JP5904339B2 - 液体検知方法および液体検知装置 - Google Patents

Description

この発明は、超音波を用いて液体の有無を判断する液体検知方法および液体検知装置に関するものであり、特に超音波を試験体中に伝搬させ、伝搬後の超音波の振幅から試験体に接触している物質が液体か気体かを検知する液体検知方法および液体検知装置に関するものである。

近年、道路橋等の構造物の老朽化が問題となっており、適切な維持管理が要求されている。道路橋に用いられている鋼床版は、板状のデッキプレートとその下に設けられたＵリブとから構成されている。このとき、デッキプレートに亀裂が発生し、当該亀裂がデッキプレートを貫通すると、路面が陥没する可能性があるため、貫通亀裂を発見する技術が望まれている。

貫通亀裂が発生した場合には、当該貫通亀裂から雨水が浸入し、デッキプレートの下方に設けられているＵリブ内に水が溜まるので、当該Ｕリブ内の水の有無が分かれば、貫通亀裂の発生を検知することができる。従って、Ｕリブ内の水の有無を検知する方法が必要である。

密閉された容器内にある液体を検知する従来の方法としては、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されている液体検知方法がある。特許文献１，２に記載の方法は、容器内の液体の有無を検知するためのもので、これらの方法においては、容器の壁に向けて一定の角度で超音波を入射し、入射された超音波の伝播波または反射波を容器壁面から検出し、この検出された超音波の強度から容器内の液体の有無を検知する。

特開昭５８−２１６９１８号公報 特開昭５８−２２３７１４号公報

しかしながら、特許文献１，２のいずれの方法も、容器内の液体の有無を検知するためのもので、道路橋を構成する鋼床版のＵリブ内の液体の有無を検知することについては意図されていない。特許文献１，２に記載されている方法においては、対象となっている容器が単一の材料から構成されたものであり、そのような容器内の液体の有無しか、検知することはできない。

しかしながら、一般的に、Ｕリブには塗装が施してあり、詳細については後述するが、特許文献１，２に記載の方法のように単に超音波を伝搬させて透過波の強度を検知するだけでは、塗装の状態によっては、検知結果が大幅に異なってしまうため、Ｕリブ内に水があるのか空気があるのか、識別が困難な場合がある。特許文献１，２で示されている液体検知方法では、容器の外側に塗装が施されているような状況は想定していないため、従って、Ｕリブ内の水の有無を正確に検知することは出来ないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、Ｕリブの塗装の状態にかかわらず、Ｕリブ内の水の有無を検出することが可能な、液体検知方法および液体検知装置を得ることを目的としている。

この発明は、送信用探触子を用いて試験体内に超音波を伝搬させ、受信用探触子で前記試験体内を伝搬した透過波を受信し、前記透過波の振幅から前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する液体検知方法であって、前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、前記試験体の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係を満足するように、前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数を、前記試験体の厚さに応じて変化させる液体検知方法である。

この発明は、送信用探触子を用いて試験体内に超音波を伝搬させ、受信用探触子で前記試験体内を伝搬した透過波を受信し、前記透過波の振幅から前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する液体検知方法であって、前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、前記試験体の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係を満足するように、前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数を、前記試験体の厚さに応じて変化させる液体検知方法であるので、道路を構成する鋼床版に塗装が有る場合でも、鋼床版の下の水の有無を検出可能であるという効果が得られる。

鋼床版に貫通亀裂が発生した状態を説明するための部分斜視図である。 特許文献１，２に記載の方法をこの発明の液体検知に適用した場合の概略想定図である。 単に透過波を伝搬させた場合のＵリブ内の水検知が困難であることを説明する断面図である。 単に透過波を伝搬させた場合のＵリブ内の水検知が困難であることを説明する説明図である。 単に透過波を伝搬させた場合のＵリブ内の水検知が困難であることを説明する説明図である。 塗装の厚さに対する透過波の振幅変化を模擬的に示した図である。 塗装の厚さに対する透過波の振幅変化を模擬的に示した図である。 透過波の周波数を１ＭＨｚとした場合のシミュレーション結果を示した図である。 透過波の周波数に対する振幅を示した図である。 塗装の厚さに対する透過波の振幅を示した図である。 塗装の厚さに対する透過波の振幅を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る液体検知装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態２に係る液体検知装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態２に係る液体検知装置による実験結果を示した図である。

