WO2018235195A1 - 構造物評価システム及び構造物評価方法 - Google Patents

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英文 高峯
渡部　一雄
塩谷　智基
孝弘 西田
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株式会社東芝
国立大学法人京都大学
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a structure evaluation system and a structure evaluation method.
  • a sensor such as an AE sensor
  • a plurality of sensors it is possible to determine the position of the elastic wave generation source (hereinafter referred to as “elastic wave generation source”) from the difference in arrival time of elastic waves between the sensors. Even when raindrops collide with the road surface during rainfall, similar elastic waves are generated, and the generation position can be determined. However, if the propagation path of the elastic wave is damaged, the propagation of the elastic wave is impeded, and it is not possible to accurately locate the generation position. This can be used to detect damage inside the structure from the disturbance in the distribution of the localized elastic wave sources. However, in the method using only rainfall, it was sometimes difficult to efficiently perform the intended measurement.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a structure evaluation system and a structure evaluation method capable of efficiently performing measurement.
  • the structure evaluation system of the embodiment includes an impact applying unit, a sensor, and a structure evaluation device.
  • the impact applying section applies an impact to the structure.
  • the impact applying unit applies the impact at a frequency equal to or less than the frequency determined according to the strength of applying the impact.
  • the sensor detects an elastic wave.
  • the structure evaluation device evaluates the deterioration state of the structure based on the detected elastic wave.
  • FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of a structure evaluation system 100 according to the embodiment.
  • the structure evaluation system 100 is used to evaluate the integrity of a structure.
  • the evaluation means determining the degree of soundness of the structure, that is, the deterioration state of the structure based on a certain criterion.
  • a bridge is demonstrated to an example as an example of a structure, a structure does not need to be limited to a bridge.
  • the structure may be any structure in which elastic waves are generated as a result of the occurrence or development of a crack or an external impact (for example, rain, artificial rain, etc.).
  • the bridge is not limited to a structure erected on a river, a valley or the like, and includes various structures provided above the ground (for example, viaduct of highway).
  • the structure evaluation system 100 includes an impact applying unit 10, a plurality of sensors 20-1 to 20-n (n is an integer of 2 or more), a signal processing unit 30, and a structure evaluation device 40.
  • the signal processing unit 30 and the structure evaluation device 40 are communicably connected by wire or wirelessly.
  • the sensors 20-1 to 20-n are referred to as the sensor 20 when not distinguished.
  • the impact applying unit 10 applies an impact 11 to the structure 50 to generate an elastic wave.
  • the impact applying unit 10 is provided, for example, on a vehicle such as a vehicle traveling on the structure 50.
  • the impact applying unit 10 applies a large number of impacts 11 to the road surface of the structure 50. It is desirable that the impact 11 applied by the impact applying unit 10 be applied in a uniform distribution in the measurement area.
  • the application of the impact 11 is performed, for example, by spraying water droplets, ice particles, solid matter, continuous hitting with a hammer or the like, heating with a laser, or the like.
  • the impact applying unit 10 disperses water droplets as application of the impact 11, it is desirable that the size and timing of the water droplets colliding with the road surface can be controlled by adjusting the nozzle and controlling the discharge timing. It is desirable that the strength and timing of the impact 11 be able to be controlled to desired values even in the case of continuous hitting with a hammer or the like. These impacts 11 are applied to satisfy the conditions described later. The specific description will be described later.
  • the sensor 20 is installed on the structure 50.
  • the sensor 20 is installed on the side opposite to the side on which the impact applying unit 10 applies the impact 11.
  • the sensor 20 has a piezoelectric element, detects an elastic wave generated by the structure 50, and converts the detected elastic wave into an AE source signal which is a voltage signal.
  • the sensor 20 performs processing such as amplification and frequency limitation on the AE source signal and outputs the processed signal to the signal processing unit 30.
  • it may replace with the sensor 20 and an acceleration sensor may be used.
  • the acceleration sensor performs processing similar to that of the sensor 20 to output the signal after signal processing to the signal processing unit 30.
  • the thickness of the structure 50 is, for example, 15 cm or more.
  • the signal processing unit 30 receives an AE source signal processed by the sensor 20 as an input.
  • the signal processing unit 30 extracts AE feature quantities including information on elastic waves by performing necessary signal processing such as noise removal and parameter extraction on the input AE source signal.
  • the information on the elastic wave is, for example, information such as the amplitude, energy, rise time, duration, frequency, and zero cross count number of the AE source signal.
  • the signal processing unit 30 outputs information based on the extracted AE feature amount to the structure evaluation device 40 as an AE signal.
  • the AE signal output from the signal processing unit 30 includes information such as sensor ID, AE detection time, AE source signal amplitude, energy, rise time, and frequency.
  • the amplitude of the AE source signal is, for example, the value of the maximum amplitude among elastic waves.
  • the energy is, for example, a value obtained by time-integrating the squared amplitude at each time point.
  • the definition of energy is not limited to the said example, For example, what was approximated using the envelope of a waveform may be used.
  • the rise time is, for example, the time from when the elastic wave exceeds a predetermined value set in advance to when the amplitude reaches a peak.
  • the duration is, for example, the time from the start of the rise of the elastic wave to the time when the amplitude becomes smaller than a preset value.
  • the frequency is the frequency of the elastic wave.
  • the zero cross count number is, for example, the number of times the elastic wave crosses a reference line passing a zero value.
