レーザー超音波リモートセンシングを用いたコンクリート内部欠陥探傷 レーザー加工計測研究チーム島田義則 オレグコチャエフ 1. はじめに超音波を用いる非破壊検査技術は種々の材料に対して適用できるため その内部欠陥や疲労状態を検出する方法と多くの手法が研究され 実用に供されている その中でレーザー超音波

レーザー超音波リモートセンシングを用いた

レーザー超音波リモートセンシングを用いた

レーザー超音波リモートセンシングを用いた

レーザー超音波リモートセンシングを用いた

コンクリート内部欠陥探傷

コンクリート内部欠陥探傷

コンクリート内部欠陥探傷

コンクリート内部欠陥探傷

レーザー加工計測研究チーム

島田義則、オレグ コチャエフ

１．はじめに １．はじめに １．はじめに １．はじめに 超音波を用いる非破壊検査技術は種々の材料に対し て適用できるため、その内部欠陥や疲労状態を検出する 方法と多くの手法が研究され、実用に供されている。そ の中でレーザー超音波法は超音波の励起と検出の両方 をレーザー光を用いて行うもので、非接触探傷、遠隔探 傷が可能であることや、レーザー光をスキャンさせるこ とにより高速で探傷できる利点がある。また、振動の検 出を光の干渉現象で行うため、同一のシステムで非常に 広い周波数領域（数キロヘルツから数メガヘルツ以上） の振動検出の可能性も持つ。 当研究所は散乱面からの波面の乱れた信号光に対し て振動信号が得られるようダイナミックホログラムを 用いて装置を構築した ［1,2］_{。今年度は様々なコンクリ} ート欠陥探傷実験や検出感度向上を完了した振動検出 装置で5 m 離れた位置から探傷を行う野外実験を行った。 さらに外部振動の影響を受けないために干渉縞安定化 装置を構築した。 ２．レーザー超音波探傷装置 ２．レーザー超音波探傷装置 ２．レーザー超音波探傷装置 ２．レーザー超音波探傷装置 レーザー超音波探傷装置の構成を図１に示す。検出 用レーザーはビームスプリッターで信号光と参照光に 分けられる。信号光は試料の表面で反射され試料表面 形状の情報を持ってダイナミックホログラムに戻って くる。信号光と参照光がダイナミックホログラム結晶 中で干渉し合い、結晶中に試料表面形状の情報が含ま れた干渉縞が形成される。これはホログラムの撮影過 程と同じである。この干渉縞によりダイナミックホロ グラム内部に屈折率の粗密領域が生成され、それが参 照光を回折することとなる。屈折率差が生成される応 答時間は遅く、数 100 μs～数 ms 程度である。参照光 は屈折率差による回折格子により回折を受ける。その 波面は信号光と同位相の波面となり光検出器に向かう。 信号光と位相が同じであれば光検出器は常に一定の光 強度を受けることとなり光の強弱、即ち振動による光 の強弱は検出できない。 一方、信号印加用レーザーはパルスレーザーを用いる。 信号印加レーザーをコンクリートに照射するとコンク リートはパルスレーザー照射により表面がアブレーシ ョンあるいは温度上昇により内部に弾性波が発生する。 弾性波は内部に伝搬し、試験体内部の欠陥で反射して表 面に戻ってくる。これにより、コンクリート表面が振動 を始める。この振動により検出用レーザーの信号光はド プラーシフトを受ける。ドプラーシフトを受けた信号光 図１．ダイナミックホログラム結晶を用いたレーザー超音波探傷装置

