損傷診断システム及び損傷診断方法
【課題】広帯域ラム波を送受信し、得られた波形と理論分散曲線とからラム波分散性を評価し、存在するモードの特定を行う。損傷の発生・進展と、特定したモード分散性との相関を利用して剥離長さを定量評価し、高精度で高信頼性の損傷探知、診断を可能にする。
【解決手段】加振装置（ＭＦＣ）２１による加振時に得られる振動検知センサ（ＦＢＧ）３０の出力値を変換して周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波の基本波モードと高次モードの中から選ばれる１又は２以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値、例えば、Ａ１モードのモード分散性の傾き（周波数対伝播時間の変化率）、Ａ１モードの伝播時間の減少量、Ｓ０,Ｓ１モードの伝播時間の増加量の三つの指標を得て計測結果として出力する損傷探知システムを用いる。表示装置５６にこの計測結果を表示させる。
【解決手段】加振装置（ＭＦＣ）２１による加振時に得られる振動検知センサ（ＦＢＧ）３０の出力値を変換して周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波の基本波モードと高次モードの中から選ばれる１又は２以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値、例えば、Ａ１モードのモード分散性の傾き（周波数対伝播時間の変化率）、Ａ１モードの伝播時間の減少量、Ｓ０,Ｓ１モードの伝播時間の増加量の三つの指標を得て計測結果として出力する損傷探知システムを用いる。表示装置５６にこの計測結果を表示させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラム波を利用した損傷診断システム及び損傷診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機等の機体のような、素材に対する強度と軽量化の双方が要求される分野においては、このような要求に応えるために、CFRP等の複合材料の大幅な適用化が不可欠である。そして、その複合材料からなる構造の高信頼性の確保とより効率的な設計のために、損傷探知技術（ヘルスモニタリング技術）が注目を集めている。
このような複合材料の損傷、欠陥等の探知を行う装置として、特許文献１，２には、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）光ファイバセンサを用いた損傷探知装置が記載されている。光ファィバは、昨今では細径化（例えば、直径52[μm]）が進んでおり、構造物に埋め込んでも、当該構造物の強度の低下をあまり生じないため、その設置に関して自由度が高いという利点を備えている。
【０００３】
特許文献１，２記載の発明によれば、構造用複合材料の所定個所に固定配置されたピエゾ素子と、ピエゾ素子に信号を伝達する導線と、ピエゾ素子との間に構造用複合材料を構成する複合材料を挟んで固定配置されコア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、コア部に光照射を行う光源と、グレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段とを用い、ピエゾ素子により加振し特性検出手段の出力の変化から損傷を探知する。また、特性検出手段としては、グレーティング部からの反射光の周波数特性を検出するスペクトラムアナライザが用いられる。
【０００４】
さらに、特許文献１記載の発明には、予め取得した正常な構造用複合材料による検出データとの比較を行うか、他の方法として、スペクトラムアナライザの検出する周波数分布による特定周波数の非振動時からの変動値に閾値を設定し、それ以下の場合は損傷ありと判定しても良い旨記載されている（段落0032）。
【０００５】
特許文献２には、スペクトラムアナライザに２つの光学フィルタが設けられ、スペクトラムアナライザが反射光を前記２つの光学フィルタを通して演算処理装置に出力することで反射光の波長振動信号を高感度に検出すること、演算処理装置が得られた波長振動信号に基づき被検体の損傷の規模に相当する値（DI値）を算出することが提案された。
【０００６】
損傷探知技術の一手法として、ラム（Lamb）波と呼ばれる形態の超音波を送受振し、受振波形の変化から損傷発生を診断する研究が行われている。ラム波とは薄板を伝播する超音波であり、減衰が比較的小さく長距離に渡って板構造を伝播するため、損傷探知に適した超音波の伝播形態である。
また、ラム波には多重モード性と速度分散性（周波数依存性）という二つの特徴があり、板厚と周波数に依存して、速度の異なる複数のモードが存在する。この複雑な特徴のため、従来では、ラム波の特定の周波数の情報のみを利用して、損傷検知が行われてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９８９２１号公報
【特許文献２】特開２００７−２３２３７１号公報
【特許文献３】米国特許第５４９３３９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このラム波の分散性という特徴を利用して、広帯域にわたるモード分散性を計測可能とし、従来よりも損傷検知に役立つより多くの情報が得られ、剥離長さ定量評価を可能とし、高精度で高信頼性の高い損傷の探知、診断を可能にする損傷診断システム及び損傷診断方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、被検体に広帯域ラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達される広帯域ラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換し、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、所定の特徴値を得て、その変化から損傷診断を行う損傷診断システムである。
【００１０】
請求項２記載の発明は、前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して、周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値の変化を得て損傷診断を行う請求項１に記載の損傷診断システムである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、前記処理装置は、前記所定の特徴値を１つ又は２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１２】
請求項４記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１３】
請求項５記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１４】
請求項６記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとするとともに、これとは別の前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１５】
請求項７記載の発明は、前記処理装置は、２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間を算出して、これらに基づき前記周波数対伝播時間の変化率を算出して、前記所定の特徴値を当該変化率とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１６】
請求項８記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項７に記載の損傷診断システムである。
【００１７】
請求項９記載の発明は、前記加振装置は前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、前記表裏の前記加振装置に同位相の波を発振させることにより対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを対称モードとして処理するか、前記表裏の前記加振装置に逆位相の波を発振させることにより非対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を異なる時に実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、前記振動検知センサは前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、表裏の前記光ファイバセンサの出力値同士を加算することにより非対称モードを相殺して対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを対称モードとして処理するか、減算により対称モードを相殺して非対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１９】
請求項１１記載の発明は、被検体にラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達されるラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置と、
前記計測結果を表示する表示装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波モードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値を得て前記計測結果として出力する損傷探知システムを用い、
前記表示装置に前記計測結果を表示させ、当該計測結果に係る前記被検体と同一で既知の構造体に対する計測結果との比較に基づき損傷を診断することを特徴とする損傷診断方法である。
【発明の効果】
【００２０】
ラム波は、板状の振動伝播媒体の板厚中心に対して対称的な変位を持つ対称モード (symmetric modes; Ｓモード)と非対称な変位を持つ非対称モード(a symmetric modes; Ａモード)があり、基本波対称モード（Ｓ０）と基本波非対称モード（Ａ０）のそれぞれに対し高次なｎ次モード（Ｓｎ，Ａｎ）が無数に存在し、波動が複雑になる。
本発明者らの研究において、広帯域ラム波を発振、受振することにより、対称/非対称モードを分離する手法が構成され、これを利用して各モードについて分析した結果、Ｓ１モードが層間剥離部においてＳ０モード及びＡ１モードに変換されて伝播し、層間剥離部を通過すると再びＳ１モードに戻って伝播することが分かった。
また、Ａ１モードが層間剥離部においてＡ１モードより伝播速度の速いＳ０モードに変換されて伝播し、層間剥離部を通過すると再びＡ１モードに戻って伝播することが分かった。
すなわち、層間剥離部における速度変化が到達時間の変化となり、層間剥離部の振動伝播方向の長さにより、各モードの到達時間はそれぞれ独自の変化を示すことがわかった。
したがって、本発明によれば、周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、特定のモードについて前記データから損傷の影響による本モードの到達時間の変化を顕示する所定の特徴値（損傷規模の指標）を得ることで、損傷の有無や規模を診断することが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る損傷探知システムの概略構成図である。
【図２】光ファイバセンサの概略構成図(a)、及び光進行方向におけるグレーティング部の屈折率変化を示す線図(b)である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサとこれに接続したスペクトラムアナライザの構成図(a)、及び８つの光学フィルタの通過域を示すスペクトル図(b)である。
【図４】本発明の一実施形態に係る光学フィルタに対する入力波波形(a)、２つの光学フィルタの通過域を示すスペクトル図(b)及び光学フィルタの出力波波形(c)である。
【図５】本発明の一実施形態に係る損傷探知システムの制御系を示すブロック図である。
【図６】実験に係るＭＦＣアクチュエータへの入力波形(a)及びそのフーリエスペクトル(b)である。
【図７】実験に係るＦＢＧセンサで受振した受振波形(a)、そのフーリエスペクトル(b)及びウェーブレット変換結果(c)である。
【図８】実験と同条件におけるラム波の理論分散曲線である。
【図９】ＭＦＣアクチュエータを用いたモード分離法の概念図である。
【図１０】ＦＢＧセンサを用いたモード分離法の概念図である。
【図１１】実験に係るモード同定結果を示す図である。
【図１２】ラム波のモード変換挙動の概念図(a)、板厚３．４（ｍｍ）の板内を伝播するラム波の理論分散曲線(b)及び板厚１．７（ｍｍ）の板内を伝播するラム波の理論分散曲線(c)である。
【図１３】実験に係る試験片の断面図である。
【図１４】実験から求めたＳモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１５】実験から求めたＡモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１６】有限要素解析モデルの断面図である。
【図１７】有限要素解析から求めたＳモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１８】有限要素解析から求めたＡモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１９】構造体の健全時(a)と剥離発生時(b)とでの伝播形態の違いを示す。
【図２０】健全部でのＡ１モードの速度と剥離部でのＳ０モードの速度の違いを示す。
【図２１】人工層間剥離の検知実験に係る測定対象部の斜視図である。
【図２２】剥離長さの異なる各試験片について周波数ごとにＡ１モードのウェーブレット係数最大値が生じる時間をプロットした図である。
