JPH10253339A

JPH10253339A - 音波利用計測方法及び計測装置

Info

Publication number: JPH10253339A
Application number: JP9051793A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Egami; 憲位江上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-09-25
Also published as: US5955669A; NL1007793A1; NL1007793C2

Abstract

(57)【要約】【課題】音波を利用した厚みの計測に於いて、従来、
発振音波に高調波を含む率が高くなるように発振子をパ
ルス駆動し、受信は広い受信周波数範囲をカバー出来る
ようにするため、受信器の帯域特性を広帯域とせざるを
得ず、そのためノイズを拾い易く正確な測定が難しかっ
た。【解決手段】音波の発振には、磁歪振動子２２を出来
るだけ高調波を含まないように正弦波（正弦波可変周波
数発振器２５）で駆動し、受信は駆動した基本波のみを
受信する。そのためきわめて狭帯域のバンドパスフィル
タ１６を用いる。必要な周波数範囲にわたってこの測定
を少しずつ周波数を変えて何度も測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はコンクリート製構
造物の寸法計測やコンクリートの音速計測に用いる音波
利用計測装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】音波を用いて物体の厚さを計測したり、
物体内の内在ひび割れ位置を計測することは古くから行
われている。図１３は例えば特開昭６３−２４７６０８
号公報に示されたものと類似のコンクリートの板厚を測
定する（又は板厚が既知なら音速を測定する）音波利用
計測装置の構成図である。又、図１４は図１３の構成を
更に詳しく説明するための詳細構成図である。

【０００３】図１３、図１４に於いて１ａは厚さを計測
したいコンクリート壁、２はコンクリート壁１ａの表面
に圧接した超音波発振子、３は壁の振動検出用の加速度
センサ（受波器）、４は計測装置本体で、受波器３の検
出信号が入力され、又、超音波発振子２へ矩形波パルス
を送出するものである。５は指令信号を用いて発振周波
数を変化させることのできる矩形波パルス可変周波数発
振器（以下発振器という）、６は演算増幅器、７はＮＰ
Ｎトランジスタ、８と９は抵抗器、１０は受波器３から
の入力を増幅するバッファアンプ、１１はアナログ値を
ディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器である。１２はマ
イコン、１３はメモリである。Ａ／Ｄ変換器１１とマイ
コン１２とメモリ１３はスペクトル解析器３２を構成し
ている。

【０００４】マイコン１２は所定の周波数の矩形波パル
ス電圧を発生するように発振器５に対して指令する。発
振器５は矩形波パルス電圧を出力し、超音波発振子２は
この周波数で振動し被測定物１ａも振動する。矩形波パ
ルスで駆動されているので、当然この周波数を基本波と
する多くの高調波成分を含んだ超音波が送信される。被
測定物１ａ内に生じている振動を受波器３で一定時間に
わたって時系列的に検出し、バッファアンプ１１で信号
増幅し、Ａ／Ｄ変換器１０で順次Ａ／Ｄ変換してメモリ
１３に取込み、フーリエ変換して発振周波数から発振周
波数の数倍の周波数にわたる各周波数成分の振幅（振動
加速度の波高値）を求める。ここでバッファアンプ１０
は幅広い高調波成分の周波数に対して対応できる広帯域
アンプが用いられている。

【０００５】このようにして最終的に図１５のような、
横軸に周波数、縦軸にその周波数の振動加速度（あるい
は波高値、振幅値）のグラフを得る。複数の特定周波数
では送信波と反射波が干渉して定在波が生じるので、波
高値のピークを持つ周波数が被測定物１ａの共振周波数
であり、２Ｌ＝ｎ・υ／ｆ ……（１）式が成立つ。ここでＬは壁１ａの厚み、υは壁１ａ内での音速、ｆは
共振周波数、ｎは正の整数である。υが既知であればＬ
を、Ｌが既知であればυを求めることが出来るのであ
る。以後の説明は全てυが既知であるとして厚みを測定
する場合を例として説明する。

【０００６】ところで一般にコンクリート内の音速は４
〜５Ｋｍ／Ｓ程度であるので数ｍ程度の厚みのコンクリ
ートの計測に用いる周波数は超音波では高すぎる
（（１）式のｎが大きくなりすぎる）のである。そこで
超音波発振子２の代りに、より低い周波数を出力するの
に適した磁歪発振子が用いられる。

【０００７】図１６は磁歪発振子２２の構造の詳細を示
したもので、２２ａは磁歪材、２２ｂ、２２Ｃは壁１ａ
への加振力を強めるための重りである。磁歪材２２ａに
はコイルが巻かれていてコイルに電流が流れると磁化さ
れ磁歪材２２ａが歪み、交流電流を加えると振動が発生
するようになっている。磁歪材２２ａには、磁化される
ことによって延びる素材のものと縮む素材のものとがあ
り、いずれも電流の方向には関係なく、電流の大きさに
応じて延びる素材は延び、縮む素材は縮むという性質の
ため、加えた交流電流と同じ周波数の振動を発生させる
ためにはあらかじめ交流分に直流分を付加しておく必要
がある。

