JP2009063373A - 音響インピーダンス測定装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音響インピーダンスを超音波を用いて簡単に測定する。
【解決手段】空気２４を介して対向配置された送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３との間に試験体１１を挿脱自在に設け、試験体１１を挿入している状態における送信超音波探触子１２から出力された超音波ｃの受信超音波探触子１３の受信レベルＧ_AMから、試験体１１を挿入していない状態における受信超音波探触子１３の受信レベルＧ_Aを減算することによって、空気２４、試験体１１、空気２４の経路に対する透過率Ｔ₁₂₁を求める。この求めた透過率Ｔ₁₂₁と既知の空気２４の音響インピーダンスＺ₁とから目標とする試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体の音響インピーダンスを超音波を用いて測定する音響インピーダンス測定装置、及び音響インピーダンス測定方法に関する。

各種の物質からなる被検体に対して超音波を印加して、この超音波が被検体内を伝搬する過程で気泡、異物、亀裂等の欠陥に当接すると超音波が減衰したり、反射することを利用して、前記欠陥を検出する超音波探傷装置が実用化されている。この場合、超音波が被検体の表面で反射せずに効率的に被検体内に入射して、かつ被検体内を伝搬する過程における減衰をできるだけ抑制して、超音波探傷の探傷精度を向上させる必要がある。例えば、超音波減衰が大きい被検体に対しては、印加する超音波のレベルを上昇させる等の対策を実施する必要がある。

さらに、超音波は被検体の表面（境界面）で反射、透過するのみならず、前述したように、超音波は被検体内における健全部分と、気泡、異物、亀裂等の欠陥分部との境界面において、反射、透過が発生するので、被検体の超音波に対する反射率や透過率等の音響特性は、探傷精度に大きく影響を与える。

したがって、被検体の超音波に対する、減衰率、反射率、透過率等の音響特性を予め測定するか、又は材料ハンドブック等で調べておく必要がある。各種の材質における音響特性の代表例として、音響インピーダンスがある。

この音響インピーダンスＺは、当該物質の密度ρと当該物質中を伝搬する音波の音速Ｃとを乗算することによって、(1)式で求める。

Ｚ＝ρ・Ｃ …(1)
図８を用いて、この音響インピーダンスＺと、前述した反射率Ｒと透過率Ｔとの具体的関係を説明する。図示するように、図８は、超音波が物質Ａ（音響インピーダンスＺａ）から境界面を介して物質Ｂ（音響インピーダンスＺｂ）へ垂直に入射する場合の境界面における超音波の反射と透過の状態を示す。超音波が境界面に垂直に入射した場合における入射波の音圧Ｐｉ、反射波の音圧Ｐｒ、透過波の音圧Ｐｔと、反射率Ｒ、透過率Ｔ、各音響インピーダンスＺａ、Ｚｂとの関係を示す。

反射率Ｒ＝Ｐｒ／Ｐｉ＝（Ｚｂ―Ｚａ）／（Ｚｂ+Ｚａ） … (2)
透過率Ｔ＝Ｐｔ／Ｐｉ＝２・Ｚｂ／（Ｚｂ+Ｚａ） … (3)
なお、超音波が物質の境界面に斜め方向（入射角θ）に入射した場合は、屈折現象が生じ、音響インピーダンスに起因して、反射、透過の現象がさらに複雑化する。

このように、被検体の音響インピーダンスＺは、超音波の反射率、透過率に大きく影響を与えるので、被検体の音響インピーダンスＺを正確に測定して、被検体に対する超音波の印加条件を設定することは、超音波探傷において非常に重要なことである。