【図２３】剥離長さの異なる各試験片について周波数ごとにＳ０，Ｓ１モードのウェーブレット係数最大値が生じる時間をプロットした図である。
【図２４】図２２の２５０〜４００（ｋＨｚ）の範囲における各試験片の計測データ群の近似直線の傾きの剥離長さに対する変化を示したグラフである。
【図２５】300kHzにおけるＡ１モードの伝播時間の減少量の剥離長さに対する変化を示したグラフである。
【図２６】350kHz（有限要素解析）と400kHz（実験）におけるＳ０，Ｓ１モードの伝播時間の増加量の剥離長さに対する変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００２３】
〔基本構成〕
まず、本実施形態の損傷探知システムの基本構成につき説明する。
図１は、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行う損傷探知システム１０の概略構成図である。本実施形態では、構造用複合材料を被検体とする。
本実施形態では、被検体にラム波の超音波振動を加える加振装置として、ＭＦＣ（Macro Fiber Composite）アクチュエータを用いる。ＭＦＣアクチュエータは、極細の角柱状の圧電セラミックスを一方向に並べてエポキシ樹脂に埋め、その上下面に電極を接着したものであり、面内の一方向に比較的大きなひずみを発生させることが出来る。その特性から超音波発振素子としても使用可能であることが知られている。加振装置としてピエゾ素子などの他の発振アクチュエータを適用してもよい。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の損傷探知システム１０は、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行うべき箇所の近傍において構造用複合材料Ｚの面部に貼着されるＭＦＣアクチュエータ２１と、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行うべき箇所の近傍に設置される振動検知センサとしての光ファイバセンサ３０と、ＭＦＣアクチュエータ２１の制御装置４１と、光ファイバセンサ３０から得られる反射光の波長特性を検出するスペクトラムアナライザ４２と、スペクトラムアナライザ４２の出力値を演算処理する演算処理装置５０とを備えている。なお、スペクトラムアナライザ４２の電源装置４３を図示した。
【００２５】
ＭＦＣアクチュエータ２１は、外部から駆動電圧を印加されると、その面内の一方向に比較的大きなひずみを発生させる。かかる性質を利用して、制御装置４１は、ＭＦＣアクチュエータ２１に対して駆動用の電圧を印加し、構造用複合材料Ｚに瞬間的な振動を加える。
【００２６】
光ファイバセンサ３０は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）光ファイバセンサであり、図２(a)の概略構成図に示すように、コア部３２に所定の波長光を反射するグレーティング部３３を有する光ファイバ３４から構成されている。
光ファイバ３４は、その一端部においてスペクトラムアナライザ４２に接続されており、当該スペクトラムアナライザ４２が有する光源により、所定範囲の波長帯域を網羅する照射光がコア部３２に入射される。このスペクトラムアナライザ４２から入射する光は、コア部３２を伝搬してグレーティング部３３でその一部の波長光のみが反射される。
【００２７】
図２(b)は、コア部３２の光進行方向における屈折率変化を示す線図であり、図中の範
囲Ｌがグレーティング部３３における屈折率を示している。
かかる図に示すように、グレーティング部３３は、コア部３２の屈折率を一定の周期で変化するように構成されている。グレーティング部３３は、かかる屈折率の変化している境界部分で特定の波長の光のみ選択的に反射する。このグレーティング部３３に振動によりひずみ等の外乱が加えられると格子間隔の変化(伸縮)に伴って反射光の波長が変化する。
ここで、ＦＢＧ光ファイバセンサの反射光の波長変化ΔλBは、コアの実効屈折率をn、グレーティング間隔をΛ、ポッケルス係数をP11,P12、ポアソン比をν、印加歪をε、ファ
イバ材の温度係数をα、温度変化をΔTとすると次式（１）で表される(Alan D. Kersey, Fiber Grating Sensors”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 15, No. 8, 1997)。
【００２８】
【数１】
【００２９】
したがって、グレーティング部３３に振動を生じると、グレーティング部３３の歪み量εに変化を生じ、その結果、歪み量εに応じて反射光の波長が変動することとなる。振動がその振動源から良好に伝達されれば、グレーティング部３３は大きく歪みを生じ、波長の変化量ΔλBは大きく変動することとなるし、振動がその振動源から良好に伝達されな
い場合は、グレーティング部３３は小さく歪みを生じ、波長の変化量ΔλBは小さく変動
することとなる。
【００３０】
ＭＦＣは繊維状の圧電素子に軸方向の垂直ひずみを発生させ、ＦＢＧは繊維状の光ファイバに発生した軸方向ひずみを検出している。これらの素子は共振周波数を持たずに広い周波数特性を有し、その挙動は強い指向性を有するため伝播経路が明確である。この二つの特徴によって、本計測システムでは、広帯域なラム波を指向性をもって伝播させることが可能となっている。また、ＦＢＧとＭＦＣは共に小型・軽量であり、柔軟で破断ひずみも高いため、積層板と一体化可能であり、大ひずみ下においても破断せずに高い信頼性がある、といった構造ヘルスモニタリングに適した特徴も有する。
【００３１】
図３(a)に光ファイバセンサとこれに接続したスペクトラムアナライザ４２の構成例を
示す。図３(a)に示すように、スペクトラムアナライザ４２は、光源６１と、光サーキュ
レータ６２と、ＡＷＧモジュール６３と、光電変換器６０とを備える。本構成例では、反射波長の異なる４つの光ファイバセンサ３０ａ〜ｄが直列に設けられた光ファイバ３４をスペクトラムアナライザ４２に接続する。最少構成としては、光ファイバセンサ３０は一つでよい。
【００３２】
光源６１は、光ファイバセンサ３０ａ〜ｄの反射波長の振動域をすべて含む広帯域の光源である。ラム波により光ファイバセンサ３０ａ〜ｄの反射波長が振動しても、常に完全な反射光が得られるようにするためである。
光サーキュレータ６２は、光源６１からの光を光ファイバセンサ３０ａ〜ｄ側へ進行させ、返ってきた光ファイバセンサ３０a〜ｄからの反射光を光ファイバ６９へ導出する。光ファイバ６９に導出された反射光はＡＷＧモジュール６３の入力ポートＰ０に導入される。
【００３３】
ＡＷＧモジュール６３は、ＡＷＧ基板６４を有する。ＡＷＧ基板６４には、光導波路技術によりガラス基板上にモノリシック集積された光波回路が形成されている。ＡＷＧ基板６４上の光波回路は、入出力スラブ導波路６５，６６とアレイ導波路６７と、出力導波路６８とを有し、入力ポートＰ０に並列接続された通過域の異なる８つの光学フィルタを構成している。ＡＷＧ基板６４上の光波回路は、波長多重された入力光を分配して８つの光学フィルタに通すことより波長分離し、８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８にパラレル出力する。但し、実用時の出力ポートは８つに限定されない。
【００３４】
８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８に対応する各光学フィルタの通過域を図３(b)のスペクト
ル図に示す。例えば図３(b)で、中心波長λ２の反射波長を有する光学ファイバセンサ３
０ｂの反射光入力分布７０が通過域７１に重なる部分に相当する反射光をある一つの光学フィルタが通過させ出力ポートＰ３へ出力すると共に、これに並行して通過域７２に重なる部分に相当する反射光を他の光学フィルタが通過させ出力ポートＰ４へ出力する。同様にして反射中心波長λ１の光学ファイバセンサ３０ａには出力ポートＰ１,Ｐ２が、反射中心波長λ３の光学ファイバセンサ３０ｃには出力ポートＰ５,Ｐ６が、反射中心波長λ４の光学ファイバセンサ３０ｄには出力ポートＰ７,Ｐ８がそれぞれ対応し、同様の原理で波長分離が可能である。上述したように最少構成としては、光ファイバセンサ３０は一つでよく、この場合、光学フィルタは２つで足りる。
【００３５】
代表して、１つの光ファイバセンサ３０からの反射光に対する処理内容を図４を参照して説明する。
図４(b)に示すように、光ファイバセンサ３０からの反射光の入力分布７３Ｔが現れる
。ＭＦＣアクチュエータ２１による加振時には、ＭＦＣアクチュエータ２１を発振源とするラム波が構造用複合材料Ｚを伝搬し、光ファイバセンサ３０は構造用複合材料Ｚから伝達されるラム波に応じて出力する反射光の波長を振動させる。この波長の振動を図示すると図４(a)の入力波７３Ｗとなる。
この波長の振動により、図４(b)に示す反射光入力分布７３Ｔは、上位、下位に交互に
シフトして微小に振動し、波長の値は増減を繰り返す。
このような波長振動において、図中７３Ｃは、反射光入力分布７３Ｔの中心波長の振動中心である。一方の光学フィルタの通過域７５Ｔの中心波長７５Ｃは振動中心７３Ｃの上域に固定されている。また、他方の光学フィルタの通過域７４Ｔの中心波長７４Ｃは振動中心７３Ｃの下域に固定されている。
また、中心波長７５Ｃ及び中心波長７４Ｃは、振動中心７３Ｃから反射光の波長振動の振幅以上に離れた位置に固定されている。
さらに、反射光入力分布７３Ｔの静止時において、上位の通過域７５Ｔの下位側のスロープ７５Ｔ−１は、反射光入力分布７３Ｔの上位側のスロープ７３Ｔ−１に交わり、上位の通過域７５Ｔと反射光入力分布７３Ｔとは波長振動の振幅以上の幅で重なる。
同様に、反射光入力分布７３Ｔの静止時において、下位の通過域７４Ｔの上位側のスロープ７４Ｔ−１は、反射光入力分布７３Ｔの下位側のスロープ７３Ｔ−２に交わり、下位の通過域７４Ｔと反射光入力分布７３Ｔとは波長振動の振幅以上の幅で重なる。
反射光入力分布７３Ｔに対し以上の位置関係に通過域７５Ｔ及び通過域７４Ｔを固定することにより、反射光の波長振動を高感度に検出することができる。
上位の光学フィルタは反射光入力分布７３Ｔが通過域７５Ｔに重なる部分に相当する反射光を通過させて出力する。同様に、下位の光学フィルタは反射光入力分布７３Ｔが通過域７４Ｔに重なる部分に相当する反射光を通過させて出力する。
【００３６】
したがって、反射光の波長の値が増加して反射光入力分布７３Ｔが上位にシフトすると、通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は増加し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は減少する。逆に、反射光の波長の値が減少して反射光入力分布７３Ｔが下位にシフトすると、通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は減少し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は増加する。
そのため、反射光の中心波長の変化が図４(a)に示す入力波７３Ｗにより振動する時、
通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は、図４(c)に示す出力波７５Ｗを生
成し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は、図４(c)に示す出力波７４
Ｗを生成する。図４(c)に示すように、出力波７４Ｗと出力波７５Ｗは逆位相の波動とな
る。
【００３７】
以上の原理により、図３に示すスペクトラムアナライザ４２は、加振時に８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８それぞれに光波を出力し、これらを光電変換器６０により電気信号に変化して外部出力する。スペクトラムアナライザ４２の出力は、図示しないインターフェースを介してＡ／Ｄ変換されて演算処理装置５０に入力される。
【００３８】
演算処理装置５０は、図５に示すように、プログラムに従い演算処理を行うＣＰＵ５１と、各種の処理及び制御を行うためのプログラムを記憶するＲＯＭ５２と、各種の処理において一時的にデータ等を格納する作業領域となるＲＡＭ５３と、制御装置４１とデータの送受を図るインターフェース５４と、スペクトラムアナライザ４２からのデータを入力するインターフェース５５と、演算結果の表示データを表示装置５６に適正なフォーマットの画像信号に変換して表示装置５６に出力する画像出力インターフェース５７と、上記各構成間での各種指令又はデータの伝送を行うデータバス５８とを備えている。
【００３９】
損傷探知システム１０は、損傷探知の対象となる構造用複合材料Ｚに設置したＭＦＣアクチュエータ２１により構造用複合材料Ｚに対して振動を加えると共に、光ファイバセンサ３０により検出される振動波の伝搬状態から、光ファイバセンサ３０の近傍に損傷が発生しているか否かを探知する。そのために、演算処理装置５０は、ＲＯＭ５２に記憶された各種のプログラムをＲＡＭ５３を用いてＣＰＵ５１が処理することで以下に説明するような各種の機能を実行する。
【００４０】
ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に格納されたプログラムに従い、ＭＦＣアクチュエータ２１について駆動用電圧を印加するように制御装置４１の動作制御を行う。ＭＦＣアクチュエータ２１が複数ある場合は、選択するＭＦＣアクチュエータ２１としては、いずれのものでも良いが、例えば、振動の発生源とした場合に、光ファイバセンサ３０のグレーティング部３３までの間に構造用複合材料Ｚの損傷を生じやすい部分が存在するようなＭＦＣアクチュエータを選択することが望ましい。
【００４１】
ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に格納されたプログラムに従い、駆動用電圧を印加し、ＭＦＣアクチュエータ２１による加振中の一定期間にスペクトラムアナライザ４２から８並列で出力される出力波データを取得しＲＡＭ５３に記憶する処理を行う。
【００４２】
