WO2000013008A1

WO2000013008A1 - Appareil permettant d'effectuer des tests sans causer de dommages

Info

Publication number: WO2000013008A1
Application number: PCT/JP1999/004719
Authority: WO
Inventors: Ryosuke Taniguchi; Shinichi Hattori; Takahiro Sakamoto; Takashi Shimada; Kanji Matsuhashi
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha; Matsuhashi Techno Research Co., Ltd.
Priority date: 1998-09-01
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2000-03-09
Also published as: EP1028314A1; DE69921084T2; EP1028314A4; US6202490B1; JP4357120B2; EP1028314B1; DE69921084D1; DE69921084T8

Description

明細書非破壊検査装置技術分野

この発明は、建築土木におけるコンクリートなどの構造物または材料の施行ならび劣化などを調査、管理、評価する非破壊検査装置に関するものである。背景技術

弾性波を用いてコンクリート構造物の非破壊検査を行うためには、コンクリー卜の内部を伝播してきた反射波もしくは透過波を精度良く検出することが必要である。すなわち、検査の対象となる橋梁、道路、ダム、建築物などの大きさを考えるとコンクリートの内部を数十 cmから数十 m伝播しても検出可能な振動の周波数、レベルの弾性波を効率よく測定対象物に注入可能なことが送波器に求められる。コンクリートは金属のような均一の物質と異なり、金属材料に用いる数 MHz程度の帯域の音波を入射した場合、減衰が激しく、到達距離が短くて使用できない。このため、数十 Hz〜数十 kHzの帯域を使用しなければならない。従来、このようなコンクリートにて構成される土木建築構造物の非破壊検査では、インパクトハンマを用いた衝撃弾性波法や、圧電振動子を用いた探触子を超音波の送波器として用いるパルス反射法、透過法、共振法等の超音波試験により測定対象物の音響速度や厚みの測定、内部構造また異常部の位置の推定等が行われている。超音波の送波器として広く用いられている圧電振動子を構成する圧電材料は、電界の大きさに応じて歪みを発生する。圧電振動子は圧電材料を電極で挟む構造をもち、その厚みが圧電材料の縦波の半波長に一致する周波数で大きな振動を出力するが、一般的に圧電材料の機械的な Q値は高く、この機械共振点以外の出力効率は著しく劣化する。よって、コンクリート構造物の診断に必要となる帯域の振動を得るためには、数十 cm以上の圧電振動子の厚みになるが、このような大型の圧電振動子を構築するのは極めて困難である。すなわち、圧電振動子を用いた探触子は特性上、数 MHz以上の単一周波数の超音波を出力するのに適した振動子である。このため高周波の減衰が激しいコンクリート構造物の非破壊検査には測定の限界があり、特に数 m以上伝搬する超音波を検出するに必要な低周波数のエネルギーを圧電振動子で達成するのは困難であるため、インパクトハンマや、金属重りの落下等が利用されている。インパクトハンマは、その簡便さと打撃エネルギーの大きさ等の理由で適用される範囲は広い。加振帯域も数 kHzであり、長大コンクリート構造物の非破壊検査にも適用されている。コンクリートのような構造物でその反射波を得るためには一定以上の波長の波が必要であるが、反射波は打撃の信号の中に埋もれてしまう可能性があり、測定目的により打撃強度を適切に加減する必要がある。すなわち、実施者の経験や勘に頼るところが多い。一方、加振力を常に一定に保つことは困難であり、観測される波形は打撃毎に異なり評価にばらつきを生じる結果に結びつく。加振帯域はおよそ 1 kHzであるがその周波数を任意に制御する事はできず、とくに近距離からの反射波を検出することはその残響波の影響で困難である。つぎに、圧電振動子を用いた超音波試験方法の動作について説明する。超音波を用いた測定方法の一つとしてパルス反射法、透過法が知られている。パルス反射法、透過法はパルス性の超音波を構造物の表面から入射し、その反射波が帰ってくるまでの時間もしくは透過波が伝播する時間を計測して、その時間から測定対象物の音響伝播速度や厚みもしくは反射面までの距離求めることで被測定対象物の内部構造や損傷の有無を推定する方法である。一方、共振法は圧電型発振子の周波数を掃引して被測定対象物へ入射させる超音波の波長を連続的に変えて共振周波数を計測し、その周波数から板厚測定を行う方法である。さらに、測定対象物の音響伝播速度や厚みを計測する方法として、入射した超音波パルスを端面の受波器で検出し、検出したパルスをトリガに超音波パルスの発振を繰り返すシングァラウンド方式がある。この方法により一定の周期でパルス列が発生するが、この周期は測定対象物をパルスが伝播する遅延時間に一致するため、これより測定対象物の音響伝播速度や厚みを求めることが可能になる。つぎに、インパクトハンマを用いた衝撃弾性波法の動作について説明する。衝撃弾性波法は、測定対象物にハンマ打撃を与えて個体自体が持っている固有振動を刺激して計測に利用する方法である。この方法はコンクリート、石材、レンガ材、木材の構造体、あるいは積層材、地中埋設物など広範囲に適用でき、試験の簡便さより非破壊検査方法として広く用いられている。図 2 0は、ハンマを用いた衝撃弾性波法の構成を示す図である。同図において、 3 1 1はハンマ、 3 1 2は衝撃受信センサ、 3 1 3は弾性波受信器、 3 1 4はストレ一ジオシロスコープ、 3 1 5は測定対象物である。次にハンマリングによる反射波測定方式の動作について説明する。測定対象物