  • the structure evaluation device 40 includes a central processing unit (CPU), a memory, an auxiliary storage device, and the like connected by a bus, and executes an evaluation program. By executing the evaluation program, the structure evaluation device 40 functions as a device including the position locating unit 401, the evaluation unit 402, and the display unit 403. Note that all or some of the functions of the structure evaluation device 40 may be realized using hardware such as an application specific integrated circuit (ASIC), a programmable logic device (PLD), or a field programmable gate array (FPGA). Good. Also, the evaluation program may be recorded on a computer readable recording medium.
  • ASIC application specific integrated circuit
  • PLD programmable logic device
  • FPGA field programmable gate array
  • the computer readable recording medium is, for example, a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a CD-ROM, or a storage device such as a hard disk built in a computer system.
  • the evaluation program may be transmitted and received via a telecommunication line.
  • the position locating unit 401 receives the AE signal output from the signal processing unit 30 as an input. In addition, the position locating unit 401 holds information associated with the installation position of the sensor 20 in the structure 50 (hereinafter referred to as “sensor position information”) in advance in association with the sensor ID.
  • the information on the installation position is, for example, latitude and longitude, or the horizontal and vertical distances from the specific position of the structure 50.
  • the position locating unit 401 locates the elastic wave source based on information such as sensor ID and AE detection time included in the input AE signal, and sensor position information held in advance. For example, the position determining unit 401 uses the plurality of AE signals generated by the impact 11 to the structure 50 to position the elastic wave generation source. Further, the position locating unit 401 derives a source distribution using the position locating result. The source distribution is a distribution in which sources of elastic waves generated in the structure 50 are indicated. The position localization unit 401 outputs the derived source distribution to the evaluation unit 402.
  • the evaluation unit 402 receives the source distribution output from the position determination unit 401 as an input.
  • the evaluation unit 402 evaluates the deterioration state of the structure 50 based on the input source distribution. For example, the evaluation unit 402 evaluates the deterioration state of the structure 50 from the feature amount of the elastic wave in the source distribution.
  • the feature amount of the elastic wave in the source distribution corresponds to the density of the elastic wave source.
  • the evaluation unit 402 evaluates the region where the density of the elastic wave generation source is less than the first threshold value as the region where the deterioration of the structure 50 occurs, based on the generation source distribution.
  • the density of the elastic wave generation source may be determined, for example, for each area surrounded by three sensors 20, or may be determined for each area surrounded by four sensors 20, or the source distribution is predetermined.
  • the division may be performed in each of the divided areas.
  • the evaluation unit 402 causes the display unit 403 to display the evaluation result.
  • the first threshold may be set in advance or may be set as appropriate.
  • the display unit 403 is an image display device such as a liquid crystal display or an organic EL (Electro Luminescence) display.
  • the display unit 403 displays the evaluation result in accordance with the control of the evaluation unit 402.
  • the display unit 403 may be an interface for connecting the image display device to the structure evaluation device 40. In this case, the display unit 403 generates a video signal for displaying the evaluation result, and outputs the video signal to the image display device connected to itself.
  • FIG. 2 shows a signal amplitude A [dB] and a duration D [when detecting an elastic wave generated by installing the sensor 20 on a concrete sample as the structure 50 and applying a large number of impacts 11 to the concrete sample.
  • ms] is a diagram showing the relationship.
  • the vertical axis represents duration [ms] and the horizontal axis represents amplitude [dB].
  • the duration represents the time at which the elastic wave is continuously detected. Since it takes more time for the elastic wave reflected in the structure 50 to decay as the stronger impact is given, the amplitude A [dB] and the duration D [ms] are approximately proportional to each other.
  • a point 51 shown in FIG. 2 represents a detected elastic wave.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining setting of the straight line l.
  • the vertical axis represents duration [ms] and the horizontal axis represents amplitude [dB].
  • a plurality of straight lines l 1 , l 2 , l 3 and l 4 are shown.
  • Impacting interval T is required satisfy falls above the at least linearly l 1, but more preferably can be referenced to another straight line.
  • the interval at which the impact 11 is given becomes longer than l 1 and l 2 since the acoustic wave overlapping with acoustic wave generated just before almost eliminated, thereby improving the efficiency of the straight line l 1.
  • the distribution of elastic waves at each amplitude is assumed to be a normal distribution as in the graph on FIG.
  • the vertical axis on the left side of the graph in the lower graph 4 represents the frequency of occurrence of elastic waves
  • the vertical axis on the right side represents the frequency of acquisition of valid data
  • the horizontal axis represents the impact interval when the straight line 1 as a reference is changed.
  • the frequency of the impact application is represented by a curve 70. Since an elastic wave having a duration D shorter than the straight line l does not overlap with an elastic wave generated immediately before, the proportion of the elastic wave effectively detected is the proportion of the integral of the normal distribution up to the position of the straight line l. Is represented by That is, the curve 71 represents the ratio of separable elastic waves.
  • the efficiency with which the waveform can be acquired is as shown by a curve 72 by multiplying the frequency of the shocks 11 and the ratio not overlapping the elastic wave generated immediately before. That is, the curve 72 represents the frequency of acquisition of valid data, and is a value obtained by multiplying the curve 70 and the curve 71.
  • the point at which this curve 72 has a local maximum means the point of maximum efficiency.
  • the condition shown by the equation (1) is relieved by separating the position to which the next impact 11 is given.
  • An outline is shown in FIG.
  • the impact applying unit 10 applies an impact 11 of a strength detected at a sufficiently strong amplitude A in the sensor 20
  • the elastic wave generated by the impact 11 is approximately V [, assuming that the elastic wave velocity in the measurement object is V. mm / ms]
  • D [ms] V ( ⁇ A + ⁇ ) [mm] to reach a distance of a detectable amplitude.