ＣＰＵ５１は、制御指令を発してＭＦＣアクチュエータ２１によりラム波の超音波振動を構造用複合材料Ｚに加振し、その加振動時に得られる光学フィルタの出力波７４Ｗと出力波７５Ｗの差動信号ｆ（ｔ）を数値化して得る。例えば、図７（ａ）に示す差動信号ｆ（ｔ）が得られる。
そしてＣＰＵ５１は、次式（２）によりｆ（ｔ）データにウェーブレット変換を施す。これによりｆ（ｔ）データは、周波数及び伝播時間の２次元に展開された伝播強度分布データに変換される。本データが、ラム波の光ファイバセンサ３０への伝播強度分布に相当し、図示すると例えば図７（ｃ）のごとくとなる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
〔損傷探知動作〕
以上説明した基本構成を用い、さらに図１９又は図２１に示すようにＭＦＣアクチュエータ２１，２１及び光ファイバセンサ３０，３０をそれぞれ構造用複合材料Ｚの表裏同位置に設置して、以下の損傷探知動作を実行する。
【００４５】
ＣＰＵ５１は、表裏のＭＦＣアクチュエータ２１，２１に同位相の波を発振させることにより、対称モードのみを構造用複合材料Ｚに加振し、上述したようにｆ（ｔ）データにウェーブレット変換を施して、例えば図１１(a)に示すごとくＳモードのみの周波数及び伝播時間の２次元展開データを得る。その後、ＣＰＵ５１は、図８に示す理論分散曲線に基づき、Ｓ０モード、Ｓ１モード、Ｓ２モード等のモードを特定して、特定モードの周波数ごとのウェーブレット係数最大値が生じる伝播時間を算出する。例えば、特定モードをＳ０モード及びＳ１モードとする場合は、図２３に示すごとくウェーブレット係数最大値が生じる周波数，伝播時間の関係が特定される。これが２次元展開データから抽出した一つの特徴値であって一つの計測結果である。
ＣＰＵ５１は、これを図２３に示すごとく表示装置５６に表示する。ＣＰＵ５１は、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果と同一で損傷状態が既知の構造体に対する計測結果とともに表示する。これを検査者が参照し、それらの比較により損傷の有無や規模を推定することができる。
又は、Ｓ０モード及びＳ１モードの伝播時間は、層間剥離長さの増加により増加するので、ＣＰＵ５１は、例えば図２６に示すように損傷の無い場合に対する伝播時間の増加量の形態で表示する。これを検査者が参照し、損傷の有無や規模を推定することができる。
またＣＰＵ５１がさらに進んで、ＲＯＭ５２等に多数蓄積した損傷状態が既知の構造体に対する計測結果と、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果とに基づき、当該被検体に対する損傷規模の推定演算を行い、その結果を表示装置５６に表示する形態ととってもよい。
なお、対称モード（Ｓモード）のデータを取得するために、上記方法に代えて、表裏の光ファイバセンサ３０，３０の出力値同士を加算することにより非対称モードを相殺して対称モードを強調した２次元展開データ（伝播強度分布データ）を得てもよい。
【００４６】
またＣＰＵ５１は、表裏のＭＦＣアクチュエータ２１，２１に逆位相の波を発振させることにより、非対称モードのみを構造用複合材料Ｚに加振し、上述したようにｆ（ｔ）データにウェーブレット変換を施して、例えば図１１(ｂ)に示すごとくＡモードのみの周波数及び伝播時間の２次元展開データを得る。その後、ＣＰＵ５１は、図８に示す理論分散曲線に基づき、Ａ０モード、Ａ１モード等のモードを特定して、特定モードの周波数ごとのウェーブレット係数最大値が生じる伝播時間を算出する。例えば、特定モードをＡ１モードとする場合は、図２２に示すごとくウェーブレット係数最大値が生じる周波数，伝播時間の関係が特定される。これが２次元展開データから抽出した一つの特徴値であって一つの計測結果である。
ＣＰＵ５１は、これを図２２に示すごとく表示装置５６に表示する。ＣＰＵ５１は、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果と同一で損傷状態が既知の構造体に対する計測結果とともに表示する。これを検査者が参照し、それらの比較により損傷の有無や規模を推定することができる。
又は、Ａ１モードの伝播時間は損傷部でのＡ１モードより伝播速度の速いＳ０モードへの変換により減少するので、ＣＰＵ５１は、例えば図２５に示すように損傷の無い場合に対する伝播時間の減少量の形態で表示する。これを検査者が参照し、損傷の有無や規模を推定することができる。
またＣＰＵ５１は、Ａ１モードに関し、周波数対伝播時間の変化率を算出する。この変化率は、例えば、図２２の２５０〜４００（ｋＨｚ）の範囲の各試験片の計測データ群に近似直線を計算し、この近似直線の傾きが相当する。これも２次元展開データから抽出した一つの特徴値であって一つの計測結果である。ＣＰＵ５１は、この変化率（傾き）を例えば図２４に示すように数値やグラフで表示する。ここでも、ＣＰＵ５１は、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果と同一で損傷状態が既知の構造体に対する計測結果とともに表示する。これを検査者が参照し、それらの比較により損傷の有無や規模を推定することができる。
またＣＰＵ５１がさらに進んで、ＲＯＭ５２等に多数蓄積した損傷状態が既知の構造体に対する計測結果と、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果とに基づき、当該被検体に対する損傷規模の推定演算を行い、その結果を表示装置５６に表示する形態をとってもよい。推定演算の基礎データは、以上のＳ０モード及びＳ１モードの伝播時間の増加量、Ａ１モードの伝播時間の減少量、及び変化率（傾き）のうちいずれか１又は２以上とされる。
なお、非対称モード（Ａモード）のデータを取得するために、上記方法に代えて、表裏の光ファイバセンサ３０，３０の出力値同士を減算することにより対称モードを相殺して非対称モードを強調した２次元展開データ（伝播強度分布データ）を得てもよい。
【００４７】
以上の実施形態にあっては、２つの光学フィルタの出力値の差動信号をウェーブレット変換の基礎データとしたが、本発明はこれに限定されず、１つの光学フィルタの出力値をウェーブレット変換の基礎データとしてもよい。
【００４８】
また以上の実施形態にあっては、特定モードのウェーブレット係数の最大ピーク値を算出したが、取得ラム波の特定モードの比較に適したパラメータであればいずれのパラメータの値であってもよい。
【００４９】
また以上の実施形態にあっては、光ファイバセンサの検出値を周波数及び伝播時間の２次元に展開する変換としてウェーブレット変換を適用したが、本発明はこれに限定されず、短時間フーリエ変換等他の変換手法を適用してもよい。
【００５０】
〔検証実験・解析〕
次に、本発明の理論説明及び本発明の実施に当たっての参考とするために、以下の実験・解析による検証内容を開示する。
【００５１】
〔１．モード同定法（モード分離法）〕
まず始めに、擬似等方性CFRP積層板（T700S/2500、東レ（株）、[45/0/-45/90]3s、厚さ3.4mm）を対象として計測を行った。ＭＦＣ（M-2814-P2, Smart material Co., Ltd.）は長さ6mm、幅14mm、厚さ0.3mm、ＦＢＧセンサ（フジクラ（株））はセンサ長1.5mm、ポリイミド被覆付きで直径150μmである。両者を100mm離してCFRP積層板表面に貼り付け、計測を行った。貼りつけにはシアノアクリレート系接着剤であるアロンアルファ（コニシ（株））を用いた。ＭＦＣへの入力信号は、図６に示すようなfc=400kHzのサイン波1周期分にハミング窓を掛けた広帯域な信号を用いた。そしてＭＦＣで発振され、積層板を伝播してＦＢＧセンサで受振されたラム波の受振波形は、ノイズを除去するために32768回の計測波形の平均化を行った。その後、得られた受振波形に対して信号解析を行い、受振波に含まれるモード分散性を時間−周波数領域で表わした。信号解析には、窓関数として複素モルレ関数を用い、1次元複素連続ウェーブレット解析を行った。ＦＢＧセンサで受振した受振波形とそのフーリエスペクトル、およびウェーブレット変換結果を図７に示す。この結果より、特定の周波数で大きなピークが現れずに広帯域に渡る成分を受振していることが確認できる。また、ウェーブレット変換結果より、速度や周波数の異なる複数のモードが観察され、モード分散性があることが分かる。次に、この受振波形に現れる各モードを同定するために理論分散曲線を導出する。
【００５２】
上記実験と同様3.4mmのCFRP積層板における、伝播距離100mm地点での到達時間の理論分散曲線を導出したもの図８である。また、この分散曲線上で高次のモードの到達時間が急激に遅くなり、無限大に発散する周波数をカットオフ周波数と言う。この理論分散曲線と先ほどの受振波形のウェーブレット変換結果を比較すると、モード分散性は両者でよく一致していることが分かる。しかし、複数のモードが重なり合う300kHz以上の周波数領域においてはモードの同定を行うことは困難であり、正確なモード同定を行うためには、
これらの重なり合うモードを分離する必要がある。
そこで、これらのモードの分離手法として、ＭＦＣとＦＢＧセンサを積層板上下面の同じ位置にそれぞれ貼り付ける方法を用いた。図９に示すように、ＭＦＣを上下表面の同じ位置に貼り付け、お互いに同位相の波を発振すると、対称モードのみを発振することが出来る。反対に逆位相の波を発振すれば、非対称モードのみを発振することが出来る。
また、図１０に示すように、ＦＢＧセンサを上下表面の同じ位置に貼り付け、板の上下面での受振波形の和を取れば対称モードを、差を取れば非対称モードをそれぞれ分離することが出来る。
この二つの手法を用いて、受振ラム波に含まれるＳ（対称）モードとA（非対称）モードを分離し、それぞれウェーブレット変換を行った後に、先ほどの理論分散曲線と比較しモード同定を行った結果を図１１に示す。結果、モード分離をおこなうことによって複数モードの重なりが解消され、正確にモード同定をおこなうことが出来た。そして、受振波形にはＡ０,Ｓ０,Ａ１,Ｓ1,Ｓ２モードが存在することが確認された。
以上の結果より、上記のモード分離手法を用いれば、受振ラム波に含まれる各モードの同定が可能である。
【００５３】
〔２．特定モードの伝播時間の変化原因（層間剥離部におけるモード変換挙動）〕
前節において各モードの同定を行い、計測結果に含まれるモード分散性を理解することが出来るようになった。次に、このモード分散性の変化から生じるモード変換挙動を実験
と解析によって解明する。
【００５４】
（１）剥離部の板厚変化によるモード変換
ラム波の伝播速度は周波数と板厚の積に依存するため、板厚が変化するとラム波のモード分散性も変化する。よって、図１２に示すように、積層板内部に層間剥離が発生すると、剥離部における伝播経路の板厚は健全部よりも減少するため、健全部と剥離部ではモード分散性が異なる。このモード分散性の変化によって、健全部を伝播してきたラム波にはモード変換が生じ、健全部とは異なるモード形態で剥離部を伝播すると考えられる。
例えば、板厚3.4mmの積層板では周波数300kHzのラム波の伝播形態としてＡ０,Ｓ０,Ａ１モードの三つが存在するが、積層板の中央に層間剥離が発生し、剥離部での板厚が1.7mmに変化すると、Ａ０,Ｓ０モードの二つしか伝播形態が存在しない。
よって、健全部をＡ１モードとして伝播してきたラム波は剥離部でモード変換し、Ａ０,Ｓ０モードとして伝播していくこととなる。しかし、どちらのモードとして剥離部を伝播するかは理論分散曲線からは求められない。そこで、実際の層間剥離部で生じるモード変換挙動の解明を、実験と有限要素解析から行う。
【００５５】
（２）実験
実際の層間剥離の開始端部で生じるモード変換挙動の解明を行うために、擬似等方性CFRP積層板（T700S/2500、東レ（株）、[45/0/-45/90]3s、厚さ3.4mm）の板厚方向の中央に層間剥離が存在する場合を模擬した。なお、モード分離によって受振ラム波のモード同定を行うため、剥離部のモード分散性を計測するためには、模擬した層間剥離の内表面にＦＢＧセンサを貼り付ける必要がある。そこで、厚さ1.7mmのCFRP積層板を二枚用意し、一方にＦＢＧセンサを接着したのち、ＦＢＧセンサを接着した面が内側に来るように、板の片端から長さ60mm範囲をエポキシ系接着剤Araldite Standard（ハンツマン・アドバンスト・マテリアル（株））で接着した。二枚のCFRP積層板は、積層構成[45/0/-45/90]3sを模擬するために、積層構成[45/0/-45/90]3で作製し、接着面で対称になるように接着した。試験片の寸法を図１３に示す。また、板の幅は90mmである。
ＭＦＣ（M-2814-P2）は長さ6mm、幅14mm、厚さ0.3mmのものを用い、積層板の上下表面に一つずつ貼り付けた。また、ＭＦＣ先端から距離30mm,板厚3.4mmの地点（健全部）、および距離70mm,板厚1.7mmの地点（剥離部）の二点でＦＢＧセンサを積層板の上下表面に貼り付けラム波を受振する。実験に用いたＦＢＧセンサ（フジクラ（株））はセンサ長1.5mm、ポリイミド被覆付きで直径150μm。素子の貼り付けにはアロンアルファ（コニシ（株））を用いた。入力信号はfc=400kHzのサイン波1周期分にハミング窓を掛けた信号であり、受振波形はノイズを除去するため、32768回の計測波形の平均化を行う。上下面のＭＦＣを用いて、Ｓ（対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＳモードのモード変換挙動を図１４に、Ａ（非対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＡモードのモード変換挙動を図１５にそれぞれ示す。
【００５６】
図１４の結果より、Ｓモードのみの発振を行った場合、健全部ではＳ０モードとＳ１モードのみが観察される。図１２（ｃ）に示す板厚1.7mmの場合の理論分散曲線より、剥離部ではＳ１モードは800kHz以上にしか存在しないことが分かっているため、健全部で観察されたＳ１モードは剥離部においてモード変換し他のモードとして伝播していると考えられる。そこで、剥離部に存在するモードを観察すると、Ｓ０モードとＡ１モードの二つが観察される。この結果より、層間剥離の開始部では、「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード」のモード変換が生じていることが確認された。
