特許第6440371号(P6440371)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6440371
(24)【登録日】2018年11月30日
(45)【発行日】2018年12月19日
(54)【発明の名称】超音波測定装置及び方法
(51)【国際特許分類】
   G01N 29/07 20060101AFI20181210BHJP
【FI】
   G01N29/07
【請求項の数】4
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2014-48518(P2014-48518)
(22)【出願日】2014年3月12日
(65)【公開番号】特開2015-172528(P2015-172528A)
(43)【公開日】2015年10月1日
【審査請求日】2016年11月16日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100123434
【弁理士】
【氏名又は名称】田澤 英昭
(74)【代理人】
【識別番号】100101133
【弁理士】
【氏名又は名称】濱田 初音
(74)【代理人】
【識別番号】100173934
【弁理士】
【氏名又は名称】久米 輝代
(74)【代理人】
【識別番号】100156351
【弁理士】
【氏名又は名称】河村 秀央
(72)【発明者】
【氏名】木村 友則
(72)【発明者】
【氏名】岡本 実
(72)【発明者】
【氏名】和高 修三
【審査官】 越柴 洋哉
(56)【参考文献】
【文献】 特開2005−315622(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2007/0095139(US,A1)
【文献】 欧州特許出願公開第01780539(EP,A1)
【文献】 特開2004−157114(JP,A)
【文献】 特開2004−053288(JP,A)
【文献】 特開2009−270824(JP,A)
【文献】 特開2005−345138(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01N 29/00−29/52
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、
前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、
前記超音波が前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬し、前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出する超音波測定装置。
【請求項2】
試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、
前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、
前記超音波が前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出する超音波測定装置。
【請求項3】
送信用探触子により試験体中に超音波を送信し、受信用探触子により前記試験体中を伝搬した超音波を受信し、
前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬し、前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出し、
前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出することを特徴とする超音波測定方法。
【請求項4】
送信用探触子により試験体中に超音波を送信し、受信用探触子により前記試験体中を伝搬した超音波を受信し、
前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、前記送信用探触子から前記試験体の底面までは縦波で伝搬して前記試験体の底面から前記受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、前記受信用探触子の受信信号から前記試験体の音速を算出し、
前記受信した超音波において前記試験体の裏面から前記受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、前記横波から前記試験体の音速を算出することを特徴とする超音波測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、超音波を用いて試験体の音速を測定する超音波測定装置及び超音波測定方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年構造物の損傷が顕在化しており、適切な維持管理が要求されている。コンクリート構造物においては強度の測定が重要である。コンクリートの強度はヤング率で表すことができ、ヤング率は音速で表すことができるため、コンクリートの音速を求める技術が望まれている。特に作業現場では、煩雑な作業を必要としない簡単な測定技術が望まれている。
【0003】
コンクリート中を伝搬する超音波は減衰が大きいため、音速測定では数十kHz〜数百kHz程度の周波数が用いられることが多い。このような周波数帯では波長が長いので、1個の探触子で試験体底面エコーを受信することが困難となるため、2個の探触子を用いた方法が用いられる。2個の探触子を用いた一般的な音速測定方法では、送信用探触子から超音波を発生させ、この超音波が試験体中を伝搬していく。底面方向に伝搬する超音波は、主に縦波である。縦波の超音波は試験体の底面で反射され、受信用探触子で受信される。この信号は一般に底面エコーと称されている。
【0004】
底面エコーが簡単な波形であれば、伝搬遅延時間を容易に測定できるので、試験体の音速も簡単に求めることができる。しかし送信用探触子と受信用探触子との距離によっては、測定が複雑になる場合もある。また、送信用探触子からは試験体の表面に沿って表面波が伝搬し、受信用探触子で受信される。表面波の音速は縦波よりも遅いため、受信時間が重なってしまう場合がある。底面エコーと表面波が重なると、底面エコーの伝搬遅延時間を測定することは容易ではない。
【0005】
このような状況で音速を測定する従来技術として、例えば、特許文献1に記載されたような測定方法があった。この測定方法では、探触子間距離を変化させながら測定を繰り返し、開口合成法で音速あるいは試験体の厚さを求めるという方法である。また、例えば特許文献2に記載されているように、表面波の影響を抑制するために、受信信号から表面波の信号を差し引くようにした方法があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平9−318607号公報
