JPWO2017199544A1 - 構造物評価システム、構造物評価装置及び構造物評価方法 - Google Patents

Abstract

実施形態の構造物評価システムは、複数のセンサと、位置標定部と、速度演算部と、評価部とを持つ。センサは、構造物より発生した弾性波を検出する。位置標定部は、前記弾性波に基づいて、前記弾性波の発信源分布を導出する。速度演算部は、前記弾性波に基づいて、前記弾性波の伝搬速度を導出する。評価部は、前記発信源分布と、前記弾性波の伝搬速度とに基づいて、前記構造物の健全性を評価する。

Description

本発明の実施形態は、構造物評価システム、構造物評価装置及び構造物評価方法に関する。

近年、高度経済成長期に建設された橋梁等の構造物の老朽化に伴う問題が顕在化してきている。万が一にも構造物に事故が生じた場合の損害は計り知れないため、従来から構造物の状態を監視するための技術が提案されている。例えば、内部亀裂の発生、又は、内部亀裂の進展に伴い発生する弾性波を、高感度センサにより検出するＡＥ（Acoustic Emission:アコースティック・エミッション）方式により、構造物の損傷を検出する技術が提案されている。ＡＥは、材料の疲労亀裂の進展に伴い発生する弾性波である。ＡＥ方式では、圧電素子を利用したＡＥセンサにより弾性波をＡＥ信号（電圧信号）として検出する。
ＡＥ信号は、材料の破断が生じる前の兆候として検出される。したがって、ＡＥ信号の発生頻度および信号強度は、材料の健全性を表す指標として有用である。そのため、ＡＥ方式によって構造物の劣化の予兆を検出する技術の研究が行われている。

交通などによる荷重が橋梁のコンクリート床版にかかった際、床版内の亀裂の進展や摩擦などによりＡＥが発生する。床版表面にＡＥセンサを設置することで、床版から発生するＡＥを検出することができる。また、複数のＡＥセンサを設置することで、ＡＥセンサ間のＡＥ信号の到達時刻の差からＡＥ発生源の位置を標定することができる。このＡＥ発生源の位置標定結果から、対象床版の損傷度合を推定することが行われている。しかしながら、標定結果と、損傷度合との対応付けが十分ではない場合、安定した健全性の評価を行うことができない場合があった。なお、このような問題は、橋梁のコンクリート床版に限らず亀裂の発生または進展に伴い弾性波が発生する構造物すべてに共通する問題である。

特開２００４−１２５７２１号公報

本発明が解決しようとする課題は、弾性波を発生する構造物の健全性の評価を行うことができる構造物評価システム、構造物評価装置及び構造物評価方法を提供することである。

実施形態の構造物評価システムは、複数のセンサと、位置標定部と、速度演算部と、評価部とを持つ。センサは、構造物より発生した弾性波を検出する。位置標定部は、前記弾性波に基づいて、前記弾性波の発信源分布を導出する。速度演算部は、前記弾性波に基づいて、前記構造物で発生した前記弾性波の伝搬速度を導出する。評価部は、前記発信源分布と、前記弾性波の伝搬速度とに基づいて、前記構造物の健全性を評価する。

実施形態の構造物評価システム１００のシステム構成を示す図。 ＡＥ震源密度分布の具体例を示す図。 弾性波伝搬速度分布の具体例を示す図。 ＡＥ震源密度分布の領域の区分け結果を表す図。 弾性波伝搬速度分布の領域の区分け結果を表す図。 評価結果分布の一例を示す図。 評価結果の妥当性の検証結果を示す図。 構造物評価システム１００の処理の流れを示すシーケンス図。 本実施形態における構造物評価装置２０による健全性の評価の基本概念を示す図。 ＡＥ震源位置標定のみによる従来の構造物の健全性の評価の一例を示す図。 伝搬速度のみによる従来の構造物の健全性の評価の一例を示す図。 図８Ａ及び図８Ｂに示した従来の２つの評価方法を組み合わせたと仮定した場合の評価結果の一例を示す図。 ＡＥの第一到達波の振幅が５３ｄＢ以上の発信源から発生したＡＥの情報を用いて導出したＡＥ震源密度分布の比較結果を表す図。 ＡＥの第一到達波の振幅が６０ｄＢ以上の発信源から発生したＡＥの情報を用いて導出したＡＥ震源密度分布の比較結果を表す図。 図７に示した基本概念の別例を示す図。 基準値を含む所定の範囲の幅を有する領域を閾値として用いた場合における構造物評価装置２０による健全性の評価の基本概念を示す図。 所定の条件が、弾性波の発生頻度（弾性波の検出数）が予め設定された第一の閾値を超える条件である場合の評価方法について説明するための図。 所定の条件が、伝搬速度が急激に低下する条件である場合の評価方法について説明するための図。

