JP3397574B2 - 電磁超音波共鳴法による疲労寿命予測方法 - Google Patents

電磁超音波共鳴法による疲労寿命予測方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電磁超音波トラン
スデューサを用いて電磁超音波共鳴法により金属材料の
疲労寿命及び余寿命を疲労の初期段階で精度良く予測で
きる電磁超音波共鳴法による疲労寿命予測方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来の超音波法による疲労余寿命予測に
は、圧電振動子が用いられていた。この圧電振動子は、
図6に示すように、圧電振動子101が振動して超音波
を発し、該超音波が保護膜102、音響結合剤(カプラ
ント)103を経て被測定物104へと機械的に伝わっ
ていく。また、受信時は、その過程の逆に被測定物10
4の振動が機械的に音響結合剤103、保護膜102と
伝わり、圧電振動子101で機械・電気へと変換される
超音波を捕らえる。この捕らえた超音波を解析処理して
疲労余寿命予測を行っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の疲労余寿命
予測では超音波の伝播過程で、各界面(圧電振動子10
1と保護膜102との界面、保護膜102と音響結合剤
103との界面、音響結合剤103と被測定物104と
の界面)での散乱による圧電振動子101へのエネルギ
ー漏れや反射する際の位相変化を生じ、信号の乱れを発
生させるという問題がある。
【0004】また、温度の変化や押し付け力により音響
結合剤103の特性や厚さに差がでやすく測定値にバラ
ツキが多く、また測定面をかなりきれいに仕上げないと
測定値にバラツキが生じると言う欠点もある。そのた
め、圧電振動子101による減衰からの疲労余寿命予測
では、疲労以前の初期値との相対的な比較が用いられて
きた。また、精度良く減衰を測定し、寿命予測をする事
は難しいという問題もある。
【0005】また、従来の文献では、圧電振動子101
を用いた疲労過程の減衰の測定では、図7に示す様に、
疲労の進行と共に減衰は増加し始め、寿命の70〜80
%で急激に増大して破断している。従って疲労過程をモ
ニターリングしながら、このデータの減衰が急激に増大
する点を基に余寿命評価をすると、かなりの寿命の後半
までモニターリングしなければならないという問題があ
る。
【0006】本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
で、超音波伝播過程で従来のように界面での信号乱れが
なく、被測定物の表面をきれいに仕上げる必要がなく、
疲労過程での材料内の変化を精度良く捕らえ、且つ疲労
進行過程の早期に余寿命の評価ができる電磁超音波共鳴
法による疲労寿命予測方法を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項1に記載の発明は、被測定物に対して電磁超音
トランスデューサにより超音波を伝播させ、該被測定物
の測定表面にバースト状の超音波を発生させることによ
り超音波共鳴を発生させると共に反射超音波信号を受信
し、該受信信号から被測定物の共鳴周波数と時間の逆数
を単位とする減衰係数を求め、コンピュータに計測条件
を入力し、該コンピュータに前記計測条件に対応する減
衰カーブが存在するか否かを確認し、前記計測条件に対
応する減衰カーブが存在する場合は、該減衰カーブを抽
出し、該減衰カーブを参照した結果、該減衰係数がピー
ク値を示したか否かで被測定物の疲労寿命予測を行うこ
とを特徴とする疲労寿命予測方法にある。
【0008】 また、請求項に記載の発明は、請求項
に記載の疲労寿命予測方法において、前記コンピュータ
に前記計測条件に対応する減衰カーブが存在しない場合
に、ニューラルネットワークにより、前記計測条件に対
応する減衰カーブを推定することを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面に基づいて説明する。図1は本発明に係る電磁超音波
トランスデューサを用いた電磁超音波共鳴法による疲労
寿命予測装置の構成を示すブロック図である。図示する
ように、電磁超音波トランスデューサ1は、永久磁石
(又は電磁石)2、平面コイル3、プリアンプ4、主ア
ンプ5及びコントローラ6を具備する。
【0010】 電磁超音波トランスデューサ1は、導電材
料からなる被測定物30の表面に配置した永久磁石(又
は電磁石)2が該被測定物30の深さ方向に静磁場11
を形成し、永久磁石(又は電磁石)2の下部に配置した
渦巻状の平面コイル3にコントローラ6から高周波電流
12を流すと、被測定物30にこの高周波電流12とは
逆向きの渦電流13が発生し、この渦電流13と静磁場
11の相互作用、即ちフレーミングの左手の法則によ
り、ローレンツ力14を生じる。
