JP2010071888A - レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被検査体に超音波発生用パルスレーザ光を照射して板波を発生させる超音波発生用レーザ光源11と、被検査体に超音波検出用レーザ光を照射して板波を検出する超音波検出用レーザ光源12と、超音波発生用パルスレーザ光を回折させて、被検査材の表面に回折光を照射する回折格子14と、回折光の照射により発生した板波を周波数解析することで、非対称波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出部61と、超音波発生用レーザ光の直接照射により発生した板波を周波数解析することで、対称波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出部62と、各算出値に対応する縦波音速及び横波音速を算出する横波縦波音速算出部63と、を備えるレーザ超音波検出装置10cを提供する。
【選択図】図10
Description
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。
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
本発明のレーザ超音波測定装置は、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、上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、上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、上記パルスレーザ光を断面形状が線状のビームに変換した後に、上記被検査体上に回折格子で複数の線状スポットの干渉縞を生成して照射する第1の照射光学系と、上記パルスレーザ光を上記被検査体上に点状スポットで集光・照射する第2の照射光学系と、上記第1の照射光学系により生成した複数の線状スポットにより発生され、被検査体内を該線状スポットの配列方向に伝播した板波超音波、及び上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板波超音波それぞれを別々に検出するために、上記連続波レーザ光を被検査体上の所定の検査点に集光・照射し、そのレーザ反射光を上記干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、上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、上記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の音速を導出する信号処理部とを具備し、上記信号処理部は、上記第1の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、周波数解析をして非対称波板波の周波数を算出する非対称波板波周波数算出部と、上記第2の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波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出部と、上記非対称波板波の周波数、及び、上記対称波板波の周波数に基づき、所定の式を用いて横波音速及び縦波音速を算出する横波縦波音速算出部と、を備えることを特徴とする。
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、非対称の波形を有する板波であり、対称板波板波とは対称波の波形を有する板波である(なお、対称波板波及び非対称波板波と、それらを構成する縦波及び横波との関係は、後述する図3及び数式1〜3によって示される)。
本実施形態においては、非対称波板波測定及び縦波音速測定毎に適したレーザ超音波測定装置を用いることで、板波の縦波音速及び横波音速を検出する。
図1(a)は、本実施の形態におけるレーザ超音波測定装置の第1の構成配置10aの概略構成を示す図である。レーザ超音波測定装置の第1の構成配置10aは、非対称波板波の超音波を被検査体5に発生させて、当該非対称波板波の検出を目的とするものである。
図1(b)は、被検査体5の上から見た平面図である。(a)に示すように、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のレーザで、所定の繰り返し周期でパルスレーザ光を発射する。超音波発生用レーザ光源11から発せられたパルスレーザ光は、シリンドリカルレンズ43で断面形状が線状のビーム(線状光)に変換されたのち、回折格子14にて回折され、被検査体5に複数の線状スポットとして照射される。シリンドリカルレンズ43と回折格子により第1の照射光学系が構成される。
回折格子14は、例えば透明なガラスに細い線状パターンが多数平行に設けられたもので、これに照射されたレーザビームは、それぞれの線状パターンによって回折して、被検査体5の表面上で複数の線状スポットからなる干渉縞が形成され、その複数の線状スポットにより被検査体5の表面が加熱されて板波超音波(以下では板波とも記す)Wとして超音波が発生する。
被検査体5:厚さ(d)0.5mm×長さ(l)50mm×幅(w)50mm、被検査体の材質(鋼種、SS400)
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)、パルス幅、10ns
レーザパルスエネルギ密度:2.5mJ/mm2(アブレーションと熱弾性の中間領域)
干渉縞:ピッチp1.0mm、干渉縞の数:5本
発生点(干渉縞3本目)から検出点6の距離:15mm
検出点6から被検査体エッジの距離10mm
図2(a)に図示した板波を検知した電気信号の波形の領域71に板波によるピークが現れる。図2(a)の板波の電圧信号の波形は、アナログ信号をA/D変換してディジタル信号化してコンピュータに取り込んでディスプレー画面上に表示した図である。この検出された板波の波長は、干渉縞のピッチと同じ1.0mmである。また、領域72には、当該測定で用いた被検査体5の形状より、被検査体5のエッジから反射した板波の反射波である。
このように、レーザ超音波測定装置の第1の構成配置10aを用いて、板波の周波数並びに板波速度を検出することができる。なお、後述するように、当該周波数及び板波速度は、非対称波板波の周波数及び板波速度である。