上述したように、道路橋等の構造物の老朽化を検査するために、道路橋を構成する鋼床版のデッキプレートに貫通亀裂が発生したか否かを検知する技術が望まれている。図１は、鋼床版のデッキプレートに貫通亀裂が発生した状態を説明するための図である。図１に示すように、板状のデッキプレート３の下に、断面形状がＵ字型のＵリブ１が設けられている。なお、実際には、デッキプレート３上にアスファルトの舗装が施されているが、ここでは省略して説明する。このとき、図１に示すように、デッキプレート３に貫通亀裂４が発生すると、貫通亀裂４から雨水が浸入し、デッキプレート３を下方から支えているＵリブ１内に水２が溜まる。従って、Ｕリブ１内の水の有無が分かれば、貫通亀裂４の発生の有無を検出することができる。

上述の特許文献１および２に記載の従来の検知方法を、Ｕリブ１内の水検知に適用した場合を想定すると、図２のようになる。図２は、特許文献１，２で示されている方法を、Ｕリブ１内の水検知に適用した場合の概要想定図であり、Ｕリブ１を横から示した側面図である。図２は、Ｕリブ１内に水がない場合の図である。図２に示すように、送信用探触子５および受信用探触子６をＵリブ１に設置し、送信用探触子５から超音波１４を発生させてＵリブ１の壁面内を伝搬させ、それを受信用探触子６で受信する。

しかしながら、このようにして、特許文献１、２の方法を用いて、単に、超音波を伝搬させるだけでは、Ｕリブ１内の水検知は困難である。その理由をシミュレーション結果に基づいて図３〜図５を参照しながら説明する。

図３は、シミュレーション条件を示した図である。図３に示すように、Ｕリブ１は、その壁面を構成する鋼板７の外側に、塗装８が施されて、形成されている。このとき、送信用探触子５および受信用探触子６を塗装８を介して鋼板７に設置し、送信用探触子５と受信用探触子６とのそれぞれの対向面間の距離を２６０ｍｍとし、かつ、鋼板７の厚さを８ｍｍ（固定値）として、塗装８の厚さを変化させて、シミュレーションを行った。

また、図３（ａ）では、Ｕリブ１内は空気とし、図３（ｂ）では、Ｕリブ１内は水２があるものとし、２つのシミュレーション結果を比較することとした。このとき、図３（ａ），（ｂ）の送信用探触子５から１ＭＨｚの超音波を発生させ、当該超音波をＵリブ１を構成している鋼板７中に伝搬させ、伝搬後の透過波を受信用探触子６で受信して求めるというシミュレーションを行った。図４に、塗装の厚さを０μｍ（すなわち、塗装なし）とし、Ｕリブ１内が空気の場合の透過波と水の場合の透過波のシミュレーション結果を示す。図４において、横軸は時間、縦軸は透過波の振幅である。具体的には、図４（ａ）が、図３（ａ）に示すＵリブ１内が空気の場合の透過波で、図４（ｂ）が、図３（ｂ）に示すＵリブ１内が水の場合の透過波である。図４（ａ），（ｂ）を比較すれば分かるように、Ｕリブ１内に水がある方が、透過波の振幅は大きくなっている。なお、透過波の振幅差が図４に示す程度（すなわち、１００［ａ．ｕ．］程度）であれば、振幅差に基づいて、水の有無を検知することは可能である。

一方、塗装８の厚さを５００μｍとして同様のシミュレーションを行ない、透過波を求めた場合の結果を図５に示す。図５においても、図４と同様に、横軸が時間、縦軸が透過波の振幅である。この場合は、図５に示すように、図４とは逆に、Ｕリブ１内に水がある方が若干振幅は小さくなっているが、その振幅差は僅か（７［ａ．ｕ．］程度）である。したがって、塗装８の厚さが５００μｍの場合、透過波の振幅から水の有無を検知することは困難である。

図４および図５に示したシミュレーション結果を整理すると、透過波の振幅は、
・塗装がない場合： Ｕリブ１内が空気 ＜ Ｕリブ１内が水
・塗装が５００μｍの場合： Ｕリブ１内が空気 ≒ Ｕリブ１内が水
という結果となり、塗装８の状態によっては、Ｕリブ１内に水があるのか空気があるのか、識別困難である。上述したように、特許文献１や特許文献２で示されている液体検知方法は、このような状況は想定していないため、それらの方法では、Ｕリブ１内の水の有無を常に正確に検知することはできない。

また、図５のシミュレーション結果に示されるように、Ｕリブ１の壁面を構成する鋼板７内に超音波を伝搬させて、透過波の振幅を比較するだけでは、振幅差が僅かで、水検知が困難な場合がある。この発明では、塗装の有無および厚さにかかわらず適用可能な液体検知方法および装置を説明する。以下に、この発明の実施の形態について説明する。

