JP2015500495A - 超音波を使用して弾性特性を測定するための方法 - Google Patents

Abstract

超音波を使用して弾性特性を測定するための方法。本発明は、湾曲した表面を有する材料からなる部品の弾性特性を決定するための方法であって、前記部品内に波を生成するために部品の表面上の衝突点の方向で超音波の束の放射を含む方法に関する。本発明は、第１方向Ｄ１における衝突点での部品の厚さｄと、第１方向に対して決定された角度αを形成する第２方向Ｄ２の厚さｄ２と、を知ることにより、第１測定値ｔ１は、伝播された縦超音波が前記衝突点から距離ｄ１を移動するのに要する時間から得られており、第２測定値ｔ２は、伝播された横超音波が前記衝突点から距離ｄ２を移動するのに要する時間から得られることを特徴とする。材料のヤング率および／またはポアソン比は、縦速度ＶＬ＝ｄ１／ｔ１および横速度ＶＴ＝ｄ２／ｔに基づいて決定される。

Description

本発明は、非破壊検査方法、および、より詳しくは等方性金属材料の弾性特性を超音波により非破壊的に決定するための方法に関する。

均質かつ等方的な材料からなる部品の、ヤング率またはポアソン比のような弾性特性を決定することを可能にする利用可能な方法が、恒久的に必要である。湾曲した外面を有する部品に関する方法が、特に必要である。超音波を使用してヤング率を決定することは、平面の部品に対しては既知であるが、外面が湾曲している複雑な部品に対しては、信頼できる結果を得るために送信機および受信機を正確に配置することが難しい。

複雑な部品の縦弾性係数―ヤング率―を計算するための既知の手段は、引張試験機の顎の間に配置される亜鈴型の試験片を作り出すことからなっている。しかし、亜鈴型の試験片の生産は、常に可能とは限らないか、またはいくつかの材料に対しては非常に高価になりうる。さらに、試験片の形状は、使用される部品の形状とは、しばしば大きく異なっている。部品を製造する方法によっては、それらの弾性係数の測定は、関連性がないかもしれない。

米国特許第３４１６２６５号明細書

本出願人は、複雑な部品、特に湾曲した形状を有する複雑な部品を検査するための非破壊方法を完成する目的を、自身に設定しており、縦弾性係数およびポアソン比のような弾性特性を決定するために超音波を使用することを提案する。

米国特許第３，４１６，２６５号明細書は、厚さが既知の材料を通って移動する縦波および横波の測定を使用して、曲面を有しかつ所定の厚さの部品の弾性特性を決定するための方法を開示しているが、異なる方向で２つの厚さを有する部品に対するその適用を教示していない。

本発明によれば、湾曲した表面を有する部品の弾性特性を決定するための方法にして、前記部品内に波の伝播を生成するように部品の表面上の衝突点（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ）に向かう超音波のビームの放射を含む方法であって、
前記衝突点での接線面に対して垂直な第１方向Ｄ_１における衝突点での部品の厚さｄ_１と、第１方向に対して決定された角度αを形成する第２方向Ｄ_２における厚さｄ_２とを知ることにより、
伝播された縦超音波が前記衝突点から距離ｄ_１を部品内で移動するのに要する時間ｔ_１の測定値と、
伝播された横超音波が前記衝突点から距離ｄ_２を部品内で移動するのに要する時間ｔ_２の測定値とが得られる、ことを特徴としている。

材料のヤング率および／またはポアソン比は、縦速度Ｖ_Ｌ＝ｄ_１／ｔ_１および横速度Ｖ_Ｔ＝ｄ_２／ｔ_２に基づいて決定される。

好ましくは、超音波のビームは、水などの結合流体を通って放射される。

本方法は、好適には、等方性材料からなる部品に適用可能である。

より詳しくは、本方法は、球体状の部品に適用可能であり、ｄ_１は、球体（ｓｐｈｅｒｅ）の直径に相当しており、ｄ_２は、前記角度αを形成する弦の長さに相当している。例えば、本方法は、好適には、金属球（ｍｅｔａｌ ｂａｌｌｓ）、特にステンレス鋼からなる金属球の検査に、適用可能である。さらに、本方法は、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣまたはＺｒＯ_２のようなセラミック材料からなる、ベアリングに用いられる球にとって、特別に価値がある。しかし、本方法は、球体状の部品に限定されるものではなく、部品内の超音波の経路を数学的に予測することができるモデル、特にコンピューターモデルが利用可能である限りにおいて、より複雑な形状に適用することができる。