【０００８】そこで磁歪発振子２２には、発振器５から
図１７（ａ）に示すようなプラス側にシフトしたパルス
電圧を発生する。その周波数はマイコン１２から設定す
ることが可能である。演算増幅器６とトランジスタ７、
抵抗器８、９の回路は典型的な電圧／電流変換回路で磁
歪発振子２２にはプラス側にシフトしたパルス電流が流
れる。磁歪発振子２２の入力電流と歪みの関係はヒステ
リシスを持った非線形の関係を持つため、振動出力は歪
んでおり、パルスで駆動していることと相まって基本周
波数の他に多くの高調波成分が存在する。例えば磁歪発
振子２２に連続パルス列電圧（図１７（ａ）電流ＯＮ時
間１５０μｓ、ＯＦＦ時間３５０μｓ、周波数２ＫＨ
Ｚ）を印加したときの、出力波形を図１７（ｂ）に示
す。磁歪発振子２２の出力に如何に多くの高調波が含ま
れているかを説明するため、この出力波形信号を１００
ＫＨＺで１秒間取込んでフーリエ変換して、スペクトル
分析した図を図１８に示す。

【０００９】磁歪発振子２２に連続パルス列電圧を印可
した場合、発振子２２の振動出力は図１８のように、周
波数によって振動強さが極端に変動しているので、振動
強さがピークとなる周波数が見かけ上ずれることにな
る。従来の計測に利用するのに理想的な発振子の振動出
力特性は、計測に必要な全ての周波数成分を含み、又そ
の強さが周波数に対して一定であるものである。特定の
周波数成分が少ないとその周波数については計測不能と
なり、強さがばらつくということは、共振周波数を見か
け上狂わせ、測定結果の精度が悪化する。また、例えば
床の厚み計測の場合、コンクリートの下には土がある。
空気や水に比べて土は音響特性インピーダンスがコンク
リートに近いため、反射率が小さくなる。又、厚みが大
きくなりがちなため帰ってくる反射波は小さくなる。従
って、周波数を横軸にし、振動加速度を縦軸にしたグラ
フでの振動加速度強さのピークは現実にはそれほど明確
に識別できるものではない。床に送信する振動強さと、
反射も重なった計測振動強さの間には比例関係があるた
め、発振子２２の振動出力がばらつくと計測振動強さに
直接影響し、正確にピークを把握できないと言う問題が
生じる。

【００１０】その上受波器３で受信した振動加速度信号
には図１３の図中に示すように、異なるルートＡ、Ｂ…
…を経由した沢山の信号が来るので、図１５に示したグ
ラフのピーク周波数を明瞭に識別することが困難とな
る。共振周波数を正確に知ることが出来なければ厚みを
正確に測定することが出来ない、つまり計測そのものが
難しい。図１５は説明の都合上明瞭に記載しているが、
バッファアンプ１０は広帯域特性であるためノイズも拾
いやすく、実際のデータはノイズに埋まったはなはだ識
別困難なものとなる。もっとも、信号を順次取込み、ス
ペクトル解析器３２でフーリエ変換すれば、各周波数成
分の波高値を正確に算出できるが、フーリエ変換するに
は例えば１ＨＺ刻みの精度で周波数を特定しようとした
場合、原理的にもデータの取込みに１秒間必要である。
周波数を順次変えて計測すると１００周波数分の計測を
しようとすると最低１００秒も掛ってしまう。

【００１１】図１９は理解を助けるためフーリエ変換に
より１ＨＺ毎の解析を行った場合、１００周波数分の計
測に要する時間を図示したものである。１００周波数分
に対して例えば１０２秒の時間が必要である。図中Ｎ１
〜Ｎ１００は１００周波数分の計測の繰返しを示してい
る。これでは計測時間が長く大変効率が悪い。また、単
に効率だけが問題でなく、コンクリート壁１ａへの磁歪
発振子２の固定方法は、人間が手でもって押えつけるの
が最も簡単なので、一般的にはそのように行うのである
が、１００秒もかかつていると、その間に押しつけ力や
位置が変るなど計測そのものが一定の条件で行われない
と言う問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の音波利用計測方
法並びに計測装置は以上のように構成されているので、
受波に際して広帯域の増幅器を用いざるを得ないので、
ノイズを拾いやすく、共振周波数を捉えることがきわめ
て困難で、計測が難しいという問題があった。又、計測
時間の間、一定の条件で計測することが困難であるぐら
いに計測時間が長く掛ると言う問題があった。

