JP6861969B2 - 弾性波送受信プローブ、これを用いた測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリートの物性及び欠陥について非破壊試験をする測定技術に係り、特に弾性波を利用した非破壊試験に用いる弾性波送受信プローブ、これを用いた測定装置及び測定方法に関する。

コンクリートに関する物性及び欠陥については、種々の試験方法で試験又は点検されている。コンクリートの物性及び欠陥評価における評価指標としての弾性波伝播特性（伝播速度、振幅及び周波数スペクトル）の特徴とその役割を明確にする必要がある。このコンクリートの物性に関してはセメントの凝結硬化性状が評価対象となる。コンクリートの欠陥に関しては、曲げ・ひび割れ深さ及び注入材の充填度、疲労によるコンクリート内部のひび割れ、鉄筋腐食に伴う鉄筋コンクリート界面の状況、ＰＣグラウト（プレストレスコンクリート注入材）の充填度等が評価対象となる。

セメントの凝結硬化性状、曲げ、ひび割れ、深さについて種々の非破壊試験方法がある。更に、注入材の充填度、疲労によるコンクリート内部のひび割れ、鉄筋腐食に伴う鉄筋コンクリート界面の状況について種々の非破壊試験方法がある。例えば、弾性波を利用した非破壊試験には、衝撃弾性波法、超音波法等がある。その他に、打音によりコンクリート中に弾性波を発生させ、この弾性波がコンクリート表面から空気中に放射されたものを測定する打音法がある。この打音法はコンクリートのひび割れ及び剥離、内部空隙範囲の検出に利用されている。更に、コンクリートのひび割れに伴って発生し伝搬する弾性波を検出し、コンクリート表面にＡＥ変換子（センサ）を設置して検出するアコースティック・エミッション（ＡＥ Acoustic Emission)法がある。このＡＥ法はコンクリートのひび割れの発生・進展位置の検出に利用されている。

衝撃弾性波法は、入力装置としてハンマ、鋼球等が用いられる。この入力装置は主に人の作業により駆動される。受信装置は加速度センサ、ＡＥセンサ等が用いられる。この試験方法の弾性波は、波長が長く、エネルギーが大きいという性質がある。この試験方法は、再現性のある弾性波を入力することが困難であるが、実構造物での実績が多い。

一方、超音波法は、入力装置として探触子、ＡＥセンサ等が用いられる。この入力装置は電圧の制御で駆動される。受信装置は探触子、ＡＥセンサ等が用いられる。この試験方法の弾性波は、波長が短く、エネルギーが小さいという性質がある。この試験方法は、再現性のある弾性波を入力することが可能であるが、実構造物での実績が少ない。

衝撃弾性波法によるコンクリートの物性及び欠陥についての非破壊試験に関する技術として、例えば特許文献１の特開２０００−１３１２９０公報「コンクリートの非破壊検査装置」のように、外力を加えられたコンクリートから発生する振動を振動信号として検出する信号検出手段と、上記振動信号を複数の所定の周波数帯域毎の時系列信号に変換する変換手段と、上記時系列信号の最大値を上記周波数帯域毎に抽出する抽出手段と、上記各最大値をあらかじめ設定された上記周波数帯域毎の振動基準値と比較する比較手段とを備えたコンクリートの非破壊検査装置が提案されている。

特開２０００−１３１２９０公報

このように衝撃弾性波法は、測定が容易であり、入力する弾性波の波長が長く、エネルギーが大きいため減衰しにくく、コンクリートの実構造物での計測においてよく利用されている。しかし、弾性波の入力にハンマや鋼球を使用するため、打撃する人によりその打撃力が均一になりにくく、測定誤差が生じやすいという問題を有していた。

また、衝撃弾性波法は、コンクリート構造物の表面が打撃により塑性変形、場合によっては表面の一部が破壊することがあった。そのため、打撃による入力波形や得られる弾性波の指標にばらつきが生じやすいという問題を有していた。

本発明の発明者は、磁性体に巻き付けた導線に電流を流すことで大きな歪みを生じさせることが可能な磁歪に着目した。更に水の非圧縮性流体としての特性に着目した。そこで、磁歪現象を活用して水を発信プローブ（発信子）として駆動させ、かつ水をコンクリート構造物とのカップリング（接合、接触）にも併用することで、コンクリート構造物の中へ弾性波を入力させることができると考えた。同様に受信プローブ（受信子）にもこの水の非圧縮性流体としての特性を利用できると考えた。この技術をコンクリート構造物等の検査対象物に接触する探針、即ちプローブ（ｐｒｏｂｅ）に応用できると考えた。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、水の非圧縮性流体としての特性を利用し、かつ衝撃弾性波法と超音波法の特長を利用した弾性波の発信プローブ、受信プローブを用いることで、再現性のある弾性波特性から、コンクリートの実構造物における内部欠陥や品質の評価への適用が可能であり、精度の高い評価結果が得られる弾性波送受信プローブ、これを用いた測定装置及び測定方法を提供することにある。

本発明の弾性波送受信プローブは、検査対象物（ｍ）に弾性波を入力し、該検査対象物（ｍ）において伝播した弾性波を受信して非破壊試験をする際に用いる弾性波送受信プローブ（１）であって、
発振子として機能させる導線（２１）が巻回された強磁性体コア（２）と、該強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）とから成る磁歪センサ（４）と、
前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた、一部がベローズ（１９）から成る有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成り、該カップ部（６）が首振り可能、かつ伸縮自在に形成されたウォーターチャンバー（７）と、を備え、
前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を検査対象物（ｍ）の表面に当て、この検査対象物（ｍ）と前記液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填し、該液体充填筒部（５）内に液体を充填した状態で前記磁歪センサ（４）を駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を前記受信センサ（３）で受信するように構成した、ことを特徴とする。

