JP3597182B2 - 超音波音速測定方法及びこれらに基づいてヤング率及びポアソン比を求める方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的簡単な操作で精度良く材料（試料）の音速を測定できる、超音波を用いた音速測定方法及びこれらに基づいてヤング率及びポアソン比を求める方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、メーカー、大学、研究機関等における材料開発において、ヤング率やポアソン比などの機械的性質の評価に超音波が多用されている。
従来の超音波による音速測定方法は、規定の寸法に仕上げた音速が既知の標準試験片を基にして超音波探傷装置の時間軸を調整し、板厚が明らかであるが音速が未知の試料に対して縦波垂直探触子及び横波垂直探触子を直接接触して超音波を入射するものであり、これによって得られた底面エコーのビーム路程、未知試料の厚さ及び標準試験片の既知音速から求めるのが普通である。
【０００３】
また、このような音速測定法として知られているＳｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法があるが、これも縦波垂直探触子と横波垂直探触子の２種類の垂直探触子を使用し、伝播時間と試料厚さから音速を求めるものである。
この他、縦波垂直探触子を使用し、底面エコーと横波による遅れエコーや円柱面エコーを利用した縦波、横波の音速測定方法もある。
【０００４】
上記のように、標準試験片を基に超音波探傷装置の時間軸を調整し、縦波垂直探触子や横波垂直探触子を直接接触して超音波を入射して得られた底面エコーのビーム路程、未知試料の厚さ、及び標準試験片音速から縦波及び横波音速を求める方法は、縦波用と横波用の２種類の垂直探触子が必要であると共に、音速が既知の標準試験片が必要なので、試験装置や操作が煩雑であり、正確な測定が得られ難いという問題があった。
【０００５】
また、上記の通り材料開発において、ヤング率やポアソン比などの機械的性質の評価に超音波が多用されているが、材料の種類や研究内容によっては、これまでの超音波法に適した厚さや大きさの試料を作製するのが困難な場合があり、材料評価に苦慮することも多々ある。
実際、探触子径より極度に小さい試料及び薄い試料ではパルス幅や分解能などの制約により底面エコーが得られないという問題があった。これは、Ｓｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法においても同様である。
さらに、縦波垂直探触子を使用し、底面エコーと横波による遅れエコーや円柱面エコーを利用する上記の方法は、試料が細長である場合又は丸棒である場合にのみ測定ができるという形状的制約があり、薄くて小さい試料の測定は難しいという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明は、薄くて小さい試料でも、一探触子により比較的簡単な操作で精度良く材料（試料）の音速を同時に測定できる、超音波を用いた音速測定方法及びこれらに基づいてヤング率及びポアソン比を求める方法を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【課題を解決するための手段】
以上から、本発明は
１．試料の横波音速を測定する超音波音速測定方法であって、媒質に浸漬した試料に探触子から超音波を入射し、試料内を縦波で伝播して試料底面で反射して戻ったモード変換を伴わない底面エコーと、試料底面で反射したときにモード変換により発生した横波による遅れエコーとを検出し、モード変換による遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ１）からモード変換を伴わない底面エコーの縦波の伝播時間（Ｔ_Ｂ／２）を引いた横波伝播時間と試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝ｔ／（Ｔ_Ｘ１−Ｔ_Ｂ／２）として求める超音波音速測定方法