【００１３】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、狭帯域の増幅器を用いることが
でき、ノイズを拾うことが少ない計測方法、計測装置を
提供しようとするものである。また、計測時間内に計測
条件の変動が生じる恐れがない程度に計測時間を短くす
ることを目的とする。また、共振周波数の識別が正確に
行える計測装置を提供しようとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】第１の発明に係る音波利
用計測方法は、下記ア）〜オ）の手順を用いるものであ
る。ア）測定対象物の一面に磁歪発振子と受波器とを設置す
る手順。イ）前記磁歪発振子を任意の１つの周波数で励振しこの
測定対象物の対向面に向けて音波を送信する手順。ウ）前記対向面からの反射波を前記受波器で受信して、
前記周波数の成分における受信波振幅を測定する手順。エ）上記イ）ウ）の手順を前記１つの周波数と異なり、
且つ、互いに異なる周波数で複数回繰返し行う手順。オ）前記繰返し行ったイ）ウ）の手順によって得られた
複数の異なる周波数に対する前記受信波振幅が極大とな
る周波数値から、この測定対象物の厚さ又はこの測定対
象物中の音速を演算する手順。この手順によれば、１回
の計測の受信は１つの周波数でのみ行われるので、きわ
めて狭帯域の受信器を用いることが出来、ノイズの混入
を軽減することが出来る。

【００１５】第２の発明による音波利用計測装置は、測
定対象物の一面に設置した磁歪発振子と受波器、前記磁
歪発振子を他から指令される任意の周波数で励磁する正
弦波可変周波数発振器、前記受波器から前記他から指令
される任意の周波数の信号を抽出する可変周波数バンド
パスフィルタ、前記磁歪発振子が前記周波数で送信して
いる間の任意の時刻に、前記可変周波数バンドパスフィ
ルタの出力端で受信波振幅（Ｖ１）を計測する第１の振
幅計測手段、この第１の振幅計測手段の動作時刻の後、
前記周波数の１／４周期の時間差で前記可変周波数バン
ドパスフィルタの出力端で同じ周波数の受信波振幅（Ｖ
２）を計測する第２の振幅計測手段、Ｖ０＝｛（Ｖ１）
²＋（Ｖ２）²｝^1/2 式を含む演算によって、前記送信
周波数における受信波振幅（Ｖ０）を求める演算手段、
互いに異なる周波数からなる周波数列を構成し、前記正
弦波可変周波数発振器と前記可変周波数バンドパスフィ
ルタに前記周波数列の周波数を順次、所定時間間隔で指
示するコントローラを有するものである。この手段によ
り、狭帯域受信によりノイズの影響がなく、また、多く
の周波数で繰返し測定を行うにも係わらずトータルの計
測所要時間を短縮することが可能となる。

【００１６】第３の発明による音波計測装置は、測定対
象物の一面に設置した磁歪発振子と受波器、前記磁歪発
振子を他から指令される任意の周波数で励磁する正弦波
可変周波数発振器、前記受波器から前記他から指令され
る任意の周波数の信号を抽出する可変周波数バンドパス
フィルタ、前記磁歪発振子が前記周波数で送信している
間の任意の時刻に、この送信周波数の１／４周期の時間
差で２つのタイミング信号ｔ１、ｔ２を発生するタイミ
ング信号発生回路、前記可変周波数バンドパスフィルタ
の出力端で、前記タイミング信号ｔ１を与えられたとき
受信波の振幅（Ｖ１）を計測し、ｔ２を与えられたとき
受信波の振幅（Ｖ２）を計測する第３の振幅計測手段、
Ｖ０＝｛（Ｖ１）²＋（Ｖ２）²｝^1/2 式を含む演算
によって、前記周波数における受信波振幅（Ｖ０）を求
める演算手段、互いに異なる周波数からなる周波数列を
構成し、前記正弦波可変周波数発振器と前記可変周波数
バンドパスフィルタに前記周波数列の周波数を順次、所
定時間間隔で指示するコントローラを有するものであ
る。この手段により、多くの周波数で繰返し測定を行う
にも係わらずトータルの計測所要時間を短縮することが
可能となる。

【００１７】第４の発明による音波計測装置は、磁歪発
振子の励磁信号を、この磁歪発振子の周波数対基本波出
力振幅特性に反比例して補正する発振補正増幅器を有す
るものである。この手順によれば、異なる周波数での発
振出力を容易に補正し均等化できることとなり、共振周
波数の正確な測定が可能となる。