図１５の結果より、Ａモードのみの発振を行った場合、健全部ではＡ０モードとＡ１モードのみが観察される。図１２（ｃ）に示す板厚1.7mmの場合の理論分散曲線より、剥離部ではＡ１モードは500kHz以上にしか存在しないことが分かっているため、健全部で観察されたＡ１モードは剥離部においてモード変換し他のモードとして伝播していると考えられる。そこで、剥離部に存在するモードを観察すると、Ｓ０モードとＡ１モードの二つが観察される（Ａ０モードは到達時間が遅いためモード変換の対象としては考慮しない）。この剥離部で観察されたＡ１モードはモード変換ではなく、500kHz以上のＡ１モードがそのまま伝播したものと考えられる。よって、この結果より、層間剥離の開始部では、「Ａ１モード→Ｓ０モード」のモード変換が生じていることが確認された。
【００５７】
（３）有限要素解析による検証
上記（２）の実験から求めたモード変換挙動を検証するために、二次元の有限要素解析を行った。図１６に有限要素モデルとその寸法を示す。モデルの構築および解析にはLS-DYNA 971を使用した。解析モデルの要素は2Dshell要素（平面ひずみ）を用いた。Meshサイズは、波長の短い高周波も計算できるように十分小さく0.125mmとした。ＭＦＣとCFRP積層板の接触部はNode結合を行い、ＭＦＣへの入力波形は実験と同様、周波数400kHzのサイン波1周期分にハミング窓を掛けたものを用いた。また、LS-DYNAでは圧電効果を計算できないため、圧電効果をＭＦＣの伸縮方向の熱膨張率として付与して模擬した。以上のような条件のもと、図１６に示す三つの受振点（健全部：伝播距離20mm,板厚3.4mm、剥離部：伝播距離60mm,板厚1.7mm、健全部（剥離通過後）：伝播距離100mm,板厚3.4mm）において、x方向ひずみの時間履歴を計算し受振波形とした。上下面のＭＦＣを用いて、Ｓ（対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＳモードのモード変換挙動を図１７に、Ａ（非対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＡモードのモード変換挙動を図１８にそれぞれ示す。
【００５８】
図１７の結果より、層間剥離の開始部では、実験と同様「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード」のモード変換が生じていることが確認された。また、層間剥離通過後の健全部では、剥離通過前の健全部と同様の分散性が観察され、Ｓ０モードとＳ１モードが観察された。このＳ１モードは剥離部を伝播して健全部に戻る際に、剥離部のＳ０モード,Ａ１モードが、健全部において再びＳ１モードにモード変換したものと考えられる。
次に、図１８の結果より、層間剥離の開始部では、実験と同様「Ａ１モード→Ｓ０モード」のモード変換が生じていることが確認された。また、層間剥離通過後の健全部では、
剥離通過前の健全部と同様の分散性が観察され、Ａ０モードとＡ１モードが観察された。
このＡ１モードは剥離部を伝播して健全部に戻る際に、剥離部のＳ０モードが健全部において再びＡ１モードにモード変換したものと考えられる。
以上より、実験によって求めたモード変換挙動の妥当性を示し、さらに層間剥離が終了する地点でのモード変換挙動に関しても解明した。結果、層間剥離部を通過する際に、以下の二つのモード変換挙動が存在することが確認された。
・「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード→Ｓ１モード」
・ 「Ａ１モード→Ｓ０モード→Ａ１モード」
【００５９】
このようなモード変換挙動により、剥離部を伝播する時のモードと、健全時に伝播する時のモードは異なる。例えば「Ａ１モード→Ｓ０モード→Ａ１モード」のモード変換では、図１９に示すように、健全時はすべての伝播経路をＡ１モードとして伝播するのに対し、剥離が発生するとその領域をＳ０モードとして伝播する。このとき、健全部（板厚3.4mm）のＡ１モードと剥離部のＳ０モード（板厚1.7mm）の伝播速度は図２０に示すように異なっており、Ｓ０モードの方がＡ１モードよりも速度が速い。よって、ＦＢＧセンサで受振されるＡ１モードの到達時間は、剥離が発生した場合の方が健全時よりも早くなる。この到達時間の変化は、健全部を伝播するモードと剥離部を伝播するモードの伝播速度の差と、剥離の長さに応じて生じる。よって、この差を指標とすることで、層間剥離の検知と、その剥離長さの定量評価が可能となる。
【００６０】
〔３．人工層間剥離検知による検証実験と解析〕
（１）検証実験
剥離部を通過した後の波に、実際に到達時間の変化が生じているかどうかを実験から検証し、本件発明の有効性を示す。
そこで、CFRP擬似等方性積層板の成形中に、板厚方向中央の隣り合う90°層の間に、厚さ50μmのテフロン（登録商標）フィルムを二枚重ねて埋め込むことで、板厚方向の中央に、剥離長さL=20,40,60mmの層間剥離を人工的に導入した３種類の積層板を作製した。そして、それらの剥離領域を通過するように広帯域なラム波を伝播させ、受振波形を計測した。その実験構成を図２１に示す。ＭＦＣとＦＢＧセンサはそれぞれ板の上下表面の同じ場所に接着し、前節でモード変換挙動を解明した場合と同様にモード分離を行う。
この実験構成を用いて、Ｌ=20,40,60mmの人工剥離を導入した積層板を用いて人工層間剥離の検知実験を行った。それらの結果と、健全な積層板（L=0mm）を対象にして計測を行った場合の結果を比較し、到達時間の変化について評価する。
そのために、受振波形をウェーブレット変換した後、各周波数のウェーブレット係数の最大値を抽出した。層間剥離が存在する場合の、このウェーブレット係数最大値の時刻の健全状態からの変化量が、到達時間の変化量に対応する。
上下面ＭＦＣを用いてＡモードを発振した場合に、ＦＢＧセンサで計測されるＡモードの「周波数ごとのウェーブレット係数最大値が現れる時間」を、Ｌ=0,20,40,60mmの場合について、到達時間に比較的大きな変化が生じている200〜700kHzのＡ１モードに関して、図２２に示す。
次に、上下面ＭＦＣを用いてＳモードを発振した場合に、ＦＢＧセンサで計測されるＳモードの「周波数ごとのウェーブレット係数最大値が現れる時間」を、Ｌ=0,20,40,60mmの場合について、到達時間に変化が生じている400〜600kHzのＳ０,Ｓ１モードに関して、図２３に示す。
図２２より、剥離の長さが長くなるにつれてＡ１モードの到達時間が早くなる様子が観察される。また、200〜500kHzの周波数領域のモード分散性の傾きが変化する様子も観察
される。これは、図２０に示されるように、Ａ１モードのカットオフ周波数に近くなる（周波数が低くなる）ほどＳ０モードとＡ１モードの伝播速度の差が大きくなるからである。
また、図２３からは、剥離の長さが長くなるにつれてＳ０,Ｓ１モードの到達時間が遅くなる様子が観察される。
以上の結果より、層間剥離が発生すると確かに到達時間に変化が生じており、本発明が有効であることが示された。
【００６１】
（２）有限要素法による検証
上記２．（３）で用いた二次元有限要素解析モデルの層間剥離長さをＬ=20, 40, 60mmで変化させ、上記実験と同様の実験構成で解析を行った。その後、実験と同様に、振幅最大値をＡ１モードとＳ０,Ｓ１モードに関して求め、到達時間の変化を観察すると、実験（図２２,図２３）の結果とよく一致し、同様の変化が観察された。
【００６２】
（３）剥離長さの定量評価
さらに、上記（１）の実験結果と上記（２）の解析結果から観察された到達時間の変化やモード分散性の傾きを指標として、剥離長さの定量評価の可能性を示す。
到達時間に変化が生じている周波数領域の振幅最大値のプロットから線形近似直線を算出し、その近似直線を用いて以下の指標を求めた。指標は実験結果と解析結果からそれぞれ求めた。各指標を剥離長さごとにプロットした結果を図２４,図２５,図２６に示す。
図２４は、250〜400kHzのＡ１モードのモード分散性の傾きを、図２５は300kHzにおけるＡ１モードの到達時間の減少量を、図２６は400kHz（解析は350kHz）におけるＳ０,Ｓ１モードの到達時間の増加量を示す。
図２４の結果より、剥離長さが大きくなるにつれ、モード分散性の傾きが小さくなっていく様子が観察される。また、図２５,図２６の結果より、剥離長さが大きくなるにつれ、Ａ１モードの到達時間の減少量と、Ｓ０,Ｓ１モードの到達時間の増加量が大きくなっていく様子が観察される。しかも、これらの指標は剥離長さにほぼ比例して変化している。よって、これらの指標を用いることで剥離長さの定量評価が可能である。
【００６３】
〔４．結論〕
以上のように、まず始めに、広帯域超音波送受振システムで計測される広帯域ラム波の各モードの同定を行った。そのための手法として、対称/非対称モードを分離する手法を提案し、この分離手法を用いればモード同定が可能なことを示した。
次に、層間剥離部におけるモード変換挙動を実験と解析から解明し、「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード→Ｓ１モード」、「Ａ１モード→Ｓ０モード→Ａ１モード」の二つのモード変換挙動の存在を確認した。
その後、モード変換によるラム波の速度変化を利用した本発明に係る剥離検知手法の有効性を実験と解析から検証した。結果、剥離部における速度変化が到達時間の変化として観察されることを確認した。
最後に、Ａ１モードのモード分散性の傾きと、Ａ１モードの到達時間の減少量、Ｓ０,Ｓ１モードの到達時間の増加量の三つの指標のそれぞれにより、剥離長さの定量評価が可能であることを示した。
【符号の説明】
【００６４】
１０ 損傷探知システム
２１ ＭＦＣアクチュエータ
３０ 光ファイバセンサ
３２ コア部
３３ グレーティング部
４２ スペクトラムアナライザ
５０ 演算処理装置
６３ ＡＷＧモジュール
６４ ＡＷＧ基板
６５，６６ 入出力スラブ導波路
６７ アレイ導波路
６８ 出力導波路
Ｐ０ 入力ポート
Ｐ１〜Ｐ８ 出力ポート
７０，７３Ｔ 反射光入力分布
７１，７２，７４Ｔ，７５Ｔ 通過域
７３Ｃ 振動中心
１０１ 剥離
１０２ ラム波
１０３ モード変換挙動
１０４ リフレクション
１０５ 接着層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラム波を利用した損傷診断システム及び損傷診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、航空機等の機体のような、素材に対する強度と軽量化の双方が要求される分野においては、このような要求に応えるために、CFRP等の複合材料の大幅な適用化が不可欠である。そして、その複合材料からなる構造の高信頼性の確保とより効率的な設計のために、損傷探知技術（ヘルスモニタリング技術）が注目を集めている。
このような複合材料の損傷、欠陥等の探知を行う装置として、特許文献１，２には、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）光ファイバセンサを用いた損傷探知装置が記載されている。光ファィバは、昨今では細径化（例えば、直径52[μm]）が進んでおり、構造物に埋め込んでも、当該構造物の強度の低下をあまり生じないため、その設置に関して自由度が高いという利点を備えている。
【０００３】
特許文献１，２記載の発明によれば、構造用複合材料の所定個所に固定配置されたピエゾ素子と、ピエゾ素子に信号を伝達する導線と、ピエゾ素子との間に構造用複合材料を構成する複合材料を挟んで固定配置されコア部に所定の波長光を反射するグレーティング部を有する光ファイバセンサと、コア部に光照射を行う光源と、グレーティング部からの反射光の特性を検出する特性検出手段とを用い、ピエゾ素子により加振し特性検出手段の出力の変化から損傷を探知する。また、特性検出手段としては、グレーティング部からの反射光の周波数特性を検出するスペクトラムアナライザが用いられる。
【０００４】
さらに、特許文献１記載の発明には、予め取得した正常な構造用複合材料による検出データとの比較を行うか、他の方法として、スペクトラムアナライザの検出する周波数分布による特定周波数の非振動時からの変動値に閾値を設定し、それ以下の場合は損傷ありと判定しても良い旨記載されている（段落0032）。
【０００５】
特許文献２には、スペクトラムアナライザに２つの光学フィルタが設けられ、スペクトラムアナライザが反射光を前記２つの光学フィルタを通して演算処理装置に出力することで反射光の波長振動信号を高感度に検出すること、演算処理装置が得られた波長振動信号に基づき被検体の損傷の規模に相当する値（DI値）を算出することが提案された。
【０００６】
損傷探知技術の一手法として、ラム（Lamb）波と呼ばれる形態の超音波を送受振し、受振波形の変化から損傷発生を診断する研究が行われている。ラム波とは薄板を伝播する超音波であり、減衰が比較的小さく長距離に渡って板構造を伝播するため、損傷探知に適した超音波の伝播形態である。
また、ラム波には多重モード性と速度分散性（周波数依存性）という二つの特徴があり、板厚と周波数に依存して、速度の異なる複数のモードが存在する。この複雑な特徴のため、従来では、ラム波の特定の周波数の情報のみを利用して、損傷検知が行われてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−９８９２１号公報
【特許文献２】特開２００７−２３２３７１号公報
【特許文献３】米国特許第５４９３３９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このラム波の分散性という特徴を利用して、広帯域にわたるモード分散性を計測可能とし、従来よりも損傷検知に役立つより多くの情報が得られ、剥離長さ定量評価を可能とし、高精度で高信頼性の高い損傷の探知、診断を可能にする損傷診断システム及び損傷診断方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、被検体に広帯域ラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達される広帯域ラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換し、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、所定の特徴値を得て、その変化から損傷診断を行う損傷診断システムである。
