JP6153240B2 - 非接触音響検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリ−ト構造物の内部欠陥検出などに利用される固体内部の振動検査装置に関するものである。

近年、コンクリ−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−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。

特許文献１には、エア−シリンダを使用したハンマでコンクリ−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。

また、特許文献２には、コンクリ−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−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、これらの方法によると、検査対象物に接触して計測する必要がある。

一方、接近する必要の無い非接触検査法として、特許文献３による、超音波を使用する方法がある。

この方法は、遠方から、超音波により検査対象物を加振し、加振された欠陥部の振動を、遠方において、光学的に検出する検査手法である。

しかし、この特許文献３による超音波加振においては、加振するために使用する超音波の周波数が、欠陥部の共振周波数よりも高いため、周波数帯域の異なる対象物の振動を励起することは困難となる。

また、接近する必要の無い非接触検査法として、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。

この方法は、遠方から音波により被検査対象物を加振し、印加された対象物の振動を、遠方から、光学的に検出する検査手法もある。

しかし、この非特許文献１方法においては、加振用の強力な音波が、光学検出系へ直接入射し、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。

また、この非特許文献１方法においては、加振用の強力な可聴周波数音波が、周囲環境へ拡散し、甚大な騒音被害を与えることとなる。

一方、１次音波として高い周波数の超音波を送波した場合に、音波伝搬媒体の非線形性により形成される、低い周波数の２次音波の基本特性については非特許文献２に開示されている。

また、収束音波を１次音波とする場合に形成される、この２次音波の音場分布特性も非特許文献３に開示されている。

しかし、このような、超音波を送波し、形成される２次音波を利用する非接触音響検査法は知られていない。

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

「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 「Parametric Acoustic Array」, JASA, pp.535-537, April 1963 「収束超音波の第２高調波成分への回折の影響」, 日本超音波医学会 基礎技術研究会資料, 98-3, pp.9-16,Dec.1998

従って、本発明の目的は、光学検出系へ直接入射する加振音波による種々の悪影響を除去し、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にある。

本発明は、限局した空間に強力な超音波音場を形成し、当該強力超音波音場により対象位置近傍のみに形成される音響放射力により対称物を加振し、励起された対象物の振動を、遠方から光学的に検出する検査手法である。

このような、対象位置近傍のみに形成される音響放射力により対象物を加振する構成によると、光学検出系へ直接入射する直達波の強度が低下し、光学検出系に与える加振音波による悪影響が解消される

また、本発明における、超音波の音場特性から、限局された部位に対する局所検査も可能とする。

本発明によると、超音波による照射領域の限局により、周囲環境への騒音妨害が軽減される。

さらに、残響時間は周波数の２乗にて短くなることから、超音波を使用すると、トンネル内における検査等の、閉空間における作業環境の改善にも有効である。

また、細い指向性幅内のみを加振することから、従来方式において問題となる、加振超音波の特定入射角における、加振不能現象は発生しないこととなる。

同様に、細い指向性幅内のみを加振することから、従来方式において問題となる、床面反射成分との干渉による、加振不能現象は発生しないこととなる。

さらに、強力超音波により形成される音響放射力は、超音波のエネルギー密度により与えられることから、音響放射力の周波数特性は、直流成分まで形成可能である。

また、強力超音波により形成される音響放射力は、超音波音場の領域内のみに形成されることから、低周波数の音響放射力を狭い領域に限局させ形成することが可能となり、狭領域の低周波加振に特に有効となる。

