特許 7216941 広帯域音波を用いた探査装置及び探査方法

(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】

(24)【登録日】2023-01-25

(45)【発行日】2023-02-02

(54)【発明の名称】広帯域音波を用いた探査装置及び探査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/06 20060101AFI20230126BHJP

【ＦＩ】

G01N29/06

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019149887

(22)【出願日】2019-08-19

(65)【公開番号】P2021032594

(43)【公開日】2021-03-01

【審査請求日】2022-06-09

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】511238929

【氏名又は名称】金川 典代

(74)【代理人】

【識別番号】100101432

【弁理士】

【氏名又は名称】花村 太

(72)【発明者】

【氏名】原 徹

【審査官】嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２８３５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０４７６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０３２４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００２／０９３１５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１７７０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１１６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１８４６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７２４１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２００５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１４９９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４５７５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００－Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｇ０１Ｎ ２２／００－Ｇ０１Ｎ ２２／０４

Ｇ０１Ｖ １／００－Ｇ０１Ｖ １／５２

Ａ６１Ｂ ８／００－Ａ６１Ｂ ８／１５

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地盤とコンクリート構造物との既存の積層構造物を被検体とし、
被検体表面に当接固定させ、音波を発信する音波発信器と、
前記音波発信器の近傍の被検体表面に当接固定させ、前記被検体内部から前記音波の反射波を受信する反射波受信器と、
前記音波発信器を作動させ、前記反射波受信器で受信された被検体内部の構造物からの反射波を受信の時系列で処理し、前記被検体の表面から入射方向の内部構造の状態を解析する解析手段とを備えた探査装置であって、
前記音波が可聴域から超音波域に亘る０．１～２．５ＭＨｚの広帯域音波であり、
前記解析手段が、
前記反射波の受信時間によって反射波が発生した被検体内部地点の前記被検体表面からの距離と、前記反射波の時系列の波形によって被検体内部地点の構造とを検証するものであり、
前記反射波が類似の波形であった一つの領域と、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形と類似であった別の領域との境界面の前記被検体表面からの距離を推定するものであり、
前記一つの領域の波形は、均一な組織を持ったコンクリート材に相当するものであり、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形として、地盤に相当するものを含むことを特徴とする広帯域音波を用いた探査装置。

【請求項2】

前記解析手段は、１つの固定部での計測を１０回～１０００回繰り返させるものであることを特徴とする請求項１に記載の広帯域音波を用いた探査装置。

【請求項3】

地盤とコンクリート構造物との既存の積層構造物を被検体とし、
音波を発信する音波発信器を被検体表面に当接固定させ、
反射波受信器を前記音波発信器の近傍の被検体表面に当接固定させて、前記被検体内部から前記音波発信器の反射波を受信し、
前記反射波受信器で受信された被検体内部の構造物からの反射波を受信の時系列で処理する解析手段によって前記被検体の表面から入射方向の内部構造の状態を解析する探査方法であって、
前記音波が可聴域から超音波域に亘る０．１～２．５ＭＨｚの広帯域音波であり、
前記解析手段が、
前記反射波の受信時間によって反射波が発生した被検体内部地点の前記被検体表面からの距離と、前記反射波の時系列の波形によって被検体内部地点の構造とを検証するものであり、
前記反射波が類似の波形であった一つの領域と、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形と類似であった別の領域との境界面の前記被検体表面からの距離を推定するものであり、
前記一つの領域の波形は、均一な組織を持ったコンクリート材に相当するものであり、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形として、地盤に相当するものを含むことを特徴とする広帯域音波を用いた探査方法。

【請求項4】

前記解析手段は、１つの固定部での計測を１０回～１０００回繰り返させることを特徴とする請求項３に記載の広帯域音波を用いた探査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えばコンクリートを始めとして、アスファルト、発泡コンクリート、木材、シリコン、ゴム、コルク等の内部構造について破壊することなく内部組織の密度分布や空隙の有無とその大きさを探査することができる広帯域音波を用いた探査装置及び探査方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近代における建築物としては、コンクリート構造物が多い。コンクリートは「セメント・砂・砂利・水を調合し、こねまぜて固まらせた一種の人造石」であり、圧縮に対して抵抗力が強く、耐火・耐水性が大きいので鋼材と併用し、土木建築用構造材料として使用されるとされている。

