JP6144038B2 - 非接触音響検査装置および非接触音響検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響による振動を用いてコンクリート構造物の内部欠陥などを非接触で検査する検査装置および検査方法に関するものである。

近年、コンクリート構造物の劣化が問題になっており、その内部の診断が必要とされている。従来、コンクリート内部の診断手法として、超音波を利用する方法が種々提案されてきた。このほか、地中に埋設された物品を検出する目的で、地表面に音波を照射する方法が提案されている。

特許文献１には、エアーシリンダを使用したハンマでコンクリート製品を軽打し、この時発生する音波の音圧レベルを騒音計で検出して良品か欠陥品かを判別する方法が開示されている。

特許文献２には、コンクリート構造物の内部に、鋼球を所定の高さから被検査対象物の表面に落下させることによって超音波を入射し、伝搬する超音波をこの構造物の表面に接触させた加速度計を用いて受信し、この受信した超音波の周波数スペクトルを分析することによってコンクリート構造物内部における空洞発生の有無を検査する方法が開示されている。

しかし、これらの方法では検査対象物に接触して計測する必要があり種々の問題が生じる。

一方、検査対象物に接近する必要の無い非接触音響検査法として、特許文献３による方法や、本発明者らによる非特許文献１による方法も知られている。

これらの非接触音響検査法は、遠方から、音波あるいは超音波により非検査対象物を加振し、印加された対象物の振動を、遠方において光学的に検出する検査手法である。

特開平７−２００９７号公報 特開２０００−２６９２号公報 特開平８−２４８００６号公報

杉本恒美，歌川紀之，他２名，「SLDVとLRADを用いた非破壊検査のための非接触音響映像法に関する研究」，日本音響学会2012年春季研究発表会講演論文集 1-5-7, March 2012

特許文献３や非特許文献１の構成においては、加振用の強力な音波が光学検出系に入射し、妨害振動として対象物の振動検出を阻害するため、非接触音響検査法の欠陥部検出能力が大幅に低下することとなる。
本発明は、光学検出系に入射する加振音波による悪影響を除去し、非接触音響検査法における欠陥部検出性能を向上させることが可能な非接触音響検査装置を提供することを目的とする。

本発明は鋭意検討し、上記課題を解決する方法を見出し、本発明を完成させた。
本発明は次の(i)〜(viii)である。
(i)対象物に向けて送波音波を出力する送波部と、
前記送波部から前記送波音波が出力される時間関係を制御する制御部と、
前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学的に計測する光学計測部と、
前記光学計測部の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理部と、を備え、
前記制御部は、周波数が時間とともに変化する信号を前記送波音波として前記送波部から順次出力させ、
前記処理部は、前記計測結果のうち前記対象物が振動している時間帯を判定し、前記時間帯と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査装置。
(ii)前記送波音波が、中心周波数が互いに異なる複数の要素波形により構成されており、
前記制御部は、複数の前記要素波形を、中心周波数を時間とともに変化させて前記送波部から順次出力させ、
前記処理部は、前記要素波形がそれぞれ出力される時刻に基づいて、当該要素波形によって前記対象物が加振されて振動している前記時間帯を判定する上記(i)に記載の非接触音響検査装置。
(iii)順次出力される複数の前記信号の周波数成分は、前記光学計測部に計測される前記対象物の共振周波数帯域の全体を包含しており、
前記処理部は、前記計測結果のうち前記時間帯において計測された前記振動の周波数帯域成分に限局して抽出することにより前記不要成分の少なくとも一部を抑圧する上記(i)または(ii)に記載の非接触音響検査装置。
(iv)前記処理部または前記光学計測部は、前記時間帯の少なくとも一部を含む特定の時間に限局して、前記対象物の振動の、当該送波音波の周波数に対応した周波数帯域の信号を選択的に通過させることにより前記不要成分の少なくとも一部を抑圧する上記(iii)に記載の非接触音響検査装置。
(v)探知対象物を含む対象物に向けて送波音波を出力する送波部と、
前記送波部から前記送波音波が出力される時間関係を制御する制御部と、
前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学的に計測する光学計測部と、
前記光学計測部の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理部と、を備え、
前記制御部は、限局された時間長（Ｔ _１ ）の前記送波音波を送波時間間隔（Ｔ _０ ）ごとに前記送波部から出力させ、
前記処理部は、
前記計測結果のうち前記対象物が振動を開始してから前記振動が減衰消失するまでの時間長（Ｔ _２ ）を前記探知対象物の特性または前記光学計測部による前記振動の計測結果に基づいて判定し、
前記時間長（Ｔ _１ ）よりも長く、かつ前記時間長（Ｔ _２ ）と略等しいかまたは前記時間長（Ｔ _２ ）よりも長い時間幅（Ｔ _３ ）であって、前記時間長（Ｔ _２ ）の少なくとも一部を包含する時間幅（Ｔ _３ ）を設定し、
前記時間幅（Ｔ _３ ）と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査装置。
(vi)前記送波部から出力された前記送波音波が前記光学計測部に到達するまでの時間（Ｌ_１／ｃ）と、限局された前記送波音波の時間長（Ｔ_１）と、の和（Ｌ_１／ｃ＋Ｔ_１）が、前記送波部から出力された前記送波音波が前記対象物に到達するまでの時間（Ｌ_２／ｃ）よりも短く、
前記送波時間間隔（Ｔ _０ ）が、前記送波部から出力された前記送波音波が前記対象物で反射して前記光学計測部に至るまでの音波伝搬時間（２Ｌ _２ ／ｃ）よりも長い、上記(v)に記載の非接触音響検査装置。
(vii)対象物に向けて非接触に送波音波を出力する送波工程と、
前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学的に計測する計測工程と、
前記計測工程の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理工程と、を含み、
前記送波工程では、周波数が時間とともに変化する信号を前記送波音波として順次出力し、
前記処理工程では、前記計測結果のうち前記対象物が振動している時間帯を判定し、前記時間帯と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査方法。
(viii)探知対象物を含む対象物に向けて非接触に送波音波を出力する送波工程と、
前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学計測部で光学的に計測する計測工程と、
前記計測工程の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理工程と、を含み、
前記送波工程では、特定時刻に限局された時間長（Ｔ _１ ）の前記送波音波を送波時間間隔（Ｔ _０ ）ごとに出力し、
前記処理工程では、
前記計測結果のうち前記対象物が振動を開始してから前記振動が減衰消失するまでの時間長（Ｔ _２ ）を前記探知対象物の特性または前記光学計測部による前記振動の計測結果に基づいて判定し、
前記時間長（Ｔ _１ ）よりも長く、かつ前記時間長（Ｔ _２ ）と略等しいかまたは前記時間長（Ｔ _２ ）よりも長い時間幅（Ｔ _３ ）であって、前記時間長（Ｔ _２ ）の少なくとも一部を包含する時間幅（Ｔ _３ ）を設定し、
前記時間幅（Ｔ _３ ）と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査方法。

