JP7231141B2

JP7231141B2 - 木材等用の音速測定装置

Info

Publication number: JP7231141B2
Application number: JP2019033337A
Authority: JP
Inventors: 保則山本; 建國友
Original assignee: 株式会社坂本電機製作所
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: JP2020128969A

Description

物質内部を通過する音波の速度を測定すれば密度が既知のものであれば、その材質（硬さ＝ヤング率）を測定することが知られている。
本発明は、木材等の内部音速を簡単に、かつ正確に測定できる装置に関するものである。特に木材の伐採現場で硬さを測定できるため、製材所に材木を送る前に硬さの測定ができ、製材所には木材の品質や用途を明示した上で送ることができるものである。

近年、木造建築に国産材が多用されるようになった反面、林業従事者の高齢化が進み、林業に用いる機器も自動化やＩＴ化が求められるようになった。一方、国産の杉や檜は米国産のものと比較して柔らかく、製材前に硬さを知ることができると、硬さに応じて柱材にするか、その他にするか等建築材の用途を決め、用途に応じた製材をすることができる。

このような硬さの測定装置の例として、特許文献１に開示されたものがある。これは、ハンマー等の打撃による応力波の伝搬速度から木材のヤング率を測定するものであり、前もって被測定木材等のヤング率と密度との関係をデータベース化しておき、木材の応力波伝搬速度（音速）を測定することで硬さ品質指標であるヤング率を求めるものである

また特許文献２に示されたものは、試験体上に送信用探触子を当て、送信用探触子から特定の距離離れた位置に受信用探触子を設け、送信用探触子から出した音波を受信用探触子で受信して、試験体内の音波の伝搬速度を測定するものである。そして音波の表面波が特定できない場合、対象物の既知の厚みによる反射波の場合は受信信号から試験体の音速を算出する信号処理部を設けている。これによって試験体の音波の物質内伝搬速度を測定できるようにするものである。

特開２０１８－５４５５０号公報

特開２０１５－１７２５２８号公報

上記の特許文献１に開示された技術には、木材のヤング率を測定する方法と装置が開示されているが、木材のヤング率と密度との関係を示すデータをデータベース化する必要があり、このデータを前もって多数求めておく必要がある。このため、実用化に際して多くのデータを収集するなどの手間がかかるという問題がある。
また、音速測定にはハンマー等の衝撃による応力波の速度を示しているがこのハンマー等による衝撃波を使用する場合、一定の角度及び衝撃力を保持することが困難である

上記の特許文献２に開示された技術は、超音波の速度で試験体の音速を測定するものであり、表面波が特定できなくても試験体の厚みが既知であれば反射波による音速の測定が可能である。このようにするため、受信用探触子の受信信号を縦波と横波とに識別するようにしている。

本発明は以上の点に着目し、より簡単な装置で正確に、かつ作業者が容易に音速測定作業を行うことができる、木材等の音速測定装置を提供するものである。

本発明の木材等（ここで、「木材等」とは樹木、使用前の木材、柱等木製建築物に使われている状態の木材を言う）の音速測定装置は、それぞれ所定距離離れて木材に打ち込まれる発信プローブと受信プローブ（図２）とを備え、発信プローブは音波電気信号を振動に変換する機械変換手段を有し、受信プローブは音波を電気信号に変換する電気変換手段を有する。（図１）
発信プローブに加えられる電気信号は音波領域の周波数であって頂点で微分値が正から負に変わる波形（正弦波或いは三角波）であり、発信プローブから出される信号の最初の波の頂点を受信プローブで受信し、発信プローブから出た信号が受信プローブに至る時間を測定し、その時間によって木材等の音速を測定するようにした。

本発明の木質材の硬さ測定装置は、以上の手段により、次のような効果がある。つまり発信プローブより木材等に印加した音波は受信プローブで受信されるのであるが、この際に表面波だけでなく木材の内部を通過した無数の反射波が受信プローブで受信される。（図４）
さらに送信波が連続波や複数波である場合にはさらに多くの反射波が発生すし、最初に到達した信号以外はすべてノイズとなって正確な測定を阻害するのであるが、本発明のものであると、送信する信号の頂点と受信プローブで最初の波の頂点を受信し、これで音波の伝達時間を測定しているため、反射波による波形変形やノイズの影響を受けない。
また、送信信号が方形波やパルス波の場合、木材等の内部を音波が伝搬する時、受信波形は波形がなまり立ち上がりポイントや頂点ポイントも不明確となり、誤差を発生させる要因（図５）となるが、送信波を１サイクルのＳＩＮ波または三角波としたため、頂点ポイントが明確である（図３）