各種の物質の音響インピーダンス測定する手法は種々考えられるが、(1)式からも理解できるように、この物質の密度ρと当該物質中を伝搬する音波の音速Ｃを個別に求めて乗算すればよい。例えば、鉄、アルミ等の代表的な金属にいては、例えば各種の材料ハンドブックに記載されている密度ρ（単位；ｋｇ／ｍ^{3）、速度（ｍ／ｓ）を用いて演算すればよい。}
物質が空気の場合、空気の密度ρ＝１．３ｋｇ／ｍ³、空気中の音速Ｃ＝３４０ｍ／ｓであるので、空気の音響インピーダンスＺ₁は、
Ｚ₁＝３４０ｍ／ｓ×１．３ｋｇ／ｍ³＝０．０００４４２×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
となる。

また、物質が鉄鋼の場合、鉄鋼の密度ρ＝７８００ｋｇ／ｍ³、鉄鋼の音速Ｃ＝５９００ｍ／ｓである。したがって、鉄鋼の音響インピーダンスＺ₂は、
Ｚ₂＝５９００ｍ／ｓ×７８００ｋｇ／ｍ³＝４６．０２０×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
となる。

しかしながら、工場等において新規の物質を製造した場合には、音速Ｃ、密度ρを測定する必要がある。この物質の音速Ｃを超音波を用いて測定する手順を図９を用いて説明する。測定器１から被検体２に取付られた超音波探触子３に送信パルス信号を送出して、超音波パルス４を被検体２に垂直に印加する。そして、被検体２の反対面に取付られた超音波探触子５にて、超音波パルス４を受信して、受信パルス信号を測定器１へ送出する。測定器１は送信パルス信号から受信パルス信号までの経過時間ｓを計時し、予め測定されている被検体２の厚みｔを用いて、被検体２の音速Ｃ＝ｔ／ｓが得られる。次に、別の密度測定装置を用いて、被検体２の重量、体積を測定して、被検体２の密度ρを求める。そして、先に測定した音速Ｃと密度ρを用いて、音響インピーダンスＺを求める。

また、被検体２の反対面に取付られた超音波探触子５を省略して、超音波探触子３で、被検体２の反対面で反射した超音波パルスを受信して、超音波パルスが被検体２を往復する時間を測定して、被検体２の音速Ｃを算出する手法も採用されている（特許文献１、特許文献２参照）。
特開２０００−１０２５３７号公報 特開２０００−２２１０７８号公報

しかしながら、被検体２の厚みｔが非常に薄い場合は、経過時間ｓを高い精度で測定することは非常に難しい。一般に、超音波探触子３、５を被検体２に装着する場合においては、超音波探触子３、５の被検体２に対する良好な音響的接触状態を確保するために、超音波探触子３、５に油等の接触媒質を塗布してから被検体２に装着するようにしている。被検体２の厚みｔが非常に薄い場合には、この油等の接触媒質の膜厚も無視できない。さらに、超音波探触子３、５の被検体２に対する接触状態も常に一定状態に維持するることは困難である。

また、別途、被検体２の密度ρを得るために、検体２の重量、体積を測定する専用の測定装置が必要である。さらに、この被検体の密度ρを測定する測定作業と作業時間が必要である。しかも、この専用の測定装置を用いたとしても、被検体の密度ρを高い精度で測定することは容易でない。

本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、超音波探触子と測定対象の試験体との接触状態を考慮することなく、かつ別途、試験体の密度を測定することなく、超音波を用いて、試験体の音響インピーダンスを、簡単にかつ高い精度で測定できる音響インピーダンス測定装置、及び音響インピーダンス測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解消するために、本発明の音響インピーダンス測定装置は、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を作成して出力する信号発生部と、この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、この送信超音波探触子から出力された超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ前記空間を伝搬する超音波の経路に対して試験体を挿脱自在に支持する試験体取付治具と、試験体が超音波の経路に挿入されない状態の透過波信号の信号値を空気透過音圧として検出する空気透過音圧検出手段と、試験体が超音波の経路に挿入された状態の前記透過波信号の信号値を空気試験体透過音圧として検出する空気試験体透過音圧検出手段と、検出された空気試験体透過音圧を検出された空気透過音圧で除算して、空気、試験体、空気の経路に対する超音波の透過率を算出する透過率算出手段と、この算出された透過率及び既知である空気の音響インピーダンスを用いて、試験体の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス算出手段とを備えている。

