JP5058196B2 - Apparatus and method for measuring phase transformation rate of material - Google Patents

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本発明は、レーザを被検査材に照射して発生する超音波を検出するレーザ超音波測定装置及びその方法に関し、特に、材料の相変態率を計測するレーザ超音波測定装置及びその方法に関する。   The present invention relates to a laser ultrasonic measurement apparatus and method for detecting an ultrasonic wave generated by irradiating a material to be inspected with a laser, and more particularly to a laser ultrasonic measurement apparatus and method for measuring a phase transformation rate of a material.

レーザ超音波法は、被検査材に対しパルスレーザ光を照射し、発生する熱的応力、あるいは表面近傍の被検査材自体の気化により発生する気化反力を利用して超音波を送信し、連続発振する別のレーザ光を受信点に照射し、その直進性や可干渉性を用いて超音波によって誘起される変位を受信して被検査材中を伝播した超音波を検出する技術である。
レーザ超音波法は、超音波を用いて材料のき裂や内在欠陥の検出、あるいは材料特性の評価を、非接触で行うことが可能であり、種々の材料評価分野への応用が期待されている。
The laser ultrasonic method irradiates a material to be inspected with pulsed laser light, and transmits ultrasonic waves using the generated thermal stress or the vaporization reaction force generated by the vaporization of the material to be inspected in the vicinity of the surface, This technology irradiates the receiving point with another laser beam that oscillates continuously, receives the displacement induced by the ultrasonic wave using its straightness and coherence, and detects the ultrasonic wave that has propagated through the material to be inspected. .
The laser ultrasonic method is capable of non-contact detection of material cracks and internal defects or evaluation of material properties using ultrasonic waves, and is expected to be applied in various material evaluation fields. Yes.

図13を用いて、レーザ超音波法の原理について説明する。
高いエネルギーのパルスレーザである超音波発生用レーザを、例えば被検査材である鋼材表面に照射するとその衝撃で金属表面に生じる熱膨張及び収縮により、歪みが発生する。そして発生した歪みが超音波として鋼材内部を伝播する。次に超音波検出用の単一周波数の連続レーザ光を金属表面に照射すると、その反射光は、伝播した超音波による表面の振動に応じた周波数の変化(ドップラーシフト)を受ける。以下に、ドップラーシフト量(Δf)を示す式を示す。
Δf=2V/λ
ここで、V=表面変位速度、λ=レーザ波長
The principle of the laser ultrasonic method will be described with reference to FIG.
When a laser for generating ultrasonic waves, which is a high-energy pulse laser, is irradiated onto the surface of a steel material, for example, a material to be inspected, distortion occurs due to thermal expansion and contraction that occurs on the metal surface due to the impact. The generated distortion propagates inside the steel as ultrasonic waves. Next, when the metal surface is irradiated with a continuous laser beam having a single frequency for ultrasonic detection, the reflected light undergoes a frequency change (Doppler shift) corresponding to the vibration of the surface due to the propagated ultrasonic wave. The following shows an expression indicating the Doppler shift amount (Δf).
Δf = 2V / λ
Where V = surface displacement speed, λ = laser wavelength

レーザ超音波法を用いた計測器は、ファブリペロー干渉計等のレーザ干渉計を備えている。ファブリペロー干渉計は、特定周波数のみを共振させて透過させるフィルタとして動作する。例えば、鋼材内部に欠陥部がある場合、表面振動が通常の鋼材と異なるため、ドップラーシフト量は、通常の鋼材と異なる値を示す。そのため、ファブリペロー干渉計を透過する透過光量が変化し、検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を行うことができる。   A measuring instrument using the laser ultrasonic method includes a laser interferometer such as a Fabry-Perot interferometer. The Fabry-Perot interferometer operates as a filter that resonates and transmits only a specific frequency. For example, when there is a defective portion inside the steel material, the surface vibration is different from that of a normal steel material, so the Doppler shift amount shows a value different from that of the normal steel material. Therefore, the amount of transmitted light that passes through the Fabry-Perot interferometer changes, and it is possible to inspect the inspection material for cracks and defects, or perform material evaluation.

レーザ超音波法では、レーザ光が届く範囲であれば、検査対象に何も接触させずに検査対象の状態を観測できる。レーザ光は、光ファイバーやミラーを用いることで、接触や近接が困難な被検査材に対しても比較的容易に超音波検査を行うことができる。   In the laser ultrasonic method, the state of the inspection object can be observed without bringing anything into contact with the inspection object as long as the laser beam reaches. By using an optical fiber or a mirror, the laser beam can be subjected to ultrasonic inspection relatively easily even for a material to be inspected that is difficult to contact or approach.

図14を用いて、レーザ光照射による超音波の発生原理について説明する。図14(a)は、レーザ光を被検査体に照射して被検査体の一部を蒸発させる現象であるアブレーションにより、超音波を発生させるケースであり、図14(b)は、レーザ光を被検査体に照射して被検査体に熱弾性変化を生じさせて、超音波を発生させるケースである。   The principle of generation of ultrasonic waves by laser light irradiation will be described with reference to FIG. FIG. 14A shows a case in which ultrasonic waves are generated by ablation, which is a phenomenon of irradiating a part to be inspected with laser light and evaporating a part of the object to be inspected, and FIG. Is applied to the object to be inspected to cause a thermoelastic change in the object to be inspected to generate ultrasonic waves.

アブレーション発生ケースでは、蒸発反力により弾性波を発生させるため、材料に照射痕が発生する。一方、熱弾性ケースでは、レーザによる急速加熱による熱膨張及び収縮に伴う弾性波発生を発生させるが、材料に照射痕は生じない。熱弾性ケースは材料にダメージを与えないが、アブレーション条件に比べ熱弾性ケースではフルーエンスレベルは2桁近く低いため、発生する超音波音圧はそれ以上の割合で減少してしまう。   In the ablation generation case, an elastic wave is generated by the evaporation reaction force, so that irradiation marks are generated in the material. On the other hand, in the thermoelastic case, an elastic wave is generated due to thermal expansion and contraction due to rapid heating by a laser, but no irradiation mark is generated in the material. The thermoelastic case does not damage the material, but since the fluence level is nearly two orders of magnitude lower in the thermoelastic case than in the ablation condition, the generated ultrasonic sound pressure is reduced at a higher rate.

従来のレーザ超音波法は、対象材にダメージを与えて超音波を発生させるアブレーション領域で使用する方法である。この方法は、発生超音波の強度が強く、超音波の縦波や横波の音速を検出する(下記、非特許文献1〜5)。また、検出した縦波や横波の音速を活用し、相変態率を計測に活用する方法(下記、特許文献1及び2)が提案されている。   The conventional laser ultrasonic method is a method used in an ablation region where ultrasonic waves are generated by damaging a target material. In this method, the intensity of the generated ultrasonic wave is strong, and the sound velocity of the longitudinal wave or the transverse wave of the ultrasonic wave is detected (the following non-patent documents 1 to 5). In addition, a method (hereinafter, Patent Documents 1 and 2) in which the phase transformation rate is utilized for measurement by utilizing the detected acoustic velocity of a longitudinal wave or a transverse wave has been proposed.

特開平11−166918号広報JP 11-166918 A 特開平11−166919号広報JP 11-166919 A

M. Dubois, A. Moreau, M. Militzer, and J. F. Bussiere, “Laser-Ultrasonic Monitoring of Phase Transformations in Steels”, Scripta Materialia, Vol. 39, No. 6, p.735-741, 1998M. Dubois, A. Moreau, M. Militzer, and J. F. Bussiere, “Laser-Ultrasonic Monitoring of Phase Transformations in Steels”, Scripta Materialia, Vol. 39, No. 6, p.735-741, 1998 M. Ericsson, E.Lindh-Ulmgren, D. Artymowicz and B. Hutchison, “’Laser-ultrasonics (LUS) for microstructure characterization”. Research report IM-2003-113, Swedish institute for metals research, 2003M. Ericsson, E. Lindh-Ulmgren, D. Artymowicz and B. Hutchison, “’ Laser-ultrasonics (LUS) for microstructure characterization ”. Research report IM-2003-113, Swedish institute for metals research, 2003 「J.D.Achenbach, “Wave propagation in elastic solids”, Amsterdam, North-Holland, 1973」“J.D. Achenbach,“ Wave propagation in elastic solids ”, Amsterdam, North-Holland, 1973” C.B. Scruby and L.E. Drain, “Laser Ultrasonics -Techniques and Applications” , ISBN0-7503-0050-7, Adam Hilger, p.289, 1990C.B.Scruby and L.E.Drain, “Laser Ultrasonics -Techniques and Applications”, ISBN0-7503-0050-7, Adam Hilger, p.289, 1990 J. Huang, Y. Nagata, S. Krishnaswamy, and J. D. Achenbach,“Laser-based ultrasonics for flaw detection”, Proc. of IEEE Ultrasonics Symp., p1205-1209, 1994J. Huang, Y. Nagata, S. Krishnaswamy, and J. D. Achenbach, “Laser-based ultrasonics for flaw detection”, Proc. Of IEEE Ultrasonics Symp., P1205-1209, 1994 Dominique Clorennec, etc, ‘Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes,’ Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007.Dominique Clorennec, etc, 'Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes,' Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007.