【特許文献2】特開平5−188043号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上記従来の測定方法のうち、特許文献1に記載された探触子間距離を変化させながら測定を繰り返す方法は、探触子間距離を変えて複数回データ採取を行う必要があり、このため、煩雑な作業を必要とするという問題があった。
また、特許文献2に記載された測定方法では、受信信号から表面波を差し引くため、表面波が特定できない場合には適用困難であるという問題があった。
【0008】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、表面波が特定できないといった場合でも、煩雑な作業を必要とすることなく音速測定が可能な超音波測定装置及び方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
この発明に係る超音波測定装置は、試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出する信号処理部とを備え、信号処理部は、受信した超音波において試験体の裏面から受信用探触子まで伝搬した縦波の振幅が消失した場合、横波から試験体の音速を算出するものである。
【発明の効果】
【0010】
この発明の超音波測定装置は、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出するようにしたので、表面波が特定できないといった場合でも、煩雑な作業を必要とせずに音速測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】この発明の実施の形態1による超音波測定装置を示す構成図である。
図2】この発明の実施の形態1による超音波測定装置の音場シミュレーション結果を示す説明図である。
図3】この発明の実施の形態1による超音波測定装置の受信されたエコーとシミュレーション結果を示す説明図である。
図4】この発明の実施の形態1による超音波測定装置のスパイク状の波形を生成する過程を示す説明図である。
図5】この発明の実施の形態1による超音波測定装置の異なる探触子距離の結果を示す説明図である。
図6】この発明の実施の形態1による超音波測定装置の縦波底面エコーおよび横波底面エコーを用いて音速測定する場合の説明図である。
図7】この発明の実施の形態1による超音波測定装置の横波底面エコーだけを用いて音速測定する場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による超音波測定装置を示す構成図である。
図1に示す超音波測定装置は、送信用探触子1、受信用探触子2、送受信器10からなる。送信用探触子1は、試験体100上に設置され、送受信器10からの電気信号によって駆動されて、試験体100に対して超音波を送出するための探触子である。受信用探触子2は、試験体100上に設置され、送信用探触子1から送出されて試験体100内を伝搬した超音波を受信するための探触子であり、受信信号を送受信器10に出力するよう構成されている。送受信器10は、送信用探触子1を駆動すると共に受信用探触子2からの受信信号に基づいて試験体100の音速を測定する処理部であり、送信部11、受信部12、表示部13、信号処理部14を備えている。
【0013】
送信部11は、送信用探触子1から出力するための超音波の電気信号を送信用探触子1に供給するための処理部である。受信部12は、受信用探触子2からの電気信号を受信し、表示部13と信号処理部14とに送出する処理部である。表示部13は、受信用探触子2での受信結果や信号処理部14の処理結果等を表示するための表示出力部である。信号処理部14は、受信部12で受信された受信用探触子2からの受信信号に基づいて試験体100の音速を算出する演算部である。なお、図示は省略しているが、送受信器10には制御部が内蔵されており、送信部11、受信部12、表示部13および信号処理部14は、制御部からの信号により動作を制御される。
【0014】
次に、実施の形態1の超音波測定装置における基本的な動作原理について説明する。
まず、コンクリート等の減衰材の音速測定を行うと、どのような信号が受信されるのかを、図2の音場シミュレーション結果を用いて説明する。図2は、試験体100として、厚さ120mmのコンクリートに対して周波数100kHzの探触子を用い、探触子間距離を100mmとしてシミュレーションを行って得られた試験体内音場である。送信用探触子1を励振してから10μs〜80μsの音場であり、時系列で並べたものである。送信用探触子1から発せられた縦波の超音波が試験体100中に伝搬していくが、受信用探触子2で一番最初に受信される信号は、試験体100の表面に沿って伝搬した縦波である。
TOFD(Time of Flight Diffraction)法ではこの縦波をラテラル波と呼んでいるので、ここでもラテラル波と呼ぶことにする。音場シミュレーション結果から、約20μs後にラテラル波が受信される様子が分かる。
【0015】
試験体100の表面に沿って伝搬する超音波は、ラテラル波だけではなく、表面波も伝搬する。音場シミュレーションから、約40μsで表面波が受信される様子が分かる。
【0016】
試験体100の底面方向に伝搬した縦波は、底面で反射され、受信用探触子2で受信される。しかし音場シミュレーション結果から分かるように、反射する際に縦波だけでなく、モード変換により横波も発生する。従って、縦波底面エコーだけでなく横波底面エコーも受信される。
【0017】
音場シミュレーション結果から、受信されるエコーを時系列で並べると、
・ラテラル波
・表面波
・縦波底面エコー
・横波底面エコー
となる。
【0018】
図3には、シミュレーションで得られたエコーを実験結果と重ねて示す。実線が実験結果であり、破線がシミュレーション結果である。両者はほぼ一致していることから、シミュレーション結果は信頼できるものと考えられる。また図3には、音場シミュレーション結果から推定したエコーの解釈を併せて示している。図3に示すように、縦波底面エコーだけが受信される訳ではなく、4つの信号(ラテラル波、表面波、縦波、横波)が受信されており、複雑な波形となっている。
【0019】
音速を測定するだけであれば、エコーの振幅は無視できる。そこで、エコーの位相だけを強調した波形に整形し、以下説明することにする。まず、エコーの位相だけに強調した波形整形法について図4を参照しながら説明する。図4(a),(b),(c)は、それぞれ、AC波形、飽和波形、および微分波形である。
