JP7489638B2 - 非破壊検査装置 - Google Patents

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Description

特許法第３０条第２項適用 令和１年７月２４日～７月２６日に東京ビッグサイト西展示棟１～４ホール、南展示棟１・２ホール（東京都江東区有明３－１１－１）において開催された一般社団法人日本非破壊検査工業会主催第９回非破壊評価総合展（メンテナンス・レジリエンス ＴＯＫＹＯ２０１９ 内）にて公開
特許法第３０条第２項適用 令和１年１０月１７日に株式会社タツノ横浜工場（神奈川県横浜市栄区笠間４丁目１番１号）において開催された神奈川県非破壊試験技術交流会主催第２４回神奈川県非破壊試験技術交流会・技術発表会にて公開
特許法第３０条第２項適用 令和２年１月１日に日本工業出版により発行された「検査技術 第２５巻 第１号（通巻２７９号）」の２８ページ～３６ページにて公開
本発明は、被検体の内部欠陥の大きさと、被検体の表面から内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を測定する非破壊検査装置に関する。
病院、学校等の特殊構造物は法令により打音検査等による診断が義務付けられている。また、道路橋やトンネル等のインフラも同じく法令により打音検査等による診断が義務付けられている。打音検査とは、コンクリート構造物等をハンマで叩いた際に発生する音で部材の剥離、浮き等欠陥の有無を診断する技術である。しかしながら、打音検査は検査員の経験に基づくところが大きく、判断基準が定量化されていない。そこで、例えば特許文献１には、コンクリート構造物を打撃し、コンクリートの振動加速度を測定することでコンクリートの剥離の有無を判定する方法が開示されている。
特開２０１４－２１１３３３号
しかしながら、特許文献１に記載された方法では、被検体の内部欠陥の有無を判定することしかできず、内部欠陥の大きさ及び内部欠陥までの深さを検出することができない。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって被検体の内部欠陥の大きさと、被検体の表面から内部欠陥までの深さのうち少なくとも一方を測定できる非破壊検査装置を提供することを目的とする。
以上の課題を解決するために、被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第１取得手段と、前記第１取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第１抽出手段と、前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突部の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第２取得手段と、前記第２取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第２抽出手段と、前記第２取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、を備える非破壊検査装置が提供される。
本発明の実施の形態によれば、被検体を破壊することなく、被検体の内部欠陥の大きさと、被検体の表面から内部欠陥までの深さのうち少なくとも一方を測定することができる。
第１実施形態の非破壊検査装置のブロック図である。 打撃力の時系列データの一例を波形によって表したチャートである。 音圧の時系列データの一例を波形によって表したチャートである。 振動数ごとの音圧のスペクトル強度を波形によって表したチャートである。 内部欠陥の大きさの測定値と公称値の比較結果を示したグラフである。 内部欠陥の大きさの測定値と公称値の比較結果を示したグラフである。 内部欠陥までの深さの測定値と公称値の比較結果を示したグラフである。 内部欠陥までの深さの測定値と公称値の比較結果を示したグラフである。 被検体のモデルの断面図である。 被検体モデルの平面図である。 最大音圧と最大加速度の比と、内部欠陥の大きさとの関係を示したグラフである。 第２実施形態の非破壊検査装置のブロック図である。 振動数ごとの打撃力のスペクトル強度を波形によって表したチャートである。 内部欠陥の大きさの測定値と公称値の比較結果を示したグラフである。 内部欠陥までの深さの測定値と公称値の比較結果を示したグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているところ、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
〔第１の実施の形態〕
＜＜１． 非破壊検査装置の構成＞＞
図１は、非破壊検査装置１０を示した図面である。
この非破壊検査装置１０は、被検体９０の内部に存在する内部欠陥９３の大きさａ[m]と、被検体９０の表面９１から内部欠陥９３までの深さｈ[m]とを検出する装置である。特に、深さｈが100～2500 mmである場合のみならず、深さｈが100 mm以下である場合でも、つまり内部欠陥９３が被検体９０の表面近傍に存在する場合でも、この非破壊検査装置１０では内部欠陥９３の大きさａ及び内部欠陥９３までの深さｈを正確に検出することができる。
被検体９０は、例えばコンクリート、セメント、モルタル、石材、金属、セラミック又は樹脂からなる。
内部欠陥９３とは、例えば剥離又は内部亀裂のことをいう。
内部欠陥９３の大きさａとは、表面９１に沿う方向における内部欠陥９３の長さのことをいう。内部欠陥９３が正方形型の剥離である場合、内部欠陥９３の大きさａとはその正方形の辺長をいい、内部欠陥９３が円形型の剥離である場合、内部欠陥９３の大きさａとはその円形の直径をいい、内部欠陥９３が長方形型の剥離である場合、内部欠陥９３の大きさａとはその長方形の短辺長又は長辺長をいい、内部欠陥９３が長円型の剥離である場合、内部欠陥９３の大きさａとは長円の長径又は短径をいう。なお、本明細書において、「長方形」は、正方形を含まない意で用い、「方形」は、正方形及び長方形を含む意で用いる。