3 1 5の測定対象面に衝撃受信センサ 3 1 2をあて、ハンマ 3 1 1でその面をハンマ打撃する。このとき測定の精度を上げるためには、打撃の強さは測定目的や測定対象物 3 1 5の材質により加減したり、打撃が一回だけになるようにするなどの注意が必要になる。打撃により測定対象物 3 1 5に注入された弾性波は、測定対象面の対向面、内部の構造物、損傷や空隙などの異常部で反射しながら、測定対象物 3 1 5の内部を進みその一部が衝撃受信センサ 3 1 2に到達する。衝撃受信センサ 3 1 2の出力は、フィル夕に通して測定目的に応じた周波数の波形を抽出する。打撃によるパルス波をストレ一ジオシロスコープ 3 1 4のトリガ信号として反射波を捕らえるとハンマ打撃時刻から反射波が到達するまでの時間を測定する事ができる。この時間と材料の音響速度から反射波が発生した面までの距離が求められる。従来のコンクリ一ト構造物の診断は以上のようにハンマ、もしくは超音波の送波器を用いて音響弾性波を発生させるようにしたため、次のような問題点があつた。超音波試験法

( 1 ) 超音波の送波器は、圧電型発振子の振動子の構造上、数十 kHz以上の周波数の音響弾性波を出力するのに適している。このため、金属の様に媒質内の減衰が小さいものや薄いものの測定には適用できるが、コンクリート等の媒質内の減衰が著しい被測定物の場合、透過または反射の到達距離が短くなり、長大なコンクリート構造物の診断には適用困難である。

( 2 ) 反射波の同定には専門知識が必要であり、特に形状や内部構造が複雑な場合その評価は困難になる。

( 3 ) 伝播距離が長く減衰が激しい場合や測定対象物内部の構造物や異常部等からの反射が弱い場合は、検出される反射波の振幅が微細になり雑音と同等のレべルになる場合がある。このような場合、反射位置や速度の検出に誤差を生じやすい。

( 4 ) いずれの方法も特殊な信号処理や反射波の形状による判断が必要となり専門的知識が必要である。衝撃弾性法

( 1 ) 加振のときハンマがバウンドし、短い周期で複数回の加振を行ってしまう。このため、加振信号に反射波が埋もれたり、反射波との弁別がつかなくなったりして、正しい測定が困難になる。これらを避けるための加振に実施者の熟練が必要になる。

( 2 ) 加振の強さが人為によるため、測定に適切な信号の大きさ、すなわち、反射を到達するために十分な強さにならないか、またはあまりにも強すぎて加速度計や増幅器のダイナミックレンジをオーバ一するために本来のィンパクト信号とならず、複雑な周波数成分を生成しそれが構造物の固有振動数に近い場合は誤つた計測値となる。

( 3 ) すなわち、加振の再現性はなく、実施者の熟練度により測定結果にばらつきが生じる。

( 4 ) 構造物の厚みが比較的薄い場合はハンマの加振による主成分が構造物の固有振動数より低くなることがある。この場合、加振後の残響に反射波が埋もれ、その検出が困難になる。

( 5 ) 測定精度を上げるために加振周波数を任意に変更するとか、正帰還をかけて振動させるなどの加振制御が不可能である。この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、実施者の技術や熟練によらず再現性が高く安定で精度の高い検査が可能であり、しかも容易で、特別に評価のための専門知識を必要としないコンクリート構造物の非破壊検査装置を得ることを目的とする。発明の開示

この発明に係る非破壊検査装置は、測定対象物に励磁電流に基き音響弾性波を注入する送波器と、前記送波器に励磁電流を供給する励磁電流供給装置と、前記測定対象物を伝播する音響弾性波を検出して受波信号を出力する受波器と、前記受波信号に帯域制限を加えるフィル夕と、前記フィル夕から出力された信号を一定の大きさの振幅に増幅して前記励磁電流供給装置に出力する自動増幅率制御機能付き増幅器と、前記送波器、前記測定対象物、前記受波器、前記フィル夕、前記増幅器、及び前記励磁電流供給装置から構成される正帰還ループの発振周波数の信号を前記受波器から抽出して処理する信号処理装置とを備えたものである。また、この発明に係る非破壊検査装置は、前記送波器を、磁歪素子と、励磁コィルと、及び磁気バイァス用磁石から構成された磁歪振動子としたものである。また、この発明に係る非破壊検査装置は、前記受波器により検出された信号波形もしくは前記信号処理装置により処理された結果を表示する表示装置をさらに備えたものである。また、この発明に係る非破壊検査装置は、前記フィル夕を、前記測定対象物の形状及び内部構造で定まる複数の共振周波数のうち、 1つの周波数を選択的に抽出する可変フィル夕としたものである。さらに、この発明に係る非破壊検査装置は、前記増幅器が、増幅率の補正量を出力する回路を有し、前記信号処理装置が、前記補正量により前記測定対象物の構造の状態情報を得るものである。図面の簡単な説明

図 1はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置のシステム構成を示す図、図 2はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置の送波器の構造を示す図、図 3はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置の正帰還制御系を示す図、図 4はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置のフィードバック制御系のブ口ック線図を示す図、

図 5はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置において口—パスフィル夕を用いた正帰還制御系のボード線図を示す図、

図 6はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置においてバンドパスフィル夕を用いた正帰還制御系のボード線図を示す図、

図 7はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置の自動増幅率制御機能付き増幅器の構成を示す図、

