JP2005207870A

JP2005207870A - 打音法による剥離および空洞検出方法および装置

Info

Publication number: JP2005207870A
Application number: JP2004014362A
Authority: JP
Inventors: Yuhei Kishimura; 雄平岸村
Original assignee: Sysmic Co Ltd
Current assignee: Sysmic Co Ltd
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP3922459B2

Abstract

【課題】打撃音の音質の違いを明確に識別できる打音法による剥離および空洞検出方法および装置の提供
【解決手段】最初にステップ101においてマイク７で受音したアナログ音波信号ＳをＡ／Ｄ変換してデジタル音波信号Ｓ(ｎ)に変換する。次のステップ102において上記デジタル音波信号Ｓ(ｎ)に矩形波の窓関数Ｗ(ｎ)を掛けて時間を限定し、１サイクル分の第１波のデジタル音波信号ＳＷ(ｎ)＝Ｓ(ｎ)×Ｗ(ｎ)を切り出す。次のステップ103において上記デジタル音波信号ＳＷ(ｎ)のＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行い、時間軸上に連続的に分布するデジタル音波信号ＳＷ(ｎ)を基本波と高調波成分に分解して周波数軸上に離散的に分布させた線スペクトルＸ(ｎ)に変換し、これより第１波の基本周波数を特定する。次のステップ104において上記第１波の基本周波数をパソコン４に転送して検定を行い、検定結果をＯＫ(空隙無し)あるいはＮＧ(空隙あり)として表示する
【選択図】図３

Description

本発明は、構造物や各種複合材などの検査対象物の表面を打撃して得られる応答音の違いを分析してクラックや剥離、空洞などの内部劣化を非破壊検査によって検出する打音法による剥離および空洞検出方法および装置に関する。

検査対象物の内部劣化を非破壊検査によって検出する方法として打音法、レーダー法、赤外線法、超音波法などがあるが、いずれも再現性、信頼性、効率性、適用条件などに難点があり、本格的な実用化には至っておらず、さらなる技術開発が望まれている。
このうち打音法に関しては、人の聴覚に頼る従来のやり方では検出精度や再現性に問題があるので、打撃音の周波数や振幅などの特性をコンピュータで分析して自動的に剥離および空洞を検出する方法が検討されている。そのためには剥離および空洞のある個所とない個所で異なる音質の違いを明確に識別する必要がある。

しかしながら、打撃位置や剥離、空洞の大きさ、さらに各種複合材などの場合、含浸接着樹脂の塗布量のムラなどによって打撃音の周波数成分が異なり、劣化部と健全部の周波数成分が近似して音質の違いを明確に識別するのは容易でない。
例えば、特開平５−３２２８６１では打撃音の波形および周波数スペクトルを分析し、図４（ａ）に示す剥離のある個所では図４（ｂ）に示す剥離のない個所に比べて周波数の低い音の卓越が明確であり、差異があるとしているが、差異を識別するための判定基準が明確に示されていない。
特開平５−３２２８６１号公報

解決しようとする問題点は、剥離または空洞のある個所とない個所で異なる打撃音の音質の違いを識別するのが困難な点であり、本発明は、打撃音の音質の違いを明確に識別できる打音法による剥離および空洞検出方法および装置を提供することを目的になされたものである。

本出願人は剥離または空洞のある個所では打撃音が高い音に変化することに気付き、種々の観測を重ねた結果、特に第１波の波形にかなり周波数の高い波形が重なっているのが顕著に観測された。
例えば楽器の音は物が共振して発生し、物の質量が大きければ音程は低くなり、小さければ高くなる。そのため、剥離があるとその部分の質量が剥離のない部分に比べて小さくなるので、このように打撃音が高い音に変化するものと考えられる。

楽器の音は、周波数が整数比の関係にある複数の正弦波が合成されてできている。
これらの正弦波のうち、最も周波数の低い正弦波が基本波で、それ以外の正弦波が高調波である。楽器の音色はどの高調波成分をどれだけ含むかによって決まり、音の高さ（音程）を表すのは基本波の周波数（基本周波数）である。
そのため、第１波に含まれる基本波を切り出してその周波数を特定すれば、打撃音の高さ（音程）が判り、その結果剥離のある個所とない個所で異なる音質の違いを明確に識別できるようになる。