実施の形態１．
透過波の振幅に基づいて水の有無を検知する方法では、透過波の振幅に対する閾値を設ける必要がある。すなわち、透過波の振幅が閾値を越えた場合には、Ｕリブ１内に「水なし」と判定し、閾値未満の場合には、Ｕリブ１内に「水あり」と判定する。また、この逆も考えられ、閾値を越えた場合には、Ｕリブ１内に「水あり」と判定し、閾値未満の場合には、Ｕリブ１内に「水なし」と判定する方法もある。どちらにしても、閾値が必要である。さらに塗装の状態が変化しても、この結果が変わらないという条件が必要となる。これらを考慮すると、透過波の振幅は以下の２つの条件を満足する必要がある。
条件１：Ｕリブ１内に水が有る場合と水が無い場合の透過波の振幅の差が十分大きい（すなわち、振幅の差が所定の値より大きい）。
条件２：Ｕリブ１の塗装８の状態が変化しても、Ｕリブ１内に水が有る場合の透過波の振幅の値が常に閾値を越えない（あるいは、常に閾値を下回らない）、かつ、水が無い場合の透過波の振幅の値が常に閾値を下回らない（あるいは、常に閾値を越えない）。すなわち、一方が常に閾値を越えず、他方が常に閾値を下回らず、それぞれの透過波の振幅は、当該閾値を上下するような変化をしない。

上記の条件２に関して、図６および図７を参照しながら詳細に説明する。図６および図７は、塗装の厚さに対する透過波の振幅変化を模擬的に示した図である。これらの図において、横軸が塗装８の厚さ、縦軸が透過波の振幅である。図６および図７では、図３（ａ）のようにＵリブ１内が空気の場合を実線のグラフで示し、図３（ｂ）のようにＵリブ内１に水がある場合を破線のグラフで示している。図６は、塗装８がないときに（すなわち、塗装８の厚さが０のときに）、Ｕリブ１内が空気の方が水の場合よりも透過波の振幅が大きい場合を示している。一方、図７は、塗装８がないときに（すなわち、塗装８の厚さが０のときに）、Ｕリブ１内が水の方が空気の場合よりも透過波の振幅が大きい場合を示している。これらの図に示すように、塗装８が厚くなるにつれて振幅がそれぞれ変化しても、一方の透過波の振幅が、予め設定された閾値を越えず、かつ、他方の透過波の振幅が閾値を下回らなければ、Ｕリブ１内の水の有無を検知することは可能である。このような状態を、ここでは条件２とした。すなわち、図６では、Ｕリブ１内が空気の場合、透過波の振幅の値は、常に閾値より大きく、塗装８が厚くなるにつれて振幅が変化しても、閾値を下回ることはない。一方、図６においてＵリブ１内が水の場合、透過波の振幅の値は、常に閾値より小さく、塗装８が厚くなるにつれて振幅が変化しても、閾値を超えることはない。図７はその逆である。

図４および図５に示したシミュレーション結果では、図４に塗装がない場合、図５に塗装８の厚さが５００μｍの場合についてそれぞれ示した。そこで、図８に、塗装８の厚さを変えて同様のシミュレーションを行った結果を示す。すなわち、図４および図５の場合と同様に、送信用探触子５から１ＭＨｚの超音波を発生させ、当該超音波をＵリブ１を構成している鋼板７中に伝搬させ、伝搬後の透過波を受信用探触子６で受信して求めた。図８において、横軸は塗装８の厚さ、縦軸は透過波の振幅である。図８に示すように、塗装８がない場合（すなわち、塗装８の厚さが０のとき）には、Ｕリブ１内が水の場合と空気の場合とで透過波の振幅差が大きいが、塗装８が１００μｍ以上の領域では両者の差異は僅かである。すなわち、塗装８がない場合だけ、上記の条件１を満足するが、図８のように閾値を設けても、上記の条件２を満足しない。したがって、透過波の周波数を１ＭＨｚとした場合のシミュレーションでは、水検知は困難である。

このように透過波の周波数を１ＭＨｚとした場合には、上述の通り、水検知は困難であるが、他の周波数では可能性があると考え、周波数を変化させて、同様のシミュレーションを行い、透過波の振幅を求めた。当該シミュレーションの結果得られた、周波数に対する透過波の振幅の変化を図９に示す。図９において、横軸は周波数、縦軸は相対振幅である。図９では、塗装がない場合の特性を示している。図９に示すように、０．１５ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの帯域（符号１５）、および、０．８５ＭＨｚ〜１ＭＨｚの帯域（符号１６）で、Ｕリブ１内が水の場合と空気の場合の振幅差が大きいので、塗装８がない場合には、この周波数帯域で条件１を満足する。しかしながら、１ＭＨｚでは、図８に示したように、条件２を満足しないので、０．８５ＭＨｚ〜１ＭＨｚの周波数帯域（符号１６）では水の有無を検知することは困難と考えられる。

