JP7216884B2 - 反射波の評価方法 - Google Patents

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Description

本発明は、構造物（長尺物）に弾性波を入力し、その反射波から構造物の欠陥を判定する技術に関する。
従来より、パイプライン、各種配管、及び建築物等の寸法の長い長尺物の傷や欠陥を検出するのに弾性波を利用したパルス反射法が用いられている。パルス反射法は、試験体内に一般に超音波領域の弾性波を入射し、傷等の欠陥部分から反射された反射波を検知してその欠陥の有無、位置や程度、大きさ等を評価する評価方法である。
長尺物を長手方向に伝搬する弾性波は、通常、ガイド波と称される種類の弾性波となっている。ガイド波を用いたパルス反射法による評価方法は、例えば非特許文献１に開示されている。
永島良昭、他3名、「ガイド波を用いた配管減肉検査技術」、日本工業出版株式会社、配管技術、19-24頁、2008年6月号
測定された欠陥部分からの反射波振幅が探傷距離（弾性波が伝播した片道の距離）に依存することを考慮して欠陥の程度、大きさを評価する方法として、距離振幅特性曲線（または、同曲線を複数用いたエコー高さ区分線）が用いられる。距離振幅特性曲線は、基準となる標準試験片等を用いて作成され、標準試験片等で感度調整された測定系を用いて実際の試験体で計測が行われる。
試験体の内部を弾性波が伝播する際の弾性波の減衰や、試験体とプローブとの間における振動の伝搬損失（プローブと試験体表面との間での振動エネルギーの伝達に伴う損失（伝達効率低下の程度））に標準試験片と差異が存在する場合、通常は、1回目の底面エコーであるB1エコーと、2回目の底面エコーであるB2エコーの振幅を利用して距離振幅特性曲線を補正する。
しかしながら、長尺物が、例えば固体や液体の媒質に埋め込まれている場合、弾性波の減衰が大きいためB2エコーを測定できないことがある。つまり、減衰が大きいためにB2エコーは計測できず、B1エコーのみしか測定できない場合がある。あるいは、減衰の影響ではなく、試験体の構造的な要因により、B1エコーが再び逆方向に反射されないために結果としてB2エコーが計測されない場合も有り得る。このように、B1エコーのみしか計測できない場合には、弾性波の減衰や、試験体とプローブとの間の振動の伝達損失（プローブと試験体表面との間での振動エネルギーの伝達に伴う損失（伝達効率低下の程度））の標準試験片の場合との差異を正確に評価できないため、距離振幅特性曲線やそれに基づく評価結果に大きな誤差を生じるという課題がある。
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、B1エコーのみしか測定できない場合でも伝達損失の差異の影響を無くし、弾性波の減衰の差異を正しく評価することにより、正確な距離振幅特性曲線を作成し、誤差の少ない反射波の評価方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る反射波の評価方法は、長尺物において、前記長尺物の長手方向に伝播する弾性波を送信し、該弾性波の反射波を受信することで前記長尺物の欠陥の大きさを評価する反射波の評価方法であって、前記弾性波の送信波振幅と前記長尺物の基準となる特定部位からの1回目の反射波振幅から前記長尺物が設置された環境に依拠する前記弾性波の減衰率を求め、該減衰率を用いて前記弾性波の距離振幅特性曲線を作成し、該距離振幅特性曲線と前記反射波振幅を比較することで前記欠陥の大きさを評価することを要旨とする。
本発明によれば、B1エコーのみしか測定できない場合でも弾性波の減衰を正しく評価し、正確な距離振幅特性曲線を作成することにより、反射波を正しく評価することができる。
本発明の実施形態に係る反射波の評価方法を適用する長尺物の一例を模式的に示す図である。 図１に示す反射波の評価方法を支線アンカーのロッド部の評価に用いる様子を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る反射波の評価方法の処理手順を示すフローチャートである。 測定された反射波と距離振幅特性曲線とを重ねて示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
図１は、本発明の実施形態に係る反射波の評価方法を適用する長尺物の一例を模式的に示す図である。図１に示す長尺物の一例は、支線アンカーのロッド部（または、支線アンカーロッド、アンカーロッド）１０である。以降、支線アンカーのロッド部１０は長尺物１０と称する場合もある。
支線アンカーは、主に電柱（図示せず）等に付随する設備であり、電柱に不平衡加重がかからないように、ケーブルつり線（図示せず）の張力を分担する役割を果たすべく、地中１に埋設されて耐力を生じさせるものである。支線アンカーは、通常、上端でケーブルつり線と接続されるロッド部とロッド部を地中に固定する構造体とで形成されるが、図ではロッド部のみを示してある。
