JP2012220221A - Measuring method of poison ratio and measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザを用いて非接触で被検査体に超音波を発生させるレーザ超音波法において、熱弾性効果を利用して、被検査体の表面にダメージを与えずに超音波を発生させ、ポアソン比を計測する方法に関する。 The present invention relates to a laser ultrasonic method in which an ultrasonic wave is generated on an inspection object in a non-contact manner using a laser, and an ultrasonic wave is generated without damaging the surface of the inspection object using a thermoelastic effect. The invention relates to a method for measuring Poisson's ratio.
ポアソン比は、材料に応力を与えたときの横ひずみと縦ひずみの比であり、弾性変形域での変形を把握するうえで、ヤング率などと同様に、重要な材料の強度指標である。ポアソン比を適切に調整することにより、強度のばらつきが少ない材料を製造することができる。このような観点で、ポアソン比を計測することは重要な意味を持つ。 The Poisson's ratio is a ratio of transverse strain and longitudinal strain when stress is applied to a material, and is an important material strength index in the same way as Young's modulus in grasping deformation in an elastic deformation region. By appropriately adjusting the Poisson's ratio, a material with less variation in strength can be manufactured. From this point of view, measuring the Poisson's ratio is important.
一般に、ポアソン比は引張試験により求められる。すなわち、材料から引張試験片を切削加工し、ひずみゲージを貼り付け、引張試験機で、一定の速度で引っ張り、引張方向のひずみ、及び、その垂直方向のひずみを計測することで、ポアソン比を求める。 In general, the Poisson's ratio is determined by a tensile test. That is, a tensile test piece is cut from a material, a strain gauge is attached, a tensile tester is used to pull at a constant speed, and a strain in the tensile direction and a strain in the vertical direction are measured to obtain a Poisson's ratio. Ask.
しかし、この方法は、試験機の荷重計測精度や、試験片を引張試験機に取り付ける際に発生する初期ひずみの影響が、計測精度に影響する。また、引張試験は、破壊的方法の試験であるから、実物についてはポアソン比を計測することはできないという欠点がある。 However, in this method, the load measurement accuracy of the testing machine and the influence of the initial strain generated when the test piece is attached to the tensile testing machine affect the measurement accuracy. Moreover, since the tensile test is a test of a destructive method, there is a drawback that the Poisson's ratio cannot be measured for the actual product.
非破壊で、被検査体のポアソン比を計測する方法がこれまでいくつか提案されている。例えば、特許文献1、及び、特許文献2には、被検査体に超音波探触子から超音波を入射し、接触式超音波探触子を用いて、被検査体を伝搬する超音波の縦波音速、及び、横波音速(以下、それぞれ、単に、「縦波音速」及び「横波音速」という)を計測し、計測した縦波音速と横波音速、及び、被検査体の密度から、ヤング率、及び、ポアソン比を計測する方法が開示されている。これらの方法は、実物を破壊することなく、実物のヤング率、ポアソン比を計測できるという利点がある。しかし、接触式の計測法の場合、計測の高速化の観点から、やや難がある。
Several methods for measuring the Poisson's ratio of a non-destructive object have been proposed. For example, in
例えば、圧電探触子を使用する方法は、被検査体と変換機の間に超音波の伝達媒質が必要であるが、伝達媒質は高温下において、その機能が低下する。また、電磁超音波探触子を使用する方法は、該探触子を通常、数mm程度まで被検査体に近接させる必要がある。それゆえ、いずれの方法も、例えば、鋼板の製造ラインや、特に熱間圧延工程のような劣悪な環境下で使用することは不可能であるという欠点がある。 For example, the method using a piezoelectric probe requires an ultrasonic transmission medium between the object to be inspected and the transducer, but the function of the transmission medium is degraded at high temperatures. Further, in the method using the electromagnetic ultrasonic probe, it is usually necessary to bring the probe close to the object to be inspected up to about several millimeters. Therefore, each method has a drawback that it cannot be used in a poor environment such as, for example, a steel plate production line or a hot rolling process.
一方、パルス発振レーザを利用して超音波を発生させ、被検査体内を伝搬した超音波を、連続波レーザを利用して検出する、非接触式の計測方法(以下「レーザ超音波法」ともいう)について、種々の応用が提案されている。 On the other hand, a non-contact measurement method (hereinafter referred to as “laser ultrasonic method”), in which an ultrasonic wave is generated using a pulsed laser and an ultrasonic wave propagated through the body to be inspected is detected using a continuous wave laser. Various applications have been proposed.
レーザ超音波法によるポアソン比の計測方法については、非特許文献1で、アブレーションによる超音波励起を利用した、ポアソン比、縦波音速、及び、横波音速の計測方法が報告されている。
Regarding the method for measuring the Poisson's ratio by the laser ultrasonic method, Non-Patent
非特許文献1には、被検査体にフルーエンス(単位面積当たりのエネルギー量)約5.1mJ/mm2のパルス出力のQスイッチNd:YAGレーザ光を照射して超音波励起し、発生した板波超音波の、群速度ゼロのS1モードの周波数(以下「S1f」という)、群速度ゼロのA2モードの周波数(以下「A2f」という)を、連続波出力の2倍波Nd:YAGレーザを用いて検出し、その値からポアソン比、縦波音速、横波音速を算出した実験結果が記載されている。
Non-Patent
非接触式のレーザ超音波法は、破壊的な引張試験が不要であるので、高速性、高信頼性が要求される、製造ラインにおけるオンラインでの非破壊検査として、種々の応用が期待される。 The non-contact type laser ultrasonic method does not require a destructive tensile test, so various applications are expected as an on-line non-destructive inspection in a production line that requires high speed and high reliability. .
レーザにより超音波を励起する方法には、高エネルギーのレーザ光を被検査体の表面に照射し、瞬間的温度上昇による熱弾性効果により超音波を励起する方法と、さらに高いエネルギーにより被検査体の表面の一部を気化(アブレーション)させたときに発生する圧力波を利用して超音波を励起する方法がある。 In the method of exciting ultrasonic waves by laser, the surface of the object to be inspected is irradiated with high energy laser light, and ultrasonic waves are excited by the thermoelastic effect due to instantaneous temperature rise, and the object to be inspected by higher energy. There is a method of exciting an ultrasonic wave using a pressure wave generated when a part of the surface of the material is vaporized (ablated).
図1Aに、アブレーションを利用した超音波励起の原理を模式的に示し、図1Bに熱弾性効果を利用した超音波励起の原理を模式的に示す。 FIG. 1A schematically shows the principle of ultrasonic excitation utilizing ablation, and FIG. 1B schematically shows the principle of ultrasonic excitation utilizing a thermoelastic effect.
図1Aに示すように、対象物1に対してレーザ光2を照射すると、高いエネルギーにより、対象物の一部が蒸発する(図中、3参照)。このときに、反力として発生する圧力波として、超音波4が発生する。ここで、図中、超音波4の矢印は、発生する超音波の指向性を示す。対象物1の表面には、対象物の一部が蒸発することにより、レーザ光の照射痕が生じる。ただし、鋼材に照射する場合、フルーエンス約2mJ/mm2以下であれば、対象物にアブレーションによる照射痕は生じない。
As shown in FIG. 1A, when the
図1Bに示すように、対象物1に対してレーザ光2を照射すると、レーザによる急速加熱により、瞬間的に対象物1の表面の温度が上昇し、温度上昇領域5が形成され、温度上昇領域5での熱膨張と収縮に伴い超音波4が発生する。ここで、図中、超音波4の矢印は、発生する超音波の指向性を示す。
As shown in FIG. 1B, when the
熱弾性効果による超音波励起の、超音波伝搬の指向性については、例えば、非特許文献2に記載されている。
The directivity of ultrasonic propagation of ultrasonic excitation by the thermoelastic effect is described in
例えば、非特許文献1に記載の、従来のレーザ超音波法によるポアソン比の計測技術においては、アブレーションによる超音波励起を利用しているが、アブレーションにより被検査体の表面に照射痕が生じる。そのため、照射痕が許されない用途では、この方法による計測はできず、用途が限定されるという問題がある。
For example, in the conventional technique for measuring Poisson's ratio by the laser ultrasonic method described in
しかしながら、同様の計測を、熱弾性効果による超音波励起を利用して行おうとすると、発生した超音波の検出が難しく、板波超音波のA2fの計測ができないという問題がある。すなわち、超音波伝搬の指向性の違いにより、熱弾性効果を利用した超音波励起では、超音波の検出が難しく、特に、S/Nが悪いA2fの計測は、事実上不可能である。 However, if the same measurement is performed using ultrasonic excitation by the thermoelastic effect, there is a problem that it is difficult to detect the generated ultrasonic wave and A2f of the plate wave ultrasonic wave cannot be measured. That is, due to the difference in directivity of ultrasonic propagation, ultrasonic detection using the thermoelastic effect makes it difficult to detect ultrasonic waves, and in particular, measurement of A2f with a poor S / N is practically impossible.
