JP6440371B2 - 超音波測定装置及び方法 - Google Patents

Description

この発明は、超音波を用いて試験体の音速を測定する超音波測定装置及び超音波測定方法に関するものである。

近年構造物の損傷が顕在化しており、適切な維持管理が要求されている。コンクリート構造物においては強度の測定が重要である。コンクリートの強度はヤング率で表すことができ、ヤング率は音速で表すことができるため、コンクリートの音速を求める技術が望まれている。特に作業現場では、煩雑な作業を必要としない簡単な測定技術が望まれている。

コンクリート中を伝搬する超音波は減衰が大きいため、音速測定では数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度の周波数が用いられることが多い。このような周波数帯では波長が長いので、１個の探触子で試験体底面エコーを受信することが困難となるため、２個の探触子を用いた方法が用いられる。２個の探触子を用いた一般的な音速測定方法では、送信用探触子から超音波を発生させ、この超音波が試験体中を伝搬していく。底面方向に伝搬する超音波は、主に縦波である。縦波の超音波は試験体の底面で反射され、受信用探触子で受信される。この信号は一般に底面エコーと称されている。

底面エコーが簡単な波形であれば、伝搬遅延時間を容易に測定できるので、試験体の音速も簡単に求めることができる。しかし送信用探触子と受信用探触子との距離によっては、測定が複雑になる場合もある。また、送信用探触子からは試験体の表面に沿って表面波が伝搬し、受信用探触子で受信される。表面波の音速は縦波よりも遅いため、受信時間が重なってしまう場合がある。底面エコーと表面波が重なると、底面エコーの伝搬遅延時間を測定することは容易ではない。

このような状況で音速を測定する従来技術として、例えば、特許文献１に記載されたような測定方法があった。この測定方法では、探触子間距離を変化させながら測定を繰り返し、開口合成法で音速あるいは試験体の厚さを求めるという方法である。また、例えば特許文献２に記載されているように、表面波の影響を抑制するために、受信信号から表面波の信号を差し引くようにした方法があった。

特開平９−３１８６０７号公報 特開平５−１８８０４３号公報

しかしながら、上記従来の測定方法のうち、特許文献１に記載された探触子間距離を変化させながら測定を繰り返す方法は、探触子間距離を変えて複数回データ採取を行う必要があり、このため、煩雑な作業を必要とするという問題があった。
また、特許文献２に記載された測定方法では、受信信号から表面波を差し引くため、表面波が特定できない場合には適用困難であるという問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、表面波が特定できないといった場合でも、煩雑な作業を必要とすることなく音速測定が可能な超音波測定装置及び方法を得ることを目的とする。

この発明に係る超音波測定装置は、試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出する信号処理部とを備え、信号処理部は、受信した超音波において試験体の裏面から受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、横波から試験体の音速を算出するものである。

この発明の超音波測定装置は、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出するようにしたので、表面波が特定できないといった場合でも、煩雑な作業を必要とせずに音速測定を行うことができる。

この発明の実施の形態１による超音波測定装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による超音波測定装置の音場シミュレーション結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による超音波測定装置の受信されたエコーとシミュレーション結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による超音波測定装置のスパイク状の波形を生成する過程を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による超音波測定装置の異なる探触子距離の結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による超音波測定装置の縦波底面エコーおよび横波底面エコーを用いて音速測定する場合の説明図である。 この発明の実施の形態１による超音波測定装置の横波底面エコーだけを用いて音速測定する場合の説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による超音波測定装置を示す構成図である。
図１に示す超音波測定装置は、送信用探触子１、受信用探触子２、送受信器１０からなる。送信用探触子１は、試験体１００上に設置され、送受信器１０からの電気信号によって駆動されて、試験体１００に対して超音波を送出するための探触子である。受信用探触子２は、試験体１００上に設置され、送信用探触子１から送出されて試験体１００内を伝搬した超音波を受信するための探触子であり、受信信号を送受信器１０に出力するよう構成されている。送受信器１０は、送信用探触子１を駆動すると共に受信用探触子２からの受信信号に基づいて試験体１００の音速を測定する処理部であり、送信部１１、受信部１２、表示部１３、信号処理部１４を備えている。

