバの一方をセンサ用光ファイバとし、他方を参照光用光ファイバとして備える。そして環境ノイズを光ファイバ部で検出した場合、本発明ではフィードバック制御により、光ファイバ部で検出してしまう環境ノイズの検出信号からノイズ成分を抽出し、積分回路、アクチュエータドライバを介してアクチュエータを作動させ、参照光用の光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させるように伸縮手段を備えるものである。
請求項２は、単一波長光を出射する光源と、該光源からの出射光を分岐するスプリッタと、液体を収容する被検査対象物の液中に設置され前記スプリッタにより分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバと、前記スプリッタにより分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバと、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、該結合手段により重ね合わされた光の強度を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された検出信号に基づいて前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段と、前記光検出手段の検出信号からノイズ成分を抽出するノイズ抽出手段と、該ノイズ抽出手段が抽出した検出信号に含まれるノイズ成分を除去するように前記参照光用の光ファイバの伸縮量を制御する伸縮制御手段１５、１６、５１と、を備え、前記伸縮制御手段は、前記参照光用の光ファイバに備えられ、前記ノイズ成分を除去するように当該光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる伸縮手段を備え、前記センサ用の光ファイバの少なくとも一部を、外周面に軸方向に長い凹形状部を有した中空筒状のホルダの前記凹形状部内に収容し、前記ホルダを該ホルダの軸心を中心として回転させる回転手段を備えたことを特徴とする。
請求項１ではセンサ用光ファイバを固体としての被検査対象物に直接固定して被検査対象物から発生するＡＥを検出していた。即ち、地上に設置された被検査対象物の検査が主眼であった。それに対して本発明は、ガソリンタンク等の液体を貯蔵する被検査対象物の内部の破壊、亀裂および腐食をリアルタイムに検出する目的で開発されたものである。つまり、本発明が請求項１と異なる点は、センサ用光ファイバを被検査対象物に直接設置するのではなく、液体を貯蔵する被検査対象物の液中にセンサ用光ファイバを設置し、液体を伝播するＡＥを検出することである。
また、光ファイバは軸方向に沿って伸縮することにより、屈折率および光路長が変化してコアを伝播する光の位相を変化させることができる。このような光ファイバの性質を利用して、２本の光ファイバの一方をセンサ用光ファイバとし、他方を参照光用光ファイバとして備える。そして環境ノイズを光ファイバ部で検出した場合、本発明ではフィードバック制御により、光ファイバ部で検出してしまう環境ノイズの検出信号からノイズ成分を抽出し、積分回路、アクチュエータドライバを介してアクチュエータを作動させ、参照光用の光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させるように伸縮手段を備えるものである。
また、センサ用の光ファイバを液中に浸漬して使用する場合、光ファイバを固定するためにホルダが必要となる。そしてホルダの形状は反射したＡＥの影響を低減させるために中空の筒状部材により構成する。即ち、液体に比べて気体はＡＥの伝播効率が低くなるので、中空とすることによりホルダの背後からの反射波を減衰することができる。更に、ホルダの一部を凹形状にしてその部分に光ファイバを埋め込むことにより、更に指向性を良くすることができる。
また、被検査対象物から発せられるＡＥの箇所を特定できれば、トータルの検査時間を短縮することができる。そこで本発明では、ホルダを回転するようにして、その回転角度に基づいてＡＥの発生の有無を検出できれば、ＡＥの箇所を特定することができる。
請求項１ではセンサ用光ファイバを固体としての被検査対象物に直接固定して被検査対象物から発生するＡＥを検出していた。即ち、地上に設置された被検査対象物の検査が主眼であった。それに対して本発明は、ガソリンタンク等の液体を貯蔵する被検査対象物の内部の破壊、亀裂および腐食をリアルタイムに検出する目的で開発されたものである。つまり、本発明が請求項１と異なる点は、センサ用光ファイバを被検査対象物に直接設置するのではなく、液体を貯蔵する被検査対象物の液中にセンサ用光ファイバを設置し、液体を伝播するＡＥを検出することである。
また、光ファイバは軸方向に沿って伸縮することにより、屈折率および光路長が変化してコアを伝播する光の位相を変化させることができる。このような光ファイバの性質を利用して、２本の光ファイバの一方をセンサ用光ファイバとし、他方を参照光用光ファイバとして備える。そして環境ノイズを光ファイバ部で検出した場合、本発明ではフィードバック制御により、光ファイバ部で検出してしまう環境ノイズの検出信号からノイズ成分を抽出し、積分回路、アクチュエータドライバを介してアクチュエータを作動させ、参照光用の光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させるように伸縮手段を備えるものである。
また、センサ用の光ファイバを液中に浸漬して使用する場合、光ファイバを固定するためにホルダが必要となる。そしてホルダの形状は反射したＡＥの影響を低減させるために中空の筒状部材により構成する。即ち、液体に比べて気体はＡＥの伝播効率が低くなるので、中空とすることによりホルダの背後からの反射波を減衰することができる。更に、ホルダの一部を凹形状にしてその部分に光ファイバを埋め込むことにより、更に指向性を良くすることができる。
また、被検査対象物から発せられるＡＥの箇所を特定できれば、トータルの検査時間を短縮することができる。そこで本発明では、ホルダを回転するようにして、その回転角度に基づいてＡＥの発生の有無を検出できれば、ＡＥの箇所を特定することができる。
請求項３は、前記伸縮手段は圧電アクチュエータにより構成されていることを特徴とする。
光ファイバの軸方向長を伸縮させる伸縮手段は機械的に往復運動する機構と、その伸縮量が外部から正確に制御できることが必要である。その意味で圧電アクチュエータは最適な素子である。
請求項４は、前記結合手段は、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、当該干渉光を分岐して第１の光、および当該第１の光の位相が反転した第２の光を出力することを特徴とする。
光路長の異なる２種類の光を合成すると光の干渉光が生成される。本発明の結合手段はその干渉光を分岐して第１の光とし、その第１の光の位相を反転した第２の光を出力するものである。
請求項５は、前記ノイズ抽出手段は、前記光検出手段により検出された前記第１および第２の光検出信号の差分信号に基づいて、前記参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出することを特徴とする。
結合手段により分岐された第１の光と、その光の位相を反転した第２の光は、光検出手段により検出されて差分信号として出力される。ノイズ抽出手段は、この差分信号から参照光用の光ファイバに含まれるノイズ成分のみを抽出するものである。
請求項６は、前記処理手段は、前記第１および第２の光検出器により検出された信号の差分信号に基づいて時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から前記被検査対象物に発生する弾性波を検出することを特徴とする。
差分信号の各時間において時間−周波数変換を行い、周波数帯域毎の信号強度を時系列的に求める。これにより、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置を特定することができる。
光ファイバの軸方向長を伸縮させる伸縮手段は機械的に往復運動する機構と、その伸縮量が外部から正確に制御できることが必要である。その意味で圧電アクチュエータは最適な素子である。
請求項４は、前記結合手段は、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、当該干渉光を分岐して第１の光、および当該第１の光の位相が反転した第２の光を出力することを特徴とする。
光路長の異なる２種類の光を合成すると光の干渉光が生成される。本発明の結合手段はその干渉光を分岐して第１の光とし、その第１の光の位相を反転した第２の光を出力するものである。
請求項５は、前記ノイズ抽出手段は、前記光検出手段により検出された前記第１および第２の光検出信号の差分信号に基づいて、前記参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出することを特徴とする。
結合手段により分岐された第１の光と、その光の位相を反転した第２の光は、光検出手段により検出されて差分信号として出力される。ノイズ抽出手段は、この差分信号から参照光用の光ファイバに含まれるノイズ成分のみを抽出するものである。
請求項６は、前記処理手段は、前記第１および第２の光検出器により検出された信号の差分信号に基づいて時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から前記被検査対象物に発生する弾性波を検出することを特徴とする。
差分信号の各時間において時間−周波数変換を行い、周波数帯域毎の信号強度を時系列的に求める。これにより、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置を特定することができる。
請求項７は、前記ノイズ抽出手段は、前記光検出手段により検出された検出信号に基づいて所定周波数よりも低い周波数成分を抽出するフィルタと、該フィルタが抽出した信号に積分処理を施して前記参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出する積分回路と、を備えたことを特徴とする。
外来ノイズは低周波であるため、フィルタは、例えば所定周波数よりも低い周波数成分のみを通過させるローパスフィルタにより構成される。例えば参照光用光ファイバやセンサ用光ファイバに発生する外部からの環境ノイズ成分に相当する数ｋＨｚ以下の周波数成分を積分回路に出力する。そしてフィルタの周波数特性は、被検査対象物や外部からの環境ノイズに応じて設定する。
請求項８は、前記スプリッタから前記光源に向けた光を除去するアイソレータを備え、当該アイソレータを前記光源と前記スプリッタとの間に配置したことを特徴とする。
光源から発光された光はスプリッタにより分岐されるが、光の一部が光源側に戻る現象が発生して、光源の光出力が不安定となる。そこで本発明では、光源とスプリッタとの間に逆方向の光を除去するアイソレータを備えるものである。
外来ノイズは低周波であるため、フィルタは、例えば所定周波数よりも低い周波数成分のみを通過させるローパスフィルタにより構成される。例えば参照光用光ファイバやセンサ用光ファイバに発生する外部からの環境ノイズ成分に相当する数ｋＨｚ以下の周波数成分を積分回路に出力する。そしてフィルタの周波数特性は、被検査対象物や外部からの環境ノイズに応じて設定する。
請求項８は、前記スプリッタから前記光源に向けた光を除去するアイソレータを備え、当該アイソレータを前記光源と前記スプリッタとの間に配置したことを特徴とする。
光源から発光された光はスプリッタにより分岐されるが、光の一部が光源側に戻る現象が発生して、光源の光出力が不安定となる。そこで本発明では、光源とスプリッタとの間に逆方向の光を除去するアイソレータを備えるものである。
請求項９は、前記凹形状部に収容したセンサ用の光ファイバの少なくとも一部をコイル状に巻回したことを特徴とする。
センサ用の光ファイバは、その表面積が大きいほど感度が高くなる。しかし、ホルダの凹形状部の大きさには限界があるため、本発明では光ファイバをコイル状に巻回して表面積を増加するものである。
請求項１０は、前記ホルダの中空内部を真空にしたことを特徴とする。
液体に比べて気体はＡＥの伝播効率が低くなることは周知である。更に伝達効率を低くすることにより、更に反射波の影響を低減することができる。そこで本発明では、ホルダの中空内部を真空にして気体を介したＡＥの伝達を遮断するものである。
請求項１１は、前記センサ用の光ファイバは、前記ホルダの外周に螺旋状に巻回した外側光ファイバと、前記ホルダ内にコイル状に巻回した内側光ファイバと、を備えたことを特徴とする。
全方位からのＡＥを同時に検出することにより、検査速度が向上し、且つセンサ用の光ファイバを回転する手段が不要となる。そこで本発明では、側面からのＡＥを検出するためにホルダの外周に螺旋状に巻回した外側光ファイバと、下からのＡＥを検出するためにホルダ内にコイル状に巻回した内側光ファイバを備えるものである。
センサ用の光ファイバは、その表面積が大きいほど感度が高くなる。しかし、ホルダの凹形状部の大きさには限界があるため、本発明では光ファイバをコイル状に巻回して表面積を増加するものである。
請求項１０は、前記ホルダの中空内部を真空にしたことを特徴とする。
液体に比べて気体はＡＥの伝播効率が低くなることは周知である。更に伝達効率を低くすることにより、更に反射波の影響を低減することができる。そこで本発明では、ホルダの中空内部を真空にして気体を介したＡＥの伝達を遮断するものである。
請求項１１は、前記センサ用の光ファイバは、前記ホルダの外周に螺旋状に巻回した外側光ファイバと、前記ホルダ内にコイル状に巻回した内側光ファイバと、を備えたことを特徴とする。