以上の観点から本発明は、応答音の第１波に含まれる基本周波数を判定基準として剥離のある個所とない個所を識別することを最も主要な特徴とする。

本発明は、応答音の第１波だけを抽出してその基本周波数を判定基準とするので、従来の波形や周波数スペクトル全体を分析する方法に比べて簡単な識別回路を用いて剥離評価、空洞検出できるようになる。
また、応答音の第１波の基本周波数は比較的変動要素が少ないので、安定した評価結果を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に、本発明を実施した剥離および空洞検出装置の構成図を示す。
剥離および空洞検出装置は、打撃部１と検査部２を一体化した打撃検査ユニット３にパソコン４を接続して構成する。
打撃部１にはソレノイドで駆動するハンマ５とハンマ５の駆動を制御する制御装置６を設け、検査部２にはマイク７とマイク７が受音した音波を分析する分析装置８を設ける。
分析装置８はコイル、コンデンサ、トランジスタ、オペアンプなどのアナログ回路素子をデジタル信号処理で代用するＤＳＰ（デジタル信号処理用集積回路）を用いて構成する。

剥離および空洞検出装置は以上のような構成で、制御装置６の制御によって検査対象物９の表面を一定の力でハンマ５で打撃し、その応答音をマイク７で受音して分析装置８でその周波数特性を分析する。
応答音は、打撃面で発生した空気中を伝播する音波でなく、検査対象物９の内部を通過して底面で反射した音波を応答音として受音する。
分析結果はパソコン４に転送して統計的に解析し、空隙のある個所では応答音の第１波が高い音に変化するという知見に基づいて検査対象物９内部に空隙があるかどうかを検定する。
なお、簡易に行う場合は、パソコンを使用しないで、分析装置のみで判定を行うことも可能である。

検定は、最初に検査対象物９内部に空隙のないことが確認されている複数の個所をそれぞれ数回打撃し、各応答音の第１波を基本波と高調波成分に分解して基本周波数を特定し、その平均値を求めて基準周波数ｆ０とし、同時に標準偏差σを算出する。
次に、検査対象物９の検査すべき個所を数回打撃し、同様に各応答音の第１波を基本波と高調波成分に分解して基本周波数を特定し、その平均値を求めて測定周波数ｆ１とする。

次に、標本分布が正規分布に近いとき、基準周波数ｆ０から１．９５σ以上離れているものは約５％にすぎないというチェビシェフの不等式に基づいて有意水準（危険率）α＝５％の検定を行い、測定周波数ｆ１と基準周波数ｆ０の差が１．９５σ以下であればＯＫ（空隙なし）、１．９５σ以上のときはＮＧ（空隙あり）と判定する。

打撃検査は、検査対象物９の同じ位置をハンマ５で数回打撃して空隙の有無を判定するが、ハンマ５を等間隔に移動して縦横に走査しながら検査対象物９の異なる位置をそれぞれ数回打撃することにより、検査対象物９内部の空隙の大きさや深さを定量的に把握することもできる。

物質には硬質なものほど振動をよく伝える性質がある。音響は振動でもあるので、高密度の硬い物質中の方が空気中よりも音の伝わる速度が速くなる。これを表す固有音響抵抗値（音響インピーダンス）は空気では約４×１０の２乗、金属では約１０の７乗とされ、桁違いの差がある。そのため、この差がある界面に音の反射が発生する。

検査対象物９の空隙のある個所の上を叩いたとき発生した音は空隙に到達して反射する。このとき底面まで到達して反射する音と途中の空隙で反射する音が重なるが、底面まで到達して戻る音は途中の空隙で反射する音よりも振動が伝わる時間が長いため周波数が低く（波長が長く）なる。

そのため、途中の空隙で反射した高い周波数の波と底面で反射した低い周波数の波が重なるとき、図２に示すように、第１波の半サイクルでは重ね合わせの原理（媒質のある点に２つ以上の波が同時に到達したとき、その点の振動は各波が別々に到達したときの振動の和になる）により必ず高い方の周波数の波高が高くなる。以上の理由により空隙のある個所では空隙のない個所に比べ応答音の第１波が高い音に変化すると考えられる。

図３に、本発明を実施した剥離および空洞検出装置の処理内容をフローチャートにして示す。
まず、最初にステップ１０１においてマイク７で受音したアナログ音波信号ＳをＡ／Ｄ変換してデジタル音波信号Ｓ（ｎ）に変換する。
このとき、Ａ／Ｄ変換前にアナログ音波信号ＳをＬＰＦ（ローパスフィルタ）に通して分析に不必要な高い周波数成分を除去する。この場合のカットオフ周波数としては、検査対象物９をハンマ５で打撃して観測される最高周波数を設定する。
同時に、増幅器を用いてＡ／Ｄ変換器の入力端子の仕様に合う電圧にまでアナログ音波信号Ｓを増幅する。