【００１０】
請求項２記載の発明は、前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して、周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値の変化を得て損傷診断を行う請求項１に記載の損傷診断システムである。
【００１１】
請求項３記載の発明は、前記処理装置は、前記所定の特徴値を１つ又は２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１２】
請求項４記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１３】
請求項５記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１４】
請求項６記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとするとともに、これとは別の前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１５】
請求項７記載の発明は、前記処理装置は、２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間を算出して、これらに基づき前記周波数対伝播時間の変化率を算出して、前記所定の特徴値を当該変化率とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１６】
請求項８記載の発明は、前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項７に記載の損傷診断システムである。
【００１７】
請求項９記載の発明は、前記加振装置は前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、前記表裏の前記加振装置に同位相の波を発振させることにより対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを対称モードとして処理するか、前記表裏の前記加振装置に逆位相の波を発振させることにより非対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を異なる時に実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１８】
請求項１０記載の発明は、前記振動検知センサは前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、表裏の前記光ファイバセンサの出力値同士を加算することにより非対称モードを相殺して対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを対称モードとして処理するか、減算により対称モードを相殺して非対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システムである。
【００１９】
請求項１１記載の発明は、被検体にラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達されるラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置と、
前記計測結果を表示する表示装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波モードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値を得て前記計測結果として出力する損傷探知システムを用い、
前記表示装置に前記計測結果を表示させ、当該計測結果に係る前記被検体と同一で既知の構造体に対する計測結果との比較に基づき損傷を診断することを特徴とする損傷診断方法である。
【発明の効果】
【００２０】
ラム波は、板状の振動伝播媒体の板厚中心に対して対称的な変位を持つ対称モード (symmetric modes; Ｓモード)と非対称な変位を持つ非対称モード(a symmetric modes; Ａモード)があり、基本波対称モード（Ｓ０）と基本波非対称モード（Ａ０）のそれぞれに対し高次なｎ次モード（Ｓｎ，Ａｎ）が無数に存在し、波動が複雑になる。
本発明者らの研究において、広帯域ラム波を発振、受振することにより、対称/非対称モードを分離する手法が構成され、これを利用して各モードについて分析した結果、Ｓ１モードが層間剥離部においてＳ０モード及びＡ１モードに変換されて伝播し、層間剥離部を通過すると再びＳ１モードに戻って伝播することが分かった。
また、Ａ１モードが層間剥離部においてＡ１モードより伝播速度の速いＳ０モードに変換されて伝播し、層間剥離部を通過すると再びＡ１モードに戻って伝播することが分かった。
すなわち、層間剥離部における速度変化が到達時間の変化となり、層間剥離部の振動伝播方向の長さにより、各モードの到達時間はそれぞれ独自の変化を示すことがわかった。
したがって、本発明によれば、周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、特定のモードについて前記データから損傷の影響による本モードの到達時間の変化を顕示する所定の特徴値（損傷規模の指標）を得ることで、損傷の有無や規模を診断することが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る損傷探知システムの概略構成図である。
【図２】光ファイバセンサの概略構成図(a)、及び光進行方向におけるグレーティング部の屈折率変化を示す線図(b)である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサとこれに接続したスペクトラムアナライザの構成図(a)、及び８つの光学フィルタの通過域を示すスペクトル図(b)である。
【図４】本発明の一実施形態に係る光学フィルタに対する入力波波形(a)、２つの光学フィルタの通過域を示すスペクトル図(b)及び光学フィルタの出力波波形(c)である。
【図５】本発明の一実施形態に係る損傷探知システムの制御系を示すブロック図である。
【図６】実験に係るＭＦＣアクチュエータへの入力波形(a)及びそのフーリエスペクトル(b)である。
【図７】実験に係るＦＢＧセンサで受振した受振波形(a)、そのフーリエスペクトル(b)及びウェーブレット変換結果(c)である。
【図８】実験と同条件におけるラム波の理論分散曲線である。
【図９】ＭＦＣアクチュエータを用いたモード分離法の概念図である。
【図１０】ＦＢＧセンサを用いたモード分離法の概念図である。
【図１１】実験に係るモード同定結果を示す図である。
【図１２】ラム波のモード変換挙動の概念図(a)、板厚３．４（ｍｍ）の板内を伝播するラム波の理論分散曲線(b)及び板厚１．７（ｍｍ）の板内を伝播するラム波の理論分散曲線(c)である。
【図１３】実験に係る試験片の断面図である。
【図１４】実験から求めたＳモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１５】実験から求めたＡモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１６】有限要素解析モデルの断面図である。
【図１７】有限要素解析から求めたＳモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１８】有限要素解析から求めたＡモードのモード変換挙動を示す図である。
【図１９】構造体の健全時(a)と剥離発生時(b)とでの伝播形態の違いを示す。
【図２０】健全部でのＡ１モードの速度と剥離部でのＳ０モードの速度の違いを示す。
【図２１】人工層間剥離の検知実験に係る測定対象部の斜視図である。
【図２２】剥離長さの異なる各試験片について周波数ごとにＡ１モードのウェーブレット係数最大値が生じる時間をプロットした図である。
【図２３】剥離長さの異なる各試験片について周波数ごとにＳ０，Ｓ１モードのウェーブレット係数最大値が生じる時間をプロットした図である。
【図２４】図２２の２５０〜４００（ｋＨｚ）の範囲における各試験片の計測データ群の近似直線の傾きの剥離長さに対する変化を示したグラフである。
【図２５】300kHzにおけるＡ１モードの伝播時間の減少量の剥離長さに対する変化を示したグラフである。
【図２６】350kHz（有限要素解析）と400kHz（実験）におけるＳ０，Ｓ１モードの伝播時間の増加量の剥離長さに対する変化を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００２３】
〔基本構成〕
まず、本実施形態の損傷探知システムの基本構成につき説明する。
図１は、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行う損傷探知システム１０の概略構成図である。本実施形態では、構造用複合材料を被検体とする。
本実施形態では、被検体にラム波の超音波振動を加える加振装置として、ＭＦＣ（Macro Fiber Composite）アクチュエータを用いる。ＭＦＣアクチュエータは、極細の角柱状の圧電セラミックスを一方向に並べてエポキシ樹脂に埋め、その上下面に電極を接着したものであり、面内の一方向に比較的大きなひずみを発生させることが出来る。その特性から超音波発振素子としても使用可能であることが知られている。加振装置としてピエゾ素子などの他の発振アクチュエータを適用してもよい。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の損傷探知システム１０は、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行うべき箇所の近傍において構造用複合材料Ｚの面部に貼着されるＭＦＣアクチュエータ２１と、構造用複合材料Ｚの損傷探知を行うべき箇所の近傍に設置される振動検知センサとしての光ファイバセンサ３０と、ＭＦＣアクチュエータ２１の制御装置４１と、光ファイバセンサ３０から得られる反射光の波長特性を検出するスペクトラムアナライザ４２と、スペクトラムアナライザ４２の出力値を演算処理する演算処理装置５０とを備えている。なお、スペクトラムアナライザ４２の電源装置４３を図示した。
【００２５】
ＭＦＣアクチュエータ２１は、外部から駆動電圧を印加されると、その面内の一方向に比較的大きなひずみを発生させる。かかる性質を利用して、制御装置４１は、ＭＦＣアクチュエータ２１に対して駆動用の電圧を印加し、構造用複合材料Ｚに瞬間的な振動を加える。
【００２６】
光ファイバセンサ３０は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）光ファイバセンサであり、図２(a)の概略構成図に示すように、コア部３２に所定の波長光を反射するグレーティング部３３を有する光ファイバ３４から構成されている。
光ファイバ３４は、その一端部においてスペクトラムアナライザ４２に接続されており、当該スペクトラムアナライザ４２が有する光源により、所定範囲の波長帯域を網羅する照射光がコア部３２に入射される。このスペクトラムアナライザ４２から入射する光は、コア部３２を伝搬してグレーティング部３３でその一部の波長光のみが反射される。
【００２７】
図２(b)は、コア部３２の光進行方向における屈折率変化を示す線図であり、図中の範
囲Ｌがグレーティング部３３における屈折率を示している。
かかる図に示すように、グレーティング部３３は、コア部３２の屈折率を一定の周期で変化するように構成されている。グレーティング部３３は、かかる屈折率の変化している境界部分で特定の波長の光のみ選択的に反射する。このグレーティング部３３に振動によりひずみ等の外乱が加えられると格子間隔の変化(伸縮)に伴って反射光の波長が変化する。
ここで、ＦＢＧ光ファイバセンサの反射光の波長変化ΔλBは、コアの実効屈折率をn、グレーティング間隔をΛ、ポッケルス係数をP11,P12、ポアソン比をν、印加歪をε、ファ
イバ材の温度係数をα、温度変化をΔTとすると次式（１）で表される(Alan D. Kersey, Fiber Grating Sensors”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 15, No. 8, 1997)。
【００２８】
【数１】
【００２９】
したがって、グレーティング部３３に振動を生じると、グレーティング部３３の歪み量εに変化を生じ、その結果、歪み量εに応じて反射光の波長が変動することとなる。振動がその振動源から良好に伝達されれば、グレーティング部３３は大きく歪みを生じ、波長の変化量ΔλBは大きく変動することとなるし、振動がその振動源から良好に伝達されな
い場合は、グレーティング部３３は小さく歪みを生じ、波長の変化量ΔλBは小さく変動
することとなる。
【００３０】
ＭＦＣは繊維状の圧電素子に軸方向の垂直ひずみを発生させ、ＦＢＧは繊維状の光ファイバに発生した軸方向ひずみを検出している。これらの素子は共振周波数を持たずに広い周波数特性を有し、その挙動は強い指向性を有するため伝播経路が明確である。この二つの特徴によって、本計測システムでは、広帯域なラム波を指向性をもって伝播させることが可能となっている。また、ＦＢＧとＭＦＣは共に小型・軽量であり、柔軟で破断ひずみも高いため、積層板と一体化可能であり、大ひずみ下においても破断せずに高い信頼性がある、といった構造ヘルスモニタリングに適した特徴も有する。
【００３１】
図３(a)に光ファイバセンサとこれに接続したスペクトラムアナライザ４２の構成例を
示す。図３(a)に示すように、スペクトラムアナライザ４２は、光源６１と、光サーキュ