従って、以下では、０．１５ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの周波数帯域（符号１５）で、条件２を満足するかどうか、シミュレーションにより確認した。塗装８の厚さを変えて透過波の振幅を求めた結果を、図１０および図１１に示す。これらの図において、横軸が塗装の厚さ、縦軸は透過波の振幅である。また、図１０は、透過波の周波数が０．２ＭＨｚのときの特性であり、図１１は透過波の周波数が０．５ＭＨｚのときの特性である。これらの図から分かるように、透過波の振幅は、塗装の状態が変化しても閾値を越えず、かつ、閾値を下回らないので、条件２も満足する。したがって、０．１５ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの周波数帯域（図９の符号１５）では、条件１および条件２を同時に満足するので、水の有無を検知することが可能である。

以上説明したように、０．１５ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの周波数帯域なら、条件１および条件２を同時に満足するので、水の有無を検知することが可能である。一方、透過波の特性は、透過波の周波数と鋼板７の板厚との積で表すことができる。ここで示したシミュレーションでは、全て鋼板７の板厚を８ｍｍとしているので、周波数ｆ［ＭＨｚ］と板厚ｔ［ｍｍ］との積を用いて、０．１５ＭＨｚ〜０．７ＭＨｚの周波数帯域を表すと、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６となる。この範囲でなら、Ｕリブ１内の水の有無を検知することが可能である。言い換えれば、板厚ｔ［ｍｍ］により、透過波の周波数を変化させて水検知を行うということになる。

上記説明した検知方法を実現するためのこの発明の本実施の形態１に係る液体検知装置を、図１２に示す。図１２に示すように、この発明の実施の形態１に係る液体検知装置は、後述する送受信器１０からの電気信号（以下、励振信号とする。）によって駆動されて、超音波を試験体である鋼板７中に伝搬させる送信用探触子５と、鋼板７中を伝搬した超音波（透過波）を受信して電気信号に変換して出力する受信用探触子６と、送信用探触子５を駆動させるとともに受信用探触子６から出力された電気信号の処理を行う送受信器１０とを備えている。

送受信器１０は、送信用探触子５を駆動するための励振信号を出力する送信部１１、受信用探触子６からの電気信号を受信する受信部１２、および、受信部１２を介して受信した受信用探触子６からの電気信号を処理する信号処理部１３を有する。図１２に示すように、送信部１１および受信部１２は、信号処理部１３に接続されている。また、送信部１１は送信用探触子５に接続されており、受信部１２は受信用探触子６に接続されている。信号処理部１３は、受信部１２で受信した受信信号の振幅を求め、それに基づいて、鋼板７が接している物質が液体（水）であるか気体（空気）であるかを判別する。

なお、送信部１１は、鋼板７の厚さｔ［ｍｍ］に応じて、送信用探触子５を駆動するための励振信号の周波数を調整する周波数調整部（図示せず）を有する。当該周波数調整部により、送信部１１は、鋼板７中を伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、鋼板７の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係を満足するように、鋼板７の厚さｔ［ｍｍ］に応じて、送信用探触子５を駆動する励振信号の周波数（周波数スペクトル）を調整する。

また、受信部１２は、周波数帯域が可変な受信フィルタ（図示せず）を有し、当該受信フィルタを用いて、鋼板７の厚さｔ［ｍｍ］に応じて、受信用探触子６からの電気信号の周波数を調整する。受信部１２は、当該受信フィルタにより、鋼板７中を伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、鋼板７の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係を満足するように、鋼板７の厚さｔ［ｍｍ］に応じて、受信用探触子６からの電気信号に対し受信フィルタを掛けて、当該電気信号の周波数（周波数スペクトル）を調整する。

次に、液体検知装置の動作について説明する。まず、送信部１１が、鋼板７の厚さｔ［ｍｍ］に応じて、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係を満足する周波数ｆの超音波を、送信用探触子５に生成させるための励振信号を発生し、送信部１１から送信用探触子５にそれが送信される。なお、鋼板７の厚さｔ［ｍｍ］が不明な場合は、別途測定する必要がある。