  • the impact applying unit 10 does not necessarily have to satisfy the restriction of the equation (1). More preferably, the shock applying unit 10 simultaneously performs the first impact and the second impact at a position separated by V ( ⁇ 4 A + ⁇ 4 ) or more from the sensor 20 at which the elastic wave generated by the first impact has reached. Even if given, elastic waves can be detected with almost no overlap.
  • the arrangement of the sensor 20 is restricted.
  • the elastic wave generation source position is not specified in the entire measurement region, the distribution is uneven, leading to an erroneous diagnosis.
  • D min [ms] V ( ⁇ 1 A + ⁇ 1 ) [mm].
  • D min denotes the duration D of the straight line l 1 taken the lower limit of the D-A distribution. Therefore, the sensor 20 farthest from the elastic wave generation source position, that is, the third arrival of the elastic wave (3rd hit) sensor 20 needs to be disposed within the distance of VD min from the position of the elastic wave generation source. Assuming that the distance to the farthest sensor 20 is M, the arrangement of the sensor 20 needs to satisfy the equation (2).
  • the lower limit of the strength of the impact 11 to be applied is defined from the equation (4), and the upper limit of the sensor interval is defined with respect to the strength of the impact 11 applied reversely. More strictly, the thickness z of the floor slab can be taken into consideration. In this case, the distance M from the elastic wave generation source to the sensor is expressed by Expression (5), and is expressed by Expression (6).
  • FIG. 7 is a flowchart showing a flow of evaluation processing of the structure evaluation system 100.
  • the impact applying unit 10 applies a plurality of impacts 11 to the structure 50 for measurement (step S101). Thereby, an elastic wave is generated in the structure 50.
  • the generated elastic wave propagates in the structure 50 and is detected by the sensor 20.
  • the sensor 20 converts the detected elastic wave into an AE source signal which is a voltage signal, and outputs the AE source signal to the signal processing unit 30.
  • the signal processing unit 30 receives the AE source signal output from the sensor 20.
  • the signal processing unit 30 acquires the amplitude A and the duration D from the input AE source signal.
  • the signal processing unit 30 generates a DA distribution representing the relationship between the signal amplitude A [dB] and the duration D [ms] shown in FIG. 2 using the acquired amplitude A and duration D (step S102). .
  • the impact applying unit 10 sets a straight line as a reference based on the generated DA distribution, and sets the inclination ⁇ and the intercept ⁇ (step S103).
  • the shock applying unit 10 may acquire the DA distribution generated by the signal processing unit 30 by any method.
  • the shock applying unit 10 may obtain the DA distribution generated by the signal processing unit 30 via an external medium, or may obtain the wired or wireless communication between the shock applying unit 10 and the sensor 20. You may
  • the impact applying unit 10 sets the strength of the impact 11 to be applied to the structure 50 and the time interval of applying the impact 11 under the condition based on the equation (1) using the set inclination ⁇ and the segment ⁇ (step S104) ). Thereafter, the shock applying unit 10 applies the shock 11 to the structure 50 at the set strength and time interval (step S105).
  • the sensor 20 detects an elastic wave generated in the structure (step S106). The sensor 20 converts the detected elastic wave into an AE source signal which is a voltage signal, and outputs the AE source signal to the signal processing unit 30.
  • the signal processing unit 30 receives the AE source signal output from the sensor 20.
  • the signal processing unit 30 extracts an AE feature value by performing necessary signal processing such as noise removal and parameter extraction on the input AE source signal.
  • the signal processing unit 30 outputs information based on the extracted AE feature amount to the structure evaluation device 40 as an AE signal.
  • the position localization unit 401 locates the elastic wave source based on information such as sensor ID and AE detection time included in the input AE signal, and sensor position information held in advance (step S107). . Thereafter, the position determination unit 401 derives a source distribution using the position determination result (step S108).
  • the evaluation unit 402 evaluates the deterioration state of the structure 50 based on the input source distribution (step S109).
  • the display unit 403 displays the evaluation result according to the control of the evaluation unit 402 (step S110).
  • the shock applying unit 10 applies the shock 11 to the structure 50 at time intervals determined according to the strength of the shock 11 applied by the shock applying unit 10. Do.
  • the strength of the shock 11 applied at this time is estimated to be low in the ratio of overlapping of the elastic wave generated by applying the first shock 11 and the elastic wave generated by applying the second shock 11. It is strength. Therefore, when the shock applying unit 10 applies the shock 11 to the structure 50 at time intervals determined from such strength, the signal processing unit 30 can separate signals. Thereby, in the structure evaluation device 40, it is possible to evaluate the deterioration state of the structure with higher accuracy. As described above, in the structure evaluation system 100, measurement can be performed efficiently.
  • the impact applying unit 10 applies the impact 11 to the structure 50 with a strength equal to or less than a predetermined strength determined according to the time interval in which the impact applying unit 10 applies the impact 11.
  • the time interval at which the impact applying unit 10 applies the impact 11 is estimated to be low in the overlapping ratio of the elastic wave generated by applying the first impact 11 and the elastic wave generated by applying the second impact 11 Time interval. Therefore, the signal processing unit 30 can separate signals by the shock applying unit 10 applying the shock 11 to the structure 50 with the strength determined according to such a time interval. Thereby, in the structure evaluation device 40, it is possible to evaluate the deterioration state of the structure with higher accuracy. As described above, in the structure evaluation system 100, measurement can be performed efficiently.