【0003】

コンクリートの劣化については、次の２点に留意することが大切であるとされている。
(1) コンクリート中では長期にわたってセメントの水和反応に代表される化学反応が進行しており、その反応のプロセスと反応生成物は、コンクリート中に含まれる化学物質の種類・量、外部から侵入する化学物質の種類・量、および環境条件などの影響を受ける。
(2) コンクリートは連続した微細な空隙を有する多孔質物質であり、この空隙を通って気体（酸素、二酸化炭素など)、イオン（塩化物イオン、アルカリ金属イオン、硫酸イオンなど)、水分などの浸透や移動が生じる。

【0004】

また、コンクリート構造物については、アルカリ骨材反応や塩害によるコンクリートの早期劣化や、酸性雨によるコンクリートの損傷などが問題となっているが、この背景としては、コンクリート構造物が置かれる環境条件が以前より平均的に厳しくなったことに加えて、コンクリートの使用材料、製造方法、施工方法などが変化していることが挙げられる。

【0005】

本発明者においては、このようなコンクリート構造物のうち、芯にピアノ線や鋼棒が入ったプレストレスト・コンクリート（ＰＣ）製の枕木について、超音波発信器をコンクリート構造物の表面に当接させ、超音波受信器をコンクリート構造物の表面に当接させてコンクリート構造物の裏面で反射する前記発信器の超音波の反射波を受信し、超音波受信器で受信した反射波を解析して反射裏面領域にクラック発生の有無を検知するものを提案した（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１３－８８３０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

この特許文献１では、クラック発生の有無の検知が、クラック発生のない同種のコンクリート製枕木での反射裏面領域の反射波を予め計測しておき、予め計測しておいた反射波と被検コンクリート製枕木の反射波とを比較してクラックの有無を判断するものであるが、既存のコンクリート構造物の正常な状態が不明である場合が殆どであるため、比較することは難しい。

【0008】

即ち、本発明は、既存のコンクリート構造物について、設置場所でのコンクリート構造物の内部の状態、設置場所との境界面の状態等をも判断可能な探査装置及び探査方法を得ることを目的とし、更には、コンクリートを始めとして、アスファルト、発泡コンクリート、木材、シリコン、ゴム、コルク等の内部構造について破壊することなく内部組織の密度分布や空隙の有無とその大きさを探査することができる広帯域音波を用いた探査装置及び探査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】

請求項１に記載された発明に係る広帯域音波を用いた探査装置は、地盤とコンクリート構造物との既存の積層構造物を被検体とし、
被検体表面に当接固定させ、音波を発信する音波発信器と、
前記音波発信器の近傍の被検体表面に当接固定させ、前記被検体内部から前記音波の反射波を受信する反射波受信器と、
前記音波発信器を作動させ、前記反射波受信器で受信された被検体内部の構造物からの反射波を受信の時系列で処理し、前記被検体の表面から入射方向の内部構造の状態を解析する解析手段とを備えた探査装置であって、
前記音波が可聴域から超音波域に亘る０．１～２．５ＭＨｚの広帯域音波であり、
前記解析手段が、
前記反射波の受信時間によって反射波が発生した被検体内部地点の前記被検体表面からの距離と、前記反射波の時系列の波形によって被検体内部地点の構造とを検証するものであり、
前記反射波が類似の波形であった一つの領域と、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形と類似であった別の領域との境界面の前記被検体表面からの距離を推定するものであり、
前記一つの領域の波形は、均一な組織を持ったコンクリート材に相当するものであり、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形として、地盤に相当するものを含むことを特徴とするものである。

【0010】

請求項２に記載された発明に係る広帯域音波を用いた探査装置及は、請求項１に記載の広帯域音波を用いた探査装置において、前記解析手段は、１つの固定部での計測を１０回～１０００回繰り返させるものであることを特徴とするものである。

【0011】

請求項３に記載された発明に係る広帯域音波を用いた探査方法は、地盤とコンクリート構造物との既存の積層構造物を被検体とし、
音波を発信する音波発信器を被検体表面に当接固定させ、
反射波受信器を前記音波発信器の近傍の被検体表面に当接固定させて、前記被検体内部から前記音波発信器の反射波を受信し、
前記反射波受信器で受信された被検体内部の構造物からの反射波を受信の時系列で処理する解析手段によって前記被検体の表面から入射方向の内部構造の状態を解析する探査方法であって、
前記音波が可聴域から超音波域に亘る０．１～２．５ＭＨｚの広帯域音波であり、
前記解析手段が、
前記反射波の受信時間によって反射波が発生した被検体内部地点の前記被検体表面からの距離と、前記反射波の時系列の波形によって被検体内部地点の構造とを検証するものであり、
前記反射波が類似の波形であった一つの領域と、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形と類似であった別の領域との境界面の前記被検体表面からの距離を推定するものであり、
前記一つの領域の波形は、均一な組織を持ったコンクリート材に相当するものであり、前記一つの領域の波形と相違する反射波の波形として、地盤に相当するものを含むことを特徴とするものである。

