JP2011141236A - 減衰材の肉厚算出方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】金属材1と減衰材2を備える複合構造体3に対して超音波を発信する超音波探触子4a,4bと、超音波探触子4a,4bからの信号を処理する信号演算部7と、信号演算部7からのデータを処理する肉厚算出部8とを備える減衰材の肉厚算出装置であって、
超音波探触子4a,4bは、金属材1からの多重反射が低減する周波数以下で超音波を発振し、
信号演算部7は、減衰材2の肉厚を測定する際に、超音波による反射エコーの信号をウェーブレット解析して特定周波数成分を抽出し、
肉厚算出部8は、特定周波数成分での信号に基づいて減衰材2の肉厚を算出するように構成される。
【選択図】図1
Description
超音波探触子から発振する超音波の周波数を、金属材からの多重反射が低減する周波数以下にし、
減衰材の肉厚を測定する際には、超音波による反射エコーの信号をウェーブレット解析して特定周波数成分を抽出し、該特定周波数成分での信号に基づいて減衰材の肉厚を算出するものである。
f≦v/8T
v:金属材の材料音速(m/s)
T:金属材の厚さ(m)
の条件にすることが好ましい。
前記超音波探触子は、金属材からの多重反射が低減する周波数以下で超音波を発振し、
前記信号演算部は、減衰材の肉厚を測定する際に、超音波による反射エコーの信号をウェーブレット解析して特定周波数成分を抽出し、
前記肉厚算出部は、特定周波数成分での信号に基づいて減衰材の肉厚を算出するように構成されたものである。
f≦v/8T
v:金属材の材料音速(m/s)
T:金属材の厚さ(m)
の条件にすることが好ましい。
f≦(v/8T)
v:金属材の材料音速(m/s)
T:金属材の厚さ(m)
の条件にしており、更に具体的には、発振する超音波の周波数を20kHz以上500kHz以下、好ましくは40kHz以上200kHz以下にしている。また金属材1の材料音速や厚さは上式に従うならば特に制限されるものではないが、金属材1の材料音速は 3000m/sから8000m/sの範囲、厚さは2mmから10mmの範囲が好ましい。また減衰材2の材料音速は1000m/sから3000m/sの範囲、厚さは5mmから100mmの範囲が好ましい。
以下、減衰材の肉厚や減肉を測定する具体的な一例を示す。一例では、鋼板とゴム板とからなる複合構造体を用いており、複合構造体は、鋼板の厚さを4mmにすると共にゴム板の厚さを50mm、30mm、15mmの3種類にして複数のものを準備した。また送信側の超音波探触子4aと受信側の超音波探触子4bとにおける励起を周波数110KHz、80V、1サイクルの矩形波とした。
以下、超音波探触子から発振する周波数を特定し得るように周波数の選定の第一例を示す。超音波信号のサンプリングの周波数をFs(Hz)としたときの信号採取ピッチΔt(s)は
Δt=1/Fs
であり、このときの減肉計測の分解能Δd(m)は、材料音速をv(m/s)として、
Δd=vΔt/2=v/(2Fs)
Fs=v/(2Δd)
となる。信号処理を行う場合のサンプリング周波数は一般に解析したい周波数の10倍以上が望ましいため、
f<v/(20Δdr)
の周波数で計測する必要がある。(Δdr:要求分解能(m))
よって一例としては、f<v/(20Δdr)を基準にサンプリングの周波数を選定することができる。
以下、超音波探触子から発振する周波数の上限値を特定し得るように周波数の選定の第二例を示す。第二例では、鋼板とゴム板とからなる複合構造体を用いており、複合構造体は、鋼板の厚さを4mmにしたものを用いた。また鋼板とゴム板の境界面の音圧反射率を0.87として周波数を変えて計測した。なお本選択例や実施の形態例では、金属材と減衰材の音響インピーダンスのみを考慮しており、減衰材の厚さに依存していない。
その結果、図5に示す如く周波数500kHz以上では、鋼板での多重反射が観測され、減衰材の肉厚計測、減肉の監視に適用することが困難となった。一方、周波数200kHz以下では、鋼板内の超音波の波長を29.6mm以上、波長(λ)/金属材の厚さ(T)を7.4以上にした条件下で、鋼板での多重反射が低減された。このことから周波数の上限値を200kHzにした場合に減衰材の肉厚計測、減肉の監視に適用できることが明らかである。
以下、超音波探触子から発振する周波数の上限値を特定し得るように周波数の選定の第三例を示す。第三例では、鋼板とゴム板とからなる複合構造体を用いており、複合構造体は、鋼板の厚さを3.7mmにしたものを用いた。また鋼板とゴム板の境界面の音圧反射率を0.87として周波数を変えて計測した。なお同様に本選択例では、金属材と減衰材の音響インピーダンスのみを考慮しており、減衰材の厚さに依存していない。