本発明は、上記の事情に鑑み、レーザ超音波法において、被検査体の表面にダメージを与えず、レーザの照射痕が生じない、熱弾性効果による超音波励起を利用した、ポアソン比の計測方法、及び、計測装置の提供を課題とする。 In view of the above circumstances, in the laser ultrasonic method, the present invention does not cause damage to the surface of an object to be inspected, does not cause laser irradiation traces, and measures Poisson's ratio using ultrasonic excitation by a thermoelastic effect. It is an object to provide a method and a measurement device.
本発明者らは、熱弾性効果で励起される超音波を受信し、ポアソン比を算出する方法について、鋭意検討した。 The present inventors diligently studied a method for receiving an ultrasonic wave excited by a thermoelastic effect and calculating a Poisson's ratio.
その結果、波長の異なる超音波発生用のレーザと超音波検出用のレーザを用いて、適切な計測系を構成することにより、板波超音波の、群速度ゼロのS1モードの周波数と、縦波共振周波数を検出することが可能となり、検出された周波数からポアソン比が算出できることを見出した。 As a result, by configuring an appropriate measurement system using an ultrasonic wave generation laser and an ultrasonic detection laser having different wavelengths, the frequency of the S1 mode of the plate wave ultrasonic wave with zero group velocity and the longitudinal frequency It was found that the wave resonance frequency can be detected, and the Poisson's ratio can be calculated from the detected frequency.
さらに、超音波検出用レーザにパルス発振レーザを用いることにより、測定精度を上げることが可能であることを見出した。 Furthermore, it has been found that measurement accuracy can be increased by using a pulsed laser as the ultrasonic detection laser.
本発明は、上記の知見に基づいてなされたもので、要旨は以下のとおりである。 The present invention has been made based on the above findings, and the gist is as follows.
(1)被検査体のポアソン比を計測する方法であって、
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数を算出するステップと、
算出された群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数からポアソン比を算出するステップを備えることを特徴とするポアソン比の計測方法。
(1) A method for measuring a Poisson's ratio of an object to be inspected,
Irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for generating ultrasonic waves, and generating ultrasonic waves on the object to be inspected;
Irradiating the object to be inspected with ultrasonic wave detecting laser light having a wavelength different from that of the pulse oscillation laser light for generating ultrasonic waves;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. Outputting light of a high intensity,
Calculating an intensity waveform of an ultrasonic wave generated on the object to be inspected from the amount of Doppler shift, using light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift;
Performing frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave, calculating the frequency of the plate wave ultrasonic wave in the S1 mode with zero group velocity generated in the inspection object, and the resonance frequency of the longitudinal wave;
A Poisson's ratio measuring method comprising: calculating a Poisson's ratio from the calculated frequency of the S1 mode plate wave ultrasonic wave with zero group velocity and the longitudinal resonance frequency.
(2)前記超音波検出用レーザ光は、パルス発振レーザ光であること特徴とする前記(1)のポアソン比の計測方法。 (2) The method for measuring Poisson's ratio according to (1), wherein the ultrasonic detection laser beam is a pulsed laser beam.
(3)前記超音波検出用レーザ光のピーク出力が、100〜1000W、パルス幅が、50μs〜1msであることを特徴とする前記(2)のポアソン比の計測方法。 (3) The Poisson's ratio measuring method according to (2) above, wherein the peak output of the ultrasonic detection laser beam is 100 to 1000 W, and the pulse width is 50 μs to 1 ms.
(4)前記超音波発生用パルス発振レーザ光を前記被検査体に照射し超音波を発生させる際に、該超音波発生用パルス発振レーザ光を点状スポットで照射することを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかのポアソン比の計測方法。 (4) When the ultrasonic wave generation pulsed laser beam is irradiated onto the object to be generated to generate an ultrasonic wave, the ultrasonic wave generation pulsed laser beam is irradiated with a spot-like spot. The Poisson's ratio measuring method according to any one of (1) to (3).
(5)前記超音波検出用レーザ光を、前記超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する前記点状スポット域内に照射することを特徴とする前記(4)のポアソン比の計測方法。 (5) The Poisson's ratio measuring method according to (4), wherein the ultrasonic detection laser beam is irradiated into the spot-like spot region where the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser beam is irradiated.
(6)前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法は、前記ドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を干渉計で干渉させ、該干渉計から該ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する方法であることを特徴とする前記(1)〜(5)のいずれかのポアソン比の計測方法。 (6) receiving the ultrasonic detection laser light that has been subjected to Doppler shift due to vibration of ultrasonic waves generated by irradiating the object to be inspected with pulse generation laser light for ultrasonic generation, and depending on the amount of Doppler shift The method of outputting light having a high intensity is a method in which the laser beam for ultrasonic detection subjected to the Doppler shift is interfered by an interferometer, and light having an intensity corresponding to the amount of the Doppler shift is output from the interferometer. The Poisson's ratio measuring method according to any one of (1) to (5), wherein:
(7)被検査体のポアソン比を計測する装置であって、
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する超音波発生用レーザ照射部と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する超音波検出用レーザ照射部と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出する第一の処理部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数を算出する第二の処理部と、
算出された群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数からポアソン比を算出する第三の処理部を備えることを特徴とするポアソン比の計測装置。
(7) An apparatus for measuring a Poisson's ratio of an object to be inspected,
A laser irradiation unit for generating ultrasonic waves for irradiating a pulsed laser beam for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves on the object to be inspected;
An ultrasonic detection laser irradiating unit that irradiates the inspected object with an ultrasonic detection laser beam having a wavelength different from that of the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser beam;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. A receiver that outputs light of high intensity;
A first processing unit that calculates an intensity waveform of an ultrasonic wave generated on the object to be inspected from the amount of Doppler shift, using light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift;
Frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave, a second processing unit that calculates the frequency of the S1 mode plate wave ultrasonic wave of zero group velocity generated in the object to be inspected, and the resonance frequency of the longitudinal wave;
A Poisson's ratio measuring apparatus comprising a third processing unit that calculates a Poisson's ratio from the calculated frequency of the S1 mode plate wave ultrasonic wave with zero group velocity and the resonance frequency of the longitudinal wave.
(8)前記超音波検出用レーザ照射部は、パルス発振レーザ光源を備えること特徴とする前記(7)のポアソン比の計測装置。 (8) The Poisson's ratio measuring device according to (7), wherein the ultrasonic detection laser irradiation unit includes a pulsed laser light source.
(9)前記パルス発振レーザ光源は、ピーク出力が、100〜1000W、パルス幅が、50μs〜1msのレーザ光を照射できることを特徴とする前記(8)のポアソン比の計測装置。 (9) The Poisson's ratio measuring device according to (8), wherein the pulsed laser light source can irradiate laser light having a peak output of 100 to 1000 W and a pulse width of 50 μs to 1 ms.
(10)前記超音波発生用レーザ照射部は、被検査体の表面に点状スポットでパルス発振レーザ光を照射することができることを特徴とする前記(7)〜(9)のいずれかのポアソン比の計測装置。 (10) The Poisson according to any one of (7) to (9), wherein the ultrasonic wave generating laser irradiation unit is capable of irradiating the surface of the object to be inspected with pulsed laser light with a spot-like spot. Ratio measuring device.