図１に示すように、非破壊検査装置１０は、ハンマ２１、電気音響変換器２２、信号処理回路２３、Ａ／Ｄコンバータ２４、打撃力センサ２５、信号処理回路２６、Ａ／Ｄコンバータ２７、コンピュータ３０、ストレージ６０、入力デバイス７０及び表示デバイス８０を備える。
入力デバイス７０は、押しボタンスイッチ、タッチパネル、ポインティングデバイス若しくはキーボード又はこれらの組み合わせからなる。入力デバイス７０は、作業者によって操作されることによって操作内容に応じた信号をコンピュータ３０に出力する。入力デバイス７０は、設定値の入力に用いられる。
表示デバイス８０はドットマトリクス式表示器又はセグメント表示器である。表示デバイス８０は、コンピュータ３０から入力した表示信号に応じた表示をする。表示デバイス８０は、検出結果、つまり内部欠陥９３の大きさａ及び内部欠陥９３までの深さｈの算出結果の表示に用いられる。
ハンマ２１は、被検体９０を叩くために用いられる衝突物である。作業者がハンマ２１を被検体９０の表面９１に衝突させて、打撃力を被検体９０に付与する。被検体９０に打撃力が付与されると、被検体９０の表面９１が振動し、その振動による音圧が発生する。
電気音響変換器２２はハンマ２１のヘッドの側面に設けられており、ハンマ２１が被検体９０に衝突することによって被検体９０の表面９１が振動する時には電気音響変換器２２が被検体９０の表面９１に対向する。電気音響変換器２２はマイクロフォンである。つまり、電気音響変換器２２は、被検体９０の表面９１から発生した音圧を電気信号に変換して、音圧を表す電気信号を信号処理回路２３に出力する。
信号処理回路２３は、電気音響変換器２２の出力信号を増幅するとともに、その信号を濾波することによってその信号からノイズを除去する。信号処理回路２３は、増幅及び濾波した信号をＡ／Ｄコンバータ２４に出力する。
Ａ／Ｄコンバータ２４は、信号処理回路２３から入力したアナログ信号を標本化、量子化及び符号化することによって、アナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ２４は、音圧を表すデジタル信号をコンピュータ３０に出力する。
打撃力センサ２５は、ハンマ２１のヘッドに設けられている。打撃力センサ２５は、被検体９０とハンマ２１の衝突による打撃力を電気信号に変換して、打撃力を表す電気信号を信号処理回路２６に出力する。打撃力センサ２５は例えば歪みゲージである。
信号処理回路２６は、打撃力センサ２５の出力信号を増幅するとともに、その信号を濾波することによってその信号からノイズを除去する。信号処理回路２６は、増幅及び濾波した信号をＡ／Ｄコンバータ２７に出力する。
Ａ／Ｄコンバータ２７は、信号処理回路２６から入力したアナログ信号を標本化、量子化及び符号化することによって、アナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ２７は、打撃力を表すデジタル信号をコンピュータ３０に出力する。
コンピュータ３０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、システムバス及び各種インターフェース等を備えた小型コンピュータである。
ストレージ６０は、半導体メモリ又はハードディスクドライブ等からなる記憶装置である。
上述のような信号処理回路２３、Ａ／Ｄコンバータ２４、信号処理回路２６、Ａ／Ｄコンバータ２７、コンピュータ３０、ストレージ６０、入力デバイス７０及び表示デバイス８０が、ハンマ２１に、特にハンマ２１の柄部に設けられていてもよい。
ストレージ６０には、コンピュータ３０にとって読取可能・実行可能なプログラム６１が格納されている。コンピュータ３０がプログラム６１を実行することによって、コンピュータ３０が第１取得部３１、第１抽出部３２、第２取得部３３、第２抽出部３４、高速フーリエ変換部３５、固有振動数抽出部３６及び算出部３７として機能する。以下、コンピュータ３０の機能について詳細に説明する。
＜＜２． コンピュータの機能＞＞
（１） 第１取得部
第１取得部３１として機能するコンピュータ３０は、Ａ／Ｄコンバータ２７の出力デジタル信号（つまり、打撃力センサ２５によって検出された打撃力）を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する。打撃力の時系列データとは、打撃力センサ２５によって検出された打撃力の所定周期おきの値を時系列で配列したデータ列のことをいう。コンピュータ３０がＡ／Ｄコンバータ２７の出力デジタル信号を取得する際のサンプリングレートは、Ａ／Ｄコンバータ２７のサンプリングレートに等しくても良いし、等しくなくてもよい。
ここで、作業者がハンマ２１を被検体９０に衝突させると、衝突の瞬間に打撃力センサ２５の出力信号が立ち上がって、その出力信号にトリガが発生する。コンピュータ３０は、Ａ／Ｄコンバータ２７の出力デジタル信号を所定の閾値と比較することによって、トリガの有無を判断する。そして、Ａ／Ｄコンバータ２７の出力デジタル信号が所定の閾値を超えた場合に、コンピュータ３０がトリガの発生を認識する。そして、コンピュータ３０は、トリガの発生時よりも少し前の時から所定期間の経過後までの間の打撃力の時系列データを一時的にＲＡＭ等に記憶する。
図２のチャートは、コンピュータ３０が取得して一時的に記憶した打撃力の時系列データの一例を波形によって示したものである。図２のチャートにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は打撃力を表す。
（２） 第１抽出部
第１抽出部３２として機能するコンピュータ３０は、図２に示すように、第１取得部３１が取得して一時的に記憶した打撃力の時系列データから最大打撃力Ｆmax [N] を抽出して、一時的に記憶する。
（３） 第２取得部
