JPS63304159A - 亀裂深さの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術的分野〕 本発明は、土木建築関係に多用されているコンクリート
やモルタル等の複合構造物の表面亀裂深さの測定方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

近年多用化しているコンクリートやモルタル等の複合材
料による建築構造物は、耐久性の点から見て維持保全を
十分に行なわなければならない。

そしてこれら建築構造物の品質劣化の誘発原因となるの
は亀裂現象である。それゆえに亀裂深さを精度良く知る
ことは、該建築構造物の維持保全を計る上で最重要な項
目となっている。

こ＼に従来より行なわれている非破壊による亀裂深さ測
定算出法の一部を示す。

第２図において、被検体５の表面に超音波送波５１と受
波器２を亀裂６から左右等距離ａの位置Ｐ及びＱに配置
し、リード線３を通して送信器（図示せず）からの出力
信号によって送波器ｌから被検体５の内部に超音波を放
射する。放射された前記超音波は、送波器】の１ケ置Ｐ
から被検体５の内部を直進し、亀裂６の先端６Ｃを経て
受波器２に達しリード線４を通して受信信号となる。し
たがって被検体５の内部の音波伝搬は、実線７の矢印方
向に進む。

前記音波伝搬通路７を通過するときの音波伝搬時間Ｔｃ
を測定し、また亀裂６の近傍で亀裂の無い場所での距ｆ
ａ　２　ａだけ離れた送波器１と受波器２の間の音波伝
搬時１ｆ刀Ｔ　ｏを測定する。この音波伝搬時間Ｔｃと
Ｔｏより亀裂深さｙは（１）式で知ることができる。す
なわち である。

しかしながら、前記亀裂が無い場所での音波伝搬時間測
定においては、音波の伝搬通路が被検体５の表層部分で
あることから、前記音波伝搬通路の方向に対する送波器
ｌと受波器２の指向利得が非常に小さく、音波伝搬通路
７で示ずような被検体５の内部を伝搬路とする場合に較
べて受信エネ測定精度が劣化し、亀裂深さの算出値に１
００％以上の誤差を持つことらある。

また池の従来例として、第３図において亀裂６に対して
左右等距離ａ１の位置Ｐ′に送波器１１位置Ｑ′に受波
器２を配置したときの前記送受波器間の音波伝搬時間Ｔ
１を測定し、次いで距離ａｚ＝２ａ、の位置ＰとＱに前
記送波器１と受波器２をそれぞれ移動してその間の音波
伝搬時間Ｔ、を測定すれば、亀裂深さｙは で算出される。この場合、送波器１と受波器２とをそれ
ぞれ位置Ｐ′とＱ′に、また位置ＰとＱに移動配置した
ときの音波伝搬通路である点線８と実線７に沿った音波
伝搬速度が相等しいことが必要である。

しかし被検体５は複合材料で構成されているために音響
的に不均質媒体と見做せるから、音波の伝搬通路が異な
ればその伝搬速度も異なる筈である。したがって不均質
媒体においては平均の伝搬速度を求めなければならない
。本例のように伝搬通路７または８の何れか一方の通路
のみの伝搬速度を以て亀裂６の近傍の伝搬速度とするこ
とは、平均の伝搬速度を求める見地から測定データ数が
不足であり、このため（２）式で求まる亀裂深さｙには
２０乃至３０％の誤差を生じる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述のように、亀裂深さの測定に用いられる従来例では
、劣悪なＳ／Ｎの状態で音波伝搬速度を測定するために
、その測定精度が向上せず、また被検体が不均質性であ
ることによる平均の音波伝搬速度を求めることができな
いという問題点があった。

本発明は前記問題を解決するため、送受波器間隔を種々
変化させて測定した多数の音波伝搬時間データから適切
な平均伝搬速度を求めて亀裂深さを精度良く求める方法
と、このために使用できる有効な前記音波伝搬時間デー
タの範囲を容易に見出せる方法を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記のように、亀裂深さの測定算出精度の向上
のために、音波伝搬速度の適切な推定値を得ようとする
ものである。以下図に従って説明する。