図 8はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置による周波数領域での出力の一例を示す図、

図 9はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置の正帰還なしの制御系シミュレ一シヨン例を示す図、

図 1 0はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置の正帰還制御系シミュレ一シヨン例（正帰還あり）を示す図、図 1 1はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置による過渡状態の計測例を示す図、

図 1 2はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置による定常状態の計測例を示す図、

図 1 3はこの発明の実施例 1に係る非破壊検査装置による厚み計測例を示す図図 1 4はこの発明の実施例 2に係る非破壊検査装置の可変フィル夕の構成を示す図、

図 1 5はこの発明の実施例 2に関係する理想的帯域フィル夕の周波数特性を示す図、

図 1 6はこの発明の実施例 2に関係する測定対象物の内部構造を示す図、図 1 Ίはこの発明の実施例 2に係る非破壊検査装置の可変フィル夕の特性を示す図、

図 1 8はこの発明の実施例 2に係る非破壊検査装置による測定過程の一例を示すフローチヤ一ト、

図 1 9はこの発明の実施例 2に係る非破壊検査装置による測定過程の他の例を示すフロ一チヤ一ト、

図 2 0は従来のハンマによる音響弾性波法のシステム構成を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

実施例 1 .

この発明の実施例 1に係る非破壊検査装置について図面を参照しながら説明する。図 1は、この発明の実施例 1に係る非破壊検査装置のシステム構成を示す図である。また、図 2は、この発明の実施例 1に係る非破壊検査装置の磁歪振動子の構造を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。図 1において、 5は励磁電流供給装置、 6は測定対象物、 7は受波器、 8はフィル夕、 9は自動増幅率制御機能付き増幅器、 1 0は受波器 7で検出された信号を処理する信号処理装置、 1 1は受波器 7にて検出された信号波形もしくは信号処理装置 1 0にて処理された結果を表示する表示装置、 2 0は送波器である。図 2において、 1は磁歪素子、 2は磁歪振動子、 3は励磁コイル、 4は磁気バィァス用永久磁石である。なお、この磁歪振動子 2は、送波器 2 0を構成する。また、矢印は振動方向を示す。つぎに、この実施例 1に係る非破壊検査装置の動作について説明する。磁歪材は磁界の中に置かれるとその方向に僅かな歪みを発生し、磁化の強さと方向に応じて歪みの大きさと歪みの方向が決まる特性を持つ。磁歪素子 1は、磁歪材の薄板を適当な形に切り抜き、磁気的に熱処理し、一枚一枚絶縁処理した上で、これらを積層して、各層間を膠着剤で固着したものである。このような積層構造を取ることにより励磁により発生する渦電流損を低減する。磁歪振動子 2は、磁歪素子 1をコア材にソレノイド型の励磁コイル 3を施して構成される。この励磁コィル 3に励磁電流を流すとその大きさに応じて励磁コィル 3内部に磁界が発生し、発生した磁界の大きさにより磁歪素子 1は歪みを生じる。磁化の方向によらず常に一定の方向に変化する特性をもつ磁歪材を用いる場合、励磁電流の倍周期の振動を発生することになり、帰還ループを構成しても所望する発振が得られない。そこで、磁歪振動子 2に磁気バイアス用永久磁石 4を搭載し動作点を適切に設定する磁気バイァスを与える。磁歪振動子 2の共振周波数点はその長さで決まる。たとえば、磁歪材の縦波速度を 5000m/secとすると 10kHzの共振周波数を持つ最小の磁歪素子の長さは約 25cm となるが、このような大きさの磁歪振動子でも容易に構築することができる。圧電振動子に比べ磁歪材の機械的な Q値が低いため、機械共振点以外の周波数でも出力効率の劣化は小さい。また、磁歪振動子 2はこのような構造を持っために、励磁コイル 3には振動による応力が加わることはない。積層の方向と振動方向が垂直となり、各層間の接着材を剥離するような応力が加わることもなく、磁歪振動子 2は磁歪材の材料強度に匹敵する機械強度を持つことが可能である。なお、磁歪振動子 2を構成する磁歪素子 1は、正の歪み特性を持ち励磁されると方向性をもって長さが伸び、鉄クロム合金、鉄コバルト合金等の金属系結晶構造の磁歪薄板を、各磁歪薄板間が電気絶縁された状態で、複数枚積層して形成し、更に熱硬化性樹脂で一体に結合されて剛体化されている。正の歪み特性を持つ実用的な磁歪薄板としては、特開平 1 0— 8 8 3 0 1号公報「鉄一コバルト合金板の製造方法」に記載されている F e— C o磁歪合金（例えば、 C ： 0 . 0 0 8 重量％、 S i ： 0 . 0 8重量％、 M n ： 0 . 0 7重量％、 C o ： 4 9 . 2 2重量 %、 V： 1 . 5 4 6重量％、 F e ：残部）が好適である。励磁コイル 3のインピーダンスは励磁電流の周波数が低いほど小さいため、一定の励磁電流を供給するために必要な励磁コイル 3の端子の印加電圧は、周波数が低いほど低電圧となり励磁電流供給装置 5の構成上有利になる。一方、励磁電流の周波数が高くなると積層内の損失が増え効率が落ちる。損失は薄板の厚みにより大きくなる。磁歪材として広く知られる純ニッケルの場合、 0.2塵の薄板厚みのとき 10kHzで約 30%の電気機械変換効率の低減につながる。よつて、磁歪振動子 2は構造上、十数 kHz以下の加振に適した送波器である。以上より考えるとコンクリート等の土木構造物の非破壊検査に必要な数十 kHz 以下の加振には、衝撃ハンマゃ圧電振動子より磁歪振動子 2が適している。磁歪振動子 2を測定対象物 6の測定対象面上に固定し、音響（振動）センサ等の受波器 7によりコンクリート構造物などの測定対象物 6の音響信号（振動）を検出し電気信号に変換する。フィル夕 8で変換した電気信号に帯域制限を加えたあと、一定の信号振幅になるよう自動増幅率制御機能付き増幅器 9で増幅率を自動制御する。これを磁歪振動子 2 (送波器 2 0 ) に励磁電流を供給する励磁電流供給装置 5に入力し、正帰還ループを形成する。図 3は、検出した反射波信号をフィードバック励振し、発振点、反射面、受信端をループとする発振条件を満足する周波数のみが抽出される制御系の構成を説明するものである。図中、測定対象物 6の厚さ（伝搬距離）は（L) 、測定対象物 6内の音響縦弾性波伝搬速度は（c ) 、測定対象物 6の端面での反射係数を（ r l) としている。以上の構成を有するため、反射波信号が小さくてもフィードバック励振により、発振条件を満足する反射波が自動的に励振され反射面までの距離に相当する周波数に加速度的エネルギーが注入される。発振条件が特定周波数で合致するとェネルギ一注入によりその周波数が成長し、最終的に信号ゲイン一定値で定値制御されるまで継続する。図 4は、上記のフィードバック制御系のブロック線図を示す。図中、測定対象物 6の縦弾性波の伝搬速度を c、端面（あるいは、内部反射面）までの距離ょり伝搬時間 Tは、次の式で表される。