非接触音響検査法における、従来例を示す説明図 非接触音響検査法における、従来例の動作を示す説明図 本発明による全体構成。（実施例１） 超音波送波器音場特性の概略図。（実施例１） 凹面超音波送波器による方位方向音場特性の一例を示した説明図。（実施例１） 凹面超音波送波器による距離方向音圧分布の一例を示した説明図。（実施例１） 単一ＰＣＷにより加振する構成の波形及び周波数スペクトルの説明図。（実施例１） 単一ＰＣＷにより加振する構成の対象物欠陥振動検出原理の説明図。（実施例１） 単一ＰＣＷにより加振する構成における各部信号形状の説明図。（実施例１） 有限長ＰＣＷにより加振する構成の波形及び周波数スペクトルの説明図。（実施例２） 有限長ＰＣＷにより加振する構成の対象物欠陥振動検出原理の説明図。（実施例２） 異周波の有限長ＰＣＷ波形を使用する構成の欠陥振動検出原理の説明図。（実施例２） 連続ＰＣＷにより加振する構成の波形及び周波数スペクトルの説明図。（実施例３） 連続ＰＣＷにより加振する構成の対象物欠陥振動検出原理の説明図。（実施例３） 搬送波抑圧両側波帯信号により加振する構成における波形の説明図。（実施例４） 凹面形状により超音波を収束させる超音波加振凹面音源の説明図。（実施例５） 時間差により超音波を収束させる超音波加振凹面音源の説明図。（実施例５） 超音波音源の後方に光学検出系を配置する構成の説明図。（実施例６）

本発明の実施形態は、限局した空間に強力な超音波音場を形成し、当該強力超音波により、対象位置近傍のみに形成される音響放射力により、対象物を加振することを最も主要な特徴とする。

図１は、従来例による非接触音響検査法における問題点を示す説明図であり、このような従来例においては、制御部８により制御される加振低周波音源１からの加振低周波音波２により、対象物３を加振し、レーザードップラー計測法等により構成される光学検出系５から放射される計測用光線２５により、欠陥部４の振動状況を計測し、処理部７により欠陥６の有無を判定し判定結果９として出力する。

ここで、加振低周波音源１による加振低周波音波２の一部である直達音波成分１０は不要妨害信号として光学検出系５に入射し、対象物反射音波１１は環境への騒音妨害となる。

特に、加振低周波音源１と光学検出系５とは実用上接近して配置されることから、直達音波成分１０は光学検出系５を強力に振動させ、目的とする対象物信号の検出感度を大幅に低下させる。

また、周囲構造物２０による周囲構造物反射音波２１も、不要妨害信号として光学検出系５に入射し、対象物信号の検出感度を低下させることとなる。

図２は、従来例における、非接触音響検査法の動作を示す説明図であり、時間間隔Ｔ_０にて繰り返す加振低周波音波ｓ_０は、時間長Ｔ_１の短パルスであり、欠陥部４の共振周波数近傍の低周波数成分を主体とする。

図２の加振低周波音波ｓ_０による加振により、欠陥部４は振動し、この振動が光学検出系５により検出され、図２における振動状況信号ｓ_１となる。

この振動状況信号ｓ_１は、直達音波成分１０による不要信号ｓ_１Ａと、位置Ｌ_２に存在する欠陥部４の振動であり、計測対象となる目的信号成分ｓ_１Ｂ、および、位置Ｌ_３に存在する周囲構造物２０からの周囲構造物反射音波２２による、不要信号成分ｓ_１Ｃとにより構成される。

直達音波成分１０による不要信号ｓ_１Ａ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、加振低周波音源１の近傍であることから強大な成分となる。

一方、位置Ｌ_２に存在する欠陥部からの目的信号成分ｓ_１Ｂは、距離Ｌ_２に対する片道の音波伝搬時間に対応する時刻Ｌ_２/ｃに出現し、遠方であることから不要信号ｓ_１Ａの後方に出現する。

また、位置Ｌ_３に存在する周囲構造物２０からの、周囲構造物反射音波２１は、距離Ｌ_３に対する往復の音波伝搬時間から、時刻２Ｌ_３/ｃにｓ_１Ｃとして強力に出現する。

従って、周囲構造物２０による不要成分ｓ_１Ｃは、周囲構造物２０の存在する距離Ｌ_３の状況により、図２のｓ_１に示されるように、目的信号成分ｓ_１Ｂに重畳して出現してしまう。

従来構成においては、目的信号の出現時刻Ｌ_２/ｃ近辺に開始し、時間幅が概略Ｔ_３にて終了する選択信号ｓ_２により、不要信号ｓ_１Ａを抑圧する。

この選択信号ｓ_２により、不要信号ｓ_１Ａを抑圧した結果は信号ｓ_３となり、直接信号１０による不要信号ｓ_１Ａは抑圧されるが、周囲構造物２０による不要成分ｓ_１Ｃは、目的信号成分ｓ_１Ｂと重畳する位置であり、選択信号ｓ_２の選択時間内であることから分離不可能となる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明するが、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