はコンクリート表面形状と振動の情報を持ってダイナ ミックホログラムに入射する（位相変調された信号光）。 ダイナミックホログラム結晶の時間応答特性はコンク リート振動周波数より遅いため、回折格子はコンクリー ト表面形状の回折格子状態を保つ。参照光はこの回折格 子により回折を受ける。この際、参照光の波面はコンク リート表面状態の形状を記録し、信号光と同軸で光検出 器に向かう。位相変調された信号光は参照光と同軸で光 検出器に入射する（ホモダイン検出）。光検出器は信号 光と参照光の和を検出する。信号光と参照光が重なると 時間的に振幅の強弱が発生する。この振幅を光検出器で 受光することによりコンクリート振動と同じ周波数の 振動周期で光の強弱を検出することができる。 信号印加用レーザーはパルスエネルギー0.3 J、繰り 返し 10 Hz である。検出用レーザーは出力 200 mW の Nd:YAG レーザーの第二高調波を使用した。レーザーは 縦、横ともシングルモードである。コヒーレント長は 1 kmである。偏光は直線偏光、 ビームサイズは約0.5 mm で ある。出力光はポンプ光と プローブ光に二分されプロ ーブ光は試験体表面を照射 する。減衰率可変フィルタ ーと半波長板-偏光依存ビ ームスプリッターの組み合 わせにより、両ビーム間の 最適パワー比を得る。ダイ ナミックホログラム結晶に は Bi12SiO20(BSO)を用いた。 結晶のサイズは 10×10×5 mm である。 ３． ３． ３． ３．様々なコンクリート内様々なコンクリート内様々なコンクリート内様々なコンクリート内 部欠陥からの振動モ 部欠陥からの振動モ部欠陥からの振動モ 部欠陥からの振動モ ード検出 ード検出ード検出 ード検出 コンクリート内部欠陥 を検出する方法として振動 スペクトル法がある。図 2 に原理を示す。信号印加レーザーでコンクリート表面を アブレーションし、その反作用によって、はつり部分が 板振動することを検出用レーザーで捉える方法である。 信号印加レーザーを欠陥の中央部に照射すると、はつり 部の一次の板振動が励起される。この例では約 4 kHz の振動周波数である。次に中心部と端の中間部分を照射 すると二次の板振動が強く励起され、検出される周波数 は倍の 8 kHz となる。最後に、欠陥を外した部分を信号 印加用レーザー照射すると特徴的な振動は現れない。こ のことより、特徴的な振動を捉えることにより内部欠陥 を検出する。 著者らはトンネルに用いられている様々なコンクリ ート供試体を試験した。供試体の大きさは 30×30×10 cm である。図 3 にコンクリート供試体の欠陥構造を示 す。健全供試体と４種類の内部欠陥（C-9-1 – C-12-1） 3 種類は模擬クラック（C-2-1 – C-4-1）で、亀裂やコ ールドジョイントを模擬した。供試体 C-2-1 は表面コン 図２．振動スペクトル法によるコンクリート内部欠陥探傷の概念

クリートが剥がれかかっているもの、供試体 C-3-1 は 45 度に入ったコールドジョイントを模擬したもの、供 試体 C-4-1 は放射状に亀裂が入ったもの、供試体 C-5-1 は中央部のコンクリート片が外れかかったものである。 これらの供試体は形が崩れるので木製の枠にはめ込ま れている。 模擬コンクリート供試体 C-12-1 は内部に空洞があり、 そこに外部から水を入れることが出来るタイプである。 使用した信号印加レーザーは Nd:YAG レーザー、0.3J、 10 ns パルス幅、10 Hz 繰り返し周波数、ビームサイズ は直径 4 mm でレーザー強度は 270 MW/cm2_{である。コン} クリートにレーザーが照射されるとわずかにコンクリ ート表面がアブレートされる程度のアブレーションモ ードで行った。 検出用レーザーはCW のNd:YAG レーザーの2 倍高調波 を用いた。出力は 1.5 W でポンプ高の強度は 50 mW、残 りのパワーはコンクリート供試体に照射した。コンクリ ート表面で散乱し戻ってくるレーザーを信号光として フォトリフラクティブ結晶に入射させた。この時の信号 光強度は 15 μW 程度である。フォトリフラクティブ結 晶には 6 kV/cm の外部電界を印加した。結晶から出てき たレーザーを光電子増倍管により電気信号に変換し、振 動を検出する。コンクリート供試体はレーザー検出器か ら1.5 m 離れた所のエアーサスペンションを持たない台 の上に設置し内部欠陥探傷実験を行った。コンクリート 供試体の表面をレーザーでスキャンを行い、欠陥の大き さや励起振動周波数を計測した。スキャンは信号印加レ ーザーと検出用レーザーを同時に駆動できるハーモニ ックミラーを用いた。 図 4 に模擬コンクリート供試体(C-2-1)の探傷欠陥を 示す。6.3 kHz に大きなラインスペクトルが現れ、欠陥 部分から発生する固有振動が計測できた。表面コンクリ 図３．模擬コンクリート供試体の構造 0 5 10 15 20 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5