  • each function part with which structure evaluation device 40 is provided may be equipped in part or all in another case.
  • the structure evaluation device 40 may include only the evaluation unit 402, and the position determination unit 401 and the display unit 403 may be provided in another housing.
  • the evaluation unit 402 acquires the source distribution from another housing and evaluates the soundness of the structure using the acquired source distribution. Then, the evaluation unit 402 outputs the evaluation result to the display unit 403 provided in another housing.
  • the manufacturing cost of the structure evaluation device 40 can be reduced by using the existing device for deriving the source distribution.
  • the signal processing unit 30 may be included in the structure evaluation device 40. When configured in this manner, the signal processing unit 30 acquires the AE source signal subjected to the processing by the sensor 20 directly from the sensor 20 or via a relay device (not shown). Although one signal processing unit 30 is connected to the plurality of sensors 20-1 to 10-n in FIG. 1, the structure evaluation system 100 includes a plurality of signal processing units 30, and The signal processing unit 30 may be connected to be configured to include a plurality of sensor units.
  • the evaluation unit 402 may operate as an output control unit.
  • the output control unit controls the output unit to output an evaluation result.
  • the output unit includes the display unit 403, the communication unit, and the printing unit.
  • the output control unit controls the communication unit to transmit the evaluation result to another device.
  • the output control unit controls the printing unit to print the evaluation result.
  • the structure evaluation device 40 may perform the above-described operation by providing a part or all of the display unit 403, the communication unit, and the printing unit as an output unit.
  • the signal processing unit 30 generates the DA distribution in the present embodiment, the signal processing unit 30 does not necessarily have to generate the DA distribution. For example, if there is a DA distribution obtained in advance for a similar measurement target, the impact applying unit 10 may execute the process of step S103 using the DA distribution. In such a configuration, the process of step S103 in FIG. 7 may not be performed.
  • the degradation state of the structure is evaluated based on the shock applying unit 10 that applies a shock to the structure, the sensor 20 that detects an elastic wave, and the detected elastic wave.
  • the measurement can be efficiently performed by applying an impact at a frequency not more than the frequency determined by the impact applying unit 10 according to the strength of applying the impact.
  • SYMBOLS 10 Shock application part, 20 (20-1-20-n) ... AE sensor, 30 ... Signal processing part, 40 ... Structure evaluation apparatus, 401 ... Position determination part, 402 ... Evaluation part, 403 ... Display part

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Abstract