【0012】

請求項４に記載された発明に係る広帯域音波を用いた探査方法は、請求項３に記載の広帯域音波を用いた探査方法において、前記解析手段は、１つの固定部での計測を１０回～１０００回繰り返させることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明は、コンクリートを始めとして、アスファルト、発泡コンクリート、木材、シリコン、ゴム、コルク等の内部構造について破壊することなく内部組織の密度分布や空隙の有無とその大きさを探査することができる広帯域音波を用いた探査装置及び探査方法を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の広帯域音波を用いた探査装置の一実施例の構成を示する説明図である。

【図2】図１の音波発信器の動作を示す説明図であり、ａ図はマイナス電圧を印加した状態を示し、ｂ図はプラス電圧を印加した状態を示す。

【図3】一般的な正弦波による音波発信器の動作を示す説明図であり、ａ図は正弦波による印加電圧波形を示し、ｂ図はａ図の電圧波形で出力した超音波の波形を示し、ｃ図は出力した音波の周波数分布を示す。

【図4】本実施例での広帯域音波の説明図であり、ａ図は本実施例での印加電圧の波形を示す説明図であり、ｂ図は出力したａ図の印加電圧で発生した音波の波形であり、ｃ図は出力した音波の周波数分布を示す説明図である。

【図5】一定の周波数の音波による反射と伝搬との説明図であり、ａ図は反射の状態を示す説明図、ｂ図は伝搬の状態を示す説明図である。

【図6】具体的な音波の伝搬状態を示す説明図であり、ａ図は一定の周波数の音波が金属内を伝搬する状態、ｂ図は一定の周波数の音波がコンクリート内を伝搬する状態、ｃ図は広帯域の音波がコンクリート内を伝搬する状態を示す。

【図7】本発明の広帯域音波を用いた探査方法の概念を説明する説明図であり、ａ図はコンクリート構造物の断面図、ｂ図はコンクリート構造材からの反射波の波形を示す説明図である。

【図8】本実施例で計測した一つの橋台の計測を示す説明図であり、ａ図は計測した橋台の計測位置を示す説明図であり、Ｃ、Ｄ、Ｅ図はａ図のＣ、Ｄ、Ｅ位置での実測された反射波の波形を示す説明図である。

【図9】本実施例で計測した別の橋台の計測を示す説明図であり、ａ図は計測した橋台の計測位置を示す説明図であり、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ図はａ図のＦ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ位置での実測された反射波の波形を示す説明図である。

【図10】計測したアンダーパス舗装路面の模式的断面を示す説明図である。

【図11】計測したアンダーパス舗装路面の計測結果の例を示し、ａ図は１０００ｍｍ以下が解析不能である例であり、ｂ図は２０００ｍｍの地下まで反射波が存在する例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明においては、被検体表面に当接固定させ、音波を発信する音波発信器と、音波発信器の近傍の被検体表面に当接固定させ、被検体内部から音波の反射波を受信する反射波受信器と、音波発信器を作動させ、反射波受信器で受信された被検体内部の構造物からの反射波を処理し、被検体の表面から入射方向の内部構造の状態を解析する解析手段とを備えた探査装置である。

【0016】

音波が可聴域から超音波域に亘る周波数を含む広帯域音波であり、解析手段が、反射波の時系列波の時間によって反射波が発生した被検体内部地点の距離と、反射波の時系列波の波形によって被検体内部地点の構造とを検証するものであり、反射波が類似の波形である一つの領域と、一つの領域の類似の波形と相違する別の反射波の波形と類似の波形である別の領域との境界面の距離を推定するものである。

【0017】

また、別の発明においては、音波を発信する音波発信器を被検体表面に当接固定させ、反射波受信器を音波発信器の近傍の被検体表面に当接固定させて、被検体内部から音波発信器の反射波を受信し、反射波受信器で受信された被検体内部の構造物からの反射波から、解析手段によって被検体の表面から入射方向の内部構造の状態を解析する探査方法である。