第１図Ａは被検体５の上表面俯敞図、第１図Ｂは被検体
５の亀裂６の近傍の横断面図である。被検体５の亀裂６
が観察される上表面において、亀裂６の流れに対して法
線方向に測線５ｍを設ける。

この測線５ｍ上において、亀裂６を中央にして送波器１
と受波器２を等距離に配置する。そして、亀裂６からの
送波器１．受波器２の位置を互に等しく距離ａ＋、ａｔ
・・・−・・・・・・・ａｉ、・・・・・・・・・・ａ
ｎと順次移動させながら、その都度送受波を行ない、距
Ｈａ　＋　＋　ａｔ　＋・・・・ａｌ・・・ａ、に対応
した音波伝搬時間ＴＩ、Ｔ’！、・・・・・・Ｔ１．・
・・・・Ｔｎ（以下任意の距離ａｉに対応する音波伝搬
時間をＴｉと略記する）との間には、亀裂６の深さｙお
よび被検体５の亀裂６の近傍の平均の音波伝搬速度■に
よって、（３）式で示される関係がある。

ｒ＋＊＝（２）い＋（−Ｌ）シー　−−−−−−−−−
−−−−−−−−−−−−（３）Ｖ＋Ｖ さらにＴｉ’＝Ｄ１．（４−）’＝Ｂ、　ａ！＝Ａｉ、
（４−ｙ）”＝Ｃ−−−−−−（４）とすると、（３）
式は Ｄｉ＝　Ｂへ１＋　Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（５）と古ける。（５）式は縦
軸をＤｉ＝Ｔｉ２．横軸を１〜１＝ａｉ”とする直交座
標において、ＤｉとＡｉの関係は第１図Ｃに示すように
直線１１で表わされる。

そこで、各測定値Ｔｉを得た測定状況についてみると、
計測した音波の伝搬通路はすべて送波器ｌから被検体５
の内層を通り、亀裂６の先端６Ｃを経て再び被検体５の
内層を通り受波器２に達している。すなわち、各計測音
波の伝搬通路については、互いに極端な差異は見られず
、したがって各測定値Ｔｉに関与する音波伝搬速度ｖｉ
は、不均質媒体による多少のバラつきかあるにせよ、こ
れを一定速度Ｖで代表させることができると考えられる
。

よって、各測定によって得られた距離ａｉと音波伝搬時
間Ｔｉの対応により与えられるＡｔ−Ｄｉ図上の点はデ
ータ群１０のように直線１１の近傍に配列される筈であ
る。各測定値の直線１１からの偏りは、前述のように媒
体の不均質性による外に測定誤差も含まれているため、
Ａｔ−Ｄｉの関係は（５）式で示したように、本質的に
は直線１１で示される筈である。

以上の理由から、測定値ａｉとＴｉ（ｉ＝　１．・・・
・・・・・・・・・ｎ）とより最小２乗法によって直線
回帰させ、（５）式右辺のＢとＣを定める。

ＢとＣは次式で与えられる。すなわち、である。（４）
式と（６）式から平均の音波伝搬速度■と亀裂深さｙは
、 として求めることができる。かくしてＡ＋＝ａｌ”に対
応する（音波伝搬時間）２のＴｉｔは直線ｌｌ上の点Ｄ
ｉに回帰されたことになる。

なお、（４）式と（５）式より分るように、Ａｔ−Ｄｉ
図上での直線１１の傾斜は音波伝搬速度の２乗に逆比例
している。したがって直線１１の傾斜が大きいほど、音
波伝搬速度が小さい。次に送受波器間距離２ａｉを大き
く採り過ぎると、データ群１０の配列傾向と異るデータ
群１２が見られる。このデータ群１０とデータ群１２で
示されるそれぞれの音波伝搬速度は明らかに異る。即ち
データ群１０が示す音波伝搬速度が、データ群１２が示
す音波伝搬速度より大きい。

これは、固体内部の音波は縦波と横波が同時に存在し、
その伝搬速度は縦波の方が大きく、一方横波の方が減衰
量が小さく遠方まで伝搬する。したがって距離ａ１から
ａｎまでは伝搬速度の大きい縦波が最初に受信されるが
、ａｎ＋　、以后では縦波が減衰のため受信されず伝搬
速度の小さい横波を最初に受信したことを意味している
。