前記ウォーターチャンバー（７）は、前記カップ部（６）に液体を注入する注入口（６ａ）と、液体を排出する排出口（６ｂ）をそれぞれ具備したものである。

本発明の弾性波送受信プローブを用いた測定装置は、検査対象物（ｍ）について、弾性波を利用して非破壊試験をする弾性波送受信プローブを用いた測定装置であって、
発振子として機能させる導線（２１）が巻回された強磁性体コア（２）と、該強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）とから成る磁歪センサ（４）と、
前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成るウォーターチャンバー（７）と、
前記磁歪センサ（４）と前記ウォーターチャンバー（７）とを収容する有底筒形状のホルダー（１６）と、
前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を検査対象物（ｍ）に当てる吸着機構と、
検査対象物（ｍ）の表面に接する２個の調節子（１５）が、前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を支持する前記ホルダー（１６）と共に可動し、該ウォーターチャンバー（７）が検査対象物（ｍ）の表面に接する角度を可変する位置調節機構（１４）と、
前記磁歪センサ（４）を駆動する電流発生装置（２２）と、を備え、
前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を、前記吸着機構を用いて検査対象物（ｍ）の表面に当て、この検査対象物（ｍ）と液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填し、前記液体充填筒部（５）内に液体を充填した状態で前記磁歪センサ（４）を、前記電流発生装置（２２）で駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を前記受信センサ（３）で受信するように構成した、ことを特徴とする。

前記吸着機構は、前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）の周囲に複数の吸着パッド（１０）が取り付けられたものである。

本発明のプローブを用いた測定方法（衝撃弾性波法）は、検査対象物（ｍ）について、弾性波を利用して非破壊試験をする弾性波送受信プローブ（１）を用いた測定方法であって、
検査対象物（ｍ）の表面に、磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた、一部がベローズ（１９）から成る有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成り、該カップ部（６）が首振り可能、かつ伸縮自在に形成されたウォーターチャンバー（７）を当て、
検査対象物（ｍ）と前記液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填した状態で、前記磁歪センサ（４）を駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を、前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）で受信し、
受信した弾性波について、反射エコー、弾性波の周波数、位相それぞれを分析し、検査対象物（ｍ）内部の欠陥、背面空洞の有無、その欠陥の位置までの距離を測定する、ことを特徴とする。
前記弾性波の周波数は、２０ＫＨｚ以下で超音波域より低い周波数域を使用する。

本発明のプローブを用いた測定方法（超音波法）は、検査対象物（ｍ）について、弾性波を利用して非破壊試験をする弾性波送受信プローブ（１）を用いた測定方法であって、
検査対象物（ｍ）の表面に、磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた、一部がベローズ（１９）から成る有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成り、該カップ部（６）が首振り可能、かつ伸縮自在に形成されたウォーターチャンバー（７）を当て、
検査対象物（ｍ）と前記液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填した状態で、前記磁歪センサ（４）を駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を、前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）で受信し、
受信した弾性波について、その到達時間、波形、周波数、位相それぞれの変化を測定位置で読み取り、欠陥を検出する、ことを特徴とする。
前記弾性波の周波数は２０ＫＨｚ以上の超音波域を使用する。

上記構成の弾性波送受信プローブ（１）と、これを用いた測定装置（５）では、ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）をコンクリート構造物等の検査対象物（ｍ）の表面に当て、発生させた弾性波をこのカップ部（６）から検査対象物（ｍ）内に入力することができる。非破壊検査の際に重要な検査手段となる弾性波を検査対象物（ｍ）と液体充填筒部（５）から形成された空間に充填された液体を「送信プローブ」として検査対象物（ｍ）内に入力し、また液体充填筒部（５）内の液体を「受信プローブ」して受信する。この弾性波送受信プローブ（１）は水の非圧縮性流体としての特性を利用しているので、弾性波は、検査対象物（ｍ）の表面から直進で伝播する。そこで、弾性波は入力、受信しやすいので、弾性波の指標にばらつきがなく、正確な測定が可能となる。検査対象物（ｍ）の表面に、ある程度の凹凸があってもそれに影響されない。

また、従来のように人がハンマや鋼球を使用して打撃するものと比較して、打撃力が均一になり、ばらつきのない安定した弾性波を発生させることができる。コンクリート構造物等の検査対象物（ｍ）の表面に接する箇所が、検査対象物（ｍ）と液体充填筒部（５）から形成された空間に充填された液体であるため、ハンマや鋼球のように打撃による塑性変形、表面の一部が破壊するといった不具合が発生しない。

上記構成の弾性波送受信プローブを用いた測定方法（衝撃弾性波法）では、衝撃波エネルギーの減衰が少ないため、遠くまで弾性波を伝搬させることができる。この弾性波は超音波より周波数が低いため、厚いコンクリートの探査、大規模なコンクリート構造物の試験、点検が可能である。

上記構成の弾性波送受信プローブを用いた測定方法（超音波法）では、コンクリート内部のひび割れの測定に適している。この測定方法は、コンクリート構造物の測定の形状・寸法にあまり制約がない。