T = L/ c 端面 6 bでは反射が起こり、この反射係数を r lとする。また、反射波は測定対象物 6を発振面に向かい伝搬し、伝搬時間 T後、発振面 6 aに到達する。この波はさらに、発振面 6 aで反射し、再び、端面 6 bへの伝搬を繰り返す。発振面 6 aでの反射係数を r Oとする。今、発振のトリガ入力を X、受波器 7での出力を Yとする。また、正帰還ループのフィードバックゲインを/?、アンプゲインを Aとする。ここで、アンプゲイン

Aは、自動増幅率制御機能付き増幅器 9、励磁電流供給装置 5、及び送波器 2 0 のトータルでのゲインをあらわしており、フィードバックゲイン/?は、受波器 7 、及びフィル夕 8のト一タルでのゲインである。自動増幅率制御機能付き増幅器 9は、入力信号の二乗平均平方根（RMS) を算出する要素、比例要素（P) 、積分要素（I) 、及び微分要素（D) から構成される P I D制御機能から成る増幅器である。反射面までの伝搬遅れはラプラス（Laplace) 変換で表現すると、 L

e ^c 、さらに境界面からの伝搬遅れは、

L

e

で表現されるから、出力 Yは式（1) で表される。

( 1 )

因みに正帰還が無い場合の出力は、 A 5 = 0であり、出力 Yは以下のとおりである。

-1 -4-j

7 = X-r_x -e ^c (l + r e ^c +r² -e ^c +Λ )X

1一 r ₀ e ここで、 Γ

Γ ο) とした。反射係数は測定対象物の特性にもよるが、 r < 1である。展開式（ 1 a) からわかるように、トリガ信号発生（t = 0) 後、 t =2L/ c (縦弾性波）より第 1波 r^Xが現れ、以降第 2、第 3の反射波が検出され、

と減衰していく信号である。正帰還により、式（ 1 a) の分母の r丄 r。は、 r^ro+r^A ?となる。 r！ r。 + r

とおくと、正帰還により式（ 1) は周期 T=2 L/cで、各周期における波形が K^2m · X (0≤t≤T) である周期的波形式（2) を出力する。

Y= A-r -i Χ + Κ¹ -e ^c +K⁴ -e ^e +A+K^2m -e ^c +A)-X(2)

A ?を適正な値に調整することにより、出力は定常的に発信するようになる。次に、発振条件を明確にする。発振条件は、式（ 1) で、分母 0より、次の式（3) のように表される。

(3)

すなわち、次の式（3 a) のように書き換えることができる, 2 (3 a)

すなわち、発振条件は以下のように表現できる。

① r i r。 + r iA ?ゲインが 1か、 1より大であること。

② e^2Ls/。の位相と、 r r。 + r ^の位相が等しいこと。ここで、 Γ^ Γ^ + Γ^Α ^が実数、すなわち周波数依存性が無い場合、条件② より、 ω= c/L · Π7Γとなる。すなわち、 f = c/2 L ' n (n二 1,2,···) のときが発振条件を満足する。つまり、 n= lが基本周波数、 η= 2が二次高調波、以降、 η次高調波は、 f_n = c/2 L · nである。