送信部１１は、送信用探触子１から出力するための超音波の電気信号を送信用探触子１に供給するための処理部である。受信部１２は、受信用探触子２からの電気信号を受信し、表示部１３と信号処理部１４とに送出する処理部である。表示部１３は、受信用探触子２での受信結果や信号処理部１４の処理結果等を表示するための表示出力部である。信号処理部１４は、受信部１２で受信された受信用探触子２からの受信信号に基づいて試験体１００の音速を算出する演算部である。なお、図示は省略しているが、送受信器１０には制御部が内蔵されており、送信部１１、受信部１２、表示部１３および信号処理部１４は、制御部からの信号により動作を制御される。

次に、実施の形態１の超音波測定装置における基本的な動作原理について説明する。
まず、コンクリート等の減衰材の音速測定を行うと、どのような信号が受信されるのかを、図２の音場シミュレーション結果を用いて説明する。図２は、試験体１００として、厚さ１２０ｍｍのコンクリートに対して周波数１００ｋＨｚの探触子を用い、探触子間距離を１００ｍｍとしてシミュレーションを行って得られた試験体内音場である。送信用探触子１を励振してから１０μｓ〜８０μｓの音場であり、時系列で並べたものである。送信用探触子１から発せられた縦波の超音波が試験体１００中に伝搬していくが、受信用探触子２で一番最初に受信される信号は、試験体１００の表面に沿って伝搬した縦波である。
ＴＯＦＤ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法ではこの縦波をラテラル波と呼んでいるので、ここでもラテラル波と呼ぶことにする。音場シミュレーション結果から、約２０μｓ後にラテラル波が受信される様子が分かる。

試験体１００の表面に沿って伝搬する超音波は、ラテラル波だけではなく、表面波も伝搬する。音場シミュレーションから、約４０μｓで表面波が受信される様子が分かる。

試験体１００の底面方向に伝搬した縦波は、底面で反射され、受信用探触子２で受信される。しかし音場シミュレーション結果から分かるように、反射する際に縦波だけでなく、モード変換により横波も発生する。従って、縦波底面エコーだけでなく横波底面エコーも受信される。

音場シミュレーション結果から、受信されるエコーを時系列で並べると、
・ラテラル波
・表面波
・縦波底面エコー
・横波底面エコー
となる。

図３には、シミュレーションで得られたエコーを実験結果と重ねて示す。実線が実験結果であり、破線がシミュレーション結果である。両者はほぼ一致していることから、シミュレーション結果は信頼できるものと考えられる。また図３には、音場シミュレーション結果から推定したエコーの解釈を併せて示している。図３に示すように、縦波底面エコーだけが受信される訳ではなく、４つの信号（ラテラル波、表面波、縦波、横波）が受信されており、複雑な波形となっている。

音速を測定するだけであれば、エコーの振幅は無視できる。そこで、エコーの位相だけを強調した波形に整形し、以下説明することにする。まず、エコーの位相だけに強調した波形整形法について図４を参照しながら説明する。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ、ＡＣ波形、飽和波形、および微分波形である。

受信用探触子２からの信号は、図４（ａ）に示すようなＡＣ波形である。このＡＣ波形を、図４（ｂ）に示すように増幅により飽和させ、飽和波形を求める。その後、図４（ｃ）に示すように微分することによって、微分波形を求める。なお、このような演算は信号処理部１４が行う。図４に示すように、ＡＣ波形のゼロクロス点が、微分波形ではスパイク状の波形となって現れる。スパイク状の波形であれば、伝搬遅延時間を読み取ることがＡＣ波形よりも容易と考えられる。以下では、このスパイク状の波形で音速測定について説明する。

図５は、探触子間距離を１００ｍｍ、１２０ｍｍ、１２５ｍｍとして実験を行って得られた受信信号を、スパイク状の波形で示したものである。図に示すように、探触子間距離１００ｍｍでは、表面波を表すスパイク状の波形、縦波底面エコーを表すスパイク状の波形（図では「縦波」として示している）、および横波底面エコーを表すスパイク状の波形（図では「横波」として示している）が、それぞれ分離して受信されている。しかし探触子間距離を離していくと、距離１２０ｍｍでは表面波と縦波とが重なり始め、距離１２５ｍｍでは両者が打ち消し合ってしまう。このような場合、縦波底面エコーを用いた音速測定はできない。

一方、表面波と縦波底面エコーとが重なって音速測定ができない場合でも、図５に示すように、横波底面エコーは受信されている。従って、表面波と縦波底面エコーとが重なる場合には、横波底面エコーを用いれば、音速測定は可能である。そこで、本発明は、横波底面エコーを用いて音速測定を行うようにしたものである。以下、超音波測定装置の動作を説明する。