本発明は、限局した空間に強力な超音波音場を形成し、当該強力超音波により、対象位置近傍のみに形成される音響放射力により対称物を加振し、励振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に関するものであり、図３に示す本発明による全体構成により、本発明の基本動作を説明する。

図３の全体構成において、超音波加振凹面音源１２は、超音波制御部１３により制御され、加振超音波１４を放射する。

この、加振超音波１４が形成する超音波音圧p_Ｈは、媒質の非線形効果により、加振領域１５内に位置する対象物３の表面部分に音響放射圧p_Lを発生し、この音響放射圧p_Lにより対象物３を加振する。

この、加振超音波１４による超音波音圧p_Ｈと、加振領域１５に形成される音響放射圧p_Lとの関係は、ρを媒質（この場合には空気）の密度、ｃを媒質（この場合には空気）中の音速として次式となる。

（数１）
p_L＝p_Ｈ ^２／（ρＣ^２）

この関係は２次であり、加振超音波１４による超音波音圧p_Ｈが小さくなると、加振領域１５に形成される音響放射圧p_Lは急速に減衰し、実質的には消滅する。

実例を示すと、p_Ｈ：３０００Ｐａ（パスカル：ニュートン／ｍ^２）においてはp_L：１００Ｐａ（１３４ｄＢ−ＳＰＬ）、p_Ｈ：３００Ｐａにおいてはp_L：１Ｐａ（９４ｄＢ−ＳＰＬ）と低下する、さらに、p_Ｈ：３０Ｐａにおいてはp_L：０．０１Ｐａ（５４ｄＢ−ＳＰＬ）となり、p_Ｈが３０Ｐａ以下の超音波によると音響放射圧p_Lによる対象物３の加振は事実上不可能となる。

従って、本発明による音響放射力による加振は、超音波音圧p_Ｈが３０Ｐａ以上の強力超音波を使用することにより、始めて好適に実現される。

本発明においては、音響放射力による加振された欠陥部４の振動状況を、光学検出系５による計測用光線２５により検出し、処理部７により欠陥６の有無を判定し判定結果９として出力する。

図３の実施例において使用する超音波音源は、超音波加振凹面音源１２であり、凹面超音波送波器音場特性は、良く知られたように概略図４ａ）となり、凹面の曲率半径に相当する焦点距離Ｆにおいて収束する。

ここで、超音波の波長をλ、送波器の口径をＤｃとすると、焦点距離Ｆにおける方位方向の音場分布は、回折限界角λ/Ｄｃで決まる方位方向ビーム幅ｄ_Ｃ（≒λＦ/Ｄ_Ｃ）となる。

このように、細い方位方向ビーム幅ｄ_Ｃ内のみを加振することから、対象物の局所的な検査が可能となる。

また、このように、細い指向性幅ｄ_Ｃ内のみを加振することから、対象物内において加振力の位相が反転することによる、加振超音波１４の入射角における加振不能角度は発生しないこととなる。

このような、凹面超音波送波器による方位方向音場特性の一例を、口径３０ｃｍ、焦点距離１ｍの送波器により波長８ｍｍの超音波を送波する場合につき示すと、図５となり、幅６ｃｍの方位方向ビーム幅ｄ_Ｃのみに高い超音波音圧p_Ｈを形成することとなる。

図５において、破線が超音波音圧p_Ｈであり、実線が音響放射圧p_Lとなる（いずれも最大値に対する相対値）。

また、凹面超音波送波器の焦点近傍に形成される、収束領域の長さW_Ｃは、焦点における方位方向ビーム幅ｄ_ＣによりW_Ｃ≒ｄ_Ｃ ²/λと与えられ、この収束領域より遠方においては、超音波ビームは急速に拡散し、強度が低下することも知られている。

このように、収束領域より遠方においては、超音波ビームは急速に拡散し、強度が低下することから、収束領域以外の周囲環境に対する、騒音妨害も大幅に軽減される。

このような凹面超音波送波器による軸上音圧分布の一例を、口径３０ｃｍ、焦点距離１ｍの送波器により波長８ｍｍの超音波を送波する場合につき示すと、図６となり、幅約６ｃｍの焦点領域W_Ｃ’のみに高い超音波音圧p_Ｈを形成することとなる。

