JPH0525045B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は均質物質に母材と音響インピーダンス
の異なる物質を含んだ音響減衰の大きい不均質物
質層の層厚非破壊測定方法および装置に関する。 ［従来技術］ かかる測定技術として、従来、弾性波の反射波
を用いたパルスエコー法が知られている。 パルスエコー法とは被測定物の表面から超音波
パルスを送波し、被測定物の裏面からの超音波エ
コーの到達時間から被測定物の厚みを知る方法で
ある。かかる方法では超音波パルスのパルス幅は
送波からエコー到達までの時間差に比べ短くなけ
ればならない。このため、用いる超音波の波長は
測定物の厚みに比べ充分に短くしなければならな
い。しかるに、コンクリートのような不均質物質
では、上記の条件を満足する周波数帯域での測定
では超音波の減衰のためにエコーが充分な精度で
検出できないか、骨材等による不要なエコーによ
り満足な結果が得られなかつた。また、波長の長
い音波を用いると、原則的には減衰及び散乱の影
響は小さくなるが、発振子及び受振子の周波数帯
域が充分でないことから音波のパルス幅を短くで
きず、送波とエコーの区別が困難になる。このよ
うな理由から従来コンクリートに代表される不均
質物質層の適正な層厚測定値が得られなかつた。 ［発明の目的］ 本発明の目的は、不均質物質層における弾性波
の散乱、減衰の影響の受けにくい高精度の不均質
物質層の層厚非破壊測定方法および装置を提供す
るにある。 ［発明の原理］ 物体に外力を加え強制的に振動させると、その
周波数が物体の固有周波数に等しくなつたときに
共振することが知られている。 本発明者は厚み共振現象をコンクリート厚み測
定に応用することを考えた。 すなわち、両面が自由なコンクリート板の厚み
共振周波数nは弾性波速度をＶ、コンクリート
板の厚みをＤとすると、 n＝nv／（２・Ｄ） （ｎ＝１，２，３…） (1) で与えられる。そこで、発振子をコンクリート板
面上に設置し、発振周波数を低い方から連続的に
変化させ、発振子と同一面上に設置した受振子に
よりコンクリート板表面の振幅を測定することに
よつて基本モード（ｎ＝１）の共振周波数を求め
れば、弾性波速度ｖがわかつていれば、(1)式を用
いて板厚Ｄを知ることができる。この場合、コン
クリート中に含まれる骨材等とコンクリート表面
までのコンクリートの厚さに対応する共振も起こ
り得るが、この共振周波数は(1)式からわかるよう
に、コンクリート板全体の厚みに対応する共振周
波数よりも大きくなる。従つて使用する弾性波モ
ード（例えば縦波或いは横波）よりも速度の遅い
弾性波による共振が無視できる場合、一番低い周
波数での共振が板厚に対応する共振である。 したがつてコンクリート板厚に対応する共振周
波数f1における弾性波の波長は板厚Ｄの２倍であ
り、コンクリートの骨材粒径に比し充分大きいの
で、骨材による弾性波の散乱は無視でき、また、
その周波数は従来のパルスエコー法で用いられて
いる周波数よりも１〜３桁低いため弾性波の減衰
も少なく、いままで不可能であつたコンクリート
板厚の測定を片面から高精度で行うことができ
る。 発振子は使用する弾性波モード以外の不要モー
ドの弾性波を発生することはなく平面波縦波をコ
ンクリート内に放射することが必要である。すな
わち、第１図ａにおいて厚みを測定しようとする
不均質物質層１に対してその一方の表面１ａに発
振子２ａを設けて表面１ａと実質的に平行な平面
波３ａを発するようすることが必要であり、また
測定周波数帯域では発振子２ａそのものが共振す
ることは許されない。しかるに平面波３ａを放射
するためには、その放射面が波長（20〜100cm）
に比べ充分大きくなければならず、このような発
振子２ａをつくることは事実上不可能である。ま
た放射面の大きな発振子は不要モードの共振を起
こしやすく、これが発振子の使用可能周波数帯域
を、ひいては測定可能な厚みの範囲を狭めること
になる。 他方、実用可能な発振子２ｂを用いた場合、厚
み測定の周波数範囲では第１図ｂに示すように放
射弾性波はほぼ球面波３ｂとなる。この場合、厚
み共振が生ずる範囲は発振子の近傍に限られる。
また、放射弾性波エネルギーは球面状に拡散する
ため、被測定物の厚みが増すが厚み共振を受振子
により観測しにくくなる。 本発明者は上述の発振子の問題点を研究した結
果、複数個の発振子２ｃを用いて断線波を送波す
るのが好適であることを見出した。すなわち第１
図ｃに示す如く複数個の発振子２ｃを用いた場
合、放射弾性波３ｃは反対側の表面１ｂの付近で
疑似的に平面波となり厚み共振の範囲を広げるこ
とができるとともに、拡散によるエネルギーの損
