JPWO2013183313A1 - 構造物の分析装置および構造物の分析方法 - Google Patents
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Abstract
Description
構造物の振動を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段の出力信号を分析する分析手段とを備え、
前記分析手段は、下記式(1)で算出される共振先鋭度Qについて、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記構造物の状態変化を分析する装置である。
Q=f/Δf (1)
f :構造物の共振周波数
Δf:ピーク値の半値となる周波数幅
構造物の振動を検出する振動検出工程と、
前記振動検出工程において出力される出力信号を分析する分析工程とを備え、
前記分析工程は、下記式(1)で算出される共振先鋭度Qについて、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記構造物の状態変化を分析する方法である。
Q=f/Δf (1)
f :構造物の共振周波数
Δf:ピーク値の半値となる周波数幅
図1のブロック図に、実施形態1の構造物の分析装置の構成を示す。また、図2は、実施形態1における構造物の分析方法のフローチャートである。図1に示すように、本実施形態の構造物の分析装置10は、振動検出手段11と、分析手段12とを主要な構成要素として含む。
Q=f/Δf (1)
f :構造物の共振周波数
Δf:ピーク値の半値となる周波数幅
前記基準状態は、例えば、前記構造物に状態変化が生じる前の状態であり、構造物の劣化を分析する場合においては、劣化が生じていない正常時の状態を意味する。前記基準状態での値は、例えば、記憶手段に記憶され、前記分析手段は、前記記憶手段から前記基準状態での値を読み出し、前記基準状態での値と前記分析の際の状態での値とを比較することが好ましい。
本実施形態では、振動検出手段11が複数設けられている。この点を除いて、本実施形態の構造物の分析装置および分析方法は、実施形態1の構造物の分析装置および分析方法と同様の構成を有する。
本実施形態では、加振手段13によって、周波数掃引した振動を構造物に印加し、高次の共振周波数で分析を行う。この点を除いて、本実施形態の構造物の分析装置および分析方法は、実施形態1または2の構造物の分析装置および分析方法と同様の構成を有する。
図8は、本発明の実施形態4の構造物の分析装置の構成を示すブロック図である。構造物の分析装置20は、定電圧発振回路21、加振器(加振手段)22、振動加速度センサ(振動検出手段)24および分析手段28から構成される。分析手段28は、共振周波数および共振先鋭度Qを計算する分析部25、データを保存する参照データ記憶装置26および参照データと比較判定する演算器27を含む。図8に示すように、構造物の分析装置20に、分析対象の構造物(測定物)23を設置して分析を行うことができる。前述のように、加振器22は、測定物23に取り付けてもよいし、非接触とすることもできる。
本発明の構造物の分析装置および構造物の分析方法は、例えば、漏洩検知装置および漏洩検知方法に適用することができる。漏洩検知に適用する場合、前記構造物の分析装置の振動検出手段は、配管(例えば、取水管、導水管、配水管、給水管等の水道管等)の振動を検出する。前記振動検出手段の設置箇所は、例えば、取水管、導水管、配水管、給水管等の水道管、マンホール、消火栓、止水弁等とすればよい。例えば、導水管に異常が発生し、漏水による異常振動や異常音が発生する場合、前記振動検出手段により、異常振動や異常音に起因する振動を検出し、前記分析手段により、前記共振先鋭度Qについて、導水管に異常がない状態を基準状態とし、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記導水管の劣化状態を分析することができる。前記導水管以外の他の配管についても、例えば、前記導水管と同様にして、劣化状態を分析することができる。