(11)前記超音波検出用レーザ照射部は、前記超音波発生用レーザ照射部が被検査体の表面に照射したパルス発振レーザ光の点状スポット域内にレーザ光を照射することができることを特徴とする前記(10)のポアソン比の計測装置。 (11) The ultrasonic detection laser irradiating unit can irradiate a laser beam in a spot-like spot region of a pulsed laser beam irradiated by the ultrasonic wave generating laser irradiating unit on the surface of the object to be inspected. (10) The Poisson's ratio measuring device.
(12)前記受信部は、前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光を入力して干渉させ、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する干渉計であることを特徴とする前記(7)〜(11)のいずれかのポアソン比の計測装置。 (12) The receiving unit inputs and interferes with the ultrasonic detection laser light that has undergone Doppler shift due to ultrasonic vibration generated by irradiating the object to be inspected with pulse generation laser light for ultrasonic generation. The Poisson's ratio measuring device according to any one of (7) to (11), wherein the interferometer outputs light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift.
本発明によれば、アブレーションが生じない程度の低いエネルギーのレーザ光を用いて、熱弾性効果によって超音波を励起するので、被検査体の表面にダメージを与えず、レーザ光の照射痕を生じさせずに、非接触、かつ、非破壊で、ポアソン比を計測することができる。 According to the present invention, since the ultrasonic wave is excited by the thermoelastic effect using a laser beam having a low energy that does not cause ablation, the surface of the object to be inspected is not damaged, and a laser beam irradiation mark is generated. Without doing so, the Poisson's ratio can be measured in a non-contact and non-destructive manner.
以下、本発明における、熱弾性効果による超音波励起を利用した計測法の原理について、アブレーションによる超音波励起を利用した計測法(以下「従来法」という)と比較して、説明する。 Hereinafter, the principle of the measurement method using ultrasonic excitation by the thermoelastic effect in the present invention will be described in comparison with the measurement method using ultrasonic excitation by ablation (hereinafter referred to as “conventional method”).
従来法では、アブレーションを利用した超音波励起により、被検査体に超音波を発生させ、伝搬させる。このとき、被検査体が比較的薄い板の場合、縦波と横波の他に、固体平面層内を平面に沿って伝搬する弾性波である、板波超音波と呼ばれる波が発生する。 In the conventional method, ultrasonic waves are generated and propagated to the object by ultrasonic excitation using ablation. At this time, when the object to be inspected is a relatively thin plate, in addition to the longitudinal wave and the transverse wave, a wave called a plate wave ultrasonic wave, which is an elastic wave propagating along the plane in the solid plane layer, is generated.
板波超音波には、振動の対称性によって、対称モード(S0,S1,S2,…)と、非対称モード(A0,A1,A2,…)に分けられる、多くのモードが存在する。また、板波超音波の位相速度はモードによって異なり、周波数と板厚の積にも依存する。すなわち、位相速度は速度分散の特徴を有する。そして、位相速度分散により、群速度が存在し、群速度も周波数と板厚の積に依存する。板波超音波の群速度[m/s]と、周波数と板厚の積との間は、図2に示す関係があることが知られている。 There are many modes in the plate wave ultrasonic wave, which are classified into a symmetric mode (S0, S1, S2,...) And an asymmetric mode (A0, A1, A2,...) Depending on the symmetry of vibration. Further, the phase velocity of the plate wave ultrasonic wave differs depending on the mode, and also depends on the product of the frequency and the plate thickness. That is, the phase velocity has the characteristic of velocity dispersion. A group velocity exists due to the phase velocity dispersion, and the group velocity also depends on the product of the frequency and the plate thickness. It is known that there is a relationship shown in FIG. 2 between the group velocity [m / s] of the plate wave ultrasonic wave and the product of the frequency and the plate thickness.
板波超音波は、S/N、及び、超音波の減衰の観点から、S1モード、A2モードが検出しやすいモードであり、板波超音波の周波数の計測は、主にS1モード、A2モードについて行われる。 The plate wave ultrasonic wave is a mode in which the S1 mode and the A2 mode are easy to detect from the viewpoint of S / N and attenuation of the ultrasonic wave, and the frequency measurement of the plate wave ultrasonic wave is mainly performed in the S1 mode and the A2 mode. Done about.
板波超音波のS1f、及び、A2fと、ポアソン比ν、縦波音速VL、及び、横波音速VSとの関係は式1のようになることが知られている。β1(ν)、及び、β2(ν)は、ポアソン比νをパラメタとする既知の関数である(非特許文献3)。図3Aに、ポアソン比とβ1(ν)との関係を示し、図3Bに、ポアソン比とβ2(ν)との関係を示す。
It is known that the relationship between the S1f and A2f of the plate wave ultrasonic wave, the Poisson's ratio ν, the longitudinal wave sound velocity V L , and the transverse wave sound velocity V S is expressed by
式1と、式2に示す、ポアソン比νと、縦波音速VL、及び、横波音速VSとの関係より、式3が得られる。S1f、及び、A2fの値が求まれば、式3より、ポアソン比νを算出でき、次いで、式1より、縦波音速VLと横波音速VSを算出できる。
すなわち、従来法では、アブレーションにより発生した板波超音波を、連続波レーザなどを用いて検出し、検出した強度波形を、高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform:以下「FFT」という)により処理することにより、板波超音波のS1f、及び、A2fを、同時に計測して、ポアソン比ν、縦波音速VL、及び、横波音速VSを算出する。 That is, in the conventional method, plate wave ultrasonic waves generated by ablation are detected using a continuous wave laser or the like, and the detected intensity waveform is processed by a fast Fourier transform (hereinafter referred to as “FFT”). Thus, S1f and A2f of the plate wave ultrasonic wave are simultaneously measured to calculate the Poisson's ratio ν, the longitudinal wave sound velocity V L , and the transverse wave sound velocity V S.
次に、本発明の計測法を説明する。 Next, the measurement method of the present invention will be described.
被検査体に、超音波発生用レーザ光を照射して超音波を励起すると、縦波、横波、及び、板波超音波が発生する。本発明では、熱弾性効果による超音波励起を利用して、板波超音波のS1f、及び、縦波の共振周波数を計測する。以下、n次の縦波の共振周波数を、fnと記す。 When the ultrasonic wave is excited by irradiating the object to be inspected with an ultrasonic wave generation laser beam, a longitudinal wave, a transverse wave, and a plate wave ultrasonic wave are generated. In the present invention, S1f of the plate wave ultrasonic wave and the resonance frequency of the longitudinal wave are measured using ultrasonic excitation by the thermoelastic effect. Hereinafter, the resonance frequency of the order n longitudinal wave, referred to as f n.
1次の縦波の共振周波数f1は、縦波音速VLと被検査体の厚さdとすると、f1=VL/2dである。すなわち、S1f及びf1が求まれば、式1よりβ1(ν)が求まる。そして、図3Aに示したポアソン比とβ1(ν)との関係から、ポアソン比νを算出できる。
The resonance frequency f 1 of the first order longitudinal wave, when the thickness d of the longitudinal wave acoustic velocity V L and the object to be inspected, is f 1 = V L / 2d. That is, S1f and f 1 is determined, from
上述したとおり、熱弾性効果による超音波励起を利用した測定では、A2fの計測は事実上不可能である。しかし、波長の異なる超音波発生用のレーザと超音波検出用のレーザを用いて、本発明による適切な測定系を構成すれば、板波超音波のS1f、及び、縦波共振周波数f1の計測は可能である。すなわち、A2fを計測することなく、S1f、縦波共振周波数f1を計測することで、熱弾性効果による超音波励起を利用したポアソン比の算出を可能とした点が、本発明の特徴である。 As described above, measurement of A2f is practically impossible by measurement using ultrasonic excitation by the thermoelastic effect. However, using a laser and a laser for ultrasound detection for different ultrasound generated wavelengths, if configure the appropriate measurement system according to the present invention, plate wave ultrasound S 1 f, and the longitudinal wave resonance frequency f 1 Measurement is possible. That is, without measuring the A2f, S 1 f, by measuring the vertical resonant frequency f 1, the point which enables calculation of the Poisson's ratio using ultrasonic excitation by thermoelastic effect, is a feature of the present invention .