Frequency, kHz

図４．欠陥供試体 （C-2-1）の探傷結果 中心部分を 探傷した場合、6.3 kHz に特徴的なスペクトルが 現れた

S

p

e

ct

ra

l p

o

w

e

r,

a

rb

.u

n

.

ートが剥がれかかっている供試体はトンネル内で最も 危険な箇所に匹敵する。この供試体で特徴的なスペクト ルが測定できたことは重要な結果である。 図 5 に模擬コンクリート供試体(C-3-1)の探傷スペク トルを示す。5.7 kHz に特徴的なスペクトルが現れた。 この供試体もトンネル内でよく発生する欠陥形状であ り、コンクリート探傷に重要なものである。 実験結果のまとめを表 1 に示す。ピエゾセンサーで得 られた振動周波数も同時に示す。レーザー検出で得られ た値はピエゾセンサーで得られた値と良い一致を示す。 図 6 は内部欠陥の深さに対する振動周波数を示す。内 部欠陥の深さが深くなると振動周波数は高くなる。式 1 に張力に対する振動周波数を示す。

ρ

T

A

f ≈

(1) A は定数、T は張力、ρは密度である。密度は同じで あるため、張力、すなわちコンクリート厚が変化すると そのルートで振動数は変化する。A を適切な値にすると 図中の実線のようになる。一次、二次共によく一致した。 この結果は欠陥の大きさが15×15 cmの大きさであるた め計算とよく一致する。欠陥の大きさが異なると振動周 波数も変化する。このため、振動スペクトル法で欠陥の 大きさを決定する必要がある。その後、特徴的なスペク トルから欠陥の深さをある程度予測することが出来る。 ４ ４４ ４．振動減衰時間計測による内部欠陥状態の把握．振動減衰時間計測による内部欠陥状態の把握．振動減衰時間計測による内部欠陥状態の把握．振動減衰時間計測による内部欠陥状態の把握 コンクリートはつり部分の振動減衰時間を内部欠陥 状態との比較を行う。すべての模擬コンクリート供試体 に対して振動計測時間は 100 ms とした。 計測データを 0-20 ns, 10-30 ns, 20-40 ns, 30-50 ns, 40-60 ns で分割し、各の周波数スペクトル強度を評価 0 5 10 15 20 25 0 0.5 1 1.5 2 2.5

Frequency, kHz

=

図５．欠陥供試体（C-3-1）の探傷結果 45 度にクラッ クが入った供試体、特徴的なスペクトルは 5.7 kHz に現れた 表１．振動周波数 （レーザー検出とピエゾ検出） # Sample description. All samples – 30×30×10 cm

First harmonic (sample center), kHz

Second harmonic (4 cm from center), kHz

piezo laser piezo laser

1 Flawless (C-1-1) ? ?

2 Joint with plaster (C-2-1) 30×15 cm, plaster width 6 cm 6.3 - 3 45-degree crack (C-3-1) 5.7 - 4 Star crack (C-4-1), grid crack (C-5-1) ? ? ? ? 5 Void (C-9-1) 15×15 cm, depth – 1 cm 2.2 2.2 4 4.15 6 Void (C-10-1) 15×15 cm, depth – 5 cm 5.3 5.4 9.8 3.7 kHz 7 Void (C-11-1) 15×15 cm, depth – 7 cm 6.2 ? ?