部品に伝播される波が、部品と外部環境との間の境界平面に関連して画定され、縦波および横波の偏りを特定するための基準として役立つことが、思い出されるだろう。これらの波は、境界平面に対して垂直な球欠面内で偏っており、横波は、境界面を通る縦波の伝播によって生成されている。

金属サンプルの弾性特性が、縦波および横波の伝播およびそれらの速度に影響しており、同様に、その知識を使用して弾性特性を計算することを可能にしていることが、知られている。微小変形の力学は、縦波Ｖ_Ｌの伝搬速度および横波Ｖ_Ｔの伝搬速度を、ヤング率Ｅおよびポアソン比νに関連する。

その関係は、以下のとおりである：
Ｅ＝ρＶ_Ｔ２（３Ｖ_Ｌ ^２−４Ｖ_Ｔ ^２）／（Ｖ_Ｌ ^２−Ｖ_Ｔ ^２）
ν＝０．５（Ｖ_Ｌ ^２−２Ｖ_Ｔ ^２）／（Ｖ_Ｌ ^２−Ｖ_Ｔ ^２）

したがって、伝搬速度Ｖ_ＬおよびＶ_Ｔを計算すると、ヤング率およびポアソン比を計算することを可能にするパラメータが利用可能であり、それに基づいて、材料の他の特徴が利用可能である。

純粋に例示的かつ非限定的な実施例として与えられた本発明の実施形態の、次に来る詳細な説明の記述を、添付の線図を参照して読むことで、本発明が、より理解されるであろうし、その目的、詳細、特徴、および利点が、より明白になるだろう。

分析される球体に対する超音波トランスデューサの反射モードにおける位置、および球体上での縦超音波の２つの連続反射（ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）の概略図である。 球体の底面での境界面エコーおよび反射を伴う、図１に示される場合においてトランスデューサによって作り出される信号における変動のオシロスコープ上のトレースを示す図である。 球体上の送信機に対して横方向に配置されている受信トランスデューサに向かって４５°で伝搬する横波を作り出すための送信トランスデューサの２つの連続位置を示す正確な縮尺ではない略図である。 集束送信トランスデューサおよび集束受信トランスデューサを使用する組立体の実施形態を示す図である。 トランスデューサから放射されて、球体の表面で反射される信号のトレースの図である。 送信トランスデューサから受信トランスデューサに送信される信号のトレースの図である。 入射角の関数として計算される横波の速度における変化を示す図である。

本発明を説明するために、本方法は、ステンレス鋼球体の検査に適用されている。ここで説明されている実施例において、球体は、次の特徴を有している：
直径＝１９．０５０ｍｍ
質量＝２８．１８６５ｇ
密度ρ＝７，７８９．２ｋｇ／ｍ^３

縦波の伝搬速度の測定
トランスデューサ２は、球体１と一緒に結合流体３内に沈められており、結合流体は水である。トランスデューサ、例えば、６インチの焦点距離を有するＰａｎａｍｅｔｒｉｃｓ Ｖ３２２−６ １０ＭＨｚトランスデューサは、制御するためのかつ信号を受信するためのワークステーションに電気的に接続されている。ワークステーションは、示されていない。トランスデューサは、送受信モードに配置されており、球体の中心を通過する軸に沿って配向されている。

図２に示されるように、時間の関数として作り出される超音波の振幅のグラフから、前記波の伝搬時間ｔ_Ｌ１は、トランスデューサ２と球体の表面の片側での境界面との間で見られており、伝搬時間ｔ_Ｌ２は、トランスデューサ２とトランスデューサから見た球体の底面との間で見られる。

図２のグラフで特定される伝搬時間は、以下のとおりである：
ｔ_Ｌ１＝２０５．５１７μｓ
ｔ_Ｌ２＝２１１．８９７μｓ

したがって、縦波Ｖ_Ｌの伝搬速度は、移動時間に対する球体の直径の２倍の比である：
Ｖ_Ｌ＝２×直径／（ｔ_Ｌ１−ｔ_Ｌ２）、本実施例では、３８．１０×１０^−３／６．３８０×１０^−６＝５，９７１．８ｍ／ｓである。