第２取得部３３として機能するコンピュータ３０は、Ａ／Ｄコンバータ２４の出力デジタル信号（つまり、電気音響変換器２２によって検出された音圧）を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する。音圧の時系列データとは、電気音響変換器２２によって検出された音圧の所定周期おきの値を時系列で配列したデータ列のことをいう。コンピュータ３０がＡ／Ｄコンバータ２４の出力デジタル信号を取得する際のサンプリングレートは、Ａ／Ｄコンバータ２４のサンプリングレートに等しくても良いし、等しくなくてもよい。
ここで、前述のように、作業者がハンマ２１を被検体９０に衝突させることによって、コンピュータ３０がトリガの発生を認識したら、そのコンピュータ３０は、トリガの発生時よりも少し前の時から所定期間の経過後までの間の音圧の時系列データを一時的にＲＡＭ等に記憶する。
図３のチャートは、コンピュータ３０が取得して一時的に記憶した音圧の時系列データの一例を波形によって示したものである。図３のチャートにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は音圧を表す。
（４） 第２抽出部
第２抽出部３４として機能するコンピュータ３０は、図３に示すように、第２取得部３３が取得して一時的に記憶した音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値Ｐmax [Pa] を抽出して、一時的に記憶する。以下、最大値Ｐmaxを最大音圧Ｐmaxという。
（５） 高速フーリエ変換部
高速フーリエ変換部３５として機能するコンピュータ３０は、第２取得部３３が取得した音圧の時系列データを高速フーリエ変換処理することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出して、一時的に記憶する。
図４のチャートは、コンピュータ３０が算出して一時的に記憶した音圧振動数特性の一例を波形によって示したものである。図４のチャートにおいて、横軸は振動数 [Hz] を表し、縦軸は音圧のスペクトル強度 [dB] を表す。
（６） 固有振動数抽出部
固有振動数抽出部３６として機能するコンピュータ３０は、図４に示すように、高速フーリエ変換部３５が算出した音圧振動数特性から極大値をｎ次（ｎは１以上の正数であり、振動モードの次数を表す。）の固有振動数ｆn [Hz] として抽出して、一時的に記憶する。ここで、１次固有振動数ｆ1の抽出が好ましい。
振動モードの次数ｎは、予め決められたものでもよい。或いは、ユーザーが入力デバイス７０を用いて次数ｎの数値を入力することによって、コンピュータ３０が入力値を取得するとともに、その入力値に応じた固有振動数ｆnを抽出してもよい。
（７） 算出部
算出部３７として機能するコンピュータ３０は、第１抽出部３２が抽出した最大打撃力Ｆmaxと、第２抽出部３４が抽出した最大音圧Ｐmaxと、固有振動数抽出部３６が抽出した固有振動数ｆnとから次式（１）又は次式（２）により内部欠陥９３の大きさａ [m] を算出する。更に、コンピュータ３０は、第１抽出部３２が抽出した最大打撃力Ｆmaxと、第２抽出部３４が抽出した最大音圧Ｐmaxと、固有振動数抽出部３６が抽出した固有振動数ｆnとから次式（３）又は次式（４）により内部欠陥９３までの深さｈ [m] を算出する。ここで、式（３）の右辺にａが存在するところ、式（１）の右辺が式（３）の右辺のａに当て嵌められる。また、大きさａの算出に式（１）が用いられる場合、深さｈの算出に式（３）が用いられることが好ましい（但し、式（４）が用いられてもよい）。また、大きさａの算出に式（２）が用いられる場合、深さｈの算出に式（４）が用いられることが好ましい（但し、式（３）が用いられてもよい）。式（１）、式（２）、式（３）及び式（４）については、後に詳細に説明する。
Figure 0007489638000001
Figure 0007489638000002
Figure 0007489638000003
式（１）～（４）中のＡ、Ｂ、Ｃ及びＤはそれぞれ以下の式（５）～（８）で表すことができるところ、次式（５）～（８）において、αは内部欠陥９３の形状によって決まる定数であり、Ｐarは振動モードによって決まる定数である。
Figure 0007489638000004
内部欠陥９３が方形状である場合、αが内部欠陥９３のアスペクト比によって定まるところ、内部欠陥９３が正方形状であれば、α＝0.0056である。１次振動モードの場合、Ｐar＝35.98である。Ｋ1及びＫ2は予め実験により求めた定数であり一例を挙げると、Ｋ1＝0.16388 [Pa/(m2s-2)]であり、Ｋ2＝0.02438 [Pa/(ms-2)] である。
式（１）～（８）におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、α、Ｐar、Ｅ、ρ及びνのうち少なくとも１つは、予め決められた数値として、プログラム６１に組み込まれていてもよい。また、ユーザーが入力デバイス７０を用いてＡ、Ｂ、Ｃ、α、Ｐar、Ｅ、ρ及びνのうち少なくとも１つの数値を入力することによって、コンピュータ３０が入力値を取得するとともに、入力値を式（１）～（８）におけるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、α、Ｐar、Ｅ、ρ及びνのうち少なくとも１つに当て嵌めるものとしてもよい。また、ユーザーが入力デバイス７０を用いて振動モードの次数ｎの数値を入力することによって、コンピュータ３０が入力値を取得するとともに、その入力値に応じたＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｐarの値を定めるものとしてもよい。
なお、コンピュータ３０が、内部欠陥９３の大きさａと内部欠陥９３までの深さｈの両方を算出するのではなく、内部欠陥９３の大きさａと内部欠陥９３までの深さｈのうちどちらか一方のみを算出するものとしてもよい。
（８） 結果の出力
算出部３７が内部欠陥９３の大きさａ及び内部欠陥９３までの深さｈを算出すると、コンピュータ３０は表示デバイス８０に大きさａ及び深さｈを表示させる。更に、コンピュータ３０は大きさａ及び深さｈをストレージ６０に記録する。