実施形態の構造物評価システムは、衝撃付与部と、センサと、構造物評価装置とを持つ。衝撃付与部は、構造物に対して衝撃を与える。衝撃付与部は、前記衝撃を付与する強度に応じて定まる頻度以下で前記衝撃を与える。センサは、弾性波を検出する。構造物評価装置は、検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する。

Description

構造物評価システム及び構造物評価方法
　本発明の実施形態は、構造物評価システム及び構造物評価方法に関する。
　橋梁などの構造物の表面にＡＥセンサ等のセンサを設置することで、構造物内部の損傷箇所などから発生する弾性波を検出することができる。更に複数のセンサを設置することで、センサ間の弾性波到達時刻の差から、弾性波の発生源（以下「弾性波発生源」という。）の位置を標定することができる。降雨時の雨滴の路面への衝突などでも、同様の弾性波が発生し、その発生位置を標定することができる。しかし、この弾性波の伝搬経路に損傷がある場合、弾性波の伝搬が妨げられるため、正しく発生位置を標定することができなくなる。これを利用して、位置標定された弾性波発生源の分布の乱れから、構造物内部の損傷を検出することができる。ただし、降雨のみを利用する手法では、意図した計測を効率良く行うことが困難な場合があった。
特開２００４－１２５７２１号公報
　本発明が解決しようとする課題は、計測を効率良く行うことができる構造物評価システム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、衝撃付与部と、センサと、構造物評価装置とを持つ。衝撃付与部は、構造物に対して衝撃を与える。衝撃付与部は、前記衝撃を付与する強度に応じて定まる頻度以下で前記衝撃を与える。センサは、弾性波を検出する。構造物評価装置は、検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する。
実施形態の構造物評価システムのシステム構成を示す図。 実施形態の信号振幅と持続時間との関係を表す図。 直線ｌの設定について説明するための図。 図３の振幅Ａ＝８５ｄＢ付近の持続時間の分布と、最適な直線位置の求め方を表した図。 複数の衝撃を与える場合における影響を緩和させる構成の説明図。 センサ配置の一例を示す図。 構造物評価システムの評価処理の流れを表すフローチャート。
　以下、実施形態の構造物評価システム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、衝撃付与部１０、複数のセンサ２０－１～２０－ｎ（ｎは２以上の整数）、信号処理部３０及び構造物評価装置４０を備える。信号処理部３０及び構造物評価装置４０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、センサ２０－１～２０－ｎについて区別しない場合にはセンサ２０と記載する。
　衝撃付与部１０は、構造物５０に衝撃１１を与え、弾性波を発生させる。衝撃付与部１０は、例えば構造物５０上を走行する車両等の乗物に設けられる。衝撃付与部１０は、構造物５０の路面に対して多数の衝撃１１を付与する。衝撃付与部１０が付与する衝撃１１は、計測領域において一様な分布で付与されることが望ましい。衝撃１１の付与は、例えば水滴、氷粒、固形物の散布、ハンマ等の槌による連打、レーザによる加熱等により行われる。衝撃付与部１０が衝撃１１の付与として水滴を散布する場合、ノズルの調整や吐出タイミングの制御により、路面に衝突する水滴のサイズとタイミングが制御できることが望ましい。ハンマ等の槌による連打においても、衝撃１１の強度とタイミングを所望の値に制御できることが望ましい。これらの衝撃１１は、後述の条件を満たすように付与される。具体的な説明は後述する。
　センサ２０は、構造物５０に設置される。例えば、センサ２０は、衝撃付与部１０が衝撃１１を与える面と反対側の面に設置される。センサ２０は、圧電素子を有し、構造物５０が発生する弾性波を検出し、検出した弾性波を電圧信号であるＡＥ源信号に変換する。センサ２０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３０に出力する。なお、センサ２０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、センサ２０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３０に出力する。構造物５０の厚さは、例えば１５ｃｍ以上である。
　信号処理部３０は、センサ２０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３０は、入力したＡＥ源信号に対して、必要とされるノイズ除去、パラメータ抽出等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３０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４０に出力する。信号処理部３０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、例えば弾性波が予め設定される所定値を超えてから振幅がピークに達するまでの時間である。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４０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４０は、位置標定部４０１、評価部４０２、表示部４０３を備える装置として機能する。なお、構造物評価装置４０の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic 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４０１は、信号処理部３０から出力されたＡＥ信号を入力とする。また、位置標定部４０１は、構造物５０におけるセンサ２０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５０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４０１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弾性波発生源の位置標定を行う。例えば、位置標定部４０１は、構造物５０への衝撃１１による複数のＡＥ信号を用いて、それぞれ弾性波発生源の位置標定を行う。また、位置標定部４０１は、位置標定結果を用いて、発生源分布を導出する。発生源分布は、構造物５０で発生した弾性波の発生源が示された分布である。位置標定部４０１は、導出した発生源分布を評価部４０２に出力する。