対象材の表面にダメージを与えずに超音波を発生させる熱弾性領域においては、超音波の発生機構が異なるため、発生伝播方向の指向性が大きく異なり、結果的に縦波及び横波の音速を計測する事が困難であった。そのため、相変態率を求めるためには、アブレーション領域で検出した縦波や横波の音速を利用する必要があった。   In the thermoelastic region where ultrasonic waves are generated without damaging the surface of the target material, the directivity in the direction of propagation is greatly different because the generation mechanism of the ultrasonic waves is different. It was difficult to measure. Therefore, in order to obtain the phase transformation rate, it is necessary to use the longitudinal and transverse wave velocities detected in the ablation region.

上述の問題点に鑑み、縦波や横波の音速ではなく、対象材の表面に与えるダメージを軽減できる熱弾性領域において、群速度ゼロの板波超音波の周波数を計測することにより相変態率を計測する、材料の相変態率の計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。   In view of the above-mentioned problems, the phase transformation rate is determined by measuring the frequency of the plate wave ultrasonic wave with zero group velocity in the thermoelastic region where the damage to the surface of the target material can be reduced, not the acoustic velocity of the longitudinal wave or the transverse wave. An object of the present invention is to provide a measuring device and a measuring method of a phase transformation rate of a material to be measured.

上記課題を解決するため提供される本発明のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法は、下記の(1)〜(14)に記載のとおりである。   The laser ultrasonic measurement apparatus and laser ultrasonic measurement method of the present invention provided to solve the above problems are as described in the following (1) to (14).

(1)被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射する照射光学系と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出部と、
前記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の前記板波超音波の周波数を導出する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出部と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定装置。
(2)前記信号処理部は、別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成部をさらに備えることを特徴とする(1)に記載のレーザ超音波測定装置。
(3)前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする(1)又は(2)に記載のレーザ超音波測定装置。
(4)前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。
(5)前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのS1対称板波モードの周波数であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。
(6)前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。
(7)前記較正線は、前記相変態率が0%のときの周波数と、相変態率が100%のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、(1)〜(6)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。
(8)被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置を用いたレーザ超音波測定方法であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射するレーザ光照射工程と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる超音波検出工程と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出工程と、
前記電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出工程と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部工程と、を有することを特徴とするレーザ超音波測定方法。
(9)別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波と被検査体厚みとの積の周波数と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成工程をさらに有することを特徴とする(8)に記載のレーザ超音波測定方法。
(10)超音波検出工程を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする(8)又は(9)に記載のレーザ超音波測定方法。
(11)前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする(8)〜(10)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。
(12)前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのS1対称板波モードの周波数であることを特徴とする(8)〜(11)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。
(13)前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする(8)〜(12)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。
(14)前記較正線は、前記相変態率が0%のときの周波数と、相変態率が100%のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、(8)〜(13)のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。
(1) An object to be inspected is irradiated with pulsed laser light from a laser light source for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves, and the object to be inspected is irradiated with continuous wave laser light by a laser light source for detecting ultrasonic waves. A laser ultrasonic measurement apparatus that detects reflected ultrasonic waves propagated through the body to be inspected by detecting reflected light intensity change due to Doppler shift caused by the ultrasonic waves by interfering reflected light with an interferometer,
An irradiation optical system for irradiating the pulsed laser beam on the object to be inspected with a spot-like spot;
The continuous wave laser beam is irradiated on the object to be inspected so as to detect a plate wave ultrasonic wave with zero group velocity generated by the spot-like spot and propagated in the thickness direction of the object to be inspected, and the reflected laser beam is applied to the object. A detection optical system that enters and interferes with the interferometer;
A light detector that receives the laser light transmitted through the interferometer and outputs a change in light intensity as an electrical signal;
An electrical signal output from the light detection unit is input, and a signal processing unit that derives the frequency of the plate wave ultrasonic wave of the object to be inspected,
The signal processing unit
A frequency calculation unit that calculates a frequency of a symmetric plate wave by performing a frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change due to a plate wave ultrasonic wave generated by the irradiation optical system;
The phase transformation rate of the material to be inspected is calculated from the frequency of the symmetric plate wave and a calibration line that is created in advance and represents the relationship between the product of the frequency of the symmetric plate wave and the thickness of the object to be inspected and the phase transformation rate. And a phase transformation rate calculating unit.
(2) The signal processing unit is inputted with a phase transformation rate of the object to be measured separately, and represents a relationship between the product of the frequency of the symmetric plate wave and the thickness of the object to be examined and the phase transformation rate. The laser ultrasonic measurement device according to (1), further comprising a calibration line creation unit that creates a line.
(3) The laser ultrasonic measurement device according to (1) or (2), wherein the continuous wave laser beam is irradiated in an irradiation spot region of the pulse laser beam.
(4) The laser ultrasonic measurement apparatus according to any one of (1) to (3), wherein in the frequency analysis, a recording time for detecting a plate wave ultrasonic wave having a plurality of periods is set.
(5) The laser ultrasonic measurement apparatus according to any one of (1) to (4), wherein the frequency of the symmetric plate wave is a frequency of an S1 symmetric plate wave mode with a group velocity of zero.
(6) The laser ultrasonic wave according to any one of (1) to (5), wherein the phase transformation rate used for creating the calibration line is measured by microscopic observation or thermal expansion coefficient measurement. measuring device.
(7) The calibration line is a linear calibration line created from a frequency when the phase transformation rate is 0% and a phase transformation rate when the phase transformation rate is 100%. The laser ultrasonic measurement device according to any one of 1) to (6).
(8) The object to be inspected is irradiated with pulsed laser light from a laser light source for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves, and the object to be inspected is irradiated with continuous wave laser light by a laser light source for detecting ultrasonic waves. A laser ultrasonic measurement method using a laser ultrasonic measurement device that detects reflected ultrasonic waves propagating through the body to be inspected by detecting reflected light intensity change due to Doppler shift caused by the ultrasonic waves by interfering reflected light with an interferometer Because
A laser light irradiation step of irradiating the pulsed laser light on the object to be inspected with a spot-like spot;
The continuous wave laser beam is irradiated on the object to be inspected so as to detect a plate wave ultrasonic wave with zero group velocity generated by the spot-like spot and propagated in the thickness direction of the object to be inspected, and the reflected laser beam is applied to the object. An ultrasonic detection step of making the interferometer enter and interfere;
A light detection step of receiving laser light transmitted through the interferometer and outputting a change in light intensity as an electrical signal;
Based on the electrical signal, the frequency calculation step of calculating the frequency of the symmetric plate wave by performing frequency analysis,
The phase transformation rate of the material to be inspected is calculated from the frequency of the symmetric plate wave and a calibration line that is created in advance and represents the relationship between the product of the frequency of the symmetric plate wave and the thickness of the object to be inspected and the phase transformation rate. And a phase transformation rate calculating unit step for performing the laser ultrasonic measurement method.
(9) A calibration line for inputting a phase transformation rate of the object to be inspected separately and creating a calibration line representing the relationship between the frequency of the product of the symmetrical plate wave and the thickness of the object to be inspected and the phase transformation rate The laser ultrasonic measurement method according to (8), further comprising a creation step.
(10) The laser ultrasonic measurement method according to (8) or (9), wherein the ultrasonic detection step is performed in an irradiation spot area of the pulsed laser light.
(11) The laser ultrasonic measurement method according to any one of (8) to (10), wherein in the frequency analysis, a recording time for detecting a plurality of plate wave ultrasonic waves is set.
(12) The laser ultrasonic measurement method according to any one of (8) to (11), wherein the frequency of the symmetric plate wave is a frequency of an S1 symmetric plate wave mode with zero group velocity.
(13) The laser ultrasonic wave according to any one of (8) to (12), wherein the phase transformation rate used for creating the calibration line is measured by microscopic observation or thermal expansion coefficient measurement. Measuring method.
(14) The calibration line is a linear calibration line created from a frequency when the phase transformation rate is 0% and a phase transformation rate when the phase transformation rate is 100%. The laser ultrasonic measurement method according to any one of 8) to (13).

