WO2018079438A1 - 判定装置、判定方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体 - Google Patents

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dominant frequency
phase difference
points
determination
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翔平 木下
茂 葛西
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日本電気株式会社
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    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G01N29/075—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves by measuring or comparing phase angle

Definitions

  • the present invention relates to a determination device, a determination method, and a computer-readable recording medium.
  • Patent Document 1 describes a soundness judgment method for concrete buildings and the like. According to the soundness determination method described in Patent Document 1, first, a continuous fine movement of a concrete building is measured, and a change with time of the natural frequency is obtained from measurement data of the continuous fine movement. The technique described in Patent Document 1 determines that the concrete building is damaged when the daily fluctuation width of the natural frequency tends to decrease when the temperature difference between the inside and outside of the concrete building increases.
  • the present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has as its main object to provide a determination device and the like that can determine the presence or absence of local damage to a structure.
  • the determination apparatus is based on information indicating vibration at each of a plurality of points of a structure, and includes a dominant frequency specifying unit that specifies a dominant frequency of vibration at each of the plurality of points, and information indicating vibration And phase difference specifying means for specifying the phase difference at the dominant frequency of vibration at each of the plurality of points based on the dominant frequency, and determination means for determining damage to the structure based on the phase difference.
  • the determination method specifies the dominant frequency of vibration at each of the plurality of points based on the information indicating vibration at each of the plurality of points of the structure, and the information indicating the vibration and the dominant frequency. Based on the above, the phase difference at the dominant frequency of vibration at each of the plurality of points is specified, and damage to the structure is determined based on the phase difference.
  • the computer-readable recording medium includes a process of specifying a dominant frequency of vibration at each of a plurality of points based on information indicating vibration at each of the plurality of points of the structure. Based on the information indicating vibration and the dominant frequency, a process for identifying a phase difference at the dominant frequency of vibration at each of a plurality of points and a process for determining damage to the structure based on the phase difference are executed. Store the program non-temporarily.
  • the present invention it is possible to provide a determination device capable of determining the presence or absence of local damage to a structure.
  • each component of each device represents a functional unit block. Some or all of the components of each device (system) are realized by any combination of an information processing device 500 and a program as shown in FIG. 9, for example.
  • the information processing apparatus 500 includes the following configuration as an example.
  • CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Only Memory
  • RAM Random Access Memory
  • a program 504 loaded into the RAM 503
  • a storage device 505 for storing the program 504
  • a drive device 507 for reading / writing the recording medium 506
  • Communication interface 508 connected to the communication network 509
  • An input / output interface 510 for inputting / outputting data -Bus 511 connecting each component
  • Each component of each device in each embodiment is realized by the CPU 501 acquiring and executing a program 504 that realizes these functions.
  • the program 504 that realizes the function of each component of each device is stored in advance in the storage device 505 or the RAM 503, for example, and is read by the CPU 501 as necessary.
  • the program 504 may be supplied to the CPU 501 via the communication network 509 or may be stored in the recording medium 506 in advance, and the drive device 507 may read the program and supply it to the CPU 501.
  • each device may be realized by an arbitrary combination of the information processing device 500 and a program that are separately provided for each component.
  • a plurality of constituent elements included in each device may be realized by an arbitrary combination of one information processing device 500 and a program.
  • each device is realized by general-purpose or dedicated circuits including a processor or a combination thereof. These may be configured by a single chip cage or may be configured by a plurality of chips connected via a bus. Part or all of each component of each device may be realized by a combination of the above-described circuit and the like and a program.
  • each device When some or all of the constituent elements of each device are realized by a plurality of information processing devices and circuits, the plurality of information processing devices and circuits may be centrally arranged or distributedly arranged. Also good.
  • the information processing apparatus, the circuit, and the like may be realized as a form in which each is connected via a communication network, such as a client and server system and a cloud computing system.
  • FIG. 1 is a diagram showing a determination device according to the first embodiment of the present invention.
  • the determination apparatus 100 includes a dominant frequency specifying unit 110, a phase difference specifying unit 120, and a determining unit 130.
  • the dominant frequency specifying unit 110 specifies the dominant frequency of vibration at each of the plurality of points based on information indicating vibration at each of the plurality of points of the structure.
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the phase difference at the dominant frequency of vibration at each of a plurality of points based on the information indicating the vibration and the dominant frequency.
  • the determination unit 130 determines damage to the structure based on the phase difference.
  • the damage to the structure is insufficiently coupled such as a crack or corrosion generated in the structure, a gap generated in a portion where a plurality of parts constituting the structure are combined, or the like. Events are included.
  • the damage to the structure is not limited to the above example, and an event that may affect the performance of another structure may be treated as the damage to the structure.
  • the determination system 10 includes a determination device 100 and a plurality of detection units 101.
  • the detection unit 101 detects vibration of the object.
  • N detection units 101 (N is a natural number of 2 or more) from detection units 101-1 to 101-N are described as detection units 101, but the number of detection units 101 is as follows. There is no particular limitation. Depending on the structure or the like to be determined, the required number of detectors 101 and the arrangement locations are determined as appropriate.
  • the detection unit 101 is realized by a general vibration sensor, for example.
  • the detection unit 101 is attached to a structure to be determined by the determination device 100 by an adhesive, a permanent magnet, mechanical bonding, or the like.
  • the determination apparatus 100 and the detection unit 101 are connected via, for example, a wireless or wired communication network.
  • means for connecting the determination apparatus 100 and the detection unit 101 is not particularly limited.
  • the determination apparatus 100 may acquire and use information indicating vibration detected by the detection unit 101 by other means. In the example illustrated in FIG. 2, the determination device 100 performs determination based on information indicating vibration detected by each of the plurality of detection units 101.
  • the dominant frequency specifying unit 110 specifies each dominant frequency for vibrations at each of a plurality of points.
  • the information indicating the vibration at each of the plurality of points is obtained, for example, when each of the plurality of detection units 101 attached to the structure detects the vibration.
  • the dominant frequency specifying unit 110 mainly specifies a damped free vibration that is one of the vibration responses of the structure included in the information indicating the detected vibration, and specifies the dominant frequency.
  • FIG. 3 shows an example of damped free vibration.
  • the damped free vibration is a vibration that is not subjected to external excitation and whose acceleration amplitude decreases with time.
  • the vibration that becomes the damping free vibration is obtained based on, for example, the shape of the envelope of the time history waveform indicating the acceleration of the vibration.
  • the dominant frequency indicates the main frequency component included in the vibration.
  • the dominant frequency mainly indicates a frequency component that maximizes the amplitude of vibration.
  • the dominant frequency specified by the dominant frequency specifying unit 110 generally matches the natural vibration of the structure to be determined. For this reason, the behavior of vibration at the dominant frequency substantially matches the dynamic characteristics of the structure. Therefore, it becomes possible to grasp the dynamic characteristics of the structure by paying attention to the above-described dominant frequency.
  • the dynamic characteristics of the structure will change. That is, in this case, the dominant frequency can change. Therefore, for example, by continuously specifying the dominant frequency of the structure, damage to the structure can be detected.
  • the dominant frequency specifying unit 110 specifies the frequency having the maximum amplitude among the frequency components included in the damped free vibration as the dominant frequency.