【0018】

これについても、音波が可聴域から超音波域に亘る周波数を含む広帯域音波であり、解析手段が、反射波の時系列波の時間によって反射波が発生した被検体内部地点の距離と、反射波の時系列波の波形によって被検体内部地点の構造とを検証するものであり、反射波が類似の波形であった一つの領域と、一つの領域の波形と相違する反射波の波形と類似であった別の領域との境界面の距離を推定するものである。

【0019】

これにより、内部構造について破壊することなく内部組織の密度分布や空隙の有無とその大きさを探査することができる。即ち、構造の均一な一つの領域とこの領域とは構造が相違する別の構造の別の均一な領域又は不均一な別の領域との反射波の相違を解析し、一つの領域と別の領域との境界面までの距離を推定することができる。

【0020】

尚、好ましい広帯域音波としては、周波数が０．１～２.５ＭＨｚの可聴域の音波から超音波に亘る広帯域の音波であるものが挙げられ、より好ましくは、周波数が０.２～２.０ＭＨｚの可聴域の音波から超音波に亘る広帯域の音波であるものが挙げられる。特に、マイナス電圧を印加した場合には、振動子が上下に膨らんで厚さが増して口径が小さくなり、プラス電圧を印加した場合には、振動子が上下に縮んで厚さが減って口径が大きくなるセラミック振動子を用いた音波発信器では、マイナスに急激に印加した後、ゆっくりとゼロに復帰する波形で発生する音波としては、周波数が０．１～２.５ＭＨｚ、より好ましくは０.２～２.０ＭＨｚの可聴域の音波から超音波に亘る広帯域の音波を得ることができる。

【0021】

より具体的には、ハンマーで物体表面を叩いたようなイメージであり、ゼロから最大のマイナス電圧までは５μｓの時間であり、その後の緩やかな復帰では、５０％復帰で２００μｓ、１００％で７４３μｓの時間を掛けるものであればよい。このような音波発信器からの広帯域音波を被検体の内部へ照射させ、内部からの反射波を計測する。１回の音波エネルギーの反射波は小さいため、１つの被検体の固定部での計測を１０回～１０００回繰り返して合算させて平均を取ればよい。

【0022】

より具体的に付言するならば、例えば均一なコンクリート材を被検体とした場合には、可聴域から超音波域に亘る周波数を含む広帯域音波がコンクリート材内部に侵入した場合には、コンクリート材を構成するセメント成分、砂、砂利が均一に分布したものでは、各々の構造中の成分によって固有の波長の反射波が発生し、音波の深さ方向でも同様の反射波が反射波受信器で受信される。

【0023】

その一方で、この均一に分布したコンクリート材自体にクラックや空隙が音波の伝搬方向を遮るように配置された構造では、音波が広帯域のものであるため、クラックや空隙の境界面までの反射波は発生するが、クラックや空隙の境界面を超えて伝搬することが無く、境界面を越えて反射波も発生しない。逆にコンクリート材中に埋め込まれた鉄筋等の金属部材については、その金属部材に固有の周波数の高い強度の反射波が発生する。

【0024】

更に、均一に分布したコンクリート材と構造の相違する別の構造体に音波が侵入した場合には、均一に分布したコンクリート材のセメント成分、砂、砂利等の構造中の成分に固有の反射波ではない別の周波数の反射波が発生するため、均一に分布したコンクリート材の反射波と相違する反射波が発生することとなる。

【0025】

例えば、コンクリート構造物の一つとしての橋梁については、例えば橋脚を支持する橋台の構造については、橋台の直下では、川床、礫石基礎層、基礎コンクリート層、橋台コンクリートの積層構造となっており、橋台の周囲では、川床から橋台の礫石基礎層、基礎コンクリート層の周囲を囲む根固めコンクリート部、橋台コンクリートの周囲に配置される張りコンクリート部等々の相違する構造を有する。

【0026】

このため、互いに相違する構造の複数の層を通過する場合には、均一な層を通過する毎に反射波を発生させるため、個々の層の間の境界面の距離が判る。特に、河川を跨いで建設される橋梁については、川の流れ等によって、橋台が設置された川床が削られる場合があり、その場合には、メンテナンスの時に計測し、問題が分かった時点で相応の対処を行う必要がある。

【0027】

本発明における被検体としては、後述する実施例に示した通り、コンクリート構造物を始めとして、アスファルト、発泡コンクリート、木材、シリコン、ゴム、コルク等の探査も行える。即ち、コンクリートはセメント成分、砂、砂利が均一に分布した複合材料であり、材質が異なれば透過する周波数も異なり、減衰特性もそれぞれに異なるため、広帯域としている。