本発明の弾性波送受信プローブを用いた測定装置を示す正面図である。 本発明の弾性波送受信プローブを用いた測定装置を示す背面図である。 本発明の弾性波送受信プローブを示す一部切り欠いた側面図である。 ウォーターチャンバーの実施例を示し、（ａ）は平断面図、（ｂ）は側断面図である。 磁歪センサの実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 ウォーターチャンバー内に水を充填した状態を示す側断面図である。 本発明の弾性波送受信プローブを駆動させる状態を示す概略構成図である。 測定時にモニタリングした電流波形と加速度センサで受信した時刻歴波形を加速度に変換した振動波形を示すグラフであり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は磁歪センサの振動波形である。 図８に示す各波形の立ち下がり、立ち上がり時刻付近（波頭部）を示すグラフであり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は磁歪センサの振動波形である。 加速度波形に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行って算出した周波数スペクトルの一例を示すグラフである。 弾性波伝搬速度を測定するためのコンクリートの供試体の概要を示す概略斜視図である。 未充填供試体のコンクリート部分において計測した際のコンクリート表面に貼付けた加速度センサで受信した時刻歴波形を加速度に変換した波形を示すグラフであり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は加速度センサの振動波形である。 図１２に示す加速度センサで受信した波形の立ち上がり時刻付近（波頭部）を拡大したものを示すグラフである。数１の数式を適用して得られたＡＩＣkの時間変動も示している。 充填供試体及び未充填供試体で得られた弾性波伝搬速度の１０回の平均値をそれぞれ示すグラフである。 充填供試体及び未充填供試体のシース上で得られた弾性波伝搬速度の１０回の平均値をそれぞれ示すグラフである。

本発明の弾性波送受信プローブは、送信プローブ、受信プローブとして機能するウォーターチャンバーを備えた送受信プローブであり、弾性波を利用して非破壊試験をする装置である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
＜弾性波送受信プローブを用いた測定装置の構成＞
図１は本発明の弾性波送受信プローブを用いた測定装置を示す正面図である。図２は本発明の弾性波送受信プローブを用いた測定装置を示す背面図である。
本発明の弾性波送受信プローブ１は、発振子として機能する強磁性体コア２と、この強磁性体コア２を受振子として機能させる受信センサ３とから成る磁歪センサ４と、この強磁性体コア２の一部を底部から突出させた有底筒形状の液体充填筒部５と、液体充填筒部５の開口側に形成されたカップ部６とから構成されたウォーターチャンバー７とを備えた送受信プローブである。ウォーターチャンバー７は、カップ部６を検査対象物ｍに水密にして当て、この液体充填筒部５内に水などの液体を充填した状態で使用する。

発明の弾性波送受信プローブ１を用いた測定装置８は、この弾性波送受信プローブ１に、これを試験対象物ｍであるコンクリート構造物の表面に固定するための吸着機構、位置調節機構１４、パルス電流発生装置２２等を備えた装置である。

図示例の吸着機構は、ウォーターチャンバー７を支持する本体部９の上方に２か所、下方に１か所それぞれに吸着パッド１０が取り付けられたものである。これらの３か所に配置された吸着パッド１０の中央位置に、送受信プローブ１として機能するウォーターチャンバー７が配置されている。ウォーターチャンバー７のカップ部６が検査対象物ｍの表面に均等な圧力で接し易くするためである。なお、吸着機構を構成する吸着パッド１０は３個に限定されない。

それぞれの吸着パッド１０は、例えばシリコーンゴム製のような柔軟な合成樹脂素材で構成されている。弾性波送受信プローブ１を検査対象物ｍに当てる構成（吸着機構）は、ウォーターチャンバー７のカップ部６を検査対象物ｍの表面に均等な圧力で当てることができれば、図示例のような吸着パッド１０に限定されずその他の構成のものを用いることができる。例えば、本体部９を後方から押圧する構造のものを用いることができる。

吸着機構を構成する各吸着パッド１０には、その中心位置に穴１１が開けられ、この穴１１にチューブ１２を連結し、このチューブ１２から吸引装置（図示せず）により吸引するようになっている。そこで、シリコーンゴム製等の柔軟な素材で構成されている吸着パッド１０は検査対象物ｍに容易に吸着させることができる。

この本体部９には、この弾性波送受信プローブ１を用いた測定装置８を、検査対象物ｍに当てる際に持ち手となるハンドル１３が２か所に取り付けられている（図２の背面図参照）。

更に、本体部９には位置調節機構１４が設けられている。図示例の位置調節機構１４は、ウォーターチャンバー７のカップ部６に隣接するように２個のシリコーンゴム製等の柔軟な素材で構成された調節子１５が、ウォーターチャンバー７と磁歪センサ４とを収容支持する略箱状のホルダー１６と共に、回転板１６ａに取り付けられている。この回転板１６ａが回転台１６ｂに回動自在に取り付けられている。この回転台１６ｂは本体部９に取り付けられている。

回転板１６ａには、操作レバー１７がカップ部６と反対方向に突出するように取り付けられている。この位置調節機構１４により、ウォーターチャンバー７と磁歪センサ４とを収容支持するホルダー１６全体が、検査対象物ｍの表面に均等に接するように調節することができる。
なお、図示例の位置調節機構１４は水平方向（ｘｙ軸方向）の角度を調節する構成である。これに上下方向（伏角・仰角）への角度を調節する構成を加えて良い。より精緻に位置調節が可能になる。