本発明によれば、特定時刻に限局した送波音波を使用することで、光学計測部で計測される計測結果から、対象物が振動している時間帯と、ノイズにあたる不要成分の時間帯とを分離することができる。これにより、送波部が発する加振音波が光学計測部の検出系に与える悪影響が除去され、非接触音響検査法における対象欠陥部の検出性能が向上する。

本発明の非接触音響検査装置の構成を示す説明図である。 実施例１および実施例５の加振音波、振動状況信号、制御信号および選択信号の説明図である。 実施例１の変形例であり、遠距離対象物における加振音波、振動状況信号、制御信号および選択信号の説明図である。 実施例２の加振音波、振動状況信号、制御信号および選択信号の説明図である。 図５（ａ）は実施例３の加振音波の説明図であり、図５（ｂ）は実施例３における目的信号周波数スペクトルの説明図である。 実施例４の加振音波、振動状況信号、制御信号および選択信号の説明図である。

本発明について説明する。
本発明は非接触式の音響検査装置および方法であり、本発明によれば、特定時刻に限局した音波を使用して不要信号の除去を行うことにより、光学的な検出系に与える加振音波による悪影響を低下させることが可能である。被照射体にあたる対象物としては、例えば、コンクリート構造物、地面（土、砂、石、アスファルト等）、木、液体、人体が挙げられる。具体的には、本発明の音響検査装置および音響検査方法によれば、例えば、コンクリート構造物の内部に形成される空洞状の欠陥部や、地面に埋められている地雷の存在あるいは位置を正確に把握することができる。この場合、欠陥部や地雷が探知対象物である。また、人体の内部に存在する腫瘍等の位置を正確に把握することができる。この場合、腫瘍等が探知対象物である。また、各種製品等の内部に発生する欠陥部の存在あるいは位置を非破壊で正確に把握することができる。この場合、欠陥部が探知対象物である。また、池、海、湖等の液面の近くに位置する、周囲の液体と音響インピーダンスが異なる探知対象物の位置を正確に把握することができる。

図１は、本発明の実施形態の非接触音響検査装置２０の構成の一例を示す説明図である。対象物３はコンクリート構造物であり、その内部に局所的に欠陥６が存在している。対象物３のうち欠陥６が存在する領域の表面側部分を欠陥部４と呼称する。

本実施形態の非接触音響検査装置２０は、送波部（加振音源１）、制御部８、光学計測部（光学検出系５）および処理部７を備えている。送波部（加振音源１）は、対象物３に向けて送波音波（加振音波２）を出力する手段である。加振音源１としては、フラットスピーカ、パラメトリックスピーカ、ラウドスピーカなどのスピーカ装置のほか、ガスガンまたは衝撃波管が挙げられる。

制御部８は、送波部（加振音源１）から送波音波（加振音波２）が出力される時間関係を制御する制御手段である。制御部８は、任意波形発生装置およびアンプ（図示せず）を含んでいる。任意波形発生装置は、加振音源１が送信する加振音波２の波形を制御する手段である。アンプは任意波形発生装置が生成した波形を増幅する手段であり、オーディオアンプを用いることができる。加振音源１が出力する加振音波２は対象物３の表面を垂直方向に振動させる音波であり、その周波数は特に限定されない。空気中で振動振幅が減衰し難い可聴帯域の音波（音響波）が好ましい。超音波は空気中で振動振幅の減衰が大きいものの、加振音源１としての使用を排除するものではなく、音波には超音波を含む。対象物３の共振周波数が既知の場合は、加振音波２の周波数を当該共振周波数とするとよい。対象物３の共振周波数帯が不明な場合には、加振音源１から対象物３へ照射される加振音波２としてホワイトノイズ等の広帯域信号を用いることが好ましい。全ての周波数を含んでいるからである。加振音源１としては、ノイズ波やバースト波を発生可能な市販のファンクションジェネレータ等を用いることができる。