上記のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法は、被検査材の表面へのダメージがないパルスエネルギ密度の低いレーザ光により、群速度ゼロの板波超音波の周波数測定を高精度に行うことができる。その結果、より精度の高い検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を非破壊、非接触で行うことができる。   The above-described laser ultrasonic measurement apparatus and laser ultrasonic measurement method perform high-precision frequency measurement of plate wave ultrasonic waves with zero group velocity using laser light with low pulse energy density that does not damage the surface of the material to be inspected. be able to. As a result, it is possible to perform non-destructive and non-contact inspection of cracks and defects or material evaluation of inspection materials with higher accuracy.

図1(a)は、被検査体5の側面から見たレーザ超音波測定装置10の概略構成図であり、図1(b)は、被検査体5をレーザ超音波測定装置10から見た図である。FIG. 1A is a schematic configuration diagram of the laser ultrasonic measurement device 10 viewed from the side surface of the inspection object 5, and FIG. 1B is a view of the inspection object 5 viewed from the laser ultrasonic measurement device 10. FIG. 図2(a)は、パルスレーザ光を照射した時の検出波形を示し、図2(b)は、図2(a)に示す時間波形をフーリエ変換した周波数特性を示す図である。FIG. 2A shows a detection waveform when the pulse laser beam is irradiated, and FIG. 2B shows a frequency characteristic obtained by Fourier transforming the time waveform shown in FIG. 図3は、理論計算によるS1モード板波の周波数と位相速度および群速度の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the frequency of the S1 mode plate wave, the phase velocity, and the group velocity by theoretical calculation. 図4は、レーザ超音波測定装置10により、測定温度条件を変えて検出した波形のFFT結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing FFT results of waveforms detected by the laser ultrasonic measurement apparatus 10 while changing the measurement temperature condition. 図5は、被検査体の温度と計測した群速度ゼロのS1モード板波の周波数との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature of the object to be inspected and the measured frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity. 図6(a)は、相変態率と群速度ゼロのS1モード板波の周波数と被検査体厚みとの積との関係を線形の較正線で示す図であり、図6(b)は、相変態率とS群速度ゼロのS1モード板波の周波数と被検査体厚みとの積との関係を非線形の較正線で示す図である。FIG. 6A is a diagram showing a relationship between the product of the phase transformation rate, the frequency of the S1 mode plate wave of zero group velocity, and the thickness of the object to be inspected by a linear calibration line, and FIG. It is a figure which shows the relationship between the product of the phase transformation rate, the frequency of the S1 mode plate wave of zero S group velocity, and the thickness of the object to be inspected by a nonlinear calibration line. 図7は、被検査体を移動しながらレーザ超音波測定法を適用する場合の超音波発生用レーザスポットと超音波検出用レーザスポットの位置関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a positional relationship between an ultrasonic wave generation laser spot and an ultrasonic wave detection laser spot when a laser ultrasonic measurement method is applied while moving an object to be inspected. 図8は、被検査体の移動速度が3m/sの場合の検出波形の周波数特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the frequency characteristics of the detected waveform when the moving speed of the object to be inspected is 3 m / s. 図9は、被検査体の移動速度が5m/sの場合の検出波形の周波数特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the frequency characteristics of the detected waveform when the moving speed of the test object is 5 m / s. 図10は、被検査体の移動速度が10m/sの場合の検出波形の周波数特性を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the frequency characteristics of the detected waveform when the moving speed of the object to be inspected is 10 m / s. 図11(a)は、周波数スペクトル上の周波数ピークと被検査体厚みとの積と相変態率との関係を示す較正線を作成するフロー図であり、図11(b)は、検出した周波数スペクトル上の周波数ピーク、被検査体厚みと較正線から相変態率を算出するフロー図である。FIG. 11A is a flowchart for creating a calibration line indicating the relationship between the product of the frequency peak on the frequency spectrum and the thickness of the object to be inspected, and the phase transformation rate. FIG. 11B shows the detected frequency. It is a flowchart which calculates a phase transformation rate from the frequency peak on a spectrum, to-be-inspected object thickness, and a calibration line. 図12は、レーザ超音波測定装置の全体構成を説明する図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the overall configuration of the laser ultrasonic measurement apparatus. 図13は、レーザ超音波法の測定原理について説明する図である。FIG. 13 is a diagram for explaining the measurement principle of the laser ultrasonic method. 図14は、レーザ光照射による超音波の二種類の発生原理を説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining two types of generation principles of ultrasonic waves by laser light irradiation.

以下、図面を参照して、本発明のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法を実施するための形態を説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out a laser ultrasonic measurement apparatus and a laser ultrasonic measurement method of the present invention will be described with reference to the drawings.

上記非特許文献3に記載される板波の理論では、板波には、それぞれが複数のモードを有する対称板波と、非対称板波がある。ここで板波とは超音波探傷等の超音波利用分野で周知の超音波伝播現象であって、縦波と横波とが一体となって伝搬することで板全体を振動させるように見える波である。非対称板波とは、板厚み中心から非対称な変位を生じながら伝播する板波であり、対称板波とは板厚み中心から対称な変位を生じながら伝播する板波である。   According to the theory of plate waves described in Non-Patent Document 3, plate waves include symmetric plate waves and asymmetric plate waves each having a plurality of modes. Here, the plate wave is a well-known ultrasonic propagation phenomenon in the field of ultrasonic applications such as ultrasonic flaw detection, and is a wave that appears to vibrate the entire plate by propagating the longitudinal wave and the transverse wave together. is there. An asymmetric plate wave is a plate wave that propagates with an asymmetric displacement from the center of the plate thickness, and a symmetric plate wave is a plate wave that propagates with a symmetric displacement from the plate thickness center.

図1(a)は、被検査体5の側面から見たレーザ超音波測定装置10の概略構成図である。図1(b)は、被検査体5をレーザ超音波測定装置10から見た図である。   FIG. 1A is a schematic configuration diagram of the laser ultrasonic measurement device 10 viewed from the side surface of the inspection object 5. FIG. 1B is a view of the inspection object 5 as seen from the laser ultrasonic measurement device 10.

図1(a)に示すレーザ超音波測定装置10は、超音波発生用レーザ光源11、超音波検出用レーザ光源12、レーザ干渉計13、信号処理部60を有する。図1(b)には、発生用レーザ光を照射する超音波発生用レーザスポット領域6、検出用レーザ光を照射する超音波検出用レーザスポット領域7が示される。   A laser ultrasonic measurement apparatus 10 shown in FIG. 1A includes an ultrasonic wave generation laser light source 11, an ultrasonic detection laser light source 12, a laser interferometer 13, and a signal processing unit 60. FIG. 1B shows an ultrasonic wave generation laser spot region 6 that irradiates the generation laser beam and an ultrasonic wave detection laser spot region 7 that irradiates the detection laser beam.

超音波発生用レーザ光源11は、光学系を介して、パルスレーザ光を超音波発生用レーザスポット領域6に照射する。超音波検出用レーザ光源12は、連続波のレーザ光を、光学系を介して、超音波発生用レーザスポット領域6よりも小さい超音波検出用レーザスポット領域7に照射すると、超音波発生用レーザスポット領域6に生じた板波の振動によって検出用レーザ光の波長にドップラーシフトが生じる。そして、ドップラーシフトが生じた検出用レーザのレーザ反射光は、光学系(図示せず)によりファブリペロー干渉計等のレーザ干渉計13に導かれ、当該レーザ干渉計13の中で干渉させられる。このとき、レーザ干渉計13の共振条件は検出用レーザの元もとの周波数に対応した共振条件から若干ずらしておく。一時的にドップラーシフトされた検出用レーザ反射光を、レーザ干渉計13を透過させると、透過したレーザ光においては、ドップラーシフトによる波長変化が光強度の変化に変換される。   The laser light source 11 for generating ultrasonic waves irradiates the laser spot region 6 for generating ultrasonic waves with pulsed laser light via an optical system. When the ultrasonic wave detection laser light source 12 irradiates the ultrasonic wave detection laser spot region 7 smaller than the ultrasonic wave generation laser spot region 6 through the optical system, the ultrasonic wave generation laser beam is emitted. A plate wave vibration generated in the spot region 6 causes a Doppler shift in the wavelength of the detection laser beam. Then, the laser reflected light of the detection laser in which the Doppler shift has occurred is guided to a laser interferometer 13 such as a Fabry-Perot interferometer by an optical system (not shown) and caused to interfere in the laser interferometer 13. At this time, the resonance condition of the laser interferometer 13 is slightly shifted from the resonance condition corresponding to the original frequency of the detection laser. When the laser reflected light for detection that has been temporarily Doppler shifted is transmitted through the laser interferometer 13, the wavelength change due to the Doppler shift is converted into a change in light intensity in the transmitted laser light.