＜＜３． 有利な効果＞＞
以上の非破壊検査装置１０を用いると、被検体９０を破壊することなく内部欠陥９３の大きさａと、表面９１から内部欠陥９３までの深さｈを検出することができる。特に、内部欠陥９３までの深さｈが100 mm以下である場合でも内部欠陥９３の大きさａ及び内部欠陥９３までの深さｈを検出することができる。
ここで、非破壊検査装置１０を用いて内部欠陥９３の大きさと内部欠陥９３までの深さを測定し、大きさの測定値と公称値を比較するとともに、深さの測定値と公称値を比較した。式（１）による大きさの測定値と公称値の比較結果を図５に示すところ、測定値と公称値が近似していることが分かる。式（２）による大きさの測定値と公称値の比較結果を図６に示すところ、測定値と公称値が近似しているものの、式（２）による測定値は式（１）による測定値よりも精度が劣ることが分かる。式（１）を当て嵌めた式（３）による深さの測定値と公称値の比較結果を図７に示すところ、測定値と公称値が近似していることがわかる。式（４）による深さの測定値と公称値の比較結果を図８に示すところ、測定値と公称値が近似しているものの、式（４）による測定値は式（３）による測定値よりも精度が劣ることが分かる。
＜＜４． 式（１）、式（２）、式（３）及び式（４）＞＞
以下に、上記式（１）、式（２）、式（３）及び式（４）について詳細に説明する。
（１） 被検体及び内部欠陥モデル
図９及び図１０に示すようなモデルを想定する。図９及び図１０に示すように、被検体１９０の表面１９１に対してほぼ平行な正方形状の内部欠陥１９３が被検体１９０の内部に存在すると想定する。内部欠陥１９３の辺長をａとし、被検体１９０の表面１９１から内部欠陥１９３までの深さをｈとすると、被検体１９０のうち内部欠陥１９３を覆った領域１９４は、厚さがｈであり、幅及び長さがａである正方形平板とみなせ、その正方形平板の４辺は固定端とみなせる。以下、この領域１９４を振動板１９４という。
（２） 振動板の変位応答及び加速度応答
振動板１９４に単位インパルスの入力荷重を与えた時、振動板１９４の変位の時間的変化が減衰振動であるところ、振動板１９４の変位応答スペクトルにおける最大スペクトル強度は、入力荷重に等しい静的な垂直単位荷重を振動板１９４に与えた場合の撓みに等しい。振動板１９４の変位応答スペクトルにおける最大振幅は1/k1となり、振動板１９４の変位応答スペクトルにおける１次固有振動数はf1=ω1/2πとなる。振動板１９４の加速度の時間的変化も減衰振動であるところ、振動板１９４の加速度応答スペクトルにおける最大スペクトル強度はω1 2/k1となり、振動板１９４の加速度応答スペクトルにおける１次固有周波数はf1となる。ここで、ω1は１次固有角振動数であり、k1は１次固有振動数における振動板１９４のバネ定数である。
（３） 振動板の固有振動数
振動板１９４の（ｍ，ｎ）次モードの固有振動数ｆmnは、式（９）で与えられる(参考文献１)。
Figure 0007489638000005
Figure 0007489638000006
１次振動モードの固有振動数ｆ1は、式（９）に式（１０）を代入し、式（１１）で与えられる。
Figure 0007489638000007
振動板１９４の振動のフーリエ解析により１次固有振動数ｆ1を求めただけでは、振動板１９４の辺長ａ及び厚さｈを求めることができない。そこで、以下に説明する別の条件が必要となる。
（４） 振動板の振動レベル
振動板１９４が方形板状であるところ、その方形において２つの対角線が重なる位置に、すなわち方形板の中央に垂直な集中荷重Ｆmaxを加えたとき、その中央の最大たわみδmaxは式（１２）で与えられる（参考文献２）。
Figure 0007489638000008
Figure 0007489638000009
式（１２）から、フックの法則より１次振動モードのバネ定数k1は、式（１３）で示すことができる。
Figure 0007489638000010
ここで、ハンマ等の衝突物が集中荷重Ｆmax [N] の衝突力で振動板１９４に衝突するときを考える。上記（２）の項で述べた通り、衝突物が振動板１９４に衝突することによって、打撃力Ｆmax [N] が振動板１９４に与えられると、その振動板１９４の変位の時間的変化が減衰振動であるところ、その変位応答スペクトルにおける最大スペクトル強度は振動板１９４に静荷重Ｆmax [N] を与えた時の静たわみに等しい。このような減衰振動を加速度応答として置き換えると、振動板１９４の振動の加速度の最大値Ａmaxは、式（１４）で与えられる。
Figure 0007489638000011
式（１１）の１次固有振動数と、式（１４）の単位打撃力あたりの最大振動加速度とから、振動板１９４の大きさａ及び厚さｈはそれぞれ次式（１５）及び（１６）により算出することができる。
Figure 0007489638000012
（５） 振動板の振動と検出音圧の関係
振動板１９４から距離Ｒ [m] だけ離れた位置１９５における音圧と、振動板１９４の振動の加速度とは、次式（１７）の関係にある。ここで、Ｐ（ｓ）は位置１９５の音圧のラプラス変換であり、Ｇ1（ｓ）は振動板１９４の振動の加速度のラプラス変換であり、ρ0は媒体、つまり空気の密度であり、ｒは振動板１９４が円形板である場合の振動板１９４の半径であり、Ｒは振動板１９４から位置１９５までの距離である。
Figure 0007489638000013
式（１７）を考慮すると、位置１９５の音圧と振動板１９４の加速度の比が振動板１９４の大きさａの２乗に比例することが想定されるところ、振動モード形状を考慮すると、位置１９５の音圧と振動板１９４の加速度の比が振動板１９４の大きさａに比例すると考えられる。そこで、実験により位置１９５の最大音圧Ｐmaxと振動板１９４の最大加速度Ａmaxの比と、振動板１９４の大きさａとの関係を調べた。その結果を図１１に示す。図１１から明らかなように、最大音圧Ｐmaxと最大加速度Ａmaxの比は大きさａに比例することが分かる。その比例定数をＫ1とすると、最大音圧Ｐmaxと最大加速度Ａmaxと大きさａは次式（１８）の関係を満たす。