図６において、破線が超音波音圧p_Ｈであり、実線が音響放射圧p_Lとなる（いずれも最大値に対する相対値）。

ここで、実際の加振に貢献する音響放射圧p_Lは、超音波音圧p_Ｈの２乗に比例することから、p_Lにより評価すると図６の焦点領域W_Ｃとなり、さらに狭い５ｃｍ程度の領域に駆動力が限局されることを示している。

このように、凹面超音波送波器により形成される加振領域１５は、焦点領域W_Ｃの近傍に限局されることから、図３に示す構成において、光学検出系５の近傍における直達超音波成分１６は弱く、直達超音波成分１６による、光学検出系５に対する妨害は軽微であり、処理部７による正確な欠陥判定が可能となる。

また、音響放射圧p_Lと超音波音圧p_Ｈは共に対象物により反射されるが、図３の２４に示すこれら対象物反射成分は全て、微小領域からの放射であるため球面拡散し、照射対象位置からの距離の２乗に反比例して急速に減衰することから、対象物反射成分の周囲環境への悪影響も軽微となる。

図３に例示する超音波音源を、超音波加振平面音源２３とする構成も可能であり、平面音源音場特性は、良く知られたように概略図４ｂ）となる。

この平面音源２３においても、図４ｂ）に示すように、超音波の波長をλ、送波器の口径をＤ_Ｆとして、近距離音場距離Ｗ_Ｆ≒Ｄ_Ｆ ^２/λ以内において、音源口径Ｄ_Ｆ相当の限局した空間内のみに音圧を形成することが可能となる。

ここで仮に、超音波の波長λを１ｃｍ（超音波周波数３０ｋＨｚ程度）とし、平面音源２３の口径Ｄ_Ｆを３０ｃｍとすると、近距離音場距離Ｗ_Ｆ（≒Ｄ_Ｆ ^２/λ）は９００ｃｍ（９ｍ）となり、距離９ｍまでに、直径３０ｃｍの円柱状に限局された照射領域を、平面音源２３により形成することが可能となる。

本実施例においては、図３の構成において使用する加振超音波１４の波形を、図７ａ）に示す、最も基本的な波形である単一ＰＣＷ波形ｓ_ＳＡとし、単一ＰＣＷ波形ｓ_ＳＡの周波数スペクトルを図７ｂ）のＳ_ＳＡに示す。

この加振超音波波形ｓ_ＳＡの２乗が、加振領域１５に形成される音響放射圧p_Lとなることから、音響放射圧p_Lは、図７ａ）のｓ_ＳＢとなる。

この音響放射圧ｓ_ＳＢは、図７ａ）に示す二つの波形ｓ_ＳＣとｓ_ＳＤとの和により表されることから、音響放射圧ｓ_ＳＢの周波数スペクトルＳ_ＳＢは図７ｃ）となり、加振超音波波形ｓ_ＳＡの中心周波数（ｆ_０）２倍の中心周波数（２ｆ_０）を有する高周波成分スペクトルＳ_ＳＣと、直流成分をも有する低周波成分スペクトルＳ_ＳＤとを有することとなる。

このように、音響放射圧ｓ_ＳＢの低周波成分スペクトルＳ_ＳＤは、加振超音波波形ｓ_ＳＡの２乗により形成されることから、加振超音波波形ｓ_ＳＡの包絡線形状に類似した波形であり、加振超音波波形ｓ_ＳＡの包絡線形状を選択することにより、低周波成分スペクトルＳ_ＳＤの形状を欠陥部の共振周波数特性に類似させることができる。

ここで、音響放射圧ｓ_ＳＢの周波数スペクトルＳ_ＳＢは図８ａ）に示す通りであり、対象物欠陥の共振スペクトルを図８ｂ）に示すＳ_Ｆとすると、図８ａ）における低周波成分スペクトルＳ_ＳＤ中に、Ｓ_Ｆの周波数成分を含むことから、音響放射圧ｓ_ＳＢによる対象物加振の結果、周波数スペクトルを図８ｃ）のＳ_ＳＲＦとする対象物欠陥の振動が励起されることとなる。