本発明の構造物の分析装置および構造物の分析方法は、例えば、建物への侵入検知装置および侵入検知方法に適用することができる。侵入検知に適用する場合、前記構造物の分析装置の振動検出手段の設置箇所は、例えば、窓枠、ガラス、ドア、床面、柱等とすればよい。前記振動検出手段を、建造物の窓枠に設置することで、例えば、窓の破壊行為、窓の開錠、および、窓の開閉等の侵入に関係する行為を検知することができる。前記振動検出手段により、侵入に関係する行為に起因する振動を検出し、前記分析手段により、前記共振先鋭度Qについて、異常がない状態を基準状態とし、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、侵入行為の有無等の状態を分析することができる。
本発明の構造物の分析装置および構造物の分析方法は、例えば、構造物の劣化検知装置および構造物の劣化検知方法に適用することができる。構造物劣化検知に適用する場合、前記構造物の分析装置の振動検出手段の設置箇所は、例えば、ビルもしくは住宅等の壁、柱、梁、床、基礎部分等とすればよい。例えば、構造物に劣化が発生した場合、劣化に起因する異常振動や異常音が発生する。前記振動検出手段により、前記異常振動や異常音に起因する振動を検出し、前記分析手段により、前記共振先鋭度Qについて、前記構造物に異常がない状態を基準状態とし、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記構造物の劣化状態を分析することができる。
図8のブロック図に示す構成の構造物の分析装置20を使用して、構造物の分析を行った。分析対象の構造物23として、長さ40cm、幅1cm、厚さ5mmのステンレス鋼板を用意した。このステンレス鋼板の長さ方向において、左端から12cmの箇所に、1kgの鋼球を1mの高さから繰り返し落下させ、ステンレス鋼板に衝突させた。鋼球落下前、落下1000回後、落下5000回後に、図5(b)に示すようにステンレス鋼板の両端を機械的に支持した状態で、構造物の分析装置20を使用して、構造物の分析を行った。
実施例1と同様に、ステンレス鋼板への鋼球落下試験を行った。ここでは、劣化箇所の特定とその度合いの評価に、基本共振周波数の次に高次(2倍)の共振周波数についての共振先鋭度Qを用いた(j=2)。その結果を表2に示す。実施例1と同様に、鋼球落下位置付近に設置したセンサによる値の変化が観察されるが、実施例1に比べ、その値の変化が大きいことがわかる。周波数掃引により、高次共振周波数では、その大きな機械歪のため、劣化の度合いが敏感に測定に現れたといえる。このように、高次共振周波数を用いることにより、測定の高精度化が行われたことが確認できた。
実施例1と同様に、ステンレス鋼板への鋼球落下試験を行った。ここでは、劣化箇所の特定とその度合いの評価に、基本共振周波数の3番目に高次(3倍)の共振周波数についての共振先鋭度Qを用いた(j=3)。その結果を表3に示す。実施例1および実施例2と同様に、鋼球を落下させた位置のセンサによる値の変化が観察されるが、その値の変化が実施例1および実施例2より大きいことがわかる。高次共振周波数では、その大きな機械歪のため、劣化の度合いがより敏感に測定に現れたといえる。このように、さらなる高次共振周波数を用いることにより、測定の高精度化が、さらに行われたことが確認できた。
振動加速度センサに替えて、レーザドップラー振動計を用いた以外は、実施例3と同様にして、ステンレス鋼板への鋼球落下試験を行った。その結果を表4に示す。本実施例においても実施例3と同様の結果が得られ、本発明において、振動振幅を検知するセンサの種類に結果が依存しないことがわかった。
加振器に替えて、スピーカから放射される音波を用いて測定物を加振させた以外は、実施例3と同様にして、ステンレス鋼板への鋼球落下試験を行った。その結果を表5に示す。本実施例においても、実施例3と同様の結果が得られ、本発明において、加振方法に依存せずに、分析結果が得られることがわかった。
本実施例では、実施例1で使用したものと同様のステンレス鋼板(長さ40cm、幅1cm、厚さ5mm)について、ステンレス鋼板全体の材料物性を変化させた場合のシミュレーションを行った。その結果を表6に示す。表6において、frは共振周波数(劣化前を基準とした規格値)、Qは共振先鋭度(劣化前を基準とした規格値)である。シミュレーションは、劣化前のステンレス鋼板のヤング率および減衰係数を1、劣化後のヤング率を0.98、劣化後の減衰係数を1.06として、有限要素法を用いて行った。
11 振動検出手段
12 分析手段
13 加振手段
14 制御手段
21 定電圧発信回路
22、32 加振器
23 分析対象の構造物(測定物)
24 振動加速度センサ
25 分析部
26 参照データ記憶装置
27 演算器
28 分析手段
33 測定物
34−1〜34−5 振動センサ
36 支持台
1 部材
2 蛍光材料
3 傷