図3を用いて、対称波板波及び非対称波板波の複数のモードの分散関係の計算値の一例を、横軸を周波数×被検査体の厚さ、縦軸を板波速度として示す。ここでは、図3に示す板波モードの分散関係を用いて、図2の装置で検出した板波が非対称波板波であることを示す。
上記非特許文献4には、板波を構成する縦波音速及び横波音速を計算するための計算式が記載されている。上記非特許文献4では、非対称波モードの板波An(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、対称波モードの板波Sn(nは整数)は、下記に示す数式2によって「速度」と「振動数×厚さ」の関係で示される。なお、以下では非対称波(対称波)板波モードを単に非対称波(対称波)板波とも記す。
さらに、上記非特許文献4では、板波の縦波音速と横波音速によって決まるポアソン比νを数式3のように示している。
図3に示す実線は各板波のモードの位相速度、破線は各板波のモードの群速度を示し、各板波のモードにおける実線及び波線は、数式1及び2を解くことによって求められる。
そこで、c=2.0fdの関係式を鎖線74として図3上に示す。鎖線74(λ/d=2.0は)は、非対称波板波(An)のうち実線で示されるA0モードと交わる。
一方、図2(b)の矢印73で示すスペクトルの周波数は、2.5MHzである。上記実施例では、被検査体5の厚さd=0.5mmであるため、図3にこの検出スペクトルの板波周波数fd=1.25(MHz・mm)を直線75で示す。この直線75と、鎖線74との交点76は、A0モードの関係線上近傍にあることから、図2で示した板波は、A0モードの非対称波板波であることがわかる。
しかしながら、直線75と鎖線74との交点76は、対称波板波モードSn上には無い。そのため、上記実施例では、対称波板波が検出できないことがわかる。
このように、上記非特許文献4に記載の板波の理論によると、発生が推認される対称波板波Snは、上記実施例に係るレーザ超音波測定装置では検出できないことが分かる。
図4(a)は、本実施の形態におけるレーザ超音波測定装置の第2の構成配置10bの概略構成を、被検査体5の側面から見た図である。レーザ超音波測定装置の第2の構成配置10bは、対称波板波を被検査体5に発生させて、当該対称波板波を検出するための配置であって、対称波板波の測定を目的とするものである。
レーザ超音波測定装置10aは、非対称波板波を生成するために、回折格子14を用いていたが、レーザ超音波測定装置10bは、検出点6にパルスレーザを照射することで、検出点で厚さ方向に振動を繰り返す群速度0の状態にある対称波板波の検出を行う。
被検査体5:厚さ(d)1.7mm×長さ(l)130mm×幅(w)30mm、被検査体(鋼鉄、SS400)
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:1.5mJ/mm2(熱弾性領域)
超音波検出用レーザ光源:500mW、532nm
検出レーザビームスポット:直径1mm
図5(a)及び(c)は、ノイズ波形を示したものになる。図5(d)に示すように、パルスレーザ光の照射により、1.65Mhzに周波数スペクトル76を検出することができる。この検出されたスペクトルは、時間波形では識別できない対称波形を構成する周波数成分である。
再び図3を参照すると、77で示すように群速度0における最小周波数はS1モードである。これより、検出した共振周波数は、S1モードの群速度0の周波数であることがわかる。
図3並びに図6に示されるように、群速度が零になるとき、位相速度は∞に漸近する。そのため、S1モードの位相速度を∞とせずに、例えば、8,000m/sと近似することで、S1モードにおける検出周波数と位相速度の特定値を得ることができる。
図7及び8を用いて、縦波音速VL及び横波音速VSの数値解析例を示す。
図7は、非対称波板波の数式1を用いて算出したA0モード波の周波数と位相速度の関係をシミュレーションした結果を示す。シミュレーションしたケースは以下の4通りである。
ケース1(実線):VL=5200m/s、ν=0.29
ケース2(鎖線):VL=5000m/s、ν=0.29
ケース3(一転鎖線):VL=4800m/s、ν=0.29
ケース4(点線):VL=5000m/s、ν=0.324
図示されるように、縦波音速と横波音速を操作変数として位相速度と周波数を求めることで、A0モード波をシミュレーションできる。
このように、縦波音速VL及び横波音速VSの数値解析例として、予め理論値にしたがう縦波音速VL及び横波音速VS毎の複数ケースを用意しておき、検出値との誤差が一定値未満になるケースを特定することで、板波の縦波音速と横波音速を特定することができる。
最初に、レーザ超音波測定装置10aの形態で、信号処理部60は、検出光から得た時間波形をフーリエ変換して、板波A0モードの板波周波数A0−f(r)(MHz)、並びに、周波数から板波A0モードの板波位相速度A0−v(r)(m/s)を算出する(ステップS101)。
信号処理部60には、入力パラメータとして、被検査体5の厚みd(mm)、算出した周波数A0−f(r)(MHz)、位相速度A0−v(r)(m/s)、周波数S1−f(r)(MHz)が入力される(ステップS103)。
さらに、信号処理部60には、任意の計算パラメータとして、縦波速度VL、横波速度VSの計算開始速度、終了速度、計算ステップ(ΔVL及びΔVS)が入力される(ステップS104)。
次に、ステップS105で求めた理論値(周波数A0−f(p)、位相速度A0−f(p)、及び周波数S1−f(p))と、ステップS101及びS102で算出された検出値(周波数A0−f(r)、位相速度A0−v(r)、及び周波数S1−f(r))との誤差をそれぞれ計算する(ステップS106)。
誤差が、閾値以内に無い場合(ステップS107)は、計算ステップ(ΔVL及びΔVS)分、縦波音速VL及び横波音速VSをそれぞれ増加させて(ステップS108)、再度ステップS104及びS105を繰り返す。
誤差が、閾値以内にある場合(ステップS107)は、そのときの縦波音速VL及び横波音速VSを解析値と設定して、計算を終了する。
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、シリンドリカルレンズ43で断面形状が線状のビーム(線状ビーム)にしたのち、回折格子14により回折され、被検査体5に複数の線状スポットとして照射される。
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。超音波検出用レーザ光源12としては、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、FP干渉計13に入射する。