木材等の種類ごとに、標準的な音速、密度、ヤング率をデーターベース化することで、測定対象の木材等が標準よりも硬い材質か、水分を多く含む材質かなど、木材等の品質を明示することができる。
また、木材内部に腐食等でやわらかくなったものが有る場合も、音速が標準に対し遅くなることで検出することができる。

発信信号は周波数の低い音波領域の周波数であるが、１サイクルのみのＳＩＮ波又は三角波であり、この単一波のただ１つのピーク点から、受信プローブで受信した信号のうち最初の信号のピークまでの時間によって、発信プローブから受信プローブまでの音波の到達時間を測定するようにしているため、反射波などによるノイズの影響がない。また音波の周波数によらず測定することが可能であるため、木材等の内部での減衰が少なく、木材などの水分による信号の減衰も少なくなる。

センサの形状は、送受信それぞれ打込み部とセンサの間に４５度の角度を持っており、プローブとセンサは分離することができる。
ハーベスタ等の装置に組み込む場合、また打込み部を木材等に打込む場合は再現性良く斜めに打込む事が困難である、本発明の打込み部とセンサは一定角度（４５度）に固定されるため、打込みは対象物に垂直に打込むことで、センサ角度を常に４５度に保持することができる。
このようにセンサを４５度にすることによって、直接波の到達を容易にし、直接波が大きくなることによって安定して最初に到達した音波を容易に検出できるようになる。
また、樹木や立木、木製構造物等の場合、小口を使用して測定することが困難であるが、この形状にしたセンサであればその音速も測定することができる。

木材生産機械（ハーベスタ等重機）に、この音速測定システムを組み込む場合、重機が有する木材の把持具に送受信センサを取り付け、伐採と同時に木材の音速の測定を行うようにすることができる。すると、この重機は伐採し、枝を払い、所定長さに切断してトラックに積載するという一連の動作を自動的に行うのであるが、これらの作業の中でその音速測定により木材の硬さ（ヤング率）を測定できるため、どの木材がどの硬さであるか識別する表示をしておくことで、製材所に搬送する時に既に硬さのデータを有する木材が搬入される。これによって製材所で、どのような目的の材料にするか製材の仕様を直ちに決定することができ、木材等の価値の創出や製材所の省力化にも寄与することができる。

このように林業従事者が不足する現在にあって、自動化を進めることが容易になる。さらに従事者の熟練も要することがなく、正確に木材等の硬さ測定をすることができる。

本発明の木材等の音速測定装置の実施例１を示すブロック図である。本発明の木材等の音速測定装置の発信プローブ及び受信プローブの部分分解側面図である。本発明の木材等の音速測定装置の実施例１の発信・受信信号状態を示すグラフである。本発明の木材等の音速測定装置の実施例１における木材内の音波の伝達状態を示す断面図である。発信プローブに方形波を用いた場合の受信プローブの受信波を示す図である。本発明の木材等の硬さ測定装置の実施例１における制御部の動作を示すフローチャートである。

本発明の請求項１に記載の発明は、それぞれ所定距離離れて木材に打ち込まれる発信プローブと受信プローブとを備え、発信プローブは音波電気信号を振動に変換する機械変換手段を有し、受信プローブは音波を電気信号に変換する電気変換手段を有し、発信プローブに加えられる電気信号は音波領域の周波数であって頂点で微分値が正から負に変わる波形であり、発信プローブから出される信号の最初の波の頂点を受信プローブで受信し、発信プローブから出た信号が受信プローブに至る時間を測定し、その時間によって木材等の音速を測定するようにした構成を有する。これによって、上記の発明の効果を発揮する。