図２は、支線アンカーのロッド部１０がその目的のために地中１に埋設された状態を模式的に示す図である。図２に示すように支線アンカーのロッド部１０は、その大部分が地中１に埋設され一部が地表面２から突出する。地表面２から突出した部分の上端１０ａは、地表面２側に折り曲げられ係止部を形成している。係止部と電柱（図示せず）の上部付近とがケーブルつり線（図示せず）で結ばれ、電柱が倒れないように耐力を生じさせる。
地中１に埋設された支線アンカーのロッド部１０は経年変化する。経年変化によって、その肉厚が減少する欠陥が生じる場合がある。肉厚が減少した支線アンカー１０は、必要な耐力を生じさせることができず、場合によっては電柱が倒れ、重大な事故の原因に成りかねない。
そこで、それらの構造物に欠陥がないか定期的に検査（評価）する必要がある。本実施形態に係る反射波の評価方法は、図１に示すような長尺物の欠陥の程度を評価するのに用いられる。
本実施形態に係る反射波の評価方法は、長尺物１０に弾性波を入力する送信プローブ２０と、長尺物１０の軸線方向Xに伝播する弾性波（送信波、反射波）を受信する受信プローブ３０を用いる。弾性波は、通常、超音波周波数領域のものが用いられる。
長尺物１０をその長手方向に進行する弾性波は、一般にその振動形態が長尺物の側面形状に依存した境界条件により規定される特定のもの（通常モードと周波数とで識別される）に限定され、ガイド波と称される。ガイド波は、従来の超音波探傷で用いられるバルク波と異なり、一般にモードが多数存在することと、分散性がある（音速に周波数依存性がある）という特徴を有する。
なお、図１と図２において、送信プローブ２０に送信信号を供給する発振源、及び反射して来た弾性波を受信して反射波振幅を計測する計測部等は一般的なものである。（参考文献：M. Shoji,et al.,”Ultrasonic Guided Wave Testing of Anchor Rods Embedded in Soil”,2016 IEEE Int. Ultrasonics Symp. (IUS), pp. 1-4）よって、その表記は省略している。
図３は、本実施形態に係る反射波の評価方法の処理手順を示すフローチャートである。図３を参照してその反射波の評価方法について詳しく説明する。
本実施形態に係る反射波の評価方法は、処理を開始すると、長尺物１０が健全な状態の設置（埋設）前の長尺物における弾性波の減衰率α0を取得する（ステップＳ１）。長尺物１０が健全な状態の弾性波の減衰率α0は、同一仕様の長尺物１０を別に準備し、埋設しない状態（気中）において予め測定する。または、長尺物１０を地中に埋設する前の状態で予め測定し、記録しておいても良い。あるいは、埋設後の長尺物１０の地表面２から突出している部分が、その外観から健全であると判断できる場合は現場で測定、評価しても構わない。
弾性波の減衰率α0は、その単位（dB/m）から明らかなように、長尺物１０の軸線方向Xの距離で正規化された値である。例えば、長尺物１０の地表面２から突出している部分において、図２に示すような、送信プローブ２０と受信プローブ３０と共に、もう1つの受信プローブを所定の間隔を空けて配置することにより、2つの受信プローブ間での弾性波の進行に伴う減衰を測定することで求めることができる。
次に、長尺物１０の基準となる特定部位での弾性波の反射係数β0を取得する（ステップＳ２）。ここで特定部位とは、図２に示す例では底面１０ｂである。反射係数β0は、例えば、振幅1の底面１０ｂへの入射弾性波に対して底面１０ｂで反射した直後の弾性波の振幅である。反射係数β0は、同一仕様の長尺物１０を別に準備し、埋設しない状態（気中）において予め測定する。あるいは、長尺物１０を地中に埋設する前の状態で予め測定しておく。
次に、送信プローブ２０から弾性波を送信する。送信プローブ２０から送信される弾性波が受信プローブ３０を通過する際に弾性波の振幅を測定し、その測定値から、弾性波の送信波振幅Atを求める（ステップＳ３）。
次に、受信プローブ３０は、反射波を受信する。反射波の波形データより、弾性波が特定部位で反射された1回目の反射波振幅Arを評価する（ステップＳ４）。この例の場合、評価する反射波振幅は底面１０ｂで反射した底面エコー（B1エコー）の振幅である。
受信プローブ３０で受信される1回目の底面エコーの振幅Arは、理論的に次式で表せる。
Figure 0007216884000001
ここで、β0は底面１０ｂに対する反射係数、Atは受信プローブ３０で受信した弾性波の送信波振幅、α0は、健全な長尺物１０の気中における弾性波の減衰率、L0は長尺物１０の地表面２から突出している部分の長さ、α1は長尺物１０の地中１部分における弾性波の（平均）減衰率、及びL1は長尺物１０の地中１部分の長さである。