具体的には、被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させる。そして、さらに、超音波発生用パルス発振レーザ光とは波長の異なる超音波検出用レーザ光を被検査体に照射する。 Specifically, the object to be inspected is irradiated with ultrasonic wave generation pulsed laser light to generate ultrasonic waves on the object to be inspected. Further, the object to be inspected is irradiated with ultrasonic detection laser light having a wavelength different from that of the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser light.
超音波検出用レーザ光は、被検査体で反射する際に、被検査体に発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受け、周波数(=波長-1)が変化する。ドップラーシフトの大きさは、被検査体11の表面変位速度をV、超音波検出用レーザの波長をλとしてΔf=2V/λで表される。
When the laser beam for ultrasonic detection is reflected by the inspection object, it undergoes a Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic waves generated on the inspection object, and the frequency (= wavelength −1 ) changes. The magnitude of the Doppler shift is expressed by Δf = 2V / λ where V is the surface displacement speed of the
すなわち、超音波の振動状態により超音波検出用レーザ光の波長が変化するので、被検査体で反射した超音波検出用レーザ光の反射光の波長から、被検査体に生じた超音波の強度波形を算出することができる。そして、この強度波形をFFTにより処理することにより、S1f、f1を求めることができる。 That is, since the wavelength of the ultrasonic detection laser beam changes depending on the vibration state of the ultrasonic wave, the intensity of the ultrasonic wave generated on the inspection object from the reflected light wavelength of the ultrasonic detection laser light reflected by the inspection object. Waveform can be calculated. Then, by treating the intensity waveform by FFT, it is possible to obtain S 1 f, the f 1.
超音波発生用のパルス発振レーザ光と、超音波検出用のレーザ光には、波長の異なるレーザを用いるが、これは、超音波受信部で受信する超音波検出用のレーザ光に超音波発生用のパルス発振レーザ光が混じり、ノイズとなるのを防ぐためである。すなわち、2つのレーザ光が異なる波長であれば、使用する波長は限定されるものではない。 Lasers with different wavelengths are used for the pulse oscillation laser light for ultrasonic generation and the laser light for ultrasonic detection. This is the generation of ultrasonic waves into the laser light for ultrasonic detection received by the ultrasonic receiver. This is to prevent the pulsed laser beam for use from being mixed and becoming noise. That is, as long as the two laser beams have different wavelengths, the wavelength to be used is not limited.
被検査体に生じた超音波の検出感度を向上させるためには、超音波検出用レーザ光の光量を大きくすればよい。そのためには、大出力の検出用レーザを使用することが有効である。しかしながら、出力の大きな連続発振レーザ光源は、装置サイズが大きく、また、高価格であるので、産業上の使用において、デメリットがある。 In order to improve the detection sensitivity of the ultrasonic wave generated on the object to be inspected, the amount of the ultrasonic detection laser light may be increased. For this purpose, it is effective to use a high-power detection laser. However, a continuous wave laser light source having a large output has a disadvantage in industrial use because it has a large apparatus size and is expensive.
そこで、超音波検出用レーザをパルス発振のレーザ光とし、強度波形検出のタイミングに同期して発振させることで、超音波検出用レーザの平均出力をそれほど高くしなくても、超音波の検出感度を向上させることができる。 Therefore, the ultrasonic detection laser is pulsed laser light and oscillated in synchronization with the timing of intensity waveform detection, so that the ultrasonic detection sensitivity can be reduced without increasing the average output of the ultrasonic detection laser so much. Can be improved.
これを、図4Aを用いて説明する。図4Aは、超音波発生用レーザ光及び超音波検出用レーザ光のパルス波形の一例を示すものであり、実線は超音波発生用レーザ光のパルス波形6、破線は超音波検出用レーザ光のパルス波形7を表している。また、一点鎖線は、超音波検出用レーザ光の連続波波形8を表している。
This will be described with reference to FIG. 4A. FIG. 4A shows an example of the pulse waveforms of the ultrasonic wave generation laser beam and the ultrasonic wave detection laser beam. The solid line indicates the
被検査体に生じる超音波は、超音波発生用パルス発振レーザ光が被検査体に照射されたときに最も大きくなる。つまり、超音波検出用レーザは、これと同時に被検査体に照射されたときに最も精度よく超音波を検出することができ、これとタイミングがずれて照射された超音波検出用レーザは、超音波検出に対する寄与は小さい。 The ultrasonic wave generated on the object to be inspected becomes the largest when the object to be inspected is irradiated with the ultrasonic wave generating pulsed laser beam. In other words, the ultrasonic detection laser can detect the ultrasonic wave with the highest accuracy when the object to be inspected is irradiated at the same time. The contribution to sound wave detection is small.
超音波検出用レーザが連続波出力である場合、レーザの出力は時間に対して一定であるが、超音波発生用パルス発振レーザ光が出力されている間以外に照射されている超音波検出用レーザは、超音波検出に対する寄与は小さい。 When the ultrasonic detection laser has a continuous wave output, the output of the laser is constant with respect to time, but for the detection of ultrasonic waves that are emitted except when the pulsed laser light for ultrasonic generation is being output. Lasers have a small contribution to ultrasonic detection.
超音波検出用レーザがパルス出力である場合、レーザの出力は時間に対して変化する。平均出力パワーが低い超音波検出用レーザを用いた場合であっても、出力がピークとなる周辺の時間では、超音波検出用レーザ光の出力は、大出力の連続波出力のレーザを用いた場合と同等、又は、それ以上の出力とすることができる。その結果、平均出力パワーが低くても、超音波の検出感度を、大出力の連続波出力のレーザを用いた場合と同等、又は、それ以上とすることができる。 When the ultrasonic detection laser has a pulse output, the output of the laser varies with time. Even when an ultrasonic detection laser with a low average output power is used, the output of the ultrasonic detection laser light is a high-power continuous wave output laser at the time around the peak output. The output can be equal to or more than the case. As a result, even if the average output power is low, the ultrasonic wave detection sensitivity can be made equal to or higher than that when a high-power continuous-wave laser is used.
超音波検出用レーザ光を強度波形検出のタイミングに同期させて発振させるには、例えば、フォトレシーバ等を用いて2つのパルスを確認しながら、レーザ光源を調整する等すれば、容易に同期させることができる。 In order to oscillate the ultrasonic detection laser light in synchronization with the timing of intensity waveform detection, for example, by adjusting the laser light source while checking two pulses using a photo receiver or the like, it is easily synchronized. be able to.
超音波検出用レーザ光をパルス発振レーザ光とする場合には、パルス幅は50μs以上、1ms以下、パルスのピーク出力は100W以上、1000W以下とするのが好ましい。 When the ultrasonic detection laser beam is a pulsed laser beam, the pulse width is preferably 50 μs or more and 1 ms or less, and the pulse peak output is preferably 100 W or more and 1000 W or less.
パルス幅が50μs以下になると、強度波形の周波数解析における有効な波形時間域が50μs以下となるので周波数分解能が低下し、S1fの周波数ピーク、及び縦波共振の周波数ピークが明瞭に得られなくなる。パルス幅を1ms以上とすると、技術的に装置製作の実現が困難となる。 When the pulse width is 50 μs or less, the effective waveform time region in the frequency analysis of the intensity waveform is 50 μs or less, the frequency resolution is lowered, and the frequency peak of S1f and the frequency peak of longitudinal wave resonance cannot be clearly obtained. If the pulse width is 1 ms or more, it is technically difficult to realize device fabrication.
パルスのピーク出力が100W以下となると、超音波検出用レーザ光の光量が少なくなり、特に縦波共振周波数ピークを検出することが困難になる。パルスのピーク出力を1000W以上とするには、技術的に装置製作の実現が困難である。 When the peak output of the pulse is 100 W or less, the amount of light of the ultrasonic detection laser light is reduced, and in particular, it becomes difficult to detect the longitudinal wave resonance frequency peak. In order to set the peak output of the pulse to 1000 W or more, it is technically difficult to realize device fabrication.