【実施例】

【0028】

１．探査の原理
図１は本発明の広帯域音波を用いた探査装置の一実施例の構成を示する説明図である。図１に示す通り、本実施例の探査装置１０は、被検体表面に当接固定させて音波を発信する音波発信器１２と、この音波発信器１２に隣接して被検体表面に当接固定させて被検体内部から音波の反射波を受信する反射波受信器１４と、前記音波発信器１２で発信する広帯域の音波の波形を指示し、反射された反射波を繰り返す指示を与えるゲートアレイ１６と、ゲートアレイ１６への指示と反射波受信器１４で受信された被検体内部の構造物からの反射波から被検体の表面から入射方向の内部構造の状態を解析する解析手段としてのＰＣ１８とを備える。

【0029】

図２は図１の音波発信器１２の動作を示す説明図であり、ａ図はマイナス電圧を印加した状態を示し、ｂ図はプラス電圧を印加した状態を示す。図３は一般的な正弦波による音波発信器の動作を示す説明図であり、ａ図は正弦波による印加電圧波形を示し、ｂ図はａ図の電圧波形で出力した超音波の波形を示し、ｃ図は出力した音波の周波数分布を示す。

【0030】

図２に示す通り、音波発信器１２に使用するセラミック振動子は、被検体表面への当接面に配置されているため、セラミック振動子は、マイナス電圧を印加した場合には、振動子が上下に膨らんで厚さが増して口径が小さくなり、プラス電圧を印加した場合には、振動子が上下に縮んで厚さが減って口径が大きくなる。

【0031】

これにより、図３のａ図に示す通り、印加する電圧の波形が、電圧がゼロからマイナス電圧に、そして、プラス電圧に変化してゼロに戻る正弦波を与える場合には、音波発信器１２のセラミック振動子は瞬時に膨らみ縮むこととなる。つまり電圧変化に応じた超音波パルスが発生する。電圧がゼロからゼロに戻る時間に、対象の音速を乗じたものが波長になる。

【0032】

このため、図３のｂ図のように、音波発信器１２によって被検体に出力される音波（超音波）は、一定の波長（例えば、波長が６ｍｍ）の正弦波となる。また、出力した超音波の周波数分布は図３のｃ図に示す通り、狭い範囲の一定の周波数（例えば、１ＭＨｚ）のものとなる。このように、特定の狭い周波数領域の超音波では、この周波数で反射する物体が存在することにより反射波が発生するが、反射しない物体中ではそのまま伝搬し、何の反応も無い状態となる。

【0033】

これに対して、図４は本実施例での広帯域音波の説明図であり、ａ図は本実施例での印加電圧の波形を示す説明図であり、ｂ図は出力したａ図の印加電圧で発生した音波の波形であり、ｃ図は出力した音波の周波数分布を示す説明図である。本実施例で用いる広帯域音波では、図４のａ図に示す印加電圧波形を使用する。

【0034】

即ち、マイナスに急激に印加した後、ゆっくりとゼロに復帰する波形である。電圧がプラスにならないため、振動子は厚さを増した後、自由に振動しながら元に戻ることとなり、電圧の周期的反転がないため、特定の周波数にはならず、広範囲の周波数を同時に発振することとなる。簡単に付言するならば、ハンマーで物体表面を叩いたようなイメージとなっている。

【0035】

図３の正弦波による特定の周波数の音波及び図４の広帯域の音波との相違を説明する。図５は一定の周波数の音波による反射と伝搬との説明図であり、ａ図は反射の状態を示す説明図、ｂ図は伝搬の状態を示す説明図である。図５のａ図及びｂ図に示す通り、対象に対して十分な長さの波長であれば、音波は反射せず、伝搬していく。一方、通常は波長の１／２が探査できる大きさの限界と言われている。例えば、１ＭＨｚの波長＝約１.５ｍｍとなる（鉄の内部を伝搬するとして、鉄の音速約６０００ｍ／秒とすると）ため、０.７５ｍｍ以下の異物であれば、逆に対象を検知しないこととなる。

【0036】

図６は具体的な音波の伝搬状態を示す説明図であり、ａ図は一定の周波数の音波が金属内を伝搬する状態、ｂ図は一定の周波数の音波がコンクリート内を伝搬する状態、ｃ図は広帯域の音波がコンクリート内を伝搬する状態を示す。より具体的には、図６のａ図に示す通り、金属６１は均質な単一素材であり、基本的に原子のみで構成されるので、音波の伝搬に当たっては乱反射は起こらず、減衰だけが見られる。また、組織内にきず６２等があると反射があるので、非破壊検査で利用される。

