| Project/Area Number |
22K14318
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 22020:Structure engineering and earthquake engineering-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology (2023)
Ehime University (2022) |
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Principal Investigator |
丸山 泰蔵 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (90778177)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
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| Keywords | 弾性波 / ガイド波 / 上水道管 / モニタリング / 漏水調査 / 時間反転法 / 有限要素法 / 半解析的有限要素法 / 音波 / 構造ヘルスモニタリング |
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| Outline of Research at the Start |
上水道管の構造ヘルスモニタリングのために必要な音波の計測から位置推定までの技術開発を波動論に基づいて行う．計測自体が難しい大口径，長距離での音波の計測方法を設計する．さらに，計測された音波によって漏水位置を推測する逆解析手法の開発を行う．それぞれの内容に対して数値解析を用いた理論的な予測のみに留まらず，計測実験を行って検証する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和5年度は②水道管接合部での散乱減衰の評価ついて数値シミュレーション，及び計測実験を実施した．
令和4年度に引き続き，局所的な散乱問題を有限要素法（FEM）で解析するSAFE-FEハイブリッド法による解析手法を用いて数値シミュレーションを行った．水道管接合部は固体部が不連続，流体部は連続としてモデル化した．SAFE-FEハイブリッド法では水道管周囲の土領域はまだ考慮できていない状態ではあるが，散乱解析によって接合部でのガイド波の挙動を調べた．その結果，水中にエネルギーが集中するモードでは接合部の影響が小さいことがわかった．これらの結果は，対応する中空管，剛体壁で囲まれた水の内部を伝搬するガイド波の分散曲線と比較することによって，傾向を明らかにした．また，小口径ではあるが実際に用いられている水道管と同様のモデルに対する数値シミュレーションからは，中空管を伝搬するガイド波の分散曲線に関係して散乱減衰が比較的大きくなる周波数帯が確認された．これらを踏まえて計測することで，散乱減衰が小さい伝搬モードと周波数帯を見出すことができると考えられる．
計測実験では，水道管の外部に設置した加速度センサ，水中に設置したハイドロフォンの両方によって音波の計測を行った．計測波形の2次元フーリエ変換を施し波数―周波数スペクトルを求めて，伝搬モードの推定を行った．低周波数域におけるモード推定は概ね良好に行うことができた．一方，水道管接合部での反射・透過係数の計測は，計測精度の問題があるため，固体部を不連続とするモデルと傾向の大まかな一致は示したものの，妥当性検証がまだ完了していない状況である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題は，①上水道管接合部での減衰が小さいガイド波の伝搬モードの性質を明らかにする，②遠くまで伝搬するガイド波に対する高S/Nかつモード識別が可能な計測方法を開発する，③計測されたガイド波による漏水検知及びその位置推定方法を開発する，の3項目で構成されている．
上記①のために，上水道管中を伝搬するガイド波の分散解析，水道管接合部による散乱解析を行うための数値シミュレーション手法を令和4年度に開発した．解析結果から水中に音波エネルギーが集中するガイド波は地中へのエネルギー漏洩が小さく，また水道管接合部の影響も小さいことが調べられた．さらに，それらの伝搬モードの変位-音圧分布も数値シミュレーションから把握することが可能となった．
上記②については，令和5年度に水道管外部に設置した加速度センサ，水中に設置したハイドロフォンによってガイド波の計測を行ったものの，計測精度の問題があり，十分なS/Nで計測ができていないのが現状である．一方，①の数値シミュレーションによって得られた知見によると，水道管接合部での散乱減衰が小さいと期待されるガイド波の伝搬モードは，エネルギーが固体―水界面付近に集中している．そのため，水道管の内壁付近で計測するのが適している予想される結果となった．
上記③について，実際には様々な伝搬モードが混在した波形を観測することとなる．そのため，時間反転法によってそれらの影響を自動的に考慮できる位置推定技術の開発に令和4年度から着手した．数値シミュレーションとして，理想的な単位パルス信号によるソースを与えたところ，高精度にソース位置の推定が可能であることは確かめられた．一方，実測波形を用いた場合の精度が低い問題はまだ解決できれおらず，引き続き改善していく必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予想通り，水中で計測すれば低減衰で伝搬してくる漏水音の計測が期待される結果が数値シミュレーションから明らかになった．しかしながら，水中に設置したハイドロフォンによる計測でもS/Nの良い計測波形を得ることが困難であることも実験によってわかった．数値シミュレーション結果によると，ターゲットとしているガイド波の伝搬モードのエネルギーは固体―水界面付近に集中しているため，水道管の内壁にセンサを設置して計測実験を行う予定である．そのため，当初の計画と変更して，防水加速度センサを水道管内壁に設置することによってマルチチャンネル計測を実施する予定である．
漏水音発生位置推定技術の開発については，現在開発している時間反転法の計測データの処理，指示関数の検討を行う必要がある．計測データの処理については，漏水音の時刻歴波形の形に依存しない手法とするため，デコンボリューション処理を念頭に適切な手法の開発を行う．また，指示関数については，ノイズが多く，ガイド波のモード識別が完全にはできない状況であることを考慮して，最大限精度良く推定可能な方法の開発を目指す．
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