本実施例においては、この周波数スペクトルが図８ｃ）のＳ_ＳＲＦとなる対象物欠陥の振動を、時間波形ｓ_ＳＲＦとして光学的に検出する。

ここで、欠陥振動波形ｓ_ＳＲＦの持続時間長をＴ_２とすると、対象物欠陥共振スペクトルＳ_Ｆの帯域幅は１／Ｔ_２となり、この持続時間長Ｔ_２は、発明者らの詳細な検討から、通常のコンクリート内部欠陥においては１０ｍｓ程度であることが判明している。

このように、超音波の音響放射力により加振力を発生する構成おいては、超音波周波数に関係なく低周波加振力が形成されることから、対象欠陥の振動周波数に関係なく超音波周波数を選択可能であり、可聴周波数以上の高周波（１６ｋＨｚ以上）とすることにより、周囲住人に対する騒音妨害の低減も可能となる。

以下、本実施例による、加振高周波音波をｓ_ＳＡ（ｓ_ＳＡ１、ｓ_ＳＡ２、ｓ_ＳＡ３−−）とする構成における、各部の信号形状を図９により説明する。

図９の動作において、加振高周波音波ｓ_ＳＡは、時間間隔Ｔ_０にて繰り返す、時間長Ｔ_１の単一ＰＣＷ高周波信号であり、非線形効果により欠陥部４の共振周波数近傍の低周波成分を形成する。

図９の加振高周波音波ｓ_ＳＡにより対象物を加振し、対象物の振動を光学検出系５により計測することにより、図９に示す対象物の振動状況信号ｓ_ＳＲが得られる。

この、対象物の振動状況信号ｓ_ＳＲには、不要直達超音波成分１６による不要信号ｓ_ＳＲＤと、位置Ｌ_２に存在する欠陥部から計測される目的信号成分ｓ_ＳＲＦが含まれる。

一方、位置Ｌ_３に存在する周囲構造物２０は、加振超音波の照射領域外となるため、周囲構造物２０からの反射波である周囲構造物反射超音波２１は発生せず、振動状況信号ｓ_ＳＲには含まれないこととなる。

本発明においては、振動状況信号ｓ_ＳＲから、目的信号出現時刻Ｌ_２/ｃ近辺に開始し、時間幅が概略Ｔ_３（＞Ｔ_２）となる選択信号ｓ_Ｇにより、目的信号成分選択的に抽出し、選択抽出信号ｓ_ＳＲＧとする。

この選択信号ｓ_Ｇにより、直達超音波成分１６による不要信号ｓ_ＳＲＤは抑圧され、さらに、加振超音波の照射領域外のため、周囲構造物反射超音波２１も存在しないことから、選択抽出信号ｓ_ＳＲＧには目的とする対象欠陥による信号成分ｓ_ＳＲＦのみが含まれる事となる。

このように、選択抽出信号ｓ_ＳＲＧには、目的とする対象欠陥による信号成分ｓ_ＳＲＦのみが含まれる事から、本実施例の構成により、不要信号に影響されない高精度の欠陥検出が可能となる。

ここでは、第２の実施例として、図３の構成における加振超音波１４として、図１０ａ）に示す有限長ＰＣＷ波形を、加振超音波波形ｓ_ＭＡとして使用する構成につき、その動作を説明する。

この加振超音波波形ｓ_ＭＡの２乗が、加振領域１５に形成される音響放射圧p_Lとなることから、音響放射圧p_Lは、図１０ａ）のｓ_ＭＢとなる。

この音響放射圧ｓ_ＭＢは、図１０ａ）の波形ｓ_ＭＣとｓ_ＭＤとの和であることから、音響放射圧ｓ_ＭＢの周波数スペクトルＳ_ＭＢは、２倍の中心周波数を有する高周波成分スペクトルと、低周波成分スペクトルＳ_ＭＤとを有することとなる。

ここで、対象物の駆動に寄与する成分は低周波成分スペクトルＳ_ＭＤであり、この低周波成分スペクトルＳ_ＭＤは、図１０ｂ）に示すように、中心周波数が１/Ｔ_４であり、帯域幅は１/Ｔ_５に制限されている。

