ウェーブレット変換を用いた打音調査方法

【構成】ハンマーによる打撃音をマイクロフォンで集音し、この音波をウェーブレット変換してスケーログラムを作成することにより、建物壁面、吹付け法面内、構造物内などに存在する空洞を非破壊で探査する打音調査方法。
【効果】従来熟練した現場技術者の聴覚のみに依存していた打音調査を、視覚によって客観的に把握することができる。更に、打撃方法に左右されないため測定機器自体簡略化でき、機器の取扱いも容易で、迅速かつ安価に精度よく調査することができる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、コンクリート構造物、吹付け法面内、トンネルなどの構造物内あるいは背面に潜在する空洞を、構造物を破壊せずに外部から探知する打音調査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】モルタル等を吹付けした法面においては、その背面の地山の風化が進行した場合、法面崩壊等の事故が発生する危険性がある。このような事故を未然に防止するためには、背面の地山状況を法面を破壊することなく的確に判定し、要修理箇所の発見、補修を行う必要がある。従来、このような判定には打音調査、すなわち法面をハンマーでたたき、その音を技術者が聞き分けて、法面ならびに背面の空洞の有無を経験的に判断する方法が広く用いられいる。この打音調査では、背面の風化が進み岩盤にゆるみや空洞があると、こもった特有な音となり、熟練した技術者の聴覚による判定は、手軽な割には信頼性が比較的高いといわれている。しかし、早急に判定を下す必要のある法面は国内に多数存在しており、現場技術者の熟練度にのみ依存する聴覚による判定方法では、これらの法面を短時間に効率よく調査することは困難である。そこで、技術者以外の経験のない者にも判定可能にすべく、打撃音の音波をフーリエ変換し、フーリエ振幅スペクトルにより視覚を通じて客観的な判定を行う方法が見出された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フーリエ振幅スペクトラムによる判定方法は、定常波解析には有効であるが、打撃音のような非定常波の波形の特徴を表現することは困難で、必ずしも満足な解析結果が得られていない。更に、聴覚による判定とフーリエ振幅スペクトラムとは一般に一致しないという欠点があった。本発明は、従来の聴覚による判定方法の信頼性を考慮し、この聴覚を反映するようなデータ処理方法によって打撃音を処理し、客観表示を行う打音調査方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【問題点を解決するための手段】本発明によれば、建物壁面、吹付け法面内、構造物内などに存在する空洞を打音調査によって非破壊で探査する方法であって、ハンマーによる打撃音をマイクロフォンで集音し、この音波をウェーブレット変換してスケーログラムを作成することを特徴とするウェーブレット変換を用いた打音調査方法が提供される。
【０００５】
【作用】本発明は、従来のフーリエ振幅スペクトラムとは異なるウェーブレット変換に基づく方法でデータ処理を行うことを特徴とする。ウェーブレット変換では、打撃音のように非定常な信号に対してその信号の特徴を明瞭にズームアップすることが可能で、同様な目的で利用されている短区間フーリエ変換に比べて、分解能がサンプリング時間長の影響を受けずにあらゆる周波数帯域においても確保される特徴がある。したがって、空洞部と空洞のない部分（堅固部）では、両者のスケーログラムは明らかに異なったパターンを呈し、視覚による客観的な判定が可能となる。また、ウェーブレット変換を用いると処理後のデータは聴覚と非常によい対応を示す。
【０００６】時系列データＸ（ｔ）の連続ウェーブレット変換ＣＷＴｘ（τ，ａ）は、数１で定義される。
【０００７】
【数１】

【０００８】上記数１において、ｈはアナライジング・ウェーブレット、τは経過時間、ａはスケーリングファクターを表す。連続ウェーブレット変換においては、アナライジング・ウェーブレットｈに数２の条件が求められる。
【０００９】
【数２】

【００１０】なお、本発明は、モルタル吹付け法面内の状況判定に限らず、コンクリート構造物、トンネルなどの構造物内あるいは背面に潜在する空洞の探査、ビル壁面の劣化ないし剥離状態の判定などにも適用することができる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
【００１２】［各種解析法による打音解析結果の比較］モルタル法面下の岩盤状況が堅固部、風化部、空洞部の３地点において、０．９ｋｇのハンマーで打撃した際に発生した音波を、連続ウェーブレット変換、通常のフーリエ変換（パワースペクトラムとして表示。）及び短区間フーリエ変換の３種類の方法で解析し、その結果を比較した。
【００１３】連続ウェーブレット変換では、アナライジング・ウェーブレットｈとして下記の数３を用い、スケーリングファクターａ＝１のとき７点から構成されるアナライジング・ウェーブレットを作り、経過時間τ＝０．０２５ｍｓ毎に計算してコンターで表示した。これを図１に示す。また、アナライジング・ウェーブレットｈの波形とフーリエスペクトラムを図４に示す。フーリエスペクトラムにはスケーリングファクターａを１から７まで重ねて表示している。
【００１４】
【数３】