送信用探触子５は、当該励振信号に基づいて、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係を満足する周波数ｆの超音波を発生させ、鋼板７中に伝搬させる。鋼板７中を伝搬した超音波（透過波）は、受信用探触子６で受信され、そこで、電気信号に変換され、受信部１２に送信される。受信部１２では、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係が満足するように、当該電気信号を受信フィルタに掛ける。信号処理部１３では、受信部１２からの信号に基づいて透過波の振幅を求め、予め設定していた閾値と比較し、当該比較結果に基づいて、鋼板７が接している物質が液体（水）であるか気体（空気）であるかを判別する（すなわち、水の有無を検知する）。図１０および図１１の例で説明すると、透過波の振幅が予め設定した閾値より大きければ、鋼板７が接している物質は空気（気体）であり、逆に、透過波の振幅が予め設定した閾値より小さければ、鋼板７が接している物質は水（液体）である。この逆の場合もあり得るので、閾値の値、および、閾値による判定条件については、適宜、予め設定しておく。このように、送信部１１および受信部１２に周波数可変機能を持たせることにより、鋼板７の厚さｔ［ｍｍ］が変化しても、水検知が可能という効果が得られる。

なお、送受信器１０に、鋼板７の厚さｔを測定するための測定部（図示せず）を別途設けも構わない。あるいは、別体の測定装置（図示せず）により、鋼板７の厚さの測定を行ってもよい。
また、鋼板７の厚さｔの送受信器１０への入力は、鋼板７の厚さｔが既知の場合および鋼板７の厚さｔを測定装置で行った場合のいずれにおいても、オペレータが行ってもよいが、その場合に限らず、鋼板７の厚さｔを測定装置で行った場合には、測定装置から自動的に送受信器１０に入力される構成にしておいてもよい。
また、送受信器１０に設けられた測定部による測定またはオペレータや測定装置による外部からの入力により鋼板７の厚さｔを送受信器１０が取得したときに、鋼板７の厚さｔに基づいて、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という条件を満足するように、送信部１１及び受信部１２が周波数の自動調整を行うように、送信部１１及び受信部１２を制御する制御部（図示せず）を送受信器１０に設けても構わない。

なお、上記の説明においては、送信部１１および受信部１２の両方で周波数帯域の調整を行う例について説明したが、その場合に限らず、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係が満足されるのであれば、送信部だけ、あるいは、受信部だけの周波数の調整で構わない。

以上のように、本実施の形態１においては、送信部１１、受信部１２の少なくとも一方の周波数帯域を鋼板の７の厚さを考慮して調整し、信号処理部１３が受信部１２からの信号に基づいて透過波の振幅を求め、予め設定していた閾値と比較し、当該比較結果に基づいて鋼板７に接している物質が液体（水）であるか気体（空気）であるかを判別するようにしたので、液体（水）の有無を検知できる効果が得られる。

また、本実施の形態１においては、送信部１１、受信部１２を鋼板７の上方に設置して測定し、鋼板７の下方に接している物質が液体（水）であるか気体（空気）であるかを判別するようにしたので、液体（水）が満たされた状態であるか否かを検知できる効果がある。

実施の形態２．
Ｕリブ１内に水２がある場合には、透過波１４の振幅が小さくなるだけではなく、複数個の透過波１４が受信される。この現象を利用して、水検知を行うことも可能である。実施の形態２では、水２があると透過波１４が複数個受信されることを説明し、さらに透過波１４の受信時間間隔から液面までの距離を求めることができることを示す。

この発明の本実施の形態２に係る液体検知装置を、図１３に示す。図中、２０は、Ｕリブ１内に溜まった水２の液面である。他の構成については、図１２と同様であるため、同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。

図１３には、受信される透過波１４の伝搬経路（経路１、経路２）を示している。図１３を参照しながら、透過波１４が複数個受信される理由を説明する。実施の形態１と同様の動作で、鋼板７中に透過波１４（超音波）が伝搬する。鋼板７中をそのまま伝搬して受信される経路を、「経路１」とする。一方、水２がある場合には、水中にエネルギーが漏洩し、液面２０で透過波１４が反射され、鋼板７方向へ戻り、再び鋼板７中を伝搬して受信される。この経路を「経路２」とする。図１３では経路２を１個しか示していないが、鋼板７と液面２０との間で多重反射が生じるので、水２がある場合には透過波は複数個受信される。

実際に透過波１４が複数個受信される様子を、実験で確認した。実験で用いた鋼板７の厚さｔは６ｍｍであり、送信用探触子５と受信用探触子６との間の距離Ｌ（以下、探触子間距離Ｌとする）は３９０ｍｍとした。送信用探触子５および受信用探触子６は、共に、０．３ＭＨｚで広帯域の探触子を用いた。また、１．２≦ｆ×ｔ≦５．６という関係を満足するように、受信部１２の周波数を調整した。図１４に、実験で得られた透過波１４を示す。水深ｄは２１ｍｍとした。図１４において、点線が水２がない場合の透過波１４であり、実線が水２がある場合の透過波である。図１４に示すように、水２を入れると透過波１４の振幅が大きく異なるだけでなく、透過波１４が複数個受信される。したがって、透過波１４が複数個受信されることで水２の有無を検知可能であることが実験で証明された。