２．試料の縦波音速及び横波音速を測定する超音波音速測定方法であって、媒質に浸漬した試料に探触子から超音波を入射し、試料内を縦波で伝播して試料底面で反射して戻ったモード変換を伴わない底面エコーと、試料底面で反射したときにモード変換により発生した横波による遅れエコーとを検出し、モード変換を伴わない底面エコーの伝播時間（Ｔ_Ｂ）と試料の厚さ（ｔ）から縦波音速Ｃ_ＬをＣ_Ｌ＝２ｔ／Ｔ_Ｂとして求め、モード変換による遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ１）から縦波の伝播時間（Ｔ_Ｂ／２）を引いた横波伝播時間と平板状試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝ｔ／（Ｔ_Ｘ１−Ｔ_Ｂ／２）として求める超音波音速測定方法
３．探触子から媒質を通して超音波が試料に入射した時に、モード変換により発生した横波が試料内を往復伝播した横波だけの遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ２）と試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝２ｔ／Ｔ_Ｘ２として求める超音波音速測定方法
４．試料の縦波音速及び横波音速を測定する超音波音速測定方法であって、媒質に浸漬した試料に探触子から超音波を入射し、試料内を縦波で伝播して試料底面で反射して戻ったモード変換を伴わない底面エコーと、試料底面で反射したときにモード変換により発生した横波による遅れエコーとを検出し、モード変換を伴わない底面エコーの伝播時間（Ｔ_Ｂ）と試料の厚さ（ｔ）から縦波音速Ｃ_ＬをＣ_Ｌ＝２ｔ／Ｔ_Ｂとして求め、モード変換により発生した横波が試料内を往復伝播した横波だけの遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ２）と試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝２ｔ／Ｔ_Ｘ２として求める超音波音速測定方法
５．一探触子による測定であることを特徴とする前記１〜４のそれぞれに記載の超音波音速測定方法
６．焦点型垂直探触子であることを特徴とする前記１〜５のそれぞれに記載の超音波音速測定方法
７．平板状の試料であることを特徴とする前記１〜６のそれぞれに記載の超音波音速測定方法
８．媒質が超音波を伝播し探触子に損傷を与えない不活性液であることを特徴とする前記１〜７のそれぞれに記載の超音波音速測定方法
９．媒質が水であることを特徴とする前記１〜８のそれぞれに記載の超音波音速測定方法
１０．前記２又は４のそれぞれの方法により求めた縦波音速Ｃ_Ｌ及び横波音速Ｃ_Ｓ並びに密度ρから、下記式によりヤング率Ｅ及びポアソン比νを求める方法
Ｅ＝ρ（３Ｃ_Ｓ ^２・Ｃ_Ｌ ^２−４Ｃ_Ｓ ^４）／（ Ｃ_Ｌ ^２−Ｃ_Ｓ ^２） ν＝（Ｃ_Ｌ ^２−２Ｃ_Ｓ ^２）／２（Ｃ_Ｌ ^２−Ｃ_Ｓ ^２）
を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を、図に基づいて具体的に説明する。図１において、符号１は超音波装置のＣＲＴモニター、符号２は超音波を送受信する探触子（例えば焦点型垂直探触子）、符号３は測定される試料、符号４は探触子から送信された超音波が試料へ到達するまでに伝播する水や不活性液などの媒質を示す。このような媒質には、超音波を伝播し探触子に損傷を与えない不活性液であることが望ましく、通常水を使用する。
本発明においては、一探触子を用いて同時に縦波と横波の音速を測定することができ、探触子には、焦点型垂直探触子を使用する。
【０００９】