光学計測部（光学検出系５）は、送波音波（加振音波２）により加振される対象物３の振動を光学的に計測する手段である。光学検出系５から出力された観察波１２は、対象物３（欠陥部４を含む）で反射されて光学検出系５の受光部（図示せず）で受光される。観察波１２は、対象物３（欠陥部４を含む）の振動状況を示す目的信号である。光学検出系５は、対象物３の表面（欠陥部４を含む）の振動速度を非接触で測定できるものであれば特に限定されず、例えばレーザ変位計を用いることができ、レーザドップラー振動計であることが好ましい。対象物３と光学検出系５とが比較的離れていても、対象物３の表面の振動を正確に測定することができるからである。また、光学検出系５として、１度に１点の振動計測が可能なシングルレーザタイプのレーザ振動計を用いることは可能であるが、スキャニングレーザタイプのレーザ振動計を用いることが好ましい。

処理部７は、光学計測部（光学検出系５）の計測結果に基づいて対象物３の構造を示す検査情報を算出する情報処理手段である。処理部７には、本実施形態の非接触音響検査方法を実現するプログラムが格納された汎用コンピュータを用いることができる。

本実施形態の制御部８は、送波音波（加振音波２）を特定時刻に限局して送波部（加振音源１）から出力させる。そして、処理部７は、光学検出系５の計測結果のうち対象物３が振動している時間帯を判定し、この時間帯と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して検査情報（判定結果９）を算出する。処理部７は、光学検出系５の検査情報に基づいて判定結果９を生成し、ディスプレイ装置（図示せず）などの出力装置を用いて判定結果９を出力する。判定結果９は、対象物３の内部に欠陥６が存在することを示す情報である。判定結果９は、例えば、欠陥６（欠陥部４）の有無を示す１ビット情報であり、または対象物３における欠陥部４の位置を示す座標情報である。

図１の構成において、光学検出系５には、観察波１２のほか、加振音源１による加振音波２の一部である直接音波１０と、対象物３からの反射音波１１とが入射する。光学検出系５が出力する波形信号を振動状況信号１３という。振動状況信号１３は、観察波１２により得られる目的とする対象物信号のほか、直接音波１０や反射音波１１などの影響による不要信号成分（ノイズ）を含む。直接音波１０は加振音源１から光学検出系５に直接に到達する音波であり、反射音波１１は対象物３（欠陥部４を含む）で反射して光学検出系５に到達する音波である。光学検出系５に入射する直接音波１０および反射音波１１は、光学検出系５を不要に振動させ、目的とする対象物信号の検出感度を低下させる原因となる不要成分である。

特に、光学検出系５が加振音源１の近傍（加振音源１と加振音波２との距離をＬ_１とする）に配置されることが一般的である。このため、直接音波１０は光学検出系５を強く振動させ、対象物３の光学計測結果である振動状況信号中の目的とする対象物信号に対する検出感度を大幅に低下させることとなる。これに対し、本実施形態の非接触音響検査装置２０および非接触音響検査方法によれば、この不要成分の一部または全部を除去、すなわち不要成分を抑圧することにより、目的とする対象物信号の検出感度を向上する。

本発明の実施形態の非接触音響検査方法（以下、本方法という場合がある）は、非接触音響検査装置２０により実現される。本方法は、送波工程、計測工程および処理工程を含む。送波工程では、加振音源１を用いて、対象物３に向けて非接触に送波音波（加振音波２）を出力する。計測工程では、光学検出系５を用いて、加振音波２により加振される対象物３の振動を光学的に計測する。処理工程では、処理部７を用いて、光学検出系５の計測結果に基づいて対象物３の構造を示す検査情報（判定結果９）を算出する。

本方法の送波工程では、特定時刻に限局して送波音波（加振音波２）を出力する。そして処理工程では、光学検出系５の計測結果のうち対象物３（欠陥部４を含む）が振動している時間帯を判定し、この時間帯と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して検査情報（判定結果９）を算出する。

以下、実施例を用いて本発明の非接触音響検査装置２０および非接触音響検査方法を詳細に説明する。図２は、実施例１にかかる加振音波（送波音波）ｓ_ｎ、振動状況信号ｒ_ｎ（振動状況信号１３）、制御信号ｐ_ｎおよび選択信号ｑ_ｎの説明図である。

図２に示す加振音波ｓ_ｎは、欠陥部４の共振周波数近傍の周波数成分を主体とし、時間長Ｔ_１の、送波時間間隔Ｔ_０にて繰り返す短パルス列である。時間長Ｔ_１は送波時間間隔Ｔ_０よりも十分に短い。ここで、加振音波ｓ_ｎが強い場合には、Ｔ_０を実質的に無限大に設定することで、単一回の送波により検査を完了させる構成も可能である。

単一加振音波ｓ_ｎ（ｎは自然数である。以下同じ。）により発生する欠陥部４の固有振動は、観察波１２（図１を参照）として光学検出系５で検出される。欠陥部４は加振音源１からみて加振音波２の照射方向の正面に位置し、加振音源１と欠陥部４との距離はＬ_２である。以下、加振音源１からの距離がＬであることを、位置Ｌと表現する場合がある。光学検出系５では、観察波１２に起因する目的信号ｒ_ｎＢに加えて、直接音波１０に起因する不要信号ｒ_ｎＡと、反射音波１１に起因する不要信号ｒ_ｎｃを含む振動状況信号ｒ_ｎとして検出される。