  • Information indicating vibration obtained by the detection unit 101 or the like generally indicates a temporal change in vibration.
  • the dominant frequency specifying unit 110 converts, for example, a temporal change in vibration into a frequency component, and specifies the dominant frequency based on the amplitude for each frequency.
  • the dominant frequency specifying unit 110 converts a temporal change of vibration into a frequency component by, for example, discrete Fourier transform or fast Fourier transform. Further, the dominant frequency specifying unit 110 models a damped free vibration represented by information indicating vibration detected by using an autoregressive model or the like, and acquires a dominant frequency based on the frequency characteristics of the model. Also good. Then, as described above, the dominant frequency specifying unit 110 specifies, for example, the frequency having the largest amplitude as the dominant frequency.
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the phase difference at the dominant frequency of vibration at each of the plurality of points of the structure. More specifically, the phase difference specifying unit 120 specifies the phase difference at the dominant frequency of vibration at two points among a plurality of points in the structure.
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the phase difference with respect to at least one of a set of two selected points among the three or more points. In this case, it is preferable that the two points included in each group are adjacent points.
  • the natural frequency of the structure may change depending on the damage caused to the structure. Therefore, the state of the structure such as the presence or absence of damage to the structure may be determined based on the change in the natural frequency of the structure, for example, by detecting a change in the dominant frequency.
  • the change in the natural frequency may be relatively small compared to the case where large damage occurs in the structure. Therefore, it may be difficult to determine whether or not the structure is damaged by the method for determining the damage to the structure based on the change in the natural frequency of the structure.
  • the restraint between the members to be joined is lowered. That is, the mechanical coupling condition between the members to be coupled changes.
  • a change occurs in the vibration response including the coupling portion.
  • the phase of vibration at the dominant frequency changes in each of the constituent members sandwiching the coupling portion. That is, the phase difference of vibration at the dominant frequency in each of the constituent members sandwiching the coupling portion changes.
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the phase difference at the dominant frequency of vibration at two points among a plurality of points in the structure.
  • the determination unit 130 which will be described later, can determine the damage of the damage at the point between the two points.
  • the position of the two points is determined so that the above-described joint portion exists between the two points (that is, the position of the two points sandwiches the joint portion), so that the damage in the joint portion It is possible to determine damage such as the presence or absence of damage.
  • the structure is a bridge
  • one of the plurality of detection units 101 is provided on the floor plate, and the other one of the plurality of detection units 101 is provided on the main girder. It is possible to detect local damage occurring at the joint between the main beam and the main beam.
  • two points where the phase difference is determined by the phase difference specifying unit 120 are adjacent points, so that the position where the local damage has occurred can be more accurately specified. Become.
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the phase difference by various procedures. For example, the phase difference specifying unit 120 obtains the difference between the phase values obtained by Fourier transforming the freely damped vibration represented by the information indicating the vibration at each point, thereby obtaining the dominant frequency of vibration at the two points. Specify the phase difference.
  • the phase difference specifying unit 120 may specify the phase difference using a time history waveform in the band of the dominant frequency of vibration at each point.
  • the phase difference specifying unit 120 derives a time history waveform indicating temporal changes in the band of the dominant frequency by performing band limitation on the information indicating the vibration at each point by a band pass filter or the like. . Then, for each time history waveform, the phase difference specifying unit 120 determines the time when the amplitude of the time history waveform is maximized, and further determines the difference between the times, thereby specifying the phase difference.
  • specification part 120 is related with respect to each of the group of two points selected suitably among the said three or more points. Similarly, the phase difference is specified.
  • the determination unit 130 determines damage to the structure based on the phase difference obtained by the phase difference specifying unit 120. When the determination unit 130 indicates that the phase difference at the dominant frequency of vibration at two points of the structure indicates that the structure is damaged, the part between the two points is damaged. Is determined.
  • the determination unit 130 determines damage to the structure by comparing each phase difference obtained by the phase difference specifying unit 120 with a phase difference at a reference time.
  • the determination unit 130 is structured when the rate of change between the phase difference between the two points obtained by the phase difference specifying unit 120 and the phase difference at the reference time for the same point satisfies a predetermined condition. Determine that the part of the object between the two points is damaged.
  • the determination unit 130 causes damage to a site between the two points. It is determined that In this case, the threshold value is appropriately determined according to the position of the structure or the structure of the two points, whether or not the coupling portion is included in the portion between the two points, and the like.
  • the threshold value can be easily set.
  • the determination unit 130 may determine damage to the structure based on other methods. For example, the determination unit 130 may determine the damage of the structure based on the variation in each phase difference obtained by the phase difference specifying unit 120.
  • vibration is detected a plurality of times by the detection unit 101 of the determination system 10 at two target points. And regarding the information which shows each vibration of the multiple times obtained in the time of the predetermined range by the detection part 101 grade
  • specification part 110 specifies the dominant frequency regarding each vibration. Moreover, each phase difference is calculated
  • the determination part 130 determines about the damage of a structure based on the dispersion
  • the determination unit 130 determines two points of the structure based on a change rate between a plurality of phase difference variations obtained by the phase difference specifying unit 120 and a plurality of phase difference variations at a reference time. It is determined that there is damage in the area between.
  • the determination part 130 may determine with the site
  • the determination unit 130 may determine the damage of the structure by appropriately combining the above-described methods as necessary.
  • the dominant frequency specifying unit 110 specifies the dominant frequency (step S101).
  • the dominant frequency specifying unit 110 specifies the dominant frequency for each of the vibrations at each of the plurality of points of the structure.
  • the dominant frequency specifying unit 110 acquires and uses information indicating vibration detected by the detection unit 101 of the determination system 10, for example.
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the phase difference of vibration at two points of the structure based on the information indicating the vibration and the dominant frequency obtained in step S101 (step S102).
  • specification part 120 is each of the group of two of several points among the said three or more points as an example. Sequentially identify the phase differences.
  • the determination unit 130 determines damage to the structure based on the phase difference specified in step S102 (step S103).
  • the determination unit 130 is damaged at a point between the two points in the structure when, for example, the rate of change or variation in phase difference between the two points in the structure exceeds a predetermined threshold. Is determined.
  • the determination part 130 may perform determination about damage about each of two or more points.
  • the determination device 100 determines whether a structure is damaged based on the phase difference at the dominant frequency of vibration at each of a plurality of points of the structure. More specifically, in the determination device according to the present embodiment, the phase difference at the dominant frequency specified by the dominant frequency specifying unit 110 is specified by the phase difference specifying unit 120 for vibration detected at two points of the structure. Then, based on the identified phase difference, the determination unit 130 determines whether the structure is damaged.
  • the natural frequency of the structure can change when the structure is damaged.
  • the damage generated in the structure is local damage, the change in the natural frequency of the structure may be small. Therefore, when the damage of the structure is determined based on the natural frequency of the structure, there is a possibility that local damage of the structure is not detected.
  • the phase difference at the dominant frequency of vibration at each of a plurality of points of the structure is used when determining damage to the structure. Therefore, the determination apparatus 100 according to the present embodiment enables determination on local damage of the structure such as the presence or absence of local damage of the structure.
  • Example 1 Next, an example in which the determination device 100 and the determination system 10 according to the first embodiment of the present invention are applied to the determination of the presence or absence of local damage on an object will be described.