ここで、低周波成分スペクトルＳ_ＭＤは、帯域幅が１/Ｔ_５に制限されていることから、この帯域内の信号成分については信号の強度が増加している。

このような音響放射圧ｓ_ＭＢにより、図１１ｂ）の共振スペクトルＳ_Ｆを有する対象物欠陥を加振すると、低周波成分スペクトルＳ_ＭＤにより対象物は加振され、図１１ｃ）に示す周波数スペクトルＳ_ＭＲＦとして振動し、光学的に検出されることとなる。

ここで、音響放射圧ｓ_ＭＢによる低周波成分スペクトルＳ_ＭＤは図１１ａ）であり、対象物欠陥の共振スペクトルＳ_Ｆを、低周波成分スペクトルＳ_ＭＤ中に強く含むことから、音響放射圧ｓ_ＭＢによる対象物加振の結果、周波数スペクトルを図１１ｃ）のＳ_ＭＲＦとする対象物欠陥の振動が強く励起されることとなる。

本実施例においても、図１１ｃ）の、周波数スペクトルがＳ_ＭＲＦとなる対象物欠陥の振動を、時間波形ｓ_ＭＲＦとして光学的に検出する。

ここで、図１１ｂ）の共振スペクトルＳ_Ｆの中心周波数は未知であり、低周波成分Ｓ_ＭＤの位置と共振スペクトルＳ_Ｆの位置とが一致しない場合には、対象物が加振されないことから、対象物の欠陥は検知されない。

このような場合においても、図１２ａ）のｓ_ＭＴＤに示す、中心周波数が順次変化する、有限長ＰＣＷ波形を順次連結して使用することにより、それぞれの送信パルスの周波数スペクトルが、図１２ｂ）に示すＳ_ＭＴＤ２，Ｓ_ＭＴＤ３，Ｓ_ＮＴＤ４として相互に重畳するため、未知の共振スペクトルＳ_Ｆを、図１２ｂ）に示す周波数スペクトルＳ_ＭＴＲＦとして見落とし無く検知可能となる（この図においては、Ｔ_５を一定とし、Ｎを自然数とし、Ｔ_５＝ＮＴ_４ としている）。

図１２のように、時間とともに音響放射圧の中心周波数を順次変化させる構成において、選択抽出信号ｓ_ＳＲＧに対して周波数選択手段（濾波器）を使用することにより、着目周波数範囲を音響放射圧の中心周波数変化に対応して変化させる構成が可能である

具体的には、図１２における、時間Ｔ_ＭＴＤ２においては、周波数選択手段により、周波数スペクトルＳ_ＭＴＤ２の周波数成分のみを通過させ、時間Ｔ_ＭＴＤ３においては、周波数スペクトルＳ_ＭＴＤ３の周波数成分のみを通過させ、同様に、時間Ｔ_ＭＴＤ４においては、周波数スペクトルＳ_ＭＴＤ４の周波数成分のみを通過させるように構成する。

このように、着目周波数範囲を音響放射圧の中心周波数変化に対応して変化させるように構成することにより、前後の加振による不要信号の混入を効果的に除去することが可能となり、欠陥の検出精度が向上する。

ここでは、第３の実施例として、図３の構成における加振超音波１４として、図１３ａ）に示す連続ＰＣＷ波形を、加振超音波波形ｓ_ＩＡとして使用する構成につき、その動作を説明する。

この加振超音波波形ｓ_ＩＡの２乗が、加振領域１５に形成される音響放射圧p_Lとなることから、音響放射圧p_Lの波形は、図１３ａ）のｓ_ＩＢとなる。

この波形ｓ_ＩＢは、図１３ａ）のｓ_ＩＣとｓ_ＩＤとの和であることから、音響放射圧p_Lの波形ｓ_ＩＢの周波数スペクトルＳ_ＩＢは、２倍の中心周波数を有する高周波成分スペクトルと、低周波成分スペクトルＳ_ＩＤとを有することとなる。

ここで、対象物の駆動に寄与する成分は低周波成分スペクトルＳ_ＩＤであり、低周波成分スペクトルＳ_ＩＤは図１３ｂ）に示すように、周波数１/Ｔ_４の線スペクトルとなり、この周波数においては信号強度が最高になる。