音速をｃとすると、距離Ｌ_１に対する音波伝搬時間はＬ_１／ｃであることから、直接音波１０による不要信号ｒ_ｎＡは時刻Ｌ_１／ｃに出現し、距離Ｌ_１が小さいことから強大な妨害信号成分となる。

また、位置Ｌ_２に存在する欠陥部４には、音波伝搬時刻Ｌ_２／ｃに加振音波２が入射するため、復路における光の伝搬時間を無視して、光学検出系５により検出される目的信号ｒ_ｎＢの出現時刻はＬ_２／ｃとなる。本実施例において、欠陥６は対象物３の表面近傍に存在しているものとする。

一方、反射音波１１は、往復伝搬距離２Ｌ_２に対応する音波伝搬時間２Ｌ_２／ｃにて光学検出系５を振動させることから、反射音波１１による不要信号ｒ_ｎＣは、時刻２Ｌ_２／ｃに出現する。

このため、音波により加振し、光学的に振動検出する本発明方式によると、図２に見られるように、目的信号ｒ_ｎＡの到達時刻が、不要信号ｒ_ｎＣの到達時刻の半分となり、両者は時間的に分離されることとなる。

従って、実施例１においては、加振音波の時間長Ｔ_１を次式と設定することにより、目的信号ｒ_ｎＢの成分と不要信号ｒ_ｎＡの成分とを時間的に分離することができる。

（数１）
Ｌ_１／ｃ＋Ｔ_１＜Ｌ_２／ｃ

ここで、図２における、目的信号ｒ_ｎＢの持続時間Ｔ_２は、欠陥部４の特性により定まり、欠陥部共振帯域幅の逆数により与えられる。発明者らの詳細な検討により、この持続時間Ｔ_２は、通常のコンクリート欠陥において１０ｍｓｅｃ程度であることが判明している。

実施例１においては、持続時間Ｔ_２が次式の関係を満たすことが好ましい。これにより、目的信号ｒ_ｎＢと不要信号ｒ_ｎＣとが完全に時間的に分離される。

（数２）
Ｌ_２／ｃ＋Ｔ_２＜２Ｌ_２／ｃ

なお、後述するように持続時間Ｔ_２を長くし、目的信号ｒ_ｎＢの後半の一部と不要信号ｒ_ｎＣとが互いに重複してもよい。ただし、上記の（数２）を満たし目的信号ｒ_ｎＢと不要信号ｒ_ｎＣとが完全に時間的に分離される方が検出精度は良好となる。

さらに、各送波による計測結果の独立性を確保するために、加振音波ｓ_ｎの送波時間間隔Ｔ_０には、次式の関係が必要と成る。

（数３）
２Ｌ_２／ｃ＜Ｔ_０

処理部７（図１を参照）は、加振音波ｓ_ｎの短パルスの発生開始にあたる特定時刻と、送波部（加振音源１）と対象物３との距離Ｌ_２に基づいて、対象物３が振動している時間帯（Ｌ_２／ｃからＬ_２／ｃ＋Ｔ_２まで）を判定する。

光学検出系５は加振音源１の近傍に配置されている。加振音源１と光学検出系５との距離Ｌ_１は、以下の条件を満たす。すなわち、送波部（加振音源１）から出力された送波音波（加振音波２）が光学計測部（光学検出系５）に到達するまでの時間（Ｌ_１／ｃ）と、限局された加振音波２（短パルス）の時間長（Ｔ_１）との和（Ｌ_１／ｃ＋Ｔ_１）は、加振音源１から出力された加振音波２が対象物３に到達するまでの時間（Ｌ_２／ｃ）よりも短い。

以上の時間関係を満足させた構成において、本実施例においてはさらに、図２に示す制御信号ｐ_ｎを使用し、目的信号ｒ_ｎＢのみを分離抽出する。制御信号ｐ_ｎは、目的信号ｒ_ｎＢの出現時刻Ｌ_２／ｃに開始し、時間幅Ｔ_３（＞Ｔ_２）を有する信号であり、振動状況信号ｒ_ｎにおける不要信号ｒ_ｎＡおよびｒ_ｎＣを抑圧する。処理部７は、光学検出系５が計測した振動状況信号ｒ_ｎに対して制御信号ｐ_ｎを乗じることで、目的信号ｒ_ｎＢのみを分離抽出して選択信号ｑ_ｎとすることができる。この選択信号ｑ_ｎには実質的に目的信号ｒ_ｎＢの成分のみが含まれている。

処理部７は、この選択信号ｑ_ｎに基づいて判定結果９を生成する。一例として、処理部７は、選択信号ｑ_ｎの最大振幅と所定の閾値との大小を判定し、この最大振幅が閾値以上であると判定された場合には、検査対象の領域に欠陥部４が含まれているとの判定結果９を生成する。そして、処理部７は、この最大振幅が所定の閾値未満であると判定された場合には、検査対象の領域に欠陥部４が含まれていないとの判定結果９を生成する。このほか、選択信号ｑ_ｎの周波数スペクトルの尖鋭度に基づいて欠陥部４の存在を判定してもよい。具体的には、処理部７は選択信号ｑ_ｎの周波数スペクトルの尖鋭度を算出し、さらにこの尖鋭度が所定の閾値以上であると判定された場合には、検査対象の領域に欠陥部４が含まれているとの判定結果９を生成してもよい。