  • the determination system 10 determines whether or not there is damage to the concrete block for the concrete block. Specifically, a crack was formed as a pseudo damage on the surface of a concrete block as a specimen. Then, based on the vibrations before and after the formation of the crack, the determination system 10 made a determination about damage.
  • FIG. 5 shows an example of a concrete block that is a target of damage determination.
  • a rectangular concrete block 180 was used as a specimen.
  • five detection units 101 from the detection units 101-1 to 101-5 were attached.
  • a vibration sensor was used as each detection unit 101.
  • the vibration sensor used as the detection unit 101 is a piezoelectric type, and is a voltage output type with a built-in signal amplification circuit.
  • a crack 181 was formed between the detection units 101-1 and 101-2.
  • the concrete block 180 was vibrated by hammering using the hammer 190 in each case before and after the crack 181 was formed.
  • each of the detection units 101-1 to 101-5 detected the vibration generated by the vibration.
  • the determination apparatus 100 determined whether the concrete block 180 was damaged based on the information indicating the vibration detected by the detection units 101-1 to 101-5.
  • the dominant frequency specifying unit 110 obtains a Fourier spectrum by Fourier-transforming information indicating vibrations before and after the crack 181 is formed. And the dominant frequency specific
  • the detection units 101-1 to 101-5 had the same dominant frequency. Further, the vibration shape at the dominant frequency was similar to the deflection primary vibration mode.
  • the dominant frequencies are common in the detection units 101-1 to 101-5.
  • the vibration shape at the dominant frequency was similar to the deflection primary vibration mode.
  • the phase difference specifying unit 120 obtains the phase value at the dominant frequency of each Fourier spectrum before and after the above-described crack 181 is formed, and the difference between the phase amounts as the phase difference. It was.
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the difference in phase amount at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-1 and 101-2 as the phase difference.
  • the detection units 101-1 and 101-2 are two detection units that are close to the portion where the crack 181 is formed.
  • the determination unit 130 determines the damage by obtaining the rate of change of the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-1 and 101-2 before and after the crack 181 is formed. It was.
  • the rate of change in phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-1 and 101-2 was obtained using the following equation (1).
  • ⁇ 1 represents the rate of change of the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-1 and 101-2 before and after the crack 181 is formed.
  • ⁇ 1before represents the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-1 and 101-2 before the crack 181 is formed.
  • ⁇ 1after represents the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-1 and 101-2 after the crack 181 is formed.
  • the rate of change of the vibration dominant frequency detected by the detection unit 101-1 was obtained using equation (2).
  • ⁇ F 1 represents the rate of change of the dominant frequency of vibration detected by the detection unit 101-1 before and after the crack 181 is formed.
  • F 1before represents a dominant frequency of vibration detected by the detection unit 101-1 before the crack 181 is formed.
  • F 1after represents a dominant frequency of vibration detected by the detection unit 101-1 after the crack 181 is formed.
  • the dominant frequency of vibration detected by each of the detection units 101-1 to 101-5 is common at each time before and after the crack 181 is formed. there were.
  • FIG. 6 shows the phase difference change rate ⁇ 1 and the dominant frequency change rate ⁇ F 1 described above.
  • the phase difference change rate ⁇ 1 was ⁇ 20% (percent).
  • the change rate ⁇ F 1 of the dominant frequency was ⁇ 5%. That is, the change rate of ⁇ 1 with respect to the change rate ⁇ F 1 was four times.
  • the rate of change of the phase difference at the dominant frequency was relatively large compared to the rate of change of the dominant frequency.
  • the crack 181 is formed in the concrete block 180 that is the specimen, thereby reducing the rigidity of the concrete block 180 and consequently the natural frequency of the concrete block 180. Then, it is considered that the dominant frequency corresponding to the natural frequency has decreased in accordance with the decrease in the natural frequency of the concrete block 180.
  • the crack 181 is formed between the detection units 101-1 and 101-2, the rigidity of the portion of the concrete block 180 between the detection unit 101-1 and 101-2 is reduced. Conceivable. As a result, it is considered that the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-1 and 101-2 has increased. And since the crack 181 was local, it is thought that the change rate of the phase difference in the above-mentioned dominant frequency became relatively large compared with the change rate of the dominant frequency.
  • the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the two detectors 101 is significantly higher than the dominant frequency. It has changed. Therefore, for example, when the threshold value used in the determination unit 130 is appropriately set, even when it is difficult to determine with a method based on the rate of change of the dominant frequency (that is, the natural frequency of the structure), the determination device 100 or the like It was confirmed that it was possible to determine the occurrence of damage.
  • Example 2 Next, another example in the case where the determination apparatus 100 and the determination system 10 according to the first embodiment of the present invention are applied to determination of the presence or absence of damage on an object will be described.
  • the determination system 10 made a determination as to whether or not there was damage to the joint portion between the metal plate and the concrete block, with the concrete block to which the metal plate was bonded as an object. Specifically, a gap was formed as a pseudo damage at a joint portion between the metal plate and the concrete block in the concrete block to which the metal plate was bonded. And the determination about damage was performed by the determination system 10 based on the vibration before and behind formation of a clearance gap.
  • Fig. 7 shows an example of a concrete block that is a target of damage determination.
  • a rectangular concrete block 180 and a rectangular metal plate 182 were used as specimens.
  • a metal plate 182 was bonded to one surface of the concrete block 180 with an adhesive.
  • the metal plate 182 and the concrete block 180 were bonded so that the central point was common to the surfaces to be bonded.
  • the five detection units 101 from the detection units 101-1 to 101-5 were attached to the surface of the concrete block 180 to which the metal plate 182 was bonded.
  • the detection unit 101 and the same vibration sensor as in Example 1 were used.
  • the detection unit 101-3 was attached to the metal plate 182.
  • the clearance gap 183 was formed in the junction part of the concrete block 180 and the metal plate 182 by applying a tensile load to the direction opposite to the direction which each adhere
  • the gap 183 was formed in a portion between the detection units 101-2 and 101-3 in the joint portion between the metal plate 182 and the concrete block 180.
  • the concrete block 180 was vibrated by hammering using the hammer 190 in each case before and after the gap 183 was formed.
  • each of the detection units 101-1 to 101-5 detected the vibration generated by the vibration.
  • the determination apparatus 100 determined the damage of the joint portion between the metal plate 182 and the concrete block 180 based on the information indicating the vibration detected by the detection units 101-1 to 101-5.
  • the dominant frequency specifying unit 110 obtains a Fourier spectrum by Fourier-transforming information indicating each vibration before and after the gap 183 is formed.
  • specification part 110 specified the frequency from which an amplitude becomes the maximum in each Fourier spectrum before and after the clearance gap 183 as a dominant frequency.
  • the dominant frequencies are detected in the detection units 101-1 to 101-5. It was common. Further, the vibration shape at the dominant frequency was similar to the deflection primary vibration mode.
  • the detection units 101-1 to 101-5 have the same dominant frequency. Further, the vibration shape at the dominant frequency was similar to the deflection primary vibration mode.
  • the phase difference specifying unit 120 obtains the phase value at the dominant frequency of each Fourier spectrum before and after the above-described gap 183 is formed, and the difference between the phase amounts as the phase difference. .
  • the phase difference specifying unit 120 specifies the difference in phase amount at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-2 and 101-3 as the phase difference.