全方位からのＡＥを同時に検出することにより、検査速度が向上し、且つセンサ用の光ファイバを回転する手段が不要となる。そこで本発明では、側面からのＡＥを検出するためにホルダの外周に螺旋状に巻回した外側光ファイバと、下からのＡＥを検出するためにホルダ内にコイル状に巻回した内側光ファイバを備えるものである。
請求項１２は、前記センサ用の光ファイバを、球状のホルダの外周に巻回したことを特徴とする。
全方位からのＡＥを同時に検出する他の方法として、球状のホルダの外周面にセンサ用の光ファイバを巻回する方法がある。この方法では、方位を判定するために演算により方位を確定する必要がある。
請求項１３は、前記センサ用の光ファイバをコイル状に巻回したコイル状光ファイバセンサとし、複数の該コイル状光ファイバセンサを板状のホルダの少なくとも片面に複数個配置し、前記板状のホルダを回転させる構成としたことを特徴とする。
板状のホルダに複数のコイル状に巻回したセンサを直列に配置し、ＡＥが発生する方向に対してどのセンサがＡＥを検出するかを判定して、音源とセンサの角度から音源の位置を特定するものである。
請求項１４は、前記センサ用の光ファイバが複数備えられた場合、前記スプリッタにより分岐された一方の光を前記複数のセンサ用の光ファイバの何れか一方端に導光するように順次切り換える光切替手段と、前記複数のセンサ用の光ファイバの各他方端から出射する光を一つの光に結合するカプラと、を更に備えたことを特徴とする。
ホルダにセンサ用の光ファイバが複数備えられた場合、個別に結合手段と光検出手段を備えたのでは、コスト的に高くなってしまう。そこで本発明では、１つの結合手段と光検出手段により実現させるために、複数のセンサ用の光ファイバの何れかに導光する光の一つを選択するように切り換える光切替手段を備え、それにより選択された光を結合手段に入力するものである。
全方位からのＡＥを同時に検出する他の方法として、球状のホルダの外周面にセンサ用の光ファイバを巻回する方法がある。この方法では、方位を判定するために演算により方位を確定する必要がある。
請求項１３は、前記センサ用の光ファイバをコイル状に巻回したコイル状光ファイバセンサとし、複数の該コイル状光ファイバセンサを板状のホルダの少なくとも片面に複数個配置し、前記板状のホルダを回転させる構成としたことを特徴とする。
板状のホルダに複数のコイル状に巻回したセンサを直列に配置し、ＡＥが発生する方向に対してどのセンサがＡＥを検出するかを判定して、音源とセンサの角度から音源の位置を特定するものである。
請求項１４は、前記センサ用の光ファイバが複数備えられた場合、前記スプリッタにより分岐された一方の光を前記複数のセンサ用の光ファイバの何れか一方端に導光するように順次切り換える光切替手段と、前記複数のセンサ用の光ファイバの各他方端から出射する光を一つの光に結合するカプラと、を更に備えたことを特徴とする。
ホルダにセンサ用の光ファイバが複数備えられた場合、個別に結合手段と光検出手段を備えたのでは、コスト的に高くなってしまう。そこで本発明では、１つの結合手段と光検出手段により実現させるために、複数のセンサ用の光ファイバの何れかに導光する光の一つを選択するように切り換える光切替手段を備え、それにより選択された光を結合手段に入力するものである。
請求項１の発明によれば、被検査対象物に設置したセンサ用光ファイバと、参照光用の光ファイバを備え、各光ファイバに単一光を導光し、参照光用の光ファイバに外来ノイズを相殺するように外部から伸縮させ、その参照光用の光ファイバとセンサ用光ファイバを結合して干渉光を生成し、その干渉光から弾性波を検出するようにしたことにより、外来ノイズを低減すると共に、被検査対象物に発生する弾性波を精度よく検出することができる。また、伸縮制御手段は、参照光用の光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる伸縮手段を備えたので、光ファイバの屈折率および光路長を変化させてコアを伝播する光の位相を任意に変化させることができる。
また請求項２では、液体を貯蔵する被検査対象物の液中に設置したセンサ用光ファイバと、参照光用の光ファイバを備え、各光ファイバに単一光を導光し、参照光用の光ファイバに外来ノイズを相殺するように外部から伸縮させ、その参照光用の光ファイバとセンサ用光ファイバを結合することにより、干渉光を生成し、その干渉光から弾性波を検出するようにしたことにより、外来ノイズを低減すると共に、可燃性の液体を貯蔵した被検査対象物に発生する弾性波を安全に且つ精度よく検出することができる。また、伸縮制御手段は、参照光用の光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる伸縮手段を備えたので、光ファイバの屈折率および光路長を変化させてコアを伝播する光の位相を任意に変化させることができる。また、センサ用の光ファイバの少なくとも一部を、外周面に軸方向に長い凹形状部を有した中空筒状のホルダの凹形状部内に収容したので、ホルダの背面からの反射波を低減して、ＡＥを検出する指向性を高めることができる。さらに、ホルダの軸心を中心として回転させる回転手段を更に備えたので、音源の発生位置を容易に特定することができる。
また請求項３では、伸縮手段は圧電アクチュエータにより構成されているので、ファイバの軸方向を機械的に往復運動することができ、且つその伸縮量を外部から正確に制御することができる。
また請求項４では、結合手段は、センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、当該干渉光を分岐して第１の光、および当該第１の光の位相が反転した第２の光を出力するので、直流成分を除去すると共に、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。
また請求項２では、液体を貯蔵する被検査対象物の液中に設置したセンサ用光ファイバと、参照光用の光ファイバを備え、各光ファイバに単一光を導光し、参照光用の光ファイバに外来ノイズを相殺するように外部から伸縮させ、その参照光用の光ファイバとセンサ用光ファイバを結合することにより、干渉光を生成し、その干渉光から弾性波を検出するようにしたことにより、外来ノイズを低減すると共に、可燃性の液体を貯蔵した被検査対象物に発生する弾性波を安全に且つ精度よく検出することができる。また、伸縮制御手段は、参照光用の光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる伸縮手段を備えたので、光ファイバの屈折率および光路長を変化させてコアを伝播する光の位相を任意に変化させることができる。また、センサ用の光ファイバの少なくとも一部を、外周面に軸方向に長い凹形状部を有した中空筒状のホルダの凹形状部内に収容したので、ホルダの背面からの反射波を低減して、ＡＥを検出する指向性を高めることができる。さらに、ホルダの軸心を中心として回転させる回転手段を更に備えたので、音源の発生位置を容易に特定することができる。
また請求項３では、伸縮手段は圧電アクチュエータにより構成されているので、ファイバの軸方向を機械的に往復運動することができ、且つその伸縮量を外部から正確に制御することができる。
また請求項４では、結合手段は、センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、当該干渉光を分岐して第１の光、および当該第１の光の位相が反転した第２の光を出力するので、直流成分を除去すると共に、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができる。
また請求項５では、ノイズ抽出手段は、光検出手段により検出された第１および第２の光検出信号の差分信号に基づいて、参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出するので、Ｓ／Ｎ比が大きい信号から容易にノイズを抽出することができる。
また請求項６では、処理手段は、第１および第２の光検出器により検出された信号の差分信号に基づいて時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から被検査対象物に発生する弾性波を検出するので、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置を特定することができる。
また請求項７では、ノイズ抽出手段は、光検出手段により検出された検出信号に基づいて所定周波数よりも低い周波数成分を抽出するフィルタと、このフィルタが抽出した信号に積分処理を施して参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出する積分回路と、を備えたので、低周波のノイズを選択的に抽出することができる。
また請求項８では、スプリッタから光源に向けた光を除去するアイソレータを光源とスプリッタとの間に備えたので、光源の光出力を安定化することができる。
また請求項９では、凹形状部に収容したセンサ用の光ファイバの少なくとも一部をコイル状に巻回したので、センサ用の光ファイバの感度を高めることができる。
また請求項１０では、ホルダの中空内部を真空にしたので、気体によるＡＥの伝達を遮断することができ、更に反射波の影響を低減することができる。
また請求項６では、処理手段は、第１および第２の光検出器により検出された信号の差分信号に基づいて時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から被検査対象物に発生する弾性波を検出するので、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置を特定することができる。
また請求項７では、ノイズ抽出手段は、光検出手段により検出された検出信号に基づいて所定周波数よりも低い周波数成分を抽出するフィルタと、このフィルタが抽出した信号に積分処理を施して参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出する積分回路と、を備えたので、低周波のノイズを選択的に抽出することができる。
また請求項８では、スプリッタから光源に向けた光を除去するアイソレータを光源とスプリッタとの間に備えたので、光源の光出力を安定化することができる。
また請求項９では、凹形状部に収容したセンサ用の光ファイバの少なくとも一部をコイル状に巻回したので、センサ用の光ファイバの感度を高めることができる。
また請求項１０では、ホルダの中空内部を真空にしたので、気体によるＡＥの伝達を遮断することができ、更に反射波の影響を低減することができる。
また請求項１１では、センサ用の光ファイバは、ホルダの外周に螺旋状に巻回した外側光ファイバと、ホルダ内にコイル状に巻回した内側光ファイバと、を備えたので、全方位のＡＥを検出することができる。
また請求項１２では、センサ用の光ファイバを、球状のホルダの外周全面に巻回したので、全方位のＡＥを検出することができる。
また請求項１３では、センサ用の光ファイバを、板状のホルダの少なくとも片面にコイル状に巻回して複数個配置し、この板状のホルダを回転させる構成としたので、音源からのＡＥを検出したセンサ用の光ファイバの角度から音源の高さ方向の位置を特定すると共に、ホルダを回転することによりその方位も検出することができる。
また請求項１４では、複数のセンサ用の光ファイバの何れかに導光する光の一つを選択するように切り換える光切替手段を備え、それにより選択された光を結合手段に入力するので、コストを安く且つ全方位のＡＥを検出することができる。
また請求項１２では、センサ用の光ファイバを、球状のホルダの外周全面に巻回したので、全方位のＡＥを検出することができる。
また請求項１３では、センサ用の光ファイバを、板状のホルダの少なくとも片面にコイル状に巻回して複数個配置し、この板状のホルダを回転させる構成としたので、音源からのＡＥを検出したセンサ用の光ファイバの角度から音源の高さ方向の位置を特定すると共に、ホルダを回転することによりその方位も検出することができる。
また請求項１４では、複数のセンサ用の光ファイバの何れかに導光する光の一つを選択するように切り換える光切替手段を備え、それにより選択された光を結合手段に入力するので、コストを安く且つ全方位のＡＥを検出することができる。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。本実施形態に係る弾性波検出装置１は、単一波長光を出射する光源２と、この光源２からの光を分岐する第１カプラ（スプリッタ）４と、光源２と第１カプラ４との間に配置され第１カプラ４から光源２に戻る光を除去する光アイソレータ（アイソレータ）３と、被検査対象物２０に配設され第１カプラ４により分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバ６と、同じく第１カプラ４により分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバ５と、センサ用光ファイバ６および参照光用光ファイバ５の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる第２カプラ（結合手段）７と、この第２カプラ７により重ね合わされた光の強度を検出する第１光検出器（光検出手段）８と、第２光検出器（光検出手段）９と、第１光検出器８の検出信号と、第２光検出器９の検出信号の差分成分を抽出して差分信号を生成する差分回路（ＤＩＦＡ）１０と、周波数が約５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの信号を抽出して信号Ｓ１１として処理装置１２に出力するフィルタ（ＢＰＦ）１１と、第１光検出器８と第２光検出器９により検出された検出信号に基づいて被検査対象物２０に発生する弾性波を検出する処理装置（処理手段）１２と、差分回路１０から出力された信号Ｓ１０２を増幅するアンプ（Ａｍｐ）１３と、アンプ１３から出力された信号Ｓ１３からノイズ成分を抽出するフィルタ（ＬＰＦ）（ノイズ抽出手段）１４と、フィルタ１４から出力された信号Ｓ１４に所定時間の積分処理を施す積分器（ＩＴＧ）１５と、積分器１５から出力された信号Ｓ１５に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５の伸縮を制御するアクチュエータドライバ（ＡＤＩＶ）（伸縮制御手段）１６と、アクチュエータドライバ１６から出力された制御信号Ｓ１６に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５を伸縮するアクチュエータ（伸縮手段）５１と、を備えて構成される。