超音波検出用レーザ光は、超音波発生用レーザ光の強度がピークとなるときに、ピークとなるようにしたときが、最も効率よく精度の良い測定ができる。ただし、ピークのタイミングが多少ずれた場合でも、超音波発生用レーザ光のパルスが、超音波検出用レーザ光のパルス内にあれば、超音波検出用レーザ光が連続波出力である場合に比べて精度の良い測定を行うことは可能である。 The ultrasonic detection laser beam can be measured most efficiently and accurately when the intensity of the ultrasonic wave generation laser beam reaches the peak. However, even if the timing of the peak is slightly deviated, if the pulse of the ultrasonic wave generation laser beam is within the pulse of the ultrasonic wave detection laser beam, compared to the case where the ultrasonic wave detection laser beam is a continuous wave output, It is possible to perform highly accurate measurement.
また、超音波検出用レーザ光のパルス繰り返し周波数は、超音波発生用レーザ光のパルス繰り返し周波数と同じになるようにすれば、最も効率よく精度のよい測定ができるが、レーザ光源の制約などがある場合は、必ずしも同じパルス繰り返し周波数にする必要はない。例えば、図4Bに示すように、超音波検出用レーザ光のパルス繰り返し周波数が、超音波発生用レーザ光の2倍となるような設定であっても、超音波検出用レーザ光が連続波出力である場合に比べて精度の良い測定を行うことは可能である。本発明の計測が可能な範囲内であれば、これ以外のパルス繰り返し周波数としてもかまわない。 Moreover, if the pulse repetition frequency of the ultrasonic detection laser beam is the same as the pulse repetition frequency of the ultrasonic generation laser beam, the most efficient and accurate measurement can be performed, but there are restrictions on the laser light source. In some cases, the same pulse repetition frequency is not necessarily required. For example, as shown in FIG. 4B, even if the pulse repetition frequency of the ultrasonic detection laser light is set to be twice that of the ultrasonic generation laser light, the ultrasonic detection laser light is output as a continuous wave. It is possible to perform measurement with higher accuracy than in the case of. Any other pulse repetition frequency may be used as long as the measurement of the present invention is possible.
被検査体表面の照射領域は、図5に示すように、超音波発生用レーザ光を点状スポットで照射し、その照射領域内に、超音波検出用レーザ光を照射するのが好ましい。超音波発生用レーザ光と超音波検出用レーザ光を、ほぼ同じ位置に照射することで、超音波検出用レーザにより面方向に進行する波は検出されず、検出することができるのは、移動しない波、すなわち、群速度ゼロの板波、及び、縦波のみとなる。 As shown in FIG. 5, it is preferable that the irradiation region on the surface of the object to be inspected is irradiated with a laser beam for ultrasonic wave generation with a spot-like spot, and the laser beam for ultrasonic detection is irradiated into the irradiation region. By irradiating the laser beam for ultrasonic generation and the laser beam for ultrasonic detection almost at the same position, the wave that travels in the plane direction is not detected by the ultrasonic detection laser, and it can be detected by moving Only waves that are not, that is, plate waves with zero group velocity and longitudinal waves.
また、群速度ゼロの板波モードには複数のモードが存在するが、被検査体のレーザ照射面に垂直な方向に対して変位が一番大きく、レーザ超音波法の熱弾性領域で検出可能なモードは、群速度ゼロのS1モードの板波の周波数のみである。 In addition, there are multiple modes in the plate wave mode with zero group velocity, but the displacement is the largest in the direction perpendicular to the laser irradiation surface of the object to be inspected, and can be detected in the thermoelastic region of the laser ultrasonic method The only mode is the plate wave frequency of the S1 mode with zero group velocity.
さらに、超音波発生用レーザの点状スポット域内に、超音波検出用レーザ光を照射すれば、超音波検出用レーザ光は発生した超音波によるドップラーシフトを効率よく受けるので、その結果、群速度ゼロの板波と、縦波を精度よく検出することができる。 Furthermore, if the laser beam for ultrasonic detection is irradiated into the spot-like spot area of the laser for ultrasonic wave generation, the laser beam for ultrasonic wave detection is efficiently subjected to Doppler shift due to the generated ultrasonic wave. Zero plate waves and longitudinal waves can be detected with high accuracy.
ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光のドップラーシフトの量は、例えば、超音波検出用レーザ光をファブリ・ペロー干渉計のような干渉計で干渉させ計測する方法がある。 The amount of Doppler shift of ultrasonic detection laser light that has undergone Doppler shift includes, for example, a method in which the ultrasonic detection laser light is interfered with an interferometer such as a Fabry-Perot interferometer.
ファブリ・ペロー干渉計は、波長フィルターとしての役割を果たす。ファブリ・ペロー干渉計の透過率は、図6に示すように、光の周波数によって大きく異なる。 The Fabry-Perot interferometer serves as a wavelength filter. The transmittance of the Fabry-Perot interferometer varies greatly depending on the frequency of light, as shown in FIG.
ファブリ・ペロー干渉計に入射される超音波検出用レーザ光は、被検査体を伝播する超音波より受けたドップラーシフトの量、すなわち被検査体の表面変位速度によってわずかに周波数が変化する。周波数が変化した超音波検出用レーザ光をファブリ・ペロー干渉計に導入し、出力することで、周波数の変化を、相対的に大きな、光強度の変化に変換することができる。 The frequency of the laser beam for ultrasonic detection incident on the Fabry-Perot interferometer slightly changes depending on the amount of Doppler shift received from the ultrasonic wave propagating through the inspection object, that is, the surface displacement speed of the inspection object. By introducing and outputting ultrasonic detection laser light having a changed frequency to a Fabry-Perot interferometer, the change in frequency can be converted into a relatively large change in light intensity.
そして、ファブリ・ペロー干渉計を透過した、超音波検出用レーザ光の強度変化を計測することで、被検査体の表面の振動状態を求めることができる。 Then, the vibration state of the surface of the object to be inspected can be obtained by measuring the intensity change of the ultrasonic detection laser beam that has passed through the Fabry-Perot interferometer.
本発明において、ドップラーシフトの量の計測に用いる方法は、ファブリ・ペロー干渉計を用いる方法に限定されるものではない。 In the present invention, the method used for measuring the amount of Doppler shift is not limited to the method using a Fabry-Perot interferometer.
例えば、ドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光を、超音波検出用レーザ光の波長付近で損失波長特性が急峻となる光ファイバグレーティングや微細構造光ファイバに導入して、出力される光の強度をドップラーシフトの量に応じた強度とし、これを用いて超音波の周波数スペクトルを算出する方法なども採用することができる。 For example, ultrasonic detection laser light that has undergone Doppler shift is introduced into an optical fiber grating or microstructured optical fiber that has a lossy wavelength characteristic that is steep near the wavelength of the ultrasonic detection laser light, A method of calculating the frequency spectrum of the ultrasonic wave by using the intensity as the intensity corresponding to the amount of Doppler shift can be employed.
本発明による、板波超音波のS1f、及び、縦波共振周波数f1の計測を行い、その結果からポアソン比を求めるための装置は、超音波発生用レーザ照射部、超音波検出用レーザ光を照射する超音波検出用レーザ照射部、受信部、第一の処理部、第二の処理部、及び、第三の処理部からなる。 The apparatus for measuring the S1f of plate wave ultrasonic waves and the longitudinal wave resonance frequency f 1 according to the present invention and obtaining the Poisson's ratio from the results is as follows: an ultrasonic generation laser irradiating unit, an ultrasonic detection laser beam Are composed of an ultrasonic detection laser irradiation unit, a receiving unit, a first processing unit, a second processing unit, and a third processing unit.
超音波発生用レーザ照射部は、被検査体の表面に、超音波発生用のパルス発振レーザ光を照射し、超音波励起することにより超音波を発生させるためのパルス発振レーザ光源を含む。さらに、必要に応じて、レンズ、ミラー等からなる照射光学系を備える。 The ultrasonic wave generating laser irradiation unit includes a pulsed laser light source for generating ultrasonic waves by irradiating the surface of the inspection object with pulsed laser light for generating ultrasonic waves and exciting the ultrasonic waves. Furthermore, an irradiation optical system including a lens, a mirror, and the like is provided as necessary.