また、別の発明の音響インピーダンス測定方法においては、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を送信超音波探触子に印加して超音波に変換して出力する超音波出力ステップと、送信超音波探触子から出力された超音波の経路に空間を介して配設された受信超音波探触子でもって送信超音波探触子から出力された超音波を透過波信号に変換して出力する第１の超音波入力ステップと、この第１の超音波入力ステップで出力された透過波信号の信号値を空気透過音圧として検出する空気透過音圧検出ステップと、送信超音波探触子から出力された超音波の経路の空間、挿入した試験体及び空間を介して配設された受信超音波探触子でもって送信超音波探触子から出力された超音波を入力して、透過波信号を出力する第２の超音波入力ステップと、この第２の超音波入力ステップで出力された透過波信号の信号値を空気試験体透過音圧として検出する空気試験体透過音圧検出ステップと、検出された空気試験体透過音圧を前記検出された空気透過音圧で除算して、空気、試験体、空気の経路に対する超音波の透過率を算出する透過率算出ステップと、この算出された透過率及び既知である空気の音響インピーダンスを用いて、試験体の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス算出ステップとを備えている。

このように構成された音響インピーダンス測定装置、及び音響インピーダンス測定方法においては、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを空間を介して対向配置するとともに、その空間内に試験体を挿脱可能としている。そして、試験体を挿入した状態の超音波の経路（「空気」→「試験体」→「空気」）で得られる合計の透過率は、空気の音響インピーダンスと試験体の音響インピーダンスとの関数で示すことが可能である。

そして、（「空気」→「試験体」→「空気」）の経路で得られる合計の透過率は、（「空気」→「試験体」→「空気」）の経路を透過した超音波の透過波信号値を、空気のみを透過した超音波の透過波信号値で除算することによって実測することが可能である。空気の音響インピーダンスは既知であるので、（「空気」→「試験体」→「空気」）の経路で得られる合計の透過率に含まれる試験体の音響インピーダンスを計算によって算出できる。

したがって、試験体の音速、密度、厚みの測定を実施する必要がないので、試験体の音響インピーダンスを簡単に測定できる。

また、信号発生部から出力される矩形波バースト信号は、従来の一つ（１周期分）のサイン波からなるパルス信号ではなくて、例えば、図２に示すように、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号である。このように、送信超音波探触子内の振動子に印加するパルス信号を連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号とすることによって、振動子における電気信号の超音波への高い変換効率を実現できる。

したがって、たとえ送信超音波探触子と試験体との間に超音波の減衰率が大きい、すなわち、音響インピーダンスが小さい「空気」が介在したとしても、試験体に対して、十分なレベルの超音波を印加できる。その結果、受信超音波探触子から出力される透過波信号の信号レベルも十分確保できる。

本発明においては、超音波探触子と測定対象の試験体との接触状態を考慮することなく、かつ別途、試験体の音速、密度を測定することなく、超音波を用いて、試験体の音響インピーダンスを、簡単にかつ高い精度で測定できる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係わる音響インピーダンス測定方法が適用される音響インピーダンス測定装置の概略構成を示す模式図である。この実施形態の音響インピーダンス測定装置は、大きく分けて、図２に示す矩形波バースト信号ａを出力するとともに透過波信号ｂ（ｂ₁、ｂ₂）を入力するパルス送受信器１０と、送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３と試験体１１とが組込まれた試験体取付治具１４と、受信超音波探触子１３から出力されパルス送受信器１０で増幅された透過波信号ｂ（ｂ₁、ｂ₂）に基づいて、試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を算出すると共に、パルス送受信器１０に各種設定を行う測定制御器１５とで構成されている。