その結果、図6に示す如く周波数500kHz以上では、第二例と同様に鋼板での多重反射が観測され、減衰材の肉厚計測、減肉の監視に適用することが困難となった。一方、周波数200kHz以下では、鋼板内の超音波の波長を29.6mm以上、波長(λ)/金属材の厚さ(T)を8以上にした条件下で、鋼板での多重反射が低減された。このことから周波数の上限値を200kHzにした場合に減衰材の肉厚計測、減肉の監視に適用できることが明らかである。
λ/T≧8
ここでλは金属材料中での超音波の波長(=音速(v(m/s))/周波数(f(Hz)))、Tは金属材料の厚さ(m)である。
すなわち、
v/(fT)≧8
f≦v/(8T)
の周波数で計測することが好ましい。
以下、発振する周波数の下限値を特定し得るように周波数の選定の第四例を示す。第四例では、周波数200kHzと40kHzにおいて、互いに55μs離れたエコー(材料の音速1800m/sとして約50mmの標準値に相当する)のたたみ込み処理(convolution)を計算する。その結果、周波数200kHzの場合、周波数40kHzの場合には、いずれもピークは55μsの位置に存在する。そして周波数200kHzの場合には、誤差をピークの99%の高さ範囲とすると図7に示す如く±0.1μsの幅となり、0.2%の誤差となる。また周波数40kHzの場合には、誤差をピークの99%の高さ範囲とすると、同様に図8に示す如く±0.5μsの幅となり、0.9%の誤差となる。このことから誤差を2%に抑えるためには、20kHz以上の周波数成分を解析する必要があることが好ましい。
f≦v/8T
v:金属材の材料音速(m/s)
T:金属材の厚さ(m)
の条件にすると、金属材1での重複反射を抑制して減衰材2の反射エコーを適切に取得するので、減衰材2の肉厚を好適に計測することができる。
2 減衰材
3 複合構造体
4a 超音波探触子
4b 超音波探触子
7 信号演算部
8 肉厚算出部(減肉量算出部)
Claims (10)
- 金属材と減衰材を備える複合構造体に対して超音波探触子により超音波を発振し、複合構造体からの反射エコーを用いて減衰材の肉厚を測定する減衰材の肉厚算出方法であって、
超音波探触子から発振する超音波の周波数を、金属材からの多重反射が低減する周波数以下にし、
減衰材の肉厚を測定する際には、超音波による反射エコーの信号をウェーブレット解析して特定周波数成分を抽出し、該特定周波数成分での信号に基づいて減衰材の肉厚を算出することを特徴とする減衰材の肉厚算出方法。 - 減衰材の複数の肉厚と特定周波数成分での信号との相関関係を示す相関データを予め準備し、前記相関データから、特定周波数成分での信号を減衰材の肉厚に換算して減衰材の肉厚を算出することを特徴とする請求項1に記載の減衰材の肉厚算出方法。
- 時間の経過ごとに減衰材の肉厚を測定して減衰材の減肉を監視することを特徴とする請求項1又は2に記載の減衰材の肉厚算出方法。
- 超音波探触子から発振する超音波の周波数f(Hz)を
f≦v/8T
v:金属材の材料音速(m/s)
T:金属材の厚さ(m)
の条件にすることを特徴とする請求項1に記載の減衰材の肉厚算出方法。 - 超音波探触子から発振する超音波の周波数を20kHz以上500kHz以下にすることを特徴とする請求項1に記載の減衰材の肉厚算出方法。
- 金属材と減衰材を備える複合構造体に対して超音波を発信する超音波探触子と、該超音波探触子からの信号を処理する信号演算部と、該信号演算部からのデータを処理する肉厚算出部とを備える減衰材の肉厚算出装置であって、
前記超音波探触子は、金属材からの多重反射が低減する周波数以下で超音波を発振し、
前記信号演算部は、減衰材の肉厚を測定する際に、超音波による反射エコーの信号をウェーブレット解析して特定周波数成分を抽出し、
前記肉厚算出部は、特定周波数成分での信号に基づいて減衰材の肉厚を算出するように構成されたことを特徴とする減衰材の肉厚算出装置。 - 前記肉厚算出部は、減衰材の複数の肉厚と特定周波数成分での信号との相関関係を示す相関データを予め備え、前記相関データから特定周波数成分での信号を減衰材の肉厚に換算して減衰材の肉厚を算出するように構成されたことを特徴とする請求項6に記載の減衰材の肉厚算出装置。
- 前記肉厚算出部は、時間の経過ごとに減衰材の肉厚を測定して減衰材の減肉を監視するように構成されたことを特徴とする請求項6又は7に記載の減衰材の肉厚算出装置。
- 前記超音波探触子は、発振する超音波の周波数f(Hz)を
f≦v/8T
v:金属材の材料音速(m/s)
T:金属材の厚さ(m)
の条件にしたことを特徴とする請求項6に記載の減衰材の肉厚算出装置。 - 前記超音波探触子は、発振する超音波の周波数を20kHz以上500kHz以下にしたことを特徴とする請求項6に記載の減衰材の肉厚算出装置。
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