超音波検出用レーザ照射部は、被検査体の表面に、超音波検出用のレーザ光を照射する連続発振レーザ光源、又は、パルス発振レーザ光源を含む。さらに、必要に応じて、レンズ、ミラー等からなる照射光学系を備える。 The ultrasonic detection laser irradiation unit includes a continuous wave laser light source or a pulsed laser light source that irradiates the surface of the inspection object with laser light for ultrasonic detection. Furthermore, an irradiation optical system including a lens, a mirror, and the like is provided as necessary.
受信部は、被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた超音波検出用レーザ光を受信し、ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する機構を備える。 The receiving unit receives ultrasonic detection laser light that has undergone Doppler shift due to ultrasonic vibration generated by irradiating the object to be inspected with pulse generation laser light for ultrasonic generation, and has an intensity corresponding to the amount of Doppler shift. It has a mechanism to output the light.
第一の処理部は、電子計算機等からなり、受信部から出力されたドップラーシフトの量の情報から、周波数スペクトルを算出する。受信部から出力された情報を、光/電気変換器を介して、電気信号として第一の処理部に入力してもよい。 The first processing unit includes an electronic computer or the like, and calculates a frequency spectrum from information on the amount of Doppler shift output from the receiving unit. Information output from the receiving unit may be input to the first processing unit as an electrical signal via an optical / electrical converter.
第二の処理部は、電子計算機等からなり、第一の処理部で算出した周波数スペクトルの周波数解析を行い、周波数ピークを同定し、板波超音波の周波数S1fと縦波の共振周波数f1を算出する。 The second processing unit is composed of an electronic computer or the like, performs frequency analysis of the frequency spectrum calculated by the first processing unit, identifies a frequency peak, and plate wave ultrasonic frequency S1f and longitudinal wave resonance frequency f 1. Is calculated.
第三の処理部は、電子計算機等からなり、第二の処理部で求められた板波超音波の周波数S1fと縦波の共振周波数f1とから、被検査体のポアソン比νを算出する。 The third processing unit includes an electronic computer or the like, and calculates the Poisson's ratio ν of the object to be inspected from the plate wave ultrasonic frequency S1f and the longitudinal wave resonance frequency f 1 obtained by the second processing unit. .
第一の処理部、第二の処理部、第三の処理部は、それぞれ物理的に別の装置から構成される必要はなく、例えば、同一の電子計算機内に、それぞれの処理を行うプログラムを有するものであってもかまわない。 The first processing unit, the second processing unit, and the third processing unit do not need to be physically configured separately from each other. For example, a program for performing each processing is performed in the same electronic computer. You may have it.
以下、図面を用いて、本発明によるポアソン比の計測方法の一例を、より詳細に説明する。 Hereinafter, an example of the Poisson's ratio measuring method according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図7Aに、本発明の計測装置の概略を示す。 FIG. 7A shows an outline of the measuring apparatus of the present invention.
超音波発生用レーザ照射部の超音波発生用レーザ光源21には、例えば、パルス出力のQスイッチ2倍波Nd:YAGレーザが使用できる。
For the ultrasonic wave generation
超音波発生用レーザ光源21から出射されたレーザ光GLは、ミラー22a、フィルター23、ミラー22b、を介し、集光レンズ24でビーム径が拡大され、被検査体11の表面に照射される。このとき、被検査体表面の照射領域でのフルーエンスが、約2mJ/mm2以下となるように、フィルター23の透過率を決定するか、又は、超音波発生用レーザ光源21の出力を調整する。
The laser beam GL emitted from the
超音波発生用レーザ光GLのパルス繰り返し周波数は、使用するパルス出力のQスイッチNd:YAGレーザの特性に依存するが、10〜200Hz程度である。また、被検査体11の表面に照射されるレーザ光GLの照射角は、実用上は、面に対し垂直方向±30°以内程度である。これらは、特に限定されるものではない。
The pulse repetition frequency of the ultrasonic wave generation laser beam GL is about 10 to 200 Hz, although it depends on the characteristics of the Q-switch Nd: YAG laser having a pulse output to be used. Further, the irradiation angle of the laser beam GL irradiated on the surface of the
被検査体11の表面では、超音波発生用レーザ光GLが照射されることにより、急激な温度上昇がおこり、熱弾性効果によって、超音波が励起される。
On the surface of the
超音波検出用レーザ光源31から出射された超音波検出用レーザ光DLは、上述のとおり、超音波発生用レーザ光GLの被検査体11上の照射位置と、同じ位置に照射される。
As described above, the ultrasonic detection laser light DL emitted from the ultrasonic detection
群速度がゼロとなる周波数の板波超音波は、板波超音波のエネルギーが被検査体内を伝搬せず、発生源となるレーザ光の照射位置で局所的に共振するので、超音波検出用レーザ光DLの照射位置を超音波発生用レーザ光GLの照射位置と一致させた場合、群速度がゼロの板波超音波の周波数を計測可能となる。 For plate wave ultrasonic waves with a frequency at which the group velocity is zero, the energy of the plate wave ultrasonic waves does not propagate through the body to be inspected, but resonates locally at the irradiation position of the laser beam that is the source of generation. When the irradiation position of the laser beam DL is made coincident with the irradiation position of the laser beam GL for generating ultrasonic waves, it is possible to measure the frequency of the plate wave ultrasonic wave whose group velocity is zero.
縦波も同様に、超音波発生用レーザ光GLの照射位置で局所的に共振するので、超音波検出用レーザ光DLの照射位置を超音波発生用レーザ光GLの照射位置と一致させた場合、縦波の周波数の計測が可能となる。 Similarly, the longitudinal wave resonates locally at the irradiation position of the ultrasonic wave generation laser beam GL, so that the irradiation position of the ultrasonic wave detection laser beam DL coincides with the irradiation position of the ultrasonic wave generation laser beam GL. The longitudinal frequency can be measured.
超音波検出用レーザ光DLは、超音波発生用レーザ光GLによって被検査体11上に生じた超音波によるドップラーシフトを受け波長が変化する。すなわち、超音波検出用レーザ光DLの反射光は、被検査体11上に生じた超音波の情報を有している。
The wavelength of the ultrasonic detection laser beam DL changes due to Doppler shift caused by the ultrasonic wave generated on the
この情報を、受信部41を介して、第一の処理部である周波数スペクトル算出部51a、第二の処理部である周波数ピーク同定算出部51b、第三の処理部であるポアソン比算出部51cを有する算出部51に入力し、ポアソン比を算出する。
This information is transmitted via the
必要に応じて、結果を出力する表示装置61を設けてもよい。
You may provide the
図7Bは、本発明の計測装置の他の例を示す図であり、受信部として、ファブリ・ペロー干渉計を用いる場合の計測装置の概略を示している。 FIG. 7B is a diagram showing another example of the measurement apparatus of the present invention, and shows an outline of the measurement apparatus when a Fabry-Perot interferometer is used as a receiving unit.