パルス送受信器１０内には、図２に示す矩形波バースト信号ａを作成する信号発生部１６、信号発生部１６から出力された矩形波バースト信号ａを信号ケーブル１７を介して送信超音波探触子１２へ送信する送信部１８、受信超音波探触子１３から信号ケーブル１９を介して透過波信号ｂ（ｂ₁、ｂ₂）を受信する受信部２０、受信した透過波信号ｂ（ｂ₁、ｂ₂）を増幅して測定制御器１５へ送出する増幅部２１が設けられている。

前述したように、信号発生部１６は、図２に示す個数Ｎの矩形波３０からなる矩形バースト信号ａを作成して送信部１８を介して送信超音波探触子１２へ送信する。この矩形バースト信号ａの波数Ｎを含む各種設定値は、測定制御器１５における測定条件設定部３２にて指定される。

すなわち、測定条件設定部３２は、操作者の操作部３１を介した指示に基づいて、図２に示す矩形波バースト信号ａにおける電圧Ｖ_H、周波数ｆ、波数Ｎの測定条件をパルス送受信器１０の信号発生部１６へ送出する。具体的には、電圧Ｖ_Hは矩形波バースト信号ａにおける負の矩形波３０の電圧であり、例えば、最大６００Ｖ（ボルト）まで設定可能である。周波数ｆは、図３に示す送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３における送信超音波探触子１２内の振動子２８に印加する矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波３０の周期Ｔｅに対応する周波数ｆ（＝１／２πＴｅ）に設定される。また、波数Ｎは、矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波３０の数に設定する。

送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３とは同一構成であり、図３に示すように、下端開口２６を有する金属製の筒状ケース２７の下端開口２６近傍に振動子２８が配設されている。この振動子２８の下方、すなわち、超音波パルスｃ、ｄの入出力側に振動子２８と空気２４との間の音響インピーダンスの急激な変化を抑制するための多孔性構造を有した樹脂材料からなる前面板２９が取付けられている。

試験体取付治具１４においては、ベース２２の上面の両端位置に、支持部材２３ａ、２３ｂが固定されており、この支持部材２３ａ、２３ｂの上端にそれぞれ、送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３とが、空気２４が充満した所定の空間を介して互いに、対向するように固定されている。さらに、ベース２２の上面の中間位置に、送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３における超音波の経路に対して試験体１１を挿脱可能に支持する移動支持部２５が取付けられている。図１に示すように、移動支持部２５上方へ移動させると、試験体１１が超音波の経路に入る。また移動指示部２５を矢印で示す下方へ移動させると、試験体１１が超音波の経路から外れる。

このような構成の試験体取付治具１４において、操作者は、移動支持部２５を下方へ移動させて試験体１１を超音波の経路から外すと共に、操作部３１を操作して、測定制御器１５内の空気レベル検出部３３及び空気試験体レベル検出部３４のうちの空気レベル検出部３３を動作可能に設定する。

この状態において、パルス送受信器１０からの矩形波バースト信号ａが印加された送信超音波探触子１２から空気２４中へ出力された超音波パルスｃはそのまま受信超音波探触子１３へ入力する。そして、この「空気２４」を透過した超音波パルスｃはこの受信超音波探触子１３で空気透過波信号ｂ₁に変換される。この空気透過波信号ｂ₁はパルス送受信器１０の受信部２０で受信され、増幅部２１で増幅された後、測定制御器１５内の稼働状態の空気レベル検出部３３へ入力される。空気レベル検出部３３は、入力された空気透過波信号ｂ₁の信号レベルを１Ｖ（ボルト）を基準レベルとするデシベル単位（ｄＢ）で検出して、空気透過音圧レベルＧ_Aとして、演算処理部３５内の検出レベルメモリ３６へ書込む。空気透過音圧レベルＧ_Aは、空気透過波信号ｂ₁の実際のリニアの信号値Ｂ_A（ボルト）とを用いて表すと、(4)式となる。

Ｇ_A（ｄＢ）＝２０log₁₀（Ｂ_A／１） …(4)
次に、操作者は、図１に示すように、移動支持部２５を上方へ移動させて試験体１１を超音波の経路に挿入すると共に、操作部３１を操作して、測定制御被器１５内の空気レベル検出部３３及び空気試験体レベル検出部３４のうちの空気試験体レベル検出部３４を動作可能に設定する。