尚、光源２と光アイソレータ３、光アイソレータ３と第１カプラ４、第１カプラ４と第２カプラ７、第２カプラ７と第１光検出器８、第２カプラ７と第２光検出器９それぞれは、光ファイバｆにより接続されている。また弾性波検出装置１は、いわゆるマッハツェンダー型光ファイバ干渉計を基本とした構成となっている。また、例えば差分回路１０、アンプ１３、フィルタ１４、積分器１５、アクチュエータドライバ１６、およびアクチュエータ５１をフィードバック部５０と称する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。本実施形態に係る弾性波検出装置１は、単一波長光を出射する光源２と、この光源２からの光を分岐する第１カプラ（スプリッタ）４と、光源２と第１カプラ４との間に配置され第１カプラ４から光源２に戻る光を除去する光アイソレータ（アイソレータ）３と、被検査対象物２０に配設され第１カプラ４により分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバ６と、同じく第１カプラ４により分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバ５と、センサ用光ファイバ６および参照光用光ファイバ５の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる第２カプラ（結合手段）７と、この第２カプラ７により重ね合わされた光の強度を検出する第１光検出器（光検出手段）８と、第２光検出器（光検出手段）９と、第１光検出器８の検出信号と、第２光検出器９の検出信号の差分成分を抽出して差分信号を生成する差分回路（ＤＩＦＡ）１０と、周波数が約５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの信号を抽出して信号Ｓ１１として処理装置１２に出力するフィルタ（ＢＰＦ）１１と、第１光検出器８と第２光検出器９により検出された検出信号に基づいて被検査対象物２０に発生する弾性波を検出する処理装置（処理手段）１２と、差分回路１０から出力された信号Ｓ１０２を増幅するアンプ（Ａｍｐ）１３と、アンプ１３から出力された信号Ｓ１３からノイズ成分を抽出するフィルタ（ＬＰＦ）（ノイズ抽出手段）１４と、フィルタ１４から出力された信号Ｓ１４に所定時間の積分処理を施す積分器（ＩＴＧ）１５と、積分器１５から出力された信号Ｓ１５に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５の伸縮を制御するアクチュエータドライバ（ＡＤＩＶ）（伸縮制御手段）１６と、アクチュエータドライバ１６から出力された制御信号Ｓ１６に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５を伸縮するアクチュエータ（伸縮手段）５１と、を備えて構成される。
尚、光源２と光アイソレータ３、光アイソレータ３と第１カプラ４、第１カプラ４と第２カプラ７、第２カプラ７と第１光検出器８、第２カプラ７と第２光検出器９それぞれは、光ファイバｆにより接続されている。また弾性波検出装置１は、いわゆるマッハツェンダー型光ファイバ干渉計を基本とした構成となっている。また、例えば差分回路１０、アンプ１３、フィルタ１４、積分器１５、アクチュエータドライバ１６、およびアクチュエータ５１をフィードバック部５０と称する。
つぎに各構成要素について更に詳細に説明する。
光源２は、特定波長のレーザ光を光ファイバｆを介して光アイソレータ３に向けて出力する。この光源２としては、例えばレーザダイオード等のレーザ装置が用いられる。例えば光源２は波長が１３１３．８ｎｍのレーザ光を出力する。
光アイソレータ３は、光源２から光ファイバｆを介して出力されたレーザ光を第１カプラ４に出力する。また、光アイソレータ３は、光源２と第１カプラ４との間に備えられ、第１カプラ４から光ファイバｆを介して光源２に戻る光を除去し、光源２の光出力を安定化させる。
第１カプラ４は、光アイソレータ３から出力されたレーザ光を分岐し、一方のレーザ光を参照光用光ファイバ５に出力し、他方のレーザ光をセンサ用光ファイバ６に出力する。そして参照光用光ファイバ５は、第１カプラ４で分岐されたレーザ光が一方端から入力され、第２カプラ７に接続された他方に向けて光を導光して第２カプラ７に出力する。また、参照光用光ファイバ５は、例えば、シングルモードタイプのベアファイバをアクリルやＰＶＣ（Polyvinyl Chloride）で被覆したもの等が用いられる。
センサ用光ファイバ６は、第１カプラ４で分岐したレーザ光の他方が入力され、第２カプラ７に接続された他方端に向けて光を導光して第２カプラ７に出力する。またセンサ用光ファイバ６には、参照光用光ファイバ５と同じ構成（同じ周波数特性）のものが使用される。このセンサ用光ファイバ６は、例えば図１に示すように被検査対象物２０に対して設置される。設置の仕方としては、例えばセンサ用光ファイバ６は被検査対象物２０の表面に、被検査対象物２０を横断するように接着する。
光源２は、特定波長のレーザ光を光ファイバｆを介して光アイソレータ３に向けて出力する。この光源２としては、例えばレーザダイオード等のレーザ装置が用いられる。例えば光源２は波長が１３１３．８ｎｍのレーザ光を出力する。
光アイソレータ３は、光源２から光ファイバｆを介して出力されたレーザ光を第１カプラ４に出力する。また、光アイソレータ３は、光源２と第１カプラ４との間に備えられ、第１カプラ４から光ファイバｆを介して光源２に戻る光を除去し、光源２の光出力を安定化させる。
第１カプラ４は、光アイソレータ３から出力されたレーザ光を分岐し、一方のレーザ光を参照光用光ファイバ５に出力し、他方のレーザ光をセンサ用光ファイバ６に出力する。そして参照光用光ファイバ５は、第１カプラ４で分岐されたレーザ光が一方端から入力され、第２カプラ７に接続された他方に向けて光を導光して第２カプラ７に出力する。また、参照光用光ファイバ５は、例えば、シングルモードタイプのベアファイバをアクリルやＰＶＣ（Polyvinyl Chloride）で被覆したもの等が用いられる。
センサ用光ファイバ６は、第１カプラ４で分岐したレーザ光の他方が入力され、第２カプラ７に接続された他方端に向けて光を導光して第２カプラ７に出力する。またセンサ用光ファイバ６には、参照光用光ファイバ５と同じ構成（同じ周波数特性）のものが使用される。このセンサ用光ファイバ６は、例えば図１に示すように被検査対象物２０に対して設置される。設置の仕方としては、例えばセンサ用光ファイバ６は被検査対象物２０の表面に、被検査対象物２０を横断するように接着する。
第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせ、第１光検出器８および第２光検出器９に出力する。そして参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６により導光されたレーザ光は、第２カプラ７で重ね合わされ、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６の光路差によって干渉光が発生する。
また、本実施形態に係る第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、その干渉光を分岐させて第１の光、および第１の光と位相が反転した第２の光を出力する。
第１光検出器８および第２光検出器９は、第２カプラ７から出力される干渉光の強度を検出する。本実施形態では第１光検出器８は、第２カプラ７から出力された第１の光の強度を検出し、第２光検出器９は、第２カプラ７から出力された第２の光の強度を検出する。具体的には、第１光検出器８は、入射する第１の光の光強度に応じた電気信号Ｓ８を生成して差分回路１０に出力する。また第２光検出器９は、入射する第２の光の光強度に応じた電気信号Ｓ９を生成して差分回路１０に出力する。そして第１光検出器８および第２光検出器９には、例えばフォトダイオードが用いられる。また第１光検出器８および第２光検出器９で検出される信号の位相は反転している。
また、光源２により出力されたレーザ光は、光検出器８、９に検出されるまで光ファイバ内を伝播するため、光軸の調整や振動制御を行う必要がない。
また、本実施形態に係る第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、その干渉光を分岐させて第１の光、および第１の光と位相が反転した第２の光を出力する。
第１光検出器８および第２光検出器９は、第２カプラ７から出力される干渉光の強度を検出する。本実施形態では第１光検出器８は、第２カプラ７から出力された第１の光の強度を検出し、第２光検出器９は、第２カプラ７から出力された第２の光の強度を検出する。具体的には、第１光検出器８は、入射する第１の光の光強度に応じた電気信号Ｓ８を生成して差分回路１０に出力する。また第２光検出器９は、入射する第２の光の光強度に応じた電気信号Ｓ９を生成して差分回路１０に出力する。そして第１光検出器８および第２光検出器９には、例えばフォトダイオードが用いられる。また第１光検出器８および第２光検出器９で検出される信号の位相は反転している。
また、光源２により出力されたレーザ光は、光検出器８、９に検出されるまで光ファイバ内を伝播するため、光軸の調整や振動制御を行う必要がない。
差分回路（ＤＩＦＡ）１０は、第１光検出器８の検出信号である信号Ｓ８と、第２光検出器９の検出信号である信号Ｓ９の差分成分を抽出して差分信号を生成する。差分成分を抽出することにより直流成分の除去やＳ／Ｎ（Signal to Noise ratio）比を大きくすることができる。また、差分回路１０は、差分信号を検出用の信号Ｓ１０１としてフィルタ１１に出力する。また、差分回路１０は、差分信号を補正用の信号Ｓ１０２としてアンプ１３に出力する。また、差分回路１０は、位相の反転した信号Ｓ８と信号Ｓ９との差分信号を生成するので増幅機能を有する。
フィルタ１１は、差分回路１０から出力された信号Ｓ１０１から弾性波検出に必要な成分を抽出して信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。そしてフィルタ１１は、例えばバンドパスフィルタにより構成され、例えば信号Ｓ１０１から周波数が約５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの信号を抽出して信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。
処理装置１２は、例えばフィルタ１１から出力された信号Ｓ１１をアナログ信号からデジタル信号に変換して取り込む。この処理装置１２は、例えばパーソナルコンピュータやデジタルオシロスコープ等により構成される。また処理装置１２は、取り込んだ信号Ｓ１１から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から被検査対象物２０に発生する弾性波を検出する。更に処理装置１２では、例えば取り込んだ信号Ｓ１１にフィルタ処理、周波数変換処理、ウェーブレット変換処理等を施して、群速度分散や、特定周波数成分の経時変化が解析される。
フィルタ１１は、差分回路１０から出力された信号Ｓ１０１から弾性波検出に必要な成分を抽出して信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。そしてフィルタ１１は、例えばバンドパスフィルタにより構成され、例えば信号Ｓ１０１から周波数が約５０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの信号を抽出して信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。
処理装置１２は、例えばフィルタ１１から出力された信号Ｓ１１をアナログ信号からデジタル信号に変換して取り込む。この処理装置１２は、例えばパーソナルコンピュータやデジタルオシロスコープ等により構成される。また処理装置１２は、取り込んだ信号Ｓ１１から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から被検査対象物２０に発生する弾性波を検出する。更に処理装置１２では、例えば取り込んだ信号Ｓ１１にフィルタ処理、周波数変換処理、ウェーブレット変換処理等を施して、群速度分散や、特定周波数成分の経時変化が解析される。
ここでウェーブレット変換について説明する。ウェーブレット変換は、時間と周波数に依存した窓関数の形を変化させて、検出波形の全域から時間と周波数の情報を抽出する。すなわち、検出波形の各時間において時間−周波数変換を行い、周波数帯域毎の信号強度を時系列的に求める。これにより、特定の周波数における特定モードの波の到達時間の情報が得られ、例えば、音源位置を特定することができる。
アンプ（Ａｍｐ）１３は、差分回路１０から出力された信号Ｓ１０２を増幅して信号Ｓ１３としてフィルタ１４に出力する。