4 超音波トランスデューサ
Claims (18)
- 構造物の振動を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段の出力信号を分析する分析手段とを備え、
前記分析手段は、下記式(1)で算出される共振先鋭度Qについて、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記構造物の状態変化を分析する、構造物の分析装置。
Q=f/Δf (1)
f :構造物の共振周波数
Δf:ピーク値の半値となる周波数幅 - 前記基準状態は、前記構造物に状態変化が生じる前の状態である、請求項1記載の構造物の分析装置。
- 前記基準状態での値は記憶手段に記憶され、
前記分析手段は、前記記憶手段から前記基準状態での値を読み出し、前記基準状態での値と前記分析の際の状態での値とを比較する、請求項1または2記載の構造物の分析装置。 - 前記振動検出手段を複数備え、
前記複数の振動検出手段が、異なる場所に配置されている、請求項1から3のいずれか一項に記載の構造物の分析装置。 - 前記振動検出手段が、非接触型振動検出手段である、請求項1から4のいずれか一項に記載の構造物の分析装置。
- 前記振動検出手段が、接触型振動検出手段である、請求項1から4のいずれか一項に記載の構造物の分析装置。
- さらに、構造物を振動させる加振手段を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の構造物の分析装置。
- 前記加振手段が、高次の共振周波数を有する振動を前記構造物に印加し、
前記構造物に、機械歪を生じさせ、
前記振動検出手段は、前記機械歪の生じた箇所に配置され、前記振動検出手段からの出力信号に基づいて前記構造物の状態変化を分析する、請求項7記載の構造物の分析装置。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載の構造物の分析装置を含む、非破壊検査装置。
- 構造物の振動を検出する振動検出工程と、
前記振動検出工程において出力される出力信号を分析する分析工程とを備え、
前記分析工程は、下記式(1)で算出される共振先鋭度Qについて、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記構造物の状態変化を分析する、構造物の分析方法。
Q=f/Δf (1)
f :構造物の共振周波数
Δf:ピーク値の半値となる周波数幅 - 前記基準状態は、前記構造物に状態変化が生じる前の状態である、請求項10記載の構造物の分析方法。
- 前記基準状態での値は記憶されており、
前記分析工程において、記憶された前記基準状態での値を読み出し、前記基準状態での値と前記分析の際の状態での値とを比較する、請求項10または11記載の構造物の分析方法。 - 前記振動検出工程において、異なる場所における複数の振動を検出する、請求項10から12のいずれか一項に記載の構造物の分析方法。
- 前記振動検出工程に先立ち、さらに、構造物を振動させる加振工程を備える、請求項10から13のいずれか一項に記載の構造物の分析方法。
- 前記加振工程が、高次の共振周波数を有する振動を前記構造物に印加する工程であり、
前記振動の印加によって、前記構造物に、機械歪を生じさせ、
前記振動検出工程において、前記機械歪の生じた箇所の構造物の振動を検出し、
前記分析工程において、前記機械歪の生じた箇所の構造物の振動の出力信号に基づいて前記構造物の状態変化を分析する、請求項14記載の構造物の分析方法。 - 請求項10から15のいずれか一項に記載の構造物の分析方法を用いる、非破壊検査方法。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の構造物の分析装置を含み、
前記振動検出手段が、配管の振動を検出し、
前記分析手段が、前記配管の共振先鋭度Qについて、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記配管の劣化状態を分析する、漏洩分析装置。 - 請求項10から15のいずれか一項に記載の構造物の分析方法を用い、
前記振動検出工程が、配管の振動を検出する工程であり、
前記分析工程において、前記配管の共振先鋭度Qについて、基準状態での値と分析の際の状態での値とを比較することで、前記配管の劣化状態を分析する、漏洩分析方法。
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