図7Bの計測装置では、超音波検出用レーザ光源31から出射されたレーザ光DLは、偏光ビームスプリッタ(polarization beam splitter:以下「PBS」という)34aで、P偏光成分DLPは透過し、S偏光成分DLSは反射される。レーザ光DLのP偏光成分DLPはミラー32a、32bを介し、被検査体11の表面に照射される。
In the measurement apparatus of FIG. 7B, the laser beam DL emitted from the ultrasonic detection
被検査体11に照射された超音波検出用レーザ光DLのP偏光成分DLPは、被検査体11に発生した超音波により、被検査体11の表面変位速度Vに応じて、ドップラーシフトΔf=2V/λを受け、反射される。λは超音波検出用レーザ光の波長である。
The P-polarized component DLP of the ultrasonic detection laser beam DL irradiated on the
反射されたレーザ光は、集光レンズ33、ミラー32c、32dを介し、PBS34bを透過し、ファブリ・ペロー干渉計42へ入射される。
The reflected laser light passes through the
被検査体11に照射されるレーザ光DLのP偏光成分DLPの照射角は、特に限定されるものではないが、実用上は被検査体11の面に対し垂直方向±30°以内程度である。
The irradiation angle of the P-polarized component DLP of the laser beam DL irradiated to the
一方、PBS34aで分けられた、レーザ光DLのS偏光成分DLSは、PBS34bで反射され、ファブリ・ペロー干渉計42へ入射される。
On the other hand, the S-polarized component DLS of the laser beam DL divided by the
ファブリ・ペロー干渉計42に入射されるレーザ光DLのP偏光成分DLPは、被検査体11を伝播する超音波より受けたドップラーシフトの量、すなわち被検査体11の表面変位速度によってわずかに周波数が変化するが、これをファブリ・ペロー干渉計42を透過させることにより、相対的に大きな透過光強度の変化に変換する。
The P-polarized component DLP of the laser beam DL incident on the Fabry-
そして、ファブリ・ペロー干渉計42を透過した、レーザ光DLのP偏光成分DLPの強度変化を計測することで、被検査体11の表面の振動状態を求めることができる。
Then, by measuring the intensity change of the P-polarized component DLP of the laser beam DL transmitted through the Fabry-
ここで、ドップラーシフトΔfの大きさは、おおよそ0.01〜0.1Hz程度である。したがって、超音波検出用レーザ光源31は周波数安定性の高いレーザ光源を用いるのが好ましく、特に制限はしないが、周波数ドリフトが100Hz/s程度以下であることが好ましい。
Here, the magnitude of the Doppler shift Δf is approximately 0.01 to 0.1 Hz. Therefore, it is preferable to use a laser light source with high frequency stability for the ultrasonic
また、ファブリ・ペロー干渉計42の透過特性は、FWHM(Full Width Half Max)が1〜10MHz程度、FSR(Free Spectral Range)が100MHz〜1GHz程度が好ましい。なお、FWHMとは、ある関数f(x)が、山形の局所的関数の形状を示している場合、f(x)がその最大値の半分の値以上の値となるxの範囲の幅値である。またFSRとは、自由スペクトル領域の略であり、隣り合った共振ピーク周波数値の差として定義される値である(図6を参照)。
The transmission characteristics of the Fabry-
レーザ光DLのS偏光成分DLSは、ファブリ・ペロー干渉計42から出射された後、PBS43で反射され、APD(アバランシェ・フォトダイオード)44aで、レーザ光の強度に応じた電気信号ES1に変換され、安定化回路45へ送られる。
The S-polarized component DLS of the laser beam DL is emitted from the Fabry-
APD44aに入射されるレーザ光DLのS偏光成分DLSの強度は、途中のレーザ光の経路が常に同一の状態にあるので、変化することはないはずである。強度が変化したとすれば、ファブリ・ペロー干渉計42の共振器を構成する2つの反射ミラー(図示せず)間の距離が外部振動などの外乱により変化し、ファブリ・ペロー干渉計42の特性が変化した、又は、超音波検出用レーザ光源31の発振周波数に揺らぎが生じたなどの原因が考えられる。
The intensity of the S-polarized component DLS of the laser beam DL incident on the
その場合は、APD44aに入射されるレーザ光DLのS偏光成分DLSの強度が一定になるように、安定化回路45からの電気信号ES2により、ファブリ・ペロー干渉計42の反射ミラーが最適な位置になるように調整する。反射ミラーの位置の調整には、例えば、ピエゾ素子などを用いることができる。
In that case, the reflection mirror of the Fabry-
レーザ光DLのP偏光成分DLPは、ファブリ・ペロー干渉計42から出射された後、PBS43を透過し、APD44bで電気信号ES3に変換され、算出部51へ送られる。
The P-polarized component DLP of the laser beam DL is emitted from the Fabry-
周波数スペクトル算出部51aで算出された強度波形は、例えば、図8のようになる。これを、周波数ピーク同定算出部51bでFFTにより処理すると、図9のようになる。
The intensity waveform calculated by the frequency
図9のそれぞれのピークの、となりのピークとの間隔(周波数)を求めると、図10のようになる。図10から、1番目のピークのみが、異なる成分であることが分かる。 FIG. 10 shows the interval (frequency) between each peak in FIG. 9 and the adjacent peak. FIG. 10 shows that only the first peak is a different component.
そして、式1より、S1f=β1VL/2dであり、図3Aに示すように、β1<1であるから、S1fは縦波の周波数よりも小さくなる。このことから、1番目のピークがS1fのものであり、他が縦波のものであることが分かる。
From
なお、式1と図3Aから分かるように、S1fを示すピークの近くに、1次の縦波の周波数を示すピークが観測されるはずだが、図9では、それがはっきりしない。これは、受信部としてファブリ・ペロー干渉計を用いた場合の、ファブリ・ペロー干渉計の周波数特性によるものである。
As can be seen from
しかし、縦波の性質から、n次の縦波の周波数と、n+1次の縦波の周波数の差は、縦波の次数が増えても一定であり、その差はf1と等しいから、1次の縦波周波数を示すピークが直接観測されないこと自体は、特に問題とはならない。もちろん、1次の縦波周波数が観測できる他の受信部を用いてもかまわない。
However, the nature of the longitudinal wave, and the frequency of the n-order longitudinal wave, the frequency difference of the (n + 1) order longitudinal wave, even if the order of the longitudinal wave increases is constant, because the difference is equal to
本発明においては、f1は何次の縦波の周波数を示すピークから求めてもよい。3つ以上の次数の縦波を示すピークが観測できた場合は、それぞれの隣接する縦波との周波数の差の平均値を、f1としてもよい。 In the present invention, f 1 may be obtained from a peak indicating the frequency of any order longitudinal wave. When a peak indicating three or more orders of longitudinal waves can be observed, the average value of the frequency differences from the adjacent longitudinal waves may be set as f 1 .
以下、実施例を用いて、本発明をより具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
図7Bに示した計測装置を用いて、鋼材のポアソン比を計測した。鋼材には、2mm厚のS55Cを用いた。 The Poisson's ratio of the steel material was measured using the measuring device shown in FIG. 7B. As the steel material, S55C having a thickness of 2 mm was used.
超音波発生用レーザ光源にはパルス出力の、Qスイッチ2倍波Nd:YAGレーザを使用し、超音波検出用レーザ光源にはパルス出力の、QスイッチNd:YAGレーザを使用した。計測条件は、表1に示す。 A pulse-switched Q-switched double wave Nd: YAG laser was used as the ultrasonic light source laser light source, and a pulse-output Q-switch Nd: YAG laser was used as the ultrasonic wave detection laser light source. The measurement conditions are shown in Table 1.
超音波発生用レーザ光の被検査体上でのフルーエンスは、1.8mJ/mm2とした。これは、アブレーションが生じない程度のエネルギーである。また、表1中の被検査体と検出系の距離は、被検査体と検出系の最短距離を意味し、図7Bの例では、被検査体11と、集光レンズ33との距離である。
The fluence of the ultrasonic wave generating laser beam on the object to be inspected was set to 1.8 mJ / mm 2 . This is energy that does not cause ablation. Further, the distance between the object to be inspected and the detection system in Table 1 means the shortest distance between the object to be inspected and the detection system, and in the example of FIG. 7B, is the distance between the object to be inspected 11 and the
計測の結果、図8に示す強度波形の超音波が観測され、その強度波形をFFT処理すると図9に示すようになり、それぞれのピークと隣のピークとの間隔は図10に示すようになった。この結果から、群速度ゼロの板波の周波数S1f=0.905MHz、縦波の共振周波数f1=0.979MHzと求まり、図3Aから、ポアソン比νは0.287と算出された。 As a result of the measurement, ultrasonic waves having the intensity waveform shown in FIG. 8 are observed, and when the intensity waveform is FFT processed, the result is as shown in FIG. 9, and the interval between each peak and the adjacent peak is as shown in FIG. It was. From this result, it was found that the plate wave frequency S1f = 0.905 MHz and the longitudinal wave resonance frequency f 1 = 0.979 MHz with zero group velocity, and from FIG. 3A, the Poisson's ratio ν was calculated to be 0.287.
[比較例]
実施例において得られた結果が妥当であるかを調べるために、公知の方法である、アブレーションを利用した計測法で、ポアソン比νを算出した。比較例において、被検査体に照射されている超音波発生用のパルスレーザ光の強さは3.5mmJ/mm2であり、これは、微小なアブレーションが生じる程度の強さである。
[Comparative example]
In order to check whether the results obtained in the examples are appropriate, the Poisson's ratio ν was calculated by a known method that uses ablation. In the comparative example, the intensity of the pulsed laser beam for generating ultrasonic waves applied to the object to be inspected is 3.5 mmJ / mm 2 , which is strong enough to cause minute ablation.