そして、透過レーザ光を当該レーザ光の波長に良好な感度を有する公知の光検出器で構成する光検出部(図示せず)で検知して電気信号に変換することにより、板波による振動波形(以下では板波の波形とも記す)を電気信号(電圧波形)として検出することができる。このようなレーザ超音波法における超音波検出については、例えば上記非特許文献5に記載されている。信号処理部60は、その電気信号を以下で説明するような信号処理をすることで、所望の測定情報を導出することができる。   Then, the transmitted laser beam is detected by a photodetection unit (not shown) composed of a known photodetector having a good sensitivity to the wavelength of the laser beam and converted into an electric signal, whereby a vibration waveform due to a plate wave is obtained. (Hereinafter also referred to as a plate wave waveform) can be detected as an electric signal (voltage waveform). Such ultrasonic detection in the laser ultrasonic method is described in Non-Patent Document 5, for example. The signal processing unit 60 can derive desired measurement information by performing signal processing as described below on the electrical signal.

信号処理部60は、検出した板波の波形の電気信号をA/D変換器でディジタル信号として取り込んだ後、例えば周波数解析としてFFT(Fast Fourier Transform)を行い各周波数成分の大きさの分布を導出する。当該分布においてピークの周波数を求めて、被検査体に発生した群速度ゼロの板波の周波数を検出する。   The signal processing unit 60 takes the detected electric signal having a plate wave waveform as a digital signal by an A / D converter, and then performs FFT (Fast Fourier Transform) as frequency analysis, for example, to determine the distribution of the size of each frequency component. To derive. The peak frequency in the distribution is obtained, and the frequency of the plate wave with zero group velocity generated in the inspection object is detected.

図2及び3を用いて、レーザ超音波測定装置10は、群速度ゼロの板波を検出可能であることを示す。
図2は、レーザ超音波測定装置10により、パルスレーザ照射により板波を発生させ、それを検出したときの電気信号の波形を示す図である。図2(a)は、パルスレーザ光を照射したときの検出した時間領域の検出波形を示す。図2(b)は、図2(a)に示す時間波形をフーリエ変換した周波数特性を示す。
図2(a)の時間T1は、超音波発生用パルスレーザを照射した時間である。図2(b)に示す周波数波形は、図2(a)のパルスレーザ照射後から90μsの間に検出された時間波形に対してFFTを実行して得たものである。図2(b)に示す周波数スペクトル上のピークF1は、FFTにより得られる最も大きな周波数成分である。
2 and 3, it is shown that the laser ultrasonic measurement device 10 can detect a plate wave with zero group velocity.
FIG. 2 is a diagram showing a waveform of an electric signal when a plate wave is generated by pulse laser irradiation by the laser ultrasonic measurement device 10 and detected. FIG. 2A shows a detected waveform in the time domain detected when the pulse laser beam is irradiated. FIG. 2B shows frequency characteristics obtained by Fourier transforming the time waveform shown in FIG.
A time T1 in FIG. 2A is a time when the pulse laser for generating ultrasonic waves is irradiated. The frequency waveform shown in FIG. 2B is obtained by performing FFT on the time waveform detected during 90 μs after the pulse laser irradiation in FIG. The peak F1 on the frequency spectrum shown in FIG. 2B is the largest frequency component obtained by FFT.

当該測定の測定条件は以下の通りである。
被検査体:厚さ(d)2mm、SUS304
測定時温度:室温
FFTを実行した時間領域:90μs
超音波発生用レーザ光源:YAGレーザ(最大パルスエネルギ450mJ/pulse(NDフィルタで減衰)、パルス間隔10ns
レーザパルスエネルギ密度:1.8mJ/mm2(熱弾性領域)
超音波検出用レーザ光源:パワー500mW、波長532nm
超音波発生用レーザビームスポット:直径5mm
検出レーザビームスポット:直径1mm
The measurement conditions for the measurement are as follows.
Inspected object: Thickness (d) 2 mm, SUS304
Temperature during measurement: Room temperature Time range during which FFT was executed: 90 μs
Laser light source for ultrasonic generation: YAG laser (maximum pulse energy 450 mJ / pulse (attenuated by ND filter), pulse interval 10 ns
Laser pulse energy density: 1.8 mJ / mm 2 (Thermoelastic region)
Laser light source for ultrasonic detection: power 500 mW, wavelength 532 nm
Laser beam spot for ultrasonic generation: 5mm in diameter
Detection laser beam spot: 1mm in diameter

上記非特許文献3には、板波の位相速度を計算するための計算式が記載されている。対称モードの板波Sn(nは整数)は、下記に示す数式1によって「速度」と「振動数×厚さ」の関係で示される。また群速度Cgは、数式2によって求まる。   Non-Patent Document 3 describes a calculation formula for calculating the phase velocity of a plate wave. The plate wave Sn (n is an integer) in the symmetric mode is expressed by the following formula 1 in the relationship of “speed” and “frequency × thickness”. Further, the group velocity Cg is obtained by Equation 2.

Figure 0005058196
Figure 0005058196

図3は、理論計算による群速度ゼロのS1モードの周波数を示す図である。図3には、数式1に示す位相速度(c)と周波数(f=ω/2π)の関係、及び数式2により求まる群速度(Cg)と周波数(f=ω/2π)との関係が示される。
図3に示す理論計算によるS1モードの群速度ゼロにおける周波数は、検出された周波数1.3MHz(F1)と一致している。これより、検出された周波数(F1)は、群速度ゼロのS1モード板波の周波数であることが分かる。従って、図2及び図3の結果より、室温において、熱弾性領域(表面ダメージなし照射条件)での群速度ゼロのS1モード板波の周波数が計測可能であることがわかる。
なお、被検査体5であるSUS304においては、数式1に用いる縦波音速(VL)及び横波音速(VS)は既知であり、板波の縦波音速:5,900[m/s]、板波の横波音速:3,200[m/s]であり、図3の理論計算では本値を用いている。また被検査体5であるSUS304は厚み2mmであり、図3の理論計算では本値も用いている。
群速度ゼロの板波は、発生箇所に停留し板厚方向で振動を続けるため、複数周期検出できるように、例えば、図2(b)のように90μsという長時間の波形に対してFFTを行う事により、その周波数を計測できる事がわかる。
FIG. 3 is a diagram showing the frequency of the S1 mode with zero group velocity by theoretical calculation. FIG. 3 shows the relationship between the phase velocity (c) and the frequency (f = ω / 2π) shown in Equation 1, and the relationship between the group velocity (Cg) and the frequency (f = ω / 2π) obtained by Equation 2. It is.
The frequency at the group velocity of zero in the S1 mode according to the theoretical calculation shown in FIG. 3 matches the detected frequency of 1.3 MHz (F1). From this, it can be seen that the detected frequency (F1) is the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity. Therefore, it can be seen from the results of FIGS. 2 and 3 that the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity in the thermoelastic region (irradiation condition without surface damage) can be measured at room temperature.
In SUS304, which is the object to be inspected 5, the longitudinal wave velocity (VL) and the transverse wave velocity (VS) used in Equation 1 are known, and the longitudinal wave velocity of the plate wave: 5,900 [m / s], the plate The shear wave velocity of the wave is 3,200 [m / s], and this value is used in the theoretical calculation of FIG. Further, SUS304, which is the object to be inspected 5, has a thickness of 2 mm, and this value is also used in the theoretical calculation of FIG.
Since the plate wave with zero group velocity stays at the point of occurrence and continues to vibrate in the plate thickness direction, for example, as shown in FIG. 2B, an FFT is applied to a long waveform of 90 μs so that multiple cycles can be detected. By doing this, you can see that the frequency can be measured.