本実施例のように、特定時刻に限局した音波を加振音波ｓ_ｎとして使用することにより、直接音波１０あるいは反射音波１１による悪影響を除去することができる。具体的には、振動状況信号ｒ_ｎから、直接音波１０および反射音波１１に起因する不要成分を除去して目的信号ｒ_ｎＢを残すことができ、これにより欠陥部４の検出性能が向上する。

本実施例における、時間関係の具体例を以下に示す。

距離Ｌ_１は配置状況として既知であり、加振音源１と対象物３との距離Ｌ_２はレーザ測距等により常時計測可能である。

そこで、Ｌ_１を３０ｃｍ、Ｌ_２を３ｍ、音速を３００ｍ／ｓｅｃと仮定すると、時間関係における３種類の制限条件は、上記の（数１）および（数３）に基づいて次式として具体的に与えられる。

（数４）
Ｔ_１＜Ｌ_２／ｃ−Ｌ_１／ｃ＝１０−１＝９（ｍｓｅｃ）
Ｔ_２＜２Ｌ_２／ｃ−Ｌ_２／ｃ＝Ｌ_２／ｃ＝１０（ｍｓｅｃ）
Ｔ_０＞２Ｌ_２／ｃ＝２０（ｍｓｅｃ）

よって、一例として、Ｔ_１＝８ｍｓｅｃ、Ｔ_０＝３０ｍｓｅｃと設定することにより、Ｔ_２＜１０（ｍｓｅｃ）となる欠陥部の本方式による検知が可能となる。

図２では、目的信号ｒ_ｎＢが減衰消失する時刻（Ｌ_２／ｃ＋Ｔ_２）が、不要信号ｒ_ｎＣの発生時刻（２Ｌ_２／ｃ）よりも前である場合を例示しているが、これに限られない。例えば対象物３がコンクリート構造物である場合、欠陥部４における目的信号ｒ_１Ｂの持続時間Ｔ_２は通常１０ｍｓｅｃ程度と既知である。この場合、目的信号ｒ_ｎＢが減衰消失する時刻（Ｌ_２／ｃ＋Ｔ_２）は２０ｍｓｅｃであり、不要信号ｒ_ｎＣの発生時刻（２Ｌ_２／ｃ）と一致している。すなわち、目的信号ｒ_ｎＢと不要信号ｒ_ｎＣとは完全には分離されておらず一部重畳する場合がある。この場合、不要信号ｒ_ｎＣを抑圧することを優先して、目的信号ｒ_ｎＢの後半部をカットしてもよい。目的信号ｒ_ｎＢの振幅は、図２に示すようにその前半部において最大振幅をとるため、処理部７は、目的信号ｒ_ｎＢの前半部のみを用いて欠陥部４の有無を相当精度にて判定することができるためである。

すなわち、時間幅Ｔ_３は、目的信号ｒ_ｎＢの出現時刻Ｌ_２／ｃを含み、持続時間Ｔ_２を極力包含し、かつ不要信号ｒ_ｎＣを含まないように設定するとよい。時間幅Ｔ_３は次式の関係を満たす。

（数２ａ）
Ｌ_２／ｃ＋Ｔ_３＜２Ｌ_２／ｃ

一例として、Ｔ_３＝８ｍｓｅｃと設定することにより、一般的なＴ_２（約１０ｍｓ）に対してＴ_３＜Ｔ_２となるが、目的信号ｒ_ｎＢのうち最大振幅を含む波形部分を抽出し、不要信号ｒ_ｎＡおよび不要信号ｒ_ｎＣを抑圧（除去）することが可能である。

ここで、本方法の実際の適用場面において、欠陥部４までの距離Ｌ_２が大きい場合には、上記（数３）のＴ_０＞２Ｌ_２／ｃなる要求から、送波時間間隔Ｔ_０が増大し、一回の計測に必要とされる時間が増大し、計測効率が低下することが考えられる。

しかし、目的信号ｒ_１Ｂの持続時間Ｔ_２は一定であることから、距離Ｌ_２が大きい場合には、図３に示すように、送波時間間隔Ｔ_０に占める、目的信号ｒ_１Ｂの存在時間の比率は相対的に低下する。

そこで本発明における実施例２においては、距離Ｌ_２が大きい場合に、図４に示すように、時間差Ｔ_４を有する、Ｍ個の要素波形Ｕ_１、Ｕ_２、・・Ｕ_Ｍにより形成される多重送波信号Ｓ_Ｍｎを送波する。

このような多重送波信号Ｓ_Ｍｎを送波することで、光学検出系５により検出される振動状況信号は、図４に示す多重振動状況信号ｒ_Ｍｎとなる。

図４の多重振動状況信号ｒ_Ｍｎは、直接音波１０による多重不要信号ｒ_ＭｎＡ、位置Ｌ_２に存在する欠陥部４から計測される多重目的信号ｒ_ＭｎＢ、および反射音波１１による多重不要信号ｒ_ＭｎＣにより構成される。

ここで、光学検出系５により検出される、位置Ｌ_２に存在する欠陥部４からの多重目的信号ｒ_ＭｎＢは、時刻Ｌ_２／ｃに出現し、時刻Ｔ_Ｂ＝Ｌ_２／ｃ＋（Ｍ−１）Ｔ_４＋Ｔ_２にて終了する。