8 Void with water (C-12-1) 15×15 cm, depth – 1.5 cm 2.15 4

S

p

e

ct

ra

l p

o

w

e

r,

a

rb

.u

n

.

した。図 7 に実験結果を示す。ジャンカ欠陥や内部クラ ック欠陥は振動減衰時間が遅い。一方、クラック欠陥、 水帯水欠陥は減衰時間が短い。この結果、亀裂が広く空 いているところは減衰時間が長く、狭いあるいは接触し ている箇所では減衰時間は短いことがわかる。振動減衰 時間で欠陥の状態がある程度評価できれば補修作業の 仕方がかわる可能性があるため内部欠陥探傷で重要な 事柄であると思われる。 ５ ５ ５ ５．．．．遠隔遠隔遠隔遠隔コンクリート内部欠陥探傷コンクリート内部欠陥探傷コンクリート内部欠陥探傷コンクリート内部欠陥探傷実験実験実験実験 昨年度は、レーザー超音波探傷装置の検出効率を 50 倍向上させた。これにより 5 m 遠方のコンクリートを検 出できるはずである。これを確かめるために実験を行っ た。 表紙図はレーザー検出装置とコンクリート供試体の 写真を示す。間隔は 5 m である。信号印加用レーザーは Nd:YAG レーザーを使用した。エネルギーは 400 mJ、パ ルス幅は 10 ns である。ビームサイズは 4 mm である。 検出用レーザーは信号印加用レーザー照射位置の 1 cm 離れたところに配置した。大型コンクリート供試体の内 部に25×30 cmの発泡スチロールが内部欠陥として埋め 込まれている。此を探傷した。 図 8、9 に実験結果を示す。図 8 は欠陥の外を探傷し た場合の結果であり、特徴的なスペクトルは現れていな い。一方、図 9 は欠陥の中心部を探傷したときで、0.8, 2.7, および 3.5 kHz にスペクトルが現れた。5 m 遠方 からでも欠陥探傷が可能であることを確認した。 a) 欠陥探傷位置（赤丸部分） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Frequency, kHz S p e c tr a l p o w e r, a .u . b) 周波数スペクトル 図８．内部欠陥の外を探傷した場合の結果。特 徴的なスペクトルは現れない。 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 50 60 70 80 １次振動 ２次振動 １次振動計算 ２次振動計算 振 動 周 波 数 ( k H z ) 振 動 周 波 数 ( k H z ) 振 動 周 波 数 ( k H z ) 振 動 周 波 数 ( k H z ) 内部欠陥の深さ (mm) 内部欠陥の深さ (mm) 内部欠陥の深さ (mm) 内部欠陥の深さ (mm) 図６．内部欠陥の深さに対する振動周波数 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25