以下、実施形態の構造物評価システム、構造物評価装置及び構造物評価方法を、図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の構造物評価システム１００のシステム構成を示す図である。構造物評価システム１００は、構造物の健全性の評価に用いられる。本実施形態において、評価とはある基準に基づいて、構造物の健全性の度合い、すなわち構造物の劣化状態を決定することを意味する。なお、本実施形態では、構造物の一例として橋梁を例に説明するが、構造物は橋梁に限定される必要はない。例えば、構造物は、亀裂の発生または進展、あるいは外的衝撃（例えば雨、人工雨など）に伴い弾性波が発生する構造物であればどのようなものであってもよい。なお、橋梁は、河川や渓谷などの上に架設される構造物に限らず、地面よりも上方に設けられる種々の構造物（例えば高速道路の高架橋）なども含む。

構造物評価システム１００は、複数のＡＥセンサ１０−１〜１０−ｎ（ｎは２以上の整数）、信号処理部１１および構造物評価装置２０を備える。信号処理部１１および構造物評価装置２０は、有線又は無線により通信可能に接続される。なお、以下の説明では、ＡＥセンサ１０−１〜１０−ｎについて区別しない場合にはＡＥセンサ１０と記載する。

ＡＥセンサ１０は、構造物に設置される。例えば、ＡＥセンサ１０は、橋梁のコンクリート床版に設置される。ＡＥセンサ１０は、圧電素子を有し、構造物が発生する弾性波（ＡＥ波）を検出し、検出した弾性波を電圧信号（ＡＥ源信号）に変換する。ＡＥセンサ１０は、ＡＥ源信号に対して増幅、周波数制限などの処理を施して信号処理部１１に出力する。なお、ＡＥセンサ１０に代えて加速度センサが用いられてもよい。この場合、加速度センサは、ＡＥセンサ１０と同様の処理を行うことによって、信号処理後の信号を信号処理部１１に出力する。コンクリート床版の厚さは、例えば１５ｃｍ以上である。

信号処理部１１は、ＡＥセンサ１０による処理が施されたＡＥ源信号を入力とする。信号処理部１１は、入力したＡＥ源信号に対して、必要とされるノイズ除去、パラメータ抽出などの信号処理を行うことによって弾性波に関する情報を含むＡＥ特徴量を抽出する。弾性波に関する情報とは、例えば、ＡＥ源信号の振幅、エネルギー、立ち上がり時間、持続時間、周波数、ゼロクロスカウント数などの情報である。信号処理部１１は、抽出したＡＥ特徴量に基づく情報をＡＥ信号として構造物評価装置２０に出力する。信号処理部１１が出力するＡＥ信号には、センサＩＤ、ＡＥ検知時刻、ＡＥ源信号振幅、エネルギー、立ち上り時間および周波数などの情報が含まれる。

ここで、ＡＥ源信号の振幅は、例えば弾性波の中で最大振幅の値である。エネルギーは、例えば各時点において振幅を二乗したものを時間積分した値である。なお、エネルギーの定義は、上記例に限定されず、例えば波形の包絡線を用いて近似されたものでもよい。立ち上がり時間は、例えば弾性波がゼロ値から予め設定される所定値を超えて立ち上がるまでの時間Ｔ１である。持続時間は、例えば弾性波の立ち上がり開始から振幅が予め設定される値よりも小さくなるまでの時間である。周波数は、弾性波の周波数である。ゼロクロスカウント数は、例えばゼロ値を通る基準線を弾性波が横切る回数である。

構造物評価装置２０は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、評価プログラムを実行する。評価プログラムの実行によって、構造物評価装置２０は、位置標定部２０１、速度演算部２０２、評価部２０３、表示部２０４を備える装置として機能する。なお、構造物評価装置２０の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（ProgrammableLogic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。また、評価プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。また、評価プログラムは、電気通信回線を介して送受信されてもよい。

位置標定部２０１は、信号処理部１１から出力されたＡＥ信号を入力とする。また、位置標定部２０１は、構造物におけるＡＥセンサ１０の設置位置に関する情報（以下、「センサ位置情報」という。）をセンサＩＤに対応付けて予め保持する。設置位置に関する情報は、例えば緯度および経度、あるいは構造物の特定位置からの水平方向および垂直方向の距離などである。位置標定部２０１は、入力されたＡＥ信号に含まれるセンサＩＤ、ＡＥ検知時刻等の情報と、予め保持しているセンサ位置情報とに基づいてＡＥ発生源の位置標定を行う。位置標定部２０１は、ある期間分の位置標定結果を用いて、ＡＥ震源密度分布（発信源分布）を導出する。ＡＥ震源密度分布は、構造物で発生した弾性波の発信源が示された分布を表す。位置標定部２０１は、導出したＡＥ震源密度分布を評価部２０３に出力する。