レータ６２と、ＡＷＧモジュール６３と、光電変換器６０とを備える。本構成例では、反射波長の異なる４つの光ファイバセンサ３０ａ〜ｄが直列に設けられた光ファイバ３４をスペクトラムアナライザ４２に接続する。最少構成としては、光ファイバセンサ３０は一つでよい。
【００３２】
光源６１は、光ファイバセンサ３０ａ〜ｄの反射波長の振動域をすべて含む広帯域の光源である。ラム波により光ファイバセンサ３０ａ〜ｄの反射波長が振動しても、常に完全な反射光が得られるようにするためである。
光サーキュレータ６２は、光源６１からの光を光ファイバセンサ３０ａ〜ｄ側へ進行させ、返ってきた光ファイバセンサ３０a〜ｄからの反射光を光ファイバ６９へ導出する。光ファイバ６９に導出された反射光はＡＷＧモジュール６３の入力ポートＰ０に導入される。
【００３３】
ＡＷＧモジュール６３は、ＡＷＧ基板６４を有する。ＡＷＧ基板６４には、光導波路技術によりガラス基板上にモノリシック集積された光波回路が形成されている。ＡＷＧ基板６４上の光波回路は、入出力スラブ導波路６５，６６とアレイ導波路６７と、出力導波路６８とを有し、入力ポートＰ０に並列接続された通過域の異なる８つの光学フィルタを構成している。ＡＷＧ基板６４上の光波回路は、波長多重された入力光を分配して８つの光学フィルタに通すことより波長分離し、８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８にパラレル出力する。但し、実用時の出力ポートは８つに限定されない。
【００３４】
８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８に対応する各光学フィルタの通過域を図３(b)のスペクト
ル図に示す。例えば図３(b)で、中心波長λ２の反射波長を有する光学ファイバセンサ３
０ｂの反射光入力分布７０が通過域７１に重なる部分に相当する反射光をある一つの光学フィルタが通過させ出力ポートＰ３へ出力すると共に、これに並行して通過域７２に重なる部分に相当する反射光を他の光学フィルタが通過させ出力ポートＰ４へ出力する。同様にして反射中心波長λ１の光学ファイバセンサ３０ａには出力ポートＰ１,Ｐ２が、反射中心波長λ３の光学ファイバセンサ３０ｃには出力ポートＰ５,Ｐ６が、反射中心波長λ４の光学ファイバセンサ３０ｄには出力ポートＰ７,Ｐ８がそれぞれ対応し、同様の原理で波長分離が可能である。上述したように最少構成としては、光ファイバセンサ３０は一つでよく、この場合、光学フィルタは２つで足りる。
【００３５】
代表して、１つの光ファイバセンサ３０からの反射光に対する処理内容を図４を参照して説明する。
図４(b)に示すように、光ファイバセンサ３０からの反射光の入力分布７３Ｔが現れる
。ＭＦＣアクチュエータ２１による加振時には、ＭＦＣアクチュエータ２１を発振源とするラム波が構造用複合材料Ｚを伝搬し、光ファイバセンサ３０は構造用複合材料Ｚから伝達されるラム波に応じて出力する反射光の波長を振動させる。この波長の振動を図示すると図４(a)の入力波７３Ｗとなる。
この波長の振動により、図４(b)に示す反射光入力分布７３Ｔは、上位、下位に交互に
シフトして微小に振動し、波長の値は増減を繰り返す。
このような波長振動において、図中７３Ｃは、反射光入力分布７３Ｔの中心波長の振動中心である。一方の光学フィルタの通過域７５Ｔの中心波長７５Ｃは振動中心７３Ｃの上域に固定されている。また、他方の光学フィルタの通過域７４Ｔの中心波長７４Ｃは振動中心７３Ｃの下域に固定されている。
また、中心波長７５Ｃ及び中心波長７４Ｃは、振動中心７３Ｃから反射光の波長振動の振幅以上に離れた位置に固定されている。
さらに、反射光入力分布７３Ｔの静止時において、上位の通過域７５Ｔの下位側のスロープ７５Ｔ−１は、反射光入力分布７３Ｔの上位側のスロープ７３Ｔ−１に交わり、上位の通過域７５Ｔと反射光入力分布７３Ｔとは波長振動の振幅以上の幅で重なる。
同様に、反射光入力分布７３Ｔの静止時において、下位の通過域７４Ｔの上位側のスロープ７４Ｔ−１は、反射光入力分布７３Ｔの下位側のスロープ７３Ｔ−２に交わり、下位の通過域７４Ｔと反射光入力分布７３Ｔとは波長振動の振幅以上の幅で重なる。
反射光入力分布７３Ｔに対し以上の位置関係に通過域７５Ｔ及び通過域７４Ｔを固定することにより、反射光の波長振動を高感度に検出することができる。
上位の光学フィルタは反射光入力分布７３Ｔが通過域７５Ｔに重なる部分に相当する反射光を通過させて出力する。同様に、下位の光学フィルタは反射光入力分布７３Ｔが通過域７４Ｔに重なる部分に相当する反射光を通過させて出力する。
【００３６】
したがって、反射光の波長の値が増加して反射光入力分布７３Ｔが上位にシフトすると、通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は増加し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は減少する。逆に、反射光の波長の値が減少して反射光入力分布７３Ｔが下位にシフトすると、通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は減少し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は増加する。
そのため、反射光の中心波長の変化が図４(a)に示す入力波７３Ｗにより振動する時、
通過域７５Ｔを有する上位の光学フィルタの出力値は、図４(c)に示す出力波７５Ｗを生
成し、通過域７４Ｔを有する下位の光学フィルタの出力値は、図４(c)に示す出力波７４
Ｗを生成する。図４(c)に示すように、出力波７４Ｗと出力波７５Ｗは逆位相の波動とな
る。
【００３７】
以上の原理により、図３に示すスペクトラムアナライザ４２は、加振時に８つの出力ポートＰ１〜Ｐ８それぞれに光波を出力し、これらを光電変換器６０により電気信号に変化して外部出力する。スペクトラムアナライザ４２の出力は、図示しないインターフェースを介してＡ／Ｄ変換されて演算処理装置５０に入力される。
【００３８】
演算処理装置５０は、図５に示すように、プログラムに従い演算処理を行うＣＰＵ５１と、各種の処理及び制御を行うためのプログラムを記憶するＲＯＭ５２と、各種の処理において一時的にデータ等を格納する作業領域となるＲＡＭ５３と、制御装置４１とデータの送受を図るインターフェース５４と、スペクトラムアナライザ４２からのデータを入力するインターフェース５５と、演算結果の表示データを表示装置５６に適正なフォーマットの画像信号に変換して表示装置５６に出力する画像出力インターフェース５７と、上記各構成間での各種指令又はデータの伝送を行うデータバス５８とを備えている。
【００３９】
損傷探知システム１０は、損傷探知の対象となる構造用複合材料Ｚに設置したＭＦＣアクチュエータ２１により構造用複合材料Ｚに対して振動を加えると共に、光ファイバセンサ３０により検出される振動波の伝搬状態から、光ファイバセンサ３０の近傍に損傷が発生しているか否かを探知する。そのために、演算処理装置５０は、ＲＯＭ５２に記憶された各種のプログラムをＲＡＭ５３を用いてＣＰＵ５１が処理することで以下に説明するような各種の機能を実行する。
【００４０】
ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に格納されたプログラムに従い、ＭＦＣアクチュエータ２１について駆動用電圧を印加するように制御装置４１の動作制御を行う。ＭＦＣアクチュエータ２１が複数ある場合は、選択するＭＦＣアクチュエータ２１としては、いずれのものでも良いが、例えば、振動の発生源とした場合に、光ファイバセンサ３０のグレーティング部３３までの間に構造用複合材料Ｚの損傷を生じやすい部分が存在するようなＭＦＣアクチュエータを選択することが望ましい。
【００４１】
ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２に格納されたプログラムに従い、駆動用電圧を印加し、ＭＦＣアクチュエータ２１による加振中の一定期間にスペクトラムアナライザ４２から８並列で出力される出力波データを取得しＲＡＭ５３に記憶する処理を行う。
【００４２】
ＣＰＵ５１は、制御指令を発してＭＦＣアクチュエータ２１によりラム波の超音波振動を構造用複合材料Ｚに加振し、その加振動時に得られる光学フィルタの出力波７４Ｗと出力波７５Ｗの差動信号ｆ（ｔ）を数値化して得る。例えば、図７（ａ）に示す差動信号ｆ（ｔ）が得られる。
そしてＣＰＵ５１は、次式（２）によりｆ（ｔ）データにウェーブレット変換を施す。これによりｆ（ｔ）データは、周波数及び伝播時間の２次元に展開された伝播強度分布データに変換される。本データが、ラム波の光ファイバセンサ３０への伝播強度分布に相当し、図示すると例えば図７（ｃ）のごとくとなる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
〔損傷探知動作〕
以上説明した基本構成を用い、さらに図１９又は図２１に示すようにＭＦＣアクチュエータ２１，２１及び光ファイバセンサ３０，３０をそれぞれ構造用複合材料Ｚの表裏同位置に設置して、以下の損傷探知動作を実行する。
【００４５】
ＣＰＵ５１は、表裏のＭＦＣアクチュエータ２１，２１に同位相の波を発振させることにより、対称モードのみを構造用複合材料Ｚに加振し、上述したようにｆ（ｔ）データにウェーブレット変換を施して、例えば図１１(a)に示すごとくＳモードのみの周波数及び伝播時間の２次元展開データを得る。その後、ＣＰＵ５１は、図８に示す理論分散曲線に基づき、Ｓ０モード、Ｓ１モード、Ｓ２モード等のモードを特定して、特定モードの周波数ごとのウェーブレット係数最大値が生じる伝播時間を算出する。例えば、特定モードをＳ０モード及びＳ１モードとする場合は、図２３に示すごとくウェーブレット係数最大値が生じる周波数，伝播時間の関係が特定される。これが２次元展開データから抽出した一つの特徴値であって一つの計測結果である。
ＣＰＵ５１は、これを図２３に示すごとく表示装置５６に表示する。ＣＰＵ５１は、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果と同一で損傷状態が既知の構造体に対する計測結果とともに表示する。これを検査者が参照し、それらの比較により損傷の有無や規模を推定することができる。
又は、Ｓ０モード及びＳ１モードの伝播時間は、層間剥離長さの増加により増加するので、ＣＰＵ５１は、例えば図２６に示すように損傷の無い場合に対する伝播時間の増加量の形態で表示する。これを検査者が参照し、損傷の有無や規模を推定することができる。
またＣＰＵ５１がさらに進んで、ＲＯＭ５２等に多数蓄積した損傷状態が既知の構造体に対する計測結果と、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果とに基づき、当該被検体に対する損傷規模の推定演算を行い、その結果を表示装置５６に表示する形態ととってもよい。
なお、対称モード（Ｓモード）のデータを取得するために、上記方法に代えて、表裏の光ファイバセンサ３０，３０の出力値同士を加算することにより非対称モードを相殺して対称モードを強調した２次元展開データ（伝播強度分布データ）を得てもよい。
【００４６】
またＣＰＵ５１は、表裏のＭＦＣアクチュエータ２１，２１に逆位相の波を発振させることにより、非対称モードのみを構造用複合材料Ｚに加振し、上述したようにｆ（ｔ）データにウェーブレット変換を施して、例えば図１１(ｂ)に示すごとくＡモードのみの周波数及び伝播時間の２次元展開データを得る。その後、ＣＰＵ５１は、図８に示す理論分散曲線に基づき、Ａ０モード、Ａ１モード等のモードを特定して、特定モードの周波数ごとのウェーブレット係数最大値が生じる伝播時間を算出する。例えば、特定モードをＡ１モードとする場合は、図２２に示すごとくウェーブレット係数最大値が生じる周波数，伝播時間の関係が特定される。これが２次元展開データから抽出した一つの特徴値であって一つの計測結果である。
ＣＰＵ５１は、これを図２２に示すごとく表示装置５６に表示する。ＣＰＵ５１は、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果と同一で損傷状態が既知の構造体に対する計測結果とともに表示する。これを検査者が参照し、それらの比較により損傷の有無や規模を推定することができる。
又は、Ａ１モードの伝播時間は損傷部でのＡ１モードより伝播速度の速いＳ０モードへの変換により減少するので、ＣＰＵ５１は、例えば図２５に示すように損傷の無い場合に対する伝播時間の減少量の形態で表示する。これを検査者が参照し、損傷の有無や規模を推定することができる。
またＣＰＵ５１は、Ａ１モードに関し、周波数対伝播時間の変化率を算出する。この変化率は、例えば、図２２の２５０〜４００（ｋＨｚ）の範囲の各試験片の計測データ群に近似直線を計算し、この近似直線の傾きが相当する。これも２次元展開データから抽出した一つの特徴値であって一つの計測結果である。ＣＰＵ５１は、この変化率（傾き）を例えば図２４に示すように数値やグラフで表示する。ここでも、ＣＰＵ５１は、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果と同一で損傷状態が既知の構造体に対する計測結果とともに表示する。これを検査者が参照し、それらの比較により損傷の有無や規模を推定することができる。
またＣＰＵ５１がさらに進んで、ＲＯＭ５２等に多数蓄積した損傷状態が既知の構造体に対する計測結果と、損傷状態が未知の被検体に対する計測結果とに基づき、当該被検体に対する損傷規模の推定演算を行い、その結果を表示装置５６に表示する形態をとってもよい。推定演算の基礎データは、以上のＳ０モード及びＳ１モードの伝播時間の増加量、Ａ１モードの伝播時間の減少量、及び変化率（傾き）のうちいずれか１又は２以上とされる。
なお、非対称モード（Ａモード）のデータを取得するために、上記方法に代えて、表裏の光ファイバセンサ３０，３０の出力値同士を減算することにより対称モードを相殺して非対称モードを強調した２次元展開データ（伝播強度分布データ）を得てもよい。
【００４７】
以上の実施形態にあっては、２つの光学フィルタの出力値の差動信号をウェーブレット変換の基礎データとしたが、本発明はこれに限定されず、１つの光学フィルタの出力値をウェーブレット変換の基礎データとしてもよい。