本実施の形態２に係る液体検知装置としての構成は、実施の形態１と殆ど同じであるが、信号処理部１３の機能が異なるので、ここで説明する。信号処理部１３は、受信部１２から送られてきた透過波１４の電気信号に基づいて、一定の閾値を超えた透過波１４の数をカウントするとともに、閾値を超えた透過波１４が複数個受信された場合、水２がＵリブ１内にあると判定する。これらの動作により、信号処理部１３で水２の有無を判定することが可能である。

以上説明したように、複数の透過波１４が受信された場合に、Ｕリブ１内に水２があると判別することが可能である。この方法であれば、送信用探触子５および受信用探触子６と、鋼板７との接触状態が不安定な場合でも水検知が可能である。すなわち、透過波１４の振幅で判別するのではなく、透過波１４の数で判別するので、装置の感度校正が不要となるという効果もある。

これまでは、水２の有無を検知するということを述べたが、透過波１４が複数個受信されることを利用すれば、液面２０までの距離を求めることも可能である。この理由を以下に説明する。

図１３には、鋼板７から液面２０までの距離をｄ、探触子間距離をＬとして示している。また、鋼板７から水２中に放射する波の角度をθ、鋼板７において超音波が伝搬しない距離をＷとして示している。

図１３に示す経路１を伝搬して受信された透過波１４の受信時間をＴ１とすると、Ｔ１は以下の式（１）で示される。

ここで、Ｖｇは鋼板７を伝搬する透過波（超音波）１４の群速度である。また、経路２を伝搬して受信された透過波１４の受信時間をＴ２とすると、Ｔ２は以下の式（２）で示される。

ここで、Ｖｗは水中の音速である。また、スネルの法則から次式（３）が成り立つ。

ここで、Ｖｐは、鋼板７を伝搬する透過波（超音波）１４の位相速度である。したがって、Ｔ１とＴ２との受信時間差をＴｗとすると、Ｔｗは次式（４）となる。

一方、幾何学的関係から、次式（５）が成り立つ。

式（５）を式（４）に代入すると、次式（６）を得る。

したがって、鋼板７から液面２０までの距離ｄは、次式（７）から求めることができる。

図１４に示した透過波１４の受信時間間隔Ｔｗは、２６．８μｓであった。また、実験条件から、位相速度Ｖｐ＝２６９０ｍ／ｓ，群速度Ｖｇ＝３２４９ｍ／ｓである。水の音速Ｖｗを１４８０ｍ／ｓとし、これらの数値を式（７）に代入すると、ｄ＝２２．１ｍｍであった。一方、鋼板７から液面２０までの距離を定規で測定したところ、約２１ｍｍであったことから、ここで示した方法が有効であることが確認できた。

本実施の形態２に係る液体検知装置の信号処理部１３の構成は、上記の計算式を用いて鋼板７から液面２０までの距離ｄを求める機能も有するものとする。すなわち、本実施の形態１３は、上記の動作に加えて、さらに、複数個受信された透過波１４の受信時間間隔Ｔｗを求め、位相速度Ｖｐ、群速度Ｖｇ、水の音速Ｖｗから、式（７）を用いて、鋼板７から液面２０までの距離ｄを求める。

以上のように、本実施の形態２においては、上記の実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、さらに、本実施の形態２においては、透過波１４の振幅ではなく、透過波１４の個数で水２の有無を判定するようにしたので、送信用探触子５および受信用探触子６と、鋼板７との接触状態が不安定な場合でも水検知が可能であるという効果が得られる。

さらに、本実施の形態２では、信号処理部１３が、水２の複数個受信された透過波１４の受信時間間隔Ｔｗを求め、位相速度Ｖｐ、群速度Ｖｇ、水の音速Ｖｗから、式（７）を用いて、鋼板７から液面２０までの距離ｄを求めることができるため、どのくらいの量の水２がＵリブ１内に溜まっているのかを検知することができるという効果が得られる。