速度演算部２０２は、信号処理部１１から出力されたＡＥ信号を入力とする。また、速度演算部２０２は、センサ位置情報をセンサＩＤに対応付けて予め保持する。速度演算部２０２は、入力されたＡＥ信号に含まれるセンサＩＤ、ＡＥ検知時刻等の情報と、予め保持しているセンサ位置情報とに基づいて、構造物の弾性波伝搬速度分布を導出する。弾性波伝搬速度分布は、構造物で発生した弾性波の伝搬速度が示された分布を表す。例えば、速度演算部２０２は、ＡＥトモグラフィ解析法を用いて構造物の弾性波伝搬速度分布を導出する。速度演算部２０２は、導出した弾性波伝搬速度分布を評価部２０３に出力する。ＡＥトモグラフィ解析法とは、構造物から発生した弾性波を複数のＡＥセンサで検知し、ＡＥ発生源の位置標定を行ない、その発生源から各センサまでの理論的な走査時間と計測された走査時間の誤差が許容値以内に収束するように、構造物の解析モデルの伝搬速度を補正し、構造物における弾性波伝搬速度の分布を得るものである。劣化した構造物ほど内部を進むＡＥの速度が低下するため、ＡＥトモグラフィ解析法を用いることによってＡＥの速度分布から構造物内部の劣化度合いを評価できる。

評価部２０３は、位置標定部２０１から出力されたＡＥ震源密度分布と、速度演算部２０２から出力された弾性波伝搬速度分布とを入力とする。評価部２０３は、入力されたＡＥ震源密度分布と、弾性波伝搬速度分布とに基づいて構造物の健全性を評価する。評価部２０３は、評価結果を表示部２０４に表示させる。

表示部２０４は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等の画像表示装置である。表示部２０４は、評価部２０３の制御に従って評価結果を表示する。表示部２０４は、画像表示装置を構造物評価装置２０に接続するためのインタフェースであってもよい。この場合、表示部２０４は、評価結果を表示するための映像信号を生成し、自身に接続されている画像表示装置に映像信号を出力する。

図２ＡはＡＥ震源密度分布を表し、図２Ｂは弾性波伝搬速度分布を表す。なお、ＡＥ震源密度分布および弾性波伝搬速度分布は、同じ構造物の同じ領域に基づいて得られる分布である。図２Ａ及び図２Ｂでは、ある道路の構造物の床版に１５個のＡＥセンサ１０を用いた結果を示している。図２Ａにおいて、横軸と縦軸は評価対象となる構造物の特定位置からの水平方向の長さ（ｍｍ）と垂直方向の長さ（ｍｍ）を表す。また、図２Ｂにおいて、横軸と縦軸は評価対象となる構造物の特定位置からの水平方向の長さ（ｍ）と垂直方向の長さ（ｍ）を表す。

図２Ａでは、発信源が多いほど（発信源が密なほど）濃く表されており、発信源が少ないほど（発信源が疎なほど）薄く表されている。例えば、図２Ａにおける領域３０は発信源が他の領域よりも多い領域を表す。また、図２Ｂでは、伝搬速度が速いほど濃く表されており、伝搬速度が遅いほど薄く表されている。図２Ａ及び図２Ｂに示すＡＥ震源密度分布および弾性波伝搬速度分布が評価部２０３に入力される。

以下、図３Ａ、図３Ｂおよび図４を用いて、評価部２０３の具体的な処理について説明する。
評価部２０３は、入力されたＡＥ震源密度分布を、発信源の密度に関する基準値（以下、「密度基準値」という。）に基づいて、発信源が疎な領域と、発信源が密な領域の二つの領域に区分けする。具体的には、評価部２０３は、ＡＥ震源密度分布を密度基準値に基づいて、二値化することによって領域を区分けする。本実施形態では、密度基準値を０．５としている。評価部２０３は、ＡＥ震源密度分布において、密度基準値以上の領域を発信源が密な領域とし、密度基準値よりも密度が少ない領域を発信源が疎な領域として、二値化することによって領域を区分けする。なお、密度基準値は、上記の値に限定される必要はなく、適宜変更されてもよい。

また、評価部２０３は、入力された弾性波伝搬速度分布を、弾性波の伝搬速度に関する基準値（以下、「伝搬速度基準値」という。）に基づいて、伝搬速度が高い領域と、伝搬速度が低い領域の二つの領域に区分けする。具体的には、評価部２０３は、弾性波伝搬速度分布を伝搬速度基準値に基づいて、二値化することによって領域を区分けする。本実施形態では、伝搬速度基準値を３８００ｍ／ｓとしている。評価部２０３は、弾性波伝搬速度分布において、伝搬速度基準値以上の領域を伝搬速度が高い領域とし、伝搬速度基準値よりも伝搬速度が遅い領域を伝搬速度が低い領域として、二値化することによって領域を区分けする。なお、伝搬速度基準値は、上記の値に限定される必要はなく、適宜変更されてもよい。

図３ＡはＡＥ震源密度分布の領域の区分け結果を表し、図３Ｂは弾性波伝搬速度分布の領域の区分け結果を表す。以下、図３Ａに示す図を二値化ＡＥ震源密度分布と記載し、図３Ｂに示す図を二値化弾性波伝搬速度分布と記載する。

その後、評価部２０３は、二値化ＡＥ震源密度分布と、二値化弾性波伝搬速度分布とを用いて構造物の健全性を評価する。具体的には、評価部２０３は、二値化ＡＥ震源密度分布と、二値化弾性波伝搬速度分布とを重ね合わせることによって、重ね合った領域の区分け結果に応じて構造物の健全性を４段階で評価する。ここで、４段階の評価の具体例として、健全、中間劣化Ｉ、中間劣化ＩＩおよび限界劣化が挙げられる。健全、中間劣化Ｉ、中間劣化ＩＩおよび限界劣化の順に、構造物の劣化が進行していることを表す。すなわち、健全は構造物の劣化が最も進行していないことを表し、限界劣化に近づくにつれて構造物の劣化が進行していることを表す。評価部２０３は、以下の評価条件に基づいて、構造物の各領域（重ね合った各領域）がそれぞれ健全、中間劣化Ｉ、中間劣化ＩＩ及び限界劣化のいずれに相当するのかを評価する。