Figure 0007489638000014
式（１８）を式（１５）及び式（１６）に当て嵌めると、次式（１９）及び次式（２０）のようになる。
Figure 0007489638000015
式（１９）及び式（２０）をｎ次振動モードに一般化したものがそれぞれ式（１）及び式（３）である。
ところで、定数Ｋ1を求めるには、内部欠陥の既知の大きさが異なる複数の試験片を準備して、多数回の衝撃試験を行う必要があるため、多大な労力とコストが掛かる。そこで、準備する試験片を少なくするために、内部欠陥の既知の大きさが或る特定値の試験片を準備して、複数回の衝撃試験を行い、最大音圧Ｐmaxと最大加速度Ａmaxの比を求めてもよい。こうして求めた比が式（１８）におけるＫ1ａに相当するところ、Ｋ1ａ＝Ｋ2とすると、式（１８）は式（２１）のようになる。
Figure 0007489638000016
式（２１）を式（１５）及び式（１６）に当て嵌めると、次式（２２）及び次式（２３）のようになる。
Figure 0007489638000017
式（２２）及び式（２３）をｎ次振動モードに一般化したものがそれぞれ式（２）及び式（４）である。
（６） 参考文献
参考文献１；共立出版ホームページ、付録Ａ１自由度系（自由振動）の解放、インターネット＜ＵＲＬ：https://www.kyoritsu-pub.co.jp/app/file/goods_contents/46.pdf＞
参考文献２：堀部・富田・大高、弾性平板の大たわみ問題のＦＥＭ解析、茨城県技術センター研究報告、第２０号、インターネット＜ＵＲＬ： http://www.itic.pref.ibaraki.jp/periodical/reseach/20/N20P018.pdf＞
〔第２の実施の形態〕
図１２は、第２実施形態における非破壊検査装置１０Ａのブロック図である。ここで、第２実施形態の非破壊検査装置１０Ａと第１実施形態の非破壊検査装置１０の間で互いに共通する構成要素に同一の符号を付す。以下、第２実施形態の非破壊検査装置１０Ａについては、第１実施形態の非破壊検査装置１０と相違する点を主に説明する。以下に説明する相違点以外については、第２実施形態における非破壊検査装置１０Ａは第１実施形態における非破壊検査装置１０と共通している。
第２実施形態のプログラム６１Ａは第１実施形態のプログラム６１と相違する。コンピュータ３０がこのプログラム６１Ａを実行すると、コンピュータ３０が第１取得部３１、第１抽出部３２、第２取得部３３、第２抽出部３４、高速フーリエ変換部３５、固有振動数抽出部３６、第２高速フーリエ変換部４１Ａ、第３抽出部４２Ａ、スペクトル強度算出部４３Ａ、レベル差算出部４４Ａ、補正部４５Ａ及び算出部３７Ａとして機能する。以下、コンピュータ３０の機能について詳細に説明する。
＜＜１．コンピュータの機能＞＞
（１） 第１取得部３１、第１抽出部３２、第２取得部３３、第２抽出部３４、高速フーリエ変換部３５及び固有振動数抽出部３６はそれぞれ第１実施形態のそれと同一に機能して、同一の演算を行う。
（２） 第２高速フーリエ変換部
第２高速フーリエ変換部４１Ａとして機能するコンピュータ３０は、第１取得部３１が取得した打撃力の時系列データを高速フーリエ変換処理することにより、振動数ごとの打撃力のスペクトル強度を表した打撃力振動数特性を算出して、一時的に記憶する。
図１３のチャートは、コンピュータ３０が算出して一時的に記憶した打撃力振動数特性の一例を波形によって示したものである。図１３のチャートにおいて、横軸は振動数 [Hz] を表し、縦軸は打撃力のスペクトル強度 [dB] を表す。
（３） 第３抽出部
第３抽出部４２Ａとして機能するコンピュータ３０は、図１３に示すように、第２高速フーリエ変換部４１Ａが算出した打撃力振動数特性から打撃力の最大スペクトル強度Ｌmax [dB] を抽出する。
（４） スペクトル強度算出部
スペクトル強度算出部４３Ａとして機能するコンピュータ３０は、図１３に示すように、固有振動数抽出部３６が抽出した固有振動数ｆnを、前記第２高速フーリエ変換部４１Ａが算出した打撃力振動数特性に当て嵌めることによって、その固有振動数ｆnに対応するスペクトル強度Ｌ1 [dB] を算出する。なお、前述のように固有振動数ｆnは１次固有振動数ｆ1であることが好ましい。
（５） レベル差算出部
レベル差算出部４４Ａとして機能するコンピュータ３０は、第３抽出部４２Ａが抽出した最大スペクトル強度Ｌmaxと、スペクトル強度算出部４３Ａが算出したスペクトル強度Ｌ1とのレベル差Ｌmax－Ｌ1 [dB] を算出する。レベル差とは、単位をデシベルとしたレベル表現における最大スペクトル強度Ｌmaxのデシベル値とスペクトル強度Ｌ1のデシベル値の差をいう。
（６） 補正部
補正部４５Ａとして機能するコンピュータ３０は、第２抽出部３４が抽出した最大音圧Ｐmaxに、レベル差算出部４４Ａが算出したレベル差Ｌmax－Ｌ1に応じた倍率Ｍを乗ずる。このような乗算により得られた積が、最大音圧Ｐmaxの補正値Ｐmax’ [Pa] である。
Figure 0007489638000018
（７） 算出部
算出部３７Ａとして機能するコンピュータ３０は、第１抽出部３２が抽出した最大打撃力Ｆmaxと、補正部４５Ａが算出した補正値Ｐmax ’と、固有振動数抽出部３６が抽出した固有振動数ｆnとから次式（２４）又は次式（２５）により内部欠陥９３の大きさａを算出する。更に、コンピュータ３０は、第１抽出部３２が抽出した最大打撃力Ｆmaxと、補正部４５Ａが算出した補正値Ｐmax ’と、固有振動数抽出部３６が抽出した固有振動数ｆnとから次式（２６）又は次式（２７）により内部欠陥９３までの深さｈを算出する。ここで、式（２６）の右辺にａが存在するところ、式（２４）の右辺が式（２６）の右辺のａに当て嵌められる。また、大きさａの算出に式（２４）が用いられる場合、深さｈの算出に式（２６）が用いられることが好ましい（但し、式（２７）が用いられてもよい）。また、大きさａの算出に式（２５）が用いられる場合、深さｈの算出に式（２７）が用いられることが好ましい（但し、式（２６）が用いられてもよい）。