弾性波送受信プローブ１の構成は、ウォーターチャンバー７（カップ部６）を安定した状態で検査対象物ｍの表面に当てることができる構造であれば、本体部９の形状、吸着パッド１０の配置状態は、図示する形状、配置に限定されない。同様に位置調節機構１４の構成も図示例に限定されない。

＜ウォーターチャンバーの構成＞
図３は本発明の弾性波送受信プローブ部分を断面にした状態を示す測定装置の側面図である。図４はウォーターチャンバーの実施例を示し、（ａ）は平断面図、（ｂ）は側断面図である。
ウォーターチャンバー７は、磁歪センサ４の強磁性体コア２の一部を底部から突出させた有底筒形状の液体充填筒部５と、液体充填筒部５に形成された、検査対象物ｍに水密状に当てるカップ部６とから成るものである。ウォーターチャンバー７は、磁歪センサ４と共に箱型のホルダー１６に収容されている。

図示例の液体充填筒部５は、一端にリング状の底板１８に強磁性体コア２が貫通固定され、他端の開口にカップ形状のカップ部６を有する。この底板１８とカップ部６はベローズ１９のようなフレキシブルな構成の部材で連結されている。カップ部６にはシールパッキン２０が取り付けられている。検査対象物ｍと液体充填筒部５から形成された空間に液体を充填したときに水密にするためである。なお、カップ部６が首振り可能であればベローズ１９に限定されない。

カップ部６は、このベローズ１９により磁歪センサ４に対して首振り可能になる。検査対象物ｍの表面がある程度の傾斜した状態でも適正な角度でカップ部６をその表面に当てることができる。
また、ベローズ１９は伸縮が自在になり、検査対象物ｍ表面と磁歪センサ４（強磁性体コア２）先端との間隔を調整することができる。

＜磁歪センサの構成＞
図５は磁歪センサの実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
ウォーターチャンバー７の液体充填筒部５内の液体を駆動させる磁歪センサ４は、発振子として機能させる導線２１が巻回された強磁性体コア２と、強磁性体コア２を受振子として機能させる受信センサ３とから構成されている。図示例の強磁性体コア２は、細長い略コの字型のエレメントを複数枚に積層したものである。各エレメントの間はポリイミド樹脂等の絶縁材により絶縁処理している。積層したエレメント即ち強磁性体コア２の各脚部２ａには、それぞれ導線２１を巻回してある。

例えば、磁歪センサ４は、厚さ０．３５ｍｍのエレメントを５１枚積層し、各エレメントの間は絶縁材より絶縁処理する。積層したエレメント（強磁性体コア２）の脚部２ａには、直径１ｍｍの導線２１を片脚あたり１５回巻回したものを用いた。但し、これらの数値は一例であってこれに限定されないことは勿論である。

＜ウォーターチャンバー内における水の充填＞
図６はウォーターチャンバー内に水を充填した状態を示す側断面図である。水はグレー部分で表示している。
ウォーターチャンバー７のカップ部６には、液体を注入する注入口６ａと、液体を排出する排出口６ｂをそれぞれ具備している。この注入口６ａから水などの液体を注入し、検査対象物ｍと液体充填筒部５から形成された空間に液体が常時充填されるようにする。なお、余分な液体は排出口６ｂから排出することで、水圧によりカップ部６（シールパッキン２０）と検査対象物ｍとの接触面から液体が漏れないになっている。このときは内部の液体に気泡が入らないようにする。
なお、一旦検査対象物ｍと液体充填筒部５から形成された空間に液体を注入した後は、サイホンの原理を利用して、常にこの空間内に液体が充填されるように構成することもできる。

本発明の弾性波送受信プローブ１は、磁歪現象を活用したものであり、 水を発信子として駆動かつ検査対象物ｍであるコンクリート構造物に当てる（カップリング）に利用して、コンクリート構造物（検査対象物ｍ）中へ弾性波を入力する。カップ部６内の水の非圧縮性流体としての特性を利用したものであれば、ウォーターチャンバー７の形状は、検査対象物ｍと液体充填筒部５から形成された空間に液体（水）が充填され、液体（水）の非圧縮性流体としての特性を利用した構成と磁歪現象を生成する機構を有するものであれば、図示した形状に限定されない。
また、検査対象物ｍと液体充填筒部５から形成された空間に充填する液体には水を利用したが、非圧縮性流体としての特性を有するものであれば、この水以外のものでも利用できる。

本発明の弾性波送受信プローブ１には、コンクリート構造物等の検査対象物ｍに接する個所が液体（水）であるため、この検査対象物ｍの表面に凹凸があっても、その凹凸に影響されずに正確な測定ができる。また、送信プローブが液体（水）であるため、従来の打音ハンマ等による検査対象物ｍを破損、ひび割れといった不具合も生じない。
同様に、検査対象物ｍからの弾性波について、ウォーターチャンバー７の液体（水）を受信プローブとして受信センサ３で受信する。

＜弾性波送受信プローブの衝撃弾性波法としての利用方法の動作説明＞
図７は本発明の弾性波送受信プローブを駆動させる状態を示す概略構成図である。
本発明の弾性波送受信プローブ１を衝撃弾性波法の測定に利用する方法について説明する。
先ず、検査対象物ｍの表面に、ウォーターチャンバー７のカップ部６を検査対象物ｍの表面に当てる。
この検査対象物ｍと液体充填筒部５から形成された空間に液体を充填する。
液体充填筒部５内に液体を充填した状態で、パルス電流等の電流発生装置２２を用いて磁歪センサ４の強磁性体コア２に巻き付けた導線２１に、所定電圧の電流を流す。これにより強磁性体コア２が磁化され、この磁化する過程において、強磁性体コア２の結晶は磁化方向に歪む（磁歪現）。強磁性体コア２が歪むことにより、磁歪センサ４が駆動し、弾性波が発生する。
この弾性波が非圧縮性流体の水を発信子として駆動させ、コンクリート構造物（検査対象物ｍ）の表面に衝撃を与える。これによりコンクリート構造物中へ弾性波が入力される。