  • the detection units 101-2 and 101-3 are two detection units that are close to the portion where the gap 183 is formed.
  • the determination unit 130 obtains the rate of change in phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-2 and 101-3 before and after the gap 183 is formed.
  • the rate of change in phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-2 and 101-3 was obtained using the following equation (3).
  • ⁇ 2 represents the rate of change in phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-2 and 101-3 before and after the gap 183 is formed.
  • ⁇ 2before represents the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-2 and 101-3 before the gap 183 is formed.
  • ⁇ 2after represents the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 101-2 and 101-3 after the gap 183 is formed.
  • the rate of change of the vibration dominant frequency detected by the detection unit 101-2 was obtained using equation (4).
  • ⁇ F 2 represents the rate of change of the dominant frequency of vibration detected by the detection unit 101-2 before and after the gap 183 is formed.
  • F 2before represents the dominant frequency of vibration detected by the detection unit 101-2 before the gap 183 is formed.
  • F 2after represents the dominant frequency of vibration detected by the detection unit 101-2 after the gap 183 is formed.
  • the dominant frequency of vibration detected by each of the detection units 101-1 to 101-5 is common at each time before and after the gap 183 is formed. It was.
  • FIG. 8 shows the phase difference change rate ⁇ 2 and the dominant frequency change rate ⁇ F 2 described above.
  • the phase difference change rate ⁇ 2 was ⁇ 30%.
  • the change rate ⁇ F 2 of the dominant frequency was ⁇ 5%. That is, the change rate of ⁇ 2 with respect to the change rate ⁇ F 2 was 6 times.
  • the rate of change of the phase difference at the dominant frequency was a relatively large rate of change compared to the rate of change of the dominant frequency.
  • the rigidity of the test piece constituted by the concrete block 180 and the metal plate 182 was lowered by forming the gap 183 at the joint portion between the concrete block 180 and the metal plate 182.
  • the natural frequency of the specimen decreased.
  • the dominant frequency corresponding to the natural frequency has decreased along with the decrease of the natural frequency of the specimen.
  • the gap 183 is formed in the region between the detection units 101-2 and 101-3, the mechanical characteristics of the region between the detection unit 101-2 and the 101-3 in the specimen are deteriorated. it is conceivable that.
  • the phase difference at the dominant frequency of vibration detected by the detection units 102-2 and 101-3 has increased.
  • the gap 183 is local, it is considered that the rate of change of the phase difference at the above-described dominant frequency is relatively larger than the rate of change of the dominant frequency.
  • the phase difference at the dominant frequency of the vibration detected by the two detection units 101 is the dominant frequency for local damage in the joint portion of the structure. It has changed remarkably compared with. Therefore, even when it is difficult to determine by the method based on the rate of change of the dominant frequency, such as by appropriately setting the threshold value used in the determination unit 130, the determination device 100 and the like can be used for damage in the joint portion of the structure It was confirmed that the occurrence can be determined.
  • the presence or absence of local damage of the structure can be determined by the determination apparatus 100 according to the embodiment of the present invention.
  • the change rate of the phase difference in the present embodiment is larger than the change rate of the phase difference in the first embodiment. That is, the change rate of the phase difference when local damage occurs in the joint between the structural members of the structure, and the change rate of the phase difference when local damage occurs in one structural member of the structure It is larger than That is, it has been confirmed that the determination device 100 according to the embodiment of the present invention can be used for determination of local damage that has occurred in a joint portion between structural members of a structure.

Abstract