【００４８】
また以上の実施形態にあっては、特定モードのウェーブレット係数の最大ピーク値を算出したが、取得ラム波の特定モードの比較に適したパラメータであればいずれのパラメータの値であってもよい。
【００４９】
また以上の実施形態にあっては、光ファイバセンサの検出値を周波数及び伝播時間の２次元に展開する変換としてウェーブレット変換を適用したが、本発明はこれに限定されず、短時間フーリエ変換等他の変換手法を適用してもよい。
【００５０】
〔検証実験・解析〕
次に、本発明の理論説明及び本発明の実施に当たっての参考とするために、以下の実験・解析による検証内容を開示する。
【００５１】
〔１．モード同定法（モード分離法）〕
まず始めに、擬似等方性CFRP積層板（T700S/2500、東レ（株）、[45/0/-45/90]3s、厚さ3.4mm）を対象として計測を行った。ＭＦＣ（M-2814-P2, Smart material Co., Ltd.）は長さ6mm、幅14mm、厚さ0.3mm、ＦＢＧセンサ（フジクラ（株））はセンサ長1.5mm、ポリイミド被覆付きで直径150μmである。両者を100mm離してCFRP積層板表面に貼り付け、計測を行った。貼りつけにはシアノアクリレート系接着剤であるアロンアルファ（コニシ（株））を用いた。ＭＦＣへの入力信号は、図６に示すようなfc=400kHzのサイン波1周期分にハミング窓を掛けた広帯域な信号を用いた。そしてＭＦＣで発振され、積層板を伝播してＦＢＧセンサで受振されたラム波の受振波形は、ノイズを除去するために32768回の計測波形の平均化を行った。その後、得られた受振波形に対して信号解析を行い、受振波に含まれるモード分散性を時間−周波数領域で表わした。信号解析には、窓関数として複素モルレ関数を用い、1次元複素連続ウェーブレット解析を行った。ＦＢＧセンサで受振した受振波形とそのフーリエスペクトル、およびウェーブレット変換結果を図７に示す。この結果より、特定の周波数で大きなピークが現れずに広帯域に渡る成分を受振していることが確認できる。また、ウェーブレット変換結果より、速度や周波数の異なる複数のモードが観察され、モード分散性があることが分かる。次に、この受振波形に現れる各モードを同定するために理論分散曲線を導出する。
【００５２】
上記実験と同様3.4mmのCFRP積層板における、伝播距離100mm地点での到達時間の理論分散曲線を導出したもの図８である。また、この分散曲線上で高次のモードの到達時間が急激に遅くなり、無限大に発散する周波数をカットオフ周波数と言う。この理論分散曲線と先ほどの受振波形のウェーブレット変換結果を比較すると、モード分散性は両者でよく一致していることが分かる。しかし、複数のモードが重なり合う300kHz以上の周波数領域においてはモードの同定を行うことは困難であり、正確なモード同定を行うためには、
これらの重なり合うモードを分離する必要がある。
そこで、これらのモードの分離手法として、ＭＦＣとＦＢＧセンサを積層板上下面の同じ位置にそれぞれ貼り付ける方法を用いた。図９に示すように、ＭＦＣを上下表面の同じ位置に貼り付け、お互いに同位相の波を発振すると、対称モードのみを発振することが出来る。反対に逆位相の波を発振すれば、非対称モードのみを発振することが出来る。
また、図１０に示すように、ＦＢＧセンサを上下表面の同じ位置に貼り付け、板の上下面での受振波形の和を取れば対称モードを、差を取れば非対称モードをそれぞれ分離することが出来る。
この二つの手法を用いて、受振ラム波に含まれるＳ（対称）モードとA（非対称）モードを分離し、それぞれウェーブレット変換を行った後に、先ほどの理論分散曲線と比較しモード同定を行った結果を図１１に示す。結果、モード分離をおこなうことによって複数モードの重なりが解消され、正確にモード同定をおこなうことが出来た。そして、受振波形にはＡ０,Ｓ０,Ａ１,Ｓ1,Ｓ２モードが存在することが確認された。
以上の結果より、上記のモード分離手法を用いれば、受振ラム波に含まれる各モードの同定が可能である。
【００５３】
〔２．特定モードの伝播時間の変化原因（層間剥離部におけるモード変換挙動）〕
前節において各モードの同定を行い、計測結果に含まれるモード分散性を理解することが出来るようになった。次に、このモード分散性の変化から生じるモード変換挙動を実験
と解析によって解明する。
【００５４】
（１）剥離部の板厚変化によるモード変換
ラム波の伝播速度は周波数と板厚の積に依存するため、板厚が変化するとラム波のモード分散性も変化する。よって、図１２に示すように、積層板内部に層間剥離が発生すると、剥離部における伝播経路の板厚は健全部よりも減少するため、健全部と剥離部ではモード分散性が異なる。このモード分散性の変化によって、健全部を伝播してきたラム波にはモード変換が生じ、健全部とは異なるモード形態で剥離部を伝播すると考えられる。
例えば、板厚3.4mmの積層板では周波数300kHzのラム波の伝播形態としてＡ０,Ｓ０,Ａ１モードの三つが存在するが、積層板の中央に層間剥離が発生し、剥離部での板厚が1.7mmに変化すると、Ａ０,Ｓ０モードの二つしか伝播形態が存在しない。
よって、健全部をＡ１モードとして伝播してきたラム波は剥離部でモード変換し、Ａ０,Ｓ０モードとして伝播していくこととなる。しかし、どちらのモードとして剥離部を伝播するかは理論分散曲線からは求められない。そこで、実際の層間剥離部で生じるモード変換挙動の解明を、実験と有限要素解析から行う。
【００５５】
（２）実験
実際の層間剥離の開始端部で生じるモード変換挙動の解明を行うために、擬似等方性CFRP積層板（T700S/2500、東レ（株）、[45/0/-45/90]3s、厚さ3.4mm）の板厚方向の中央に層間剥離が存在する場合を模擬した。なお、モード分離によって受振ラム波のモード同定を行うため、剥離部のモード分散性を計測するためには、模擬した層間剥離の内表面にＦＢＧセンサを貼り付ける必要がある。そこで、厚さ1.7mmのCFRP積層板を二枚用意し、一方にＦＢＧセンサを接着したのち、ＦＢＧセンサを接着した面が内側に来るように、板の片端から長さ60mm範囲をエポキシ系接着剤Araldite Standard（ハンツマン・アドバンスト・マテリアル（株））で接着した。二枚のCFRP積層板は、積層構成[45/0/-45/90]3sを模擬するために、積層構成[45/0/-45/90]3で作製し、接着面で対称になるように接着した。試験片の寸法を図１３に示す。また、板の幅は90mmである。
ＭＦＣ（M-2814-P2）は長さ6mm、幅14mm、厚さ0.3mmのものを用い、積層板の上下表面に一つずつ貼り付けた。また、ＭＦＣ先端から距離30mm,板厚3.4mmの地点（健全部）、および距離70mm,板厚1.7mmの地点（剥離部）の二点でＦＢＧセンサを積層板の上下表面に貼り付けラム波を受振する。実験に用いたＦＢＧセンサ（フジクラ（株））はセンサ長1.5mm、ポリイミド被覆付きで直径150μm。素子の貼り付けにはアロンアルファ（コニシ（株））を用いた。入力信号はfc=400kHzのサイン波1周期分にハミング窓を掛けた信号であり、受振波形はノイズを除去するため、32768回の計測波形の平均化を行う。上下面のＭＦＣを用いて、Ｓ（対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＳモードのモード変換挙動を図１４に、Ａ（非対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＡモードのモード変換挙動を図１５にそれぞれ示す。
【００５６】
図１４の結果より、Ｓモードのみの発振を行った場合、健全部ではＳ０モードとＳ１モードのみが観察される。図１２（ｃ）に示す板厚1.7mmの場合の理論分散曲線より、剥離部ではＳ１モードは800kHz以上にしか存在しないことが分かっているため、健全部で観察されたＳ１モードは剥離部においてモード変換し他のモードとして伝播していると考えられる。そこで、剥離部に存在するモードを観察すると、Ｓ０モードとＡ１モードの二つが観察される。この結果より、層間剥離の開始部では、「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード」のモード変換が生じていることが確認された。
図１５の結果より、Ａモードのみの発振を行った場合、健全部ではＡ０モードとＡ１モードのみが観察される。図１２（ｃ）に示す板厚1.7mmの場合の理論分散曲線より、剥離部ではＡ１モードは500kHz以上にしか存在しないことが分かっているため、健全部で観察されたＡ１モードは剥離部においてモード変換し他のモードとして伝播していると考えられる。そこで、剥離部に存在するモードを観察すると、Ｓ０モードとＡ１モードの二つが観察される（Ａ０モードは到達時間が遅いためモード変換の対象としては考慮しない）。この剥離部で観察されたＡ１モードはモード変換ではなく、500kHz以上のＡ１モードがそのまま伝播したものと考えられる。よって、この結果より、層間剥離の開始部では、「Ａ１モード→Ｓ０モード」のモード変換が生じていることが確認された。
【００５７】
（３）有限要素解析による検証
上記（２）の実験から求めたモード変換挙動を検証するために、二次元の有限要素解析を行った。図１６に有限要素モデルとその寸法を示す。モデルの構築および解析にはLS-DYNA 971を使用した。解析モデルの要素は2Dshell要素（平面ひずみ）を用いた。Meshサイズは、波長の短い高周波も計算できるように十分小さく0.125mmとした。ＭＦＣとCFRP積層板の接触部はNode結合を行い、ＭＦＣへの入力波形は実験と同様、周波数400kHzのサイン波1周期分にハミング窓を掛けたものを用いた。また、LS-DYNAでは圧電効果を計算できないため、圧電効果をＭＦＣの伸縮方向の熱膨張率として付与して模擬した。以上のような条件のもと、図１６に示す三つの受振点（健全部：伝播距離20mm,板厚3.4mm、剥離部：伝播距離60mm,板厚1.7mm、健全部（剥離通過後）：伝播距離100mm,板厚3.4mm）において、x方向ひずみの時間履歴を計算し受振波形とした。上下面のＭＦＣを用いて、Ｓ（対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＳモードのモード変換挙動を図１７に、Ａ（非対称）モードのみの発振を行うことによって求めたＡモードのモード変換挙動を図１８にそれぞれ示す。
【００５８】
図１７の結果より、層間剥離の開始部では、実験と同様「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード」のモード変換が生じていることが確認された。また、層間剥離通過後の健全部では、剥離通過前の健全部と同様の分散性が観察され、Ｓ０モードとＳ１モードが観察された。このＳ１モードは剥離部を伝播して健全部に戻る際に、剥離部のＳ０モード,Ａ１モードが、健全部において再びＳ１モードにモード変換したものと考えられる。
次に、図１８の結果より、層間剥離の開始部では、実験と同様「Ａ１モード→Ｓ０モード」のモード変換が生じていることが確認された。また、層間剥離通過後の健全部では、
剥離通過前の健全部と同様の分散性が観察され、Ａ０モードとＡ１モードが観察された。
このＡ１モードは剥離部を伝播して健全部に戻る際に、剥離部のＳ０モードが健全部において再びＡ１モードにモード変換したものと考えられる。
以上より、実験によって求めたモード変換挙動の妥当性を示し、さらに層間剥離が終了する地点でのモード変換挙動に関しても解明した。結果、層間剥離部を通過する際に、以下の二つのモード変換挙動が存在することが確認された。
・「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード→Ｓ１モード」
・ 「Ａ１モード→Ｓ０モード→Ａ１モード」
【００５９】
このようなモード変換挙動により、剥離部を伝播する時のモードと、健全時に伝播する時のモードは異なる。例えば「Ａ１モード→Ｓ０モード→Ａ１モード」のモード変換では、図１９に示すように、健全時はすべての伝播経路をＡ１モードとして伝播するのに対し、剥離が発生するとその領域をＳ０モードとして伝播する。このとき、健全部（板厚3.4mm）のＡ１モードと剥離部のＳ０モード（板厚1.7mm）の伝播速度は図２０に示すように異なっており、Ｓ０モードの方がＡ１モードよりも速度が速い。よって、ＦＢＧセンサで受振されるＡ１モードの到達時間は、剥離が発生した場合の方が健全時よりも早くなる。この到達時間の変化は、健全部を伝播するモードと剥離部を伝播するモードの伝播速度の差と、剥離の長さに応じて生じる。よって、この差を指標とすることで、層間剥離の検知と、その剥離長さの定量評価が可能となる。
【００６０】
〔３．人工層間剥離検知による検証実験と解析〕
（１）検証実験
剥離部を通過した後の波に、実際に到達時間の変化が生じているかどうかを実験から検証し、本件発明の有効性を示す。
そこで、CFRP擬似等方性積層板の成形中に、板厚方向中央の隣り合う90°層の間に、厚さ50μmのテフロン（登録商標）フィルムを二枚重ねて埋め込むことで、板厚方向の中央に、剥離長さL=20,40,60mmの層間剥離を人工的に導入した３種類の積層板を作製した。そして、それらの剥離領域を通過するように広帯域なラム波を伝播させ、受振波形を計測した。その実験構成を図２１に示す。ＭＦＣとＦＢＧセンサはそれぞれ板の上下表面の同じ場所に接着し、前節でモード変換挙動を解明した場合と同様にモード分離を行う。
この実験構成を用いて、Ｌ=20,40,60mmの人工剥離を導入した積層板を用いて人工層間剥離の検知実験を行った。それらの結果と、健全な積層板（L=0mm）を対象にして計測を行った場合の結果を比較し、到達時間の変化について評価する。
そのために、受振波形をウェーブレット変換した後、各周波数のウェーブレット係数の最大値を抽出した。層間剥離が存在する場合の、このウェーブレット係数最大値の時刻の健全状態からの変化量が、到達時間の変化量に対応する。
上下面ＭＦＣを用いてＡモードを発振した場合に、ＦＢＧセンサで計測されるＡモードの「周波数ごとのウェーブレット係数最大値が現れる時間」を、Ｌ=0,20,40,60mmの場合について、到達時間に比較的大きな変化が生じている200〜700kHzのＡ１モードに関して、図２２に示す。
