JP2006275544A

JP2006275544A - 音源位置標定方法

Info

Publication number: JP2006275544A
Application number: JP2005090669A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Toyama; 暢之遠山; Takashi Iijima; 高志飯島
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】面外変位音源に対する主成分であるＡ_０モードのみを用いた音源位置標定方法を提供する。
【解決手段】面外変位音源によって板に生ずる板波のうちゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の群速度の周波数依存性を求め、該周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を求め、該群速度と該到達時間を用いる音源位置標定方法。また、この周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を、ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の波形をウェーブレット変換することにより求める音源位置標定方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、音源位置標定方法に関し、詳しくは航空機、化学プラント等の構造体の健全性評価、非破壊検査、超音波探傷器に用いることができる音源位置評定方法に関する。

従来、音源位置標定には音源までの距離を求める一次元の場合で少なくとも２点、音源までの距離だけでなく方向も求める二次元の場合で少なくとも３点のセンサが必要であることは広く知られている。
これに対して、薄板を伝播する弾性波である板波を利用して、一次元位置標定を１点のセンサで位置標定を行った報告例が存在する（非特許文献１〜２参照）。これは、大きく分けて対称モードと反対称モードの２つの複数の伝播モードが存在し、さらに、各モードには周波数に依存した有限数の高次モードが存在し、各モードは伝播速度が周波数に依存する分散性を有するという板波の特徴を利用したものである。
外部衝撃や損傷によって発生する板波の周波数成分は一般に約１ＭＨｚ以下であり、この周波数領域ではゼロ次対称モード（Ｓ_０モード）とゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）のみが存在する。上記報告例はこの２つのモードのセンサへの到達時間の違いを用いることで一次元位置標定に必要なセンサ数を減らすことを実現している。

一方、近年航空機の主構造に採用されている複合材料構造では、特に外部衝撃により容易に損傷が発生することから、衝撃荷重の位置標定技術の確立が重要な課題となっている。その際に従来の音源位置標定を用いると構造体の監視には膨大な数のセンサおよび計測機器が必要となる。そのため、位置標定に必要なセンサ数あるいはセンサ設置箇所数を減らす技術は極めて重要な課題として位置づけられている。
しかしながら、外部衝撃など面外変位音源により発生する板波の主成分はＡ_０モードであり、Ｓ_０モードの信号は極めて微弱となる。このため、衝撃荷重に対して１点のセンサで１次元位置標定にはＳ_０モードとＡ_０モードを利用する上記手法の適用は極めて困難であった。
さらに、上記のＳ_０モードとＡ_０モードを用いて、１点のセンサで位置標定することでは、二次元位置標定を行うことはできなかった。
遠山、他（N. Toyama, et al.）著、ジャーナル・オブ・マテリアルス・サイエンス・レターズ（Journalof Materials Science Letters）、20、2001年、1823頁ジアオ、他（J. Jiao, et al.）著、インターナショナル・ジャーナル・オブ・プレッシャー・ヴェセルズ・アンド・パイピング（InternationalJournal of Pressure Vessels and Piping）、81、2004年、427頁

本発明は、面外変位音源に対する主成分であるＡ_０モードのみを用いた音源位置標定方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の音源位置評定方法を提供するものである。
（１）面外変位音源によって板に生ずる板波のうちゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の群速度の周波数依存性を求め、該周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を求め、該群速度と該到達時間を用いることを特徴とする音源位置標定方法。
（２）前記周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を、前記ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の波形をウェーブレット変換することにより求めることを特徴とする（１）項に記載の音源位置標定方法。
（３）さらに指向性センサを用いて前記音源から発生する前記ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の方位を決定し、該方位と前記求められた距離を用いて二次元位置標定を行うことを特徴とする（１）または（２）項に記載の音源位置標定方法。
（４）板面上に配設され、面外変位音源によって該板に生ずる板波のゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の波形を検出し、該波形をウェーブレット変換することで、ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の群速度の周波数成分の２点以上の到達時間を求め、該群速度の該到達時間を用いて該音源までの距離を求めることを特徴とするセンサ。
（５）（４）項記載のセンサと指向性センサを組み合わせたことを特徴とするセンサ。

本発明において、面外変位音源とは、弾性波を発生させる音源のうち、板面に垂直に物がぶつかる、あるいは板面に垂直方向にき裂が発生することをいうものである。本発明においては、それに限定されるものではないが、外部衝撃、損傷などが含まれる。

本発明では、従来法よりも少ない１点のセンサのみで一次元位置標定が可能である。
また、指向性センサと組み合わせることで、１点（一箇所）に配置したセンサで音源の方位と距離を、すなわち２次元の位置標定が可能である。
また、本発明の方法は航空機・化学プラントへの非破壊検査用途の応用が可能となる。