Thickness of concrete layer, mm

L if e -t im e o f L a m b w a v e , m s 図７．内部欠陥までのコンクリート厚さに対する振動 寿命

a) 欠陥探傷位置（赤丸部分） S p e c tr a l p o w e r, a .u . 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Frequency, kHz b) 周波数スペクトル 図９．内部欠陥の中心部を探傷した場合の結果。 0.8, 2.7, および 3.5 kHz に特徴的なスペク トルが現れた。 ６．干渉縞安定化装置 ６．干渉縞安定化装置 ６．干渉縞安定化装置 ６．干渉縞安定化装置 レーザー検出装置に最も必要な機能の一つとして信 頼性がある。これまでのシステムは安定した計測が出来 ていない。なぜなら、レーザー検出装置とコンクリート が自由振動するためにフォトリフラクティブ結晶内部 に発生する干渉縞が揺らいでしまうことが問題であっ た。この問題を解決するため、信号印加レーザーを照射 する以前に参照光と信号光との位相ずれを検知して、そ のずれ量を参照光に加えてやる、すなわち、位相をシフ トさせることによりキャンセルさせ、結果的に干渉縞を 安定化させる装置を開発した［3］_。 図 10 は全く同じ条件で計測した 3 つの計測結果であ る。3 つの図中でおのおの上の波形はレーザー検出、下 の波形はピエゾセンサーである。上図でレーザーの波形、 ピエゾセンサーとも最初のピークは正である。中図の場 合、ピエゾセンサーの信号は正にもかかわらず、レーザ ー検出は負である。下図はレーザー検出の信号が現れて いない。このようにピエゾセンサーでは同一の正信号を 出力するが、レーザー検出では自由振動状態により正負 あるいは信号無しと大きく結果が異なる。この結果を図 11 に示す。50 回の実験で正極性が 28 回、負極性が 13 回、信号無しが 9 回であった。すべてが正極性であると シグナル／ノイズ比は非常に高くなるが、負極性が発生 するために低下する。 測定精度を高いレベルに保つためには干渉縞の安定 化が必要である。著者らは安定化のために特別なアルゴ リズムを開発して干渉縞安定化装置を開発した。図 12 に干渉縞安定化装置の概念図を示す。マイケルソン干渉 計の信号光と参照光を分技し、8 チャンネルの検出器に フォトリフラクティブ結晶内部と同じ干渉縞を発生さ せる。干渉縞が動くとその動きを関知し、ずれ分を参照 光に繋がるピエゾセンサーにフィードバックをかけ干 渉縞を安定化させた。干渉縞安定周波数は 50-100 Hz である。 Optical signal - Positive polarity Piezo signal Optical signal - Negative polarity Piezo signal Optical signal - Zero amplitude Piezo signal 図１０．レーザー検出を行った場合に発生する信号 の正極、負極、信号無し

図 13 は干渉縞安定化装置を切り換える瞬間を示して いる。干渉縞安定化装置を駆動させると今まで干渉縞が 振動したがそれがなくなり一定となった。 ７．まとめ ７．まとめ７．まとめ ７．まとめ 様々なコンクリート模擬欠陥を探傷し、はつり部分の 板振動を用いることによって、欠陥が検出できることを 確認した。また、振動周波数はピエゾセンサーで検出し た値とほぼ一致した。また、欠陥亀裂の幅に振動寿命は 依存する。亀裂の幅が大きい場合は振動寿命は長く、小 さい場合には寿命は短い。 5 m 遠方の欠陥探傷実験を行い、遠方からでも欠陥検 出が可能なことを示した。最後に、コンクリートとレー ザー装置との間の固有振動安定化装置を構築し、正常に 動作することを確認した。 参考文献 参考文献参考文献 参考文献 ［1］ 島田義則、“レーザー超音波リモートセンシン グ技術の産業応用”、検査技術、Vol.11 (9)、 8-14、(2006).

［2］ Oleg Kotiaev, et al., “Nondestructive inspection of concrete structures with the use of photorefractive two-wave mixing”, Proc. SPIE vol. 4702, pp241-249, (2002). ［3］ 特許出願番号 2007-192248、“干渉パターン安定 化機能を付加したレ ーザー超音波探傷リ モートセンシング装 置”、（財）レーザー 技術総合研究所. -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0 10 20 30 40 50 60 Shot number S ig n a l a m p li tu d e ,V Pos Neg Zero 図１１．50 回のレーザー検出で得られた信号極性 と強度。正極性 28 回、積分電圧 88.1 V、負極 性 13 回、積分電圧-24.3 V、信号無し 9 回。 図１２．干渉縞安定化装置の構成 図１３．干渉縞安定化装置を動作させたときの干渉縞 の位相（緑波形）とピエゾ駆動にかかる電圧（ピ ンク波形）