検査対象物ｍで伝播した弾性波は、検査対象物ｍの表面に当てた液体充填筒部５内の液体を受信プローブとして、受信センサ３で受信する。受信した弾性波について、反射エコーや波の周波数、位相などを分析し、内部の欠陥、背面空洞の有無、欠陥の位置までの距離を測定する。弾性波の周波数は、２０ＫＨｚ以下で超音波域より低い周波数域を使用する。

本発明の弾性波送受信プローブ１を用いた衝撃弾性波法では、衝撃波エネルギーの減衰が少ないため、遠くまで弾性波を伝搬させることができる。この弾性波は超音波より周波数が低いため、厚いコンクリートの探査、大規模なコンクリート構造物の試験、点検が可能である。

＜弾性波送受信プローブを超音波法としての利用方法＞
本発明の弾性波送受信プローブ１を超音波法の測定に利用する方法について説明する。
先ず、検査対象物ｍの表面に、ウォーターチャンバー７のカップ部６を検査対象物ｍの表面に当てる。
この検査対象物ｍと液体充填筒部５から形成された空間に液体を充填する。
液体充填筒部５内に液体を充填した状態で、この状態で、パルス電流等の電流発生装置２２を用いて磁歪センサ４の強磁性体コア２に巻き付けた導線２１に、所定電圧の電流を流す。これにより強磁性体コア２が磁化され、この磁化する過程において、強磁性体コア２の結晶は磁化方向に歪む（磁歪現）。強磁性体コア２が歪むことにより、磁歪センサ４が駆動し、弾性波が発生する。
この弾性波が非圧縮性流体の水を発信子として駆動させ、コンクリート構造物（検査対象物ｍ）の表面に衝撃を与える。これによりコンクリート構造物中へ弾性波が入力される。

検査対象物ｍで伝播した弾性波は、検査対象物ｍの表面に当てた液体充填筒部５内の液体を受信プローブとして、受信センサ３で受信する。この受信した弾性波について、その到達時間、波形、周波数、位相などの変化を測定位置で読み取り、欠陥を検出する。弾性波の周波数は２０ＫＨｚ以上の超音波域を使用する。

弾性波送受信プローブ１を用いた超音波法では、コンクリート内部のひび割れの測定に適している。この測定方法（超音波法）は、コンクリート構造物の測定の形状・寸法にあまり制約がない。

＜弾性波伝搬速度の測定試験＞
次に、本発明の弾性波送受信プローブ１の弾性波に関する物性の１つである弾性波伝搬速度について測定した結果を示す。
パルス電流発生装置２２により磁歪センサ４の導線２１に、印加電圧が１５０Ｖ、パルス幅が５μｓの電流を流して動作させた。ピーク値（絶対値）：１５Ａの電流を流し、強磁性体コア２の表面に貼付けた加速度センサ（図示せず）により、磁歪現象により生じる振動の計測を行った。加速度センサは、図示していないが、例えばシアノアクリレートを主成分とした接着剤により強磁性体コア２の表面に貼付けている。使用した加速度センサの周波数応答（±３ｄＢ）は、０．２〜２００００Ｈｚである。加速度センサで受信した信号は、サンプリング時間間隔０．０５μｓ、サンプリング数２０００００個でデジタル化した後、波形収集装置に電圧の時刻歴応答波形として記録した。測定ごとのばらつきを把握するため、測定回数は１０回に設定した。

＜弾性波伝搬速度の測定結果＞
図８は測定時にモニタリングした電流波形と加速度センサで受信した時刻歴波形を加速度に変換した振動波形を示すグラフであり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は磁歪センサの振動波形である。
ここで、図８（ｂ）に示す加速度波形、すなわち磁歪センサ４の振動波形に着目する。先ず、縦軸の最大加速度は、約８０Ｇと極めて大きい値になっていることが確認できる。一方、横軸の時間は、長時間（約１５００μｓ）に渡って磁歪センサ４の振動が継続していることがわかる。

図８（ａ）に示すように、導線２１に電流を流すと、強磁性体コア２が磁化方向に歪む。この現象が磁歪であり、これは瞬間的な現象である。磁歪現象が終了した後、磁化方向へ歪んだ強磁性体コア２には、元の状態に戻ろうとする復元力が働く。最大加速度約８０Ｇで振動している強磁性体コア２が元の状態に戻るまでには、慣性力の作用により、当然多くの時間が必要となる。そのため、加速度波形の振動継続時間が長くなった。

図９は図８に示す各波形の立ち下がり、立ち上がり時刻付近（波頭部）を示すグラフであり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は磁歪センサの振動波形である。
続いて、導線２１に電流を流し始めた時刻、磁歪現象により磁歪センサ４が振動を開始する時刻及び両者の時刻の差（タイムラグ）の確認をした。図示するように、電流波形の立ち下がり時刻から数μｓ経過した後に磁歪センサ４が振動していることが確認できる。このタイムラグを算出するため、電流波形の立ち下がり及び磁歪センサ４の振動波形の立ち上がり時刻を所定の方法で求めた。