よって、長尺物１０の地中１部分における弾性波の減衰率α1は次式で求めることができる。
Figure 0007216884000002
本実施形態の反射波の評価方法は、式（２）に基づいて、長尺物が設置された環境に依拠した弾性波の減衰率α1を算出する（ステップＳ５）。この例では、長尺物は支線アンカーのロッド部１０であり、設置された環境は地中１である。一般に、At、Arの評価には伝達損失の影響が存在するが、同一の送信波に対する計測に基づき、かつ送信波、受信波を同一の受信プローブ３０で計測してAtとArを評価して両者の比を利用しているため、式（２）によって伝達損失の影響を受けることなく減衰率α1を求めることができている。
減衰率α1は、弾性波の送信波振幅At、長尺物１０の埋設されていない（健全）部分における弾性波の減衰率α0、長尺物１０の基準となる特定部位での弾性波の反射係数β0、特定部位から反射して来る弾性波の反射波振幅Ar、長尺物１０の埋設されていない部分の長さL0、及び長尺物１０の埋設された部分の長さL1に基づいて求められる。
次に、算出された減衰率α1、減衰率α0、各部の長さL0、L1、及び検出したい欠陥の反射係数β1を用いて、弾性波の距離振幅特性曲線を算出する（ステップＳ６）。弾性波の距離振幅特性曲線は、次式で計算できる。
Figure 0007216884000003
この距離振幅特性曲線は、該当の弾性波の減衰率について、長尺物１０が大気中にある部分ではα0（dB/m）であり、固体媒質（この例では地中１）に埋設されている部分では、α1（dB/m）であることを正確に反映したものである。
したがって、検出したい反射係数β1の欠陥から求めた距離振幅特性曲線と、実際に測定された弾性波の反射波の振幅を比較することで、反射係数β1の欠陥が長尺物に生じているか否か評価することができる。
よって、本実施形態に係る反射波の評価方法は、次に、ステップＳ６で算出した距離振幅特性曲線とステップＳ４で計測した弾性波の反射波振幅とを比較する（ステップＳ７）。反射波振幅が距離振幅特性曲線よりも大きければ（ステップＳ８のＹＥＳ）、反射係数β1以上の欠陥があると判定される（ステップＳ９）。
弾性波の反射波振幅が、距離振幅特性曲線の振幅未満であれば（ステップＳ８のＮＯ）、反射係数β1以上の欠陥がないと判定される（ステップＳ１０）。
以上説明したように、本実施形態に係る反射波の評価方法は、長尺物１０において、長尺物１０の長手方向に伝播する弾性波を送信し、該弾性波の反射波を受信することで長尺物１０の欠陥の程度、大きさ（直接的には欠陥に対する該当弾性波の反射係数）を評価する反射波の評価方法であって、弾性波の送信波振幅Atと長尺物１０の基準となる特定部位からの1回目の反射波振幅Arから長尺物が設置された環境に依拠する弾性波の減衰率α1を求め、該減衰率α1を用いて弾性波の距離振幅特性曲線を作成し、該距離振幅特性曲線と反射波振幅を比較することで前記欠陥の大きさを評価する。これにより、B1エコーのみしか測定できない場合でも伝達損失の影響を受けることなく、弾性波の減衰を正確に評価し、距離振幅特性曲線を作成することにより、欠陥の有無、大きさを正しく評価することができる。
（評価の具体例）
本発明の実施形態に係る反射波の評価方法を実際に用いた具体例について説明する。図２は、本実施形態の反射波の評価方法を長尺物の評価に用いる様子を模式的に示す図である。
図２に示すように、支線アンカーのロッド部１０は、その先端から1.7mの長さが地中に埋設され、地表面２から0.45mの長さ突出している。そして、地表面２から0.25mの距離を空けて受信プローブ３０が配置され、受信プローブ３０から所定の間隔を空けて送信プローブ２０が配置される。
このように、弾性波を送信する送信プローブ２０と、反射波を受信する受信プローブ３０を備え、送信プローブ２０は長尺物１０の埋設されていない部分の手前側に、受信プローブ３０は長尺物１０の埋設されていない部分の奥側に、送信プローブ２０と受信プローブ３０とが所定の間隔を空けて配置される。これにより、一つの送信波に対して、送信波の受信と、反射波の受信を同一の受信プローブ３０で受信することができ、反射波の振幅値を送信波の振幅で規格化することにより（両者の比をとることにより）、送信プローブ及び受信プローブ３０における伝達損失の影響を除いて減衰率α1を評価することができる。減衰率α0及び底面に対する反射係数β0については、同一仕様のロッド部を計測する等により、予め計測しておく。
図２に示す評価環境において、二探触子法により、L(0,1)モード60kHzの弾性波による反射波の評価を実施した（参考文献：M. Shoji, et al.,”Ultrasonic Guided Wave Testing of Anchor Rods Embedded in Soil”,2016 IEEE Int. Ultrasonics Symp. (IUS), pp. 1-4）。図２に示すようにL0＝0.25m、L1＝1.7mである。