フィルタ（ＬＰＦ）１４は、アンプ１３から出力された信号Ｓ１３からノイズ成分、例えば参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６に発生するノイズ成分を抽出して信号Ｓ１４として積分器１５に出力する。
フィルタ１４は、例えば所定周波数よりも低い周波数成分のみを通過させるローパスフィルタ（ＬＰＦ）により構成され、例えば参照光用光ファイバ５やセンサ用光ファイバ６に発生する外部からの環境ノイズ成分に相当する数ｋＨｚ以下の周波数成分を信号Ｓ１４として積分器１５に出力する。またフィルタ１４の周波数特性は、被検査対象物や外部からの環境ノイズに応じて設定することができる。
積分器（ＩＴＧ）１５は、フィルタ１４から出力された信号Ｓ１４に所定時間の積分処理を施し、処理結果を信号Ｓ１５としてアクチュエータドライバ１６に出力する。この積分器１５は、例えば参照光用光ファイバ５に発生する外部からの環境ノイズである低周波ノイズを抽出する機能を有する。
アクチュエータドライバ（ＡＤＩＶ）１６は、積分器１５から出力された信号Ｓ１５に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５の伸縮を制御させる制御信号Ｓ１６をアクチュエータ５１に出力する。例えばアクチュエータドライバ１６は、アクチュエータ５１駆動用電源装置により構成される。
アクチュエータ５１は、例えばアクチュエータドライバ１６から出力された制御信号Ｓ１６に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５またはセンサ用光ファイバ６の光ファイバを伸縮する。本実施形態ではアクチュエータ５１は、例えば印加された電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータにより構成される。この圧電アクチュエータは例えば参照光用光ファイバ５に接着され制御信号Ｓ１６に応じて伸縮し、参照光用光ファイバ５の長手方向に沿った方向に光ファイバを伸縮させる。この光ファイバの伸縮により、光ファイバの屈折率の変化および光路長の変化が生じる。例えば圧電アクチュエータは、例えば矩形状に形成され、印加された電圧に応じて逆圧電効果により長手方向に伸縮を行う。この圧電アクチュエータの長手方向と、光ファイバの長手方向とをそろえて接着させる。
アンプ（Ａｍｐ）１３は、差分回路１０から出力された信号Ｓ１０２を増幅して信号Ｓ１３としてフィルタ１４に出力する。
フィルタ（ＬＰＦ）１４は、アンプ１３から出力された信号Ｓ１３からノイズ成分、例えば参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６に発生するノイズ成分を抽出して信号Ｓ１４として積分器１５に出力する。
フィルタ１４は、例えば所定周波数よりも低い周波数成分のみを通過させるローパスフィルタ（ＬＰＦ）により構成され、例えば参照光用光ファイバ５やセンサ用光ファイバ６に発生する外部からの環境ノイズ成分に相当する数ｋＨｚ以下の周波数成分を信号Ｓ１４として積分器１５に出力する。またフィルタ１４の周波数特性は、被検査対象物や外部からの環境ノイズに応じて設定することができる。
積分器（ＩＴＧ）１５は、フィルタ１４から出力された信号Ｓ１４に所定時間の積分処理を施し、処理結果を信号Ｓ１５としてアクチュエータドライバ１６に出力する。この積分器１５は、例えば参照光用光ファイバ５に発生する外部からの環境ノイズである低周波ノイズを抽出する機能を有する。
アクチュエータドライバ（ＡＤＩＶ）１６は、積分器１５から出力された信号Ｓ１５に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５の伸縮を制御させる制御信号Ｓ１６をアクチュエータ５１に出力する。例えばアクチュエータドライバ１６は、アクチュエータ５１駆動用電源装置により構成される。
アクチュエータ５１は、例えばアクチュエータドライバ１６から出力された制御信号Ｓ１６に基づいて、ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５またはセンサ用光ファイバ６の光ファイバを伸縮する。本実施形態ではアクチュエータ５１は、例えば印加された電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータにより構成される。この圧電アクチュエータは例えば参照光用光ファイバ５に接着され制御信号Ｓ１６に応じて伸縮し、参照光用光ファイバ５の長手方向に沿った方向に光ファイバを伸縮させる。この光ファイバの伸縮により、光ファイバの屈折率の変化および光路長の変化が生じる。例えば圧電アクチュエータは、例えば矩形状に形成され、印加された電圧に応じて逆圧電効果により長手方向に伸縮を行う。この圧電アクチュエータの長手方向と、光ファイバの長手方向とをそろえて接着させる。
次に、上述した構成の弾性波検出装置１のフィードバック部５０による動作を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示した弾性波検出装置のフィードバック部の動作を説明するための図である。縦軸に出力電圧（Ｖ）を表し、横軸に時間（ｓ）を表す。図２（ａ）は、非フィードバック制御時の検出信号の一具体例を示す図である。図２（ｂ）は、フィードバック制御時の検出信号の一具体例を示す図である。本具体例では、弾性波検出装置１は、被検査対象物２０に衝撃等の振動を与えない状態で、つまりセンサ用光ファイバ６に衝撃等の振動を与えない状態で測定を行う。また非フィードバック制御時には、光源２から出力されたレーザ光は、光アイソレータ３を通過して第１カプラ４により分岐され、一方のレーザ光が参照光用光ファイバ５に入射され、他方のレーザ光がセンサ用光ファイバ６に入射される。
例えば低周波成分の環境ノイズにより、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６が伸縮して、光ファイバの屈折率および光路長が変化する。このため参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６内に導光されているレーザ光の位相が変化する。
第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６それぞれから出力されたレーザ光を干渉させて干渉光を生成し、その干渉光を分岐して第１の光、および第１の光の位相が反転した第２の光を生成し、第１の光を光ファイバを介して第１光検出器８に出力し、第２の光を光ファイバを介して第２光検出器９に出力する。第１光検出器８では、参照光用光ファイバ５により導光された第１の光の光強度を検出し信号Ｓ８として差分回路１０に出力する。第２光検出器９では、センサ用光ファイバ６により導光された第２の光の光強度を検出し信号Ｓ９として差分回路１０に出力する。
差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号を生成し、信号Ｓ１０１としてフィルタ１１に出力する。フィルタ１１は信号Ｓ１０１にフィルタ処理を施し信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。処理装置１２は、信号Ｓ１０１に基づいて例えば図２（ａ）に示すような信号を出力する。
一方、フィードバック制御時には、差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号を生成し、信号Ｓ１０２としてアンプ１３に出力する。アンプ１３は信号Ｓ１０２を増幅して信号Ｓ１３としてフィルタ１４に出力する。このフィルタ１４は信号Ｓ１３にローパスフィルタ処理を施して信号Ｓ１４として積分器１５に出力し、積分器１５は信号Ｓ１４に積分処理を施し、信号Ｓ１５としてアクチュエータドライバ１６に出力する。そしてフィルタ１４によりノイズ成分に相当する低周波成分を抽出し、さらに積分器１５により積分処理を施すことにより、環境ノイズ成分を抽出することができる。
例えば低周波成分の環境ノイズにより、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６が伸縮して、光ファイバの屈折率および光路長が変化する。このため参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６内に導光されているレーザ光の位相が変化する。
第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６それぞれから出力されたレーザ光を干渉させて干渉光を生成し、その干渉光を分岐して第１の光、および第１の光の位相が反転した第２の光を生成し、第１の光を光ファイバを介して第１光検出器８に出力し、第２の光を光ファイバを介して第２光検出器９に出力する。第１光検出器８では、参照光用光ファイバ５により導光された第１の光の光強度を検出し信号Ｓ８として差分回路１０に出力する。第２光検出器９では、センサ用光ファイバ６により導光された第２の光の光強度を検出し信号Ｓ９として差分回路１０に出力する。
差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号を生成し、信号Ｓ１０１としてフィルタ１１に出力する。フィルタ１１は信号Ｓ１０１にフィルタ処理を施し信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。処理装置１２は、信号Ｓ１０１に基づいて例えば図２（ａ）に示すような信号を出力する。
一方、フィードバック制御時には、差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号を生成し、信号Ｓ１０２としてアンプ１３に出力する。アンプ１３は信号Ｓ１０２を増幅して信号Ｓ１３としてフィルタ１４に出力する。このフィルタ１４は信号Ｓ１３にローパスフィルタ処理を施して信号Ｓ１４として積分器１５に出力し、積分器１５は信号Ｓ１４に積分処理を施し、信号Ｓ１５としてアクチュエータドライバ１６に出力する。そしてフィルタ１４によりノイズ成分に相当する低周波成分を抽出し、さらに積分器１５により積分処理を施すことにより、環境ノイズ成分を抽出することができる。
アクチュエータドライバ１６は、積分器１５から出力された信号Ｓ１５に基づいて、ノイズ成分を除去させる制御信号Ｓ１６をアクチュエータ５１に出力する。詳細には、アクチュエータドライバ１６は、信号Ｓ１５に基づいて、アクチュエータ５１に、環境ノイズによる光ファイバの伸縮を相殺させる制御信号Ｓ１６を出力する。そして参照光用光ファイバ５に備えられたアクチュエータ５１は、制御信号Ｓ１６に基づいて参照光用光ファイバ５の長手方向に沿った方向に伸縮して、参照光用光ファイバ５を長手方向に沿った方向に伸縮させ、その伸縮に応じて屈折率および光路長が変化する。
レーザ光は、アクチュエータ５１の伸縮により屈折率および光路長が変化した参照光用光ファイバ５により導光されてカプラ７に入射される。第２カプラ７では、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６それぞれから出力されたレーザ光を干渉させてノイズ成分が低減した干渉光を生成する。
また、第２カプラ７は、その干渉光を分岐して第１の光、および第１の光の位相が反転した第２の光を生成し、第１の光を光ファイバを介して第１光検出器８に出力し、第２の光を光ファイバを介して第２光検出器９に出力する。
差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号を生成し、信号Ｓ１０１としてフィルタ１１に出力する。フィルタ１１は信号Ｓ１０１にフィルタ処理を施し信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。処理装置１２は、信号Ｓ１０１に基づいて例えば図２（ｂ）に示すような信号を出力する。
このように非フィードバック制御時には、例えば図２（ａ）に示すように、周波数が略１Ｈｚ以下の大きな振動成分が検出されており、環境ノイズによる影響が大きい。一方、フィードバック制御時には、例えば図２（ｂ）に示すように略平坦な信号が検出され、環境ノイズ成分が低減していることが解る。
レーザ光は、アクチュエータ５１の伸縮により屈折率および光路長が変化した参照光用光ファイバ５により導光されてカプラ７に入射される。第２カプラ７では、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６それぞれから出力されたレーザ光を干渉させてノイズ成分が低減した干渉光を生成する。
また、第２カプラ７は、その干渉光を分岐して第１の光、および第１の光の位相が反転した第２の光を生成し、第１の光を光ファイバを介して第１光検出器８に出力し、第２の光を光ファイバを介して第２光検出器９に出力する。
差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号を生成し、信号Ｓ１０１としてフィルタ１１に出力する。フィルタ１１は信号Ｓ１０１にフィルタ処理を施し信号Ｓ１１として処理装置１２に出力する。処理装置１２は、信号Ｓ１０１に基づいて例えば図２（ｂ）に示すような信号を出力する。
このように非フィードバック制御時には、例えば図２（ａ）に示すように、周波数が略１Ｈｚ以下の大きな振動成分が検出されており、環境ノイズによる影響が大きい。一方、フィードバック制御時には、例えば図２（ｂ）に示すように略平坦な信号が検出され、環境ノイズ成分が低減していることが解る。