（評価条件）
・健全：二値化ＡＥ震源密度分布で“疎”の領域、かつ、二値化弾性波伝搬速度分布で“高”の領域
・中間劣化Ｉ：二値化ＡＥ震源密度分布で“密”の領域、かつ、二値化弾性波伝搬速度分布で“高”の領域
・中間劣化ＩＩ：二値化ＡＥ震源密度分布で“密”の領域、かつ、二値化弾性波伝搬速度分布で“低”の領域
・限界劣化：二値化ＡＥ震源密度分布で“疎”の領域、かつ、二値化弾性波伝搬速度分布で“低”の領域

上記のように、評価部２０３は、重ね合った領域が、発信源が疎な領域であり、かつ、伝搬速度が高い領域の場合には、その領域を健全な領域と評価する。また、評価部２０３は、重ね合った領域が、発信源が密な領域であり、かつ、伝搬速度が高い領域の場合には、その領域を中間劣化Ｉの領域と評価する。また、評価部２０３は、重ね合った領域が、発信源が密な領域であり、かつ、伝搬速度が低い領域の場合には、その領域を中間劣化ＩＩの領域と評価する。また、評価部２０３は、重ね合った領域が、発信源が疎な領域であり、かつ、伝搬速度が低い領域の場合には、その領域を限界劣化の領域と評価する。

評価部２０３は、上記のように、重ね合った各領域がそれぞれ健全、中間劣化Ｉ、中間劣化ＩＩ及び限界劣化のいずれに相当するのかを評価することによって、各領域の評価結果が示された評価結果分布を導出する。例えば、評価部２０３は、評価結果分布において、健全な領域を“１”で表し、中間劣化Ｉの領域を“２”で表し、中間劣化ＩＩの領域を“３”で表し、限界劣化の領域を“４”で表してもよい。評価部２０３は、導出した評価結果分布を表示部２０４に表示させる。

図４は、評価結果分布の一例を示す図である。図４に示すように、評価結果分布が表示されることによって、作業者や管理者は構造物のどの領域の劣化が進んでいるのかを容易に把握することができる。

図５は、評価結果の妥当性の検証結果を示す図である。図５には、図４に示した構造物の床版の内部を採取して確認した結果が示されている。図４において、限界劣化であることを表す“４”の領域内の丸印３１の部分から採取したコアサンプルが図５（Ａ）である。図５（Ａ）に示すように、コアサンプル内部は、水平ひび割れによりコアが分離するほどの劣化進展が見てとれる。それに対して、図４において、健全であることを表す“１”の領域内の丸印３２の部分から採取したコアサンプルが図５（Ｂ）である。図５（Ｂ）に示すように、コアサンプル内部は、目視ではひび割れは確認されない。このように、構造物評価装置２０による評価手法の有効性が確認された。図５に示すコアサンプルの長さは約２３．５ｃｍであり、本実施形態における構造物評価装置２０では少なくとも１５ｃｍ以上の深さまで構造物の劣化状態を評価することができる。

図６は、構造物評価システム１００の処理の流れを示すシーケンス図である。なお、図６では、各ＡＥセンサ１０と信号処理部１１とをセンサユニットとしている。
各ＡＥセンサ１０は、構造物が発生する弾性波（ＡＥ波）を検出する（ステップＳ１０１）。ＡＥセンサ１０は、検出した弾性波を電圧信号（ＡＥ源信号）に変換し、ＡＥ源信号に対して増幅、周波数制限などの処理を施して信号処理部１１に出力する。信号処理部１１は、入力したＡＥ源信号に対して、必要とされるノイズ除去、パラメータ抽出などの信号処理を行う（ステップＳ１０２）。信号処理部１１は、信号処理を行うことによって抽出されるＡＥ特徴量に基づく情報をＡＥ信号として構造物評価装置２０に出力する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３の処理は、所定の期間実行される。

位置標定部２０１は、信号処理部１１から出力されたＡＥ信号と、予め保持しているセンサ位置情報とに基づいてＡＥ発生源の位置標定を行う（ステップＳ１０４）。位置標定部２０１は、ステップＳ１０４の処理を所定の期間分実行する。そして、位置標定部２０１は、所定の期間分の位置標定結果を用いて、ＡＥ震源密度分布を導出する（ステップＳ１０５）。位置標定部２０１は、導出したＡＥ震源密度分布を評価部２０３に出力する。