　評価部４０２は、位置標定部４０１から出力された発生源分布を入力とする。評価部４０２は、入力された発生源分布に基づいて構造物５０の劣化状態を評価する。例えば、評価部４０２は、発生源分布における弾性波の特徴量から構造物５０の劣化状態を評価する。発生源分布における弾性波の特徴量とは、弾性波発生源の密度に相当する。具体的な処理としては、評価部４０２は、発生源分布に基づいて、弾性波発生源の密度が第一の閾値未満の領域を構造物５０の劣化が生じている領域と評価する。弾性波発生源の密度は、例えば３つのセンサ２０で囲まれる領域毎に求められてもよいし、４つのセンサ２０で囲まれる領域毎に求められてもよいし、発生源分布を予め定められた領域で分割し、分割後の領域毎に求められてもよい。評価部４０２は、評価結果を表示部４０３に表示させる。第一の閾値は、予め設定されていてもよいし、適宜設定されてもよい。
　表示部４０３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４０３は、評価部４０２の制御に従って評価結果を表示する。表示部４０３は、画像表示装置を構造物評価装置４０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４０３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。
　次に、衝撃付与部１０が構造物５０に付与する衝撃１１が満たすべき条件について説明する。衝撃付与部１０が構造物５０に対して衝撃１１を与える間隔が長すぎれば多くの衝撃１１を与えるのに長い時間を要する。それに対して、衝撃付与部１０が構造物５０に対して衝撃１１を与える間隔が短すぎれば直前に与えた衝撃１１により発生した弾性波と、今回与えた衝撃１１により発生した弾性波との分離できなくなる。そのため、与えた衝撃１１の数に対して検出される弾性波が少なくなる。したがって、効率的に劣化状態の評価を実現するには、構造物５０へ衝撃１１を付与する強さ（強度）およびタイミングを最適化する必要がある。
　一般的に、センサ２０に到達する弾性波の振幅が大きい方が、得られる信号のＳ／Ｎが良くなり位置標定の精度が向上するため、できるだけ強い衝撃１１を付与することが望ましい。また、短時間で効率的に構造物５０の劣化状態を評価するためには、短い時間間隔で衝撃１１を付与し、一定の時間内により多くの信号を検出することが望ましい。したがって、センサ２０で検出される信号振幅Ａ［ｄＢ］は大きい方が望ましく、衝撃１１を与える間隔Ｔ［ｍｓ］は小さい方が望ましい。
　一方、弾性波発生源の位置を標定するには、センサ２０側で弾性波波形の立ち上がりを捉える必要がある。しかし、Ｔ［ｍｓ］が小さ過ぎた場合、連続して発生した弾性波が重なり分離できなくなるため、センサ２０では後の衝撃１１により発生した弾性波の立ち上がりを捉えられない。したがって、個々の衝撃１１による弾性波を分離するためには、センサ２０で検出された弾性波の持続時間をＤ［ｍｓ］とすると、前の衝撃付与から少なくともＤ［ｍｓ］の間隔をあけてから次の衝撃１１を付与する必要がある。
　図２は、構造物５０としてコンクリート供試体にセンサ２０を設置し、コンクリート供試体に多数の衝撃１１を与えて発生させた弾性波を検出した際の信号振幅Ａ［ｄＢ］と持続時間Ｄ［ｍｓ］との関係を表す図である。図２において、縦軸は持続時間［ｍｓ］を表し、横軸は振幅［ｄＢ］を表す。持続時間は、弾性波が継続して検出された時間を表す。強い衝撃を付与するほど、構造物５０内で反響した弾性波が減衰しきるまでに時間を要するため、振幅Ａ［ｄＢ］と持続時間Ｄ［ｍｓ］が概ね比例関係にある。また、図２に示す点５１は、検出された弾性波を表す。
　図２に示した各点５１よりも下側、つまり、同じ強度でより短い間隔で衝撃１１を与えた場合、もしくは、各点５１よりも右側、つまり、同じ間隔でより強い衝撃１１を与えた場合、その衝撃１１により生じた弾性波は、直前に発生した弾性波と重なり分離できなくなる。したがって、直前に発生した弾性波を分離してセンサ２０において検出するには、適切な直線ｌ：Ｄ＝αＡ＋βを設け、この直線ｌを上回る条件で衝撃１１を与える必要がある。したがって、衝撃付与間隔Ｔ［ｍｓ］が満たすべき条件は、式（１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　次に、直線ｌの設定について説明する。図３は、直線ｌの設定について説明するための図である。図３において、縦軸は持続時間［ｍｓ］を表し、横軸は振幅［ｄＢ］を表す。図３では、複数の直線ｌ１、ｌ２、ｌ３、ｌ４が示されている。直線ｌ１（α＝０．０３６、β＝－２．０）より下部では、点がほぼ存在しない。これは、直線ｌ１より短い持続時間を持つ弾性波が検出されていないことを示し、直線ｌ１より下部に相当する条件で衝撃１１を与えた場合は、直前に発生した弾性波とその次に発生した弾性波とが必ず重なり分離できないことを意味する。したがって、衝撃付与部１０は、少なくとも１つ以上の弾性波を分離して検出するために、最低限直線ｌ１より上にあたる条件で衝撃１１を与える必要がある。
　衝撃付与間隔Ｔは少なくとも直線ｌ１より上にあたる条件を満たす必要があるが、より好ましくは別の直線を基準とすることもできる。直線ｌ１を基準とした場合、直前に発生した弾性波と重ならない弾性波も存在するが、ほとんどの弾性波は直前に発生した弾性波と重なるため、計測の効率としてはそれほど高くない。したがって、例えば最小二乗法によって得られた近似直線ｌ２（α＝０．０５７、β＝－２．９）を基準とすることで、衝撃１１の間隔は長くなるが、直前に発生した弾性波と重なる割合が減るため、直線ｌ１より効率を向上させることができる。
　また、分布の上限近くに相当する直線ｌ４（α＝０．０７４、β＝－３．４）を基準とした場合、衝撃１１を与える間隔はｌ１、ｌ２に比べてさらに長くなるが、直前に発生した弾性波と重なる弾性波はほとんどなくなるため、直線ｌ１より効率を向上させることができる。
　さらに望ましくは、直前に発生した弾性波と重なる割合と、衝撃付与間隔Ｔとの関係から導かれる直線ｌ３を基準とすることができる。図４は、図３の振幅Ａ＝８５ｄＢ付近の持続時間Ｄの分布と、最適な直線位置の求め方を表した図である。各振幅での弾性波の分布を図４上のグラフのように正規分布と仮定する。下図４のグラフの左側の縦軸は弾性波の発生頻度を表し、右側の縦軸は有効データの取得頻度を表し、横軸は基準とする直線ｌを変化させたときの打撃間隔を表す。
　衝撃付与部１０が直線ｌに相当する頻度で衝撃１１を与えた場合、衝撃付与の頻度は曲線７０で表される。直線ｌより短い持続時間Ｄを有する弾性波は直前に発生した弾性波と重ならないため、有効に検出される弾性波の割合は、正規分布を直線ｌの位置まで積分したものの割合となり、曲線７１で表される。すなわち、曲線７１は、分離可能な弾性波の割合を表す。波形を取得できる効率は、衝撃１１の頻度と、直前に発生した弾性波弾性波と重ならない割合を掛け合わせて、曲線７２のようになる。すなわち、曲線７２は、有効データの取得頻度を表し、曲線７０と曲線７１とを掛け合わせて得られる値である。この曲線７２が極大値をとる点が効率の最大の点を意味する。この場合、衝撃付与部１０は、直線ｌ３（α＝０．０６６、β＝－３．２）を設定して制限とすることで、より効率よく衝撃１１を与えることができる。