以上説明したように、構成の弾性波検出装置１は、光源２と、単一波長の光源２からの光を分岐する第１カプラ４と、第１カプラ４で分岐した光を導光する参照光用光ファイバ５と、被検査対象物２０に対して設置され第１カプラ４で分岐した他方の光を導光するセンサ用光ファイバ６と、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６の一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる第２カプラ７と、第２カプラ７で重ね合わされた光の強度を検出する第１光検出器８および第２光検出器９と、第１光検出器８の検出信号からノイズ成分を抽出するフィルタ１４および積分器１５と、抽出した検出信号のノイズ成分に基づいて、当該ノイズ成分を除去するように参照光用光ファイバ５の伸縮を制御するアクチュエータドライバ１６およびアクチュエータ５１とを設けたので、例えば環境ノイズの影響を低減することができる。
また、第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５とセンサ用光ファイバ６から出力された干渉光を分岐して、第１の光と、その第１の光と位相が反転した第２の光を生成して出力し、差分回路１０は、第１光検出器８および第２光検出器９で検出した信号を基に差分信号を生成するので、検出信号を増幅する機能を有する。
また、差分回路１０は、検出信号の差分信号を生成するので、直流成分を除去してＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
また、第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５とセンサ用光ファイバ６から出力された干渉光を分岐して、第１の光と、その第１の光と位相が反転した第２の光を生成して出力し、差分回路１０は、第１光検出器８および第２光検出器９で検出した信号を基に差分信号を生成するので、検出信号を増幅する機能を有する。
また、差分回路１０は、検出信号の差分信号を生成するので、直流成分を除去してＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
また、参照光用光ファイバ５の側面に接着して備えられ、ノイズ成分を除去するように光ファイバの長手方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる圧電アクチュエータ５１を設けたので、例えば光ファイバに大きな負荷を与えることなく、ノイズ成分を除去するように振動させることができる。また、光ファイバ内のレーザ光の光強度を減衰させることなくノイズ成分を除去することができる。
また、検出信号の低周波成分を抽出するフィルタ１４と、抽出信号に所定時間、積分処理を施して低周波成分であるノイズ成分が抽出する積分器１５とその抽出されたノイズ成分を基にアクチュエータ５１にノイズ成分を除去させる制御信号を出力し、アクチュエータ５１は制御信号Ｓ１６によりノイズ成分を除去させるように参照光用光ファイバ５を伸縮させるので、簡単な構成によりノイズを除去することができる。
また、光源２から第１光検出器８および第２光検出器９まで、レーザ光は光ファイバ内のみを伝播し、空気中を伝播することがないために光学定盤や光軸の調整が不要である。
また、光源２と、第１カプラ４との間に備えられ、第１カプラ４から光ファイバｆを介して光源２に向けた光を除去する光アイソレータ３を設けたので、光源２としてのレーザ装置の発振が安定する。
また、検出信号の低周波成分を抽出するフィルタ１４と、抽出信号に所定時間、積分処理を施して低周波成分であるノイズ成分が抽出する積分器１５とその抽出されたノイズ成分を基にアクチュエータ５１にノイズ成分を除去させる制御信号を出力し、アクチュエータ５１は制御信号Ｓ１６によりノイズ成分を除去させるように参照光用光ファイバ５を伸縮させるので、簡単な構成によりノイズを除去することができる。
また、光源２から第１光検出器８および第２光検出器９まで、レーザ光は光ファイバ内のみを伝播し、空気中を伝播することがないために光学定盤や光軸の調整が不要である。
また、光源２と、第１カプラ４との間に備えられ、第１カプラ４から光ファイバｆを介して光源２に向けた光を除去する光アイソレータ３を設けたので、光源２としてのレーザ装置の発振が安定する。
次に、差分回路１０による増幅機能を図面を参照しながら説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した弾性波検出装置の２つの光検出器により検出された信号の一具体例を示す図である。縦軸に出力電圧（Ｖ）を表し、横軸に時間（ｓ）を表す。
図３（ａ）は、図１に示した弾性波検出装置の第１光検出器により検出された信号の一具体例を示す図、図３（ｂ）は、図１に示した弾性波検出装置の第２光検出器により検出された信号の一具体例を示す図、図３（ｃ）は、図１に示した弾性波検出装置の差分回路が生成する差分信号の一具体例を示す図である。
例えばセンサ用光ファイバ６に図示しない圧電素子により正弦波振動を加えた場合を説明する。センサ用光ファイバ６は、上述した正弦波振動に応じて伸縮して、光ファイバの屈折率および光路長が変化する。第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６それぞれから出力されたレーザ光を干渉させて干渉光を生成し、その干渉光を分岐して第１の光、および第１の光の位相が反転した第２の光を生成し、第１の光を光ファイバｆを介して第１光検出器８に出力し、第２の光を光ファイバｆを介して第２光検出器９に出力する。
第１光検出器８では、例えば図３（ａ）に示すような信号Ｓ８を出力する。第２光検出器９では、例えば図３（ｂ）に示すような信号Ｓ９を出力する。差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号、例えば図３（ｃ）に示すように信号Ｓ８から信号Ｓ９を減算した信号（Ｓ８−Ｓ９）を生成する。この信号（Ｓ８−Ｓ９）は、信号Ｓ１０１、１０２に相当する。図３（ａ）、（ｂ）から明らかなように各光検出器８、９で得られる信号の位相は反転しており、差分回路１０はその信号の差分をとるので、検出信号が増幅される。また、差分成分を抽出することにより直流成分の除去やＳ／Ｎ比が向上する。
図３（ａ）は、図１に示した弾性波検出装置の第１光検出器により検出された信号の一具体例を示す図、図３（ｂ）は、図１に示した弾性波検出装置の第２光検出器により検出された信号の一具体例を示す図、図３（ｃ）は、図１に示した弾性波検出装置の差分回路が生成する差分信号の一具体例を示す図である。
例えばセンサ用光ファイバ６に図示しない圧電素子により正弦波振動を加えた場合を説明する。センサ用光ファイバ６は、上述した正弦波振動に応じて伸縮して、光ファイバの屈折率および光路長が変化する。第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６それぞれから出力されたレーザ光を干渉させて干渉光を生成し、その干渉光を分岐して第１の光、および第１の光の位相が反転した第２の光を生成し、第１の光を光ファイバｆを介して第１光検出器８に出力し、第２の光を光ファイバｆを介して第２光検出器９に出力する。
第１光検出器８では、例えば図３（ａ）に示すような信号Ｓ８を出力する。第２光検出器９では、例えば図３（ｂ）に示すような信号Ｓ９を出力する。差分回路１０は、第１光検出器８から出力された信号Ｓ８と、第２光検出器９から出力された信号Ｓ９との差分信号、例えば図３（ｃ）に示すように信号Ｓ８から信号Ｓ９を減算した信号（Ｓ８−Ｓ９）を生成する。この信号（Ｓ８−Ｓ９）は、信号Ｓ１０１、１０２に相当する。図３（ａ）、（ｂ）から明らかなように各光検出器８、９で得られる信号の位相は反転しており、差分回路１０はその信号の差分をとるので、検出信号が増幅される。また、差分成分を抽出することにより直流成分の除去やＳ／Ｎ比が向上する。
次に、弾性波検出装置１の検出感度および検出光の物理量を検討する。図４は、弾性波検出装置の一測定例を説明するための図である。図５は、図４に示した弾性波検出装置１の被検査対象物と参照光用光ファイバ近傍の拡大図である。
例えば厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板ＰＬに、センサ用光ファイバ６を接着剤ｂｄにより長さＬｂｄ（１０ｍｍ）程度接着する。音源位置Ｓは、センサ用光ファイバ６から距離Ｌが１５０ｍｍの位置に、線状に集光したパルスレーザ光を照射して弾性波を励起させる。図４に示すように、レーザ装置３１には、例えば、テーブルトップ型Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ ：ＹＡＧ レーザ装置を用いる。レーザ光の波長は１０６４ｎｍ、最高出力エネルギーは、例えば３００ｍＪである。
レーザ装置３１から出力されたパルスレーザ光は、ミラー３２により反射され、円柱レンズ３３により集光され、ハーフミラー３４により反射されてアルミニウム板ＰＬ上の音源位置Ｓに線状に照射される。
弾性波検出装置１と比較するために、レーザ干渉計３５として、空気伝播型ヘテロダインタイプマッハツェンダ型干渉計により、アルミニウム板ＰＬの一方の面に接着されたセンサ用光ファイバ６の接着部の真裏部ＢＰにレーザ光を照射して面外変位を同時に測定した。この際、デジタイザ３７は、フォトダイオード３６により検出されたレーザ光をトリガとして、レーザ干渉計３５から出力されたアナログ信号ＡＳを、例えば数１０ＭＨｚのサンプリング周期で高速に入力してデジタル化してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３８に出力する。
図６（ａ）は図１に示した弾性波検出装置１による検出信号、図６（ｂ）は空気伝播型レーザ干渉計による検出信号の一具体例を示す図である。縦軸に出力電圧（ｍＶ）を表し、横軸に時間（ｍｓ）を表す。
例えば本実施形態の弾性波検出装置１は、大型建造物での計測用のフィルタ１１を用いているために、検出信号のうち１７０ｋＨｚ以上の高周波成分を低減しているので、図６（ｂ）に示す検出信号と比べて、図６（ａ）に示すように高周波成分が低減した信号を出力するが、略同じ検出信号を得る。
例えば厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板ＰＬに、センサ用光ファイバ６を接着剤ｂｄにより長さＬｂｄ（１０ｍｍ）程度接着する。音源位置Ｓは、センサ用光ファイバ６から距離Ｌが１５０ｍｍの位置に、線状に集光したパルスレーザ光を照射して弾性波を励起させる。図４に示すように、レーザ装置３１には、例えば、テーブルトップ型Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｎｄ ：ＹＡＧ レーザ装置を用いる。レーザ光の波長は１０６４ｎｍ、最高出力エネルギーは、例えば３００ｍＪである。
レーザ装置３１から出力されたパルスレーザ光は、ミラー３２により反射され、円柱レンズ３３により集光され、ハーフミラー３４により反射されてアルミニウム板ＰＬ上の音源位置Ｓに線状に照射される。
弾性波検出装置１と比較するために、レーザ干渉計３５として、空気伝播型ヘテロダインタイプマッハツェンダ型干渉計により、アルミニウム板ＰＬの一方の面に接着されたセンサ用光ファイバ６の接着部の真裏部ＢＰにレーザ光を照射して面外変位を同時に測定した。この際、デジタイザ３７は、フォトダイオード３６により検出されたレーザ光をトリガとして、レーザ干渉計３５から出力されたアナログ信号ＡＳを、例えば数１０ＭＨｚのサンプリング周期で高速に入力してデジタル化してパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３８に出力する。
図６（ａ）は図１に示した弾性波検出装置１による検出信号、図６（ｂ）は空気伝播型レーザ干渉計による検出信号の一具体例を示す図である。縦軸に出力電圧（ｍＶ）を表し、横軸に時間（ｍｓ）を表す。
例えば本実施形態の弾性波検出装置１は、大型建造物での計測用のフィルタ１１を用いているために、検出信号のうち１７０ｋＨｚ以上の高周波成分を低減しているので、図６（ｂ）に示す検出信号と比べて、図６（ａ）に示すように高周波成分が低減した信号を出力するが、略同じ検出信号を得る。
次に、伝播弾性波、本実施例ではラム波非対称基本モードの群速度分散を演算により求めた。図７は、図６（ａ）、（ｂ）に示した波形にウェーブレット変換処理を施した結果を示す図である。縦軸に群速度（ｍ／ｓ）を表し、横軸に周波数（ｋＨｚ）を表す。
白丸４０は弾性波検出装置１による検出信号、三角４１はレーザ干渉計３５による検出信号それぞれにウェーブレット変換処理を施した結果の群速度分散であり、実線４２は解析的に演算された群速度分散である。図７に示すように、弾性波検出装置１、レーザ干渉計３５による検出結果（符号４０、４１）の群速度分散は略一致している。また解析的に演算された群速度分散（符号４２）とも略一致しており、弾性波検出装置１は、空気伝播型レーザ干渉計３５と略同等な検出性能を有することが解る。
図８は、図６（ａ）、（ｂ）に示した検出信号を重ね合わせた拡大図である。実線は弾性波検出装置１による検出信号Ｓ１００、点線はレーザ干渉計３５による検出信号Ｓ３５０である。図８に示すように、検出信号Ｓ１００は、検出信号Ｓ３５０と比べて位相が略反転している。伝播弾性波であるラム波Ａ0モードの位相では、面内変位と面外変位の位相は、表面と裏面とでは反転する。すなわち、弾性波検出装置１で検出された波形は、面内変位成分を検出していることを示している。
次に、上記構成の弾性波検出装置１のＡＥの検出特性について説明する。ＡＥは、例えば材料の亀裂や破壊等の損傷により発生するが、擬似的に例えればシャープペンシルの芯を圧折することにより発生することができる。芯の圧折はＡＥセンサや計測器の標準音源として用いられている。具体的には、シャープペンシルの芯の圧折により微弱な表面波（ラム波）のＡＥが発生する。