送信部１１からの電気信号により、送信用探触子１が励振され、試験体１００中には超音波が伝搬していく。図２の音場シミュレーション結果で示したように、試験体１００中の超音波の伝搬経路は様々であり、試験体１００の底面で反射されて受信される信号もあれば、試験体１００の表面を伝搬して受信される信号もある。図１中では、矢印を付して底面エコーおよび表面波の伝搬経路を示している。試験体１００中を伝搬した超音波を受信用探触子２で受信し、電気信号に変換して受信部１２に送る。受信部１２では、必要があれば受信信号を増幅し、結果を表示部１３に送る。表示部１３は、受信信号を表示する。
信号処理部１４では、図４に示した波形生成プロセスに基づいて、スパイク状の波形を生成する。

図５に示したように、表面波と縦波が重なる場合がある。その結果、表面波によるスパイク状の波形と縦波によるスパイク状の波形は打ち消し合って消えてしまう。しかし横波によるスパイク状の波形は残る。本実施の形態では、縦波底面エコーおよび横波底面エコーに対して、それぞれに異なるゲートを掛けて、音速測定を行うというものである（図６及び図７に示すゲート２０とゲート２１参照）。信号処理部１４では、ゲート２０の波形は縦波底面エコーとして処理し、ゲート２１の波形は横波底面エコーとして処理して音速を求める。なお、これらゲート２０，２１は、例えば、振幅が＋側で所定の時間間隔の信号を対象とする、といったゲートとする。このように２個のゲートを有することで、縦波底面エコーが表面波と重なってしまう場合でも、横波底面エコーを用いた音速測定が可能となる。

図６のように縦波底面エコーおよび横波底面エコーが受信される場合には、ゲート２０内およびゲート２１内に、それぞれ、スパイク状の波形が受信される。音速測定は、縦波底面エコーを用いても良いし、横波底面エコーを用いても良い。あるいは両者を用いて音速測定を行い、信頼できる値の方を採用しても良いし、平均値を採用しても構わない。

一方、図７に示すように、縦波底面エコーが消失した場合、横波底面エコーは受信されるので、ゲート２１内のスパイク状の波形から音速測定が可能である。すなわち、信号処理部１４は、超音波が送信用探触子１から試験体１００の底面までは縦波で伝搬し、試験体１００の底面から受信用探触子２までは横波で伝搬したという想定の基に、受信用探触子２の受信信号から試験体１００の音速を算出する。

なお、ここではスパイク状の波形を例として音速測定装置および方法について説明したが、ＡＣ波形でも構わない。また、通常の探傷で用いられているＤＣ波形でも構わない。

以上説明したように、実施の形態１の超音波測定装置によれば、試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出する信号処理部とを備えたので、表面波と縦波が干渉して打ち消し合うといった場合でも煩雑な作業を必要とせず、簡易な方法で音速測定を行うことができる。

また、実施の形態１の超音波測定装置によれば、信号処理部は、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出するようにしたので、音速測定の精度を高めることができる。

また、実施の形態１の超音波測定方法によれば、送信用探触子により試験体中に超音波を送信し、受信用探触子により前記試験体中を伝搬した超音波を受信し、送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、試験体の音速を算出するようにしたので、表面波と縦波が干渉して打ち消し合うといった場合でも煩雑な作業を必要とせず、簡易な方法で音速測定を行うことができる。

また、実施の形態１の超音波測定方法によれば、
超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出するようにしたので、音速測定の精度を高めることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 送信用探触子、２ 受信用探触子、１０ 送受信器、１１ 送信部、１２ 受信部、１３ 表示部、１４ 信号処理部、２０，２１ ゲート、１００ 試験体。

Claims (4)

1. 試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、
   前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、
   前記超音波が前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬し、前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出する超音波測定装置。
2. 試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、
   前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、
   前記超音波が前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出する超音波測定装置。
3. 送信用探触子により試験体中に超音波を送信し、受信用探触子により前記試験体中を伝搬した超音波を受信し、
   前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬し、前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出し、
   前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出することを特徴とする超音波測定方法。
4. 送信用探触子により試験体中に超音波を送信し、受信用探触子により前記試験体中を伝搬した超音波を受信し、
   前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出し、
   前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出することを特徴とする超音波測定方法。

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