横波の速度Ｖ_Ｔの測定
使用される原理は、Ｓｎｅｌｌ−Ｄｅｓｃａｒｔｅｓの法則の原理に従うモード変換により、縦伝播波の方向Ｄ_１に対して所定角度βを形成する方向Ｄ_２における横波Ｖ_Ｔの伝搬の原理である。

角度βを形成する横波の伝搬を作り出す正確な入射角θ、およびこの横波の球体における移動時間ｔ_２が決定される。選ばれる角度は、４５°である。

図３を参照して、本方法を説明する。この図面では、センサおよび球は、正確な縮尺ではなく、球は、センサに対して拡張されている。ｔ_２の測定のために、結合流体を通る波の伝播時間ｔ_Ｒと、部品および結合流体の双方における伝播時間ｔ_ｍとが、別個に測定される。必要に応じて修正される時間ｔ_Ｒは、その後、時間ｔ_ｍから減算される。

放射トランスデューサ２が、結合流体内に球体と一緒に配置されており、Ｉ３−１００４−Ｒ、１０ＭＨｚ １” Φ０．２５”と称されるようなトランスデューサのような受信トランスデューサ４が、方向Ｄ_２と球体との交点で横に配置されている。

横波の伝搬速度は、このように、超音波の衝突点と、この方向Ｄ_２における球体との交点と、を隔てる距離ｄ_２の比率である。ｄ_２＝Ｒ×２^１／２

第１ステップにしたがって、波の正確な移動時間ｔ_Ｒが、センサの表面から球体への法線までの所定角度θに対して、測定される。結合流体は、エコーの重ね合せがないことを保証する。

送受信モードにトランスデューサを配置することによって、反射信号の最大振幅が決定される。この最大振幅は、信号が、当該角度θで球体に対して垂直であることを示している。我々が送受信モードにあるとき、移動時間は、オシロスコープスクリーン上で測定される時間の半分である。

その後、球体の頂点にビームをもたらすように、センサが水平に変位される。その変位は、球体の半径Ｒの関数Ｒ×ｔｇθとして計算される。

第２ステップでは、受信トランスデューサ４までの波の移動時間ｔ_ｍが測定される。

横波の速度は、この波が移動する距離ｄ_２のその距離を移動するのに要する時間ｔ_２に対する比率である。移動時間の測定は、トランスデューサが水平に移動されているので、波が短距離を移動するということのため、調整されなければならない。

時間ｔ_Ａに関して経路Ａの調整は、以下のように表現される：
ｔ_Ａ＝Ｒ×（１−１ｃｏｓθ）／ｃｏｓθ×Ｖ_{ｗａｔｅｒ}
ここで、Ｖ_{ｗａｔｅｒ}は、水中での伝搬速度である。

測定時間ｔ_ｍが、トランスデューサから球体の表面までの経路に対応する時間（ｔ_Ｒ−ｔ_Ａ）と、弦の長さｄ_２に沿って移動するのに要する時間ｔ_２との合計であり、したがって、移動時間ｔ_２は、以下のように表現される：
ｔ_２＝ｔ_ｍ−（ｔ_Ｒ−ｔ_Ａ）

横波の速度は、移動の経路ｄ_２＝Ｒ√２の、この距離を移動するのに要する時間に対する比率である：Ｖ_Ｔ＝ｄ_２／ｔ_２

１９°の角度θについては、次の値が得られている（１ｎｓまで正確なデジタルオシロスコープで測定された時間）：
Ｖ_{ｗａｔｅｒ}＝１４８６．５ｍ／ｓ
２×ｔ_Ｒ＝２０２．６３μｓ （図５）
ｔ_ｍ＝１０５．０２μｓ （図６）
変位：Ｒ×ｔｇθ＝３．２７９ｍｍ
ｔ_Ａ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）／ｃｏｓθ×Ｖ_{ｗａｔｅｒ}＝０．３６９２μｓ
ｄ＝√２×Ｒ＝１３．４７０ｍｍ
Ｖ_Ｔ＝３３０６．２ｍ／ｓ