図４は、測定された反射波と距離振幅特性曲線とを重ねて示す図である。図４の横軸は受信プローブ３０からの距離（m）、縦軸は反射波の振幅である。
図４に示す横軸1.95m付近に見られる大きな振幅は端面１０ｂからの反射波（B1エコー）である。なお、図４に示す波形データは地中１内におけるものであり、距離振幅特性曲線も対応する式（４）のみを表記してある。
地中１に埋設前の健全な同一仕様の支線アンカーのロッド部１０で計測した結果、減衰率α0＝0.2dB/m、反射係数β0＝1であった。また、図２に示す評価環境における減衰率α1は、α1＝5.5dB/mである。
図５に示すように、この例では反射係数β1＝0.15の欠陥（傷）は存在しないが、反射係数β1＝0.1程度の欠陥が存在すると判定することができる。
距離振幅特性曲線は、検出したい欠陥の反射係数に基づいて作成される。したがって、1回の測定で得られた反射波の波形データを複数の距離振幅特性曲線と比較することで、複数の基準に基づいて長尺物１０の欠陥の有無を評価することが可能である。
なお、式（１）をAtについて解くと、
Figure 0007216884000004
となるので、これを式（３）、（４）に代入することによって、距離振幅特性曲線は次式で表現することもできる。
Figure 0007216884000005
図４に示した距離振幅特性曲線は、式（７）を用いて求めても良い。また、長尺物は、支線アンカーのロッド部１０の例を示したがこの例に限定されない。どのような長尺物に対しても本実施形態に係る反射波の評価方法を適用することが可能である。また、弾性波が反射する特定部位を底面１０ｂの例で説明したが、特定部位は底面１０ｂに限られない。例えば屈曲している部分等で有っても構わない。
また、送信プローブ２０と受信プローブ３０の2つのプローブを用いる例で説明したが、1つの送受信プローブを用いて上記の評価方法を実施しても良い。また、長尺物１０が設置される環境は、液体、気体、及びゲル状物等の何れの環境で有っても構わない。
このように本発明は、ここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１：地中
２：地表面
１０：支線アンカーのロッド部（長尺物）
１０ａ：上端
１０ｂ：底面（基準となる特定部位）
２０：送信プローブ
３０：受信プローブ
α0：長尺物が健全かつ埋設（設置）前の状態における弾性波の減衰率
α1：長尺物が埋設された部分における弾性波の減衰率
β0：長尺物の基準となる特定部位での弾性波の反射係数
β1：検出したい欠陥の反射係数
At：受信プローブで受信した弾性波の送信波振幅
Ar：受信プローブで受信した弾性波の特定部位からの反射波振幅

Claims (3)

  1. 長尺物において、前記長尺物の長手方向に伝播する弾性波を送信し、該弾性波の反射波を受信することで前記長尺物の欠陥の大きさを評価する反射波の評価方法であって、
    前記弾性波の送信波振幅と前記長尺物の基準となる特定部位からの1回目の反射波振幅から前記長尺物が設置された環境に依拠する前記弾性波の減衰率を求め、該減衰率を用いて前記弾性波の距離振幅特性曲線を作成し、該距離振幅特性曲線と前記反射波振幅を比較することで前記欠陥の大きさを評価し、
    前記減衰率は、
    前記弾性波の送信波振幅、前記長尺物の埋設されていない部分における前記弾性波の減衰率、前記特定部位での前記弾性波の反射係数、前記特定部位から反射して来る前記反射波振幅、前記長尺物の埋設されていない部分の長さ、及び前記長尺物の埋設された部分の長さに基づいて求められる
    反射波の評価方法。
  2. 長尺物において、前記長尺物の長手方向に伝播する弾性波を送信し、該弾性波の反射波を受信することで前記長尺物の欠陥の大きさを評価する反射波の評価方法であって、
    前記弾性波の送信波振幅と前記長尺物の基準となる特定部位からの1回目の反射波振幅から前記長尺物が設置された環境に依拠する前記弾性波の減衰率を求め、該減衰率を用いて前記弾性波の距離振幅特性曲線を作成し、該距離振幅特性曲線と前記反射波振幅を比較することで前記欠陥の大きさを評価し、
    前記弾性波を送信する送信プローブと、反射波を受信する受信プローブを備え、前記送信プローブは前記長尺物の埋設されていない部分の手前側に、前記受信プローブは前記長尺物の埋設されていない部分の奥側に、前記送信プローブと前記受信プローブとが所定の間隔を空けて配置される
    反射波の評価方法。
  3. 前記距離振幅特性曲線は、
    検出したい前記欠陥の前記弾性波に対する反射係数に基づいて作成される
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の反射波の評価方法。
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