Figure 0007489638000019
Figure 0007489638000020
（８）結果の出力
算出部３７Ａが内部欠陥９３の大きさａ及び内部欠陥９３までの深さｈを算出すると、コンピュータ３０は表示デバイス８０に大きさａ及び深さｈを表示させる。更に、コンピュータ３０は大きさａ及び深さｈをストレージ６０に記録する。
＜＜２． 補正値の意義＞＞
（１） 打撃力と最大加速度の関係
上記式（１）～（４）、（１５）及び（１６）を求めるにあたって、振動板１９４に与える入力荷重は理想インパルスを想定している。理想インパルスとは、打撃の瞬間の微小時間（微小時間とは、限りなく０に近いことをいう。）に打撃力が立ち上がり、その微小時間の前後では打撃力が０になるような入力荷重をいう。理想インパルスの打撃力の振動数特性は、図１３中に二点鎖線で示すように、打撃力のスペクトル強度が振動数に関わらず一定の値をとる。
それに対して、ハンマ２１によって被検体９０を打撃すると、その入力荷重は理想インパルスとはならず、打撃力の時間的変化の波形は図２に示すように正規分布の曲線に近似する。このような打撃力の振動数特性は、図１３に示すように、振動数が高くなるほどスペクトル強度が低下する傾向にあることがわかる。上述のように、理想インパルスの打撃力のスペクトル強度が振動数に関わらず一定の値をとることから、上述のように抽出した最大スペクトル強度Ｌmaxは理想インパルスの打撃力のスペクトル強度とみなせる。そうすると、１次固有振動数ｆ1におけるスペクトル強度Ｌ1が最大スペクトル強度Ｌmaxから低下することは、スペクトル強度Ｌ1が理想インパルスの打撃力のスペクトル強度から低下していることとみなせる。
一方、加速度と打撃力は運動方程式から明らかなように比例関係にあることから、測定した加速度のスペクトル強度も理想インパルスの入力荷重における真の加速度のスペクトル強度よりも小さく、測定した最大加速度Ａmaxも理想インパルスの入力荷重における真の最大加速度よりも小さい。また、最大加速度Ａmaxと最大音圧Ｐmaxは上記の式（１８）又は式（２１）の関係にあることから、測定した最大音圧Ｐmaxも理想インパルスの入力荷重における真の最大音圧よりも小さい。そこで、最大音圧Ｐmaxを理想インパルスの入力荷重における真の最大音圧に補正すべく、最大スペクトル強度Ｌmaxと１次固有振動数ｆ1のスペクトル強度Ｌ1とのレベル差Ｌmax－Ｌ1に応じた倍率Ｍを最大音圧Ｐmaxに乗じて、補正値Ｐmax’を求める。
＜＜３． 有利な効果＞＞
以上の非破壊検査装置１０Ａを用いると、深さｈが100 mm以下である場合でも、被検体９０を破壊することなく内部欠陥９３の大きさａと、表面９１から内部欠陥９３までの深さｈを正確に検出することができる。
ここで、非破壊検査装置１０，１０Ａを用いて内部欠陥９３の大きさを測定し、大きさの測定値と公称値を比較した。その結果を図１４に示すところ、横軸は内部欠陥９３の大きさの公称値を表し、縦軸は非破壊検査装置１０，１０Ａによる測定値を表す。図１４に示すように、非破壊検査装置１０を用いた場合には、最大音圧Ｐmaxを補正しないため、測定値と公称値の乖離が大きい。特に、内部欠陥９３の大きさが小さいほど、公称値と測定値の乖離が大きい。一方、非破壊検査装置１０Ａを用いた場合は、最大音圧Ｐmaを補正したため、測定値は剥離の大きさに関わらず公称値と近似しており、非破壊検査装置１０を用いたよりも測定値のばらつきが小さく、測定精度が改善している。
非破壊検査装置１０，１０Ａを用いて内部欠陥９３までの深さを測定し、深さの測定値と公称値を比較した。その結果を図１５に示すところ、横軸は内部欠陥９３までの深さの公称値を表し、縦軸は非破壊検査装置１０，１０Ａによる測定値を表す。非破壊検査装置１０を用いた場合、内部欠陥９３までの深さが深いほど、公称値と測定値の乖離が大きい。また、内部欠陥９３の深さが深いほど、測定値のばらつきも大きい。一方、非破壊検査装置１０Ａを用いた場合は、測定値は内部欠陥９３までの深さに関わらず公称値と近似しており、非破壊検査装置１０を用いたよりも測定値のばらつきが小さく、測定精度が改善している。
上記の非破壊検査装置１０，１０Ａの何れにおいても、測定項目は音圧と打撃力であり、両者の相違点はプログラム６１，６１Ａにある。それゆえ、第１実施形態のプログラム６１を第２実施形態のプログラム６１Ａに変更するだけで、内部欠陥９３の大きさａ及び内部欠陥９３までの深さｈの算出精度を大幅に向上させることができる。
１０、１０Ａ…非破壊検査装置
２１…ハンマ
２２…電気音響変換器
２５…打撃力センサ
３０…コンピュータ
３１…第１取得部
３２…第１抽出部
３３…第２取得部
３４…第２抽出部
３５…高速フーリエ変換部
３６…固有振動数抽出部
３７，３７Ａ…算出部
４１Ａ…第２高速フーリエ変換部
４２Ａ…第３抽出部
４３Ａ…スペクトル強度算出部
４４Ａ…レベル差算出部
４５Ａ…補正部
６０…ストレージ
６１…プログラム
９０…被検体

Claims (8)

  1. 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
    前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第１取得手段と、
    前記第１取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第１抽出手段と、
    前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
    前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第２取得手段と、
    前記第２取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第２抽出手段と、