図4は、レーザ超音波測定装置10により、測定温度条件を変えてS1板波モードの板波を発生させ、それを検出したときの電気信号波形のFFT結果を示す図である。当該測定例における測定条件は、以下に示す条件を除いて、図2を用いて説明した測定条件と同じである。
測定時温条件:室温から900℃まで昇温(1℃/1s)、5分保持し、500℃まで降温(−20℃/分)した。測定は、900℃からサンプル空冷中に計測し、温度はサンプル表面につけた熱電対の計測値である。
被検査体:高炭素鋼(C=0.85%)、厚み2mm
FFTを実行した時間領域:超音波発生用パルスレーザの照射タイミング以降の200μs
FIG. 4 is a diagram showing the FFT result of the electric signal waveform when the ultrasonic wave measuring apparatus 10 generates a plate wave in the S1 plate wave mode while changing the measurement temperature condition and detects the plate wave. The measurement conditions in the measurement example are the same as the measurement conditions described with reference to FIG. 2 except for the following conditions.
Temperature conditions during measurement: The temperature was raised from room temperature to 900 ° C. (1 ° C./1 s), held for 5 minutes, and lowered to 500 ° C. (−20 ° C./min). The measurement is performed from 900 ° C. during sample air cooling, and the temperature is a measured value of a thermocouple attached to the sample surface.
Inspected object: High carbon steel (C = 0.85%), thickness 2 mm
Time domain in which FFT is performed: 200 μs after the irradiation timing of the pulse laser for generating ultrasonic waves

F2、F3、及びF4で示すピークは、温度529℃、609℃、711℃のときにそれぞれ検出したピーク周波数である。これらの値は、高温時の群速度ゼロのS1モード板波の周波数である。F2〜F4で示すように、測定温度と共に群速度ゼロのS1モード板波の周波数が変化することがわかる。   The peaks indicated by F2, F3, and F4 are peak frequencies detected at temperatures of 529 ° C., 609 ° C., and 711 ° C., respectively. These values are the frequencies of the S1 mode plate wave with zero group velocity at high temperatures. As shown by F2 to F4, it can be seen that the frequency of the S1 mode plate wave having zero group velocity changes with the measured temperature.

図5は、被検査体の温度と計測した群速度ゼロのS1モード板波の周波数との関係を示す図である。△で示す検出値は、室温から900℃まで昇温したときに測定した群速度ゼロのS1モード板波の周波数である。○で示す検出値は、900℃から500℃まで降温したときに測定した群速度ゼロのS1モード板波の周波数である。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature of the object to be inspected and the measured frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity. The detected value indicated by Δ is the frequency of the S1 mode plate wave at zero group velocity measured when the temperature is raised from room temperature to 900 ° C. The detection value indicated by ◯ is the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity measured when the temperature is lowered from 900 ° C. to 500 ° C.

例えば、γ鉄からα鉄へ変態させるときの割合を鋼材の相変態率と言う。なお、相変態率は、電子顕微鏡で撮影した画像に対して、画像処理を行うことで相変態を観測する方法、又は、熱膨張を用いて相変態を算出する方法がある。
電子顕微鏡を用いて画像から相変態を観測することは、人間が画像をみて変態率を判断しても良いし、微細な構造組織の有する特徴から画像認識により相変態を求めても良い。例えば、SUSの場合、Ti2O3を始めとする酸化物を利用して、γ→α変態時にフェライト組織が微細化されることから、このフェライトの微細化を画像認識して変態率を求めることが出来る。
For example, the ratio when transforming from γ iron to α iron is referred to as the phase transformation rate of the steel material. The phase transformation rate includes a method of observing a phase transformation by performing image processing on an image taken with an electron microscope, or a method of calculating a phase transformation using thermal expansion.
In observing the phase transformation from the image using an electron microscope, a human may judge the transformation rate by looking at the image, or the phase transformation may be obtained by image recognition from the characteristics of the fine structure. For example, in the case of SUS, the ferrite structure is refined at the time of the γ → α transformation using oxides such as Ti 2 O 3, so that the transformation rate can be obtained by recognizing this ferrite refinement as an image. .

熱膨張を用いて相変態を求める方法は、画像処理測定やレーザ測定等の方法がある。たとえば画像処理測定では、被検査体の画像に対して画像処理で測定箇所の変位を測定することによって熱膨張率を取得する。   Methods for obtaining phase transformation using thermal expansion include methods such as image processing measurement and laser measurement. For example, in image processing measurement, the coefficient of thermal expansion is obtained by measuring the displacement of a measurement location by image processing on an image of an object to be inspected.

図5に示すS1f100は、相変態率が100%のときの測定周波数であり、図5に示すS1f0は、相変態率が0%のときの測定周波数である。
温度を変化させることによって、被検査体である鋼材の相変態率が変化する。また、この相変態率の変化は、昇温した場合と、降温した場合とで傾向が異なることがわかる。
S1f100 shown in FIG. 5 is a measurement frequency when the phase transformation rate is 100%, and S1f0 shown in FIG. 5 is a measurement frequency when the phase transformation rate is 0%.
By changing the temperature, the phase transformation rate of the steel material that is the object to be inspected changes. It can also be seen that the change in the phase transformation rate has a different tendency between when the temperature is raised and when the temperature is lowered.

なお、群速度ゼロのS1モード板波の周波数は、上記非特許文献6により、数式3のようになる事が示されている。一方、縦波音速VLと相変態率とは、文献1、2等に示されている様に、1対1の対応がある。従って、群速度ゼロのS1モード板波の周波数と被検査体の厚みの積の値が、相変態率の情報を有する事がわかる。 Note that the non-patent document 6 shows that the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity is expressed by Equation 3. On the other hand, there is a one-to-one correspondence between the longitudinal sound velocity VL and the phase transformation rate, as shown in Documents 1, 2 and the like. Therefore, it can be seen that the product of the frequency of the S1 mode plate wave of zero group velocity and the thickness of the object to be inspected has information on the phase transformation rate.

Figure 0005058196
Figure 0005058196

S1f100×d0とS1f0×d0との間の相変態率において上記のような相変態率の観測又は算出によりサンプルデータを複数個取ることで、図6(a)又は図6(b)に示すような較正線を求めることが出来る。但し、ここでd0は、較正線を求めるために使用した被検査体の厚みである。図6(a)は、相変態率と群速度ゼロのS1モード板波の周波数との関係を線形の較正線で示す図であり、図6(b)は、相変態率と群速度ゼロのS1モード板波の周波数との関係を非線形の較正線で示す図である。なお、S1f100×d0とS1f0×d0との間の相変態率においてサンプルデータを複数個取り、較正線を得た結果、相変態率と群速度ゼロのS1モード板波の周波数との関係が計測精度の観点から線形とみなして良い場合は、図6(a)の線形な較正線を利用し、線形とみなせない場合は、図6(b)の非線形な較正線を利用する。
例えば、図6(a)に示すように、線形な較正線を利用する場合、任意の被検査体(厚みd)の測定周波数S1fの相変態率(P)は、S1f100×d0及びS1f0×d0を用いて、下記数式4によって求めることが出来る。
P(%)=100×(S1f0×d0−S1f×d)/(S1f0×d0−S1f100×d0)・・・(数式4)
また、図6(b)に示す非線形な較正線を利用する場合には、測定された周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を、多項式等の関数でフィッティングし、或いは折れ線近似することにより、下記数式5に示す様な関係を導出する。
P(%)= F(S1f×d) ・・・(数式5)
ここで、F(S1f×d)はS1f×dの関数であることを示す。相変態率の測定を行う場合には、群速度ゼロのS1モード板波の測定周波数S1fを測定して、被検査体厚みと共に、この関数Fに代入することで、相変態率を求めることが出来る。
このように、相変態率と群速度ゼロのS1モード板波の周波数×厚みとの較正線を求め、相変態率を数式により算出できるようにすることで、群速度ゼロのS1モード板波の周波数(S1f)を計測することで、S1fの周波数と厚みから相変態率を算出できる。
As shown in FIG. 6A or FIG. 6B, a plurality of sample data is obtained by observing or calculating the phase transformation rate as described above at the phase transformation rate between S1f100 × d0 and S1f0 × d0. A simple calibration line. Here, d0 is the thickness of the inspection object used for obtaining the calibration line. FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the phase transformation rate and the frequency of the S1 mode plate wave having zero group velocity with a linear calibration line, and FIG. 6B is a diagram showing the phase transformation rate and group velocity of zero. It is a figure which shows the relationship with the frequency of S1 mode plate wave with a nonlinear calibration line. As a result of taking a plurality of sample data at the phase transformation rate between S1f100 × d0 and S1f0 × d0 and obtaining a calibration line, the relationship between the phase transformation rate and the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity is measured. When it can be regarded as linear from the viewpoint of accuracy, the linear calibration line of FIG. 6A is used, and when it cannot be regarded as linear, the nonlinear calibration line of FIG. 6B is used.
For example, as shown in FIG. 6 (a), when a linear calibration line is used, the phase transformation rate (P) of the measurement frequency S1f of an arbitrary inspection object (thickness d) is S1f100 × d0 and S1f0 × d0. Can be obtained by the following formula 4.
P (%) = 100 × (S1f0 × d0−S1f × d) / (S1f0 × d0−S1f100 × d0) (Equation 4)
When the nonlinear calibration line shown in FIG. 6B is used, the relationship between the product of the measured frequency and the thickness of the object to be inspected and the phase transformation rate is fitted with a function such as a polynomial, or By approximating the broken line, the relationship as shown in the following formula 5 is derived.
P (%) = F (S1f × d) (Formula 5)
Here, F (S1f × d) indicates a function of S1f × d. When measuring the phase transformation rate, the phase transformation rate can be obtained by measuring the measurement frequency S1f of the S1 mode plate wave of zero group velocity and substituting it into the function F together with the thickness of the object to be inspected. I can do it.
Thus, by obtaining the calibration line between the phase transformation rate and the frequency × thickness of the S1 mode plate wave of zero group velocity, and allowing the phase transformation rate to be calculated by a mathematical formula, the S1 mode plate wave of zero group velocity is calculated. By measuring the frequency (S1f), the phase transformation rate can be calculated from the frequency and thickness of S1f.