図９は、図１に示した弾性波検出装置による検出方法の一具体例を示す図である。図９に示すように、被検査対象物２０としての試験片には、寸法が径φ６０ｍｍ、肉厚５ｍｍの鋼管２１を用い、センサ用光ファイバ６を鋼管２１に３重巻きにして図示しないバンドによって固定する。バンドで固定することにより検出感度が向上し、センサ用光ファイバ６が保護される。音源位置Ｓとセンサ用光ファイバ６との距離Ｌを３００ｍｍ、および５００ｍｍとし、音源位置Ｓにてシャープペンシル４３の芯を圧折する。
図１０（ａ）、（ｂ）は、弾性波検出装置が検出した検出波形の一具体例を示す図である。図１０（ａ）はセンサ用光ファイバと音源位置Ｓとの距離Ｌが３００ｍｍの場合、図１０（ｂ）はセンサ用光ファイバ６と音源位置Ｓとの距離Ｌが５００ｍｍの場合に弾性波検出装置が検出した検出波形の一具体例を示す図である。
白丸４０は弾性波検出装置１による検出信号、三角４１はレーザ干渉計３５による検出信号それぞれにウェーブレット変換処理を施した結果の群速度分散であり、実線４２は解析的に演算された群速度分散である。図７に示すように、弾性波検出装置１、レーザ干渉計３５による検出結果（符号４０、４１）の群速度分散は略一致している。また解析的に演算された群速度分散（符号４２）とも略一致しており、弾性波検出装置１は、空気伝播型レーザ干渉計３５と略同等な検出性能を有することが解る。
図８は、図６（ａ）、（ｂ）に示した検出信号を重ね合わせた拡大図である。実線は弾性波検出装置１による検出信号Ｓ１００、点線はレーザ干渉計３５による検出信号Ｓ３５０である。図８に示すように、検出信号Ｓ１００は、検出信号Ｓ３５０と比べて位相が略反転している。伝播弾性波であるラム波Ａ0モードの位相では、面内変位と面外変位の位相は、表面と裏面とでは反転する。すなわち、弾性波検出装置１で検出された波形は、面内変位成分を検出していることを示している。
次に、上記構成の弾性波検出装置１のＡＥの検出特性について説明する。ＡＥは、例えば材料の亀裂や破壊等の損傷により発生するが、擬似的に例えればシャープペンシルの芯を圧折することにより発生することができる。芯の圧折はＡＥセンサや計測器の標準音源として用いられている。具体的には、シャープペンシルの芯の圧折により微弱な表面波（ラム波）のＡＥが発生する。
図９は、図１に示した弾性波検出装置による検出方法の一具体例を示す図である。図９に示すように、被検査対象物２０としての試験片には、寸法が径φ６０ｍｍ、肉厚５ｍｍの鋼管２１を用い、センサ用光ファイバ６を鋼管２１に３重巻きにして図示しないバンドによって固定する。バンドで固定することにより検出感度が向上し、センサ用光ファイバ６が保護される。音源位置Ｓとセンサ用光ファイバ６との距離Ｌを３００ｍｍ、および５００ｍｍとし、音源位置Ｓにてシャープペンシル４３の芯を圧折する。
図１０（ａ）、（ｂ）は、弾性波検出装置が検出した検出波形の一具体例を示す図である。図１０（ａ）はセンサ用光ファイバと音源位置Ｓとの距離Ｌが３００ｍｍの場合、図１０（ｂ）はセンサ用光ファイバ６と音源位置Ｓとの距離Ｌが５００ｍｍの場合に弾性波検出装置が検出した検出波形の一具体例を示す図である。
図１１（ａ）は、図１０（ａ）に示した検出信号にウェーブレット変換処理を施して得られたウェーブレット群速度線図である。図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）に示した検出信号にウェーブレット変換処理を施して得られたウェーブレット群速度線図である。
処理装置１２は、信号Ｓ１０１から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から被検査対象物２０（２１）に発生する弾性波を検出する。詳細には、処理装置１２は、例えばウェーブレット変換処理を施して弾性波を検出する。
尚、音源位置Ｓにおけるシャープペンシル４３の芯の圧折条件は、硬さ２Ｈ、直径０．５ｍｍのシャープペンシルの芯に４Ｎの力を０．９μｓで開放した。芯圧折のタイミングは、例えば図１０（ａ）、（ｂ）のｔｋに示すように０．１０４ｍｓである。
図１１（ａ）、（ｂ）において、濃淡で示されている領域Ａは、検出波をウェーブレット変換処理して得られたウェーブレット係数分散である。また、実線Ｂで示されているのは、演算により得られる円筒波のＬ（０，１）モードの群速度分散である。円筒波のＬ（０，１）モードは、円筒の半径方向の膨張により発生する表面波に相当する。
図１１（ａ）に示すように距離Ｌが３００ｍｍの場合、および図１１（ｂ）に示すように距離が５００ｍｍの場合でも、ウェーブレット係数分散の黒い尾根（高いウェーブレット係数帯）Ａは、演算により得られる円筒波の（０，１）モードの群速度分散Ｂと略一致しており、弾性波検出装置１は、円筒波のＬ（０，１）モードを検出していることが解る。
処理装置１２は、信号Ｓ１０１から時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から被検査対象物２０（２１）に発生する弾性波を検出する。詳細には、処理装置１２は、例えばウェーブレット変換処理を施して弾性波を検出する。
尚、音源位置Ｓにおけるシャープペンシル４３の芯の圧折条件は、硬さ２Ｈ、直径０．５ｍｍのシャープペンシルの芯に４Ｎの力を０．９μｓで開放した。芯圧折のタイミングは、例えば図１０（ａ）、（ｂ）のｔｋに示すように０．１０４ｍｓである。
図１１（ａ）、（ｂ）において、濃淡で示されている領域Ａは、検出波をウェーブレット変換処理して得られたウェーブレット係数分散である。また、実線Ｂで示されているのは、演算により得られる円筒波のＬ（０，１）モードの群速度分散である。円筒波のＬ（０，１）モードは、円筒の半径方向の膨張により発生する表面波に相当する。
図１１（ａ）に示すように距離Ｌが３００ｍｍの場合、および図１１（ｂ）に示すように距離が５００ｍｍの場合でも、ウェーブレット係数分散の黒い尾根（高いウェーブレット係数帯）Ａは、演算により得られる円筒波の（０，１）モードの群速度分散Ｂと略一致しており、弾性波検出装置１は、円筒波のＬ（０，１）モードを検出していることが解る。
図１２は本発明の第２の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。図１と同じ構成要素には同じ参照番号を付して説明する。第２の実施形態係る弾性波検出装置１００が図１の第１の実施形態係る弾性波検出装置１と異なる点は、センサ用光ファイバ６をセンサホルダ２１に固定し、センサ用光ファイバ６の折り返し部をコイル状に巻回してコイル状ファイバセンサ２４を形成して（以下、この構成を指向性センサ２８と記す）液体（本実施形態では水）２３に浸漬し、この指向性センサ２８をモータ（回転手段）２７により回転する機構を備えた点である。即ち、第１の実施形態ではセンサ用光ファイバ６を被検査対象物２０に直接固定して被検査対象物２０から発生するＡＥを検出していた。つまり、地上に設置された被検査対象物２０の検査が主眼であった。それに対して第２の実施形態は、ガソリンタンク等の液体を貯蔵する被検査対象物２２の内部の破壊、亀裂および腐食をリアルタイムに検出する目的で開発されたものである。つまり、第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、センサ用光ファイバ６を被検査対象物２２に直接設置するのではなく、液体２３を貯蔵する被検査対象物２２の液中に指向性センサ２８を設置し、液体２３を伝播する液中縦波ＡＥ２６を検出することである。尚、指向性センサ２８が被検査対象物２２から発生する液中縦波ＡＥ２６を検出する動作は前述した第１の実施形態と同様であるのでその説明は省略し、第１の実施形態と異なる点のみに限定して以下説明する。
図１３は指向性センサ２８の構成を示す図である。図１３（ａ）は指向性センサ２８を上部から見た図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ視から見た図である。指向性センサ２８は、例えば材料をアルミ等により構成され、内部を中空にした円筒状のセンサホルダ２１と、センサ用光ファイバ６を折り返し部でコイル状に巻回したコイル状ファイバセンサ２４とを備えて構成される。そしてセンサホルダ２１は外周面に軸方向に長い凹形状部２９を有し、コイル状ファイバセンサ２４はセンサホルダ２１の凹形状部２９内に収容される。凹形状部２９は、センサホルダ２１の外壁を軸方向に細長く凹陥させたものであり、内部の中空部とは連通していない。
尚、図示を省略するが、センサ用光ファイバ６とコイル状ファイバセンサ２４は接着剤等によりセンサホルダ２１に固定される。またセンサホルダ２１の形状が円筒であるが、形はこれに限定されるものではなく、多角筒状、その他の任意の筒状としてもよい。また、センサホルダ２１の構成材料はアルミに限定されず鉄、銅等の他の金属でも構わない。
例えば、実施例として、凹型アルミニウム部材（内幅１４ｍｍ、外幅１８ｍｍ、肉厚２ｍｍ）の凹底部に光ファイバをコイル状（香取線香状）に５回巻いて固定する。巻回数は感度を稼ぐためで、特に５回に限定されるものではない。また凹型材を１８ｍｍ幅に溝加工した直径３０ｍｍのアルミ円筒に埋込み、筒内部を中空状態（液体が進入しないよう）にする。また、筒の直径はガソリン地下埋設タンクの給油口が３２ｍｍであることから３０ｍｍとした。この構造によって、凹開口部以外の方向から伝搬してきたＡＥを筒内空気層によって遮断する。すなわち、凹開口部に伝播してくるＡＥ波が検出できるため指向性を持たせることができ、損傷方向の特定が可能となる。
図１３は指向性センサ２８の構成を示す図である。図１３（ａ）は指向性センサ２８を上部から見た図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ視から見た図である。指向性センサ２８は、例えば材料をアルミ等により構成され、内部を中空にした円筒状のセンサホルダ２１と、センサ用光ファイバ６を折り返し部でコイル状に巻回したコイル状ファイバセンサ２４とを備えて構成される。そしてセンサホルダ２１は外周面に軸方向に長い凹形状部２９を有し、コイル状ファイバセンサ２４はセンサホルダ２１の凹形状部２９内に収容される。凹形状部２９は、センサホルダ２１の外壁を軸方向に細長く凹陥させたものであり、内部の中空部とは連通していない。
尚、図示を省略するが、センサ用光ファイバ６とコイル状ファイバセンサ２４は接着剤等によりセンサホルダ２１に固定される。またセンサホルダ２１の形状が円筒であるが、形はこれに限定されるものではなく、多角筒状、その他の任意の筒状としてもよい。また、センサホルダ２１の構成材料はアルミに限定されず鉄、銅等の他の金属でも構わない。
例えば、実施例として、凹型アルミニウム部材（内幅１４ｍｍ、外幅１８ｍｍ、肉厚２ｍｍ）の凹底部に光ファイバをコイル状（香取線香状）に５回巻いて固定する。巻回数は感度を稼ぐためで、特に５回に限定されるものではない。また凹型材を１８ｍｍ幅に溝加工した直径３０ｍｍのアルミ円筒に埋込み、筒内部を中空状態（液体が進入しないよう）にする。また、筒の直径はガソリン地下埋設タンクの給油口が３２ｍｍであることから３０ｍｍとした。この構造によって、凹開口部以外の方向から伝搬してきたＡＥを筒内空気層によって遮断する。すなわち、凹開口部に伝播してくるＡＥ波が検出できるため指向性を持たせることができ、損傷方向の特定が可能となる。
図１４（ａ）は貯水縦型円筒タンク（以下、単にタンクと記す）の側面に人工音源からの発生音（ＰＺＴトランスミッタ５１で軽打撃音）を与えた時の水中縦波を指向性センサを用いて測定するシステムの模式図である。図１４（ｂ）は指向性センサ２８の断面図である。この指向性センサ２８は凹型材５０を１８ｍｍ幅に溝加工した直径３０ｍｍのアルミ円筒に埋込み、筒内部を中空状態（液体が進入しないよう）にしたものを使用する。また図１４（ａ）のシステムはタンク２２底辺から１４０ｍｍの位置に人工音源５１からの音を与え、同じ高さにコイル状ファイバセンサ２４を設置した指向性センサ２８を設置する。はじめに、凹形状部２９の法線方向を音源方向（θ＝０°とする）にして液中縦波ＡＥ２６を検出した。
図１５は図１４（ａ）のシステムにより検出した検出波の図である。縦軸に出力電圧（Ｖ）を表し、縦軸に時間（ｍｓ）を表す。θ＝０では初動の大きな振幅波は、人工音源５１からコイル状ファイバセンサ２４に到達した直接到達波５２である。一方０．６ｍｓ近傍に見られる波は反射波（タンク後側面からの）５３である。図１５から解るとおり極めて高いＳ／Ｎ比で直接到達波５２を検出している。
次にθを５°おきに回転させながら、水中縦波を検出し指向性を測定した。図１６は音源が０°方向にあるときの指向性センサ２８による液中縦波ＡＥ２６の振幅分布を示す図である。初動到達波の振幅（図中に原点を通る矢印線５４として示した）をθの関数として示す。なお振幅は、θ＝０°方向の最大振幅を１．０として規格化して示した。図１６から０°＜θ＜２０°の範囲にやや大きな振幅が見られるが、極めて良好な指向性を示している。θが４５°以上での直接到達波の振幅は２／１０程度まで減少しており、センサホルダ２１が反射波を遮断していることがわかる。即ち、センサホルダ２１を回転させながら、振幅分布を測定すれば音源位置（方向）が特定できることがわかった。
図１５は図１４（ａ）のシステムにより検出した検出波の図である。縦軸に出力電圧（Ｖ）を表し、縦軸に時間（ｍｓ）を表す。θ＝０では初動の大きな振幅波は、人工音源５１からコイル状ファイバセンサ２４に到達した直接到達波５２である。一方０．６ｍｓ近傍に見られる波は反射波（タンク後側面からの）５３である。図１５から解るとおり極めて高いＳ／Ｎ比で直接到達波５２を検出している。