【００１８】第５の発明による音波計測装置は、受波器
で受波した信号を、あらかじめ測定した磁歪発振子の周
波数対基本波出力振幅特性に反比例して補正する受波補
正増幅器を有するものである。この手順によれば、異な
る周波数での発振出力の差を受信側で容易に補正できる
こととなり、共振周波数の正確な測定が可能となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下、この発明の第１と第２の発明の音
波利用計測装置並びに計測方法を実施の形態１として図
について説明する。図１に於いて１ａは厚さを計測した
いコンクリート壁、２２はコンクリート壁１ａの表面に
圧接した磁歪発振子、３は壁の振動振幅検出用の加速度
センサ（受波器）、４は計測装置本体で、受波器３の検
出信号が入力され、又、磁歪発振子２２へ励磁出力信号
を送出するものである。２５は周波数指令信号をマイコ
ン１２から受けて発振周波数を変化させることのできる
正弦波可変周波数発振器（以下正弦波発振器という）、
６は演算増幅器、７はＮＰＮトランジスタ、８と９は抵
抗器、１１はアナログ値をディジタル値に変換するＡ／
Ｄ変換器である。１２はマイコン、１３はメモリであ
る。１５はマイコン１２の指令に基づいて振幅計測のた
めのタイミング信号１５ａと１５ｂを発生させるタイミ
ング信号発生回路、１６はバンドパス周波数をマイコン
１２からの指令に基づいて変化出来る狭帯域可変周波数
バンドパスフィルタ（以下ＢＰＦという）、１７、１８
は共にサンプルホールド回路、１９はアナログマルチプ
レクサである。

【００２０】次に動作について説明する。図１では磁歪
発振子２２は出来るだけその出力に高調波を含まないよ
うに駆動される。そのため駆動はプラス側又はマイナス
側にシフトした正弦波で行う。シフトした正弦波電流を
流すのは従来例で説明したとおり極力基本周波数成分を
高め、高調波成分を低くするためである。特に磁歪発振
子２２の固有振動数をｆｃとして、ｆｃ／Ｎ（Ｎは正の
整数）で磁歪発振子２２を振動させると磁歪発振子２２
自体の共振のためｆｃ成分を大きくすることができる。
それでも高調波はゼロにはならないので、受波器３によ
り検出される振動加速度信号（振幅信号）は、従来例で
説明したように基本周波数成分の他にその高調波成分が
含まれている。そこで、基本周波数のみを通過できるよ
うにＢＰＦ１６の周波数を基本波に設定すれば、ＢＰＦ
１６の出力は基本周波数成分が主となる。９９％以上、
即ち、高調波成分を見かけ上ゼロとする程度のことは市
販のアクティブフィルタを使って容易に実現できる。

【００２１】ＢＰＦ１６の出力である正弦波出力の波高
値の検出は次のように行う。マイコン１２からのサンプ
ル指令で、信号１５ａと１６ｂは図２に示すように順次
出力されるが、そのタイミング差は基本周波数の１周期
のちょうど１／４｛９０゜位相差あるいは１／（４ｆ）
と同じ時間差｝となるように設定しておく。基本波の電
圧がＶ０ｓｉｎ（ｗｔ）とすると、サンプルホ
ールド１７でサンプルされる電圧Ｖ１、Ｖ１＝Ｖ０ｓｉ
ｎ（ｗｔ＋α）サンプルホールド１８でサンプルされる
電圧Ｖ２は、Ｖ２＝Ｖ０ｓｉｎ（ｗｔ＋α＋９０゜）＝
Ｖ０ｃｏｓ（ｗｔ＋α）となりＶ０＝｛（Ｖ１）²＋（Ｖ２）²｝^1/2 ……（２）の演算で容易にＶ０を計算できる。

【００２２】Ｖ１、Ｖ２は、アナログマルチプレクサ１
９を順次切替えて、Ａ／Ｄ変換して取込むことが出来、
ＢＰＦ１６の動作時間を考慮しても基本波１周期以内で
波高値を算出できる。即ち、コンクリートの壁厚を１
ｍとすると共振基本周波数は約２ＫＨＺとなるから、１
／２０００秒での波高値計測も可能なことが判る。即
ち、従来のフーリエ変換方式における１データの計測時
間（図１９のＮ１相当）１秒がこの程度に短縮される。
以上の計測を、正弦波発振器２５とバンドパスフィルタ
１６の周波数を所定量例えば１ＨＺずつ変更して、所定
の周波数範囲にわたって繰返し行い、図１５に相当する
データを得る。なお、周波数を変えた直後は磁歪発振子
２２の振動が直ちには安定しないので、そのときの周期
の１０倍程度待ってから計測する必要があるが、このこ
とは従来でも同様である。