【００１５】なお、打撃音は打撃点から３０ｃｍ離れた点において普通騒音計で集音してデータレコーダーに収め、これを２．５×１０^-5秒（０．０２５ｍｓ）でサンプリングし、この音波波形を入力波形とした。打撃の強さや音圧は規格化されていない。測定装置は表１に示すとおりである。
【００１６】
【表１】

【００１７】通常のフーリエ変換では、初動より２５６データ（６．４ｍｓ）についてフーリエ変換し、振幅の２乗を最大値で規格化して図示した。これを図２に示す。また、短区間フーリエ変換では、１０２４データ（２５．６ｍｓ）のデータについて経過時間τ＝０．２５ｍｓ毎に、連続ウェーブレット変換の中心周波数にほぼ一致する周波数に対応する振幅を抽出して、その振幅をコンターで表示した。これを図３に示す。なお、短区間フーリエ変換及び連続ウェーブレット変換の振幅は絶対値であり、また、これらの図の下部には解析に供した打撃音の波形を示した。
【００１８】以上３手法による解析結果より、通常のフーリエ変換及び短区間フーリエ変換では、時間とともに変化する振幅の差異をまったくあるいはほとんど捕らえることができないのに比較して、連続ウェーブレット変換を用いると経過時間ごとの周波数ー振幅分布が明瞭となり、堅固部と空洞部では異なるパターンとなって表現されることがわかる。また、図１を見ると、堅固部では経過時間τが少ない部分、いいかえれば振動部にのみエネルギーが集中しているのに対して、空洞部では長時間にわたって振動していることがわかる。この傾向はスケーリングファクターａが大きい、すなわちアナライジング・ウェーブレットｈの中心周波数が低くなるほど顕著である。
【００１９】［再現性の確認］上記実施例においては、打撃音や音圧の測定方法について特別な注意を払っていない。そこで、再現性を見るために、同一地点で数回法面を打撃して連続ウェーブレット変換のパターンの違いを確かめた。図５は堅固な法面の同一地点において、０．９ｋｇのハンマーで３回たたいた音波について連続ウェーブレット変換パターンを求めたものであり、微妙な違いを除けば全体的なパターンはよく似ている。同様に風化部、空洞部の連続ウェーブレット変換パターンも再現性は良好であった。
【００２０】また、図６は重量の異なるハンマー（０．４５ｋｇ、０．９ｋｇ、１．５ｋｇ、３．６ｋｇ）で同一地点を打撃し、各々の連続ウェーブレット変換パターンを求めたもので、重量によらず連続ウェーブレット変換パターンは類似していると思われる。但し、０．４５ｋｇのハンマーでは打撃力が弱いためにＳＮ比が悪いことが指摘でき、他方３．６ｋｇのハンマーでは作業者に取って重すぎるといった問題もあるため、１．０〜１．５ｋｇ程度のハンマーによる打撃が妥当と考えられる。以上より、堅固部、風化部、空洞部を特徴づける最大要素は、音圧波形の周波数帯そのものではなく、むしろ残響時間もしくは衰退過程にあると考えられる。
【００２１】［連続ウェーブレット変換と聴覚による判定の比較及び削孔結果による確認］モルタル法面において打音調査を実施し、連続ウェーブレット変換による判定と聴覚による判定との比較を行った。更に、同一地点において削孔を行い、実際のモルタル背面の状況を確認した。図１３は打音調査を実施した地点の平面図であり、ａ〜ｍまでの１３地点において１．５ｋｇのハンマーを使用して調査を行った。なお、当該地点の状況は次のとおりである。
地質中生代砂岩法面の傾斜平均６０度法面の材質モルタルモルタルの厚さ１０〜１５cmラスの間隔 Φ＝１mm,８cmの金網
【００２２】図７〜図１１に各地点における連続ウェーブレット変換の絶対値をコンターで表示したものを示す。図において縦軸は周期（上向きに長周期）、横軸は時間経過を表している。表２は連続ウェーブレット変換（ＣＷＴ）の絶対値による判定と、聴覚による判定並びに削孔結果（空洞の奥行き）との対比を示したものであって、ＣＷＴ欄内及び聴覚による判定欄の○、△、×は、順に、健全、風化、強風化〜空洞を表すものである。なお、聴覚による判定は調査員２名の総合判定結果で、ＣＷＴの判定はＣＷＴ絶対値を凝視し、(1)長周期成分の継続時間の長さ、(2)短周期成分と長周期成分の継続時間の違い、に着目し、長周期成分の継続時間が長く、短周期成分と長周期成分の継続時間が異なるほど空洞の可能性が高い（×）と判定した。また、(1)、(2)のどちらかの特徴しか表れないものは△とした。
【００２３】
【表２】