まず、両者の波形を自己回帰モデルで表現した。続いて、それぞれに対して、赤池情報量規準（Akaike Information Criteria、 IC）を適用し、この値が最小になった時刻を立ち下がりあるいは立ち上がり時刻とした。なお、任意の点ｉ＝ｋでのＡＩＣkは数１の数式により算出できる。

図示するように、電流波形および磁歪センサの振動波形それぞれに対して数１の数式を適用して得られたＡＩＣの時間変動を示す。ＡＩＣkが最小値を示す時刻が、電流波形の立ち下がりおよび磁歪センサ４の振動波形の立ち上がり時刻になっていることがわかる。表１に、１０回の測定で得られた電流波形の立ち下がり時刻、磁歪センサ４の振動波形の立ち上がり時刻及び両者の差分であるタイムラグをそれぞれ示す。

この表より、 推定した立ち下がりあるいは立ち下がり時刻のばらつきは極めて小さいことがわかる。そのため、弾性波伝搬速度を算出する際に使用するタイムラグは、１０回の測定から算出したタイムラグの平均値２１．９μｓを採用した。

図１０は加速度波形に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行って算出した周波数スペクトルの一例を示すグラフである。
磁歪センサ４の振動成分の把握を試みた。図示するように、周波数スペクトルは、加速度波形の平均値を算出し、加速度波形の各振幅値からこの平均値を差し引き、直流成分を除去した時刻歴波形に対してＦＦＴを行ったものである。図より、１７ｋＨｚと１８ｋＨｚに、単独の鋭いピークが出現していることが確認できる。なお、１０回測定した加速度波形から算出した全ての周波数スペクトルにおいて、１７ｋＨｚおよび１８ｋＨｚに単独のピークが出現しており、再現性は極めて高かった。これより、磁歪センサ４の振動としては図９に示す周波数特性を有しており、このような特性を有する弾性波をコンクリート中へ入力しているものと推察できる。

＜コンクリートの弾性波伝搬速度の測定＞
図１１は弾性波伝搬速度を測定するためのコンクリートの供試体の概要を示す概略斜視図である。
弾性波伝搬速度を測定するためのコンクリートの供試体３１は、高さ１０００ｍｍ×幅３００ｍｍ×奥行き１０００ｍｍのコンクリート製のものを２本使用した。各供試体３１においても、コンクリート表面（高さ１０００ｍｍ×奥行き１０００ｍｍ）から深さ５０ｍｍの位置に、外形６３ｍｍのスパイラルシース３２を１本埋設した。また、いずれのスパイラルシース３２の内部にも、呼び径３２ｍｍのＰＣ鋼棒３３を挿入した。スパイラルシース３２に対して、ＰＣグラウトを完全に充填したもの（充填供試体）と充填していないもの（未充填供試体）をそれぞれ作製した。なお、弾性波伝搬速度の測定は、図示するように、いずれの供試体３１においても、スパイラルシース３２が埋設されていないコンクリートのみの箇所で行った。

＜コンクリートの弾性波伝搬速度の測定方法＞
測定は、充填供試体３１および未充填供試体３１のスパイラルシース３２が設置されていないコンクリート部分でそれぞれ実施した。本発明の弾性波送受信プローブ１は、図１２に示すように、スパイラルシース３２のかぶり５０ｍｍ側のコンクリート表面（高さ１０００ｍｍ×奥行き１０００ｍｍ）にエアーコンプレッサーを使用して吸着させた。

吸着後、本発明の弾性波送受信プローブ１のウォーターチャンバー７内を、アスピレータにより水の中に含まれる空気を極力少なくした水で満たした。これは、空気が多いとコンクリートへ入力する弾性波のエネルギーが小さくなるためである。その後、強磁性体コア２の表面とコンクリート表面との距離が５ｍｍとなるように、位置調節機構１４（ｘｙ軸ステージ）により磁歪センサ４の位置を微調整した。

一方、 弾性波の受信側である加速度センサは、本発明の弾性波送受信プローブ１（磁歪センサ４）を設置したコンクリート表面と対向する面（高さ１０００ｍｍ×奥行き１０００ｍｍ）に、磁歪センサ４と加速度センサの両センサの中心が一致するように設置した（図示せず）。

パルス電流発生装置２２の設定（電圧、パルス幅、電流）、加速度センサの仕様、波形収集装置の設定（サンプリング時間間隔、サンプリング数など）は、上述した測定と全て同じである。なお、測定ごとのばらつきを把握するため、測定回数は１０回に設定した。

＜コンクリートの弾性波伝搬速度の測定結果＞
図１２は未充填供試体のコンクリート部分において計測した際のコンクリート表面に貼付けた加速度センサで受信した時刻歴波形を加速度に変換した波形を示すグラフであり、（ａ）は電流波形、（ｂ）は加速度センサの振動波形である。
図１２と図８（ｂ）に示す加速度波形における最大加速度を比較すると、コンクリート表面で受信した最大加速度が、磁歪センサ表面で受信したそれよりも１．５倍程度大きくなった。