【００２３】計測方法のフローチャートを図３に示す。
図３のステップのスタートの前に、まず、測定対象であ
るコンクリートの一面に図１のように磁歪発振子２２と
受波器３とを設置する。計測をスタートすると、計測す
べき周波数幅（ｆｎ〜ｆｍ）の端（上端でも下端でも良
い）の周波数ｆ１を決定する（Ｓ１）。次に正弦波発振
器２５とバンドパスフィルタ１６に周波数ｆ１の指令を
行い設定する（Ｓ２）。正弦波発振器２５の発振が安定
するまで１周期の１０倍程度の時間待ちを行う（Ｓ
３）。サンプルホールド１７、１８に１／（４ｆ１）の
時間差で指令を送る（Ｓ４）。サンプルホールド１７、
１８がＶ１、Ｖ２のサンプリングを行う時間の間待つ
（Ｓ５）。マルチプレクサ１９でＶ１、Ｖ２を取込み、
演算してｆ１にたいする振幅値Ｖ０を得る（Ｓ６）。こ
こでＶ０に対して磁歪発振子２２の周波数特性に応じた
補正（図１８の相当周波数の発信出力により除算する）
を行っても良い（Ｓ７）。上記で１つの周波数ｆ１にた
いする振幅値Ｖ０を得たが、計測すべき全周波数（ｎ＝
２〜ｎ）の計測はまだ完了していない（Ｓ８）。同じこ
とを繰返し行うためにｎを（ｎ＋１）として、例えば１
ＨＺ異なる周波数を設定する（Ｓ９）。周波数ｆ（ｎ＋
１）に対してＳ１〜Ｓ８のステップを繰返す。上記手順
をｆｎ〜ｆｍまで必要な周波数幅にわたって実行し、図
１５のグラフを得て、その極大点から共振周波数を求め
る（Ｓ１０）。求めた共振周波数から板厚を演算するの
は従来例で説明した式（１）によればよいので説明は省
略する。

【００２４】以上説明した計測方法によれば、１つの計
測においては発振子２２を励振する基本周波数１波の振
幅データしか計測しないので、ＢＰＦ１６の通過帯域幅
をきわめて狭くすることが出来ると共に、各周波数毎に
受信結果に対して発振出力に応じた振幅データの補正を
行うことも出来るので、ノイズの影響を排除できると共
に、計測が正確に行える。

【００２５】次にこの計測を行うに要する時間について
説明する。ステップＳ１〜Ｓ３までは従来の場合と同様
なので、例えば１／１００秒程度である。また、前述の
とおり、ステップＳ４からステップＳ８までは１回当り
１／２０００秒程度で終了するので、Ｓ１からＳ８まで
は２１／２０００秒程度の時間で終了する。１００周波
数分の計測を行い、更にＳ１０のステップ（１秒程度）
を考慮しても（２１／２０００）×１００＋１≒２秒程度で終了するので、図１９の場合に比して格段に計測
時間が短縮されているということが出来る。図４は実施
の形態１による計測時間を図にしたものである。図中ｎ
１……ｎ１００は図３のフローＳ１〜Ｓ９の繰返し１０
０回を示す。

【００２６】タイミング信号発生器１５とサンプルホー
ルド回路１７とマルチプレクサ１９によつて第１の振幅
計測手段を構成している。また、タイミング信号発生器
１５とサンプルホールド回路１８とマルチプレクサ１９
で第２の振幅計測手段を構成している。マイコン１２と
メモリ１３は、（２）式を含む演算を行って送信周波数
における受信波振幅を求める演算手段を構成していると
ともに、互いに異なる周波数列を構成し、正弦波可変周
波数発振器と可変周波数バンドパスフィルタに前記周波
数列の周波数を順次、所定の時間間隔で指示するコント
ローラをも兼ねている。

【００２７】図１の説明に於いて、バンドパスフィルタ
１６は例えば遮断周波数を基本周波数の１．５倍程度に
設定したローパスフィルタでも実用上差支えない。増幅
器６〜トランジスタ７に至る駆動回路は一例を示したも
のにすぎず、この回路でなければならぬと言うものでは
ない。又、測定対象物としてコンクリートの場合につい
て説明したが、コンクリートに限らず金属、プラスチッ
ク、液体などにも使用できることは言うまでもない。

【００２８】実施の形態２．この発明の第３の発明の実
施の形態２による音波利用計測装置の構成を図５に示
す。図５に於いて２０はタイマーである。正弦波信号発
振器２５とバンドパスフィルタ１６は図１と同様マイコ
ン１２からの指令（仮にｆとする）によって周波数が設
定されるものである。バンドパスフィルタ１６はタイ
ミング信号発生器１５の指令があったときに、設定され
た周波数成分のみを通過させるきわめて狭帯域の特性を
有するものである。図５の構成の場合の計測のフローを
図７のフローチャートに示す。タイマー２０は図６に示
すように１／（４ｆ）の時間差を置いてタイミング信号
を２回発生する。最初のタイミング信号をｔ１、２度目
のものをｔ２と呼ぶ。最初のタイミング信号ｔ１が発生
したとき、一度Ａ／Ｄ変換した値をＶ１、そして一度Ａ
／Ｄ変換した後タイマー２０を使って正確に１／（４
ｆ）、（９０゜遅れ）時間後に２回目のタイミング信号
ｔ２が発生したとき、再度Ａ／Ｄ変換した値をＶ２とす
ると、基本波の波高値Ｖ０は実施の形態１に示した
（２）式で算出できる。ただし、図５のものでは、周波
数が高くなったときに１／（４ｆ）が短い時間となるの
で、マイコン１２の処理速度の関係で、サンプリングタ
イムの精度が悪化し、算出精度が悪くなると言う問題が
ある。つまり図５のものは周波数が比較的低いときに有
効と言える。