速度演算部２０２は、信号処理部１１から出力されたＡＥ信号に基づいて、構造物の弾性波伝搬速度分布を導出する（ステップＳ１０６）。例えば、速度演算部２０２は、所定の期間分のＡＥ信号を用いて弾性波伝搬速度分布を導出してもよいし、所定の期間よりも短い期間分のＡＥ信号を用いて弾性波伝搬速度分布を導出してもよい。速度演算部２０２は、導出した弾性波伝搬速度分布を評価部２０３に出力する。なお、ステップＳ１０５とステップＳ１０６は順不同である。

評価部２０３は、位置標定部２０１から出力されたＡＥ震源密度分布と、速度演算部２０２から出力された弾性波伝搬速度分布とを用いてそれぞれ二値化することによって二値化ＡＥ震源密度分布と、二値化弾性波伝搬速度分布とを導出する（ステップＳ１０７）。評価部２０３は、導出した二値化ＡＥ震源密度分布と、二値化弾性波伝搬速度分布とを用いて、評価条件に基づいて構造物の各領域を評価することによって評価結果分布を導出する（ステップＳ１０８）。評価部２０３は、導出した評価結果分布を表示部２０４に表示させる。表示部２０４は、評価部２０３の制御に従って評価結果分布を表示する（ステップＳ１０９）。

図７は、本実施形態における構造物評価装置２０による健全性の評価の基本概念を示す図である。図７に示すように、本実施形態における構造物評価装置２０では、弾性波伝搬速度の高低、ＡＥ震源密度の疎密をそれぞれ２次元の評価軸として４象限に区分けする。そして、構造物評価装置２０は、評価条件に基づいて区分けされた４象限においてそれぞれ、健全、中間劣化Ｉ、中間劣化ＩＩ及び限界劣化と区分けする。ここで、従来の評価方法と本実施形態における評価方法とを比較する。

図８ＡはＡＥ震源位置標定のみによる評価を表し、図８Ｂは伝搬速度のみによる評価を表す。図８Ａに示すようにＡＥ震源位置標定のみによる評価では、ＡＥ震源が疎から密になるほど構造物が劣化している可能性が高いことが表されている。また、図８Ｂに示すように伝搬速度のみによる評価では、伝搬速度が低くなるほど構造物が劣化している可能性が高いことが表されている。

図９は、図８Ａ及び図８Ｂに示した従来の２つの評価方法を組み合わせたと仮定した場合の評価結果の一例を示す図である。図９に示すように、従来の２つの評価方法を単に組み合わせると、弾性波伝搬速度がある基準より高く、かつ、ＡＥ震源密度分布が疎な領域（発信源が疎な領域）が健全となり、弾性波伝搬速度がある基準より低く、かつ、ＡＥ震源密度分布が密（発信源が密）になるほど構造物の劣化が進み、限界劣化に至る、直線的な変化となることが想定される。これは、限界劣化状態の構造物で、ＡＥ震源密度分布が疎になることや、劣化がある程度進んだ構造物でも弾性波伝搬速度が健全状態と略同等に高いことが実験的に確認されたことから必ずしも正しい評価指標となっていない。それに対して、図７に示した本実施形態における構造物評価装置２０による健全性の評価の基本概念では、図５に示した評価結果の妥当性の検証結果を見ても分かる通り、正しい評価指標となっていると言える。

以上のように構成された構造物評価システム１００によれば、弾性波を発生する構造物の健全性の評価を行うことが可能になる。以下、この効果について詳細に説明する。
構造物評価装置２０は、複数のＡＥセンサ１０それぞれによって検出された弾性波から得られるＡＥ震源密度分布と、弾性波伝搬速度分布とを用いて、評価条件に基づいて構造物の健全性を評価する。このように、本実施形態における構造物評価装置２０は、ＡＥ震源密度分布と、弾性波伝搬速度分布を組み合わせることによって構造物を領域毎に劣化レベルを評価することができる。そのため、弾性波を発生する構造物の健全性の評価を行うことが可能になる。また、構造物評価装置２０は、弾性波から得られる１つの情報ではなく、複数の情報を用いることによってより精度の高い評価を行うことができる。

以下、構造物評価装置２０の変形例について説明する。
構造物評価装置２０が備える各機能部は、一部又は全てが別の筺体に備えられていてもよい。例えば、構造物評価装置２０が評価部２０３のみを備えて、位置標定部２０１、速度演算部２０２および表示部２０４が別の筺体に備えられてもよい。このように構成される場合、評価部２０３は、ＡＥ震源密度分布と弾性波伝搬速度分布とを別の筺体から取得し、取得したＡＥ震源密度分布と弾性波伝搬速度分布とを用いて構造物の健全性を評価する。そして、評価部２０３は、評価結果を別の筺体が備える表示部２０４に出力する。
このように構成されることによって、ＡＥ震源密度分布および弾性波伝搬速度分布の導出に既存の装置を用いることによって、構造物評価装置２０の製造コストを抑えることができる。

信号処理部１１は、構造物評価装置２０に備えられてもよい。このように構成される場合、信号処理部１１は、ＡＥセンサ１０による処理が施されたＡＥ源信号を、ＡＥセンサ１０から直接、又は、不図示の中継装置を介して取得する。
図１では、複数のＡＥセンサ１０−１〜１０−ｎに１台の信号処理部１１が接続されているが、構造物評価システム１００は複数台の信号処理部１１を備え、各ＡＥセンサ１０にそれぞれ信号処理部１１が接続されて複数台のセンサユニットを備えるように構成されてもよい。