前述のように距離ａｉの取り方によっては、音波の伝搬
モードが異る場合もあるから、前記の係数ＢとＣを求め
る演算に使用するＡｉとＤｉには、音波が同一の縦波モ
ードであるＡｔ乃至Ａｎとそれらに対応するＴｉｔ乃至
Ｔｎ’を採ることが必要である。

〔実施例〕

本発明の実施例について次に記す。第４図は本発明を実
施する場合の構成図である。図において、被検体５の表
面にある亀裂６に対してその亀裂流れの法線方向に測線
をとり前記測線上の前記亀裂６から左右等距離ａｉの位
置に超音波送波器１と超音波受波器２を分離して配置し
、前記送波器ｌから前記受波器２までの音波伝搬時間を
測定する。

前記距離ａｉをａ、からａｎまで変化させた時のそれぞ
れに対応する音波伝搬時間としてＴ、乃至Ｔｎを得るも
のとする。

この音波伝搬時間は次のようにして得られる。

送信５２１から発生される一定周期（被検体５の内部を
距Ｈ２ａ　ｉだけ通過するのに必要な音波伝搬時間に較
べて充分長い時間、例えばｌ０ＩＩＩＳ）のパルス信号
（例えばパルス中１０μｓ）を第５図の（イ）に示すよ
うに送波器ｌに印加し、これにしたがって被検体５の内
部に超音波を誘起する。誘起された前記超音波は亀裂６
の先端６Ｃを通る伝搬通路７に沿って伝搬し、受波器２
で受信される。受波器２で受信された前記超音波は電気
信号に変換されてこれを受信器２２で増巾し第５図（ロ
）のようになる。

さらに波形整形器２３で矩形波（第５図（ハ））とし、
カウンター２４に人力する。一方カウンター２４の池端
子には第５図（ニ）のような、送信器２１からの送信信
号に同期したトリガー信号が与えられ、前記トリガー信
号の印加と同時に時間計測を開始し、波形整形器２３か
らの最初の矩形波によって時間計測を終了する。かくし
て送波器１から受波器２までの伝搬通路７に沿った音波
伝搬時間Ｔｉが得られる。

前述のように測定された時間Ｔｉの値は、距離選択器２
５による亀裂６から送／受波器までの距！ａ１と共に演
算器２６に入力される。前記距Ｍａｉの人力は、例えば
デジタルスイッチで手動入力が可能である。演算４２６
では、前記時間Ｔｉと距離ａｉの値を２乗して一時記憶
する。記憶された前述のａ　、　ｔとＴｉ′を読み出し
てグラフィックディスプレイ２９に表示する。グラフィ
ックディスプレイ２９には第１図Ｃのように表示される
。即ち、横軸にＡｉ＝　ａｉ”を、縦軸にＤｉ＝Ｔｉ”
をとった直交座標として点（ａ、！。

Ｔｉ”）が表示される。点（ａｉ”、　Ｔ＋’）乃至点
（ａ　ｌｌ！。

Ｔｎ”）のデータ群ｌＯは、直感的に１つの直線上に回
帰できると考えられるが、データ群１２の回帰直線はデ
ータ？３．１０の回帰直線と異ることがグラフより明ら
かである。

以上のことから、データ群１０と１２とはそれぞれの伝
搬モードが異なると判断されるので、演算に利用出来る
ものはデータ１１０であるとして、ｉ＝１からｉ＝ｎま
でをデータ範囲選択器２７によって演算用データを指定
する。データ範囲選択器２７は例えばデジタルスイッチ
を使って実現できる。

第１表 第１表は亀裂深さ６ｃｍの表面亀裂のあるコンクリート
ブロックについて、送受波器間距Ｍ　２　ａｉに対する
音波伝搬時間Ｔｉを実測して得られたデータ表である。

この表から、データＮｏ、Ｉ乃至Ｎｏ、７はデータ群ｌ
Ｏに相当し、データＮ０９８とＮｏ、９はデータ群１２
に相当していることが分かる。したがって有効データと
してデータＮｏ、１からＮｏ、７を採り、Ｎｏ、８とＮ
　ｏ、　９は採用しない。かくしてデータ範囲選択器２
７にはｉ＝１からｉ＝７まで指定し、（６）式の演算を
実行する。