この状態において、パルス送受信器１０からの矩形波バースト信号ａが印加された送信超音波探触子１２から出力された超音波パルスｃは（「空気２４」→「試験体１１」→「空気２４」）の経路を透過した超音波パルスｄとして受信超音波探触子１３へ入力する。そして、この（「空気２４」→「試験体１１」→「空気２４」）の経路を透過した超音波パルスｄはこの受信超音波探触子１３で空気試験体透過波信号ｂ₂に変換される。この空気試験体透過波信号ｂ₂はパルス送受信器１０の受信部２０で受信され、増幅部２１で増幅された後、測定制御器１５内の稼働状態の空気試験体レベル検出部３４へ入力される。

空気試験体レベル検出部３４は、入力された空気試験体透過波信号ｂ₂の信号レベルを１Ｖ（ボルト）を基準レベルとするデシベル単位（ｄＢ）で検出して、空気試験体透過音圧レベルＧ_AMとして、演算処理部３５内の検出レベルメモリ３７へ書込む。空気試験体透過音圧レベルＧ_AMは、空気試験体透過波信号ｂ₂の実際のリニアの信号値Ｂ_AM（ボルト）とを用いて表すと、(5)式となる。

Ｇ_AM（ｄＢ）＝２０log₁₀（Ｂ_AM／１） …(5)
試験体透過率算出部３９は、各検出メモリ３６、３７に書込まれた空気試験体透過音圧レベルＧ_AM、空気透過音圧レベルＧ_Aを用いて、デシベル単位（ｄＢ）で示した（「空気２４」→「試験体１１」→「空気２４」）の経路の透過率Ｔ_AMを算出する。

Ｔ_AM（ｄＢ）＝Ｇ_AM―Ｇ_A …(6)
この(6)式で示される透過率Ｔ_AMは、後述するように、理論的に、空気２４の音響インピーダンスＺ₁と試験体１１の音響インピーダンスＺ₂の関数で表現できる。

音響インピーダンス算出部４０は、（「空気２４」→「試験体１１」→「空気２４」）の経路の透過率Ｔ_AMから既知の空気２４の音響インピーダンスＺ₁を用いて、目的とする「試験体１１」の音響インピーダンスＺ₂に換算する。音響インピーダンス算出部４０は、算出した試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を表示部３８に表示出力する。

表示部３８は、算出された試験体１１の音響インピーダンスＺ₂の他に、図４（ａ）に示す信号発生部１６から出力された矩形波バースト信号ａ、図４（ｂ）に示す増幅部２１で増幅された、空気透過波信号ｂ₁、空気試験体透過波信号ｂ₂等を表示する。さらに、表示部３８は、検出された、空気透過音圧レベルＧ_A、空気試験体透過音圧レベルＧ_AMとを表示する。

次に、上述した非接触で試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を測定する測定原理を、図５を用いて説明する。

矩形波バースト信号ａが印加された送信超音波探触子２１から超音波パルスｃが出力される。この超音波パルスｃは空気２４中を経由して、試験体１１のＡ面に入射して、この試験体１１内を透過する。試験体１１内を透過しＢ面から出射した超音波パルスｄは、再び空気２４中を経由して、受信超音波探触子１３へ入射されて、空気試験体透過波信号ｂ₂に変換される。

ここで、空気２４と試験体１１の各音響インピーダンスをＺ₁、Ｚ₂とし、（空気→試験体）の超音波の透過率Ｔ₁₂、（試験体→空気）の超音波の透過率Ｔ₂₁とし、さらに、空気２４と試験体１１間の超音波の反射率Ｒ₁₂、試験体１１と空気２４間の超音波の反射率Ｒ₂₁とする。

