空中放射音波による遠距離非接触非破壊検査技術/NCAI 法佐藤工業技術研究所上席研究員 ○歌川紀之佐藤工業技術研究所主任研究員黒田千歳教授杉本恒美桐蔭横浜大学１工学部はじめに橋梁やトンネルなどコンクリート構造物の点検では、目視点検および叩き点検が基本となる。目視点検、特に近接目視点検や叩き点検は、コンクリート面に近づいて実施されるため、足場や高所作業車からの高所作業となり、特にトンネルの天端や橋梁下部では上向きの苦渋作業となる。これらの作業を合理化するため、目視点検については、レーザーや CCD カメラなどの光学機器による撮影、ひび割れの自動認識（位置、幅）システムの開発、近接するためのリモートコントロールのヘリコプターへのカメラの搭載などが成され、作業の合理化の研究開発は進みつつある。一方、叩き点検については、赤外線カメラの利用、電磁波法の利用、レーザー超音波法 1) 、打音ロボットの開発などが成されているが、目視点検に比較し、作業の合理化のための研究開発が進んでいないことが現状である。筆者ら 2) は、叩き点検を合理化・高精度化する技術として、空中放射音波による遠距離非接触非破壊検査技術（Non Contact Acoustic Imaging Method;NCAI 法）に着目し、研究開発を進めている。本技術は、指向性が強いスピーカーで発生させた音圧の大きい音波をコンクリート面に入射させる。その結果、コンクリート表面に発生した振動をレーザードプラ―振動計で測定し、その振動分布から、コンクリート表面の浮き・はく離などの欠陥を探査する技術である。試験体を対象とした探査では、 10ｍ離れた位置から、これらの欠陥の探査が可能であることが確認された。本報告では、NCAI 法を紹介するとともに、北陸地方の塩害を受けた RC 構造物へ NCAI 法を適用した結果を示す。２ NCAI 法２．１振動速度(m/sec) 探査原理 NCAI 法は、叩き点検と同じ探査原理である。叩き点検では、浮き、はく離部分において、表面と水平ひび割れ間にコンクリート板が構成され、その部分をハンマー打撃することにより、コンクリート板の曲げ振動が発生する。曲げ振動により発生する音を耳で聞くことにより、音色から欠陥の有無を判断する。一方、NCAI 法では、スピーカーにより発生した音波により上記のようにコンクリート板に曲げ振動を発生させ、その振動をレーザードプラ―振動計で面的に測定することにより、その振動分布から、欠陥箇所を探査する技術である。正方形のはく離試験図-1 NCAI 法を用いた曲げ振動の可視化画像体に対し、NCAI 法で用いたハードウェアで面的な振動分布を測定した結果を図-1 に示す。図-1 では、正方形板（50cm×50cm、厚さ 7cm）の曲げ振動の一次の固有周波数と考えられる 1220Hz における測定点における周波数振幅の値を図化したものである。このように、音波の加振により、コンクリート板が固有振動が発生し、その振動を遠隔地から観測することが、NCAI 法の測定原理となる。２．２ハードウェアと入射波図-2 にハードウェア構成を示す。スピーカは、高音圧と強い指向性を発生できる長距離音響放射装置 LRAD-300X （Long Range Acoustic Device）を用いた。LRAD-300X では最大 142dB の音を発生することが可能で、 100m 離れた位置でも 100dB 程度の音を供給できる。振動計は、スキャニングレーザー振動計 SLDV(Scanning Laser Doplar Vivrometer)を用いた。SLDV により、コンクリート表面の面外方向の面的な振動速度をスキャニングしながら測定できる。また、振動測定は、入射音と同期を取って測定される。図-2 NCAI 法におけるハードウェア構成図-3 に本測定で用いた、トーンバースト波を示す。トーンバースト波とは、最初に低い周波数の音数波を入れ、時間を空けて順番に周波数を高くしていく波である。実構造物のコンクリート表面には広さ、深さが異なるはく離欠陥があり、それらの曲げ板の固有周波数は一定ではない。そこで、前述の共振現象を見つけるためには、色々な周波数で振動させることが必要となる。ハンマーのような衝撃加力では、各種の周波数が含まれるが、音波では衝撃的な加力は難しいと考え、当初は、広いレンジの周波数を有するホワイトノイズやチャープ波を用いてきたが、加力が弱いこと、スピーカーから振動計への直接波や反射波によるノイズの除去が難しいことから、ト図-3 NCAI 法で用いたトーンバースト波ーンバースト波を用いることとした。２．