　以上は、図２～４に示したコンクリート供試体に関する例であり、計測対象に応じて試験的な衝撃１１を与えて弾性波信号を取得して図２に示したようなＤ－Ａ分布を作成し、上記と同様の手順で直線ｌを設定することができる。また、必ずしも計測対象自体でＤ－Ａ分布を作成する必要はなく、類似の供試体や、類似の事例におけるＤ－Ａ分布に基づいて直線ｌを設定することもできる。
　式（１）で示した条件は、次の衝撃１１を与える位置を遠く離すことで緩和される。図５に概略を示す。センサ２０において十分強い振幅Ａで検出される強さの衝撃１１を衝撃付与部１０が与えたとき、その衝撃１１により生じる弾性波は計測対象内での弾性波速度をＶとすると、おおよそＶ［ｍｍ／ｍｓ］Ｄ［ｍｓ］＝Ｖ（αＡ＋β）［ｍｍ］の距離まで検出可能な振幅を保って到達する。
　衝撃付与部１０が第1の衝撃を付与する第１の衝撃付与位置１２－１からＶ（α１Ａ＋β１）の距離以内に配置されているセンサ２０には、第１の衝撃により生じる弾性波が到達する。しかし、当該センサ２０からＶ（α１Ａ＋β１）以上離れた位置（例えば、衝撃付与部１０が第２の衝撃を付与する第２の衝撃付与位置１２－２）であれば、第１の衝撃と同時に第２の衝撃を付与しても、第１の衝撃による弾性波と重ならない可能性が出る。したがって、第１の衝撃により生じた弾性波が到達したセンサ２０からＶ（α１Ａ＋β１）以上離れた位置であれば、衝撃付与部１０は上記式（１）の制限を必ずしも満たす必要はない。より好ましくは、第１の衝撃により生じた弾性波が到達したセンサ２０からＶ（α４Ａ＋β４）以上離れた位置であれば、衝撃付与部１０が第１の衝撃と同時に第２の衝撃を与えてもほぼ重ならずに弾性波を検出することができる。
　衝撃１１を与える条件から、センサ２０の配置に制約が与えられる。弾性波発生源分布から構造物５０の劣化状態の評価を正しく行うには、計測領域全域で弾性波発生源位置を特定しなければ、分布にムラを生じ、誤診断につながる。弾性波発生源の位置を特定するには、少なくとも３つのセンサ２０に弾性波が到達して検出される必要がある。衝撃付与部１０が、センサ２０において十分強い振幅Ａで検出される強さの衝撃１１を与えた場合、その衝撃１１により生じる弾性波は、計測対象内での弾性波速度をＶとすると、少なくとも凡そＶ［ｍｍ／ｍｓ］Ｄｍｉｎ［ｍｓ］＝Ｖ（α１Ａ＋β１）［ｍｍ］の距離まで検出可能な振幅を保って到達する。ここで、Ｄｍｉｎは、Ｄ－Ａ分布の下限をとった直線ｌ１上の持続時間Ｄを示す。したがって、弾性波発生源位置から最も遠いセンサ２０、つまり３番目に弾性波が到達する（３ｒｄヒット）センサ２０が、弾性波発生源の位置からＶＤｍｉｎの距離以内に配置される必要がある。最も遠いセンサ２０までの距離をＭとすると、センサ２０の配置は式（２）を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　センサ配置が格子状の場合の例を図６に示す。右下のセンサ２０－３を３ｒｄヒットとした場合、最も遠くなる距離は図６のＭとなり、センサ間隔をＳとすると、Ｍは式（３）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　したがって、この例では、（２）にＭ、Ｄを代入し、式（４）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）より、センサ間隔から、与える衝撃１１の強度の下限が規定され、逆に与える衝撃１１の強さに対して、センサ間隔の上限が規定される。より厳密には、床版の厚さｚを考慮して組み込むことができる。この場合、弾性波発生源からセンサまでの距離Ｍが式（５）となり、式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　図７は、構造物評価システム１００の評価処理の流れを表すフローチャートである。
　衝撃付与部１０は、計測用に複数の衝撃１１を構造物５０に与える（ステップＳ１０１）。これにより、構造物５０で弾性波が発生する。発生した弾性波は、構造物５０中を伝搬してセンサ２０によって検出される。センサ２０は、検出した弾性波を電圧信号であるＡＥ源信号に変換し、ＡＥ源信号を信号処理部３０に出力する。信号処理部３０は、センサ２０から出力されたＡＥ源信号を入力する。信号処理部３０は、入力したＡＥ源信号から振幅Ａ及び持続時間Ｄを取得する。信号処理部３０は、取得した振幅Ａ及び持続時間Ｄを用いて図２に示す信号振幅Ａ［ｄＢ］と持続時間Ｄ［ｍｓ］との関係を表すＤ－Ａ分布を生成する（ステップＳ１０２）。
　衝撃付与部１０は、生成されたＤ－Ａ分布に基づいて、基準となる直線を設定し、傾きα及び切片βを設定する（ステップＳ１０３）。なお、衝撃付与部１０は、信号処理部３０によって生成されたＤ－Ａ分布をどのような方法で取得してもよい。例えば、衝撃付与部１０は、外部メディアを介して信号処理部３０によって生成されたＤ－Ａ分布を取得してもよいし、衝撃付与部１０とセンサ２０との間で有線又は無線通信により取得してもよい。
　衝撃付与部１０は、設定した傾きα及び切片βを用いて、式（１）に基づく条件で、構造物５０に対して与える衝撃１１の強度及び衝撃１１を与える時間間隔を設定する（ステップＳ１０４）。その後、衝撃付与部１０は、設定した強度及び時間間隔で構造物５０に対して衝撃１１を付与する（ステップＳ１０５）。センサ２０は、構造物において発生した弾性波を検出する（ステップＳ１０６）。センサ２０は、検出した弾性波を電圧信号であるＡＥ源信号に変換し、ＡＥ源信号を信号処理部３０に出力する。
　信号処理部３０は、センサ２０から出力されたＡＥ源信号を入力する。信号処理部３０は、入力したＡＥ源信号に対して、必要とされるノイズ除去、パラメータ抽出等の信号処理を行うことによってＡＥ特徴量を抽出する。信号処理部３０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４０に出力する。位置標定部４０１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弾性波発生源の位置標定を行う（ステップＳ１０７）。その後、位置標定部４０１は、位置標定結果を用いて、発生源分布を導出する（ステップＳ１０８）。評価部４０２は、入力された発生源分布に基づいて構造物５０の劣化状態を評価する（ステップＳ１０９）。表示部４０３は、評価部４０２の制御に従って評価結果を表示する（ステップＳ１１０）。
　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、衝撃付与部１０において付与する衝撃１１の強度に応じて定まる時間間隔で、衝撃付与部１０が構造物５０に対して衝撃１１を付与する。この際に付与される衝撃１１の強度は、１回目の衝撃１１を与えることによって発生した弾性波と、２回目の衝撃１１を与えることによって発生した弾性波とが重なる割合が低いと推定される強度である。したがって、衝撃付与部１０が、このような強度から定まる時間間隔で衝撃１１を構造物５０に付与することによって、信号処理部３０において信号の分離ができる。これにより、構造物評価装置４０においてより精度の高い構造物の劣化状態の評価ができる。このように、構造物評価システム１００では、計測を効率良く行うことが可能になる。