【0037】

ｂ図に示す通り、コンクリート６３では、小石や砂とセメントとの複合素材であるため、一定の周波数の音波では、ほとんどが反射してしまい、長い距離は伝搬せず終端には到達しない。ｃ図に示す通り、ｂ図と同じコンクリート６３に広帯域の音波を入射した場合には、広範囲の周波数を含むため、高い周波数は乱反射して減衰するが、低い周波数の音波は伝搬していく。このため、一定の周波数の音波では探査できないものであっても、広帯域であれば探査が可能となる。例えば、アスファルト、発泡コンクリート、木材、シリコン、ゴム、コルク等であっても広帯域の音波で内部組織の密度分布や空隙の有無とその大きさの境界を検証することができる。

【0038】

２．コンクリート構造物の探査
広帯域の音波を使用し、波形からコンクリート構造物及び地盤の状態を推定した。具体的には、古い橋の橋台（橋げたを載せる台）で、コンクリートの下に川の流れが潜り込むことで、地盤が洗い流され、空洞になっている可能性があり、このような探査を行った。４０年近い古いコンクリートの上から、さらにその下の地盤を探査することは、一定の周波数の音波では不可能である。

【0039】

ａ．橋台の構造
図７は本発明の広帯域音波を用いた探査方法の概念を説明する説明図であり、ａ図はコンクリート構造物の断面図、ｂ図はコンクリート構造材からの反射波のスペクトルを示す説明図である。

【0040】

図７のａ図に示す通り、コンクリート構造物の一つとして橋台７１の構造を示す。橋台７１は川底の地盤７２に砕石基礎層７３、その上に基礎コンクリート層７４、更にその上に橋台７１のコンクリート材７５が形成され、この橋台７１の周囲には、砕石基礎層７３及び基礎コンクリート層７４の周囲に配された根固めコンクリート部７６でこれらを保持させ、更に、その上に第１張りコンクリート７７及び第２張りコンクリート７８で周囲を保持している。

【0041】

このような橋台７１について、矢印Ａや矢印Ｂの位置に図１の音波発信器１２と反射波受信器１４とを配置して、音波発信器１２で広帯域の音波を入射させて、反射波を反射波受信器１４で受信する。図７のｂ図に示す通り、反射波受信器１４で計測された反射波のスペクトルについては、その波形によって領域Ｉ、領域II及び領域III に分けて考察することとした。

【0042】

これについて、説明する。領域Ｉについては、入射した音波はコンクリート材７５の内部に問題がない限り効率よく伝播する領域である。即ち、この領域Ｉの反射波は振幅が大きく、周波数帯も高く、波長は短く、密度は高いものであり、均一な組織を持ったコンクリート材が該当する。

【0043】

領域III については、振幅は小さく、周波数帯も低く、波長は長く、密度は粗であるものであり、反射波が発生されているため、空隙が少なく、コンクリート材ほど硬くはないが、健全性の高い緻密な地盤に相当する領域と考えることができる。更に、領域IIについては、領域Ｉと領域III との間に配される領域と考えられ、コンクリート材にクラックが入った状態や脆弱なコンクリート材等が該当するものと推察され、振幅、周波数帯、波長、及び、密度は何れも中程度となる。それぞれの区分ごとの性質は表１のようになる。

【0044】

【表1】

【0045】

より具体的には、図７のｂ図に示す通り、領域Ｉについては、最も振幅が大きく、健全な部分である。領域IIについては、領域Ｉとの間に何らかの構造的境界があり、領域Ｉよりも健全度が低い。更に、領域III については、領域IIとの間に構造的境界があり、さらに健全度が低いが、空洞ではないことが判る。加えて、横軸は深さ方向の距離である。波形上で読み取るこの深さ距離は現地でのコンクリート音速から計算して求める。

【0046】

しかしながら、地盤や砕石基礎層の音速は不明なため、コンクリートから下部の距離には１０～２０％程度の誤差がある。音波が構造物内部を長距離伝播する場合、距離と音響インピーダンスに応じてエネルギーが減衰するが、同時に周波数成分も高い方から減衰・吸収されていき、最終的には可聴の周波数成分が残る。この場合は構造物を伝わる音響の影響を受けるので、評価には注意が必要である。