３探査アルゴリズム試験体のように欠陥の状態（広さ、深さ）などが事前に分かっていれば、特定の周波数振幅に着目することで、探査は可能である。ただし、実構造物の探査では、欠陥の状況が分からないため、周波数範囲を特定しない探査が必要となる。ここでは、固有振動している板は、広い周波数範囲（例えば 1 次だけではなく、二次や三次でも）で振動していると考え、振動エネルギーを各周波数の振動速度の２乗の積分値で定義し、健全部の振動エネルギーとの比をとり、着目点の健全、否健全を判定した。 2 VER(VibrationEnergyRatio) Log10 1 ( X defective _ part ( )) 2 d 2 1 ( X healthy _ part ( )) 2 d なお健全部の振動エネルギーは測定範囲の最低値を用い、健全部のばらつきを考慮し、しきい値を決定した。円形形状の欠陥に対し、振動エネルギー比による評価で、叩き点検と同様な探査性能が得られることを文献 3) に示す。３．現地測定 NCAI 法により、北陸地方の塩害を受けた RC 構造物の浮き・はく離探査を実施した結果を以下に示す。 2013 年の秋に、PC 箱桁、RC 床版およびボックスカル写真-1 現地調査を実施したボックスカルバートバートを対象に、現地測定を実施した。これらは高速右側側壁道路の構造物で、建設後 30 年程度経過しており、海岸線から 10∼200m 程度離れた位置にあり、塩害を受けた後に表面被覆などの補修がなされている。また、測定壁部測定範囲では高速道路上を通る交通は規制していない。ここでは、これらの中でボックスカルバートの測定結果を示す。着目したボックスカルバートは、写真-1 に示す延長 30m、高さ 4.7m、幅 6m の RC 製で、高速道路下を横断する目的で作られたものである。探査ははく離箇所が天井部測定範囲天井多く顕在する、海岸側の壁部と天井部（図-3 叩き点結果）で実施した。写真-1 に示すように機器を配置した。測定では、音源から測定面までの距離を 4m とした。測左側側壁定に用いたトーンバースト波の設定を表-1 に示す。測定では、ノイズを除去するため、10 セットの波を送り、発生した振動速度の平均値を分析に用いた。 NCAI 法による測定結果を壁部、天井部に分け、振動エネルギー比の等高線で図-4,5 に示す。測定範囲は壁部は 2m×2m の正方形の領域で、1m×1m の領域（5×5 点）に分けて測定を行った。天井部は、3m×1.6m の長方形の領域で、0.8m×1m の領域 (5×5 点)に分け測定を行った。また、健全部の参照値は、測定領域の中の振動エネルギーの最小値図-3 表-1 叩き点検の結果トーンバースト波の設定パルス持続時間周波数変調インターバル開始―終了周波数パルス間インターバル加算平均回数出力時音圧 3ms(BW:330Hz) 200Hz 500-5100Hz 50ms 壁（100ms 天井） 10 回 100dB である。しきい値を４とすると、壁部では、左上側が欠陥部であり、叩き点検の結果と比較し、良好に一致していること分かる。同様に、天井部では、測定領域のほとんどが欠陥部であり、点検結果と良好に一致している。また、天井部の表面被覆材の背面に滞水している箇所では、はく離部分よりも振動が大きくなっており（10dB 以上）、そのような箇所を抽出できることが分かった。図-4 振動エネルギー比分布（壁部）図-5 振動エネルギー比分布（天井部）４．おわりに叩き点検を合理化、高精度化する技術である NCAI 法を紹介した。現場への適用例の中で、塩害による浮き、はく離が生じたボックスカルバートの事例を示した。現地への適用性は、ある程度確認したが、実際に現地で利用するためには、解決すべき課題がいくつかあり、今後はそれらを解決していく予定である。本研究は、国土交通省「道路政策の質の向上に資する研究開発」の予算で実施されたものです。また、現地の測定では NEXCO 中日本㈱金沢支社、金沢工業大学木村研究室の支援をいただきました。関係者には謝意を表します。参考文献 1) 島田義則,コチェエフオレグ,篠田昌弘,御崎哲一,高橋康将,瀧浪秀元：レーザを用いたコンクリート欠陥検出の進展,非破壊検査 61(10),pp.519-524,2012.10. 2) 杉本恒美,赤松亮,歌川紀之,片倉景義：コンクリート非破壊検査のための遠距離非接触音響探査法,日本コンクリート工学年次論文集,pp.2062-2067,Vol.36,No.1,2014. 3) 歌川紀之, 赤松亮,杉本恒美,片倉景義：音響探査法における欠陥の探査アルゴリズムの検討, 日本コンクリート工学年次論文集,pp.2068-2073,Vol.36,No.1,2014.