信号処理部60は、プロセッサから構成され、且つ上記した算出部61〜63は、プロセッサが、図示されないメモリに格納されたプログラムを実行することにより実装しても良い。上記算出部の算出結果は、表示装置19に出力できる。
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適用可能である。
6 検出点
10a レーザ超音波測定装置
10b レーザ超音波測定装置
10c 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 ファブリペロー干渉計
15 ミラー駆動部
18 発振制御部
19 表示装置
20 光検出器
50 制御部
60 信号処理部
61 非対称波板波周波数算出部
62 対称波板波周波数算出部
63 縦波横波音速算出部
Claims (4)
- 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断面形状が線状のビームに変換した後に、前記被検査体上に回折格子で複数の線状スポットの干渉縞を生成して照射する第1の照射光学系と、
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集光・照射する第2の照射光学系と、
前記第1の照射光学系により生成した複数の線状スポットにより発生され、被検査体内を該線状スポットの配列方向に伝播した板波超音波、及び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板波超音波それぞれを別々に検出するために、前記連続波レーザ光を被検査体上の所定の検査点に集光・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、被検査体の音速を導出する信号処理部とを具備し、
前記信号処理部は、
前記第1の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、周波数解析をして非対称波板波の周波数を算出する非対称波板波周波数算出部と、
前記第2の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波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出部と、
前記非対称波板波の周波数、及び、前記対称波板波の周波数に基づき、所定の式を用いて横波音速及び縦波音速を算出する横波縦波音速算出部と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定装置。 - 前記非対称波板波周波数算出部は、前記第1の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A0非対称波板波モードの周波数を導出し、該非対称波板波の周波数と前記複数の線状スポットのピッチとからA0非対称板波モードの位相速度を算出するものであり、
対称波板波周波数算出部は、前記第2の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、周波数解析をして群速度ゼロのS1対称波板波モードの周波数を導出するものであり、
前記横波縦波音速算出部は、前記A0非対称波板波モードの周波数及び位相速度、並びに、前記群速度ゼロのS1対称波板波モードの周波数を用いて、所定の超音波伝播の理論式に基づき繰り返し演算を実施して横波音速及び縦波音速を導出す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。 - 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断面形状が線状のビームに変換した後に、前記被検査体上に回折格子で複数の線状スポットの干渉縞を生成して照射する第1のレーザ光照射工程と、
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集光・照射する第2のレーザ光照射工程と、
前記第1のレーザ光照射工程により生成した複数の線状スポットにより発生され、被検査体内を該線状スポットの配列方向に伝播した板波超音波、及び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板波超音波それぞれを別々に検出するために、前記連続波レーザ光を被検査体上の所定の検査点に集光・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、被検査体の音速を導出する信号処理工程とを具備し、
前記信号処理工程は、
前記第1のレーザ光照射工程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、周波数解析をして非対称波板波の周波数を算出する非対称波板波周波数算出工程と、
前記第2のレーザ光照射工程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波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出工程と、
前記非対称波板波の周波数、及び、前記対称波板波の周波数に基づき、所定の式を用いて横波音速及び縦波音速を算出する横波縦波音速算出工程と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定方法。 - 前記非対称波板波周波数算出工程は、前記第1のレーザ光照射工程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A0非対称波板波モードの周波数を導出し、該A0非対称波板波モードの周波数と前記複数の線状スポットのピッチとからA0非対称板波モードの位相速度を算出し、
前記対称波板波周波数算出工程は、前記第2のレーザ光照射工程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、周波数解析をして群速度ゼロのS1対称波板波モードの周波数を導出し、
前記横波縦波音速算出工程は、前記A0非対称波板波モードの周波数及び位相速度、並びに、前記S1対称波板波モードの周波数を用いて、所定の超音波伝播の理論式に基づき繰り返し演算して横波音速及び縦波音速を導出することを特徴とする請求項3に記載のレーザ超音波測定方法。
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