以下本発明の木材等の音速測定装置について、実施例を示す図面とともに説明する。１は主装置であり、この中に以下の回路や電子部品が収納されている。２は制御部であり、マイクロプロセッサ（以下「ＣＰＵ」と書く）やフラッシュメモリーなどを有しており、木材等に対する音速データなどや演算式を格納している。３は指令、表示部であり液晶パネルとタッチパネルの組み合わせでできている。つまりＣＰＵの動作に合わせて必要なデータが表示され、また操作者が必要な操作をタッチパネルを介して行うものである。４は信号発生部であり、ここで２０ｈｚ～２０ｋｈｚ未満の正弦波が発生し、この正弦波を制御部２に送る。５は送信部であり、制御部２の指示に従い、発信プローブ６へ信号を送る。７は受信部であり、受信プローブ８からの信号を制御部２に送るものである。

６は発信プローブであり、送信部５から音波信号が加えられる。８は受信プローブであり、受信部７へ受信した音波信号を送るものである。発信プローブ６及び受信プローブ８は、それぞれ測定対象の木材９に打ち込まれる。発信プローブ６及び受信プローブ８の詳細は、図２に沿って説明する。

図２は、図１の６発信プローブ及び図１の８受信プローブの分解側面図である。ここで発信プローブ６及び受信プローブ８は共通部分が多く、図面としては両者を共通にして説明する。発信プローブ６及び受信プローブ８は両者とも本体１０，１１及び打ち込み部１２，１３を有している。打ち込み部１２，１３は図１の９木材等に打ち込まれる部分であるので、打込み取り外しが容易な形状で先端が尖っている。打ち込み部１２，１３の末端には図面１の９木材等への打ち込みに際して、ハーベスタ（林野庁の定義する林業用の機械）用の挿入用のツバ１４，１５が設けられている。ツバ部１４，１５はネジ構造を持ち、２０、２１の４５度アタッチメントを介して、本体１０，１１に対し着脱自在であり、手動によりハンマーで打ち込む時には、２０、２１の４５度アタッチメントと打ち込み部１２，１３を外して打込み部をハンマーで打ち込む。発信プローブ、受信プローブの本体１０、１１の中には、ピエゾ素子などからなる振動子１６、１７が設けられている本体１０，１１には振動子１６、１７を覆うケース１８，１９が設けられている。また打ち込み部１２，１３と振動子１６、１７との間で振動を伝える４５度アタッチメント２０，２１が設けられ、ケース１８，１９と伝達部２０，２１の間にはシリコンゴムよりなる防振体２２，２３が設けられ、振動が効率よく伝達されるように構成されている。

本発明の木材等の音速測定装置は以上のような構成よりなり、以下その使用方法を説明する。
ハーベスタ等木材生産機械では、図２のプローブの１４，１５ツバ部を保持して木材等に油圧で垂直に打込む。
手動で木材等に図２プローブを打込む場合は図２打込み部１２，１３を４５度アタッチメント２０，２１から外して対象の木材等に垂直に打込んだのちに４５度アタッチメント、本体を接続する。

次にハーベスタ等材木生産機械に組み込む場合は、電源部・送受信ケーブルのほか、ハーベスタ等と通信線を接続し、上位であるハーベスタ等の測定指示信号を受けて自動測定を行い、計測結果をハーベスタ等に自動通信を行う。
また手動によって計測する場合は、主装置１の指令、表示部３を操作し、測定開始を指示し、測定結果を表示する。これを図６のフローチャートで説明すると、ステップ１及びステップ２で測定開始を待ち、測定開始の指示があるとステップ３に進んで制御部２が信号発生器４に指令を出して正弦波を発生させ、それが送信部５に伝わる。送信部５では、送られて来た正弦波信号を増幅し、発信プローブ６の発振子１６に送る。同時にステップ４で発信した時刻を制御部内のメモリーに記録する。

図２の発信プローブ６内の発振子１６は、その正弦波によって振動を発生し、伝達部２０を介して打ち込み部１２に正弦波振動を伝える。その振動は受信プローブ８の振動子１７１７で受けられ、電気信号を発生する。この電気信号は受信部７でアナログ・デジタル変換され、制御部２に送られる。制御部２はステップ５で受信した正弦波のピークを見つけ、その時刻をステップ６でメモリーに記録する。正弦波のピークを見つける方法は幾つかの方法があるが、簡単には入力された波の傾きを微分し、その値が正から負に変わった点をピークとすることができる。この状態は、図３に示す。発信プローブ６から出た正弦波の最初のピークは受信プローブ８で受信されて、最初のピークが捉えられ、木材９を通過した時間が計測される。