本実施形態では、速度演算部２０２が弾性波伝搬速度分布を導出する構成を示したが、これに限定される必要はない。例えば、速度演算部２０２は、図２Ａに示すＡＥ震源密度分布において所定の閾値以上の密度の領域における速度、又は、所定の閾値未満の密度の領域における速度を導出するように構成されてもよい。このように構成される場合、評価部２０３は、位置標定部２０１によって導出されたＡＥ震源密度分布と、速度演算部２０２によって導出された速度とを用いて構造物の健全性を評価する。

また、評価部２０３は、出力制御部として動作してもよい。出力制御部は、出力部を制御して、評価結果を出力する。ここで、出力部には、表示部２０４、通信部および印刷部が含まれる。出力部が通信部である場合、出力制御部は通信部を制御して、評価結果を他の装置に送信する。また、出力部が印刷部である場合、出力制御部は印刷部を制御して、評価結果を印刷する。なお、構造物評価装置２０は、出力部として、表示部２０４、通信部および印刷部の一部又は全てを備えて上記の動作を実行してもよい。

位置標定部２０１は、ＡＥの第一到達波の振幅が所定の閾値以上の発信源から発生したＡＥの情報のみを用いてＡＥ震源密度分布を導出してもよい。例えば、位置標定部２０１は、ＡＥの第一到達波の振幅が６０ｄＢ以上の発信源から発生したＡＥの情報のみを用いてＡＥ震源密度分布を導出してもよい。図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて、具体的に説明する。図１０ＡはＡＥの第一到達波の振幅が５３ｄＢ以上の発信源から発生したＡＥの情報を用いて導出したＡＥ震源密度分布であり、図１０ＢはＡＥの第一到達波の振幅が６０ｄＢ以上の発信源から発生したＡＥの情報を用いて導出したＡＥ震源密度分布である。図５の妥当性の検証結果を鑑みると、図１０Ｂのようにある一定振幅以上の発信源から発生したＡＥの情報のみを用いることで、より精度の高い評価を行うことが可能になる。したがって、このように構成されることによって、効果的な劣化診断に寄与することが可能になる。なお、第一到達波とは、構造物で起こったある弾性波発生事象（イベントという）を複数のＡＥセンサで検知した場合、最初にＡＥセンサに到達した弾性波のことを言う。

図１１は、図７に示した基本概念の別例を示す図である。図１１に示す例では、図７の区分けに加えて、構造物建造、補修直後の初期段階に当たる「初期」フェーズが追加されている。これは、構造物の建設、製造後の初期状態において初めて荷重が掛かったときに、発信源が多量に観測される状況を表している。これは直ちに構造物の劣化進行を示すものではなく、構造物が自身の経験する初めての荷重に対する応答を示すもので、その後は、既往の荷重に対してはＡＥの発生が少なくなっていく。したがって、図７の健全フェーズの前段階と位置付けられ、初期フェーズの後は、発信源の減少と共に健全フェーズへと移行していくことを表している。例えば、図１１に示す例は、構造物の建造、補修直後に健全性の評価を行う場合に考慮すべきフェーズである。

評価部２０３は、限界劣化の領域のみを示した評価結果分布を導出し、導出した評価結果分布を表示部２０４に表示させるように構成されてもよい。具体的には、まず評価部２０３は、上記のように、二値化ＡＥ震源密度分布と、二値化弾性波伝搬速度分布とを重ね合わせる。次に、評価部２０３は、重ね合った領域において上記の評価条件で限界劣化の領域と評価条件を満たす領域を探索する。そして、評価部２０３は、限界劣化の領域の評価条件を満たす領域に対して所定のパターン（例えば、図４のように“４”の数字と色の塗りつぶし）を割り当て、限界劣化の領域の評価条件を満たさなかった領域に対して所定のパターンを割り当てないで、限界劣化の領域のみを示した評価結果分布を導出する。その後、評価部２０３は、導出した評価結果分布を表示部２０４に表示させる。

本実施形態では、評価部２０３が、２次元データの二値化ＡＥ震源密度分布と、２次元データの二値化弾性波伝搬速度分布とを用いて２次元データの評価結果分布を導出して、導出した評価結果分布を表示させる構成を示したが、評価部２０３は３次元の評価結果分布を表示させるように構成されてもよい。３次元のＡＥ震源密度分布と弾性波伝搬速度分布は、位置標定部２０１および速度演算部２０２で導出する過程で２次元空間を３次元空間に拡張して導出することで求めることができる。