    前記第２取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
    前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
    前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
    を備え、
    前記内部欠陥の大きさをaとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をｆnとし、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧をＰmaxとし、所定の定数をＡ又はＢとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
    前記算出手段が次式（１）又は次式（２）を用いて前記内部欠陥の大きさを算出する
    非破壊検査装置。
    Figure 0007489638000021
  2. 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
    前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第１取得手段と、
    前記第１取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第１抽出手段と、
    前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
    前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第２取得手段と、
    前記第２取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第２抽出手段と、
    前記第２取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
    前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
    前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
    を備え、
    前記被検体の前記表面から前記内部欠陥までの深さをhとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をｆnとし、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧をＰmaxとし、所定の定数をＡとし、所定の定数をＣとし、所定の定数をＤとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
    前記算出手段が次式（３）又は次式（４）を用いて前記内部欠陥までの深さを算出する非破壊検査装置。
    Figure 0007489638000022
  3. 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
    前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第１取得手段と、
    前記第１取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第１抽出手段と、
    前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
    前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第２取得手段と、
    前記第２取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第２抽出手段と、
    前記第２取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
    前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
    前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
    前記第１取得手段によって取得された前記打撃力の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの打撃力のスペクトル強度を表した打撃力振動数特性を算出する第２フーリエ変換手段と、
    前記第２フーリエ変換手段により算出された前記打撃力振動数特性から最大スペクトル強度を抽出する第３抽出手段と、
    前記第２フーリエ変換手段により算出された前記打撃力振動数特性に、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数を当て嵌めて、その固有振動数に対応するスペクトル強度を算出するスペクトル強度算出手段と、
    前記第３抽出手段によって抽出された前記最大スペクトル強度と、前記スペクトル強度算出手段によって算出されたスペクトル強度とのレベル差を求めるレベル差算出手段と、
    前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧に、前記レベル差算出手段によって算出された前記レベル差に応じた倍率を乗ずることによって、前記最大音圧の前記補正値を算出する補正手段と、
    を備える非破壊検査装置。
  4. 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
    前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第１取得手段と、
    前記第１取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第１抽出手段と、