本発明の一つの好ましい実施態様では、面外変位音源によって板に生ずる板波のうちゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の群速度の周波数依存性を求め、該周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を求め、該群速度と該到達時間を用いて該音源までの距離を求めることを特徴とする音源位置標定方法である。

本発明において、板の厚さは、特に限定されるものではないが、好ましくは３０ｍｍ以下、さらに好ましくは１０ｍｍ以下の板である。また、板の材質についても特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維強化プラスチック板（以下、「ＣＦＲＰ板」という）、アルミニウム板、鉄鋼板、プラスチック板などが挙げられる。
また、用いる周波数には特に制限はないが、１０ＭＨｚ以下が好ましく、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚがさらに好ましい。本発明においては、２つ以上の周波数成分を用いるが、用いられる周波数のうち、隣り合う２つの周波数は１ｋＨｚ以上離れていることが好ましい。

本発明に用いられるセンサは、Ａ_０モードを検出できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、圧電セラミックスの一種であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を用い、両面電極処理を行ったＰＺＴを薄板に接着剤を用いて接着し、両面電極に接着したリード線からオシロスコープに接続することでＡ_０モードの波形を測定することができる。

本発明のセンサの好ましい実施態様は、板面上に配設され、面外変位音源によって該板に生ずる板波のゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の波形を検出し、該波形をウェーブレット変換することで、ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の群速度の周波数成分の２点以上の到達時間を求め、該群速度の該到達時間を用いて該音源までの距離を求めるものである。
また、センサを板面上に配設するためには、例えば、センサを接着剤で板面上の任意の位置および方向に接着すればよい。

また、Ａ_０モードとＳ_０モードは速度の違いにより容易に区別することができる。すべての周波数領域に渡って群速度はＳ_０＞Ａ_０となる。したがってある音源によって弾性波が発生し、それを離れた位置に配置したセンサで検出しようとすると、まずスピードの速いＳ_０が検出されてその後に周波数の高い成分のＡ_０モード、続いて周波数の低いＡ_０モードが検出されるのでＡ_０モードのみを測定することができる。

本発明においては、Ａ_０モードの群速度の周波数依存性を求め、該周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を求めるものである。
ここで、検出波形にウェーブレット変換を行い、得られたウェーブレット係数のピーク時間が群速度で伝播する板波の到達時間になることが知られている（キシモト（K. Kishimoto）ら、Journal of Applied Mechanics, 62, 1995, p.841）。本発明においてはＡ_０モードの検出波形検出波形に対して上記キシモトらの方法によりウェーブレット変換を行い、分散性の高い領域の任意の２点以上周波数成分を求めることが好ましい。

本発明においては、上記のセンサと隣接して指向性センサを用いると、１箇所のセンサで、音源から発生するＡ_０モードの方位を決定し、方位と距離から二次元位置標定を行うことをできるのでさらに好ましい。また、上記のセンサが指向性センサを兼ねるものであってもよい。

指向性センサは、例えば、素子上下面に折り返し電極処理を施した、縦Ｌ、幅Ｗの長さを有する板状の圧電セラミックス素子（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））のＬを１／２λ（λ：検査対象の板波の波長）とし、Ｗを１／２λから大きくずらし、検出感度を意図的に低下させることで、作製することができる。すなわち、ＷをＬよりも大幅に短くすることであるいは長くすることで、波長λの板波に対して指向性をもたせることができる。さらにセンサの厚さｔについても、指向性を妨げる厚み振動モードによる板波の検出感度を低下させるために、Ｌ／ｔ≧１にすることが好ましい。

以下に、本発明の実施例を図面を参照してさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本実施例の概略を示す説明図である。ここで、両面電極処理を行ったサイズ７ｍｍ×７ｍｍ×１ｍｍの圧電セラミックスの一種であるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなるセンサ１を薄板２の端部表面に接着剤を用いて接着し、両面電極に接着したリード線からＢＮＣケーブルを介してオシロスコープ３に接続した。センサ１は縦振動モードを用いた。センサか１ら１００ｍｍ〜６００ｍｍの距離上でシャープペンシルの芯圧折４を板２に垂直に行い、面外変位成分の板波音源とした。また、薄板２には、１０００ｍｍ×１０００ｍｍ×１ｍｍのＣＦＲＰ板またはアルミニウム板を用いた。なお、図中、５は音源−センサ間距離である。

図２はＣＦＲＰ板を伝播する板波Ａ_０モードの群速度の周波数依存性の理論値を実線で、実測値を黒丸で示すものである。ＣＦＲＰ板については１００ｋＨｚ以下の周波数領域で著しい分散性を有することが分かる。