第１表のデータに基き（６）式を計算すればＢ＝　３５
．２６（−一）’　　Ｃ＝　１３９４（μＳ）１０ｍ となり、（７）式から亀裂深さｙは ｙ＝６．３　（ｃｍ） で与えられ、５％の誤差で求めることができる。

カくシて、演算器２６はグラフィックディスプレイ２９
に表示されたグラフから目視で進択されたｎ対のデータ
を使用して（６）式を計算し、これから亀裂深さｙおよ
び平均の音波伝搬速度Ｖを（７）式によって算出し、数
字表示器２８でこれらの算出結果を表示する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、亀裂６から左右等距離
ａｉに置かれた送／受波器間の音波伝搬時間Ｔｉとの間
にはＴ　ｉ　’６ｃ　ａ　Ｈ”の関係があることから、
両社の比例係数と定数項とを最小２乗法で求めろことに
より亀裂深さｙを算出するものであるから、個々のデー
タ測定精度を余り向上させなくてら、算出値の誤差を約
±ｌＯ％程度に抑えることが可能となる。またａ　、　
２とＴｉ２の関係をグラフ化表示することにより、デー
タ群が回帰されるべき直線群を、直感的に見出してこれ
ら直線群の勾配の違いから有効なデータの上限座標対（
ａｎ、　Ｔｎ）の発見が容易となり、亀裂深さｙに関す
る算出値の誤差の減少に太いに役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ・第１図Ｂは本発明に必要な被検体上における
超音波送／受波器の亀裂に対する関連配置図、第１図Ｃ
は第１図Ａ・第１図Ｂに示す送／受波器配置における送
／受波２３間の音波伝搬時間を示す図、第２図・第３図
は従来の方法による亀裂深さを求める時の送／受波器配
置図、第５図は本発明の詳細な説明するため各部波形図
、第４図は本発明の実施例を示す概略構成図を示す。 １・・超音波送波器、２・・・超音波受波器、３．４・
・・リード線、５・・被検体、６・・・亀裂、６Ｃ・・
・亀裂先端、７，８・・音波伝搬通路、１Ｏ１１２・・
・データ群、１１・・・回帰直線、２１・送信器、２２
・・・受信器、２３・・・波形整形器、２４・・・カウ
ンター、２５・・・距離進択器、２６・・カウンター、
２７・・・データ範囲選択器、２８・・・数字表示器、
２９・グラフィックディスプレイ、Ｐ、Ｐ’・・・超音
波送波器の位置、 Ｑ、Ｑ’・・・超音波受波器の位置、 ５ｍ・・測線 図面の浄書（内容に変更なし）− 窄　１　口　　△ オ　１　口　Ｂ ヤ　１　口　Ｃ ＡＬＡｎ＋ｌｚ　ｏｎ＋＋ 牛　２０ ′）ｆ７３［Ｙ ；ｐ　５死 手続補正帯（方式） 昭和６２年　９月７３日 特願昭６２　１３９６８８ ２、発明の名称 亀裂深さの測定方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 〒１４１東京部品川区上大崎２−１０−４５昭和６２年
　８月２５日（発送日） ５、補正の対象 明細書および図面 ６、補正の内容 願書に最初に添付した明細書および図面の浄７、添付書
類の目録 （１）補正用明細書　　　　　　　　　１通（２）補正
用図面　　　　　　　　　　１通手続補正書（自発） 昭和６２年　９月７８日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複合材料で作られたコンクリートやモルタル等の被検体
   の表面において亀裂流れの法線方向に測線を設け、前記
   測線上の前記亀裂から左右対称位置に超音波送波器と受
   波器とをそれぞれ配置して、その間隔を変えながら前記
   送波器から被検体内部に向けて放射された超音波を前記
   受波器が受信するまでの音波伝搬時間を順次測定し、こ
   れら測定された音波伝搬時間とこれに対応するそれぞれ
   の前記超音波送受波器間隔の各２乗値の間に存在する数
   学的線形性の比例係数と定数項を最小自乗法で求めるこ
   とによって、前記被検体の亀裂深さを算出する方法。