JP2012141230A - 非破壊検査装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 前記被検査体の表面から前記被検査体の内部へ超音波を送信する超音波送信手段と、前記被検査体内部を透過する透過波もしくは前記被検査体内部で反射する反射波を、前記被検査体の表面で受信する超音波受信手段と、前記超音波が前記超音波送信手段によって送信されてから、前記超音波受信手段で前記透過波あるいは前記反射波が受信されるまでの超音波伝搬時間を求め、該当の超音波伝搬路における音速を求め、前記被検査体に関する音弾性効果に基づいて、前記音速から応力を求める演算処理手段と、前記演算処理手段の結果に基づいて前記応力の情報を表示する表示手段と、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段の動作タイミング及び超音波送受信条件のコントロール及び前記演算処理手段と前記表示手段を制御する制御手段とを備える。
【選択図】 図1
Description
コンクリートなどの被検査体に生じたひび割れの深さや、欠損と考えられる被検査体内部の空隙の大きさなど、被検査体の形状や寸法の情報のみならず、被検査体内部に生じている応力あるいは応力分布を、音弾性効果を利用して計測し、被検査体が破壊または破損に至る危険性を評価することが可能な非破壊検査装置を提供するものである。
c=c0(1+kσ) (1)
と表される。ここでσは応力、kは音弾性定数である。したがって、無応力時の音速c0と音弾性係数kが既知であり、応力負荷時の音速cが分かれば、式(1)を変形して得られる次式(2)から応力σが算出できる。
ボルトの実効的な長さをL0とし、引張り応力σによるボルトの伸びΔLが非常に小さいとして無視をすれば、無応力時と応力負荷時のボルトを往復する音波の伝搬時間t0及びtは、それぞれ
t0=2L0/c0 (2)
t=2L0/c=2L0/{c0(1+kσ)}(3)
となる。式(2)及び式(3)から、無応力時の伝搬時間t0に対する、応力負荷による伝搬時間の変化Δt(=t−t0)を求めると次式を得る。
kσ<<1であることを考慮すると、以下の近似式が得られる。
したがって、伝搬時間の変化Δtは応力σに比例する。
k=−12.5×10−6[/MPa] (6)
と見積もることができる。
ε=σ/E=417×10−6 (7)
となる。
σ=Esε+ETε2/2 (8)
と表し、歪みεのときの弾性率が(Es+ETε)に変化し、密度がρ0(1−ε)に変化すると仮定すると、このときの音速cは無応力状態の音速c0を用いて
c=c0{1+(Es+ET)σ/2Es 2) (9)
と書ける。ここで、Es及びETは2次(線形)及び3次の弾性率、ρ0は無応力状態での密度である。式(1)と式(9)を比較すれば、音弾性定数kは
k=(Es+ET)/2Es 2 (10)
と書け、媒質の2次及び3次の弾性率を求めることによって、応力と音速変化率が導出できる。
σ=Eε(1+βε) (11)
と表され、コンクリートの非線形パラメータがβ=−157と記載されている。式(8)、(10)及び(11)から、
k=(1+2β)/2E (12)
となり、この計測に用いられたコンクリートのヤング率E=42.39GPaを用いると、コンクリートの音弾性定数は以下のようになる。
したがって、コンクリートの音弾性定数は、式(6)で示したボルトの音弾性定数よりも2桁程度大きく、鋼よりも非線形効果が顕著に現れると言える。
ε=500×10−6 → Δc/c0〜7.8%
ε=1000×10−6 → Δc/c0〜15.6%
コンクリートの0.2%耐力に相当する歪みは3000×10−6程度であり、すなわち、破壊の危険度が高いコンクリートには10%以上の大きな音速変化が生じていることになる。
c0={E(1−ν)/{ρ(1+ν)(1−2ν)}}0.5 (14)
と表される。コンクリートの物性値を密度2350kg/m3、ヤング率22GPa、ポアソン比0.2とすると、縦波音速は約3230m/sであり、1m(あるいは50cmの往復)程度の距離を伝搬する時間は約300μsとなる。上述のように音速変化率あるいは伝搬時間の変化率は1〜10パーセント程度の変化になると考えられるので、1μs程度の時間計測精度があればよい。このとき、安全な応力状態(ε<1000×10−6)と危険な応力状態(ε>1000×10−6)とで音速変化率に10%程度の差が生じることになり、音弾性効果によって危険度を判定することが十分に可能であることが分かる。
c=2(L2+w1 2)0.5/τ’ (16)
上式によって求められた音速cをもとに応力σを求めるための演算処理部120’内での処理方法は、図1に示した第1の実施の形態を説明したものと同様であり、演算処理部120’によって算出された応力σの値は検査者が目視できるように表示部103で表示される。
L1=c0jτ/2 (17)
として算出される。このようにして、超音波伝搬路421・・・42n・・・42Nに対する厚さL1・・・Ln・・・LNが厚さ分布演算部131で求められ、例えば、図示しない厚さ分布演算部131に設けられたメモリに裏面形状プロファイルデータL(x)として保存される。なお、式(17)における被検査体320の音速c0jは、平均音速や無応力下音速などの値であり、係数テーブル123に保持されている値や、インターフェース105から入力された値などを使用する。
τb=Σ(Dbi/ci) (i=1、2、・・・、m) (19)