【００２９】１／（４ｆ）に相当する時間離れた２つの
信号ｔ１、ｔ２は、タイマー２０から発信するとして説
明したが、タイミング信号発生回路１５で行ってもよ
く、また、タイマー２０はマイコン１２でソフト的に構
成するものでも良いことは言うまでもない。

【００３０】図７のフローは各ステップ毎に実行する内
容をフロー図内に記載しているので、特にフローのステ
ップを追う説明は行わない。次に計測所要時間について
説明する。ステップＳ１１〜Ｓ１３までは実施の形態１
の図３と同様で、その所要時間は例えば１／１００秒程
度である。ステップＳ１４からステップＳ１９までは実
施の形態１に説明した変換を２度行うので例えば２／２
０００秒程度で終了する。したがってＳ１１〜Ｓ１９に
至るまでは２２／２０００秒程度の時間で終了し、１０
０周波数分の計測を行い、更にＳ２０のステップ（１秒
程度）を考慮しても（２２／２０００）×１００＋１≒２．１秒程度で終了するので、図１９の従来の場合に比して格段
に計測時間が短縮されているということが出来る。

【００３１】図８は実施の形態２による計測方法の計測
時間を図にしたものである。図中ｎ１……ｎ１００は図
７のフローＳ１１〜Ｓ１９の繰返しを示す。

【００３２】以上の説明では、コンクリート中の音速が
既知で、厚さを計測するとして説明したが、厚さが既知
で音速を計測する場合も同様である。また厚さでなくコ
ンクリート中にあるひび割れや異物の位置を知る場合で
も同様であることは言うまでもない。

【００３３】マイコン１２とメモリ１３は、（２）式を
含む演算を行って前記送信周波数における受信波振幅を
求める演算手段を構成している。図５の説明に於いて、
バンドパスフィルタ１６は例えば遮断周波数を基本周波
数の１．５倍程度に設定したローパスフィルタでも実用
上差支えない。増幅器６〜トランジスタ７に至る駆動回
路は一例を示したものにすぎず、この回路でなければな
らぬと言うものではない。

【００３４】実施の形態３．この発明の第４の発明の音
波利用計測装置を実施の形態３として図９にその構成を
示す。図に於いて、１４は増幅率可制御増幅器（オート
ゲインアンプ）であり、マイコン１２からの設定で任意
にゲインを代えることが可能である。それ以外の部分は
図１の構成と同じでその動作も同じである。オートゲイ
ンアンプ１４は磁歪発振子２２の周波数特性に応じて、
例えば設定周波数が低いときゲインをあげて駆動電流を
増加させ、高いときに減少させて発振出力が設定周波数
に係わらず一定になるように制御する。従来のようにパ
ルスで駆動し生じる振動に含まれる全周波数を同時に用
いる場合には、特定周波数のみの出力調整は不可能であ
るが、本発明においては基本波しか用いていないので出
力調整が可能となるのである。具体的には、事前に反射
波が無視できるぐらいに厚みの厚いコンクリート構造物
に、磁歪発振子２２と受波器３を取付け、センサ３で検
出される基本波の振幅を測定する。図１０は磁歪発振子
２２に一定値の直流バイアス電流と一定値の正弦波電流
を流したときの、磁歪発振子２２の出力する振動加速度
（無論基本波成分のみ）と設定周波数の関係の実測例で
ある。設定周波数を順次変化させて得たデータである。
振動出力は大体周波数の二乗に比例しているが、所々に
不連続点が現れる。これは発振子材料の非線形性、構造
寸法によって定まる自己共振点などの影響によるものと
思われる。

【００３５】そして、使用する周波数範囲全体で上記基
本波振幅が一定になるようにオートゲインアンプ１４の
ゲイン（周波数特性）を決定し、その周波数特性（例え
ば図１１）をメモリ１３に保存しておき、計測を行うと
きに発振周波数を変化させる度に、その周波数に対応し
たゲインに設定を変更し計測する。こうすることで振動
出力が周波数に係わらず一定となり、正確なピーク周波
数の計測が出来るようになる。勿論使用する最高周波数
以上、最低周波数以下ではオートゲインアンプ１４の増
幅率は出来るだけ低くしておくのがよい。

【００３６】図１０の特性を得る他の方法として、磁歪
発振子２２をフリー（コンクリートに取付けないの意、
例えば床に寝かせるなど）の状態にして、発振子２２の
重り２２ｃの壁に押しつける側に直接受波器３を取付け
て、周波数を変えながら、受波器３の検出する基本波の
波高値又は振幅が一定になるようにオートゲインアンプ
１４のゲインを決定しても良い。オートゲインアンプ１
４を発振補正増幅器という。