次に、上下面ＭＦＣを用いてＳモードを発振した場合に、ＦＢＧセンサで計測されるＳモードの「周波数ごとのウェーブレット係数最大値が現れる時間」を、Ｌ=0,20,40,60mmの場合について、到達時間に変化が生じている400〜600kHzのＳ０,Ｓ１モードに関して、図２３に示す。
図２２より、剥離の長さが長くなるにつれてＡ１モードの到達時間が早くなる様子が観察される。また、200〜500kHzの周波数領域のモード分散性の傾きが変化する様子も観察
される。これは、図２０に示されるように、Ａ１モードのカットオフ周波数に近くなる（周波数が低くなる）ほどＳ０モードとＡ１モードの伝播速度の差が大きくなるからである。
また、図２３からは、剥離の長さが長くなるにつれてＳ０,Ｓ１モードの到達時間が遅くなる様子が観察される。
以上の結果より、層間剥離が発生すると確かに到達時間に変化が生じており、本発明が有効であることが示された。
【００６１】
（２）有限要素法による検証
上記２．（３）で用いた二次元有限要素解析モデルの層間剥離長さをＬ=20, 40, 60mmで変化させ、上記実験と同様の実験構成で解析を行った。その後、実験と同様に、振幅最大値をＡ１モードとＳ０,Ｓ１モードに関して求め、到達時間の変化を観察すると、実験（図２２,図２３）の結果とよく一致し、同様の変化が観察された。
【００６２】
（３）剥離長さの定量評価
さらに、上記（１）の実験結果と上記（２）の解析結果から観察された到達時間の変化やモード分散性の傾きを指標として、剥離長さの定量評価の可能性を示す。
到達時間に変化が生じている周波数領域の振幅最大値のプロットから線形近似直線を算出し、その近似直線を用いて以下の指標を求めた。指標は実験結果と解析結果からそれぞれ求めた。各指標を剥離長さごとにプロットした結果を図２４,図２５,図２６に示す。
図２４は、250〜400kHzのＡ１モードのモード分散性の傾きを、図２５は300kHzにおけるＡ１モードの到達時間の減少量を、図２６は400kHz（解析は350kHz）におけるＳ０,Ｓ１モードの到達時間の増加量を示す。
図２４の結果より、剥離長さが大きくなるにつれ、モード分散性の傾きが小さくなっていく様子が観察される。また、図２５,図２６の結果より、剥離長さが大きくなるにつれ、Ａ１モードの到達時間の減少量と、Ｓ０,Ｓ１モードの到達時間の増加量が大きくなっていく様子が観察される。しかも、これらの指標は剥離長さにほぼ比例して変化している。よって、これらの指標を用いることで剥離長さの定量評価が可能である。
【００６３】
〔４．結論〕
以上のように、まず始めに、広帯域超音波送受振システムで計測される広帯域ラム波の各モードの同定を行った。そのための手法として、対称/非対称モードを分離する手法を提案し、この分離手法を用いればモード同定が可能なことを示した。
次に、層間剥離部におけるモード変換挙動を実験と解析から解明し、「Ｓ１モード→Ｓ０モード,Ａ１モード→Ｓ１モード」、「Ａ１モード→Ｓ０モード→Ａ１モード」の二つのモード変換挙動の存在を確認した。
その後、モード変換によるラム波の速度変化を利用した本発明に係る剥離検知手法の有効性を実験と解析から検証した。結果、剥離部における速度変化が到達時間の変化として観察されることを確認した。
最後に、Ａ１モードのモード分散性の傾きと、Ａ１モードの到達時間の減少量、Ｓ０,Ｓ１モードの到達時間の増加量の三つの指標のそれぞれにより、剥離長さの定量評価が可能であることを示した。
【符号の説明】
【００６４】
１０ 損傷探知システム
２１ ＭＦＣアクチュエータ
３０ 光ファイバセンサ
３２ コア部
３３ グレーティング部
４２ スペクトラムアナライザ
５０ 演算処理装置
６３ ＡＷＧモジュール
６４ ＡＷＧ基板
６５，６６ 入出力スラブ導波路
６７ アレイ導波路
６８ 出力導波路
Ｐ０ 入力ポート
Ｐ１〜Ｐ８ 出力ポート
７０，７３Ｔ 反射光入力分布
７１，７２，７４Ｔ，７５Ｔ 通過域
７３Ｃ 振動中心
１０１ 剥離
１０２ ラム波
１０３ モード変換挙動
１０４ リフレクション
１０５ 接着層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に広帯域ラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達される広帯域ラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換し、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、所定の特徴値を得て、その変化から損傷診断を行う損傷診断システム。
【請求項２】
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して、周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値の変化を得て損傷診断を行う請求項１に記載の損傷診断システム。
【請求項３】
前記処理装置は、前記所定の特徴値を１つ又は２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項４】
前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項５】
前記処理装置は、前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項６】
前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとするとともに、これとは別の前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項７】
前記処理装置は、２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間を算出して、これらに基づき前記周波数対伝播時間の変化率を算出して、前記所定の特徴値を当該変化率とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項８】
前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項７に記載の損傷診断システム。
【請求項９】
前記加振装置は前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、前記表裏の前記加振装置に同位相の波を発振させることにより対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを対称モードとして処理するか、前記表裏の前記加振装置に逆位相の波を発振させることにより非対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を異なる時に実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項１０】
前記振動検知センサは前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、表裏の前記光ファイバセンサの出力値同士を加算することにより非対称モードを相殺して対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを対称モードとして処理するか、減算により対称モードを相殺して非対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項１１】
被検体にラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達されるラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置と、
前記計測結果を表示する表示装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波モードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値を得て前記計測結果として出力する損傷探知システムを用い、
前記表示装置に前記計測結果を表示させ、当該計測結果に係る前記被検体と同一で既知の構造体に対する計測結果との比較に基づき損傷を診断することを特徴とする損傷診断方法。
【請求項１】
被検体に広帯域ラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達される広帯域ラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換し、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、所定の特徴値を得て、その変化から損傷診断を行う損傷診断システム。
【請求項２】
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して、周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波のモードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値の変化を得て損傷診断を行う請求項１に記載の損傷診断システム。
【請求項３】
前記処理装置は、前記所定の特徴値を１つ又は２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項４】
前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項５】
前記処理装置は、前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項６】
前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとするとともに、これとは別の前記特定のモードをＳ０モード及びＳ１モードとする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項７】
前記処理装置は、２つ以上の周波数ごとの伝播強度最大値が生じる伝播時間を算出して、これらに基づき前記周波数対伝播時間の変化率を算出して、前記所定の特徴値を当該変化率とする請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項８】
前記処理装置は、前記特定のモードをＡ１モードとする請求項７に記載の損傷診断システム。
【請求項９】
前記加振装置は前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、前記表裏の前記加振装置に同位相の波を発振させることにより対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを対称モードとして処理するか、前記表裏の前記加振装置に逆位相の波を発振させることにより非対称モードを発振させるとともに、前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を異なる時に実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項１０】
前記振動検知センサは前記被検体の表裏にそれぞれ設置され、
前記処理装置は、表裏の前記光ファイバセンサの出力値同士を加算することにより非対称モードを相殺して対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを対称モードとして処理するか、減算により対称モードを相殺して非対称モードを強調した前記データを得て前記特定のモードを非対称モードとして処理するか、又は、その双方を実行する請求項１又は請求項２に記載の損傷診断システム。
【請求項１１】
被検体にラム波の超音波振動を加える加振装置と、
前記被検体から伝達されるラム波を検知する振動検知センサと、
前記加振装置の発振動作を制御し、前記振動検知センサの出力値を処理して計測結果を出力する処理装置と、
前記計測結果を表示する表示装置とを備え、
前記処理装置は、前記加振装置による加振時に得られる前記振動検知センサの出力値を変換して周波数及び伝播時間の２次元に展開した伝播強度分布データを得、ラム波のモードを同定し、同定したラム波モードの中から選ばれる１つ又は２つ以上の特定のモードについて、前記データから所定の特徴値を得て前記計測結果として出力する損傷探知システムを用い、
前記表示装置に前記計測結果を表示させ、当該計測結果に係る前記被検体と同一で既知の構造体に対する計測結果との比較に基づき損傷を診断することを特徴とする損傷診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
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【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１１−１９１２３０（Ｐ２０１１−１９１２３０Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５８７８４（Ｐ２０１０−５８７８４）
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、経済産業省、「次世代構造部材創製・加工技術開発」「複合材構造健全性診断開発」のうち「ＦＢＧ／ＰＺＴハイブリッドシステムによる損傷モニタリング技術の開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１６日（２０１０．３．１６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、経済産業省、「次世代構造部材創製・加工技術開発」「複合材構造健全性診断開発」のうち「ＦＢＧ／ＰＺＴハイブリッドシステムによる損傷モニタリング技術の開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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