このような波形ｓ_ＩＡの繰り返し周期Ｔ_４を変化させることにより、低周波成分ｓ_ＩＤの周波数を変化させ（周波数掃引幅Ｂｓ）、このｓ_ＩＤにより図１４ｂ）の共振スペクトルＳ_Ｆを有する対象物欠陥を加振すると、未知のＳ_Ｆと一致した周波数のＳ_ＩＤにより対象物欠陥は加振され、最終的には、図１４ｃ）に示す周波数スペクトルＳ_ＩＲＦによる振動信号が得られ、対象物欠陥が光学的に検出されることとなる。

第４の実施例として、図３の構成における加振超音波１４として、有限長の２種類の等振幅正弦波により形成される、図１５に示す、搬送波抑圧両側波帯信号（ＤＳＢ−ＳＣ波）ｓ_ＷＡを使用する構成につき説明する。

この加振超音波波形ｓ_ＷＡの２乗が、加振領域１５に形成される音響放射圧p_Lとなることから、音響放射圧p_Lは、図１５のｓ_ＷＢとなる。

この音響放射圧ｓ_ＷＢは、図１５の高周波成分波形ｓ_ＷＣと低周波成分波形ｓ_ＷＤとに分解され、この低周波成分波形ｓ_ＷＤは、図１０ａ）のｓ_ＭＤに類似した波形であるが、正弦波の形状であることから高調波成分が無く、不要信号の少ない加振を可能とする。

したがって、この搬送波抑圧両側波帯信号ｓ_ＷＡを使用する構成により、欠陥検出の精度が向上することとなる。

ここで、周波数変調波（ＦＭ波）において、変調指数（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ：搬送波周波数偏移量／変調信号周波数）を、零次ベッセル関数の第一零点である２．４０４８３とすると、周波数変調波における搬送波成分が消滅し両側波帯信号のみとなる。

従って、変調指数をこの２．４０４８３とする周波数変調波により、狭帯域単共振特性の超音波振動子を駆動すると、搬送波抑圧両側波帯信号ｓ_ＷＡによる加振超音波１４が放射されることになる。

このように、加振超音波１４として使用する加振超音波波形は、種々選択可能であり、本実施例に限られるものではない。

ここで、図３の構成における超音波加振凹面音源１２の構成例を図１６および図１７により説明する。

図１６の構成例においては、多数の微小超音波振動子１７を凹面形状１８に配置し、共通の駆動信号を印加することにより、凹面状波面１９を送出し、焦点位置Fに超音波を収束させることができる。

また、図１７に示す構成例においては、微小超音波振動子１７を平面上に配置し、同心円上の素子１７を部分配線２６により共通接続する。

この部分配線２６に、共通駆動信号２８をタップ付き遅延線２７により凹面状の時間差を与えることにより生成した、個別信号２９を印加する。

この、時間差有する個別信号２９による、部分配線２６の個別駆動により、同様に、凹面状の波面１９を送出し、焦点位置Fに超音波を収束させることができる。

超音波加振凹面音源１２の構成は、本実施例に述べた構成に限られるものではなく、大型面状素子単体により構成される音源、あるいは、凸面形状とすることにより、比較的広い領域に加振超音波１４を照射する音源など、機能を達成する目的で種々変更可能であることは自明である。

ここで、実施例６として、図３の構成における超音波加振凹面音源１２および光学検出系５の構成を図１８とする構成につき説明する。

ここで、図１８の構成においては、超音波加振凹面音源１２の中央に、計測用光線２５の通過孔３０を形成し、超音波加振凹面音源１２の後方に、光学検出系５を配置する。

ここで、計測用光線２５を、中心軸３１上に配置すると、計測用光線２５が加振領域１５を必ず通過することとなる。

このような図１８の構成によると、超音波加振凹面音源１２の中心軸３１上の計測用光線２５により、対象物までの距離も計測が可能であり、この光学的な距離の計測結果に応じて、タップ付き遅延線２７に与える凹面状の時間差を設定することにより、超音波加振凹面音源１２の焦点位置を対象面位置に一致させることが可能となる。

また、このように、超音波加振凹面音源１２の後方に、光学検出系５を配置することにより、光学検出系５は、凹面状波面１９の妨害振動を受けないこととなり、高精度の計測が可能となる。