【００３７】実施の形態３の説明は実施の形態１の図１
のものに適用した場合について説明したが、実施の形態
２の図５のものに適用することも可能である。

【００３８】実施の形態４．この発明の第５の発明の構
成を実施の形態４として図１２に示す。１０ａは増幅率
可制御増幅器（オートゲインアンプ）でマイコン１２か
らの設定で任意にゲインを変えることが出来る。それ以
外の部分は実施の形態１の図１と同じである。磁歪発振
子２２への駆動電流が一定であるとすれば、オートゲイ
ンアンプ１０ａのゲインは、周波数が低いときは受波器
３の出力が小さいのでゲインをあげ、高いときは下げ
る、即ちオートゲインアンプ１０ａの特性は実施の形態
４の図１１と同じである。測定を行う前に、反射波が無
視できるぐらいに厚みの厚いコンクリート構造物に、磁
歪発振子２２と受波器３を取付け、受波器３で検出され
る基本波の振幅特性（図１０に相当）を測定する。これ
を補正する特性は図１１のようになるがこれをメモリー
１３に保存しておき、測定に際して計測した波高値にた
いして、保存しておいた特性値で除算し、その商を使用
することで磁歪発振子２２の出力の周波数にたいする変
動の影響を受けずに正確に波高値のピークとなる周波数
を知ることが可能である。

【００３９】大きなコンクリート構造物がない場合は実
施の形態３に説明したように、発振子２２に直接受波器
３を取付けて特性を採っても良い。

【００４０】オートゲインアンプ１０ａのゲインは、市
販品であれば８段階程度であるのが通常であるので、実
施の形態３の図９のオートゲインアンプ１４のみを使っ
て振動出力を使用する全周波数範囲にわたって一定化す
るのは困難になる。又、図１２のオートゲインアンプ１
０ａのみで数ｍＶ〜数Ｖの信号を取込むのもホワイトノ
イズがあるため困難である。そこで図９と図１２の両方
を併用して、増幅率を分担化するのがよい。周波数によ
ってオートゲインアンプ１４のゲインを決めておき変化
させる点は実施の形態３と、それ以外は実施の形態４と
同じ構成ならびに動作となる。オートゲインアンプ１０
ａは受波補正増幅器である。受波補正増幅器１０ａは増
幅器でなくともいわゆるデバイダーであっても同様の目
的を達成することは可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上のように第１の発明による音波利用
計測方法は、磁歪発振子を１つの周波数で駆動し、受波
に際してはこの１つの周波数成分のみの振幅測定を行う
手順を用い、この周波数を少し変えて再度同じ計測を行
うという手順を繰返しているので、受信にきわめて狭帯
域のバンドパスフィルタを用いることが可能となり、計
測が雑音にじゃまされることが無く、正確に行うことが
出来るという効果を奏する。

【００４２】第２、第３の発明による音波利用計測装置
では、従来のようにフーリエ変換するのでなく、１周期
の１／４の時間離れた２つの振幅データから信号振幅を
演算で求めているので、格段に計測時間を短縮すること
が出来、その結果必要な計測時間の間、発振子やセンサ
を一定の力で対象物に押しつけていることが容易とな
り、時間的効率の向上と共に測定精度の向上が得られる
と言う効果がある。

【００４３】第４の発明によれば、磁歪発振子を用いて
いるにも係わらず、発振周波数を変化させても発振子の
振動加速度が変化せず、測定対象の共振周波数のピーク
値が磁歪発振子の特性によって影響されることなく正確
に捕えうると言う効果が得られる。

【００４４】第５の発明によれば、磁歪発振子を用いて
いるにもかかわらず、発振周波数を変化しても検出する
振動加速度信号の大きさが、磁歪発振子の出力変動に対
して補正されているので、測定対象の共振周波数のピー
クを正確に捕えることが出来るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１による音波利用計測
装置の構成図である。