本実施形態では、評価部２０３が、ＡＥ震源密度分布内の領域を密度基準値に基づいて、発信源が疎な領域と、発信源が密な領域の二つの領域に区分けし、弾性波伝搬速度分布内の領域を伝搬速度基準値に基づいて、伝搬速度が高い（速い）領域と、伝搬速度が低い（遅い）領域の二つの領域に区分けする構成を示した。これに対して、密度基準値を含む所定の範囲の幅を有する第１の領域と、伝搬速度基準値を含む所定の範囲の幅を有する第２の領域とを閾値として用いることによって、評価部２０３が、ＡＥ震源密度分布内の領域を発信源が疎な領域と、発信源が密な領域と、疎密のいずれの領域にも属さない領域の三つの領域に区分けし、弾性波伝搬速度分布内の領域を伝搬速度が高い（速い）領域と、伝搬速度が低い（遅い）領域と、高低のいずれの領域にも属さない領域の三つの領域に区分けするように構成されてもよい。例えば、第１の領域の幅は０．４〜０．６の範囲であり、第２の領域の幅は３６００ｍ／ｓ〜４０００ｍ／ｓの範囲である。なお、第１の領域及び第２の領域は、予め設定されていてもよいし、ユーザによって設定されてもよい。

このように構成される場合、評価部２０３は、ＡＥ震源密度分布内の領域において第１の領域の最大値以上の密度の領域を発信源が密な領域とし、第１の領域の最小値未満の密度の領域を発信源が疎な領域とし、第１の領域の最小値以上最大値未満の密度の領域をその他の領域として領域を区分けする。また、評価部２０３は、弾性波伝搬速度分布内の領域において第２の領域の最大値以上の伝搬速度の領域を伝搬速度が高い領域とし、第２の領域の最小値未満の伝搬速度の領域を伝搬速度が低い領域とし、第２の領域の最小値以上最大値未満の伝搬速度の領域をその他の領域として領域を区分けする。このように構成される場合の評価の基本概念図は図１２のようになる。

図１２は、基準値を含む所定の範囲の幅を有する領域を閾値として用いた場合における構造物評価装置２０による健全性の評価の基本概念を示す図である。図１２に示すように、基準値を含む所定の範囲の幅を有する第１の領域４１と、第２の領域４２とを閾値として用いることによって、４つの評価のいずれにも属さないと評価されてしまう場合がある。しかしながら、所定の範囲の幅を有する領域を閾値として用いない場合には、図７に示すように、少しの値のずれで健全な領域が、限界劣化と評価されてしまう可能性もある。これに対して、上記のように、基準値を含む所定の範囲の幅を有する領域を閾値として用いることによって、健全な領域が、限界劣化と評価されてしまう可能性を低減することができる。
評価部２０３は、第１の領域４１又は第２の領域４２のいずれかを閾値として用いて劣化状態を評価してもよい。

上記の実施形態では、評価部２０３が図７に示した評価方法で評価を行う構成を示したが、これに限定される必要はなく、評価部２０３は以下に示す評価方法で評価を行うように構成されてもよい。具体的には、評価部２０３は、所定の条件が満たされるまでの間は図９に示した評価方法で評価を行い、所定の条件が満たされた後は図７に示した評価方法で評価を行う。ここで、所定の条件とは、弾性波の発生頻度（弾性波の検出数）が予め設定された第一の閾値を超えること、又は、伝搬速度が急激に低下することである。伝搬速度が急激に低下した場合とは、例えば、速度演算部２０２が時刻ｔ−１において算出した伝搬速度と、時刻ｔにおいて算出した伝搬速度との差が第二の閾値以上低下した場合である。所定の条件に基づく評価について図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて説明する。

図１３Ａは、所定の条件が、弾性波の発生頻度（弾性波の検出数）が予め設定された第一の閾値を超える条件である場合の評価方法について説明するための図である。図１３Ａにおいて、横軸は時間Ｔを表し、縦軸は弾性波の発生頻度を表す。なお、図１３Ａにおいて、時刻ｔ１が予め設定された第一の閾値を超えた時刻を表す。図１３Ａに示すように、一般的に構造物の劣化状態が悪化するにつれて弾性波の発生頻度が高くなり、弾性波の発生頻度が第一の閾値を超えた後に弾性波の発生頻度がピークを経て、のちに低下していく。構造物には、このような特性があるため、評価部２０３は、弾性波の発生頻度が第一の閾値を超えるまでの間は図９に示した評価方法で評価を行い、弾性波の発生頻度が第一の閾値を超えた後は図７に示した評価方法で評価を行う。具体的には、図１３Ａにおいて、評価部２０３は、時刻ｔ１までの間は図９に示した評価方法で評価を行い、時刻ｔ１以降は図７に示した評価方法で評価を行う。

図１３Ｂは、所定の条件が、伝搬速度が急激に低下する条件である場合の評価方法について説明するための図である。図１３Ｂにおいて、横軸は時間Ｔを表し、左の縦軸は弾性波の伝搬速度を表す。図１３Ｂに示すように、一般的に構造物の劣化状態が悪化するにつれて弾性波の伝搬速度が低下する。構造物には、このような特性があるため、評価部２０３は、弾性波の伝搬速度が第二の閾値以上低下するまでの間は図９に示した評価方法で評価を行い、弾性波の伝搬速度が第二の閾値以上低下した後は図７に示した評価方法で評価を行う。具体的には、図１３Ｂにおいて、評価部２０３は、時刻ｔ１までの間は図９に示した評価方法で評価を行い、時刻ｔ１以降は図７に示した評価方法で評価を行う。