次のステップ１０２において上記デジタル音波信号Ｓ（ｎ）に矩形波の窓関数Ｗ（ｎ）を掛けて時間を限定し、１サイクル分の第１波のデジタル音波信号ＳＷ（ｎ）＝Ｓ（ｎ）×Ｗ（ｎ）を切り出す。
このとき、打撃直後に発生する第１波の音波を切り出すために窓関数Ｗ（ｎ）を掛けるタイミングをハンマ５の駆動パルスに同期させる。
また、切り出す幅を１サイクル分とするために検査対象物９をハンマ５で打撃して観測される第１波の音波の波長に合わせて窓関数Ｗ（ｎ）の観測時間を設定する。

次のステップ１０３において上記デジタル音波信号ＳＷ（ｎ）のＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行い、時間軸上に連続的に分布するデジタル音波信号ＳＷ（ｎ）を基本波と高調波成分に分解して周波数軸上に離散的に分布させた線スペクトルＸ（ｎ）に変換し、これより第１波の基本周波数を特定する。

次のステップ１０４において上記第１波の基本周波数をパソコン４に転送して前述の検定を行い、検定結果をＯＫ（空隙なし）あるいはＮＧ（空隙あり）として表示する。

以下、本発明を実施した剥離および空洞検出装置の実験結果について説明する。
実験は、複数の試験片の中央にドリル穴加工を施して空隙を設け、中央の加工穴の上と４隅をそれぞれハンマ５で４回打撃して行った。
各試験片は素材と厚さがそれぞれ異なるものの全て１００×１００ｍｍの正方形に統一した。また、実験は応答音の第１波の基本周波数でなく基本波の波長を測定して行った。
以下に試験片毎の実験結果を示す。

試験片１：厚さ１５ｍｍのアルミ合金（５０５２）の中央に直径１６ｍｍ、深さ８ｍｍのドリル穴加工を施した。
応答音の測定結果は以下の通りである。
中央：５５.２５μｓ
隅１：６７.８８μｓ
隅２：６６.１３μｓ
隅３：６０.１３μｓ
隅４：６２.２５μｓ
以上の測定結果より、４隅の波長の平均値（基準波長λ_０）と標準偏差σを求めると、λ_０＝６４.０９、σ＝３.０６５となる。
次に、基準波長λ_０と中央の波長の平均値（測定波長λ_１）の差を求めると、
λ_０−λ_１＝６４.０９−５５.２５＝８.８４となる。
以上により、λ_０−λ_１＝８.８４＞１.９５σ＝５.９８であるから判定結果はＮＧとなり、中央の加工穴は検出可能であることが分かった。

試験片２：厚さ２０ｍｍの樹脂（ＰＰ）の中央に直径１６ｍｍ、深さ１３ｍｍのドリル穴加工を施した。
応答音の測定結果は以下の通りである。
中央：８３.２５μｓ
隅１：９０.５０μｓ
隅２：９１.５０μｓ
隅３：８８.６３μｓ
隅４：８７.５０μｓ
以上の測定結果より、基準波長λ０と標準偏差σを求めると、
λ_０＝８９.５３、σ＝１.５６２となる。
次に、基準波長λ０と測定波長λ１の差を求めると、
λ_０−λ_１＝８９.５３−８３.２５＝６.２８となる。
以上により、λ_０−λ_１＝６.２８＞１.９５σ＝３.０５であるから同様に判定結果はＮＧとなり、中央の加工穴は検出可能であることが分かった。

試験片３：厚さ２０ｍｍの樹脂（ＰＯＭ）の中央に直径１６ｍｍ、深さ１３ｍｍのドリル穴加工を施した。
応答音の測定結果は以下の通りである。
中央：７８.００μｓ
隅１：８９.７５μｓ
隅２：９２.１３μｓ
隅３：９８.００μｓ
隅４：９５.３８μｓ
以上の測定結果より、基準波長λ_０と標準偏差σを求めると、
λ_０＝９３.８１、σ＝３.１３６となる。
次に、基準波長λ_０と測定波長λ_１の差を求めると、
λ_０−λ_１＝９３.８１−７８.００＝１５.８１となる。
以上により、λ_０−λ_１＝１５.８１＞１.９５、σ＝６.１２であるから同様に判定結果はＮＧとなり、中央の加工穴は検出可能であることが分かった。