一方、直接信号１０による多重不要信号ｒ_ＭｎＡは、音速をｃとして、既知の距離Ｌ_１に対する音波伝搬時刻Ｌ_１／ｃに出現し、時刻Ｔ_Ａ＝Ｌ_１／ｃ＋（Ｍ−１）Ｔ_４＋Ｔ_１にて終了する。

従って、多重目的信号ｒ_ＭｎＢと多重不要信号ｒ_ＭｎＡとが重畳しないためには、Ｔ_Ａ＜Ｌ_２／ｃなる条件が必要となり、この関係は次式となる。

（数５）
Ｔ_Ａ＝Ｌ_１／ｃ＋（Ｍ−１）Ｔ_４＋Ｔ_１＜Ｌ_２／ｃ
（Ｍ−１）Ｔ_４＜（Ｌ_２−Ｌ_１）／ｃ−Ｔ_１

一方、反射音波１１は、音波の往復伝搬距離２Ｌ_１に対する音波伝搬時刻２Ｌ_１／ｃに光学検出系５を振動させることから、反射音波１１による多重不要信号ｒ_ＭｎＣは時刻２Ｌ_１／ｃに出現する。

従って、多重目的信号ｒ_ＭｎＢと多重不要信号ｒ_ＭｎＣとが重畳しないためには、Ｔ_Ｂ＜２Ｌ_２／ｃなる条件が必要となり、この関係は次式となる。

（数６）
Ｔ_Ｂ＝Ｌ_２／ｃ＋（Ｍ−１）Ｔ_４＋Ｔ_２＜２Ｌ_２／ｃ
（Ｍ−１）Ｔ_４＜Ｌ_２／ｃ−Ｔ_２

さらに、隣接する多重目的信号ｒ_ＭｎＢの各構成成分同士が重畳しないためには、Ｔ_４＞Ｔ_２なる条件が必要であり、多重送波信号構成においては、以上３種類の時間関係を満足させることが好ましい。

本実施例構成においてはさらに、図４に示す多重制御信号ｐ_Ｍｎを多重振動状況信号ｒ_Ｍｎに適用することで、多重目的信号ｒ_ＭｎＢのみを分離抽出する。

多重制御信号ｐ_Ｍｎは、多重目的信号ｒ_ＭｎＢの出現時刻Ｌ_２／ｃに開始し、多重目的信号ｒ_ＭｎＢの継続時間よりも長い時間幅Ｔ_５を有する信号であり、多重振動状況信号ｒ_Ｍｎにおける不要信号を抑圧し、多重目的信号ｒ_ＭｎＢのみを多重選択信号ｑ_Ｍｎとして分離抽出する。

すなわち、実施例２の制御部８は、送波音波（加振音波２）が送波部（加振音源１）から出力され対象物３に到達するまでの時間（Ｌ_２／ｃ）内に、特定時刻に限局された加振音波２である要素波形を加振音源１から複数回（Ｕ_１、Ｕ_２、・・Ｕ_Ｍ）送信させる。これにより、対象物３の一回の計測に必要とされる時間が短縮されて計測効率が向上する

本方法の実際の適用場面においては、欠陥部４の共振周波数が不明であり、計測する全周波数帯域の周波数成分を有する広帯域信号の送波が必要となる。

しかし、計測する全周波数帯域の周波数成分を有する広帯域信号は、極めて短いパルス波形となり、目的信号の強度が低下する。

そこで、実施例３における構成においては、図５（ａ）に示すように、中心周波数の異なる要素波形ｓ_Ｆｎ（ｎは自然数）を加振音波として順次送波する。具体的には、要素波形ｓ_Ｆ１は単波形である。要素波形ｓ_Ｆ２および要素波形ｓ_Ｆ３の周波数は、それぞれ要素波形ｓ_Ｆ１の周波数の整数倍（２倍および３倍）であり、これらの時間長Ｔ_１Ｆは共通である。送波信号ｓ_Ｆｎは、中心周波数が異なる複数の要素波形ｓ_Ｆｎを送波時間間隔Ｔ_０内に含む信号である。

このような要素波形ｓ_Ｆｎの周波数スペクトルは、図５（ｂ）に示すＳ_Ｆｎとなり、特定周波数成分が強勢であり、かつ、各要素波形ｓ_Ｆｎの周波数帯域が相互に重畳する。

ここで、目的信号ｒ_ｎＢ（図２を参照）の周波数スペクトルを図５（ｂ）の目的信号周波数スペクトルＲ_Ｂとすると、目的信号ｒ_ｎＢの存在は、要素波形ｓ_Ｆ２による目的信号周波数スペクトルＲ_２Ｂおよび、要素波形ｓ_Ｆ３による目的信号周波数スペクトルＲ_３Ｂの存在として検出される。

このように、特定周波数成分が強勢であり、かつ、周波数帯域が相互に重畳する要素波形ｓ_Ｆｎを順次送波することにより、目的信号ｒ_ｎＢは、いずれかの送波による目的信号周波数スペクトルＲ_ｎＢとして必ず検出され、欠陥部４の見落としのない高精度な検出が可能となる。

実施例３において、天井や側壁等の周囲構造物を有する閉鎖空間等に対象物３が存在する場合には、対象物３（欠陥部４）よりも遠方に存在する周囲構造物からの反射音波が光学検出系５に入射することとなる。