構造物の局所的な損傷の有無を判定可能な判定装置を提供する。　判定装置は、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定する卓越周波数特定部と、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する位相差特定部と、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する判定部とを備える。

Description

判定装置、判定方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体
　本発明は、判定装置、判定方法及びコンピュータ読み取り可能記録媒体に関する。
　建物や橋梁等の構造物の状態を分析するための様々な技術が開発されている。一例として、構造物に関する振動特性を解析することで、構造物の損傷が検出されている。
　特許文献１には、コンクリート建物等の健全性判定方法が記載されている。特許文献１に記載の健全性判定方法は、まず、コンクリート建物の常時微動を計測してこの常時微動の計測データから固有振動数の経時変化を求める。そして、特許文献１に記載の手法は、コンクリート建物の内外温度差が増大するときに固有振動数の日変動の幅が小さくなる傾向にあるときにはコンクリート建物に損傷有りと判定する。
特開２００８－８８１０号公報
　構造物の状態の分析においては、構造物の局所的な損傷の検出が必要となる場合がある。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、構造物の局所的な損傷の検出が困難となる場合がある。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、構造物の局所的な損傷の有無を判定可能な判定装置等を提供することを主たる目的とする。
　本発明の一態様における判定装置は、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定する卓越周波数特定手段と、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する位相差特定手段と、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する判定手段とを備える。
　また、本発明の一態様における判定方法は、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定し、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定し、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する。
　また、本発明の一態様におけるコンピュータ読み取り可能記録媒体は、コンピュータに、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定する処理と、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する処理と、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する処理とを実行させるプログラムを非一時的に格納する。
　本発明によると、構造物の局所的な損傷の有無を判定可能な判定装置を提供することができる。
本発明の第１の実施形態における判定装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における判定装置を含む判定システムの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態における判定装置が対象とする減衰自由振動の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態における判定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例１における供試体の例を示す図である。 本発明の実施例１における位相差及び卓越周波数の変化率の例を示す図である。 本発明の実施例２における供試体の例を示す図である。 本発明の実施例１における位相差及び卓越周波数の変化率の例を示す図である。 本発明の実施形態における判定装置等を実現する情報処理装置の例を示す図である。
　本発明の各実施形態について、添付の図面を参照して説明する。本発明の各実施形態において、各装置（システム）の各構成要素は、機能単位のブロックを示している。各装置（システム）の各構成要素の一部又は全部は、例えば図９に示すような情報処理装置５００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現される。情報処理装置５００は、一例として、以下のような構成を含む。
　　・ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）５０１
　　・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）５０２
　　・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）５０３
　　・ＲＡＭ５０３にロードされるプログラム５０４
　　・プログラム５０４を格納する記憶装置５０５
　　・記録媒体５０６の読み書きを行うドライブ装置５０７
　　・通信ネットワーク５０９と接続する通信インターフェース５０８
　　・データの入出力を行う入出力インターフェース５１０
　　・各構成要素を接続するバス５１１
　各実施形態における各装置の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム５０４をＣＰＵ５０１が取得して実行することで実現される。各装置の各構成要素の機能を実現するプログラム５０４は、例えば、予め記憶装置５０５やＲＡＭ５０３に格納されており、必要に応じてＣＰＵ５０１が読み出す。なお、プログラム５０４は、通信ネットワーク５０９を介してＣＰＵ５０１に供給されてもよいし、予め記録媒体５０６に格納されており、ドライブ装置５０７が当該プログラムを読み出してＣＰＵ５０１に供給してもよい。
　各装置の実現方法には、様々な変形例がある。例えば、各装置は、構成要素毎にそれぞれ別個の情報処理装置５００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。また、各装置が備える複数の構成要素が、一つの情報処理装置５００とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。
　また、各装置の各構成要素の一部又は全部は、プロセッサ等を含む汎用または専用の回路や、これらの組み合わせによって実現される。これらは、単一のチップ によって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップによって構成されてもよい。各装置の各構成要素の一部又は全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。
　各装置の各構成要素の一部又は全部が複数の情報処理装置や回路等により実現される場合には、複数の情報処理装置や回路等は、集中配置されてもよいし、分散配置されてもよい。例えば、情報処理装置や回路等は、クライアントアンドサーバシステム、クラウドコンピューティングシステム等、各々が通信ネットワークを介して接続される形態として実現されてもよい。
　（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における判定装置を示す図である。
　図１に示すとおり、本発明の第１の実施形態における判定装置１００は、卓越周波数特定部１１０と、位相差特定部１２０と、判定部１３０とを備える。卓越周波数特定部１１０は、構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数を特定する。位相差特定部１２０は、振動を示す情報及び卓越周波数に基づいて、複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する。判定部１３０は、位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する。
　なお、本実施形態においては、構造物の損傷には、例えば、構造物に生じたき裂や腐食、構造物を構成する複数の部位が結合する部分に生じた隙間等の結合が不十分となる事象が含まれる。ただし、構造物の損傷は、上述の例に限られず、その他の構造物の性能に影響を及ぼしうる事象が構造物の損傷として扱われてもよい。
　また、図２に示すように、本発明の第１の実施形態における判定装置１００を有する判定システム１０が構成される。判定システム１０は、判定装置１００と、複数の検知部１０１を有する。検知部１０１は、対象物の振動を検知する。
　図２に示す例では、検知部１０１として、検知部１０１－１から１０１－ＮまでのＮ個（Ｎは２以上の自然数）の検知部１０１が記載されているが、検知部１０１の数は特に制限されない。判定の対象となる構造物等に応じて、必要となる検知部１０１の数や配置箇所等が適宜定められる。検知部１０１は、例えば一般的な振動センサによって実現される。検知部１０１は、接着剤、永久磁石、機械的な接合等によって、判定装置１００による判定の対象となる構造物へ取り付けられる。
　また、判定装置１００と検知部１０１とは、例えば無線又は有線の通信ネットワーク等を介して接続される。なお、判定装置１００と検知部１０１とを接続する手段は特に限定されない。判定装置１００は、他の手段によって検知部１０１にて検知された振動を示す情報を取得して用いてもよい。そして、図２に示す例では、判定装置１００は、複数の検知部１０１の各々によって検知された振動を示す情報に基づいて判定を行う。
　続いて、本実施形態における判定装置１００の構成要素について説明する。
　卓越周波数特定部１１０は、上述のように、複数の地点の各々における振動について、それぞれの卓越周波数を特定する。複数の地点の各々における振動を示す情報は、例えば構造物に取り付けられた複数の検知部１０１の各々が振動を検知することで得られる。