図7を用いて、被検査体を移動しながらレーザ超音波測定方法を行う例について説明する。被検査体5は、コンベア等の搬送設備に搬送される。測定条件は、下記に示す測定条件を除いて、図2を用いて説明した測定条件と同じである。
搬送速度:V(mm/s)
S1f計測のためのFFT実行用の波形収録時間:200μs
なお、FFT実行用の波形収録時間は、短いと周波数分解能が低下し、長いとノイズ成分が支配的になりSNが低下する。被検査体が移動することにより、超音波発生用レーザスポット領域7aを超音波検出用レーザスポット領域6aが横断するように動くため、FFT実行用の波形収録時間は、図2を用いて説明した測定条件における波形収録時間より長めに取り、100μs〜200μs程度が好ましい。
An example in which a laser ultrasonic measurement method is performed while moving an object to be inspected will be described with reference to FIG. The inspected object 5 is transported to a transport facility such as a conveyor. The measurement conditions are the same as those described with reference to FIG. 2 except for the measurement conditions described below.
Conveyance speed: V (mm / s)
Waveform recording time for FFT execution for S1f measurement: 200 μs
If the waveform recording time for executing FFT is short, the frequency resolution is lowered, and if it is long, the noise component is dominant and SN is lowered. As the object to be inspected moves, the ultrasonic spot generation laser spot region 7a moves so that the ultrasonic detection laser spot region 6a traverses, and the waveform recording time for performing FFT has been described with reference to FIG. It takes longer than the waveform recording time under the measurement conditions, and is preferably about 100 μs to 200 μs.

被検査体5は搬送設備に搬送されているため、超音波検出用レーザスポット領域6aは、図示されるように長方形の形状となる。このとき、超音波発生用レーザスポット領域7aは、そのスポット領域内に超音波検出用レーザスポット領域6aを入れておくために、波形収録時間内に超音波検出用レーザスポット領域が移動する長さXより長手方向を長くすることが好ましい。
X=V×T
=V(mm/s)×FFT実行のための波形収録時間(s)
超音波発生用レーザの照射スポット域の長手方向長さはX以上にすることが好ましい。また、超音波発生用レーザの照射時における超音波検出用レーザスポット領域6aの位置は、超音波発生用レーザスポット領域7aにおける、被検査体移動の下流側に設定する必要がある。
Since the inspection object 5 is transported to the transport facility, the ultrasonic detection laser spot region 6a has a rectangular shape as illustrated. At this time, the ultrasonic spot spot 7a for ultrasonic wave generation has a length that the ultrasonic spot spot for ultrasonic detection moves within the waveform recording time in order to place the ultrasonic spot spot 6a for ultrasonic detection in the spot area. It is preferable to make the longitudinal direction longer than X.
X = V × T
= V (mm / s) x Waveform recording time for FFT execution (s)
The length in the longitudinal direction of the irradiation spot area of the ultrasonic wave generating laser is preferably X or more. In addition, the position of the ultrasonic detection laser spot region 6a at the time of irradiation with the ultrasonic generation laser needs to be set on the downstream side of the object movement in the ultrasonic generation laser spot region 7a.

図8〜10を用いて、被検査体5の移動速度と被検査体5から検出した周波数波形との関係を示す。図8は、被検査体5を3[m/s]で移動した場合の検出した周波数波形であり、図9は、被検査体5を5[m/s]で移動した場合の検出した周波数波形であり、図10は、被検査体5を10[m/s]で移動した場合の検出した周波数波形である。
測定条件は、上記搬送速度が異なるだけで、その他は図4で説明した測定条件である。群速度ゼロのS1モード板波の周波数である約1.3MHzの周波数スペクトルF5、F6、F7は、それぞれ被検査体移動速度が3[m/s](図8)、5[m/s](図9)、10[m/s](図10)であっても、検出されていることがわかる。
The relationship between the moving speed of the inspection object 5 and the frequency waveform detected from the inspection object 5 is shown using FIGS. FIG. 8 shows a detected frequency waveform when the inspection object 5 is moved at 3 [m / s], and FIG. 9 shows a detected frequency when the inspection object 5 is moved at 5 [m / s]. FIG. 10 is a frequency waveform detected when the inspection object 5 is moved at 10 [m / s].
The measurement conditions are the same as those described with reference to FIG. The frequency spectrums F5, F6, and F7 of about 1.3 MHz, which is the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity, have an object movement speed of 3 [m / s] (FIG. 8) and 5 [m / s], respectively. (FIG. 9) It can be seen that even 10 [m / s] (FIG. 10) is detected.

このように、図8〜10に示すように、被検査体5を移動させた場合であっても、群速度ゼロのS1モード板波の周波数が測定可能であることがわかる。この結果より、実際に鋼材がコンベア等によって移動している場合でも、群速度ゼロのS1モード板波の周波数を測定することが可能であり、このようにして移動した鋼材から検出した群速度ゼロのS1モード板波の周波数を用いて、図5及び6に示すように相変態率の測定を行うことが出来る。   In this way, as shown in FIGS. 8 to 10, it can be seen that the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity can be measured even when the inspection object 5 is moved. From this result, even when the steel material is actually moved by a conveyor or the like, it is possible to measure the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity, and thus the group velocity zero detected from the steel material thus moved. Using the frequency of the S1 mode plate wave, the phase transformation rate can be measured as shown in FIGS.

上記したように、本実施形態に係るレーザ超音波測定装置及びその方法は、被検査材の表面へのダメージがないパルスエネルギ密度の低いレーザ光により、相変態率の測定を高精度に行うことができる。
また、本発明は、このように弱いパルスレーザの使用にのみ限定されるものではなく、アブレーションと熱弾性変化領域の共存領域、アブレーション領域であっても利用できる。
As described above, the laser ultrasonic measurement apparatus and method according to the present embodiment measure the phase transformation rate with high accuracy by using a laser beam with a low pulse energy density that does not damage the surface of the material to be inspected. Can do.
Further, the present invention is not limited to the use of such a weak pulse laser, and can be used even in a coexistence region of ablation and a thermoelastic change region, or an ablation region.

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ超音波測定装置及びその方法は、対象材の表面にダメージを与えずに超音波を発生させる熱弾性領域において、検出した超音波波形に対してFFTを実行し周波数ピークを算出し、その周波数値から相変態率を計測すること出来る。   As described above, the laser ultrasonic measurement apparatus and method according to the present embodiment perform FFT on the detected ultrasonic waveform in the thermoelastic region that generates ultrasonic waves without damaging the surface of the target material. To calculate the frequency peak and measure the phase transformation rate from the frequency value.

相変態率を計測する事は、金属の製造プロセスにおいて材質の造りこみを行う上で、重要な情報となる。例えば高強度鋼板の製造においては、γ鉄からα鉄へ変態させる組織制御を行い高強度にさせる製造方法があるが、その製造においてはγ鉄からα鉄へ変態させるときの割合、すなわち変態率をうまく調整することで強度を同程度として強度ばらつきの少ない鋼板を製造できるようになる。このような観点で、相変態率を容易に計測できること、さらに、実際の金属の製造プロセスのように搬送中の鋼材について相変態率を求めることが出来るのは極めて有用である。   Measuring the phase transformation rate is important information for building materials in the metal manufacturing process. For example, in the production of high-strength steel sheets, there is a production method in which the structure control for transformation from γ iron to α iron is performed to increase the strength, but in the production, the ratio when transforming from γ iron to α iron, that is, the transformation rate It is possible to manufacture a steel plate with less variation in strength with the same strength by adjusting well. From this point of view, it is extremely useful that the phase transformation rate can be easily measured and that the phase transformation rate can be obtained for the steel material being conveyed as in the actual metal production process.