計測結果は、S1f=0.902、A2f=1.571となり、ポアソン比νは、0.291と算出された。 The measurement results were S1f = 0.902, A2f = 1.571, and the Poisson's ratio ν was calculated to be 0.291.
比較例において計測した、計測後の被検査体の表面を観察したところ、アブレーションによる照射痕が観察された。 When the surface of the inspected object measured in the comparative example was observed, irradiation marks due to ablation were observed.
以上の結果から、本発明による計測法を用いた計測結果と、従来法による計測結果はよく一致しており、本発明の計測法は、被検査体にレーザによる照射痕を生じさせることなく、適切な計測結果が得られたことが確認できた。 From the above results, the measurement results using the measurement method according to the present invention and the measurement results according to the conventional method are in good agreement, and the measurement method of the present invention does not cause laser irradiation marks on the object to be inspected. It was confirmed that appropriate measurement results were obtained.
鋼材を、加熱炉で1000℃で保持した後取り出し、900℃程度から自然空冷しながら、本発明のポアソン比の計測方法により、0.2秒毎にポアソン比を計測した。 The steel material was taken out after being held at 1000 ° C. in a heating furnace, and the Poisson ratio was measured every 0.2 seconds by the Poisson ratio measuring method of the present invention while naturally cooling from about 900 ° C.
結果を、図11に示す。図11は、横軸が温度、縦軸がポアソン比を示している。すなわち、本実施例における測定は、右上にプロットされた点から、左下にプロットされた点へ順に測定されたものである。650℃付近は、変態域であり、変態熱により温度が上昇している。図11から、変態の前後で、温度とポアソン比の関係が変化していることが分かる。 The results are shown in FIG. In FIG. 11, the horizontal axis represents temperature and the vertical axis represents Poisson's ratio. That is, the measurement in this example is measured in order from the point plotted at the upper right to the point plotted at the lower left. The vicinity of 650 ° C. is a transformation region, and the temperature rises due to transformation heat. FIG. 11 shows that the relationship between temperature and Poisson's ratio changes before and after transformation.
計測後の被検査体を観察したところ、レーザ光照射による照射痕は観察されなかった。 When the object to be inspected after the measurement was observed, no irradiation marks due to laser light irradiation were observed.
以上、実施例を用いて本発明を説明したが、本発明の実施の態様は上記の実施例に制限されるものでないことは、いうまでもない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using the Example, it cannot be overemphasized that the aspect of this invention is not restrict | limited to said Example.
本発明によれば、レーザ超音波法において、熱弾性効果を利用して超音波励起し、対象物の表面にレーザによる照射痕を生じさせることなくポアソン比が算出できるので、種々の材料の非破壊検査に適用可能である。 According to the present invention, in the laser ultrasonic method, it is possible to calculate the Poisson's ratio without causing ultrasonic irradiation using the thermoelastic effect and generating a laser irradiation mark on the surface of the object. Applicable to destructive inspection.
さらに、本発明は、非破壊、非接触式の計測方法であるから、本発明を、例えば金属の製造プロセス中に適用することによって、オンラインで、製造中の実物のポアソン比などの物性値を計測することができ、製造中に直ちに、製造条件へフィードバックするなどの利用も可能である。 Furthermore, since the present invention is a non-destructive and non-contact measuring method, the present invention is applied online during, for example, a metal manufacturing process, and online, physical property values such as the Poisson's ratio of the actual product being manufactured can be obtained. It can be measured, and can be used to feed back to manufacturing conditions immediately during manufacturing.
1 対象物
2 レーザ光
3 対象物の蒸発
4 超音波
5 温度上昇領域
6 超音波発生用レーザ光のパルス波形
7 超音波検出用レーザ光のパルス波形
8 超音波検出用レーザ光の連続波波形
9 超音波発生用レーザ光の照射スポット
10 超音波検出用レーザ光の照射スポット
11 被検査体
21 超音波発生用レーザ光源
22a、22b ミラー
23 フィルター
24 集光レンズ
31 超音波検出用レーザ光源
32a、32b、32c、32d ミラー
33 集光レンズ
34a、34b 偏光ビームスプリッタ
41 受信部
42 ファブリ・ペロー干渉計
43 偏光ビームスプリッタ
44a、44b アバランシェ・フォトダイオード
45 安定化回路
51 算出部
51a 周波数スペクトル算出部
51b 周波数ピーク同定算出部
51c ポアソン比算出部
61 表示装置
DL 超音波検出用レーザ光
DLP 超音波検出用レーザ光のP偏光成分
DLS 超音波検出用レーザ光のS偏光成分
GL 超音波発生用レーザ光
DESCRIPTION OF
Claims (12)
被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射し、被検査体に超音波を発生させるステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射するステップと、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力するステップと、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出するステップと、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数を算出するステップと、
算出された群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数からポアソン比を算出するステップを備えることを特徴とするポアソン比の計測方法。 A method for measuring the Poisson's ratio of an object under test,
Irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for generating ultrasonic waves, and generating ultrasonic waves on the object to be inspected;
Irradiating the object to be inspected with ultrasonic wave detecting laser light having a wavelength different from that of the pulse oscillation laser light for generating ultrasonic waves;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. Outputting light of a high intensity,
Calculating an intensity waveform of an ultrasonic wave generated on the object to be inspected from the amount of Doppler shift, using light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift;
Performing frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave, calculating the frequency of the plate wave ultrasonic wave in the S1 mode with zero group velocity generated in the inspection object, and the resonance frequency of the longitudinal wave;
A Poisson's ratio measuring method comprising: calculating a Poisson's ratio from the calculated frequency of the S1 mode plate wave ultrasonic wave with zero group velocity and the longitudinal resonance frequency.
被検査体に超音波を発生させるための超音波発生用パルス発振レーザ光を照射する超音波発生用レーザ照射部と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光と波長の異なる超音波検出用レーザ光を照射する超音波検出用レーザ照射部と、
前記被検査体に超音波発生用パルス発振レーザ光を照射して発生した超音波の振動によりドップラーシフトを受けた前記超音波検出用レーザ光の反射光を受信し、前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を出力する受信部と、
前記ドップラーシフトの量に応じた強度の光を用いて、前記ドップラーシフトの量から前記被検査体に発生した超音波の強度波形を算出する第一の処理部と、
前記超音波の強度波形の周波数解析を行い、前記被検査体に発生した群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数を算出する第二の処理部と、
算出された群速度ゼロのS1モードの板波超音波の周波数、及び、縦波の共振周波数からポアソン比を算出する第三の処理部を備えることを特徴とするポアソン比の計測装置。 A device for measuring the Poisson's ratio of an object under test,
A laser irradiation unit for generating ultrasonic waves for irradiating a pulsed laser beam for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves on the object to be inspected;
An ultrasonic detection laser irradiating unit that irradiates the inspected object with an ultrasonic detection laser beam having a wavelength different from that of the ultrasonic wave generation pulse oscillation laser beam;
The reflected light of the ultrasonic detection laser beam that has undergone Doppler shift due to the vibration of the ultrasonic wave generated by irradiating the object to be inspected with pulsed laser light for ultrasonic generation is received, and the amount of the Doppler shift is received. A receiver that outputs light of high intensity;
A first processing unit that calculates an intensity waveform of an ultrasonic wave generated on the object to be inspected from the amount of Doppler shift, using light having an intensity corresponding to the amount of Doppler shift;
Frequency analysis of the intensity waveform of the ultrasonic wave, a second processing unit that calculates the frequency of the S1 mode plate wave ultrasonic wave of zero group velocity generated in the object to be inspected, and the resonance frequency of the longitudinal wave;
A Poisson's ratio measuring apparatus comprising a third processing unit that calculates a Poisson's ratio from the calculated frequency of the S1 mode plate wave ultrasonic wave with zero group velocity and the resonance frequency of the longitudinal wave.
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