失を低下させることができる。また発振エネルギ
ーの総量を増加させ、Ｓ／Ｎ比（信号と雑音との
比）の向上がはかれると共に、１個の発振子を用
いた場合よりも、より厚い被測定物の厚みを高精
度で測定できることがわかつた。さらにこのよう
にすれば発振子自体の共振周波数に変化はないた
め、大型の発振子を用いた場合のような発振子自
体の共振周波数の低下を招くことはない。 ［発明の構成］ 本発明によれば、均質物質に母材と音響インピ
ーダンスの異なる物質を含んだ音響減衰の大きい
不均質物質層の層厚非破壊測定方法において、測
定しようとする不均質物質層の表面に複数の非共
振発振子および少なくとも１つの非共振型受振子
を設置し、あらかじめその不均質物質の弾性波速
度を求めておき、周波数の掃引可能な発振器を用
いて送波の周波数を連続的に変化させて発振子か
ら発振し、それらの発振子からの疑似平面波を受
振子で受振し、不均質物質層の弾性波による厚み
共振周波数を波形観測装置を用いて検出するよう
になつている。 また本発明によれば、均質母材に母材と音響イ
ンピーダンスの異なる物質を含んだ音響減衰の大
きい不均質物質層の層厚測定装置において、周波
数の掃引可能な掃引発振器と、測定しようとする
その掃引発振器からの出力信号を受けて発振する
複数の発振子と、少なくとも１つの受振子と、そ
の受振子からの出力を受ける波形観測装置とより
なり、それらの発振子および受振子は測定しよう
とする不均質物質の表面に位置している。 ［発明の作用効果］ 複数個の発振子によつて疑似平面波を送波する
ため、均質物質に母材と音響インピーダンスの異
なる物質を含んだ音響減衰の大きい不均質物質層
であつても、弾性波の散乱、減衰の影響が少な
く、波形観測装置において、共振を充分に観測で
きる。そしてその共振周波数と不均質物質の弾性
波速度とから厚みを計算することができる。それ
故に、不均質物質層の厚みを破壊することなく正
確に求めることができる。また複数個の受振子を
用いることにより、受振子自体の共振周波数を下
げることなく受振感度を上げることができると共
に、複数点の平均の面方向の振動をとらえること
になるため、使用する弾性波モード以外の不要モ
ードによる共振の影響を抑圧することができ、測
定精度を向上させることとができる。 ［実施例］ 以下第２図および第３図を参照して本発明の実
施例を説明する。以下弾性波モードとして縦波を
用いる場合について説明するが、本発明では横波
を用いることもできる。 第２図および第３図は本発明を実施する測定器
類の好ましい配置の一例を示している。 第２図および第３図において測定しようとする
不均質物質例えばコンクリート１の一方の表面１
ａには３つの発振子Ｂ１，Ｂ２およびＢ３が三角
形状に配置されており、その三角形状の中心に受
振子Ａが配置されている。これらの発振子Ｂ１，
Ｂ２，Ｂ３および受振子Ａはいずれも非共振型ト
ランスジユーサ（圧電加速度ピツクアツプ）で構
成するのが好ましく、そのように構成すると、測
定周波数帯域内で発振子および受振子自体の共振
がないので、正確な観測ができる。 複数の発振子の配置や数は任意であるが、第１
図ｃで説明したように疑似平面波を発するように
するのが好ましく、またリング状に配置するのが
よい。受振子Ａも適宜の隣接した位置に設けるこ
とできる。各発振子Ｂ１〜Ｂ３はアンプ４を介し
て周波数掃引発振器５に接続されている。他方受
振子Ａはアンプ６を介して波形観測装置７（オツ
シロスコープ）に接続されている。測定作業に際
し、いま発振器５の周波数を低い周波数から連続
的に掃引して、発振子Ｂ１〜Ｂ３からそれに対応
した弾性波をコンクリート層１内への放射させ、
受振子Ａでコンクリート表面１ａの加速度振幅を
波形観測装置により観測し、その一番低い共振周
波数1を求める。一方(1)式よりコンクリート板の
厚みＤは Ｄ＝ｖ／（２・1） (2) で与えられるので、コンクリート板の弾性波速度
ｖが既知であれば、(2)式よりコンクリート板の厚
みＤを求めることができる。なお、測定しようと
するコンクリート板１の弾性波速度を求めるに
は、既知の場合はその数値を用い、未知の場合
は、受振子および発振子をコンクリート板１の上
に置いて測定して求めればよい。 ［実施例］ 被測定物として厚さ10.5，14，24cmの三種類の
コンクリート板をとりあげた。コンクリート板の
作成に使用したコンクリートは水・セメント比
0.59で普通ポルトランドセメントおよび最大粒径
25mmの粗骨材ならびに細骨材として川砂を用い
た。なお作成したコンクリート板の弾性波速度は
3400m／secであつた。 発振子ならびに受振子として共振周波数22k
Hz、電荷感度40pC／ｇの圧電速度ピツクアツプ