【図２】図１中のタイミング信号発生器の出力信号説
明図である。

【図３】図１の計測装置の動作フロー説明図である。

【図４】図３のフローチャートの実行時間説明図であ
る。

【図５】実施の形態２による音波利用計測装置の構成
図である。

【図６】タイマーの出力信号説明図である。

【図７】図５の動作フローチャートである。

【図８】図６のフローチャートの実行時間説明図であ
る。

【図９】実施の形態３による音波利用計測装置の構成
図である。

【図１０】磁歪発振子の駆動電流一定の場合の振動出力
周波数特性図である。

【図１１】図９のオートゲインアンプの周波数特性を示
す図である。

【図１２】実施の形態４による音波利用計測装置の構成
図である。

【図１３】従来の音波利用計測装置の構成原理図であ
る。

【図１４】図８の詳細構成図である。

【図１５】図１３の音波利用計測装置が得るデータの説
明図である。

【図１６】磁歪発振子の構造説明図である。

【図１７】磁歪発振子の励磁電圧説明図である。

【図１８】磁歪発振子の出力周波数特性図である。

【図１９】図１３の音波利用計測装置の動作時間を説明
する図である。

【符号の説明】

１コンクリート壁２
磁歪発振子３加速度センサ（受波器）４
計測装置本体５矩形波パルス可変周波数発振器１０ａ増幅率可制御増幅器（オートゲインアンプ）
（受波補正増幅器）１２マイコン１４増幅率可制御増幅器（オートゲインアンプ）（発
振補正増幅器）１５タイミング信号発生器１６
バンドパスフィルタ１７、１８サンプルホールド回路１９
マルチプレクサ２５正弦波周波数可変発振器３２スペクトル解析器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記ア）〜オ）の手順を用いることを特
徴とする音波利用計測方法。ア）測定対象物の一面に磁歪発振子と受波器とを設置す
る手順。イ）前記磁歪発振子を任意の１つの周波数で励振しこの
測定対象物の内部に向けて音波を送信する手順。ウ）この測定対象物の対向面又は内部の傷からの反射波
を前記受波器で受信して、前記周波数の成分における受
信波振幅を測定する手順。エ）上記イ）ウ）の手順を前記１つの周波数と異なり、
且つ、互いに異なる周波数で複数回繰返し行う手順。オ）前記繰返し行ったイ）ウ）の手順によって得られた
複数の異なる周波数に対する前記受信波振幅が極大とな
る周波数値から、この測定対象物の厚さ又は前記内部の
傷までの距離又はこの測定対象物中の音速を演算する手
順。
【請求項２】測定対象物の一面に設置した磁歪発振子
と受波器、前記磁歪発振子を他から指令される任意の周波数で励磁
する正弦波可変周波数発振器、前記受波器から前記他から指令される任意の周波数の信
号を抽出する可変周波数バンドパスフィルタ、前記磁歪発振子が前記周波数で送信している間の任意の
時刻に、前記可変周波数バンドパスフィルタの出力端で
受信波振幅（Ｖ１）を計測する第１の振幅計測手段、この第１の振幅計測手段の動作時刻の後、前記周波数の
１／４周期の時間差で前記可変周波数バンドパスフィル
タの出力端で同じ周波数の受信波振幅（Ｖ２）を計測す
る第２の振幅計測手段、Ｖ０＝｛（Ｖ１）²＋（Ｖ２）²｝^1/2 なる式を含む演
算によって、前記送信周波数における受信波振幅（Ｖ
０）を求める演算手段、所定の法則に従い、かつ互いに異なる周波数からなる周
波数列を構成し、前記正弦波可変周波数発振器と前記可
変周波数バンドパスフィルタに前記周波数列の周波数を
順次、所定時間間隔で指示するコントローラを有するこ
とを特徴とする音波利用計測装置。
【請求項３】測定対象物の一面に設置した磁歪発振子
と受波器、前記磁歪発振子を他から指令される任意の周波数で励磁
する正弦波可変周波数発振器、前記受波器から前記他から指令される任意の周波数の信
号を抽出する可変周波数バンドパスフィルタ、前記磁歪発振子が前記周波数で送信している間の任意の
時刻に、この送信周波数の１／４周期の時間差で２つの
タイミング信号ｔ１、ｔ２を発生するタイミング信号発
生回路、前記可変周波数バンドパスフィルタの出力端で、前記タ
イミング信号ｔ１を与えられたとき受信波の振幅（Ｖ
１）を計測し、ｔ２を与えられたとき受信波の振幅（Ｖ
２）を計測する第３の振幅計測手段、Ｖ０＝｛（Ｖ１）²＋（Ｖ２）²｝^1/2 なる式を含む演
算によって、前記周波数における受信波振幅（Ｖ０）を
求める演算手段、互いに異なる周波数からなる周波数列を構成し、前記正
弦波可変周波数発振器と前記可変周波数バンドパスフィ
ルタに前記周波数列の周波数を順次、所定時間間隔で指
示するコントローラを有することを特徴とする音波利用
計測装置。
【請求項４】磁歪発振子の励磁信号を、この磁歪発振
子の周波数対基本波出力振幅特性に反比例して補正する
増幅率可制御増幅器からなる発振補正増幅器を有するこ
とを特徴とする請求項２に記載の音波利用計測装置。
【請求項５】受波器で受波した信号を、あらかじめ測
定した磁歪発振子の周波数対基本波出力振幅特性に反比
例して補正する増幅率可制御増幅器からなる受波補正増
幅器を有することを特徴とする請求項２に記載の音波利
用計測装置。