各反射率Ｒ₁₂、Ｒ₂₁は、前述したように、各音響インピーダンスをＺ₁、Ｚ₂を用いて(7)、(8)式で示される。

Ｒ₁₂＝（Ｚ₂―Ｚ₁）／（Ｚ₂＋Ｚ₁） …(7)
Ｒ₂₁＝（Ｚ₁―Ｚ₂）／（Ｚ₂＋Ｚ₁）＝−Ｒ₁₂ …(8)
さらに、各透過率Ｔ₁₂、Ｔ₂₁は、各反射率Ｒ₁₂、Ｒ₂₁を用いて(9)、(10)式で示される。

Ｔ₁₂＝１＋Ｒ₁₂ …(9)
Ｔ₂₁＝１＋Ｒ₂₁ …(10)
さらに、（空気→被検体→空気）の経路に対する超音波の透過率Ｔ₁₂₁は、(11)式で示すように、各透過率Ｔ₁₂、Ｔ₂₁の積で示される。

Ｔ₁₂₁＝Ｔ₁₂×Ｔ₂₁＝（１＋Ｒ₁₂）（１＋Ｒ₂₁）＝（１＋Ｒ₁₂）（１―Ｒ₁₂）
＝４Ｚ₁・Ｚ₂／（Ｚ₂＋Ｚ₁）²
…(11)
このように、図５における（空気２４→試験体１１→空気２４）の経路に対する超音波の透過率Ｔ₁₂₁は、(11)式に示すように、空気２４と試験体１１の各音響インピーダンスをＺ₁、Ｚ₂で定まる。

次に、この（空気２４→試験体１１→空気２４）の経路に対する超音波の透過率Ｔ₁₂₁を実際に測定するには、図５で示すように、試験体１１を超音波の経路に介在させた状態において、受信超音波探触子１３から出力される空気試験体透過波信号ｂ₂の信号値Ｄ_AM(デシベル単位で表記するとＧ_AM)を測定する。次に、試験体１１を超音波の経路から外した状態において、受信超音波探触子１３から出力される空気透過波信号ｂ₁の信号値Ｄ_A(デシベル単位で表記するとＧ_A)を測定する。

そして、両信号値の比が超音波の透過率Ｔ₁₂₁を示す。

透過率Ｔ₁₂₁＝Ｄ_AM／Ｄ_A …(12)
また各信号値Ｄ_AM、Ｄ_Aがデシベル単位[ｄＢ]で表記されている場合においては、測定された空気試験体透過波信号ｂ₂の信号レベルＧ_AMから空気透過波信号ｂ₁の信号レベルＧ_Aを減算する。

透過率Ｔ₁₂₁（ｄＢ）＝Ｇ_AM―Ｇ_A …(13)
このようにして、(1１)式に示す透過率Ｔ₁₂₁が実測されると、(1１)式における空気２４の音響インピーダンスＺ₁は、前述したように、固定値
Ｚ₁＝０．０００４４２×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
であるので、(11)式は目標とする試験体１１の音響インピーダンスＺ₂に対する線形二次方程式となり、
Ｚ₂ ²＋（２Ｚ₁―４Ｚ₁／Ｔ₁₂₁）Ｚ₂＋Ｚ₁ ²＝０ ……(14)
図１の測定制御器１５の演算処理部１５の試験体透過率算出部３９、及び音響インピーダンス算出部４０にて、目標とする試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を算出している。

なお、透過率Ｔ₁₂₁をデシベル単位[ｄＢ]で測定した場合には、通常の線形データに変換したのち、(14)式を計算して、試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を算出する。

次に、このように構成された音響インピーダンス測定装置で、複数の物質に対する音響インピーダンスＺ₂の測定結果を図６の測定結果の対比テーブルを用いて説明する。

試験体１１として、木材、ジュラコン、アクリル、ＣＰＲＦ（炭素繊維強化プラスチックス）、アルミニュウム、ＳＵＳ（ステンレス）板を採用した。

図６の測定結果の対比テーブルの音響インピーダンス欄４１における、木材、ジュラコン、アクリル、ＣＰＲＦの各音響インピーダンス（×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ）は、材料ハンドブック等に記載されている当該物質の密度ρ、音速Ｃを(1)式に代入して求めた、当該物質の基準となる正規の音響インピーダンスＺである。また、音響インピーダンス欄４１における、アルミニュウム、ＳＵＳ（ステンレス）板の音響インピーダンスは、非破壊検査便覧に記載された当該物質の基準となる正規の音響インピーダンスＺである。