従来の探触子を直接試料に接触して超音波を入射する、いわゆる直接接触法による測定法では、試料が薄いと底面エコーが送信パルス内に包含され、試験周波数が低い場合にはパルス幅が広いため近接するエコーを分解できないことが多い。
しかし、本発明の水や不活性液などの媒質を通して超音波を入射する水浸法では、送信パルスは試料表面から遠ざかるので底面エコーを確実に検出することができるという特徴がある。また、本発明のように焦点型垂直探触子を使用すると、超音波ビームが絞られ探触子径よりはるかに小さい試料でも確実に底面エコーを得ることができるという利点がある。
【００１０】
すなわち、従来の測定法では難しかった厚さが１ｍｍ以下の材料や面積が非常に小さい材料（平板状の試料）についても、容易に縦波音速及び横波音速を同時に測定することができるという優れた効果が得られた。
例えば、セラミックスなどに多く用いられている周波数２５ＭＨｚの焦点型垂直探触子は焦点距離２０ｍｍで超音波ビーム径が０．４ｍｍ、焦点距離１０ｍｍではビーム径０．２ｍｍと言われているので、試料の大きさはこのビーム径以上の大きさがあると十分ということになる。
厚さが１ｍｍ以下の材料でも１ｍｍ×１ｍｍ程度の大きさがあると、１個の焦点型垂直探触子で、その縦波音速と横波音速を同時に測定でき、これらからヤング率やポアソン比を瞬時に求めることができるという著しい効果を有する。
【００１１】
次に、本発明の一探触子による縦波音速Ｃ_Ｌ及び横波音速Ｃ_Ｓを求める方法について具体的に説明する。
図１に示すように、水や不活性液などの媒質４に試料３を浸漬し、焦点型垂直探触子２から送信された超音波を試料３に入射すると、ＣＲＴモニター１に図２に示すような波形が現れる。
はじめの波形Ｔは送信パルスであり、次のエコーＳ_１は表面エコー、順に縦波が試料中を往復した底面エコーＢ_１、試料底面で縦波が反射したときにモード変換により発生した横波による遅れエコーＸ_１、超音波が試料に入射した時にモード変換により発生した横波が試料中を往復した遅れエコーＸ_２、底面で２回反射した底面エコーＢ_２である。
【００１２】
各エコーの伝播経路は図３に示すように、底面エコーＢ_１は実線で表した縦波が試料中を往復したエコーであり、遅れエコーＸ_１は片道が縦波、残りの片道が破線で表した横波が伝播したエコー、遅れエコーＸ_２は横波が往復したエコーである。そして、底面エコーＢ_２は縦波が２回往復したエコーである。
【００１３】
縦波音速Ｃ_Ｌは、底面エコーＢ_１から試料中を縦波が往復した伝播時間Ｔ_Ｂを読み取り、あらかじめ測定してある試料厚さをｔとすると、
Ｃ_Ｌ＝２ｔ／Ｔ_Ｂから求めることができる。
【００１４】
遅れエコーＸ_１から横波音速Ｃ_Ｓを求めるためには、縦波と横波からなる遅れエコーＸ_１の伝播時間Ｔ_Ｘ１を読み取り、これから縦波による片道の伝播時間Ｔ_Ｂ／２を引いた横波の伝播時間Ｔ_Ｘ１−Ｔ_Ｂ／２を求め、 Ｃ_Ｓ＝ｔ／（Ｔ_Ｘ１−Ｔ_Ｂ／２）から横波音速Ｃ_Ｓを求めることができる。
また、遅れエコーＸ_２から横波音速Ｃ_Ｓを求める方法、すなわち遅れエコーＸ_２から横波が試料中を往復した伝播時間Ｔ_Ｘ２を読み取り、 Ｃ_Ｓ＝２ｔ／Ｔ_Ｘ２から横波音速Ｃ_Ｓを求めることもできる。
【００１５】
伝播時間Ｔ_Ｂ、伝播時間Ｔ_Ｘ１、伝播時間Ｔ_Ｘ２をＣＲＴモニター１から読み取る場合の表面エコーＳ_１波形の基準位置は、図４に示すように感度が高い場合には表面エコーＳ_１の波形は数本が同じ高さとなり基準位置の決定が困難となるが、感度を下げることにより図５に示すように最も高い波形が現れるので、プラス側のこの最も高い波形を基準とし各伝播時間を読み取る。
以上により求めた縦波音速Ｃ_Ｌ及び横波音速Ｃ_Ｓ並びに密度ρから、下記式によりヤング率Ｅ及びポアソン比νを求めることができる。
Ｅ＝ρ（３Ｃ_Ｓ ^２・Ｃ_Ｌ ^２−４Ｃ_Ｓ ^４）／（ Ｃ_Ｌ ^２−Ｃ_Ｓ ^２）