　卓越周波数特定部１１０は、主に、検知された振動を示す情報に含まれる構造物の振動応答の一つである減衰自由振動に着目して、卓越周波数を特定する。図３は、減衰自由振動の例を示す。図３においては、振動の加速度に関する時間的な変化のうち、矢印にて示されている部位が減衰自由振動を表す。すなわち、減衰自由振動は、外部からの加振がなされず、かつ、加速度の振幅が時間に応じて小さくなる振動である。減衰自由振動となる振動は、例えば、振動の加速度を示す時刻歴波形の包絡線の形状に基づいて求められる。
　また、卓越周波数は、振動に含まれる主要な周波数成分を示す。本実施形態においては、後述のように、卓越周波数は、主に振動の振幅が最大となる周波数成分を示す。
　一般に、構造物に生じる減衰自由振動では、構造物の動特性に応じた固有振動が卓越する。そのため、卓越周波数特定部１１０で特定される卓越周波数は、一般に、判定の対象となる構造物の固有振動と概ね一致する。このことから、卓越周波数での振動の挙動は、当該構造物の動特性と概ね一致する。したがって、上述した卓越周波数に着目することで、構造物の動特性が把握可能となる。
　また、構造物に損傷等が生じた場合には、構造物の動特性は変化する。すなわち、この場合には、卓越周波数が変化しうる。そのため、例えば構造物の卓越周波数を継続して特定することで、構造物の損傷等が検出可能となる。
　卓越周波数特定部１１０は、減衰自由振動に含まれる周波数成分のうち、振幅が最大となる周波数を卓越周波数として特定する。検知部１０１等によって得られた振動を示す情報は、一般に振動の時間的な変化を示す。この場合に、卓越周波数特定部１１０は、例えば、振動の時間的な変化を周波数成分へ変換し、周波数毎の振幅に基づいて卓越周波数を特定する。
　卓越周波数特定部１１０は、例えば離散フーリエ変換や高速フーリエ変換等によって振動の時間的な変化を周波数成分変換する。また、卓越周波数特定部１１０は、自己回帰モデルなどを用いることで検知された振動を示す情報にて表される減衰自由振動をモデル化し、当該モデルの周波数特性に基づいて卓越周波数を取得してもよい。そして、卓越周波数特定部１１０は、上述のように、例えば振幅が最も大きな周波数を卓越周波数として特定する。
　位相差特定部１２０は、構造物の複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差を特定する。位相差特定部１２０は、より詳しくは、構造物における複数の地点のうち、２つの地点における振動の卓越周波数での位相差を特定する。
　なお、本実施形態においては、判定システム１０の検知部１０１が構造物の３つ以上の地点に設置されている等、構造物の３つ以上の地点における振動を示す情報が得られる場合が想定される。この場合には、位相差特定部１２０は、当該３つ以上の地点のうち、選択された２つの地点の組の少なくとも一つに関して位相差を特定する。この場合に、各々の組に含まれる２つの地点は、隣接する地点であることが好ましい。
　上述のように、構造物の固有振動数は、構造物に生じた損傷等に応じて変化する場合がある。したがって、例えば卓越周波数の変化を検出する等、構造物の固有振動数の変化に基づいて、構造物の損傷の有無等の構造物の状態が判定可能となる場合がある。
　しかしながら、構造物の固有振動数の変化に基づいて構造物の損傷に関する判定を行う手法では、構造物の損傷の有無等の判定が困難な場合がある。構造物の固有振動数の変化に基づく損傷の有無等の判定が困難な場合には、構造物に局所的な損傷が生じた場合が含まれる。構造物に局所的な損傷が生じる場合としては、例えば、２つ以上の部材が結合する部分である結合部分に損傷が生じる場合がある。
　構造物には、２つ以上の部材が結合されて構成される場合がある。例えば、構造物が橋梁である場合には、床板と主桁とが結合されて構成される。このような構成を含む構造物においては、部材が結合する結合部分に力が集中する。したがって、結合部分には、局所的な損傷が生じる場合がある。そして、結合部分に損傷が生じると、結合部分の剛性が低下し、当該結合部分を含む構造物の固有振動数が変化する。
　しかしながら、結合部分における損傷のような局所的な損傷が生じた場合には、構造物に大きな損傷が生じる場合と比較して、固有振動数の変化は相対的に小さい場合がある。したがって、構造物の固有振動数の変化に基づいて構造物の損傷に関する判定を行う手法では、構造物の損傷の有無等の判定が困難な場合がある。
　これに対して、結合部分に損傷が生じた場合には、結合される部材の間の拘束が低下する。すなわち、結合される部材の間の機械的な結合条件が変化する。この変化の結果として、結合部分を含む振動応答に変化が生じる。例えば、結合部分を間に挟む構成部材の各々において、卓越周波数での振動の位相がそれぞれ変化する。すなわち、結合部分を間に挟む構成部材の各々における卓越周波数での振動の位相差が変化する。
　そこで、本実施形態においては、位相差特定部１２０は、構造物における複数の地点のうち、２つの地点における振動の卓越周波数での位相差を特定する。位相差が特定されることで、後述する判定部１３０において、当該２つの地点の間の地点における損傷の損傷についての判定が可能となる。
　そして、２つの地点の間に上述した結合部分が存在するように（すなわち、２つの地点の位置が結合部分を間に挟むように）２つの地点の位置が定められることで、結合部分における損傷の有無等の損傷についての判定が可能となる。一例として、構造物が橋梁である場合には、複数の検知部１０１のうちの１つが床板に設けられ、複数の検知部１０１のうちの他の１つが主桁に設けられることで、床板と主桁との間の結合部分に生じた局所的な損傷が検知可能となる。
　また、構造物の複数の地点のうち、位相差特定部１２０によって位相差が求められる２つの地点が隣接する地点であることで、局所的な損傷が生じた位置のより正確な特定が可能となる。
　位相差特定部１２０は、様々な手順にて位相差を特定する。例えば、位相差特定部１２０は、各々の地点における振動を示す情報によって表される自由減衰振動をフーリエ変換することで得た位相値の差分を求めることで、２つの地点における振動の卓越周波数での位相差を特定する。
　また、位相差特定部１２０は、各々の地点における振動の卓越周波数の帯域における時刻歴波形を用いて位相差を特定してもよい。この場合には、位相差特定部１２０は、各々の地点における振動を示す情報に関してバンドパスフィルタ等により帯域制限を施すことによって、卓越周波数の帯域における時間的な変化を示す時刻歴波形を導出する。そして、位相差特定部１２０は、各々の時刻歴波形について、時刻歴波形の振幅が極大となる時刻を求め、更に当該時刻の差を求めることによって、位相差を特定する。
　また、構造物の３つ以上の地点における振動を示す情報が得られる場合には、位相差特定部１２０は、当該３つ以上の地点のうち、適宜選択された２つの地点の組の各々に関して同様に位相差を特定する。
　判定部１３０は、位相差特定部１２０によって求められた位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する。判定部１３０は、構造物の２つの地点における振動の卓越周波数での位相差が構造物に損傷が生じていることを示す場合には、当該２つの地点の間の部位に損傷が生じていると判定する。
　判定部１３０は、一例として、位相差特定部１２０によって求められた各々の位相差と、基準となる時期における位相差と比較することで、構造物の損傷について判定する。
　例えば、判定部１３０は、位相差特定部１２０にて求められた２つの地点の位相差と、同じ地点に関して基準となる時期における位相差との変化率が予め定めた条件を満たす場合に、構造物の当該２つの地点の間の部位に損傷が有ると判定する。一例として、判定部１３０は、２つの地点の位相差と、同じ地点に関して基準となる時期における位相差との変化率が閾値を超えた場合に、当該２つの地点の間の部位に損傷が生じていると判定する。この場合には、閾値は、構造物や２つの地点の構造物の位置、２つの地点の間の部位に結合部分が含まれるか否か等に応じて適宜定められる。また、位相差の絶対値ではなく、例えば基準となる時期における位相差等によって規格化された値である位相差の変化率が用いられることで、構造物の部位に応じた閾値の設定が不要になる等、閾値の設定が容易になる。
　また、判定部１３０は、他の方法に基づいて構造物の損傷について判定してもよい。例えば、判定部１３０は、位相差特定部１２０によって求められた各々の位相差のばらつきに基づいて、構造物の損傷について判定してもよい。
　この場合には、例えば、対象となる２つの地点において、判定システム１０の検知部１０１等によって振動が複数回検知される。そして、検知部１０１等によって予め定められた一定の範囲の時期に得られた複数回の各々の振動を示す情報に関して、卓越周波数特定部１１０によって各々の振動に関する卓越周波数が特定される。また、特定された卓越周波数等に基づいて、位相差特定部１２０にて各々の位相差が求められる。
　そして、判定部１３０は、上述のように得られた振動に関する複数の位相差のばらつきに基づいて、構造物の損傷について判定する。一例として、判定部１３０は、位相差特定部１２０によって求められた複数の位相差のばらつきと、基準となる時期における複数の位相差のばらつきとの変化率に基づいて、構造物の２つの地点の間の部位に損傷が有ると判定する。また、判定部１３０は、複数の位相差のばらつきが閾値を超える等の予め定めた条件を満たす場合に、構造物の当該２つの地点の間の部位に損傷が有ると判定してもよい。
　なお、判定部１３０は、上述した複数の手法を必要に応じて適宜組み合わせて構造物の損傷について判定してもよい。
　続いて、図４に示すフローチャートを用いて、本発明の第１の実施形態における判定装置１００の動作を説明する。
　最初に、卓越周波数特定部１１０は、卓越周波数を特定する（ステップＳ１０１）。卓越周波数特定部１１０は、構造物の複数の地点の各々における振動のそれぞれに対して卓越周波数を特定する。構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報として、卓越周波数特定部１１０は、例えば判定システム１０の検知部１０１が検知した振動を示す情報を取得して用いる。