図７に示した評価方法では、上記の評価条件が用いられる。図９に示した評価方法では、例えば評価部２０３は、弾性波伝搬速度がある基準より低く、かつ、ＡＥ震源密度分布が密（発信源が密）であるほど限界劣化であると評価し、弾性波伝搬速度がある基準より高く、かつ、ＡＥ震源密度分布が疎な領域（発信源が疎な領域）であるほど健全であると評価する。なお、図９と図７で示す限界劣化とは、それぞれの図の中において相対的に最も劣化の度合いが大きい状態を示しており、図９と図７の限界劣化を相互に比較した場合は図７の限界劣化の方が劣化の度合いは大きい。以上のように所定の条件で評価方法を切り替えることで、劣化が大きく進んでいない構造物の劣化状態の変化を感度良く評価することが可能となる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、構造物より発生した弾性波を検出する複数のＡＥセンサ１０と、弾性波に基づいて発信源分布を導出する位置標定部２０１と、弾性波に基づいて伝搬速度を導出する速度演算部２０２と、発信源分布と、伝搬速度とに基づいて、構造物の健全性を評価する評価部２０３とを持つことにより、弾性波を発生する構造物の健全性の評価を行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０（１０−１〜１０−ｎ）…ＡＥセンサ，１１…信号処理部，２０…構造物評価装置，２０１…位置標定部，２０２…速度演算部，２０３…評価部，２０４…表示部

Claims (11)

1. 構造物より発生した弾性波を検出する複数のセンサと、
   前記弾性波に基づいて、前記弾性波の発信源分布を導出する位置標定部と、
   前記弾性波に基づいて、前記弾性波の伝搬速度を導出する速度演算部と、
   前記発信源分布と、前記弾性波の伝搬速度とに基づいて、前記構造物の健全性を評価する評価部と、
   を備える構造物評価システム。
2. 前記評価部は、前記弾性波の発信源の密度に関する基準値に基づいて前記発信源分布を前記発信源が疎な領域と前記発信源が密な領域との二つの領域に区分けし、前記発信源が疎な領域であり、かつ、前記弾性波の伝搬速度に関する基準値より前記弾性波の伝搬速度が低い領域を最も構造物の劣化が進行している領域と評価する、請求項１に記載の構造物評価システム。
3. 前記速度演算部は、前記弾性波に基づいてトモグラフィ解析を行うことによって前記弾性波の伝搬速度の分布を表す伝搬速度分布を導出し、
   前記評価部は、前記弾性波の伝搬速度に関する基準値に基づいて前記伝搬速度分布を前記伝搬速度が高い領域と前記伝搬速度が低い領域との二つの領域に区分けし、前記発信源分布と、前記伝搬速度分布とを用いて、前記発信源が疎な領域であり、かつ、前記伝搬速度が低い領域を最も劣化が進行している領域と評価する、請求項１又は２に記載の構造物評価システム。
4. 前記評価部は、前記構造物の各領域において、最も劣化が進行していることを表す限界劣化と評価する条件を満たす領域を探索し、前記条件を満たす領域が示された評価結果分布を導出し、導出した前記評価結果分布を出力する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造物評価システム。
5. 前記評価部は、前記構造物の各領域を、健全、中間劣化Ｉ、中間劣化ＩＩ及び限界劣化の４つで評価することによって、前記構造物の各領域がそれぞれ健全、中間劣化Ｉ、中間劣化ＩＩ及び限界劣化のいずれに相当するのかが示された評価結果分布を導出し、導出した前記評価結果分布を出力する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造物評価システム。
6. 前記評価部は、前記発信源が疎な領域であり、かつ、前記弾性波の伝搬速度に関する基準値より前記弾性波の伝搬速度が高い領域を、構造物の劣化が最も進行していない健全な領域と評価する、請求項２〜５のいずれか一項に記載の構造物評価システム。
7. 前記位置標定部は、前記センサによって検出された前記弾性波の振幅情報に基づいて、既定の振幅以上の発信源の分布が表された前記発信源分布を導出する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造物評価システム。
8. 前記弾性波の振幅情報は、前記センサによって検出された各イベントにおける前記弾性波の第一到達波の振幅の情報である、請求項７に記載の構造物評価システム。
9. 前記弾性波は、前記構造物に応力が印加された結果として構造物表面あるいは内部の損傷より発生したものである、請求項１〜８のいずれ一項に記載の構造物評価システム。
10. 構造物より発生した弾性波に基づいて、前記弾性波の発信源分布を導出する位置標定部と、
    前記弾性波に基づいて、前記弾性波の伝搬速度を導出する速度演算部と、
    前記発信源分布と、前記弾性波の伝搬速度とに基づいて、前記構造物の健全性を評価する評価部と、
    を備える構造物評価装置。
11. 構造物より発生した弾性波に基づいて、前記弾性波の発信源分布を導出する位置標定ステップと、
    前記弾性波に基づいて、前記弾性波の伝搬速度を導出する速度演算ステップと、
    前記発信源分布と、前記弾性波の伝搬速度とに基づいて、前記構造物の健全性を評価する評価ステップと、
    を有する構造物評価方法。