JP2012083111A - 音速分布測定装置、音速分布測定方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る音速分布測定装置は、被測定体の厚み方向に超音波を放射し、被測定体の厚み方向のN次共振周波数までのN個の共振周波数を測定する共振周波数測定部と、測定されたN個の共振周波数を利用して、N個の質量体と相隣接する質量体を連結する(N−1)個のバネとからなるバネ・マス系モデルを仮定し、N個の質量体それぞれの質量と(N−1)個のバネそれぞれのバネ定数とを算出する逆解析部と、被測定体の厚み方向における超音波の音速分布が被測定体の厚みの中心に対して対称であるとして算出された質量及びバネ定数と、被測定体の既知の密度とを用いて、被測定体の厚み方向に(N−1)個のバネの長さにそれぞれ対応する厚みを有する(N−1)個の層に分割された各層の音響インピーダンス及び厚みを算出する音速分布算出部と、を備える。
【選択図】図2
Description
<音速分布測定装置の構成について>
まず、図1及び図2を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る音速分布測定装置の構成について、詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る音速分布測定装置の全体的な構成を示したブロック図であり、図2は、本実施形態に係る音速分布解析部の構成を示したブロック図である。
以下では、本実施形態に係る逆解析部203及び音速分布算出部205で実施される、バネ・マス系モデルを用いた逆解析処理に基づく音速分布の算出方法について、詳細に説明する。
まず、以下では、本実施形態に係る音速分布解析部20で用いられるバネ・マス系モデルと、物体(被測定体)内部の音速分布との関係について、図3及び図4を参照しながら詳細に説明する。
Tq:q層の厚み
ρq:q層の単位厚みの質量
aq:q層の1つ1つのバネの長さ
mq:q層の1つ1つのおもりの質量
kq:q層の1つ1つのバネ定数
λq:q層での波長
Kq:q層での波数(=2π/λq)
ωq:q層での振動の角周波数(=2πfq)
vq:q層での振動伝播速度(すなわち、超音波の音速)
次に、物質全体(すなわち、被測定体S全体)を、図4に示したようなバネ・マス系モデルでモデル化した場合において、測定された共振周波数から、想定したバネ・マス系モデルのおもりの質量mrとバネ定数krとを算出する方法について説明する。
各おもりに対して作用する力は、着目しているおもりとつながっているバネから受ける力の和となっている。例えば、図4の左端に位置するおもりm1は、バネ定数がk1であるバネからうける力のみが存在するため、おもりmrの位置をurと表すこととすると、その運動方程式は、以下の式111のようになる。
(条件B)k1=kN−1、k2=kN−2、k3=kN−3、・・・
次に、内部音速分布を仮定し、計測可能な共振周波数のスペクトルデータを、順解析処理により生成した。その後、生成した共振周波数のスペクトルデータを利用して、上記で説明した逆解析処理に基づく音速分布の算出処理を実施し、仮定した内部音速分布が再現されるかどうかを確認した。
以下では、連続鋳造で製造中のスラブを仮定し、図5に示したような層構造を有する鋼材のモデルを考えた。
以上説明したような、図5に示したモデルにおいて、以下の4つの条件下における音速分布の算出処理を実施した。
(条件2)固層1:107.5mm、液層:35mm、固層2:107.5mmからなる全厚み250mmの構造
(条件3)固層1:110mm、遷移層:10mm、液層:10mm、遷移層:10mm、固層2:110mmからなる全厚み250mmの構造
(条件4):固層1:105mm、遷移層:5mm、液層30mm、遷移層:5mm、固層2:105mmからなる全厚み250mmの構造
続いて、逆解析処理に用いる共振周波数の次数と解析精度との関係について検討する。
音速分布を算出する被測定体があり、解析結果に求める音速の分解能をgとし、被測定体内部の音速変化幅(すなわち、音速の最大値−最小値で算出される幅)をhとする。この場合、被測定体の内部における音速変化のステップ数は、音速の分解能がgであるため、h/gとなる。
この際、鋼材の表面温度は、放射温度計等で計測することが可能であり、温度と音速との間の相関関係を利用して、鋼材の表面における音速を算出することが可能である。通常、連続鋳造プロセス中の鋼材には温度分布があり、内部ほど温度が高くなっており、また、一般的に温度が低いほど縦波音速は速くなる。そのため、表面温度を利用して算出した鋼材表面における音速を、音速の最大値として利用することができる。他方、溶鋼の音速は4000m/sであることが知られており、かかる値を、音速の最小値として利用することができる。これらの値を利用することで、着目している被測定体(すなわち、連続鋳造プロセスにおける鋼材)において、音速変化幅hを見積もることができる。