①のゲイン条件と②の位相条件により、発振周波数が決定する。正帰還内のフィル夕、増幅器に適正な周波数特性を付与することにより、高調波による発振を制限する。高調波を抑制するフィル夕として、低域通過フィル夕（LPF) を適用する。このとき、 r^o + r iA( j w)は、図 5、図 6に示す周波数依存性を有する。一方、 e^jw2L/cは、同じく図 5、図 6に示すゲイン 1、位相が周期 CTT/2 Lにて周期的に変化する周波数依存性を有する。発振周波数は、ボード線図を示す図 5、図 6上でゲイン条件を満たす発振領域内にあり、かつ位相条件を満足する発振点（図中黒丸）である。図 5の帯域が広く、この帯域の中に複数の高調波を含む場合は、その中で最も次数の低い周波数で発振する。フィル夕の位相特性により、発振周波数は基本周波数及びその高調波からずれるが、通過帯域の位相特性を 0近傍に設定することにより、測定に必要な精度を確保できる。一旦発振すると、発振周波数は安定する。これは、伝搬周期を基準信号とした正帰還により周波数ずれが発生したとしても、それを修復する補正信号出力が正帰還により出力され、再び伝搬周期により決定される発振周波数に収斂するからである。すなわち、発振条件がずれると反射波信号のレベルが下がり自動増幅率制御機能付き増幅器 9のゲインが増大する。また、 Α ？の位相もゲイン変化に伴い、発振周波数に戻す方向に位相がシフトするため、再度発振条件を満足するよう制御される。発振に至る過程は、以下の通りである。

( 1 )まず、トリガ信号（X) を発生する。トリガ信号は人為的にパルスを入力するか、または送波器 2 0を測定対象物 6に接触するときに発生するインパクト信号でもよい。

( 2 )トリガ信号が発生すると、増幅器 9を経由し、信号が増幅され、測定対象物 6に縦弾性波が伝搬し、端面 6 bへ伝搬、反射する。反射の際、反射係数（r J で決まる信号レベルの減衰が発生する。

( 3 )反射波は、端面 6 bより送波面へ向け逆方向を伝搬し、受波面で受波器 7により検出される。

( 4 )受波器 7はこの反射波信号をフィル夕 8に出力する。

( 5 )フィル夕 8は帯域制限した信号を自動増幅率制御機能付き増幅器 9に出力する。

( 6 )自動増幅率制御機能付き増幅器 9は、信号レベルと設定値を比較し、信号レベルが小さい場合は、その差分を基に、ゲインを増大する。この増幅された信号が励磁電流供給装置 5に出力される。

( 7 )以上、信号成分のうち、発振条件を満足する周波数成分は繰り返し正帰還ル —プを循環し、最終的には発振周波数の正弦波に収斂する。正弦波への変化は、正帰還内フィル夕により高周波成分、あるいは低周波成分が減衰するからである

( 8 )前記（ 1 )〜（ 7 )により発振周波数 f _nが自動抽出される。図 7は、自動増幅率制御機能付き増幅器の構成を示す図である。同図において、 1 1 1は R M S演算器であり、 1 1. 2はフィードバック信号のレベルを設定するレベル設定器である。また、 1 1 3は符号付き加算器であり、 R M S演算器 1 1 1、及びレベル設定器 1 1 2の出力の差を演算し、以降の比例アンプ 1 1 4、積分器 1 1 5、及び微分器 1 1 6に信号を出力する。さらに、 1 1 7は符号付き加算器、 1 1 8は比例アンプである。これらの符号付き加算器 1 1 3、比例アンプ 1 1 4、積分器 1 1 5、微分器 1 1 6、符号付き加算器 1 1 7、及び比例アンプ 1 1 8は、 P I D演算器を構成し、レベル設定器 1 1 2にて設定されたレベルに R M S演算器 1 1 1の出力が一致するよう補正出力を出力する。最後段の増幅器 1 1 9は、以上のように演算された補正出力をゲイン調整信号とする増幅信号 1 2 0にて、入力された信号 1 1 0 の増幅を行い、信号の増幅率を自動的に制御する。

R M S演算器 1 1 1は、入力信号の二乗平均値の平方根演算を行っており、入力信号のレベルを演算するものである。比例アンプ 1 1 4、 1 1 8、及び積分器 1 1 5、微分器 1 1 6のそれぞれのゲイン、積分時間、微分時間は、一般的に良く知られた P I D制御のチューニング手法により最適値に調整される。本方式の特徴は、反射波の信号の形態、レベルに関わらず正帰還により、反射波の位相と合う周波数の波のみが単一の周波数で自動的に選択され増幅され継続的に発振し続けることである。これは、従来方式で採用されている一過性の減衰する受波信号から、伝搬時間を測定する方式に比較し、安定的で、精度の高いものである。従来方式では、反射波の信号の立ち上がり点、あるいは立ち下がり点等に、トリガ波形との対応をとりその間隔から伝搬時間を算出しなければならなかった。しかし、伝搬中の測定対象物内で発生する減衰や、分散による波形の変形が発生し、この対応は容易に判定できない。また、対応点のずれが計測精度の悪化につながる。その点この発明は受波信号の形態に関わらず、正帰還のもつ位相制御機能を生かし自動的に単一周波数の発振が実現できるため、この発振周波数をフーリエ変換（F F T ) 機能あるいは周波数カウント機能等を適用し、容易に精度高く計測できる。図 8は、定常発振している周波数を F F Tにより周波数領域で表したものである。以下、シミュレーション例を図 9及び図 1 0に示す。図 9は、正帰還を働かせず、自然減衰する模様を示している。また、図 1 0は、正帰還を働かせることにより、トリガ信号の発生の後、フィードバックにより信号が増幅され、 f = c / 2 Lで定常発振することを示している。次に、計測例を図 1 1及び図 1 2に示す。図 1 1及び図 1 2は、コンクリートからなる 8 m ( = 8 0 0 0 mm) の高張力パイルの検出例を示してあり、図 1 1 は、正帰還により定常発振に至る過渡現象、また図 1 2は、定常発振後の定常状態を示す図である。図 1 1では、ドライブ電流及び受波信号が一定周波数に収斂する過程と、これにより周波数スペクトルが発振周波数でピークを出現する過程を示す。また、図 12では、発振周波数で安定的に受波信号が検出される状態を示している。この発振周波数は、 f i = (425 Om/s )/( 2 X 8m)= 266 H z ( 基本周波数）であり、コンクリートパイル 6内での弾性波速度 4250mから逆に、長さ 8mが計測できる。図 13は、コンクリートの床厚を計測した例である。同図最下段に示すように、厚さ 18 Ommの床厚に対応する周波数