τc=Σ(Dci/ci) (i=1、2、・・・、m) (20)
τa〜τcには、上述のように計測したTOFの結果を代入し、Dai〜Dciは、超音波送波器10と超音波受波器10’の位置と、領域分割50のメッシュ寸法と、裏面形状プロファイルデータL(x)とから求められる結果を用いる。音速分布演算部132では、これらの情報をもとに、式(18)〜(20)の連立方程式を解き、各メッシュの音速ciが求められる。このような連立方程式の解は、式(18)〜(20)を行列に書き換え、逆行列演算に基づいて計算してもよいが、領域分割50のメッシュがあまり細かくできないことや、TOF計測を数多く行う被う用があることから、逐次近似法などを用いて音速ciを求めるのが望ましい。
以上のようにして得られた応力σiは、表示部103で数値あるいはイメージとして表示され、ひび割れ321の先端周辺部の応力を知ることができる。
10〜12 超音波送波器
10’ 超音波受波器
13 超音波アレイ
20 シュー
30、31 ひび割れ先端周辺部
50、51 領域分割
100、101 装置本体
102 受信部
103 表示部
104 制御部
105 インターフェース
106 送受分離スイッチ
107 スイッチ
110 送信部
111 波形発生部
112 遅延回路
113 送信アンプ
114 遅延データテーブル
115 送信ビームフォーマ
120、120’、130、140 演算処理部
121 TOF演算部
122、122’ 音速演算部
123 係数テーブル
124 応力演算部
131 厚さ分布演算部
132 音速分布演算部
133 応力分布演算部
141 有効データ判定部
300、310、320、330、340 被検査体
321、331 ひび割れ
332 空隙
400、410、411、421、42n、42N、43a’〜43c’、44aa’〜44cc’、451、45m、45N、45ba’〜45bc’ 超音波伝搬路
Claims (8)
- 超音波を用いて被検査体内に生じている応力あるいは応力分布を計測する非破壊検査装置であって、前記被検査体の表面から前記被検査体の内部へ超音波を送信する超音波送信手段と、前記被検査体内部を透過する透過波もしくは前記被検査体内部で反射する反射波を、前記被検査体の表面で受信する超音波受信手段と、前記超音波が前記超音波送信手段によって送信されてから、前記超音波受信手段で前記透過波あるいは前記反射波が受信されるまでの超音波伝搬時間を求め、該当の超音波伝搬路における音速を求め、前記被検査体に関する音弾性効果に基づいて、前記音速から応力を求める演算処理手段と、前記演算処理手段の結果に基づいて前記応力の情報を表示する表示手段と、前記超音波送信手段と前記超音波受信手段の動作タイミング及び超音波送受信条件のコントロール及び前記演算処理手段と前記表示手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする非破壊検査装置。
- 前記被検査体内の特定の領域を微小領域に分割し、前記微小領域を通過する前記超音波伝搬時間を複数の超音波伝搬路に対してそれぞれ求め、前記演算手段で、複数の前記超音波伝搬時間を用いたトモグラフィ法によって前記特定の領域の音速分布を求め、前記被検査体に関する音弾性効果に基づいて、前記音速分布から応力分布を求めることを特徴とする請求項1に記載の非破壊検査装置。
- 無応力状態で、構成する要素や成分比率などが異なる複数の前記被検査体に対応する音速テーブルと音弾性係数テーブルとを備え、前記演算処理手段で、前記音速テーブル及び前記音弾性係数テーブルを参照して、前記応力あるいは前記応力分布を求めることを特徴とする請求項1乃至は2に記載の非破壊検査装置。
- 前記被検査体の表面から前記被検査体の内部へ超音波を送信する超音波送信手段と、前記被検査体内部で反射する反射波を、前記被検査体の表面と同一の表面で受信するための超音波受信手段とを備え、前記超音波伝搬時間と所定の音速とから求められる前記被検査体の裏面の形状情報に基づき、前記トモグラフィ法における特定の領域の形状を設定することを特徴とする請求項2乃至は3に記載の非破壊検査装置。
- 前記演算処理部で、前記超音波伝搬時間と所定の音速とから前記反射波の反射位置と、前記反射波の反射強度を求め、前記反射位置と前記超音波伝搬路が重なる場合の前記超音波伝搬時間を、前記トモグラフィ法による音速分布の計算に用いるか否かを、前記反射位置と前記反射強度とから判定することを特徴とする請求項2〜4に記載の非破壊検査装置。
- 前記超音波送信手段から送信される超音波は、周波数が150kHz以下であることを特徴とする請求項1〜5に記載の非破壊検査装置。
- 前記超音波送信手段は、1次元状あるいは2次元状のアレイを形成する複数の電気音響変換素子と、前記複数の電気音響変換素子に異なる遅延時間や異なる口径重みを与えて駆動し、所定の方向に送信ビームを形成する送信ビームフォーマとを備えることを特徴とする請求項1〜6に記載の非破壊検査装置。
- 前記超音波受信手段は、1次元状あるいは2次元状のアレイを形成する複数の電気音響変換素子と、前記複数の電気音響変換素子から得られる受信信号に異なる遅延時間や異なる口径重みを与えて、所定の方向に受信ビームを形成する受信ビームフォーマとを備えることを特徴とする請求項1〜7に記載の非破壊検査装置。
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