なお、本実施の形態２では、受信された複数個の透過波１４のうちの最初の透過波１４の受信時間Ｔ１と２番目に受信された透過波１４との受信時間間隔を求め、液面２０までの距離を求める例について説明したが、図１４のグラフから分かるように、複数の透過波１４の受信時間間隔は、２番目以降もほぼ同じ間隔となっている。従って、最初の透過波１４の受信時間Ｔ１と２番目に受信された透過波１４との受信時間間隔に限定されず、複数の透過波１４のうちの連続する２つの透過波の受信時間間隔であればいずれのものでもよいものとする（２番目と３番目の受信時間間隔や、３番目と４番目の受信時間間隔など）。あるいは、各受信時間間隔の平均値を求め、当該平均値から液面２０までの距離を求めるようにしてもよい。

なお、図１３には、塗装８がない場合が図示されているが、塗装８が有る場合にも本実施の形態２は適用可能であることは言うまでもない。

１ Ｕリブ、２ 水、３ デッキプレート、４ 貫通亀裂、５ 送信用探触子、６ 受信用探触子、７ 鋼板、８ 塗装、１０ 送受信器、１１ 送信部、１２ 受信部、１３ 信号処理部、２０ 液面。

Claims (15)

1. 送信用探触子を用いて試験体内に超音波を伝搬させ、受信用探触子で前記試験体内を伝搬した透過波を受信し、前記透過波の振幅から前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する液体検知方法であって、
   前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、前記試験体の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、
   １．２≦ｆ×ｔ≦５．６
   という関係を満足するように、前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数を、前記試験体の厚さに応じて変化させる
   液体検知方法。
2. 受信された前記透過波が複数個ある場合に、前記試験体が接している物質が液体であると判別する
   請求項１に記載の液体検知方法。
3. 送信用探触子を用いて試験体内に超音波を伝搬させ、受信用探触子で前記試験体内を伝搬した透過波を受信し、前記透過波の振幅から前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する液体検知方法であって、
   前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数を、前記試験体の厚さに応じて変化させ、
   受信された前記透過波が複数個ある場合に、前記試験体が接している物質が液体であると判別し、
   受信された前記透過波が複数個ある場合、複数個の前記透過波の受信時間間隔に基づいて、前記試験体から当該試験体に接している液体の液面までの距離を求める
   液体検知方法。
4. 前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、前記試験体の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、
   １．２≦ｆ×ｔ≦５．６
   という関係を満足するように、前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数を、前記試験体の厚さに応じて変化させる
   請求項３に記載の液体検知方法。
5. 電気信号によって駆動され、前記電気信号に基づく超音波を試験体中に伝搬させる送信用探触子と、
   前記試験体中を伝搬した透過波を受信して、前記透過波を電気信号に変換して出力する受信用探触子と、
   前記送信用探触子を駆動するための前記電気信号を出力する送信部、前記受信用探触子から出力された前記電気信号を受信する受信部、および、前記受信部で受信した前記電気信号に基づいて前記透過波の振幅を求め、それに基づいて前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する信号処理部を有する送受信器と
   を備え、
   前記送信部は、前記試験体の厚さに応じて、前記送信用探触子を駆動する前記電気信号の周波数帯域を調整し、
   前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、前記試験体の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、
   １．２≦ｆ×ｔ≦５．６
   という関係を満足するように、
   前記送信部は前記送信用探触子を駆動する前記電気信号の周波数帯域を調整する
   液体検知装置。
6. 電気信号によって駆動され、前記電気信号に基づく超音波を試験体中に伝搬させる送信用探触子と、
   前記試験体中を伝搬した透過波を受信して、前記透過波を電気信号に変換して出力する受信用探触子と、
   前記送信用探触子を駆動するための前記電気信号を出力する送信部、前記受信用探触子から出力された前記電気信号を受信する受信部、および、前記受信部で受信した前記電気信号に基づいて前記透過波の振幅を求め、それに基づいて前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する信号処理部を有する送受信器と
   を備え、
   前記受信部は、受信フィルタを有し、前記試験体の厚さに応じて、前記受信フィルタにより、前記受信用探触子から出力された前記電気信号の周波数帯域を調整し、
   前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、前記試験体の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、