f =(3456m/s)/(2 x 0.18m)x 2 = 19.2kHz

(2次高調波）で発振している。この図 13の中段に周波数スイープの計測例も併記している。この周波数スイープでは、目的とする周波数を決定することが極めて困難であり、本発明による発振周波数を用いる測定が容易であることがわかる。以上の計測例に示すように、発振周波数は音響弾性波の速度で求まる波長の半波長の正の整数倍となる周波数で発振する。これは、反射面までの距離もしくは透過距離に一致する。そこで、音響弾性波の伝播速度と反射面までの距離もしくは透過距離で求められる共振周波数の内、目的とする帯域にフィル夕 8の通過帯域をあらかじめ設定しておくと測定対象物 6の音速の変化や透過距離、内部反射面までの距離などが正確に求められる。この発明の実施例 1に係る非破壊検査装置は、金属系の磁歪振動子 2による送波器 20と、磁歪振動子 2に励磁電流を供給する励磁電流供給装置 5と、測定対象物 6を伝播する音響弾性波を検出する受波器 7と、この受波器 7で検出された反射波もしくは透過波の振幅の大きさに関わらず一定の大きさの振幅になるように、自動的に増幅率を制御する自動増幅率制御機能付き増幅器 9と、測定目的の周波数帯域の信号を抽出するフィル夕 8とで帰還ループを構成し、また上記受波器 7で検出された信号を処理する計算機等の信号処理装置 10と、上記受波器 7 にて検出された信号波形、もしくは上記信号処理装置 10にて処理された結果を表示する表示装置 1 1を備えたものである。すなわち、この実施例 1に係る非破壊検査装置においては、磁歪振動子 2を測定対象のコンクリート等の構造物 6に固定し、音響センサ等の受波器 7により測定対象の構造物 6の音響レベルを検出し、検出した音響信号にフィル夕 8にて帯域制限を加えたあと、一定の信号振幅になるよう自動増幅率制御機能付き増幅器 9で自動的に増幅率を制御する。これを上記磁歪振動子 2の励磁電流供給装置 5 に入力し、帰還ループを形成する。このため、測定対象のコンクリート構造物 6 は帰還ループの一部となり、増幅率が適正に設定されると帰還ル一プはフィル夕 8の通過帯域に従い発振を始める。フィル夕 8の通過帯域を適当に設定すると、測定対象の形状と音響弾性波の伝播速度で決まる共振周波数の発振を起こす。この発振周波数は唯一に定まるため、再現性高く、精度高い検査が可能になる。実施例 2 .

この発明の実施例 2に係る非破壊検査装置について図面を参照しながら説明する。図 1 4は、この発明の実施例 2に係る非破壊検査装置の可変フィル夕の構成を示す図である。この実施例 2では、実施例 1のフィル夕に代えて可変フィル夕を使用するもので、他の構成は実施例 1と同じである。図 1 4は、可変フィル夕 8 Aの一例として、ステート ·バリアブル 'フィル夕の例で示す。同図において、 1 2 1はフィル夕特性設定器であり、キーボード（英数字入力キー）等を用いて可変フィル夕 8 Aの中心周波数: 0、帯域幅 Bが設定され記憶される。本図に示すフィル夕 8 Aは、ハイパスフィル夕 1 2 4と口一パスフィル夕 1 2 5のカスケ一ドで、バンドパスフィル夕を構成している。ハイパスフィル夕 1 2 4の回路内の抵抗 R 6、 R 7及び口一パスフィル夕 1 2 5の回路内の抵抗 R 6、 R 7は、それぞれ抵抗アレイ 1 2 3 a、 1 2 3 b、 1 2 3 c ,

1 2 3 dで構成されている。すなわち、 R 6、 R 7の各々は複数の抵抗（抵抗ァレイ）が任意に並列接続されるものである。抵抗値制御回路 1 2 2は、予めフィル夕特性設定器 1 2 1より設定された中心周波数、帯域幅になるよう演算してハィパスフィル夕 1 2 4及び口一パスフィル夕 1 2 5の R 6、 R 7のそれぞれの抵抗アレイの組み合わせを制御する。図 1 5は、上記の可変フィル夕 8 Aを理想的帯域通過フィル夕としたときの特性を示す図である。同図において、 4 1は阻止帯域、 4 2は通過帯域、 4 3は阻止帯域を表している。このフィル夕は、中心周波数、帯域幅を自動あるいは手動により調整でき、狭帯域で 2あるものを適用する。フィル夕の特性としては、帯域幅内で位相変化が極小であるものを選定する必要がある。位相変化の小さいフィ

一 2

ル夕の例としては、バターワース（Butterworth) フィル夕があり、中心周波数で、位相変化が最小であるようなフィル夕を設計できる。一方、図 1 6は、測定対象物 6の内部構造を示す図である。同図において、 6 1は内部に走る亀裂、 6 2は内部の空隙、 6 bは測定対象物 6の端面である。この他、内部構造に対応した種々の構造がありうるが、本実施例では以上の状態に限定して説明する。フィル夕の中心周波数が f 。で、帯域幅が Bとすると、フィル夕の帯域が Bにより限定されることになり、実施例 1で説明した発振条件の内①は、帯域内の一部のみが有効になり、 ②の位相条件から発振できる周波数は選択されることとなる。具体的には、この領域に対応して、次の範囲が測定可能範囲となる。