角度θの値１９°は、推定値である。角度θの正確な値を得るために、この推定値のまわりで測定される。したがって、１７°と２３°の間の範囲に含まれている角度θの値に対して、上述の作業が繰り返される。計算された速度が、繰り返される。
１７°において Ｖ_Ｔ＝３３２３．７ｍ／ｓ
１８°において Ｖ_Ｔ＝３３２６．１ｍ／ｓ
１９°において Ｖ_Ｔ＝３３０６．２ｍ／ｓ
２０°において Ｖ_Ｔ＝３２８４．４ｍ／ｓ
２１°において Ｖ_Ｔ＝３３０４．８ｍ／ｓ
２２°において Ｖ_Ｔ＝３３０２．３ｍ／ｓ
２３°において Ｖ_Ｔ＝３３１４．５ｍ／ｓ

得られかつ図７で再現されている曲線は、最小速度の点を有する。最小点に対応する速度は、２つのトランスデューサを隔てる距離に対する移動の最短経路に関連している。

したがって、Ｖ_Ｔ＝３２８４．４ｍ／ｓ

音波の伝播速度に対して得られている値は、部品の特有のパラメータを計算することを可能にする。

鋼球の機械的特性の計算
ρ＝７７８９．２ｋｇ／ｍ^３
Ｖ_Ｌ＝５９７１．８ｍ／ｓ
Ｖ_Ｔ＝３２８４．４ｍ／ｓ
Ｅ＝ρＶ_Ｔ２（３Ｖ_Ｌ ^２−４Ｖ_Ｔ ^２）／（Ｖ_Ｌ ^２−Ｖ_Ｔ ^２）＝２１５．６ＧＰａ
ν＝０．５（Ｖ_Ｌ ^２−２Ｖ_Ｔ ^２）／（Ｖ_Ｌ ^２−Ｖ_Ｔ ^２）＝０．２８３

窒化ケイ素Ｓｉ_３Ｎ_４からなる球の機械的特性の計算
ρ＝３１６６．５ｋｇ／ｍ^３
Ｖ_Ｌ＝１１２０２ｍ／ｓ
Ｖ_Ｔ＝６０４１．８ｍ／ｓ
Ｅ＝ρＶ_Ｔ２（３Ｖ_Ｌ ^２−４Ｖ_Ｔ ^２）／（Ｖ_Ｌ ^２−Ｖ_Ｔ ^２）＝２９９．３ＧＰａ
ν＝０．５（Ｖ_Ｌ ^２−２Ｖ_Ｔ ^２）／（Ｖ_Ｌ ^２−Ｖ_Ｔ ^２）＝０．２９５

正確な測定を得ることを可能にするために、非常に短い焦点距離と、したがって球を中心に配置することを可能にする小さな曲率半径とを有する受信トランスデューサ４を使用することが望ましいことに注目すべきである。その結果、球の軸は、トランスデューサの幾何学的軸と完全に一致し、その好ましい構成が図４に示されている。

Claims (7)

1. 湾曲した表面を有する部品の弾性特性を決定するための方法にして、前記部品内に波を生成するために部品の表面上の衝突点に向かう超音波のビームの放射を含む方法であって、
   第１方向Ｄ_１における衝突点での部品の厚さｄ_１と、第１方向に対して決定された角度βを形成する第２方向Ｄ_２の厚さｄ_２と、を知ることにより、
   第１測定値ｔ_１は、伝播された縦超音波が前記衝突点から距離ｄ_１を移動するのに要する時間から得られており、
   第２測定値ｔ_２は、伝播された横超音波が前記衝突点から距離ｄ_２を移動するのに要する時間から得られており、
   材料のヤング率および／またはポアソン比は、縦速度Ｖ_Ｌ＝ｄ_１／ｔ_１および横速度Ｖ_Ｔ＝ｄ_２／ｔ_２に基づいて決定されることを特徴とする、方法。
2. 超音波のビームが、水など、結合流体を通って放射される、請求項１に記載の方法。
3. 部品の材料が、等方性である、請求項１または２に記載の方法。
4. 材料が、金属またはセラミックである、請求項３に記載の方法。
5. 部品が球体状であるとき、ｄ_１は直径に相当し、ｄ_２は前記角度βを形成する弦の長さに相当する、請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
6. 角度βが、４５°である、請求項５に記載の方法。
7. ｔ_２の測定のために、別個の測定が、結合流体を通る波の伝播時間ｔ_Ｒから、その後、部品および結合流体の双方における伝播時間ｔ_ｍから得られており、必要に応じて修正される時間ｔ_Ｒは、その後、時間ｔ_ｍから減算される、請求項５または６に記載の方法。

Images