図11は、相変態率の算出処理を示すフロー図である。図11(a)は、周波数スペクトル上の周波数ピークと被検査体厚みとの積と相変態率との関係を示す較正線を作成するフローである。図11(b)は、検出した周波数スペクトル上の周波数ピークと被検査体厚みとの積と較正線から相変態率を算出するフローである。
図11(a)に示すフローにおいては、レーザ超音波測定装置10は、図2及び図4で説明したように、被検査体から発生した群速度ゼロのS1モード板波の周波数を算出する(S101)。次に、レーザ超音波測定装置10は、被検査体の相変態率を取得する(S102)。ここでは、上述したように、予め電子顕微鏡で測定、又は、熱膨張率で算出した相変態率を取得する。
FIG. 11 is a flowchart showing a calculation process of the phase transformation rate. FIG. 11A is a flow for creating a calibration line indicating the relationship between the product of the frequency peak on the frequency spectrum and the thickness of the object to be inspected and the phase transformation rate. FIG. 11B is a flow for calculating the phase transformation rate from the product of the detected frequency peak on the frequency spectrum and the thickness of the object to be inspected and the calibration line.
In the flow shown in FIG. 11A, the laser ultrasonic measurement apparatus 10 calculates the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity generated from the object to be inspected as described in FIGS. S101). Next, the laser ultrasonic measurement device 10 acquires the phase transformation rate of the object to be inspected (S102). Here, as described above, a phase transformation rate measured in advance with an electron microscope or calculated with a coefficient of thermal expansion is acquired.

ステップS102で所定の相変態率が算出されると、図6で示したように、レーザ超音波測定装置10は、被検査体の相変態率と、周波数スペクトル上の周波数ピークおよび被検査体厚みから較正線を作成する(S103)。このようにして、較正線が作成される。   When the predetermined phase transformation rate is calculated in step S102, as shown in FIG. 6, the laser ultrasonic measurement device 10 determines the phase transformation rate of the object to be inspected, the frequency peak on the frequency spectrum, and the thickness of the object to be inspected. A calibration line is created from (S103). In this way, a calibration line is created.

図11(b)に示すフローにおいては、レーザ超音波測定装置10は、図2及び図4で説明したように、被検査体から発生した群速度ゼロのS1モード板波の周波数を算出する(S151)。次に、レーザ超音波測定装置10は、ステップS103で作成された較正線および被検査体厚みを用いて、検出された周波数スペクトル上の周波数ピークに相当する相変態率を算出する(S152)。   In the flow shown in FIG. 11B, the laser ultrasonic measurement apparatus 10 calculates the frequency of the S1 mode plate wave with zero group velocity generated from the object to be inspected as described in FIGS. S151). Next, the laser ultrasonic measurement device 10 calculates the phase transformation rate corresponding to the frequency peak on the detected frequency spectrum using the calibration line and the thickness of the object to be inspected created in step S103 (S152).

図12は、一実施形態に係るレーザ超音波測定装置10aの全体図である。図示のように、レーザ超音波測定装置10aは、超音波発生用レーザ光源11、超音波検出用レーザ光源12、レーザ干渉計13、及び信号処理部60を有する。
超音波発生用レーザ光源11は、被検査体5に超音波を発生させるために、高出力のパルスレーザ光ELを、ミラー31a、31bを介して被検査体5に照射する。パルスレーザ光ELは、レンズ33により収束され、点状スポットとして超音波検出用レーザスポット領域7に照射される。被検査体5のパルスレーザ光ELが照射される部分は、熱膨張しその後収縮することにより歪みが発生し、被検査体5に超音波が伝搬する。
FIG. 12 is an overall view of a laser ultrasonic measurement apparatus 10a according to an embodiment. As illustrated, the laser ultrasonic measurement device 10 a includes an ultrasonic wave generation laser light source 11, an ultrasonic detection laser light source 12, a laser interferometer 13, and a signal processing unit 60.
The ultrasonic wave generation laser light source 11 irradiates the inspection object 5 with the high-power pulse laser light EL via the mirrors 31a and 31b in order to generate an ultrasonic wave in the inspection object 5. The pulsed laser light EL is converged by the lens 33 and irradiated to the ultrasonic detection laser spot region 7 as a spot-like spot. The portion of the inspection object 5 irradiated with the pulsed laser light EL is thermally expanded and then contracted to generate distortion, and the ultrasonic wave propagates to the inspection object 5.

超音波検出用レーザ光源12からは、連続波レーザ光DLが、ミラー41a、41bを介して、点状スポットとして超音波検出用レーザスポット領域7に照射される。連続波レーザ光DLは、被検査体5上の計測点に照射される。被検査体5からの連続波レーザ光DLのレーザ反射光RLの周波数は、表面振動によりドップラーシフトを受ける。レーザ反射光RLは、ミラー41c、41dを介して、レンズ43により収束され、レーザ干渉計13に入射する。   The ultrasonic wave detection laser light source 12 irradiates the ultrasonic wave detection laser spot region 7 as a dot spot through the mirrors 41a and 41b. The continuous wave laser beam DL is irradiated to a measurement point on the inspection object 5. The frequency of the laser reflected light RL of the continuous wave laser light DL from the object to be inspected 5 undergoes a Doppler shift due to surface vibration. The laser reflected light RL is converged by the lens 43 via the mirrors 41 c and 41 d and enters the laser interferometer 13.

レーザ干渉計13は、入射したレーザ光を、ミラー13aと13bとの間で往復させて干渉(共振)させ、ミラー13bで一部の光量を透過させる。レーザ干渉計13を透過するレーザ光のスペクトルは、極狭い波長域の急峻なピークと両側のスロープとで構成される。ミラー13aと13bとの間隔をレーザ光の波長の共振条件から若干ずらしておき、レーザ光の波長が当該スロープの波長域に位置するように設定しておく。このとき、レーザ反射光のドップラーシフトは、レーザ干渉計13を透過する際に光強度変化に変換される。そして、レーザ干渉計13を透過した光は、アバランシェホトダイオード等からなる高速応答可能な光検出器20に入射する。光検出器20では、透過光の光強度は電気信号E1に変換されて信号処理部60に入力する。   The laser interferometer 13 causes the incident laser light to reciprocate between the mirrors 13a and 13b to interfere (resonate), and transmit a part of the light quantity through the mirror 13b. The spectrum of the laser light transmitted through the laser interferometer 13 is composed of a sharp peak in an extremely narrow wavelength region and slopes on both sides. The distance between the mirrors 13a and 13b is slightly shifted from the resonance condition of the wavelength of the laser beam, and is set so that the wavelength of the laser beam is located in the wavelength region of the slope. At this time, the Doppler shift of the laser reflected light is converted into a light intensity change when passing through the laser interferometer 13. Then, the light transmitted through the laser interferometer 13 is incident on a light-sensitive detector 20 composed of an avalanche photodiode or the like. In the photodetector 20, the light intensity of the transmitted light is converted into an electrical signal E 1 and input to the signal processing unit 60.

信号処理部60では、周波数算出部61は、図11のステップS101及びS151で説明した処理を実行することができる。相変態率格納部62は、予め測定又は算出した相変態率を格納する。厚み情報格納部65は、予め測定した被検査体厚みの値を格納する。なおこの値は、放射線計測器による計測やメジャー類を使用した計測により可能である。較正線作成部63は、図11のステップS102で説明したように、相変態率格納部62に格納された相変態率を取得し、図11のステップS103で説明したように較正線を作成することができる。相変態率算出部64は、図11のステップS152で説明した処理を実行することができる。   In the signal processing unit 60, the frequency calculation unit 61 can execute the processing described in steps S101 and S151 in FIG. The phase transformation rate storage unit 62 stores a phase transformation rate measured or calculated in advance. The thickness information storage unit 65 stores the value of the inspected object thickness measured in advance. This value can be obtained by measurement using a radiation measuring instrument or measurement using a measure. The calibration line creation unit 63 acquires the phase transformation rate stored in the phase transformation rate storage unit 62 as described in step S102 of FIG. 11, and creates the calibration line as described in step S103 of FIG. be able to. The phase transformation rate calculation unit 64 can execute the process described in step S152 of FIG.

信号処理部60は、プロセッサから構成され、且つ上記した周波数算出部61、較正線作成部63、及び相変態率算出部64が提供する各機能は、プロセッサが、図示されないメモリや外部記憶装置に格納されたプログラムを実行することにより実現しても良い。相変態率格納部62及び厚み情報格納部65は、メモリや外部記憶装置で実装することが出来る。相変態率算出部64の算出結果は、表示装置19に出力できる。なお、信号処理部60には、図示しない入出力装置、通信装置が接続され得る。測定した相変態率は、入力装置又は通信装置を介して、相変態率格納部62に格納することが出来る。   The signal processing unit 60 includes a processor, and the functions provided by the frequency calculation unit 61, the calibration line creation unit 63, and the phase transformation rate calculation unit 64 described above are performed by the processor in a memory or an external storage device (not shown). You may implement | achieve by running the stored program. The phase transformation rate storage unit 62 and the thickness information storage unit 65 can be implemented by a memory or an external storage device. The calculation result of the phase transformation rate calculation unit 64 can be output to the display device 19. Note that the signal processing unit 60 may be connected to an input / output device and a communication device (not shown). The measured phase transformation rate can be stored in the phase transformation rate storage unit 62 via an input device or a communication device.