L, L_h 二 ( 5 )

言い換えれば、中心周波数 f 。の値を自動あるいは手動によりシフトすることにより、測定可能領域が変化し、特定領域を選択的に測定できることが可能になる。発振条件①、及び②が同時に満足されることにより、発振周波数が決定する。 ①の帯域が広く、この帯域の中に複数の発振周波数を含む場合は、反射波の中で、レベルが高いものが抽出される。

A ?は、自動増幅率制御機能付き増幅器 9、フィル夕特性により、周波数特性 (ゲイン、位相）が変わるが、一般には低域通過フィル夕（LPF)、及び高域通過フィル夕（HPF) を合成した帯域通過フィル夕（BPF) を使用する。図 16において、測定対象物 6内を走る弾性波は亀裂 61に到達し、亀裂面にて反射波が発生する。この反射波が発振面 6 aに到達すると距離に対応した伝搬時間が検出できる。またさらに、その後方に別の空隙 62が存在すると、そこでも測定対象物 6を走る弾性波は反射波を生成し、この反射波も発振面 6 aに到達する。次に、この実施例 2の可変フィル夕 8 Aにより測定対象物 6の内部構造を検出する効果につき説明する。図 17は、可変フィル夕の特性を示す図である。同図において、 131、 13 2はそれぞれ可変フィル夕の特性を広帯域にした場合と、狭帯域にした場合のフィル夕特性を示している。図 16に示す測定対象物 6の内部構造において、亀裂 61までの距離 L l、空隙 62までの距離 L 2、端面 6 bまでの距離 Lに対する発振周波数をそれぞれ f Is f 2、 f 3とする。図 14に示すフィル夕特性設定器 121へ帯域幅を小さくするように設定して可変フィル夕 8 Aを狭帯域フィル夕 132にする。また、抵抗値制御回路 122 により中心周波数: f 0の指示値を顺次増大し、低周波数から高周波数側へ値をシフトしていくと、図 1 7の 1 3 2 a、 1 3 2 bに示すように、当初の発振パターン 1 3 2 aから 1 3 2 bに示すように発振周波数がシフトしていく。 1 3 2 bは狭帯域フィル夕 1 3 2の通過域が空隙 6 2における発振周波数 f 2を帯域内に包含した場合を示しており、この時、発振周波数は f 2が最大になる。これにより、測定対象物 6の内部構造の欠陥位置が: 2から計算できる。以降、正帰還による発振、及び発振周波数の算出は実施例 1と同じである。以上の測定過程をフローチャートで示すと図 1 8、及び図 1 9に示す通りである。すなわち、図 1 8のステップ 1 4 1〜 1 4 4において、可変フィル夕 8 Aを全帯域に設定し、送波器 2 0及び受波器 7を測定対象物 6に設置して発振を開始する。次に、ステップ 1 4 5〜1 4 7において、定常発振になったならば、信号処理装置 1 0で F F T変換を開始して周波数スぺクトルを表示装置 1 1に表示する。次に、ステップ 1 4 8〜 1 5 0 aにおいて、厚み計測モードの場合は、測定対象物 6の縦音響弾性波速度を入力してそれに基き信号処理装置 1 0で測定対象物 6の厚さを計算し、その結果を表示装置 1 1に表示する。また、ステップ 1 4 9 b〜 1 5 0 bにおいて、音響弾性波速度計測モードの場合には、測定対象物 6の厚さを入力してそれに基き信号処理装置 1 0で測定対象物 6の縦音響弾性波速度を計算し、その結果を表示装置 1 1に表示する。また、図 1 9のステップ 1 5 1〜 1 5 3において、送波器 2 0及び受波器 7を測定対象物 6に設置して発振を開始する。次に、ステップ 1 5 4において、可変フィル夕 8 Aの中心周波数 f 0、帯域幅 Bを設定入力する。次に、ステップ 1 5 5〜 1 5 7において、定常発振になったならば、信号処理装置 1 0で F F T変換を開始して周波数スぺクトルを表示装置 1 1に表示する。次に、ステップ 1 5 8〜 1 6 0において、測定対象物 6の縦音響弾性波速度を入力してそれに基き信号処理装置 1 0で測定対象物 6の厚さを計算し、その結果を表示装置 1 1に表示する。また、自動増幅率制御機能付き振幅増幅器 9の増幅率も同様である。次に、ステップ 1 6 1〜 1 6 2において、中心周波数; 0を f 0 = f 0— d f 0 (例えば、 d f 0 = f 0 / 1 0 ) に設定する。そして、測定が終了でないならばステヅプ 1 5 4へ戻り、ステップ 1 5 4〜 1 6 1までの処理を繰り返す。この発明の実施例 2に係る非破壊検査装置は、測定目的の周波数帯域を自動もしくは手動で変更する機能を有する可変フィル夕 8 Aを備えたものである。すなわち、この実施例 2に係る非破壊検査装置は、自動または手動にて任意の通過帯域を設定可能な可変フィル夕 8 Aを帰還ループに配したため、測定対象物 6がもつ共振周波数の内、任意の共振周波数を抽出可能となり、測定対象物 6や測定目的の周波数帯域が変化しても、正確な検査が可能となる。実施例 3 .