    前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
    前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第２取得手段と、
    前記第２取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第２抽出手段と、
    前記第２取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
    前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
    前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
    を備え、
    前記内部欠陥の大きさをaとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をｆnとし、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧の前記補正値をＰmax’とし、所定の定数をＡ又はＢとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
    前記算出手段が次式（６）又は次式（７）を用いて前記内部欠陥の大きさを算出する
    非破壊検査装置。
    Figure 0007489638000023
  5. 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
    前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第１取得手段と、
    前記第１取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第１抽出手段と、
    前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
    前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第２取得手段と、
    前記第２取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第２抽出手段と、
    前記第２取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
    前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
    前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
    を備え、
    前記被検体の前記表面から前記内部欠陥までの深さをhとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をｆnとし、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧の前記補正値をＰmax’とし、所定の定数をＡとし、所定の定数をＢとし、所定の定数をＣとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
    前記算出手段が次式（８）又は次式（９）を用いて前記内部欠陥のまでの深さを算出す
    る非破壊検査装置。
    Figure 0007489638000024
  6. 前記被検体の前記表面から前記内部欠陥までの深さをhとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をｆnとし、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧をＰmaxとし、所定の定数をＡとし、所定の定数をＣとし、所定の定数をＤとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
    前記算出手段が次式（１１）又は次式（１２）を用いて前記内部欠陥までの深さを算出する請求項１に記載の非破壊検査装置。
    Figure 0007489638000025
  7. 前記内部欠陥の大きさをaとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をｆnとし、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧の前記補正値をＰmax’とし、所定の定数をＡ又はＢとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
    前記算出手段が次式（１４）又は次式（１５）を用いて前記内部欠陥の大きさを算出する
    請求項３に記載の非破壊検査装置。
    Figure 0007489638000026
  8. 前記被検体の前記表面から前記内部欠陥までの深さをhとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をｆnとし、前記第１抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第２抽出手段によって抽出された前記最大音圧の前記補正値をＰmax’とし、所定の定数をＡとし、所定の定数をＢとし、所定の定数をＣとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
    前記算出手段が次式（１６）又は次式（１７）を用いて前記内部欠陥のまでの深さを算出す
    る
    請求項３、４又は７に記載の非破壊検査装置。
    Figure 0007489638000027
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