このような、遠方に存在する周囲構造物からの反射音波は、反射音波１１による不要信号ｒ_ＦｎＣよりも遅れて入射することから、後続の送波時間間隔Ｔ_０にて検出されることがある。具体的には、図６に示すように、不要信号ｒ_ＦｎＤ（不要信号ｒ_Ｆ１Ｄ）がＴ＝Ｔ_０よりも後に振動状況信号ｒ_Ｆ２として検出される場合がある。

そこで本実施例においてはさらに、図６に示す周波数選択性制御信号ｐ_Ｆｎを使用し、目的信号ｒ_ＦｎＢのみを分離抽出する。

周波数選択性制御信号ｐ_Ｆｎは、目的信号ｒ_ＦｎＢの出現時刻Ｌ_２／ｃに開始し、時間幅Ｔ_３を有する信号であり、当該要素波形ｓ_Ｆｎの周波数成分Ｓ_Ｆｎのみを選択的に抽出する。時間幅Ｔ_３は、目的信号ｒ_ＦｎＢの持続時間Ｔ_２よりも長い（Ｔ_３＞Ｔ_２）ことが好ましいが、これに限られない。

すなわち、処理部７または光学計測部（光学検出系５）は、対象物３の振動の、当該要素波形ｓ_Ｆｎによる周波数帯域（共振周波数）の信号を選択的に通過させることにより、周波数帯域が異なる不要成分（不要信号ｒ_{Ｆ（ｎ−１）Ｄ}）を抑圧する。具体的には、光学検出系５がバンドパスフィルタを備えてもよく、または処理部７において周波数解析して振動状況信号ｒ_ｎから不要信号ｒ_ＦｎＤを除去してもよい。これにより、選択信号ｑ_Ｆｎには目的信号ｒ_ＦｎＢのみが存在することとなり、欠陥部４の検出性能が向上する。

送波時間間隔Ｔ_０に占める目的信号ｒ_ＦｎＢの持続時間Ｔ_２が無視できない場合、図６に示すように、不要信号ｒ_{Ｆ（ｎ−１）Ｄ}が目的信号ｒ_ＦｎＢと重畳する場合がある。特に、加振音源１を移動させて対象物３をスキャンしながら音響検査を行う場合には、遠方の周囲構造物と光学検出系５との距離が時々刻々に変化するため、不要信号ｒ_{Ｆ（ｎ−１）Ｄ}を目的信号ｒ_ＦｎＢと常に時間的に分離することは困難である。このため、本実施例のように振動状況信号ｒ_ｎの成分の周波数に基づいて不要信号を抑圧することが好ましい。ここで、目的信号ｒ_ＦｎＢと不要信号ｒ_{Ｆ（ｎ−１）Ｄ}の周波数帯域が接近していると、目的信号ｒ_ＦｎＢを通過させる選択性制御信号ｐ_Ｆｎによっては不要信号ｒ_{Ｆ（ｎ−１）Ｄ}を抑圧することが困難となる。ここで、隣接する要素波形（例えば、ｓ_{Ｆ（ｎ−１）}とｓ_Ｆｎ）の中心周波数を、相互に大きく異なるように設定すると、近隣の送波による不要信号ｒ_{Ｆ（ｎ−１）Ｄ}に対する、周波数選択による抑圧効果を改善することが出来、不要信号に対する抑圧効果が改善される。具体的には、時間的に隣接して送信される要素波形の中心周波数を±２０％以上、好ましくは±５０％以上、更に好ましくは±１００％以上、相違させるとよい。これにより、一般的な閉鎖空間等におけるコンクリート欠陥を実用的な精度で検出することが可能である。

処理部７（図１を参照）は、この周波数選択性制御信号ｐ_Ｆｎを振動状況信号ｒ_Ｆｎに適用することで、振動状況信号ｒ_Ｆｎにおける不要信号ｒ_ＦｎＡ、ｒ_ＦｎＣおよびｒ_{Ｆ（ｎ−１）Ｄ}を抑圧し、目的信号ｒ_ｎＢのみを分離抽出する。これにより、処理部７は、実質的に目的信号ｒ_ＦｎＢ成分のみで構成される選択信号ｑ_Ｆｎを生成する。処理部７は、目的信号ｒ_ＦｎＢの成分に基づいて判定結果９を生成して出力するため、高い判定精度で欠陥部４の有無を検査することができる。

上記実施例３においては、目的信号ｒ_ｎＢの周波数スペクトルは図５（ｂ）の目的信号周波数スペクトルＲ_２ＢおよびＲ_３Ｂとなり、要素波形ｓ_Ｆｎの周波数スペクトルＳ_Ｆｎよりも狭い周波数スペクトルとして検出される。

このため、処理部７は、要素波形ｓ_Ｆｎの周波数帯域よりも狭い周波数分解能で周波数スペクトルＲ_Ｂを算出する。例えば図２に示す実施例１と同様の加振音波ｓ_ｎを用いる場合、処理部７は、加振音波ｓ_ｎの周波数帯域幅よりも狭い周波数分解能で周波数スペクトルＲ_Ｂを算出する。このような高い周波数分解能を有する周波数分析処理は、加振要素波形ｓ_Ｆｎの信号時間長Ｔ_１Ｆよりも長い積分時間によるフーリエ変換等により実現される。