図１３は図１２に示す加速度センサで受信した波形の立ち上がり時刻付近（波頭部）を拡大したものを示すグラフである。数(1)を適用して得られたＡＩＣkの時間変動も示し、（ａ）は電流波形、（ｂ）は加速度センサの受信波形である。
図示するように、ＡＩＣkが最小値を示す時刻が、加速度センサで受信した波形の立ち上がり時刻に一致していることがわかる。この結果と上述したタイムラグ（導線２１に電流を流し始めた時刻と磁歪現象により本発明の弾性波送受信プローブ１（磁歪センサ４）が振動を開始する時刻の差）から、コンクリートの弾性波伝搬速度を算出した。この算出式は数２に示すものである。なお、厳密には、水の弾性波伝搬速度も考慮してコンクリートの弾性波伝搬速度を算出する必要があるが、水が振動する部分の厚さ（磁歪センサ４とコンクリート表面との距離）がいずれの計測でも５ｍｍと一定かつ極めて小さいため、ここではこの影響を無視して計算した。

図１４は充填供試体及び未充填供試体で得られた弾性波伝搬速度の１０回の平均値をそれぞれ示すグラフである。
図１４に、充填供試体３１および未充填供試体３１で得られた弾性波伝搬速度の１０ 回の平均値をそれぞれ示す。また、図中には、各供試体で得られた弾性波伝搬速度の最大値と最小値をエラーバーで併せて示している。図より、両供試体ともにばらつき（ここでは、最大値から最小値を引いたものと定義）は１００ｍ/ｓ程度と小さく、平均値の差も約８０ｍ/ｓと小さい。しかも、各供試体３１で得られた弾性波伝搬速度の全ての値は、衝撃弾性波法や超音波法などのその他の弾性波法で測定したコンクリートの弾性波伝搬速度と概ね同程度の値であることも確認できる。
このように、本発明の弾性波送受信プローブ１は、 コンクリート中に弾性波を入力できることが裏付けられ、かつ、弾性波伝搬速度の測定も可能であることが明らかとなった。

＜ＰＣグラウト充填状況の評価への適用＞
次に、上述した充填供試体３１及び未充填供試体３１を用いてＰＣグラウト充填状況の評価への適用について試験した。

＜ＰＣグラウト充填状況の評価の測定方法＞
測定は、図１１に示したように、充填供試体３１および未充填供試体３１のいずれの場合においても、シース上でそれぞれ計測を行った。本発明の弾性波送受信プローブ１の磁歪センサ４は、シース上のかぶり５０ｍｍ側のコンクリート表面に設置した。加速度センサは、本発明の弾性波送受信プローブ１（磁歪センサ４）を設置したコンクリート表面と対向する面に、磁歪センサ４と加速度センサの両センサの中心が一致するように設置した。パルス電流発生装置の設定（電圧、パルス幅、電流）、加速度センサの仕様、加速度センサの固定方法、波形収集装置の設定（サンプリング時間間隔、サンプリング数など）は、上述したものと全て同じである。なお、ここでも測定ごとのばらつきを把握することを目的に、測定回数は１０回に設定した。

＜ＰＣグラウト充填状況の評価の測定結果＞
図１５は充填供試体および未充填供試体のシース上で得られた弾性波伝搬速度の１０回の平均値をそれぞれ示すグラフである。
図１５に、充填供試体および未充填供試体のシース上で得られた弾性波伝搬速度の１０回の平均値をそれぞれ示す。図示するように弾性波伝搬速度は、数１の数式に基づき電流波形の立ち下がりおよび加速度センサで受信した波形の立ち上がり時刻を推定し、それらの結果とタイムラグの値を数２の数式にそれぞれ代入することにより算出した。図中には、各供試体で得られた弾性波伝搬速度の最大値と最小値をエラーバーでそれぞれ示している。

図１５に示すように、充填供試体３１および未 充填供試体３１におけるばらつき（最大値から最小値を引いた値）は、それぞれ、約１６０ｍ/ｓと約１８０ｍ/ｓであった。これらのばらつきは、図１４に示すコンクリート部分でのばらつきよりも、若干ではあるが大きくなった。一方、図１５に示す充填供試体での弾性波伝搬速度の平均値は、図１５の各供試体での平均値よりも小さくなった。これは、弾性波が伝搬する経路内に、シース、ＰＣグラウト、ＰＣ鋼棒があることより、弾性波が減衰したことによる影響と推察できる。

続いて、図１５に示すように、充填および未充填供試体での平均値を比較すると、未充填供試体３１での弾性波伝搬速度が充填供試体でのそれよりも小さくなっていることがわかる。弾性波の伝搬経路内に空洞、すなわちＰＣグラウト未充填部が存在するため、弾性波が迂回して伝搬した結果、弾性波伝搬速度が小さくなったと考えられる。なお、未充填供試体での弾性波伝搬速度が充填供試体のそれよりも小さくなる傾向は、１０回測定したばらつきを考慮しても成立している。

続いて、充填供試体３１および未充填供試体３１で得られた弾性波伝搬速度の各平均値に有意な差があるかを把握するため、統計的帰無仮説検定を行った。その結果，２つの母集団の平均値に有意差があることがわかった。これは、充填供試体３１での弾性波伝搬速度の平均値と未充填供試体３１でのそれは、異なる母集団から取り出されたものであることを意味している。従って、本発明の弾性波送受信プローブ１（磁歪センサ４）で測定した弾性波伝搬速度からＰＣグラウト充填状況を適確に評価できることが明らかとなった。

なお、本発明は、水の非圧縮性流体としての特性を利用し、衝撃弾性波法と超音波法の特長をそれぞれ有する弾性波の発受信プローブ１として用いることで、再現性のある弾性波特性から、コンクリートの実構造物における内部欠陥や品質の評価への適用が可能であり、精度の高い評価結果が得られれば、上述した発明の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明は、高速道路、鉄道のトンネル、建造物に限定されず、コンクリートその他の非破壊検査に利用することができる。