被測定体の残留応力は、被測定体に超音波を放射した場合の超音波の音速に関する情報を利用して算出することが可能であり、残留応力と音速との間には、ある相関関係が成立することが知られている。そこで、本解析方法により解析を実施するサンプル、または、同種類のサンプルの微小片を切り出して、例えばサンプルの表面部や厚み中心部といった代表的な箇所の残留応力を例えばX線回折法等を利用して計測し、残留応力と音速との相関関係を利用して、音速変化幅hを見積もることができる。
次に、図15を参照しながら、本実施形態に係る音速分布算出方法の流れを説明する。図15は、本実施形態に係る音速分布算出方法の流れを示した流れ図である。
次に、図16を参照しながら、本発明の実施形態に係る音速分布測定装置1(特に、音速分布解析部20)のハードウェア構成について、詳細に説明する。図16は、本発明の実施形態に係る音速分布解析部20のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、被測定体内部の任意の音速分布を、被測定体について計測された共振周波数を利用して算出することが可能となる。一般に、物質の内部を伝播する超音波の音速は、物質が固体である場合には温度によって変化するものであり、また物質が固体から液体に変化した場合においても変化する。従って、本発明の実施形態に係る音速分布測定方法により測定した音速分布を利用して、固体の温度分布や液体の有無評価を実施することが可能である。例えば、鉄鋼製造プロセス(連続鋳造プロセス)では、固層内に溶鋼が混入する状態があるが、液層が混入しているかどうかの判別や、液層の厚みの計測は、製造プロセスの最適化や鋳造速度のアップなどの面で重要な情報となる。
10 共振周波数測定部
11 超音波送受信部
13 共振周波数測定制御部
20 音速分布解析部
201 共振周波数情報取得部
203 逆解析部
205 音速分布算出部
207 表示制御部
209 記憶部
Claims (7)
- 被測定体の厚み方向に超音波を放射し、前記被測定体の厚み方向のN次共振周波数までのN個の共振周波数を測定する共振周波数測定部と、
前記共振周波数測定部により測定されたN個の前記共振周波数を用いて、前記被測定体の厚み方向における超音波の音響インピーダンスの分布を特定する音速分布解析部と、
を備え、
前記音速分布解析部は、
前記共振周波数測定部により測定されたN個の前記共振周波数を利用して、N個の質量体と、相隣接する前記質量体を連結する(N−1)個のバネと、からなるバネ・マス系モデルを仮定し、前記N個の質量体それぞれの質量と、前記(N−1)個のバネそれぞれのバネ定数と、を算出する逆解析部と、
前記被測定体の厚み方向における超音波の音速分布が前記被測定体の厚みの中心に対して対称であるとして算出された前記質量及びバネ定数と、被測定体の既知の密度とを用いて、前記被測定体の厚み方向に前記(N−1)個のバネの長さにそれぞれ対応する厚みを有する(N−1)個の層に分割された各層の音響インピーダンス及び厚みを算出する音速分布算出部と、
を有することを特徴とする、音速分布測定装置。 - 前記音速分布算出部は、
前記逆解析部で算出された、前記(N−1)個の層のうちのi番目の層に対応するi番目の質量miと、当該i番目の質量miに隣り合う(i+1)番目の質量mi+1との平均値(mi+mi+1)/2を、新たにi番目の質量miとみなし、新たな当該i番目の質量とi番目のバネ定数kiとから、前記i番目の層の音響インピーダンスとして(kimi)0.5を算出し、
更にi番目の層の既知の密度ρiを用いて、当該i番目の層の音速として(kimi)0.5/ρiを算出するとともに当該該i番目の層の厚みとしてmi/ρiを算出する
ことを特徴とする、請求項1に記載の音速分布測定装置。 - 前記音速分布算出部は、
前記逆解析部で算出された、前記(N−1)個の層のうちのi番目の層に対応するi番目の質量miと、当該i番目の質量miに隣り合う(i+1)番目の質量mi+1との平均値(mi+mi+1)/2を新たにi番目の質量miとみなし、新たな当該i番目の質量とi番目のバネ定数kiとから、前記i番目の層の音響インピーダンスとして(kimi)0.5を算出し、
更に前記被測定体の全体の既知の密度ρを用いて、当該i番目の層の音速として(kimi)0.5/ρを算出するとともに当該i番目の層の厚みとしてmi/ρを算出する