試験片４：厚さ２０ｍｍの樹脂（アクリル）の中央に直径１６ｍｍ、深さ１３ｍｍのドリル穴加工を施した。
応答音の測定結果は以下の通りである。
中央：７８.００μｓ
隅１：８３.２５μｓ
隅２：８４.３８μｓ
隅３：８０.５０μｓ
隅４：８０.８８μｓ
以上の測定結果より、基準波長λ_０と標準偏差σを求めると、
λ_０＝８２.２５、σ＝１.６１８となる。
次に、基準波長λ_０と測定波長λ_１の差を求めると、
λ_０−λ_１＝８２.２５−７８.００＝４.２５となる。
以上により、λ_０−λ_１＝４.２５＞１.９５、σ＝３.１６であるから同様に判定結果はＮＧとなり、中央の加工穴は検出可能であることが分かった。

試験片５：厚さ２５ｍｍの樹脂（ＣＡＲＢＯＮ／ＥＰＯＸＹ）の中央３箇所に直径２０、３０、１０ｍｍのドリル穴加工を施した。
応答音の測定結果は以下の通りである。
中央：４８.２５μｓ
隅１：９８.７５μｓ
隅２：９８.７５μｓ
隅３：８６.６３μｓ
隅４：８５.８８μｓ
以上の測定結果より、基準波長λ_０と標準偏差σを求めると、
λ_０＝９２.５０、σ＝６.２５３となる。
次に、基準波長λ_０と測定波長λ_１の差を求めると、
λ_０−λ_１＝９２.５０−４８.２５＝４４.２５となる。
以上により、λ_０−λ_１＝４４.２５＞１.９５、σ＝１２.１９であるから同様に判定結果はＮＧとなり、中央の加工穴は検出可能であることが分かった。

本発明を実施した剥離および空洞検出装置の構成図である。第１波の半サイクルで高い方の周波数の波高が高くなる説明図である。本発明を実施した剥離および空洞検出装置の処理内容のフローチャートである。打撃音の波形および周波数スペクトルを示す図である。

符号の説明

１打撃部
２検査部
３打撃検査ユニット
４パソコン
５ハンマ
６制御装置
７マイク
８分析装置

Claims

検査対象物の表面を打撃して得られる応答音の違いを分析して検査対象物内部の剥離および空洞を検出する方法において、
前記応答音の第１波に含まれる基本周波数を判定基準として剥離または空洞のある個所とない個所を識別することを特徴とする打音法による剥離および空洞検出方法。
検査対象物の表面を打撃して得られる応答音の違いを分析して検査対象物内部の剥離および空洞を検出する方法において、
前記応答音に窓関数を掛けて第１波の音波信号を切り出す切出ステップと、
前記第１波の音波信号をＦＦＴ処理により基本波と高調波成分に分解して第１波の基本周波数を特定する特定ステップと、
前記第１波の基本周波数を測定周波数としてあらかじめ設定した基準周波数と比較して剥離および空洞の有無を判定する判定ステップと、
からなることを特徴とする打音法による剥離および空洞検出方法。
前記窓関数を掛けるタイミングを前記検査対象物の表面を打撃するハンマの駆動パルスに同期させることを特徴とする請求項２記載の打音法による剥離および空洞検出方法。
前記窓関数の観測時間を前記第１波の音波信号の１サイクル分とすることを特徴とする請求項２記載の打音法による剥離および空洞検出方法。
前記判定ステップにおける測定周波数は前記検査対象物の検査すべき個所を複数回打撃して得られた応答音の第１波の基本周波数の平均値であることを特徴とする請求項２記載の打音法による剥離および空洞検出方法。
前記判定ステップにおける基準周波数は前記検査対象物内部に剥離または空洞のないことが確認されている個所を複数回打撃して得られた応答音の第１波の基本周波数の平均値であることを特徴とする請求項２記載の打音法による剥離および空洞検出方法。
前記判定ステップにおける判定は前記検査対象物内部に剥離または空洞のないことが確認されている個所を複数回打撃して得られた応答音の第１波の基本周波数の標準偏差に所定係数を掛けた値と前記測定周波数と基準周波数の差を比較して行われることを特徴とする請求項２記載の打音法による剥離および空洞検出方法。
検査対象物の表面を打撃して得られる応答音の違いを分析して検査対象物内部の剥離および空洞を検出する装置において、
前記応答音に窓関数を掛けて第１波の音波信号を切り出す切出手段と、
前記第１波の音波信号をＦＦＴ処理により基本波と高調波成分に分解して第１波の基本周波数を特定する特定手段と、
前記第１波の基本周波数を測定周波数としてあらかじめ設定した基準周波数と比較して剥離および空洞の有無を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする打音法による剥離および空洞検出方法。