図３はアルミニウム板を伝播する板波Ａ_０モードの群速度の周波数依存性の理論値を実線で、実測値を黒丸で示すものである。アルミニウム板については約２００ｋＨｚ以下の周波数領域で著しい分散性を有することが分かる。

図４にＣＦＲＰ板上でセンサから４００ｍｍ離れた点で行った芯圧折により得られた板波の波形を示す。また、図５にアルミニウム板状でセンサから２００ｍｍ離れた点で行った芯圧折により得られた板波の波形を示す。図４、図５共に、得られた波形は群速度の速い高周波数成分が先に到達し、群速度の遅い低周波成分が続く典型的なＡ_０モードの波形である。またＳ_０モードの理論音速を基に計算したセンサへの到達時間を矢印で示す。このような面外変位衝撃に対してはＡ_０モードが主成分であり、Ｓ_０モード成分は非常に微弱であることが分かる。Ｓ_０モードをノイズ信号と区別することは困難であり、Ｓ_０モードの到達時間を利用した位置標定法は面外変位衝撃に対しては有効でないことが分かる。

次いで、検出波形に対して上記キシモトらの方法によりウェーブレット変換を行い、図２および３に示された分散性の高い領域の任意の５点の周波数成分（ＣＦＲＰ板については１０，２０，３０，５０，７０ｋＨｚをアルミニウム板については４０，８０，１２０，１６０，２００ｋＨｚ）の到達時間を求めた。図６にＣＦＲＰ板おける検出波形に対してウェーブレット変換を行うことにより、得られた各周波数におけるウェーブレット係数と時間の関係を示す。また、図７にアルミニウム板における検出波形に対してウェーブレット変換を行うことにより、得られた各周波数におけるウェーブレット係数と時間の関係を示す。図６および７におけるウェーブレット係数のピーク時間が各周波数成分の到達時間となる。

音源−センサ間距離は１／Ｖ（Ｖ：群速度）と到達時間のプロットの傾きとして求められるため、最小二乗法を用いてプロットの傾きを求めた。なお、群速度には理論値を用いた。図８にＣＦＲＰ板における１／群速度と到達時間のプロットと最小二乗法による勾配導出を示すグラフを示す。また、図９に、アルミニウム板における１／群速度と到達時間のプロットと最小二乗法による勾配導出を示すグラフを示す。以上によって求められた音源−センサ間距離はＣＦＲＰ板では４１９ｍｍ、アルミニウム板では１９８ｍｍといずれについても実際の距離を良好に同定することができた。
また、他の距離についても同様の音源一次元位置標定を行ったところ同様の結果が得られた。結果をまとめたものを表１に示す。表１に示されるように本発明の方法により評価された距離は、実際の距離と非常に近く、良好な精度で位置標定が実現され、例えば、航空機の主構造の複合材料構造に予め設置しておけば、衝撃荷重の位置が１点のセンサで高精度で標定することができる。

実施例の概略を示す説明図である。ＣＦＲＰ板における群速度の理論値および実測値を示すグラフである。アルミニウム板における群速度の理論値および実測値を示すグラフである。音源−センサ間距離４００ｍｍのＣＦＲＰ板上での芯圧折により検出された板波波形を示すグラフである。音源−センサ間距離２００ｍｍのアルミニウム板上での芯圧折により検出された板波波形を示すグラフである。ＣＦＲＰ板におけるウェーブレット係数の時間分布を示すグラフである。アルミニウム板におけるウェーブレット係数の時間分布を示すグラフである。ＣＦＲＰ板における１／群速度と到達時間のプロットと最小二乗法による勾配導出を示すグラフである。アルミニウム板における１／群速度と到達時間のプロットと最小二乗法による勾配導出を示すグラフである。

符号の説明

１センサ
２薄板
３オシロスコープ
４芯圧折
５音源−センサ間距離

Claims

面外変位音源によって板に生ずる板波のうちゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の群速度の周波数依存性を求め、該周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を求め、該群速度と該到達時間を用いることを特徴とする音源位置標定方法。
前記周波数成分の２点以上のセンサへの到達時間を、前記ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の波形をウェーブレット変換することにより求めることを特徴とする請求項１に記載の音源位置標定方法。
さらに指向性センサを用いて前記音源から発生する前記ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の方位を決定し、方位と距離から二次元位置標定を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の音源位置標定方法。
板面上に配設され、面外変位音源によって該板に生ずる板波のゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の波形を検出し、該波形をウェーブレット変換することで、ゼロ次反対称モード（Ａ_０モード）の群速度の周波数成分の２点以上の到達時間を求め、該群速度の該到達時間を用いて該音源までの距離を求めることを特徴とするセンサ。
請求項４記載のセンサと指向性センサを組み合わせたことを特徴とするセンサ。