ことを特徴とする、請求項1に記載の音速分布測定装置。 - 被測定体の厚み方向に超音波を放射し、前記被測定体の厚み方向のN次共振周波数までのN個の共振周波数を測定する共振周波数測定ステップと、
前記共振周波数測定部により測定されたN個の前記共振周波数を用いて、前記被測定体の厚み方向における超音波の音響インピーダンスの分布を特定する音速分布解析ステップと、
を含み、
前記音速分布解析ステップは、
測定されたN個の前記共振周波数を利用して、N個の質量体と、相隣接する前記質量体を連結する(N−1)個のバネと、からなるバネ・マス系モデルを仮定し、前記N個の質量体それぞれの質量と、前記(N−1)個のバネそれぞれのバネ定数と、を算出する逆解析ステップと、
前記被測定体の厚み方向における超音波の音速分布が前記被測定体の厚みの中心に対して対称であるとして算出された前記質量及びバネ定数と、被測定体の既知の密度とを用いて、前記被測定体の厚み方向に前記(N−1)個のバネの長さにそれぞれ対応する厚みを有する(N−1)個の層に分割された各層の音響インピーダンス及び厚みを算出する音速分布算出ステップと、
を更に有することを特徴とする、音速分布測定方法。 - 前記音速分布算出ステップでは、
前記逆解析ステップにて算出された、前記(N−1)個の層のうちのi番目の層に対応するi番目の質量miと、当該i番目の質量miに隣り合う(i+1)番目の質量mi+1との平均値(mi+mi+1)/2を、新たにi番目の質量miとみなし、新たな当該i番目の質量とi番目のバネ定数kiとから、前記i番目の層の音響インピーダンスとして(kimi)0.5を算出し、
更にi番目の層の既知の密度ρiを用いて、当該i番目の層の音速として(kimi)0.5/ρiを算出するとともに当該該i番目の層の厚みとしてmi/ρiを算出する
ことを特徴とする、請求項4に記載の音速分布測定方法。 - 前記音速分布算出ステップでは、
前記逆解析ステップにて算出された、前記(N−1)個の層のうちのi番目の層に対応するi番目の質量miと、当該i番目の質量miに隣り合う(i+1)番目の質量mi+1との平均値(mi+mi+1)/2を新たにi番目の質量miとみなし、新たな当該i番目の質量とi番目のバネ定数kiとから、前記i番目の層の音響インピーダンスとして(kimi)0.5を算出し、
更に前記被測定体の全体の既知の密度ρを用いて、当該i番目の層の音速として(kimi)0.5/ρを算出するとともに当該i番目の層の厚みとしてmi/ρを算出する
ことを特徴とする、請求項4に記載の音速分布測定方法。 - 被測定体の厚み方向に超音波を放射し、前記被測定体の厚み方向のN次共振周波数までのN個の共振周波数を測定する共振周波数測定手段と通信可能なコンピュータに、
前記共振周波数測定手段により測定されたN個の前記共振周波数を利用して、N個の質量体と、相隣接する前記質量体を連結する(N−1)個のバネと、からなるバネ・マス系モデルを仮定し、前記N個の質量体それぞれの質量と、前記(N−1)個のバネそれぞれのバネ定数と、を算出する逆解析機能と、
前記被測定体の厚み方向における超音波の音速分布が前記被測定体の厚みの中心に対して対称であるとして算出された前記質量及びバネ定数と、被測定体の既知の密度とを用いて、前記被測定体の厚み方向に前記(N−1)個のバネの長さにそれぞれ対応する厚みを有する(N−1)個の層に分割された各層の音響インピーダンス及び厚みを算出する音速分布算出機能と、
を実現させるためのプログラム。
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US10042423B2 (en) | 2015-01-16 | 2018-08-07 | Fujitsu Limited | Electronic device and drive control method |
JP2018179718A (ja) * | 2017-04-12 | 2018-11-15 | 株式会社神戸製鋼所 | 残留応力測定方法 |
CN110146895A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-20 | 浙江大学 | 基于倒置式多波束回声仪的声速剖面反演方法 |
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US11733381B2 (en) | 2019-05-16 | 2023-08-22 | Zhejiang University | Sound velocity profile inversion method based on inverted multi-beam echo sounder |
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