を用い、受振子を第２図の如く正三角形に配置
し、その一辺の長さＬを５cm、発振器の周波数掃
引範囲５〜10kHz、発振子の入力電圧30Vppにて
測定を行つた。受振波形はチヤージアンプを通し
た後、オツシロスコープで観測した。第４図にコ
ンクリート板厚Ｄ＝24cmの波形観測例を示す。そ
の結果、1＝6.6kHzで共振周波数を観測した。コ
ンクリート板の弾性波速度は3400m／secである
ので、(2)式より板厚の測定値は25.7cmとなる。第
１表にこのようして求めたコンクリート板の板厚
と測定値を比較したものを示す。第１表に示され
たように本方法によりコンクリート板の板厚を片
面から非破壊的に測定することができ、その精度
は本例では誤差7.1％未満である。

【表】 第５図は本測定において複数個の発振子を用い
ることの有効性を示す実験結果である。第５図に
おいて二個の発振子Ｂ１，Ｂ２のうち片方あるい
は両方を同時に発振させたときのコンクリート板
の同一面上での加速度振幅分布である。なお、第
５図は厚さ14cmのコンクリート板を用い、発振周
波数は最初の厚み共振周波数1（＝11.7kHz）にと
つてある。図中の実線は各測点（Ｐ１〜Ｐ７）に
おけるＢ１およびＢ２の単独発振時の共振ピーク
での電圧を単純に加算したものである。 本実験結果にみられるように複数個の発振子を
用いることにより厚み共振が生ずる領域を拡げる
と同時に共振振幅を大きくすることができる。こ
のように本発明によれば、被測定物の厚みが増し
た場合特に有効である。 第６図は複数個の受振子を用いることの有効性
を示す実験結果である。この実験では直径６cmの
円周上に発振子を、その中心付近に受振子を配置
し、各々の個数を変えて厚み共振時の加速度振幅
を測定した。第６図にみられるように発振子の数
量が少ない場合には受振子を２個用いた場合の測
定値と１個の場合の測定値との差が１個の場合の
測定値からそのノイズレベルを差し引いた値にほ
ぼ等しく、単に受振子の個数が倍になつた分感度
が増したにすぎない。しかるに発振子の個数が４
〜６個と増え理想的な厚み共振に近づくにつれ、
検出感度は倍以上になつている。これは複数の受
振子を用いることにより、不要モードの影響が軽
減され、厚み共振モードが選択的に検出でき、ひ
いては厚みの測定精度が向上することを示してい
る。 ［まとめ］ 以上の如く本発明によれば、一番低い共振周波
数を求めて、あらかじめ求めた弾性波速度から不
均質物質層の厚みを求めることができるので、測
定しようとする不均質物質層を破壊することな
く、正確に求めることができる。しかも音響減衰
や散乱の大きな材料でもその減衰や散乱による影
響を最小限に止めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂおよびｃはそれぞれ発振子から生
ずる弾性波の態様を示す図、第２図は本発明によ
る発振子と受振子との配置を示す図、第３図は本
発明を実施した装置を示す説明図、第４図は共振
周波数の実験データを示す図、第５図および第６
図はそれぞれ複数の発振子および受振子を用いる
ことの有効性を示す図である。 Ａ……受振子、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３……発振子、
１……不均質物質層、５……周波数掃引発振器、
７……波形観測装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 均質物質に母材と音響インピーダンスの異な
   る物質を含んだ音響減衰の大きい不均質物質層の
   層厚非破壊測定方法において、測定しようとする
   不均質物質層の表面に複数の非共振型発振子と少
   なくとも１つの非共振型受振子を設置し、あらか
   じめその不均質物質の弾性波速度を求めておき、
   周波数の掃引可能な発振器を用いて送波の周波数
   を連続的に変化させて発振子から発振し、それら
   の発振子からの疑似平面波を受振子で受振し、不
   均質物質層の弾性波による厚み共振周波数を波形
   観測装置を用いて検出することを特徴とする不均
   質層の層厚非破壊測定方法。 ２ 均質母材に母材と音響インピーダンスの異な
   る物質を含んだ音響減衰の大きい不均質物質層の
   層厚測定装置において、周波数の掃引可能な掃引
   発振器と、測定しようとするその掃引発振器から
   の出力信号を受けて発振する複数の発振子と、少
   なくとも１つの受振子と、その受振子からの出力
   を受ける波形観測装置とよりなり、それらの発振
   子および受振子は測定しようとする不均質物質の
   表面に位置していることを特徴とする不均質物質
   の層厚非破壊測定装置。