本発明によると、限局した空間のみに加振超音波１４が形成されることから、光学検出系への妨害信号が低下することにより、計測時間が短縮されると共に、微小欠陥の検出も可能となる。

同様に、限局した空間のみに加振超音波１４が形成されることから、住宅地等における、住民あるいは周囲環境への放射騒音も低減される。

また、限局した空間のみに加振超音波１４が形成されることから、従来方式において問題となる、床面反射成分との干渉による、検査不能領域の形成も解消する。

さらに、狭い面積のみを加振することから、小欠陥に対する局所検査など、限局された部位に対する詳細な検査も可能となる。

また、狭い面積のみを加振することから、加振超音波を特定角度にて入射させた場合に発生する、加振不能現象は発生しないこととなり、トンネルの天井等の傾斜した対象物における大面積欠陥を、遠方から見落とし無く検出可能とする。

また、本発明における、音響放射圧による加振の特性から、直流までの超低周波加振が可能となり、共振周波数が低くなる大型剥離欠陥等における、低周波にて振動する欠陥の検出も可能となる。

本発明における加振超音波１４における最高使用可能周波数は、空中における超音波の伝搬減衰が周波数と共に急速に増大することから制限され、通常は、加振超音波１４における中心周波数ｆ_０を５００ｋＨｚ以下とすることが望ましい。

１ 加振低周波音源
２ 加振低周波音波
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
９ 判定結果
１０ 直達音波成分
１１ 対象物
反射音波
１２ 超音波加振凹面音源
１３ 超音波制御部
１４ 加振超音波
１５
加振領域
１６ 直達超音波成分
１７ 微小超音波振動子
１８ 凹面形状
１９ 凹面状超音波波面
２０ 周囲構造物
２１ 周囲構造物反射音波
２２ 周囲構造物反射超音波
２３ 超音波加振平面音源
２４ 対象物反射成分
２５ 計測用光線
２６ 部分配線
２７ タップ付き遅延線
２８ 共通駆動信号
２９ 個別信号
３０ 通過孔
３１ 中心軸

Claims (8)

1. 超音波を送波し、該超音波により形成される音響放射力により対象物を加振する送波構成、前記加振により励起された前記対象物の振動状況を光学的に計測する光学計測構成、および、光学計測結果を処理し検査結果を出力する処理構成を有する装置において、
   前記音響放射力が、前記超音波の伝搬媒質中における非線形効果により形成され、前記超音波の周波数帯域よりも低い周波数帯域である、低周波成分スペクトルからなるように構成され、前記低周波成分スペクトルが、前記対象物の振動を励起可能とする周波数帯域を包含する周波数帯域となるように構成され、前記光学計測構成が、前記対象物の振動状況を計測し、該計測結果を光学計測結果として出力する構成であり、前記処理構成が、処理部により、前記光学計測結果を処理することにより、前記対象物の振動状況を判定し、判定結果を前記対象物の検査結果として出力するように構成されることを特徴とする、非接触音響検査装置。
2. 前記送波構成が、収束性超音波を送波する構成であることを特徴とする、請求項１に記載の非接触音響検査装置。
3. 前記送波構成が、有限時間長の超音波信号を送波し、前記処理構成が前記光学計測結果の特定時間部分を選択して使用する構成であることを特徴とする、請求項１に記載の非接触音響検査装置。
4. 前記送波構成が、時間とともに前記音響放射力の周波数が変化するように構成され、前記処理構成が前記周波数の変化に対応した周波数成分のみを抽出する周波数選択手段を有する構成であることを特徴とする、請求項１に記載の非接触音響検査装置。
5. 前記超音波の周波数が、可聴周波数以上の高周波であることを特徴とする請求項１に記載の非接触音響検査装置。
6. 前記超音波の音圧が、３０Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１に記載の非接触音響検査装置。
7. 前記送波構成が、多数の小型超音波送波器を、凹面状に配置した構成である又は平面状に配置し同心円状に共通接続した構成であることを特徴とする請求項１に記載の非接触音響検査装置。
8. 前記送波構成及び前記光学計測構成において、前記光学計測構成が、前記送波構成の中心軸に沿って計測するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の非接触音響検査装置。

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