ステップ４で記録した発信時刻のデータとステップ６で記録した受信時刻のデータの差から、ステップ７で木材内を伝わるのに要した時間を知ることができる。発信プローブ６と受信プローブ８の打ち込み部１２，１３の距離と上記の時間から木材９内の音波の速度を知ることができる。木材９の中を伝わる音波の速度は木の種類毎に、当該木の標準的な硬さでほぼ決まっている。よって、そのデータを用いて、標準的な硬さに対してどの程度硬いか柔らかいか、知ることができる。このようにして求めた硬さのデータをステップ９で指示・表示器３に表示する。この後、ステップ１０で一連の動作を終了する。

ここで、発信プローブ６に方形波が加えられたとすると、図５に示すように受信プローブ８で受信される受信波は、不規則に乱れた波となる。これは図４で示すように、発信プローブ６から出た音波が直接受信プローブ８に入る以外に、木材９の表面で反射した波であったり、木の節で乱れた波などが受信プローブ８に入るためである。このため、送信プローブ６で発射する音波として方形波を用いると正確に音波の到達時間を測定することができない。

以上の説明で発信プローブ６と受信プローブ８の打ち込み部１２，１３は、ハンマーで打ち込むように説明したが、林野庁が高性能林業機械として定義している機械のハーベスター（従来チェンソーで行っていた立木の伐倒、枝払い、玉切りの各作業と玉切りした材の集積作業を一貫して行う自走式機械）やプロセッサ（林道や土場などで、全木集材されてきた材の枝払い、測尺、玉切りを連続して行う自走式機械）に取り付けて、伐採現場で自動的に木材の硬さを測定できるようにすることもできる。

ハーベスターやプロセッサは大型の機械であり、これらを用いる場合は特にエンジンや油圧機器の発生する振動がケーブルを介して発信プローブ６や受信プローブ８に伝わるが、これらのケース１８，１９は防振体２２，２３を介して伝達部２０，２１と結合しているため、振動の伝達が少ない。このため受信プローブ８からノイズとして振動が捉えられることが少ない。

上記説明のとおり本発明の木材等用の音速測定装置は、発信プローブ６と受信プローブ８の打ち込み部１２，１３を測定対象の木材に打ち込むだけで、自動的に木材を伝わる音波の音速を測定することができ、特段の熟練を要することがない。このため林業従事者の不足する昨今、林業の促進に寄与するものである。つまり、木材に加える音波が表面波以外の波を有する場合であっても、正弦波のピークを捉えて測定しているため、正確に測定が可能である。

１主装置
２制御部
３指令・表示部
４信号発生部
５送信部
６発信プローブ
７受信部
８受信プローブ
９木材
１０，１１本体
１２，１３打ち込み部
１４，１５ハンマー受け部
１６発振子
１７マイク
１８，１９ケース
２０，２１伝達部
２２，２３防振体

Claims

それぞれ所定距離離れて木材に打ち込まれる発信プローブと受信プローブとを備え、前記発信プローブと受信プローブは、それぞれ測定対象の木材に打ち込み部を有し、打ち込み部を垂直に打ち込み、所定角度を有するアタッチメントを介して本体を木材に対して斜めにするようにし、発信プローブは音波電気信号を振動に変換する機械変換手段を有し、受信プローブは音波を電気信号に変換する電気変換手段を有し、発信プローブに加えられる電気信号は音波領域の周波数であって頂点で微分値が正から負に変わる波形を有し、発信プローブから出される信号の最初の波の頂点と受信プローブで受信した最初の波の頂点から、発信プローブから出た信号が受信プローブに至る時間を測定し、その時間によって木材の硬さを測定することを特徴とする木材等用の音速測定装置。
発信プローブと受信プローブは、それぞれ対象の木材に打ち込まれる打ち込み部とケースとの間に防振体を設け、ケースから入って来る振動を除去するようにした請求項１記載の木材等用の音速測定装置。