【0047】

ｂ．橋台の実測
図８は本実施例で計測した一つの橋台の計測を示す説明図であり、ａ図は計測した橋台の計測位置を示す説明図であり、Ｃ、Ｄ、Ｅ図はａ図のＣ、Ｄ、Ｅ位置での実測された反射波の波形を示す説明図である。図９は本実施例で計測した別の橋台の計測を示す説明図であり、ａ図は計測した橋台の計測位置を示す説明図であり、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ図はａ図のＦ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ位置での実測された反射波の波形を示す説明図である。

【0048】

調査時は渇水期で、通常は水面下となっている個々の橋台のコンクリート表面やその周囲の張りコンクリート表面から入射することができた。図８のＣ図については、固定位置から１.６ｍの深度までの音響インピーダンスはほぼ同じとなることが判った。設計図と照らし合わせるとはコンクリート材８５、基礎コンクリート層８４及び砕石基礎層８３まではクラックもなく均一な堅さのものであることが検証できた。砕石基礎層８３と地盤８２との接触部ではかなり減衰することが確認されたが、ある程度均一で緻密な地盤であることが確認され、更に、それ以下であっても３.８ｍの深度まで領域III に相当する反射波が得られた。

【0049】

また、図８のＤ図については、固定位置から０.７ｍの深度までの音響インピーダンスはほぼ同じであるため、ここまでのコンクリート材８５は均一な状態であることが推察された。しかしながら０.７ｍから１.４ｍの深度までの領域は明確な相違があった。この領域は設計図と照らし合わせるとコンクリート材８５の途中から基礎コンクリート層８４及び砕石基礎層８３までの領域であるため、コンクリート材８５の途中で何らかの亀裂かクラックが生じていることが類推された。１.４ｍから２.５ｍの深度では、砕石基礎層８３と地盤８２との接触部以降の領域である程度均一な状況であることが類推された。

【0050】

更に、図８のＥ図については、固定位置から０.７ｍの深度の第２張りコンクリート８８の領域は均一な組織の領域であることが確認された。更に１.２ｍの深度まではある程度均一な組織の領域であることが確認された。これは設計図と照らし合わせると第１張りコンクリート８７と根固めコンクリート部８６の一部であることが判った。更に１.８ｍの深度まではある程度均一な組織の領域であり根固めコンクリート部８６に対応された領域であることが確認されたが、それ以下では脆弱な地盤であることが推察され、深度が１.８ｍ以下の反射波は脆弱なものとなった。

【0051】

結果的には、図８の橋台８１では、橋台直下の健全性は高いけれども橋台の側部については、支持するコンクリート材８５の一部にクラックが存在することが示唆され、根固めコンクリート部８６自体が脆い状態となっているものと推察された。

【0052】

一方、図９については、Ｆ図に示す通り、固定位置から１ｍの深度の領域とそれ以下の１.６ｍの深度までの領域とで反射波の形状に大きな差が生じていた。これは設計図によるとコンクリート材９５の途中から２つの領域に分かれていることとなっている。更に３.２ｍまでの深度では、基礎コンクリート層９４及び砕石基礎層９３から地盤９２まではある程度健全な組織であろうことが示唆された。

【0053】

Ｇ図では、固定位置から０.８ｍの深度までの領域とそれ以下の１.６ｍの深度までの領域とで反射波の形状に大きな差が生じていた。これは設計図によるとコンクリート材９５の途中から２つの領域に分かれていることとなっている。更に２.４ｍまでの深度では、基礎コンクリート層９４及び砕石基礎層９３から地盤９２まではある程度健全な組織であろうことが示唆された。

【0054】

また、Ｈ図では、固定位置から０.６ｍの深度までの領域とそれ以下の１.３ｍの深度までの領域とで反射波の形状に大きな差が生じていた。これは設計図によるとコンクリート材９５の途中から２つの領域に分かれていることとなっている。更に２ｍまでの深度では、基礎コンクリート層９４及び砕石基礎層９３から地盤９２まではある程度健全な組織であろうことが示唆された。また、Ｆ図、Ｇ図、Ｈ図からコンクリート材９５の側部から中央に掛けて内部に亀裂・クラックが発生している疑いがあることが判った。