次にθを５°おきに回転させながら、水中縦波を検出し指向性を測定した。図１６は音源が０°方向にあるときの指向性センサ２８による液中縦波ＡＥ２６の振幅分布を示す図である。初動到達波の振幅（図中に原点を通る矢印線５４として示した）をθの関数として示す。なお振幅は、θ＝０°方向の最大振幅を１．０として規格化して示した。図１６から０°＜θ＜２０°の範囲にやや大きな振幅が見られるが、極めて良好な指向性を示している。θが４５°以上での直接到達波の振幅は２／１０程度まで減少しており、センサホルダ２１が反射波を遮断していることがわかる。即ち、センサホルダ２１を回転させながら、振幅分布を測定すれば音源位置（方向）が特定できることがわかった。
次に横型横長モデルタンク（ドラム缶）を用いた実験結果について説明する。
横型横長タンクの音源位置特定は、縦型円筒タンクに比べればかなり難しくなる。すなわち、センサホルダ２１を、ガソリンスタンド地下タンクの検査時と同じように、水平側壁の上面の１箇所から挿入せざるをえないため、側壁や端面に音源がある場合には伝播距離が異なること、音源と凹形状部２９の法線方向のなす角θが大きくなること、音源位置によっては仰角、俯角を持つためである。
図１７は、模擬横型円筒タンクにおける音源位置とセンサ配置図である。図１７（ａ）は上面図、図１７（ｂ）は前面図、図１７（ｃ）は側面図である。図１７では直径５８０ｍｍ、長さ８８０ｍｍのドラム缶を用いた。センサホルダ２１は、側壁中央の穴５５から垂直に挿入し、コイル状ファイバセンサ２４がタンク高さの中央（２９０ｍｍ）に来るように設置した。そしてθ＝０°から回転させて、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの音源からの水中縦波を検出した。なお、音源Ａ、Ｂ、Ｃはタンク底部から高さ２９０ｍｍの位置にある（俯角Φが０°）が、音源Ｄ、Ｅ、Ｆはタンク底部から高さ８５ｍｍの位置にあるので俯角４５°を持っている。
図１８、図１９は、音源Ａに対するセンサ角度θでの検出波形と７０ｋＨｚウェーブレット係数経時変化を示す図である。 図１８、図１９の（ａ）は検出波形を表し、（ｂ）はウェーブレット係数経時変化を表す。図１８はθ＝０°、１０°、２０°での検出波であり、図１９はθ＝３０°、６０°、１２０°での検出波である。図１８、１９から解るとおり、Ｓ／Ｎ比がやや悪いが、θ＝０°や１０°では直接到達波を明確に捉えている。これらの波に対してウェーブレット変換を施し、７０ｋＨｚのウェーブレット係数の経時変化には、直接到達波や反射波が明瞭に観察される。
横型横長タンクの音源位置特定は、縦型円筒タンクに比べればかなり難しくなる。すなわち、センサホルダ２１を、ガソリンスタンド地下タンクの検査時と同じように、水平側壁の上面の１箇所から挿入せざるをえないため、側壁や端面に音源がある場合には伝播距離が異なること、音源と凹形状部２９の法線方向のなす角θが大きくなること、音源位置によっては仰角、俯角を持つためである。
図１７は、模擬横型円筒タンクにおける音源位置とセンサ配置図である。図１７（ａ）は上面図、図１７（ｂ）は前面図、図１７（ｃ）は側面図である。図１７では直径５８０ｍｍ、長さ８８０ｍｍのドラム缶を用いた。センサホルダ２１は、側壁中央の穴５５から垂直に挿入し、コイル状ファイバセンサ２４がタンク高さの中央（２９０ｍｍ）に来るように設置した。そしてθ＝０°から回転させて、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの音源からの水中縦波を検出した。なお、音源Ａ、Ｂ、Ｃはタンク底部から高さ２９０ｍｍの位置にある（俯角Φが０°）が、音源Ｄ、Ｅ、Ｆはタンク底部から高さ８５ｍｍの位置にあるので俯角４５°を持っている。
図１８、図１９は、音源Ａに対するセンサ角度θでの検出波形と７０ｋＨｚウェーブレット係数経時変化を示す図である。 図１８、図１９の（ａ）は検出波形を表し、（ｂ）はウェーブレット係数経時変化を表す。図１８はθ＝０°、１０°、２０°での検出波であり、図１９はθ＝３０°、６０°、１２０°での検出波である。図１８、１９から解るとおり、Ｓ／Ｎ比がやや悪いが、θ＝０°や１０°では直接到達波を明確に捉えている。これらの波に対してウェーブレット変換を施し、７０ｋＨｚのウェーブレット係数の経時変化には、直接到達波や反射波が明瞭に観察される。
図２０は図１７の円筒タンクの側面音源Ａ、Ｂ、Ｃに対する検出直接到来波（水中縦波）の振幅分布を表す図である。なお、各音源とθに対する振幅値は、音源Ａに対するθ＝０°方向の最大ウェーブレット係数で規格化して示した。図２０の右縦軸に示したＡ、Ｂ、Ｃは音源位置である。Ａ音源に対する振幅分布５５はθ＝０°で最大の振幅を示し、極めてよい指向性を示した。Ｂ音源に対する振幅分布５６と、Ｃ音源に対する振幅分布５７に対しては、それぞれ３０°と４５°方向に最大振幅を示すことが期待されたが、最大振幅はそれぞれ２０°（符号５８）と３０°（符号５９）となった。即ち、期待角度より１０°小さな角度になったが、センサホルダ２１の縦側面（高さ１０ｍｍ：図１４（ｂ）参照）での反射を検出した可能性がある。センサホルダ２１の形状の変化（縦側面高さを短くする）や別形状（雨樋型）のセンサホルダを考える必要があるが、おおよその音源位置方向は特定されている。
図２１は図１７の円筒タンクの側面音源Ｄ、Ｅ、Ｆに対する検出直接到来波（水中縦波）の振幅分布を表す図である。なお、各音源とθに対する振幅値は、音源Ｄに対するθ＝０°方向の最大ウェーブレット係数で規格化して示した。俯角を持つため振幅分布は図２０に比べてやや複雑で、音源位置Ｅ、Ｆに対する最大振幅波は、期待される角度よりもやや小さめに検出された。なお、この図における振幅は、音源位置Ｅに対する最大ウェーブレット係数で規格化している。期待角度と最大振幅角には１０°〜５°程度の誤差があるが、音源の方向はほぼ特定できている。すなわち、センサに対して俯角を持っている音源でも位置特定が可能であることを示しているが、ウェーブレット変換（リアルタイムの処理が可能）のような信号処理が必要である。
尚、本実施例では横型横長円筒タンクの側壁の音源位置を、側壁中央上から垂直に挿入したセンサで検出する方法について検討したが、円筒底にある音源の軸方向位置の標定などについては、センサホルダにフレキシブルチューブを用いるなどして、軸方向音源位置標定精度を改善することも可能である。
図２１は図１７の円筒タンクの側面音源Ｄ、Ｅ、Ｆに対する検出直接到来波（水中縦波）の振幅分布を表す図である。なお、各音源とθに対する振幅値は、音源Ｄに対するθ＝０°方向の最大ウェーブレット係数で規格化して示した。俯角を持つため振幅分布は図２０に比べてやや複雑で、音源位置Ｅ、Ｆに対する最大振幅波は、期待される角度よりもやや小さめに検出された。なお、この図における振幅は、音源位置Ｅに対する最大ウェーブレット係数で規格化している。期待角度と最大振幅角には１０°〜５°程度の誤差があるが、音源の方向はほぼ特定できている。すなわち、センサに対して俯角を持っている音源でも位置特定が可能であることを示しているが、ウェーブレット変換（リアルタイムの処理が可能）のような信号処理が必要である。
尚、本実施例では横型横長円筒タンクの側壁の音源位置を、側壁中央上から垂直に挿入したセンサで検出する方法について検討したが、円筒底にある音源の軸方向位置の標定などについては、センサホルダにフレキシブルチューブを用いるなどして、軸方向音源位置標定精度を改善することも可能である。
図２２は指向性センサの他の実施例を示す図である。図２２（ａ）の指向性センサは円筒状のホルダ７０の外周に螺旋状に巻回した外側光ファイバ７１と、ホルダ７０内にコイル状に巻回した内側光ファイバ７２とを備えて構成される。この指向性センサは外側光ファイバ７１により円筒の周回方向と軸方向を同時に検出することが可能となる。また円筒の底部からの音源に対しては内側光ファイバ７２により検出することができる。即ち、この指向性センサを使用することにより、全方位のＡＥを検出することができる。
図２２（ｂ−１）の指向性センサは、球状のホルダ７３の外周全面に光ファイバ７４を巻回したものである。図２２（ｂ−２）の指向性センサは、リング状のホルダ７５の直径方向に光ファイバ７４を巻回したものである。図２２（ｂ−３）の指向性センサは、リング状のホルダ７６の直径方向に交差するように光ファイバ７４を巻回したものである。図２２（ｂ−１）の指向性センサは、全方位のＡＥを検出することができ、図２２（ｂ−２）、図２２（ｂ−３）の指向性センサは、特定の方位を検出することができる。
図２２（ｃ）の指向性センサは、板状のホルダ７７の少なくとも片面にコイル状に巻回したコイル状ファイバセンサ７８を複数個（７８ａ〜７８ｄ）配置し、板状のホルダ７７を回転させる構成を有するものである。この指向性センサは、板状のホルダ７７を回転しながら、音源７９から発生するＡＥをコイル状ファイバセンサ７８のどのセンサが一番強く検出するかにより音源７９との角度を検出して位置を特定するものである。
図２３は本発明の第３の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。この弾性波検出装置２００は、センサ用の光ファイバが複数備えられた場合、図１の弾性波検出装置１に追加して、１×２カプラ８２により分岐された一方の光を複数のセンサ用の光ファイバの何れか一方端に導光するように順次切り換える光切替器（光切替手段）８３と、複数のセンサ用の光ファイバの各他方端から出射する光を一つの光に結合するＮ×１カプラ８８とが追加されている。尚、コイル状センサファイバ９１が被検査対象物２２から発生する液中縦波ＡＥ２６を検出する動作は前述した第１の実施形態と同様であるのでその説明は省略する。尚、図２３ではホルダ９２が中空球体の場合について示されているが、この形状に限定されるものではない。
図２２（ｂ−１）の指向性センサは、球状のホルダ７３の外周全面に光ファイバ７４を巻回したものである。図２２（ｂ−２）の指向性センサは、リング状のホルダ７５の直径方向に光ファイバ７４を巻回したものである。図２２（ｂ−３）の指向性センサは、リング状のホルダ７６の直径方向に交差するように光ファイバ７４を巻回したものである。図２２（ｂ−１）の指向性センサは、全方位のＡＥを検出することができ、図２２（ｂ−２）、図２２（ｂ−３）の指向性センサは、特定の方位を検出することができる。
図２２（ｃ）の指向性センサは、板状のホルダ７７の少なくとも片面にコイル状に巻回したコイル状ファイバセンサ７８を複数個（７８ａ〜７８ｄ）配置し、板状のホルダ７７を回転させる構成を有するものである。この指向性センサは、板状のホルダ７７を回転しながら、音源７９から発生するＡＥをコイル状ファイバセンサ７８のどのセンサが一番強く検出するかにより音源７９との角度を検出して位置を特定するものである。
図２３は本発明の第３の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。この弾性波検出装置２００は、センサ用の光ファイバが複数備えられた場合、図１の弾性波検出装置１に追加して、１×２カプラ８２により分岐された一方の光を複数のセンサ用の光ファイバの何れか一方端に導光するように順次切り換える光切替器（光切替手段）８３と、複数のセンサ用の光ファイバの各他方端から出射する光を一つの光に結合するＮ×１カプラ８８とが追加されている。尚、コイル状センサファイバ９１が被検査対象物２２から発生する液中縦波ＡＥ２６を検出する動作は前述した第１の実施形態と同様であるのでその説明は省略する。尚、図２３ではホルダ９２が中空球体の場合について示されているが、この形状に限定されるものではない。
次に弾性波検出装置２００の概略動作について説明する。光源８１から出射された単一波長の光は、１×２カプラ８２により分岐され一方は光切替器８３に導光され、他方は参照光用光ファイバ８５に導光される。光切替器８３は外部から制御する切り換え信号８９により、順次複数のコイル状センサファイバ９１に光を導光するように切り換えられる。そしてコイル状センサファイバ９１の他端から導光した光は、Ｎ×１カプラ８８により結合されてセンサ用光ファイバ８７に導光されて、参照光用光ファイバ８５の光と結合されて２×２カプラ８６から出力される。このように、コイル状センサファイバ９１を多数配置し、各センサの出力を光切替器８３を用いて空間的、時間的に分割することにより、液中縦波の放出方向を特定することができる。
図２４は本発明の第４の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。この弾性波検出装置３００は、多波長光を出射する光源１１５と、この光源１１５からの光を分岐する第１の分光器１１４と、ホルダ１１６に固定して液中にアレイ状に設置され、第１の分光器１１４により分岐された光を導光する複数のコイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９と、第１の分光器１１４により分岐された光を導光する参照光用光ファイバ１１３と、コイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９の一方端から他方端に向けて導光された光を分岐する第２の分光器１１２と、この第２の分光器１１２により分光された光を光電変換するホトダイオードアレイ１１１と、ホトダイオードアレイ１１１から各波長ごとの干渉信号を検出する信号検出器１１０と、を備えて構成される。
尚、この例ではコイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９にはそれぞれ分光器１１４から波長λ１、λ２、λ３が導光される。
次に弾性波検出装置３００の概略動作について説明する。光源１１５から出射された多波長の光は、分光器１１４により波長ごとに分岐され、波長λ１はコイル状センサファイバ１１７に導光され、波長λ２はコイル状センサファイバ１１８に導光され、波長λ３はコイル状センサファイバ１１９に導光される。各コイル状センサファイバから導光された光は分光器１１２により分光され、ホトダイオードアレイ１１１により波長毎に光電変換される。そして信号検出器１１０は各波長ごとの干渉信号を検出する。このように、コイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９を多数配置し、各センサごとの干渉信号を検出することにより、どの波長によるセンサ用光ファイバがＡＥを検出したかにより、音源の方位角度を判定することができる。