　次に、位相差特定部１２０は、振動を示す情報及びステップＳ１０１にて求められた卓越周波数に基づいて、構造物の２つの地点における振動の位相差を特定する（ステップＳ１０２）。なお、構造物の３つ以上の地点における振動を示す情報が得られる場合には、位相差特定部１２０は、一例として、当該３つ以上の地点のうち、複数の２つの地点の組の各々に関して位相差を順次特定する。
　次に、判定部１３０は、ステップＳ１０２にて特定された位相差に基づいて、構造物の損傷について判定する（ステップＳ１０３）。判定部１３０は、例えば構造物における２つの地点の位相差の変化率又はばらつき等が予め定めた閾値を超えた場合等に、構造物における当該２つの地点の間の地点に損傷が生じていると判定する。また、ステップＳ１０２において、構造物の複数の２つの地点に関して位相差が求められている場合には、判定部１３０は、複数の２つの地点の各々に関して損傷についての判定を行ってもよい。
　以上のとおり、本発明の第１の実施形態における判定装置１００は、構造物の複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差に基づいて、構造物の損傷についての判定を行う。より詳しくは、本実施形態における判定装置では、構造物の２つの地点において検知された振動について、卓越周波数特定部１１０にて特定された卓越周波数における位相差が位相差特定部１２０にて特定される。そして、特定された位相差に基づいて、判定部１３０が構造物の損傷について判定する。
　構造物の固有振動数は、構造物に損傷が生じた場合に変化しうる。しかしながら、構造物に生じた損傷が局所的な損傷である場合には、構造物の固有振動数の変化が小さい場合がある。したがって、構造物の固有振動数に基づいて構造物の損傷の判定が行われる場合には、構造物の局所的な損傷が検出されない可能性がある。
　これに対して、構造物に局所的な損傷が生じた場合には、損傷が生じた部位の周囲の地点における振動の位相差に変化が生じる場合がある。すなわち、振動の位相差に着目することで、構造物の局所的な損傷が検出できる場合がある。
　本実施形態における判定装置１００では、構造物の損傷についての判定に際して、構造物の複数の地点の各々における振動の卓越周波数での位相差が用いられる。したがって、本実施形態における判定装置１００は、構造物の局所的な損傷の有無等、構造物の局所的な損傷についての判定を可能にする。
　（実施例１）
　次に、本発明の第１の実施形態における判定装置１００及び判定システム１０を、対象物における局所的な損傷の有無の判定に適用した場合の例について説明する。
　最初の実施例においては、判定システム１０は、コンクリートブロックを対象として、コンクリートブロックに生じた損傷の有無の判定を行った。具体的には、供試体であるコンクリートブロックの表面に擬似的な損傷としてき裂が形成された。そして、き裂の形成の前後における振動に基づいて、判定システム１０によって損傷についての判定が行われた。
　図５は、損傷についての判定の対象となるコンクリートブロックの例を示す。本実施例においては、供試体として、矩形状のコンクリートブロック１８０が用いられた。コンクリートブロック１８０の一つの面には、検知部１０１－１から１０１－５までの５つの検知部１０１が取り付けられた。各々の検知部１０１としては、振動センサが用いられた。検知部１０１として用いられた振動センサは、圧電型であり、信号増幅回路が内蔵された電圧出力タイプである。検知部１０１－１と１０１－２との間には、き裂１８１が形成された。
　そして、き裂１８１が形成される前と後とのそれぞれの場合において、ハンマ１９０を用いたハンマリングによってコンクリートブロック１８０が加振された。各々の場合において、加振によって生じた振動を検知部１０１－１から１０１－５の各々が検知した。
　判定装置１００は、検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報に基づいて、コンクリートブロック１８０の損傷について判定した。
　まず、卓越周波数特定部１１０は、き裂１８１が形成される前と後との各々における振動を示す情報をフーリエ変換することでフーリエスペクトルを求めた。そして、卓越周波数特定部１１０は、き裂１８１が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルにおいて振幅が最大となる周波数を卓越周波数として特定した。
　き裂１８１が形成される前の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。
　また、き裂１８１が形成される後の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。
　続いて、位相差特定部１２０は、上述したき裂１８１が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルの卓越周波数における位相の値を位相量として、位相量の差を位相差としてそれぞれ求めた。本実施例においては、位相差特定部１２０は、検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相量の差を位相差として特定した。検知部１０１－１及び１０１－２は、き裂１８１が形成された箇所に近接する２つの検知部である。
　続いて、判定部１３０は、き裂１８１が形成される前後における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を求めて損傷についての判定を行った。検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率は、以下の（１）式を用いて求められた。なお、（１）式において、ΔΦ１はき裂１８１が形成される前後における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を表す。また、Φ１ｂｅｆｏｒｅは、き裂１８１が形成される前における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。Φ１ａｆｔｅｒは、き裂１８１が形成された後における検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、比較のため、（２）式を用いて検知部１０１－１において検知された振動卓越周波数の変化率が求められた。なお、（２）式において、ΔＦ１はき裂１８１が形成される前後における検知部１０１－１において検知された振動の卓越周波数の変化率を表す。また、Ｆ１ｂｅｆｏｒｅは、き裂１８１が形成される前に検知部１０１－１において検知された振動の卓越周波数を表す。Ｆ１ａｆｔｅｒは、き裂１８１が形成された後に検知部１０１－１において検知された振動の卓越周波数を表す。なお、本実施例においては、上述のように、き裂１８１が形成される前後のそれぞれの時点において、検知部１０１－１から１０１－５の各々にて検知された振動の卓越周波数は共通であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図６は、上述した位相差の変化率ΔΦ１及び卓越周波数の変化率ΔＦ１を示す。位相差の変化率ΔΦ１は－２０％（パーセント）であった。一方、卓越周波数の変化率ΔＦ１は、－５％であった。つまり、変化率ΔＦ１に対するΔΦ１の変化率は４倍であった。卓越周波数での位相差の変化率は、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きな変化率であった。
　本実施例においては、供試体であるコンクリートブロック１８０にき裂１８１が形成されることによって、コンクリートブロック１８０の剛性が低下し、結果としてコンクリートブロック１８０の固有振動数が低下したと考えられる。そして、固有振動数に対応する卓越周波数が、コンクリートブロック１８０の固有振動数の低下に併せて低下したと考えられる。また、検知部１０１－１と１０１－２との間にき裂１８１が形成されたことで、コンクリートブロック１８０における検知部１０１－１との１０１－２との間の部位の剛性が低下したと考えられる。この結果として、検知部１０１－１及び１０１－２において検知された振動の卓越周波数での位相差が増加したと考えられる。そして、き裂１８１が局所的であったため、上述した卓越周波数での位相差の変化率が、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きくなったと考えられる。
　本実施例にて示されるように、構造物の局所的な損傷に対しては、２つの検知部１０１にて検知された振動の卓越周波数での位相差は、卓越周波数と比較して顕著に変化している。したがって、例えば判定部１３０にて用いられる閾値が適宜設定されることで、卓越周波数（すなわち、構造物の固有振動数）の変化率に基づく手法では判定が困難な場合においても、判定装置１００等は、損傷の発生の判定が可能であることが確認された。
　（実施例２）
　次に、本発明の第１の実施形態における判定装置１００及び判定システム１０を、対象物における損傷の有無の判定に適用した場合の別の例について説明する。
　本実施例においては、判定システム１０は、金属板が接着されたコンクリートブロックを対象として、金属板とコンクリートブロックとの接合部分への損傷の有無についての判定を行った。具体的には、金属板が接着されたコンクリートブロックにおける金属板とコンクリートブロックとの接合部分に、擬似的な損傷として隙間が形成された。そして、隙間の形成の前後における振動に基づいて、判定システム１０によって損傷についての判定が行われた。
　図７は、損傷についての判定の対象となるコンクリートブロックの例を示す。本実施例においては、供試体として、矩形状のコンクリートブロック１８０及び矩形状の金属板１８２が用いられた。コンクリートブロック１８０の一つの面に、金属板１８２が接着剤によって接着された。金属板１８２とコンクリートブロック１８０とは、各々の接着される面において中心となる点が共通となるように接着された。
　また、コンクリートブロック１８０の金属板１８２が接着された面には、検知部１０１－１から１０１－５までの５つの検知部１０１が取り付けられた。検知部１０１と、実施例１と同様の振動センサが用いられた。なお、検知部１０１－３は、金属板１８２に取り付けられた。そして、コンクリートブロック１８０と金属板１８２との接合部分には、各々が接着する方向とは反対の方向へ引っ張り荷重を加えることで隙間１８３が形成された。なお、隙間１８３は、金属板１８２とコンクリートブロック１８０との接合部分のうち、検知部１０１－２と１０１－３との間の部位に形成された。