【0055】

更に、Ｉ図では、固定位置から０.８ｍの深度の第２張りコンクリート９８の領域は均一な組織の領域であることが確認された。更に１.２ｍの深度まではある程度均一な組織の領域であることが確認された。これは設計図と照らし合わせると第１張りコンクリート９７と根固めコンクリート部９６の一部であることが判った。更に２.２ｍの深度まではある程度均一な組織の領域であり根固めコンクリート部９６及び川床の地盤に対応された領域であることが確認されているため、根固めコンクリート部９６自体が川床の地盤と同様の脆弱さを有している可能性があることが示唆された。

【0056】

また、Ｊ図では、固定位置から０.６ｍの深度の第２張りコンクリート９８の領域は均一な組織の領域であることが確認された。更に１ｍの深度まではある程度均一な組織の領域であることが確認された。これは設計図と照らし合わせると第１張りコンクリート９７の一部であることが判った。更に２.２ｍの深度まではある程度均一な組織の領域であるため、第１張りコンクリート９７の下位位置と川床との境界が曖昧となっていることが示唆された。

【0057】

３．積層構造物の探査
広帯域の音波を使用し、波形から表層にアスファルトを被覆したコンクリート構造物の状態を推定した。具体的には、降雨時には１ｍ以上冠水するＫ市のアンダーパス舗装路面下の調査を超音波で実施した。図１０は計測したアンダーパス舗装路面の模式的断面を示す説明図である。図１１は計測したアンダーパス舗装路面の計測結果の例を示し、ａ図は１０００ｍｍ以下が解析不能である例であり、ｂ図は２０００ｍｍの地下まで反射波が存在する例を示す。

【0058】

図１０に示す通り、舗装路面は、表面から約１００ｍｍの深さのアスファルト部１０１と、その下方の約２００ｍｍの深さのコンクリート部１０２と、更にその下方の約７００ｍｍの床版部１０３と、その下方の地盤１０４とから構成されている。この舗装路面について、アンダーパス全体の調査領域を約２×３ｍの区画として、個々の区画の地下構造の測定を行った。

【0059】

個々の計測の例として、図１１のａ図とｂ図とを示す。個々の図において、横軸は計測点での深さ位置（０～２０００ｍｍ）を示す。ａ図に示す通り、区画ＮＢ－１５は、３００ｍｍ程度の深さまで均一な反射波の受信があり、それ以下ではほとんど反射波が計測されていないことから、アスファルト部１０１とコンクリート部１０２とはある程度健全な組織であろうことが示唆されたが、床版部１０３に何らかの空隙がある等の脆弱さを有している区画であることが示された。

【0060】

これに対して、ｂ図に示す通り、区画ＮＢ－１５に隣接する区画ＮＢ－１６は、地下２０００ｍｍまで有効な反射波が観測され、アスファルト部１０１とコンクリート部１０２と床版部１０３と地盤１０４との全てが健全な組織であろうことが示唆された。加えて、図示はしていないが、地盤１０４に相当する６ｍの深さに亘って、深さ約２ｍから略１ｍおきに５回繰り返す明確な堅牢層の反射波（約２ｍ位置の破線で囲んだような反射波）が確認された。

【0061】

波形ピークの鋭さと反射エネルギーの周波数分布からしてコンクリートであるとは考えられず、通常は鉄材からの反射と考えるべきものであった。尚、区画ＮＢ－１６に隣接する他の区画で同様の鉄材からの反射と考えられる反射波が計測された区画については、側溝沿いであること、湧水の多い箇所であることを併せて考えると、仮設時の矢板が埋め殺しとなっており、その腹起こしのＨ鋼からの反射波と考えると測定結果によく合致するため、そのように報告した。その後、この地点での過去の工事写真で矢板及びＨ鋼が確認され、裏付けが得られた。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明では、広帯域音波を用いて探査することにより、コンクリートを始めとして、連続して連なった層について、内部組織の密度分布や空隙の有無とその大きさを探査することができる。

【符号の説明】

【0063】

１０…探査装置、
１２…音波発信器、
１４…反射波受信器、
１６…ゲートアレイ、
１８…ＰＣ（解析手段）、
６１…金属、
６２…きず、
６３…コンクリート、
７１，８１、９１…橋台、
７２、８２、９２…地盤、
７３、８３、９３…砕石基礎層、
７４、８４、９４…基礎コンクリート層、
７５、８５、９５…コンクリート材、
７６、８６、９６…根固めコンクリート部、
７７、８７、９７…第１張りコンクリート、
７８、８８、９８…第２張りコンクリート、
１０１…アスファルト部、
１０２…コンクリート部、
１０３…床版部、
１０４…地盤、

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】