図２４は本発明の第４の実施形態に係る弾性波検出装置の構成図である。この弾性波検出装置３００は、多波長光を出射する光源１１５と、この光源１１５からの光を分岐する第１の分光器１１４と、ホルダ１１６に固定して液中にアレイ状に設置され、第１の分光器１１４により分岐された光を導光する複数のコイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９と、第１の分光器１１４により分岐された光を導光する参照光用光ファイバ１１３と、コイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９の一方端から他方端に向けて導光された光を分岐する第２の分光器１１２と、この第２の分光器１１２により分光された光を光電変換するホトダイオードアレイ１１１と、ホトダイオードアレイ１１１から各波長ごとの干渉信号を検出する信号検出器１１０と、を備えて構成される。
尚、この例ではコイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９にはそれぞれ分光器１１４から波長λ１、λ２、λ３が導光される。
次に弾性波検出装置３００の概略動作について説明する。光源１１５から出射された多波長の光は、分光器１１４により波長ごとに分岐され、波長λ１はコイル状センサファイバ１１７に導光され、波長λ２はコイル状センサファイバ１１８に導光され、波長λ３はコイル状センサファイバ１１９に導光される。各コイル状センサファイバから導光された光は分光器１１２により分光され、ホトダイオードアレイ１１１により波長毎に光電変換される。そして信号検出器１１０は各波長ごとの干渉信号を検出する。このように、コイル状センサファイバ１１７、１１８、１１９を多数配置し、各センサごとの干渉信号を検出することにより、どの波長によるセンサ用光ファイバがＡＥを検出したかにより、音源の方位角度を判定することができる。
以上説明したように、弾性波検出装置１は、環境ノイズ、例えば（〜１Ｈｚ）のノイズをフィードバック部５０により低減しているので、シャープペンシルの芯の圧折のような単発かつ微小振幅の弾性波を高精度で検出することができる。また、例えば長距離の埋没配管における漏洩を検出するのに、本発明の弾性波検出装置１を用いることで、より高精度で漏洩を検出することができる。
また弾性波検出装置１００は、液体を貯蔵する被検査対象物２２の液中に設置した指向性センサ２８と、参照光用の光ファイバ５を備え、各光ファイバに単一光を導光し、参照光用の光ファイバ５に外来ノイズを相殺するように外部から伸縮させ、その参照光用の光ファイバ５とセンサ用光ファイバを結合することにより干渉光を生成し、その干渉光から弾性波を検出するようにしたことにより、外来ノイズを低減すると共に、可燃性の液体を貯蔵した被検査対象物２２に発生する弾性波を安全に且つ精度よく検出することができる。
また、参照光用光ファイバ５やセンサ用光ファイバ６に石英光ファイバを用いて測定を行うことで、ＰＶＣコーティングでは３００℃以上、ベアファイバを用いれば１０００℃程度での測定を行うことができ、例えば圧電素子の測定限界温度、例えば圧電素子のキュリー温度よりも高い温度で、測定することができる。
また、フィードバック部５０を設けたことにより環境ノイズを低減できるので、従来、環境ノイズが大きく測定が困難であった被検査対象物２０のＡＥを測定することができる。
また弾性波検出装置１００は、液体を貯蔵する被検査対象物２２の液中に設置した指向性センサ２８と、参照光用の光ファイバ５を備え、各光ファイバに単一光を導光し、参照光用の光ファイバ５に外来ノイズを相殺するように外部から伸縮させ、その参照光用の光ファイバ５とセンサ用光ファイバを結合することにより干渉光を生成し、その干渉光から弾性波を検出するようにしたことにより、外来ノイズを低減すると共に、可燃性の液体を貯蔵した被検査対象物２２に発生する弾性波を安全に且つ精度よく検出することができる。
また、参照光用光ファイバ５やセンサ用光ファイバ６に石英光ファイバを用いて測定を行うことで、ＰＶＣコーティングでは３００℃以上、ベアファイバを用いれば１０００℃程度での測定を行うことができ、例えば圧電素子の測定限界温度、例えば圧電素子のキュリー温度よりも高い温度で、測定することができる。
また、フィードバック部５０を設けたことにより環境ノイズを低減できるので、従来、環境ノイズが大きく測定が困難であった被検査対象物２０のＡＥを測定することができる。
また、面内成分の変位を計測することができ、ラム波の検出などに有効である。
なお、本発明は以上説明した実施形態に限られるものではなく、任意好適な改変が可能である。例えば、第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６により導光されたレーザ光を重ね合わせ、干渉光を分岐して第１および第２の光を生成したが、この形態に限られるものではない。
また第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６により導光されたレーザ光を重ね合わせて干渉光を出力し、１個の光検出器によりその干渉光の光の強度を検出してもよい。
またフィードバック部５０は、その光検出器が検出した信号を基に、参照光用光ファイバ５を伸縮させてノイズ成分を除去することで、より簡単な構成でノイズ成分を低減することができる。
また、アクチュエータ５１を参照光用光ファイバ５に設けたが、この形態に限られるものではない。アクチュエータ５１をセンサ用光ファイバ６に設けてもよい。
このように本発明は、例えば、大型貯蔵タンク、長距離埋設配管、ビルや高速道路などのコンクリート建造物等のＡＥと弾性波を測定する測定装置に適用することができる。
なお、本発明は以上説明した実施形態に限られるものではなく、任意好適な改変が可能である。例えば、第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６により導光されたレーザ光を重ね合わせ、干渉光を分岐して第１および第２の光を生成したが、この形態に限られるものではない。
また第２カプラ７は、参照光用光ファイバ５およびセンサ用光ファイバ６により導光されたレーザ光を重ね合わせて干渉光を出力し、１個の光検出器によりその干渉光の光の強度を検出してもよい。
またフィードバック部５０は、その光検出器が検出した信号を基に、参照光用光ファイバ５を伸縮させてノイズ成分を除去することで、より簡単な構成でノイズ成分を低減することができる。
また、アクチュエータ５１を参照光用光ファイバ５に設けたが、この形態に限られるものではない。アクチュエータ５１をセンサ用光ファイバ６に設けてもよい。
このように本発明は、例えば、大型貯蔵タンク、長距離埋設配管、ビルや高速道路などのコンクリート建造物等のＡＥと弾性波を測定する測定装置に適用することができる。
１…弾性波検出装置、２…光源、３…光アイソレータ、４…第１カプラ、５…参照光用光ファイバ、６…センサ用光ファイバ、７…第２カプラ、８…第１光検出器、９…第２光検出器、１０…差分回路、１１…フィルタ、１２…処理装置、１３…アンプ、１４…フィルタ、１５…積分器、１６…アクチュエータドライバ、２１…センサホルダ、２２…被検査対象物、２４…コイル状センサファイバ、２６…液中縦波ＡＥ、２７…モータ、５１…アクチュエータ
Claims (14)
- 単一波長光を出射する光源と、該光源からの出射光を分岐するスプリッタと、被検査対象物に配設され前記スプリッタにより分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバと、前記スプリッタにより分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバと、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、該結合手段により重ね合わされた光の強度を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された検出信号に基づいて前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段と、前記光検出手段の検出信号からノイズ成分を抽出するノイズ抽出手段と、該ノイズ抽出手段が抽出した検出信号に含まれるノイズ成分を除去するように前記参照光用の光ファイバの伸縮量を制御する伸縮制御手段と、を備え、前記伸縮制御手段は、前記参照光用の光ファイバに備えられ、前記ノイズ成分を除去するように当該光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる伸縮手段を備えたことを特徴とする弾性波検出装置。
- 単一波長光を出射する光源と、該光源からの出射光を分岐するスプリッタと、液体を収容する被検査対象物の液中に設置され前記スプリッタにより分岐された一方の光を導光するセンサ用光ファイバと、前記スプリッタにより分岐された他方の光を導光する参照光用光ファイバと、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせる結合手段と、該結合手段により重ね合わされた光の強度を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出された検出信号に基づいて前記被検査対象物に発生する弾性波を検出する処理手段と、前記光検出手段の検出信号からノイズ成分を抽出するノイズ抽出手段と、該ノイズ抽出手段が抽出した検出信号に含まれるノイズ成分を除去するように前記参照光用の光ファイバの伸縮量を制御する伸縮制御手段と、を備え、前記伸縮制御手段は、前記参照光用の光ファイバに備えられ、前記ノイズ成分を除去するように当該光ファイバの軸方向に沿った方向に当該光ファイバを伸縮させる伸縮手段を備え、前記センサ用の光ファイバの少なくとも一部を、外周面に軸方向に長い凹形状部を有した中空筒状のホルダの前記凹形状部内に収容し、前記ホルダを該ホルダの軸心を中心として回転させる回転手段を備えたことを特徴とする弾性波検出装置。
- 前記伸縮手段は圧電アクチュエータにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波検出装置。
- 前記結合手段は、前記センサ用および参照光用の各光ファイバの一方端から他方端に向けて導光された光を重ね合わせて干渉光を生成し、当該干渉光を分岐して第１の光、および当該第１の光の位相が反転した第２の光を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波検出装置。
- 前記ノイズ抽出手段は、前記光検出手段により検出された前記第１および第２の光検出信号の差分信号に基づいて、前記参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出することを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波検出装置。
- 前記処理手段は、前記第１および第２の光検出器により検出された信号の差分信号に基づいて時間と周波数の情報を抽出し、当該情報から前記被検査対象物に発生する弾性波を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波検出装置。
- 前記ノイズ抽出手段は、前記光検出手段により検出された検出信号に基づいて所定周波数よりも低い周波数成分を抽出するフィルタと、該フィルタが抽出した信号に積分処理を施して前記参照光用の光ファイバのノイズ成分を抽出する積分回路と、を備えたことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の弾性波検出装置。
- 前記スプリッタから前記光源に向けた光を除去するアイソレータを備え、当該アイソレータを前記光源と前記スプリッタとの間に配置したことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の弾性波検出装置。
- 前記凹形状部に収容したセンサ用の光ファイバの少なくとも一部をコイル状に巻回したことを特徴とする請求項２に記載の弾性波検出装置。
- 前記ホルダの中空内部を真空にしたことを特徴とする請求項２に記載の弾性波検出装置。
- 前記センサ用の光ファイバは、前記ホルダの外周に螺旋状に巻回した外側光ファイバと、前記ホルダ内にコイル状に巻回した内側光ファイバと、を備えたことを特徴とする請求項２に記載の弾性波検出装置。
- 前記センサ用の光ファイバを、球状のホルダの外周に巻回したことを特徴とする請求項２に記載の弾性波検出装置。
- 前記センサ用の光ファイバをコイル状に巻回したコイル状光ファイバセンサとし、複数の該コイル状光ファイバセンサを板状のホルダの少なくとも片面に複数個配置し、前記板状のホルダを回転させる構成としたことを特徴とする請求項２に記載の弾性波検出装置。
- 前記センサ用の光ファイバが複数備えられた場合、前記スプリッタにより分岐された一方の光を前記複数のセンサ用の光ファイバの何れか一方端に導光するように順次切り換える光切替手段と、前記複数のセンサ用の光ファイバの各他方端から出射する光を一つの光に結合するカプラと、を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の弾性波検出装置。
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