　そして、隙間１８３が形成される前と後とのそれぞれの場合において、ハンマ１９０を用いたハンマリングによってコンクリートブロック１８０が加振された。各々の場合において、加振によって生じた振動を検知部１０１－１から１０１－５の各々が検知した。
　判定装置１００は、検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報に基づいて、金属板１８２とコンクリートブロック１８０との接合部分の損傷について判定した。まず、卓越周波数特定部１１０は、隙間１８３が形成される前と後との各々の振動を示す情報をフーリエ変換することでフーリエスペクトルを求めた。そして、卓越周波数特定部１１０は、隙間１８３が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルにおいて振幅が最大となる周波数を卓越周波数として特定した。
　実施例１と同様に、隙間１８３が形成される前の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。
　また、隙間１８３が形成される後の時点において検知部１０１－１から１０１－５によって検知した振動を示す情報によると、検知部１０１－１から１０１－５において、卓越周波数は共通であった。また、卓越周波数における振動形状は、たわみ１次振動モードに類似した形状であった。
　続いて、位相差特定部１２０は、上述した隙間１８３が形成される前と後との各々のフーリエスペクトルの卓越周波数における位相の値を位相量として、位相量の差を位相差としてそれぞれ求めた。本実施例においては、位相差特定部１２０は、検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相量の差を位相差として特定した。検知部１０１－２及び１０１－３は、隙間１８３が形成された箇所に近接する２つの検知部である。
　続いて、判定部１３０は、実施例１と同様に、隙間１８３が形成される前後における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を求めることで、結合部分の損傷についての判定を行った。検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率は、以下の（３）式を用いて求められた。なお、（３）式において、ΔΦ２は隙間１８３が形成される前後における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差の変化率を表す。また、Φ２ｂｅｆｏｒｅは、隙間１８３が形成される前における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。Φ２ａｆｔｅｒは、隙間１８３が形成された後における検知部１０１－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、本実施例においても、比較のため、（４）式を用いて検知部１０１－２において検知された振動卓越周波数の変化率が求められた。なお、（４）式において、ΔＦ２は隙間１８３が形成される前後における検知部１０１－２において検知された振動の卓越周波数の変化率を表す。また、Ｆ２ｂｅｆｏｒｅは、隙間１８３が形成される前に検知部１０１－２において検知された振動の卓越周波数を表す。Ｆ２ａｆｔｅｒは、隙間１８３が形成された後に検知部１０１－２において検知された振動の卓越周波数を表す。なお、本実施例においては、上述のように、隙間１８３が形成される前後のそれぞれの時点において、検知部１０１－１から１０１－５の各々にて検知された振動の卓越周波数は共通であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004

　図８は、上述した位相差の変化率ΔΦ２及び卓越周波数の変化率ΔＦ２を示す。位相差の変化率ΔΦ２は－３０％であった。一方、卓越周波数の変化率ΔＦ２は、－５％であった。すなわち、変化率ΔＦ２に対するΔΦ２の変化率は６倍であった。本実施例においても、実施例１と同様に、卓越周波数での位相差の変化率は、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きな変化率であった。
　本実施例においては、コンクリートブロック１８０と金属板１８２との接合部分に隙間１８３が形成されることによって、コンクリートブロック１８０と金属板１８２とから構成される供試体の剛性が低下したと考えられる。この結果として、供試体の固有振動数が低下したと考えられる。そして、固有振動数に対応する卓越周波数が、供試体の固有振動数の低下に併せて低下したと考えられる。また、隙間１８３が検知部１０１－２と１０１－３との間の部位に形成されたことで、供試体における検知部１０１－２との１０１－３との間の部位の機械特性が低下したと考えられる。この結果として、検知部１０２－２及び１０１－３において検知された振動の卓越周波数での位相差が増加したと考えられる。そして、隙間１８３が局所的であったため、上述した卓越周波数での位相差の変化率が、卓越周波数の変化率と比較して相対的に大きくなったと考えられる。
　本実施例においても、実施例１と同様に、構造物の結合部分における局所的な損傷に対しては、２つの検知部１０１にて検知された振動の卓越周波数での位相差は、卓越周波数と比較して顕著に変化している。したがって、判定部１３０にて用いられる閾値が適宜設定されること等で、卓越周波数の変化率に基づく手法では判定が困難な場合においても、判定装置１００等は、構造物の結合部分における損傷の発生の判定が可能であることが確認された。
　以上のように、本発明の実施形態における判定装置１００により、構造物の局所的な損傷の有無が判定可能であることが確認された。
　また、本実施例における位相差の変化率は、実施例１における位相差の変化率と比較して大きくなっている。すなわち、構造物の構成部材間の結合部分に局所的な損傷が生じた場合における位相差の変化率が、構造物の一つの構成部材に局所的な損傷が生じた場合における位相差の変化率と比較して大きくなっている。
すなわち、本発明の実施形態における判定装置１００は、構造物の構成部材間の結合部分に生じた局所的な損傷についての判定に利用可能であることが確認された。
　以上、実施形態及び実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施形態における構成は、本発明のスコープを逸脱しない限りにおいて、互いに組み合わせることが可能である。
　この出願は、２０１６年１０月２５日に出願された日本出願特願２０１６－２０８６６３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１０　　判定システム
　１００　　判定装置
　１０１　　検知部
　１１０　　卓越周波数特定部
　１２０　　位相差特定部
　１３０　　判定部
　１８０　　コンクリートブロック
　１８１　　き裂
　１８２　　金属板
　１８３　　隙間
　１９０　　ハンマ

Claims (10)

  1. 　構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の卓越周波数を特定する卓越周波数特定手段と、
    　前記振動を示す情報及び前記卓越周波数に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定する位相差特定手段と、
    　前記位相差に基づいて、前記構造物の損傷について判定する判定手段とを備える判定装置。
  2. 　前記卓越周波数特定手段は、前記振動を示す情報の各々に含まれる減衰自由振動に基づいて前記卓越周波数を特定する、請求項１に記載の判定装置。
  3. 　前記卓越周波数特定手段は、前記減衰自由振動に含まれる周波数成分のうち、振幅が最大となる周波数を前期卓越周波数として特定する、請求項２に記載の判定装置。
  4. 　前記位相差特定手段は、
    前記複数の地点のうちの２つの地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の判定装置。
  5. 　前記判定手段は、前記２つの地点の各々の間となる地点における前記損傷について判定する、請求項４に記載の判定装置。
  6. 　前記判定手段は、前記位相差の変化率に基づいて前記損傷について判定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の判定装置。
  7. 　前記判定手段は、同一の箇所に関して特定された前記位相差のばらつきに基づいて前記損傷について判定する、請求項１から６のいずれか一項に記載の判定装置。
  8. 　振動を検知する複数の検知手段と、
    　前記検知手段によって検知された振動を示す情報に基づいて、構造物の損傷について判定する請求項１から７のいずれか一項に記載の判定装置とを有する判定システム。
  9. 　構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の卓越周波数を特定し、
    　前記振動を示す情報及び前記卓越周波数に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定し、
    　前記位相差に基づいて、前記構造物の損傷について判定する判定方法。
  10. 　コンピュータに、
    　構造物の複数の地点の各々における振動を示す情報に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の卓越周波数を特定する処理と、
    　前記振動を示す情報及び前記卓越周波数に基づいて、前記複数の地点の各々における前記振動の前記卓越周波数での位相差を特定する処理と、
    　前記位相差に基づいて、前記構造物の損傷について判定する処理とを実行させるプログラムを非一時的に格納したコンピュータ読み取り可能記録媒体。
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