【0020】
受信用探触子2からの信号は、図4(a)に示すようなAC波形である。このAC波形を、図4(b)に示すように増幅により飽和させ、飽和波形を求める。その後、図4(c)に示すように微分することによって、微分波形を求める。なお、このような演算は信号処理部14が行う。図4に示すように、AC波形のゼロクロス点が、微分波形ではスパイク状の波形となって現れる。スパイク状の波形であれば、伝搬遅延時間を読み取ることがAC波形よりも容易と考えられる。以下では、このスパイク状の波形で音速測定について説明する。
【0021】
図5は、探触子間距離を100mm、120mm、125mmとして実験を行って得られた受信信号を、スパイク状の波形で示したものである。図に示すように、探触子間距離100mmでは、表面波を表すスパイク状の波形、縦波底面エコーを表すスパイク状の波形(図では「縦波」として示している)、および横波底面エコーを表すスパイク状の波形(図では「横波」として示している)が、それぞれ分離して受信されている。しかし探触子間距離を離していくと、距離120mmでは表面波と縦波とが重なり始め、距離125mmでは両者が打ち消し合ってしまう。このような場合、縦波底面エコーを用いた音速測定はできない。
【0022】
一方、表面波と縦波底面エコーとが重なって音速測定ができない場合でも、図5に示すように、横波底面エコーは受信されている。従って、表面波と縦波底面エコーとが重なる場合には、横波底面エコーを用いれば、音速測定は可能である。そこで、本発明は、横波底面エコーを用いて音速測定を行うようにしたものである。以下、超音波測定装置の動作を説明する。
【0023】
送信部11からの電気信号により、送信用探触子1が励振され、試験体100中には超音波が伝搬していく。図2の音場シミュレーション結果で示したように、試験体100中の超音波の伝搬経路は様々であり、試験体100の底面で反射されて受信される信号もあれば、試験体100の表面を伝搬して受信される信号もある。図1中では、矢印を付して底面エコーおよび表面波の伝搬経路を示している。試験体100中を伝搬した超音波を受信用探触子2で受信し、電気信号に変換して受信部12に送る。受信部12では、必要があれば受信信号を増幅し、結果を表示部13に送る。表示部13は、受信信号を表示する。
信号処理部14では、図4に示した波形生成プロセスに基づいて、スパイク状の波形を生成する。
【0024】
図5に示したように、表面波と縦波が重なる場合がある。その結果、表面波によるスパイク状の波形と縦波によるスパイク状の波形は打ち消し合って消えてしまう。しかし横波によるスパイク状の波形は残る。本実施の形態では、縦波底面エコーおよび横波底面エコーに対して、それぞれに異なるゲートを掛けて、音速測定を行うというものである(図6及び図7に示すゲート20とゲート21参照)。信号処理部14では、ゲート20の波形は縦波底面エコーとして処理し、ゲート21の波形は横波底面エコーとして処理して音速を求める。なお、これらゲート20,21は、例えば、振幅が+側で所定の時間間隔の信号を対象とする、といったゲートとする。このように2個のゲートを有することで、縦波底面エコーが表面波と重なってしまう場合でも、横波底面エコーを用いた音速測定が可能となる。
【0025】
図6のように縦波底面エコーおよび横波底面エコーが受信される場合には、ゲート20内およびゲート21内に、それぞれ、スパイク状の波形が受信される。音速測定は、縦波底面エコーを用いても良いし、横波底面エコーを用いても良い。あるいは両者を用いて音速測定を行い、信頼できる値の方を採用しても良いし、平均値を採用しても構わない。
【0026】
一方、図7に示すように、縦波底面エコーが消失した場合、横波底面エコーは受信されるので、ゲート21内のスパイク状の波形から音速測定が可能である。すなわち、信号処理部14は、超音波が送信用探触子1から試験体100の底面までは縦波で伝搬し、試験体100の底面から受信用探触子2までは横波で伝搬したという想定の基に、受信用探触子2の受信信号から試験体100の音速を算出する。
【0027】
なお、ここではスパイク状の波形を例として音速測定装置および方法について説明したが、AC波形でも構わない。また、通常の探傷で用いられているDC波形でも構わない。
【0028】
以上説明したように、実施の形態1の超音波測定装置によれば、試験体中に超音波を送出する送信用探触子と、試験体中を伝搬した超音波を受信する受信用探触子と、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出する信号処理部とを備えたので、表面波と縦波が干渉して打ち消し合うといった場合でも煩雑な作業を必要とせず、簡易な方法で音速測定を行うことができる。
【0029】
また、実施の形態1の超音波測定装置によれば、信号処理部は、超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出するようにしたので、音速測定の精度を高めることができる。
【0030】
また、実施の形態1の超音波測定方法によれば、送信用探触子により試験体中に超音波を送信し、受信用探触子により前記試験体中を伝搬した超音波を受信し、送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬し、試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬した受信状態で、試験体の音速を算出するようにしたので、表面波と縦波が干渉して打ち消し合うといった場合でも煩雑な作業を必要とせず、簡易な方法で音速測定を行うことができる。
【0031】
また、実施の形態1の超音波測定方法によれば、
超音波が送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子までは横波で伝搬し、かつ、送信用探触子から試験体の底面までは縦波で伝搬して試験体の底面から受信用探触子まで縦波で伝搬した受信状態で、受信用探触子の受信信号から試験体の音速を算出するようにしたので、音速測定の精度を高めることができる。
【0032】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【0033】
1 送信用探触子、2 受信用探触子、10 送受信器、11 送信部、12 受信部、13 表示部、14 信号処理部、20,21 ゲート、100 試験体。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7