そして、１番の木材から６番のＳＵＳ板までの６個の各試験体１１を試験体取付治具１４に装着して、この各試験体１１を超音波の経路に対して挿入した状態、及び取外した状態で、空気試験体透過波信号ｂ₂の信号レベルＧ_AM、及びら空気透過波信号ｂ₁の信号レベルＧ_Aを測定し、(13)式に示す、デシベル単位（ｄＢ）の透過率Ｔ₁₂₁（ｄＢ）（＝Ｇ_AM―Ｇ_A）を算出して、図６の透過率（単位ｄＢ）の実験値欄４２に示す。

さらに、１番の木材から６番のＳＵＳ板までの６個の各試験体１１における。１番から６番までの音響インピーダンス欄４１に記載した当該物質の基準となる正規の音響インピーダンスＺ₂を読出す。また、予め材料ハンドブック等からた空気２４の音響インピーダンスＺ₁（＝０．０００４４２×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ）を準備する。

そして、前述した（11）式に、該当材質の正規の音響インピーダンスＺ₂及び空気２４の音響インピーダンスＺ₁を代入して、該当材質の空気２４、試験体１１、空気２４の透過率Ｔ₁₂₁を算出して、算出結果をデシベル単位（ｄＢ）に変換する。そして、このデシベル単位（ｄＢ）の計算した透過率Ｔ₁₂₁（単位ｄＢ）（＝４Ｚ₁・Ｚ₂／（Ｚ₂＋Ｚ₁）²）を図６の透過率（単位ｄＢ）の計算値欄４３に示す。

この図６の測定結果の対比テーブルにおける実験値欄４２、計算値欄４３からも明らかなように、１番から６番までの物質の各試験体１１における実施形態装置で測定された透過率の実験値（Ｔ₁₂₁（ｄＢ）（＝Ｇ_AM―Ｇ_A））は、既知の各音響インピーダンスＺ₁、Ｚ₂の値から算出した透過率の計算値Ｔ₁₂₁（単位ｄＢ）（＝４Ｚ₁・Ｚ₂／（Ｚ₂＋Ｚ₁）²）にほぼ一致することが確認できた。

図７は、図６の測定結果の対比テーブルにおける１番から６番までの各物質の空気２４、試験体１１、空気２４の経路の透過率の実検値（Ｔ₁₂₁（ｄＢ）（＝Ｇ_AM―Ｇ_A））から、(14)式の線形二次方程式を用いて算出した各物質（各試験体１１）の音響インピーダンスＺ₂の実験値と、透過率の実検値との関係を、縦軸を透過率とし横軸を音響インピーダンスとするグラフ上に黒丸で表示している。

例えば、５番のアルミニュウムの場合、透過率の実検値（Ｔ₁₂₁（ｄＢ）（＝Ｇ_AM―Ｇ_A））＝―７９．２ｄＢであり、線形の比に変換すると、Ｔ₁₂₁＝０／０００１１となる。透過率Ｔ₁₂₁を(14)式の線形二次方程式に代入して、アルミニュウムの音響インピーダンスＺ₂＝１６．１×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓが測定結果として得られる。この測定結果は、図６の音響インピーダンス欄４１における当該材質の基準となる正規の音響インピーダンスＺ＝１７．１×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓに近似している。