自動増幅率制御機能付き増幅器 9は、正帰還により検出された反射波信号の強弱レベルに対応して出力を制御する。すなわち、反射波信号が小さいときは増幅率を増大し、反射波レベルが大きい場合は出力レベルを低減する。一方、測定対象物 6からの反射波は、対象物内の亀裂 6 1あるいは、空隙 6 2 の大きさに対応して反射量が異なる。一般に、これらの損傷が大なる程、反射が大きく、小なる程反射は小さい。このため、反射波のレベルは測定対象物 6の内部状態を反映したものといえる。すなわち、測定対象物 6からの反射波信号の大小を検出できれば、内部状態を把握することができる。次の式（6 ) は、発振状態における自動増幅率制御機能付き増幅器 9の出力を表したものである。

1一 r₂r₀一 1 ( 6 )

Αβ =

r2

これより、反射率 r 2が小なる程、自動増幅率制御機能付き増幅器 9のゲイン Aは大きくなり、その出力も大になることがわかる。これより測定対象物 6の内部構造の損傷の大きさを推定可能である。つまり、自動増幅率制御機能付き増幅器 9は、図 7に示すように、増幅率の補正量（増幅信号 1 2 0 (ゲイン調整信号））を出力する回路 1 1 1〜 1 1 8を有し、信号処理装置 1 0は、前記補正量により前記測定対象物 6の内部構造の状態情報を得る。また、表示装置 1 1により前記情報を表示する。この発明の実施例 3に係る非破壊検査装置は、自動的に設定した増幅率の制御信号（補正量）より反射波もしくは透過波の大きさを測定する機能を有した自動増幅率制御機能付き増幅器 9を備えたものである。すなわち、この実施例 3に係る非破壊検査装置は、自動増幅率制御機能付き増幅器 9において、増幅率の制御信号より反射波もしくは透過波の振動レベルを自動的に測定する。このため、測定対象物 6の内部構造、異常部の状態が定量的に検出可能となる。産業上の利用の可能性

この発明に係る非破壊検査装置は、以上説明したとおり、測定対象物に励磁電流に基き音響弾性波を注入する送波器と、前記送波器に励磁電流を供給する励磁電流供給装置と、前記測定対象物を伝播する音響弾性波を検出して受波信号を出力する受波器と、前記受波信号に帯域制限を加えるフィル夕と、前記フィル夕から出力された信号を一定の大きさの振幅に増幅して前記励磁電流供給装置に出力する自動増幅率制御機能付き増幅器と、前記送波器、前記測定対象物、前記受波器、前記フィル夕、前記増幅器、及び前記励磁電流供給装置から構成される正帰還ループの発振周波数の信号を前記受波器から抽出して処理する信号処理装置とを備えたので、再現性高く、精度高い検査をすることができるという効果を奏する。また、この発明に係る非破壊検査装置は、以上説明したとおり、前記送波器を、磁歪素子と、励磁コイルと、及び磁気バイアス用磁石から構成された磁歪振動子としたので、再現性高く、精度高い検査をすることができるという効果を奏する。また、この発明に係る非破壊検査装置は、以上説明したとおり、前記受波器により検出された信号波形もしくは前記信号処理装置により処理された結果を表示する表示装置をさらに備えたので、再現性高く、精度高い検査をすることができるという効果を奏する。また、この発明に係る非破壊検査装置は、以上説明したとおり、前記フィル夕を、前記測定対象物の形状及び内部構造で定まる複数の共振周波数のうち、 1つの周波数を選択的に抽出する可変フィル夕としたので、測定対象物や測定目的の周波数帯域が変化しても、正確な検査をすることができるという効果を奏する。さらに、この発明に係る非破壊検査装置は、前記増幅器が、増幅率の補正量を出力する回路を有し、前記信号処理装置が、前記補正量により前記測定対象物の構造の状態情報を得るので、測定対象物の内部構造、異常部の状態を定量的に検出することができるという効果を奏する。

Claims

請求の範囲

1 . 測定対象物に励磁電流に基き音響弾性波を注入する送波器と、

前記送波器に励磁電流を供給する励磁電流供給装置と、

前記測定対象物を伝播する音響弾性波を検出して受波信号を出力する受波器と前記受波信号に帯域制限を加えるフィル夕と、

前記フィル夕から出力された信号を一定の大きさの振幅に増幅して前記励磁電流供給装置に出力する自動増幅率制御機能付き増幅器と、

前記送波器、前記測定対象物、前記受波器、前記フィル夕、前記増幅器、及び前記励磁電流供給装置から構成される正帰還ループの発振周波数の信号を前記受波器から抽出して処理する信号処理装置と

を備えた非破壊検査装置。

2 . 前記送波器は、磁歪素子と、励磁コイルと、及び磁気バイアス用磁石から構成された磁歪振動子である

請求項 1記載の非破壊検査装置。

3 . 前記受波器により検出された信号波形もしくは前記信号処理装置により処理された結果を表示する表示装置

をさらに備えた請求項 2記載の非破壊検査装置。

4 . 前記フィル夕は、前記測定対象物の形状及び内部構造で定まる複数の共振周波数のうち、 1つの周波数を選択的に抽出する可変フィル夕である

請求項 3記載の非破壊検査装置。

5 . 前記増幅器は、増幅率の補正量を出力する回路を有し、

前記信号処理装置は、前記補正量により前記測定対象物の構造の状態情報を得る請求項 3記載の非破壊検査装置。