【００２４】表２によれば、健全〜風化の判定において、ＣＷＴと聴覚の間には多少のばらつきが認められるが、総じて良好な相関関係が認められる。また、両者による判定と削孔結果による確認の間にも正の相関があると思われる。
【００２５】［ウェーブレット変換を用いたビル壁面（装飾用タイル）健全度判定実験］側面に外壁用タイルを張り付けたビルディングにおいては、竣工後長い年月を経るとタイルが剥離して重大事故につながるか可能性がある。このような事故を未然に防ぐため、タイル及び接着用モルタルの劣化度を把握しておく必要があり、一般には目視観察や打音調査で健全度を判断している。打音調査はタイル面を小型ハンマーで打撃し、その際発生する音を聞いて劣化〜剥離状態を判定する方法であるが、聴覚のみに依存し客観性に乏しい。そこで、ウェーブレット変換を用いて打撃音の特徴を把握するとともに劣化度との関係を明らかにする実験を試みた。
【００２６】実験には、コンクリート壁面に、(1)外壁用モルタルを密着させた部分、(2)モルタルを少量付着させた部分、の２モデルを作成し、それぞれの地点で打音測定を行い、ウェーブレット変換を実施した。ここでは、(1)は健全な側壁タイル部（モルタルも健全）、(2)は劣化の激しい側壁タイル部（あるいはモルタルが劣化）と仮定している。
【００２７】測定方法は以下に示すとおりである。
■対象となる装飾用タイルをハンマー（重さ０．１５ｋｇ）で軽く打撃する。
■打撃音を普通騒音計（リオン社製ＮＡ−０９）で測定する。
■打撃音をＡ／Ｄ変換する。
■データをウェーブレット変換し、スケーログラムを作る。
【００２８】上述した方法で求めたスケーログラムを図１２１２に示す。図において(ａ)、(ｂ)は(1)外壁用タイルを密着させた部分、(ｃ)、(ｄ)は(2)モルタルを少量付着させた部分のスケーログラムを示している。これによれば、(1)外壁用タイルを密着させた部分と(2)モルタルを少量付着させた部分とでスケーログラムのパターンが異なることが明瞭である。外壁用タイルを密着させた部分では打音の継続時間が短く０．５〜０．６ｍｓ以内にエネルギーの大半が集中しているのに比較して、モルタルを少量付着させた部分では少なくとも１．５ｍｓ以上の継続時間が認められる。また、同図(ｃ)では全体に周波数が低い部分、すなわちスケーリングファクターの番号が大きい地点のエネルギーが卓越する傾向がある。このことから、劣化部分では打撃音の打撃の継続時間が健全箇所のそれよりも長いことが最大の特徴と考えられる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、従来熟練した現場技術者の聴覚にのみ依存していた打音調査を、視覚によって客観的に把握することができる。更に、打撃方法に左右されないため測定機器自体簡略化でき、機器の取扱いも容易で、迅速かつ安価に精度よく調査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】連続ウェーブレット変換による打音解析結果を示す図である。
【図２】通常のフーリエ変換による打音解析結果を示す図である。
【図３】短区間フーリエ変換による打音解析結果を示す図である。
【図４】アナライジング・ウェーブレットとそのフーリエスペクトラムを示す図である。
【図５】同一地点で３回打撃した際のスケーログラムの再現性を示す図である。
【図６】ハンマー重量の違いに対するスケーログラムの比較を示す図である。
【図７】ウェーブレット変換によるスケーログラムである。
【図８】ウェーブレット変換によるスケーログラムである。
【図９】ウェーブレット変換によるスケーログラムである。
【図１０】ウェーブレット変換によるスケーログラムである。
【図１１】ウェーブレット変換によるスケーログラムである。
【図１２】ビル壁面（装飾用タイル）の打音調査実験によるスケーログラムを示す図である。
【図１３】モルタル法面の打音調査を実施した地点の平面図である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】建物壁面、吹付け法面内、構造物内などに存在する空洞を打音調査によって非破壊で探査する方法であって、ハンマーによる打撃音をマイクロフォンで集音し、この音波をウェーブレット変換してスケーログラムを作成することを特徴とするウェーブレット変換を用いた打音調査方法。

【図４】