   １．２≦ｆ×ｔ≦５．６
   という関係を満足するように、
   前記受信部は前記受信フィルタの周波数帯域を調整する
   液体検知装置。
7. 電気信号によって駆動され、前記電気信号に基づく超音波を試験体中に伝搬させる送信用探触子と、
   前記試験体中を伝搬した透過波を受信して、前記透過波を電気信号に変換して出力する受信用探触子と、
   前記送信用探触子を駆動するための前記電気信号を出力する送信部、前記受信用探触子から出力された前記電気信号を受信する受信部、および、前記受信部で受信した前記電気信号に基づいて前記透過波の振幅を求め、それに基づいて前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する信号処理部を有する送受信器と
   を備え、
   前記送信部は、前記試験体の厚さに応じて、前記送信用探触子を駆動する電気信号の周波数帯域を調整し、
   前記受信部は、受信フィルタを有し、前記試験体の厚さに応じて、前記受信フィルタにより、前記受信用探触子から出力された前記電気信号の周波数帯域を調整し、
   前記試験体中に伝搬させる超音波の周波数をｆ［ＭＨｚ］、前記試験体の厚さをｔ［ｍｍ］としたとき、
   １．２≦ｆ×ｔ≦５．６
   という関係を満足するように、
   前記送信部は前記送信用探触子を駆動する前記電気信号の周波数帯域を調整し、
   前記受信部は前記受信フィルタの周波数帯域を調整する
   液体検知装置。
8. 前記送受信器は、前記送信部が前記周波数帯域の自動調整を行うように制御する制御部を有する
   請求項５に記載の液体検知装置。
9. 前記送受信器は、前記受信部が前記周波数帯域の自動調整を行うように制御する制御部を有する
   請求項６に記載の液体検知装置。
10. 前記送受信器は、前記送信部および前記受信部が前記周波数帯域の自動調整を行うように制御する制御部を有する
    請求項７に記載の液体検知装置。
11. 前記送受信器は、前記試験体の厚さを測定する測定部を有する
    請求項５から１０までのいずれか１項に記載の液体検知装置。
12. 電気信号によって駆動され、前記電気信号に基づく超音波を試験体中に伝搬させる送信用探触子と、
    前記試験体中を伝搬した透過波を受信して、前記透過波を電気信号に変換して出力する受信用探触子と、
    前記送信用探触子を駆動するための前記電気信号を出力する送信部、前記受信用探触子から出力された前記電気信号を受信する受信部、および、前記受信部で受信した前記電気信号に基づいて前記透過波の振幅を求め、それに基づいて前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する信号処理部を有する送受信器と
    を備え、
    前記送信部は、前記試験体の厚さに応じて、前記送信用探触子を駆動する電気信号の周波数帯域を調整し、
    前記送受信器は、前記受信用探触子が受信した前記透過波の個数を算出し、２個以上の透過波が受信されている場合には、前記試験体が接している物質が液体であると判別する
    液体検知装置。
13. 電気信号によって駆動され、前記電気信号に基づく超音波を試験体中に伝搬させる送信用探触子と、
    前記試験体中を伝搬した透過波を受信して、前記透過波を電気信号に変換して出力する受信用探触子と、
    前記送信用探触子を駆動するための前記電気信号を出力する送信部、前記受信用探触子から出力された前記電気信号を受信する受信部、および、前記受信部で受信した前記電気信号に基づいて前記透過波の振幅を求め、それに基づいて前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する信号処理部を有する送受信器と
    を備え、
    前記受信部は、受信フィルタを有し、前記試験体の厚さに応じて、前記受信フィルタにより、前記受信用探触子から出力された前記電気信号の周波数帯域を調整し、
    前記送受信器は、前記受信用探触子が受信した前記透過波の個数を算出し、２個以上の透過波が受信されている場合には、前記試験体が接している物質が液体であると判別する
    液体検知装置。
14. 電気信号によって駆動され、前記電気信号に基づく超音波を試験体中に伝搬させる送信用探触子と、
    前記試験体中を伝搬した透過波を受信して、前記透過波を電気信号に変換して出力する受信用探触子と、
    前記送信用探触子を駆動するための前記電気信号を出力する送信部、前記受信用探触子から出力された前記電気信号を受信する受信部、および、前記受信部で受信した前記電気信号に基づいて前記透過波の振幅を求め、それに基づいて前記試験体が接している物質が液体であるか気体であるかを判別する信号処理部を有する送受信器と
    を備え、
    前記送信部は、前記試験体の厚さに応じて、前記送信用探触子を駆動する電気信号の周波数帯域を調整し、
    前記受信部は、受信フィルタを有し、前記試験体の厚さに応じて、前記受信フィルタにより、前記受信用探触子から出力された前記電気信号の周波数帯域を調整し、
    前記送受信器は、前記受信用探触子が受信した前記透過波の個数を算出し、２個以上の透過波が受信されている場合には、前記試験体が接している物質が液体であると判別する
    液体検知装置。
15. 前記送受信器は、前記受信用探触子によって複数個の透過波が受信された場合に、当該透過波のうち連続する２つの透過波の受信時間間隔に基づいて、前記試験体から当該試験体に接している液体の液面までの距離を算出する
    請求項１２から１４までのいずれか１項に記載の液体検知装置。

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