ν＝（Ｃ_Ｌ ^２−２Ｃ_Ｓ ^２）／２（Ｃ_Ｌ ^２−Ｃ_Ｓ ^２）
【００１６】
図６は、ステンレス鋼、アルミニウム、ジルコニア、導電性サイアロン、アルミナの各種材料について、本発明の一探触子による縦波音速測定法と、従来のＳｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法による縦波音速の測定値を比較したものであり、ほぼ同様の値となっていることが分かる。
図７は、同様にステンレス鋼、アルミニウム、ジルコニア、導電性サイアロン、アルミナの各種材料について、本発明の一探触子による横波音速測定法と、従来のＳｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法による横波音速の測定値を比較したものであり、ほぼ同様の値となっている。
図８は、上記の測定結果に基づいて得た、本発明のヤング率とＳｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法によるヤング率の結果である。いずれの材料についてもほぼ同様の結果が得られているのが分かる。
【００１７】
遅れエコーＸ_２が底面エコーＢ_２の前後のどちらに現れるかは、Ｃ_Ｓ／Ｃ_Ｌの比率によって決定される。
遅れエコーＸ_２が底面エコーＢ_２の前に現れる場合は、Ｔ_Ｂ＜Ｔ_Ｘ２＜２Ｔ_Ｂの関係が成り立っている。この不等式にＴ_Ｂ＝２ｔ／Ｃ_Ｌ Ｔ_Ｘ２＝２ｔ／Ｃ_Ｓを代入して整理すると、
０．５＜Ｃ_Ｓ／Ｃ_Ｌ＜１となる。この条件を満たす材料には、鋼、アルミナ、ジルコニア、石英ガラスなどがある。
遅れエコーＸ_２が底面エコーＢ_２の後に現れる場合は、２Ｔ_Ｂ＜Ｔ_Ｘ２の関係が成り立っている。この不等式にＴ_Ｂ＝２ｔ／Ｃ_Ｌ Ｔ_Ｘ２＝２ｔ／Ｃ_Ｓを代入して整理すると、Ｃ_Ｓ／Ｃ_Ｌ＜０．５となる。この条件を満たす材料には、銅などが挙げられる。
また、遅れエコーＸ_２が底面エコーＢ_２とほぼ同位置に現れるのは、Ｃ_Ｓ／Ｃ_Ｌ＝０．５のときであり、アルミニウムなどがこれに該当する。
【００１８】
【発明の効果】
上記の通り、本発明の超音波音速測定方法により、これまでは難しかった厚さが１ｍｍ以下の材料や面積が非常に小さい材料についても、容易に縦波音速及び横波音速を同時に測定することができるという著しい効果を有する。すなわち、本発明により１個の焦点型垂直探触子で、厚さが１ｍｍ以下の材料でも１ｍｍ×１ｍｍ程度の大きさがあると、その縦波音速と横波音速を同時にかつ精度良く測定でき、これらからヤング率やポアソン比を瞬時に求めることができるという優れた特徴を有する。これによって、本発明は材料開発の材料特性評価に大きな効果が期待でき、この分野に大きく貢献できる発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用される装置、試料などの構成を示す概略説明図である。
【図２】本発明に使用される超音波エコーが超音波装置のＣＲＴモニターに現れる状態を示した説明図である。
【図３】超音波が試料内を伝播するときの各エコーの形態を表した説明図である。
【図４】超音波の伝播時間を測定する場合において、感度が高すぎたときの表面エコーの形態を示す説明図である。
【図５】超音波の伝播時間を測定する場合において、感度を高い状態から下げてきた時の表面エコーの形態を示す説明図である。
【図６】本発明の方法とＳｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法により求めた各種材料の縦波音速を比較した図である。
【図７】本発明の方法とＳｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法により求めた各種材料の横波音速を比較した図である。
【図８】本発明の方法とＳｉｎｇ Ａｒｏｕｎｄ法により求めた各種材料のヤング率を比較した図である。
【符号の説明】