　また、構造物評価システム１００では、衝撃付与部１０が衝撃１１を付与する時間間隔に応じて定まる一定の強度以下の強度で、衝撃付与部１０が構造物５０に対して衝撃１１を付与する。衝撃付与部１０が衝撃１１を付与する時間間隔は、１回目の衝撃１１を与えることによって発生した弾性波と、２回目の衝撃１１を与えることによって発生した弾性波とが重なる割合が低いと推定される時間間隔である。したがって、衝撃付与部１０が、このような時間間隔に応じて定まる強度で衝撃１１を構造物５０に付与することによって、信号処理部３０において信号の分離ができる。これにより、構造物評価装置４０においてより精度の高い構造物の劣化状態の評価ができる。このように、構造物評価システム１００では、計測を効率良く行うことが可能になる。
　以下、構造物評価システム１００の変形例について説明する。
　構造物評価装置４０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４０が評価部４０２のみを備えて、位置標定部４０１および表示部４０３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４０２は、発生源分布を別の筺体から取得し、取得した発生源分布を用いて構造物の健全性を評価する。そして、評価部４０２は、評価結果を別の筺体が備える表示部４０３に出力する。
　このように構成されることによって、発生源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４０の製造コストを抑えることができる。
　信号処理部３０は、構造物評価装置４０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３０は、センサ２０による処理が施されたＡＥ源信号を、センサ２０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、複数のセンサ２０－１～１０－ｎに１台の信号処理部３０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３０を備え、各センサ２０にそれぞれ信号処理部３０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。
　また、評価部４０２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４０３、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４０は、出力部として、表示部４０３、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。
　本実施形態では、信号処理部３０がＤ－Ａ分布を生成する構成を示したが、必ずしも信号処理部３０がＤ－Ａ分布を生成する必要はない。例えば、予め類似の計測対象に対して得られたＤ－Ａ分布がある場合には、衝撃付与部１０はそのＤ－Ａ分布を用いてステップＳ１０３の処理を実行してもよい。このように構成される場合、図７におけるステップＳ１０３の処理は実行されなくてもよい。
　以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、構造物に対して衝撃を与える衝撃付与部１０と、弾性波を検出するセンサ２０と、検出された弾性波に基づいて構造物の劣化状態を評価する構造物評価装置４０と、を持ち、衝撃付与部１０が、衝撃を付与する強度に応じて定まる頻度以下で衝撃を与えることにより、計測を効率良く行うことができる。
　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…衝撃付与部，２０（２０－１～２０－ｎ）…ＡＥセンサ，３０…信号処理部，４０…構造物評価装置，４０１…位置標定部，４０２…評価部，４０３…表示部

Claims (8)

  1. 　構造物に対して衝撃を与える衝撃付与部と、
    　弾性波を検出するセンサと、
    　検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する構造物評価装置と、
    　を備え、
    　前記衝撃付与部は、前記衝撃を付与する強度に応じて定まる頻度以下で前記衝撃を与える構造物評価システム。
  2. 　構造物に対して衝撃を与える衝撃付与部と、
    　弾性波を検出するセンサと、
    　検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する構造物評価装置と、
    　を備え、
    　前記衝撃付与部は、前記衝撃を付与する頻度に応じて定まる強度以下で前記衝撃を与える構造物評価システム。
  3. 　構造物に対して衝撃を与える衝撃付与部と、
    　弾性波を検出するセンサと、
    　検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する構造物評価装置と、
    　を備え、
    　前記衝撃付与部は、第１の衝撃による弾性波を検出するセンサから所定の距離離れた位置から第２の衝撃を与える構造物評価システム。
  4. 　前記衝撃付与部は、前記構造物に配置されたセンサの配置位置から定まる強度又は頻度以下で前記衝撃を与える、請求項３に記載の構造物評価システム。
  5. 　前記センサの配置は、前記構造物に与えられる衝撃の強度又は頻度に基づく間隔で配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の構造物評価システム。
  6. 　構造物に対して衝撃を与える衝撃付与ステップと、
    　弾性波を検出するセンサによって検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する評価ステップと、
    　を有し、
    　前記衝撃付与ステップにおいて、前記衝撃を付与する強度に応じて定まる頻度以下で前記衝撃を与える構造物評価方法。
  7. 　構造物に対して衝撃を与える衝撃付与ステップと、
    　弾性波を検出するセンサによって検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する評価ステップと、
    　を有し、
    　前記衝撃付与ステップにおいて、前記衝撃を付与する頻度に応じて定まる強度以下で前記衝撃を与える構造物評価方法。
  8. 　　構造物に対して衝撃を与える衝撃付与部と、
    　弾性波を検出するセンサと、
    　検出された前記弾性波に基づいて前記構造物の劣化状態を評価する構造物評価装置と、
    　を備え、
    　前記衝撃付与部は、第１の衝撃による弾性波を検出するセンサから所定の距離離れた位置から第２の衝撃を与える構造物評価方法。
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