【0011】 上記ローレンツ力14により、被測定物3
0の内部の自由電子に働き、イオンなどに衝突し、静磁
場11と渦電流13の方向に垂直な運動を材料内部に励
起させ、超音波の横波15を発生させる。この超音波の
横波15が矢印16の方向に進行し、疲労による組織変
化やマイクロクラック等が発生した材料表面や内部に伝
播し、端面で反射し矢印17の方向に進み表面近傍に達
すると力18を生じ、この力18と静磁場11との相互
作用により渦電流19が生ずる。
【0012】 この渦電流19は平面コイル3により検出
され、この検出信号をプリアンプ4及び主アンプ5で増
幅し、コントローラ6に送られ、更に該コントローラ6
からコンピュータ40に送られる。ここでコントローラ
6には、スーパへテロダイン型計測システムが組み込ま
れ、検出信号の振幅と位相だけを取り込むため計測は短
時間で可能である。
【0013】 次に、電磁超音波共鳴法の原理を説明する
と、厚さdの板状の被測定物30に電磁超音波トランス
デューサ1の平面コイル3にコントローラ6から高周波
のバースト波(単一周波数からなる一定振幅の信号)電
流を流すと、上記のようにバースト波の超音波の横波1
5が発生する。この超音波は被測定物30の両面で反射
を繰り返し、入射面に達すると上記のように電磁超音波
トランスデューサ1の平面コイル3により検出される。
【0014】 バースト波の長さが上記超音波の横波15
が1往復に要する時間より長いと、受信される反射信号
は互いに重なり合う事になる。各々の反射信号は時間
(伝播距離/被測定物中の音速)が受信されるので、一
般には位相が異なる。その結果、重なった反射信号に干
渉が起こる。即ち、位相が合えば、山と山、谷と谷が揃
って強め合う。逆にずれると打ち消し合い弱くなる。従
って、バースト波周波数を変化させて、1往復の伝播時
間が周期の整数倍に周波数を選ぶと干渉の大きな合成振
幅が得られる。
【0015】 この状態を超音波共鳴と呼ぶ。変換効率が
極めて低い電磁超音波トランスデューサに用いると、受
信段階での最小限のエネルギーだけが電気信号に変換さ
れるので、超音波の材料中での伝播に影響を及ぼさない
と言う特徴がある。本実施の形態例では電磁超音波トラ
ンスデューサ1によりこの超音波共鳴を発生させ、被測
定物の疲労寿命予測を行うのである。
【0016】 上記構成の電磁超音波共鳴法による疲労寿
命予測装置において、電磁超音波トランスデューサ1に
より電磁超音波共鳴法を用いて、精度良く共鳴周波数と
減衰係数を計測しながら、コンピュータ40中に予め格
納してある減衰カーブのデータベースを参照しながら、
疲労進行過程をモニターリングしている。このデータベ
ース中の減衰カーブの疲労寿命比(繰り返し数/疲労破
壊回数)と減衰係数の関係を図2に示す。図2に示す様
に、疲労の20〜30%でピーク値Pを示し、その後急
激に減少、破断まで増加する。
【0017】 このピーク値Pは疲労亀裂の発生と伝播と
の関連を表しており、本実施の形態では、このピーク値
Pの挙動を利用して、被測定物30の寿命を精度良く測
定する。疲労限以下の様な場合は、減衰係数の増加率が
非常に小さい事から、減衰係数の変化率をモニターリン
グして疲労破壊しないことを予測する。データベース中
で対応する条件がない場合、公知のニューラルネットワ
ーク(神経回路網)手法を用いて推定し、その減衰カー
ブを作成できるようになっている。
【0018】 図3は電磁超音波共鳴法による疲労の測定
及び寿命の推定処理の流れを示す図である。先ず、材料
特性(材料中の音速等)、共鳴周波数及びその範囲等の
計測の設定条件を入力する(ステップST1)。これに
よりデータベースの減衰カーブを参照し、設定条件に該
当する減衰カーブがあるか否かを確認し(ステップST
2)、あった場合は最適減衰カーブを抽出し(ステップ
ST3)、無かった場合はニューラルネットワーク法を
用いて減衰カーブの推定を行う(ステップST4)。
【0019】 続いて、図1に示す装置で計測した共鳴周
波数での減衰係数を計測し(ステップST5)、その値
から前記データベースから抽出した最適減衰カーブ又は
ニューラルネットワーク法を用いて推定した減衰カーブ
を参照して(ステップST6)、損傷状態を把握すると
共に、その減衰がピーク値を示したか否かを確認し(ス
テップST7)、ピーク値を示した場合は、前記減衰カ
ーブから疲労寿命比を算出し、余寿命及び寿命を求める
(ステップST8)。
【0020】 ピーク値を示さない場合は、引き続きモニ
ターリングを行うが、モニターリングを行いながら減衰
係数の増加率が限界値以上(減衰係数の増加率>限界
値)であるか否かを確認し(ステップST9)、以下で
あった場合は疲労過程を進行し(ステップST10)、
引き続きモニターリングを行う。限界値以上、即ち限界
値を越えてしまった場合は、データベース中の減衰カー
ブと測定結果からニューラルネットワーク法を用いてピ