前述した(11)式は、空気２４の音響インピーダンスＺ₁を定数とみなすと、透過率Ｔ₁₂₁は、試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を変数とする二次関数で表現できる。したがって、透過率Ｔ₁₂₁と試験体１１の音響インピーダンスＺ₂との関係を示す理論特性が存在する。そして、各物質の測定された透過率と音響インピーダンスＺ₂の実験値とを示す黒丸は、図７に示す理論特性上に乗るのが望ましい。図７に示すように、各物質の実測値は理論特性に近似していることが実証された。

以上説明したように、実施形態の音響インピーダンス測定装置、及び音響インピーダンス測定方法においては、試験体１１の音速Ｃ、密度ρ、厚みｔの測定を実施する必要がないので、別途これ等を測定する測定装置を用いることなく、試験体１１の音響インピーダンスＺ₂を超音波を用いて簡単にかつ高い精度で測定できる。

本発明の一実施形態に係わる音響インピーダンス測定方法が適用される音響インピーダンス測定装置の概略構成図 波形バースト信号を示す図 超音波探触子の断面図 表示部に表示された各信号の波形図 音響インピーダンスの測定原理を説明するための図 各物質の測定結果の一覧を示す図 各物質の測定された音響インピーダンスと透過率との関係を示す図 物質の境界面における超音波の反射及び透過の各動作を示す図 従来の音響インピーダンスの測定方法を示す図

符号の説明

１０…パルス送受信器、１１…試験体、１２…送信超音波探触子、１３…受信超音波探触子、１４…試験体取付治具、１５…測定制御器、１６…信号発生部、１７，１９…信号ケーブル、１８…送信部、２０…受信部、２１…増幅部、２４…空気、２８…振動子、３０…矩形波、３１…操作部、３２…測定条件設定部、３３…空気レベル検出部、３４…空気試験体レベル検出部、３５…演算処理部、３６，３７…検出レベルメモリ、３８…表示部、３９…試験体透過率算出部、４０…音響インピーダンス算出部

Claims (2)

1. 連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を作成して出力する信号発生部と、
   この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、
   この送信超音波探触子から出力された超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   前記送信超音波探触子と前記受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ前記空間を伝搬する前記超音波の経路に対して試験体を挿脱自在に支持する試験体取付治具と、
   前記試験体が前記超音波の経路に挿入されない状態の前記透過波信号の信号値を空気透過音圧として検出する空気透過音圧検出手段と、
   前記試験体が前記超音波の経路に挿入された状態の前記透過波信号の信号値を空気試験体透過音圧として検出する空気試験体透過音圧検出手段と、
   前記検出された空気試験体透過音圧を前記検出された空気透過音圧で除算して、空気、試験体、空気の経路に対する超音波の透過率を算出する透過率算出手段と、
   この算出された透過率及び既知である空気の音響インピーダンスを用いて、前記試験体の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス算出手段と
   を備えたことを特徴とする音響インピーダンス測定装置。
2. 連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を送信超音波探触子に印加して超音波に変換して出力する超音波出力ステップと、
   前記送信超音波探触子から出力された超音波の経路に空間を介して配設された受信超音波探触子でもって前記送信超音波探触子から出力された超音波を透過波信号に変換して出力する第１の超音波入力ステップと、
   この第１の超音波入力ステップで出力された透過波信号の信号値を空気透過音圧として検出する空気透過音圧検出ステップと、
   前記送信超音波探触子から出力された前記超音波の経路の空間、挿入した試験体及び空間を介して配設された前記受信超音波探触子でもって前記送信超音波探触子から出力された超音波を入力して、透過波信号を出力する第２の超音波入力ステップと、
   この第２の超音波入力ステップで出力された透過波信号の信号値を空気試験体透過音圧として検出する空気試験体透過音圧検出ステップと、
   前記検出された空気試験体透過音圧を前記検出された空気透過音圧で除算して、空気、試験体、空気の経路に対する超音波の透過率を算出する透過率算出ステップと、
   この算出された透過率及び既知である空気の音響インピーダンスを用いて、前記試験体の音響インピーダンスを算出する音響インピーダンス算出ステップと
   を備えたことを特徴とする音響インピーダンス測定方法。

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