１ 弾性波送受信プローブ
２ 強磁性体コア
３ 受信センサ
４ 磁歪センサ
５ 液体充填筒部
６ カップ部
６ａ 注入口
６ｂ 排出口
７ ウォーターチャンバー
１０ 吸着パッド
１４ 位置調節機構
１５ 調節子
２１ 導線
２２ 電流発生装置
ｍ 検査対象物

Claims (8)

1. 検査対象物（ｍ）に弾性波を入力し、該検査対象物（ｍ）において伝播した弾性波を受信して非破壊試験をする際に用いる弾性波送受信プローブ（１）であって、
   発振子として機能させる導線（２１）が巻回された強磁性体コア（２）と、該強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）とから成る磁歪センサ（４）と、
   前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた、一部がベローズ（１９）から成る有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成り、該カップ部（６）が首振り可能、かつ伸縮自在に形成されたウォーターチャンバー（７）と、を備え、
   前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を検査対象物（ｍ）の表面に当て、この検査対象物（ｍ）と前記液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填し、該液体充填筒部（５）内に液体を充填した状態で前記磁歪センサ（４）を駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
   検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を前記受信センサ（３）で受信するように構成した、ことを特徴とする弾性波送受信プローブ。
2. 前記ウォーターチャンバー（７）は、前記カップ部（６）に液体を注入する注入口（６ａ）と、液体を排出する排出口（６ｂ）をそれぞれ具備したものである、ことを特徴とする請求項１に記載の弾性波送受信プローブ。
3. 検査対象物（ｍ）について、弾性波を利用して非破壊試験をする弾性波送受信プローブを用いた測定装置であって、
   発振子として機能させる導線（２１）が巻回された強磁性体コア（２）と、該強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）とから成る磁歪センサ（４）と、
   前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成るウォーターチャンバー（７）と、
   前記磁歪センサ（４）と前記ウォーターチャンバー（７）とを収容する有底筒形状のホルダー（１６）と、
   前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を検査対象物（ｍ）に当てる吸着機構と、
   検査対象物（ｍ）の表面に接する２個の調節子（１５）が、前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を支持する前記ホルダー（１６）と共に可動し、該ウォーターチャンバー（７）が検査対象物（ｍ）の表面に接する角度を可変する位置調節機構（１４）と、
   前記磁歪センサ（４）を駆動する電流発生装置（２２）と、を備え、
   前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）を、前記吸着機構を用いて検査対象物（ｍ）の表面に当て、この検査対象物（ｍ）と液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填し、前記液体充填筒部（５）内に液体を充填した状態で前記磁歪センサ（４）を、前記電流発生装置（２２）で駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
   検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を前記受信センサ（３）で受信するように構成した、ことを特徴とする弾性波送受信プローブを用いた測定装置。
4. 前記吸着機構は、前記ウォーターチャンバー（７）のカップ部（６）の周囲に複数の吸着パッド（１０）が取り付けられたものである、ことを特徴とする請求項３に記載の弾性波送受信プローブを用いた測定装置。
5. 検査対象物（ｍ）について、弾性波を利用して非破壊試験をする弾性波送受信プローブ（１）を用いた測定方法であって、
   検査対象物（ｍ）の表面に、磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた、一部がベローズ（１９）から成る有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成り、該カップ部（６）が首振り可能、かつ伸縮自在に形成されたウォーターチャンバー（７）を当て、
   検査対象物（ｍ）と前記液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填した状態で、前記磁歪センサ（４）を駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
   検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を、前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）で受信し、
   受信した弾性波について、反射エコー、弾性波の周波数、位相それぞれを分析し、検査対象物（ｍ）内部の欠陥、背面空洞の有無、その欠陥の位置までの距離を測定する、ことを特徴とする弾性波送受信プローブを用いた測定方法。
6. 前記弾性波の周波数は、２０ＫＨｚ以下で超音波域より低い周波数域を使用する、ことを特徴とする請求項５に記載の弾性波送受信プローブを用いた測定方法。
7. 検査対象物（ｍ）について、弾性波を利用して非破壊試験をする弾性波送受信プローブ（１）を用いた測定方法であって、
   検査対象物（ｍ）の表面に、磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）の一部を底部から突出させた、一部がベローズ（１９）から成る有底筒形状の液体充填筒部（５）と、該液体充填筒部（５）に形成された、検査対象物（ｍ）に水密状に当てるカップ部（６）とから成り、該カップ部（６）が首振り可能、かつ伸縮自在に形成されたウォーターチャンバー（７）を当て、
   検査対象物（ｍ）と前記液体充填筒部（５）から形成された空間に液体を充填した状態で、前記磁歪センサ（４）を駆動し、発生させた弾性波を、この充填した液体を発信プローブとして該検査対象物（ｍ）内に入力し、
   検査対象物（ｍ）の表面に当てた前記液体充填筒部（５）内の液体を受信プローブとして、該検査対象物（ｍ）で伝播した弾性波を、前記磁歪センサ（４）の強磁性体コア（２）を受振子として機能させる受信センサ（３）で受信し、
   受信した弾性波について、その到達時間、波形、周波数、位相それぞれの変化を測定位置で読み取り、欠陥を検出する、ことを特徴とする弾性波送受信プローブを用いた測定方法。
8. 前記弾性波の周波数は２０ＫＨｚ以上の超音波域を使用する、ことを特徴とする請求項７に記載の弾性波送受信プローブを用いた測定方法。
   

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