ーク値を推定する。
【0021】 図4は電磁超音波トランスデューサ1と電
磁超音波共鳴法を用いて、疲労進行過程をモニターリン
グした結果を示す図である。ここでは被測定物として純
銅を用いて疲労試験を行った例を示し、共鳴周波数は4
MHz近傍である。図から明らかなように、減衰係数は
疲労寿命の25%程度でピーク値を示している。同一製
造ロットからの材料でもピークを表す繰り返し数や疲労
破壊に要する繰り返し数は異なるが、疲労寿命比で整理
すると、ピーク値を示す疲労寿命比は同じであった。
【0022】 上記のように電磁超音波トランスデューサ
1を用いて電磁超音波共鳴法により測定を行うことによ
り、図5に示すように被測定物30の測定面へ直接振動
を発生させるので、界面(図6における圧電振動子10
1と保護膜102との界面、保護膜102と音響結合剤
103との界面、音響結合剤103と被測定物104と
の界面参照)が存在せず、信号に乱れがなく、被測定物
30の表面をきれいに仕上げる必要もない。また、被測
定物30の減衰係数の絶対値を直接計測できるので、疲
労過程での材料内の変化を精度よく捕らえることができ
る。
【0023】 また、図2に示すように、疲労の進行と共
に、減衰は増加し始め、寿命の20〜30%でピーク値
を示し、その後急激に減少し、その後破断まで増加する
疲労進行過程の減衰の変化データをデータベース化して
利用することにより、寿命を精度良く予測することがで
きる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように請求項の発明によ
れば、被測定物の共鳴周波数と時間の逆数を単位とする
減衰係数を求め、コンピュータに計測条件を入力し、該
コンピュータに前記計測条件に対応する減衰カーブが存
在するか否かを確認し、前記計測条件に対応する減衰カ
ーブが存在する場合は該減衰カーブを抽出し、該減衰カ
ーブを参照した結果、該減衰係数がピーク値を示したか
否かで被測定物の疲労寿命予測を行うので、寿命及び余
寿命を精度良く予測できるという優れた効果が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る電磁超音波共鳴法による疲労寿命
予測装置の構成を示す図である。
【図2】電磁超音波共鳴法による疲労進行過程の減衰変
化例を示す図である。
【図3】電磁超音波共鳴法による疲労の測定及び寿命の
推定処理の流れを示す図である。
【図4】本発明に係る電磁超音波共鳴法による疲労進行
過程をモニターリングした結果を示す図である。
【図5】電磁超音波トランスデューサの超音波伝播挙動
を示す図である。
【図6】圧電振動子の超音波伝播挙動を示す図で、同図
(a)は伝送時、同図(b)は受信時をそれぞれ示す図
である。
【図7】従来手法による疲労進行過程の減衰の変化例を
示す図である。
【符号の説明】
1 電磁超音波トランスデューサ 2 永久磁石(又は電磁石) 3 平面コイル 4 プリアンプ 5 主アンプ 6 コントローラ 30 被測定物 40 コンピュータ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−148148(JP,A) 特開 平5−340857(JP,A) 特開 平8−29400(JP,A) 特開 平5−172794(JP,A) 特開 平3−48109(JP,A) 特開 昭63−259405(JP,A) 国際公開94/20826(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 29/00 - 29/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定物に対して電磁超音波トランスデ
    ューサにより超音波を伝播させ、該被測定物の測定表面
    バースト状の超音波を発生させることにより超音波共
    鳴を発生させると共に反射超音波信号を受信し、該受信
    信号から被測定物の共鳴周波数と時間の逆数を単位とす
    減衰係数を求め、コンピュータに計測条件を入力し、
    該コンピュータに前記計測条件に対応する減衰カーブが
    存在するか否かを確認し、前記計測条件に対応する減衰
    カーブが存在する場合は、該減衰カーブを抽出し、該減
    衰カーブを参照した結果、該減衰係数がピーク値を示し
    たか否かで被測定物の疲労寿命予測を行うことを特徴と
    する疲労寿命予測方法。
  2. 【請求項2】 前記コンピュータに前記計測条件に対応
    する減衰カーブが存在しない場合に、ニューラルネット
    ワークにより、前記計測条件に対応する減衰カーブを推
    定することを特徴とする請求項に記載の疲労寿命予測
    方法。
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