なお、レーザ超音波測定装置10aは、金属の製造プロセスに配置される場合、較正線の作成機能を有せず、すでに作成された較正線を利用して相変態率を求めても良い。その場合、較正線作成部63の機能を、レーザ超音波測定装置10aとデータ接続された別な装置(プロセッサ、メモリ、通信手段、外部記憶装置を有する)に実行させても良い。そして、信号処理部60は、相変態率格納部62及び較正線作成部63を有さず、上記別な装置からネットワーク又は記録媒体を介して受信した較正線のデータを用いて、相変態率算出部64は、図11のステップS152で説明した処理を実行することができる。   Note that, when the laser ultrasonic measurement device 10a is arranged in a metal manufacturing process, the laser ultrasonic measurement device 10a may not have a calibration line creation function, and may obtain a phase transformation rate using a calibration line already created. In that case, the function of the calibration line creation unit 63 may be executed by another device (having a processor, a memory, a communication unit, and an external storage device) connected to the laser ultrasonic measurement device 10a. The signal processing unit 60 does not have the phase transformation rate storage unit 62 and the calibration line creation unit 63, but uses the data of the calibration line received from the other device via the network or the recording medium, and uses the phase transformation rate data. The calculation unit 64 can execute the process described in step S152 of FIG.

5 被検査体
6、6a 超音波発生用レーザスポット領域
6a 超音波発生用レーザスポット領域
7、7a 超音波検出用レーザスポット領域
10、10a レーザ超音波測定装置
11 超音波発生用レーザ光源
12 超音波検出用レーザ光源
13 レーザ干渉計
13a、13b、31a、41a、41b、41c ミラー
19 表示装置
20 光検出器
33、43 レンズ
60 信号処理部
61 周波数算出部
62 相変態率格納部
63 較正線作成部
64 相変態率算出部
65 厚み情報格納部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Inspected object 6, 6a Laser spot area for ultrasonic wave generation 6a Laser spot area for ultrasonic wave generation 7, 7a Laser spot area for ultrasonic wave detection 10, 10a Laser ultrasonic measurement device 11 Laser light source for ultrasonic wave generation 12 Ultrasonic wave Laser light source for detection 13 Laser interferometer 13a, 13b, 31a, 41a, 41b, 41c Mirror 19 Display device 20 Photo detector 33, 43 Lens 60 Signal processing unit 61 Frequency calculation unit 62 Phase transformation rate storage unit 63 Calibration line creation unit 64 Phase transformation rate calculation unit 65 Thickness information storage unit

Claims (14)

被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射する照射光学系と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出部と、
前記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の前記板波超音波の周波数を導出する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出部と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定装置。
The object to be inspected is irradiated with pulsed laser light from a laser light source for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves, and the object to be inspected is irradiated with continuous wave laser light by a laser light source for detecting ultrasonic waves. A laser ultrasonic measurement device that detects an ultrasonic wave propagated through the inspected body by detecting a change in light intensity caused by Doppler shift caused by the ultrasonic wave by interfering with an interferometer,
An irradiation optical system for irradiating the pulsed laser beam on the object to be inspected with a spot-like spot;
The continuous wave laser beam is irradiated on the object to be inspected so as to detect a plate wave ultrasonic wave with zero group velocity generated by the spot-like spot and propagated in the thickness direction of the object to be inspected, and the reflected laser beam is applied to the object. A detection optical system that enters and interferes with the interferometer;
A light detector that receives the laser light transmitted through the interferometer and outputs a change in light intensity as an electrical signal;
An electrical signal output from the light detection unit is input, and a signal processing unit that derives the frequency of the plate wave ultrasonic wave of the object to be inspected,
The signal processing unit
A frequency calculation unit that calculates a frequency of a symmetric plate wave by performing a frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change due to a plate wave ultrasonic wave generated by the irradiation optical system;
The phase transformation rate of the material to be inspected is calculated from the frequency of the symmetric plate wave and a calibration line that is created in advance and represents the relationship between the product of the frequency of the symmetric plate wave and the thickness of the object to be inspected and the phase transformation rate. And a phase transformation rate calculating unit.
前記信号処理部は、別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のレーザ超音波測定装置。   The signal processing unit receives a phase transformation rate of the inspected object measured separately, and creates a calibration line representing the relationship between the product of the frequency of the symmetric plate wave and the inspected object thickness and the phase transformation rate The laser ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, further comprising a calibration line creation unit that performs the calibration. 前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ超音波測定装置。   3. The laser ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein the continuous wave laser beam is irradiated into an irradiation spot area of the pulse laser beam. 4. 前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。   The laser ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein in the frequency analysis, a recording time for detecting plate wave ultrasonic waves of a plurality of periods is set. 前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのS1対称板波モードの周波数であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。   5. The laser ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein the frequency of the symmetric plate wave is a frequency of an S1 symmetric plate wave mode having a group velocity of zero. 前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。   The laser ultrasonic measurement device according to any one of claims 1 to 5, wherein the phase transformation rate used for creating the calibration line is measured by microscopic observation or thermal expansion coefficient measurement. 前記較正線は、前記相変態率が0%のときの周波数と、相変態率が100%のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定装置。   The calibration line is a linear calibration line created from a frequency when the phase transformation rate is 0% and a phase transformation rate when the phase transformation rate is 100%. The laser ultrasonic measurement device according to any one of 6. 被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置を用いたレーザ超音波測定方法であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射するレーザ光照射工程と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる超音波検出工程と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出工程と、
前記電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出工程と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部工程と、を有することを特徴とするレーザ超音波測定方法。
The object to be inspected is irradiated with pulsed laser light from a laser light source for generating ultrasonic waves to generate ultrasonic waves, and the object to be inspected is irradiated with continuous wave laser light by a laser light source for detecting ultrasonic waves. A laser ultrasonic measurement method using a laser ultrasonic measurement device that detects an ultrasonic wave propagated through the inspected body by detecting a change in light intensity caused by Doppler shift caused by the ultrasonic wave by interfering with an interferometer. ,
A laser light irradiation step of irradiating the pulsed laser light on the object to be inspected with a spot-like spot;
The continuous wave laser beam is irradiated on the object to be inspected so as to detect a plate wave ultrasonic wave with zero group velocity generated by the spot-like spot and propagated in the thickness direction of the object to be inspected, and the reflected laser beam is applied to the object. An ultrasonic detection step of making the interferometer enter and interfere;
A light detection step of receiving laser light transmitted through the interferometer and outputting a change in light intensity as an electrical signal;
Based on the electrical signal, the frequency calculation step of calculating the frequency of the symmetric plate wave by performing frequency analysis,
The phase transformation rate of the material to be inspected is calculated from the frequency of the symmetric plate wave and a calibration line that is created in advance and represents the relationship between the product of the frequency of the symmetric plate wave and the thickness of the object to be inspected and the phase transformation rate. And a phase transformation rate calculating unit step for performing the laser ultrasonic measurement method.
別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成工程をさらに有することを特徴とする請求項8に記載のレーザ超音波測定方法。   A calibration line creation step of creating a calibration line that represents the relationship between the phase transformation rate and the product of the frequency of the symmetric plate wave and the thickness of the test object, and the phase transformation rate of the specimen to be measured separately input; The laser ultrasonic measurement method according to claim 8, further comprising: 超音波検出工程を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする請求項8又は9に記載のレーザ超音波測定方法。   10. The laser ultrasonic measurement method according to claim 8, wherein the ultrasonic detection step is performed in an irradiation spot area of the pulsed laser light. 前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。   The laser ultrasonic measurement method according to any one of claims 8 to 10, wherein in the frequency analysis, a recording time for detecting a plate wave ultrasonic wave having a plurality of periods is set. 前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのS1対称板波モードの周波数であることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。   The laser ultrasonic measurement method according to any one of claims 8 to 11, wherein the frequency of the symmetric plate wave is a frequency of an S1 symmetric plate wave mode with a group velocity of zero. 前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする請求項8〜12のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。   The laser ultrasonic measurement method according to any one of claims 8 to 12, wherein the phase transformation rate used for creating the calibration line is measured by microscopic observation or thermal expansion coefficient measurement. 前記較正線は、前記相変態率が0%のときの周波数と、相変態率が100%のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、請求項8〜13のいずれか1項に記載のレーザ超音波測定方法。   The calibration line is a linear calibration line created from a frequency when the phase transformation rate is 0% and a phase transformation rate when the phase transformation rate is 100%. 14. The laser ultrasonic measurement method according to any one of items 13.
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