本発明によれば、欠陥部４の見落としのない高精度な非接触欠陥検出が可能となる。

１ 加振音源
２ 加振音波
３ 対象物
４ 欠陥部
５ 光学検出系
６ 欠陥
７ 処理部
８ 制御部
１０ 直接音波
１１ 反射音波
１２ 観察波
１３ 振動状況信号

Claims (8)

1. 対象物に向けて送波音波を出力する送波部と、
   前記送波部から前記送波音波が出力される時間関係を制御する制御部と、
   前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学的に計測する光学計測部と、
   前記光学計測部の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理部と、を備え、
   前記制御部は、周波数が時間とともに変化する信号を前記送波音波として前記送波部から順次出力させ、
   前記処理部は、前記計測結果のうち前記対象物が振動している時間帯を判定し、前記時間帯と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査装置。
2. 前記送波音波が、中心周波数が互いに異なる複数の要素波形により構成されており、
   前記制御部は、複数の前記要素波形を、中心周波数を時間とともに変化させて前記送波部から順次出力させ、
   前記処理部は、前記要素波形がそれぞれ出力される時刻に基づいて、当該要素波形によって前記対象物が加振されて振動している前記時間帯を判定する請求項１に記載の非接触音響検査装置。
3. 順次出力される複数の前記信号の周波数帯域成分は、前記光学計測部に計測される前記対象物の共振周波数帯域の全体を包含しており、
   前記処理部は、前記送波部から出力されて前記時間帯において前記対象物を加振する前記送波音波にかかる前記信号の周波数帯域成分に限局して抽出することにより前記不要成分の少なくとも一部を抑圧する請求項１または２に記載の非接触音響検査装置。
4. 前記処理部または前記光学計測部は、前記時間帯の少なくとも一部を含む特定の時間に限局して、前記対象物の振動の周波数成分のうち当該送波音波の周波数に対応した周波数帯域の信号を選択的に通過させることにより前記不要成分の少なくとも一部を抑圧する請求項３に記載の非接触音響検査装置。
5. 探知対象物を含む対象物に向けて送波音波を出力する送波部と、
   前記送波部から前記送波音波が出力される時間関係を制御する制御部と、
   前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学的に計測する光学計測部と、
   前記光学計測部の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理部と、を備え、
   前記制御部は、限局された時間長（Ｔ _１ ）の前記送波音波を送波時間間隔（Ｔ _０ ）ごとに前記送波部から出力させ、
   前記処理部は、
   前記計測結果のうち前記対象物が振動を開始してから前記振動が減衰消失するまでの時間長（Ｔ _２ ）を前記探知対象物の特性または前記光学計測部による前記振動の計測結果に基づいて判定し、
   前記時間長（Ｔ _１ ）よりも長く、かつ前記時間長（Ｔ _２ ）と略等しいかまたは前記時間長（Ｔ _２ ）よりも長い時間幅（Ｔ _３ ）であって、前記時間長（Ｔ _２ ）の少なくとも一部を包含する時間幅（Ｔ _３ ）を設定し、
   前記時間幅（Ｔ _３ ）と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査装置。
6. 前記送波部から出力された前記送波音波が前記光学計測部に到達するまでの時間（Ｌ_１／ｃ）と、限局された前記送波音波の時間長（Ｔ_１）と、の和（Ｌ_１／ｃ＋Ｔ_１）が、前記送波部から出力された前記送波音波が前記対象物に到達するまでの時間（Ｌ_２／ｃ）よりも短く、
   前記送波時間間隔（Ｔ _０ ）が、前記送波部から出力された前記送波音波が前記対象物で反射して前記光学計測部に至るまでの音波伝搬時間（２Ｌ _２ ／ｃ）よりも長い、請求項５に記載の非接触音響検査装置。
7. 対象物に向けて非接触に送波音波を出力する送波工程と、
   前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学的に計測する計測工程と、
   前記計測工程の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理工程と、を含み、
   前記送波工程では、周波数が時間とともに変化する信号を前記送波音波として順次出力し、
   前記処理工程では、前記計測結果のうち前記対象物が振動している時間帯を判定し、前記時間帯と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査方法。
8. 探知対象物を含む対象物に向けて非接触に送波音波を出力する送波工程と、
   前記送波音波により加振される前記対象物の振動を光学計測部で光学的に計測する計測工程と、
   前記計測工程の計測結果に基づいて前記対象物の構造を示す検査情報を算出する処理工程と、を含み、
   前記送波工程では、特定時刻に限局された時間長（Ｔ _１ ）の前記送波音波を送波時間間隔（Ｔ _０ ）ごとに出力し、
   前記処理工程では、
   前記計測結果のうち前記対象物が振動を開始してから前記振動が減衰消失するまでの時間長（Ｔ _２ ）を前記探知対象物の特性または前記光学計測部による前記振動の計測結果に基づいて判定し、
   前記時間長（Ｔ _１ ）よりも長く、かつ前記時間長（Ｔ _２ ）と略等しいかまたは前記時間長（Ｔ _２ ）よりも長い時間幅（Ｔ _３ ）であって、前記時間長（Ｔ _２ ）の少なくとも一部を包含する時間幅（Ｔ _３ ）を設定し、
   前記時間幅（Ｔ _３ ）と異なる時間関係で計測された不要成分の少なくとも一部を抑圧して前記検査情報を算出することを特徴とする非接触音響検査方法。

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