１：ＣＲＴモニター
２：焦点型垂直探触子
３：試料
４：媒質

Claims (10)

1. 試料の横波音速を測定する超音波音速測定方法であって、媒質に浸漬した試料に探触子から超音波を入射し、試料内を縦波で伝播して試料底面で反射して戻ったモード変換を伴わない底面エコーと、試料底面で反射したときにモード変換により発生した横波による遅れエコーとを検出し、モード変換による遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ１）からモード変換を伴わない底面エコーの縦波の伝播時間（Ｔ_Ｂ／２）を引いた横波伝播時間と試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝ｔ／（Ｔ_Ｘ１−Ｔ_Ｂ／２）として求める超音波音速測定方法。
2. 試料の縦波音速及び横波音速を測定する超音波音速測定方法であって、媒質に浸漬した試料に探触子から超音波を入射し、試料内を縦波で伝播して試料底面で反射して戻ったモード変換を伴わない底面エコーと、試料底面で反射したときにモード変換により発生した横波による遅れエコーとを検出し、モード変換を伴わない底面エコーの伝播時間（Ｔ_Ｂ）と試料の厚さ（ｔ）から縦波音速Ｃ_ＬをＣ_Ｌ＝２ｔ／Ｔ_Ｂとして求め、モード変換による遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ１）から縦波の伝播時間（Ｔ_Ｂ／２）を引いた横波伝播時間と平板状試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝ｔ／（Ｔ_Ｘ１−Ｔ_Ｂ／２）として求める超音波音速測定方法。
3. 探触子から媒質を通して超音波が試料に入射した時に、モード変換により発生した横波が試料内を往復伝播した横波だけの遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ２）と試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝２ｔ／Ｔ_Ｘ２として求める超音波音速測定方法。
4. 試料の縦波音速及び横波音速を測定する超音波音速測定方法であって、媒質に浸漬した試料に探触子から超音波を入射し、試料内を縦波で伝播して試料底面で反射して戻ったモード変換を伴わない底面エコーと、試料底面で反射したときにモード変換により発生した横波による遅れエコーとを検出し、モード変換を伴わない底面エコーの伝播時間（Ｔ_Ｂ）と試料の厚さ（ｔ）から縦波音速Ｃ_ＬをＣ_Ｌ＝２ｔ／Ｔ_Ｂとして求め、モード変換により発生した横波が試料内を往復伝播した横波だけの遅れエコーの伝播時間（Ｔ_Ｘ２）と試料の厚さ（ｔ）から横波音速Ｃ_ＳをＣ_Ｓ＝２ｔ／Ｔ_Ｘ２として求める超音波音速測定方法。
5. 一探触子による測定であることを特徴とする請求項１〜４のそれぞれに記載の超音波音速測定方法。
6. 焦点型垂直探触子であることを特徴とする請求項１〜５のそれぞれに記載の超音波音速測定方法。
7. 平板状の試料であることを特徴とする請求項１〜６のそれぞれに記載の超音波音速測定方法。
8. 媒質が超音波を伝播し探触子に損傷を与えない不活性液であることを特徴とする請求項１〜７のそれぞれに記載の超音波音速測定方法。
9. 媒質が水であることを特徴とする請求項１〜８のそれぞれに記載の超音波音速測定方法。
10. 請求項２又は請求項４のそれぞれの方法により求めた縦波音速Ｃ_Ｌ及び横波音速Ｃ_Ｓ並びに密度ρから、下記式によりヤング率Ｅ及びポアソン比νを求める方法。
    Ｅ＝ρ（３Ｃ_Ｓ ^２・Ｃ_Ｌ ^２−４Ｃ_Ｓ ^４）／（ Ｃ_Ｌ ^２−Ｃ_Ｓ ^２） ν＝（Ｃ_Ｌ ^２−２Ｃ_Ｓ ^２）／２（Ｃ_Ｌ ^２−Ｃ_Ｓ ^２）

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