JP4243702B2 - Measurement method of sound velocity distribution inside material - Google Patents
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本発明は、板状材料ならびに管状材料の材質測定や内部応力測定をおこなう超音波共振法において板状材料ならびに管状材料内部の音速分布を測定する方法に関する。The present invention relates to a method for measuring sound velocity distribution in a plate-like material and a tubular material in an ultrasonic resonance method for measuring the material of a plate-like material and a tubular material and measuring internal stress.
金属材料の厚さ測定、材質測定、内部応力測定のために超音波共振法が有効であることはよく知られている。
図2は超音波共振法の概略図である。1は超音波振動子であり超音波の発信と受信の両方に用いられる。2は板状材料であり被試験材料である。その厚さはdである。超音波振動子1に交流電圧を加えつつ、その交流電圧の振動数を連続的に変化させると、上記非特許文献1によれば次の式(1)が成り立つときに板状材料内部に超音波の共振がおこる。
式(1)においてdは板状材料の厚さ、λは超音波の波長、nは正の整数である。すなわち板状材料の厚さが超音波の波長の半分の整数倍のときに超音波の共振がおこるといえる。nが1,2,3...のときの共振をそれぞれ1次、2次、3次...の共振という。
一方、超音波の速度V、波長λ、周波数fの間に次の(2)式が成り立つことは一般的によく知られている。
式(1)、(2)より次の式(3)を導くことができる。
式(3)のfはn次の共振のときの周波数であるのでこれを明確に示すためにfnと書き直すと次の式(4)ができる。
式(4)より、板状材料の厚さdを測定し、n次共振周波数fnを測定することにより板状材料内部の超音波の速度Vを知ることができる。板状材料内部の超音波の速度Vが板状材料の内部応力や材質に関連していることはよく知られている。上記の特許文献1、非特許文献2、非特許文献3はこのことを利用したものであり、金属板内部の超音波の速度Vを測定し、それより金属板の内部応力や材質を判定している。FIG. 2 is a schematic diagram of the ultrasonic resonance method. An
In formula (1), d is the thickness of the plate-like material, λ is the wavelength of the ultrasonic wave, and n is a positive integer. That is, it can be said that ultrasonic resonance occurs when the thickness of the plate-like material is an integral multiple of half the wavelength of the ultrasonic wave. n is 1, 2, 3,. . . Resonance at first, second, third,. . . This is called resonance.
On the other hand, it is generally well known that the following equation (2) holds between the ultrasonic velocity V, wavelength λ, and frequency f.
The following equation (3) can be derived from equations (1) and (2).
F is this rewritten as f n to clearly show it is the following equation (4) because the frequency in the case of n-order resonance of the formula (3).
From equation (4), the thickness d of the plate-like material is measured, and the ultrasonic velocity V inside the plate-like material can be known by measuring the n- th resonance frequency f n . It is well known that the ultrasonic velocity V inside the plate-like material is related to the internal stress or material of the plate-like material. The above-mentioned
上記の特許文献1、非特許文献2、非特許文献3に開示されている発明は基本原理的には式(4)を利用したものであり、金属板内部の超音波の速度Vが試験対象となる金属板の内部において表面からの深さにかかわらず一定であることを仮定したものである。従って、金属板の内部において材質や内部応力が表面からの深さにかかわらず一定であるときにのみそれらを測定できる方法であるといえる。ところが実際の金属板では圧延や熱処理により、金属板内部において材質や内部応力が表面からの深さによって一定でないことが多いことはよく知られている。したがって特許文献1、非特許文献2、非特許文献3に開示されている発明は金属板内部において材質や内部応力が表面からの深さによって一定でない場合には適用することができない。The inventions disclosed in
本発明は上記課題を解決するため材料内部の超音波の速度Vが表面からの深さによって一定でないときにも適用できる超音波共振法を提供するものである。
請求項1に記載の発明は、超音波共振法において複数の共振周波数を測定し、それらの値を演算した結果より材料内部の超音波速度の分布を判定することを特徴とする。 従来は共振周波数f1、f2、f3、……は共振の次数に正比例すると考えられていた。そのため式(4)より、f1、f2、f3、……等のうちどの共振周波数を用いても同じ値の超音波の速度Vが得られると考えられていた。本発明の発明者は、従来の考えは不完全であり板状材料内部の超音波の速度Vが表面からの深さによって一定でないときには共振周波数f1、f2、f3、……等は共振の次数に正比例せず、わずかに正比例からずれることを発見し、さらにそれらの値を演算した結果より材料内部の超音波速度の分布を判定する方法を発明したのである。In order to solve the above problems, the present invention provides an ultrasonic resonance method that can be applied even when the velocity V of the ultrasonic wave inside the material is not constant depending on the depth from the surface.
The invention according to
請求項2に記載の発明は、超音波共振法において、複数の共振周波数を測定し、1次以上且つ5次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和と、2次以上且つ20次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和とをもとめ、その両方から板状材料ならびに管状材料の内部の超音波速度の分布を判定することを特徴とする。The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1、請求項2に記載の超音波共振法において、材料内部の超音波速度の分布より材料の材質、内部応力を判定することを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the ultrasonic resonance method according to the first and second aspects, the material quality and internal stress of the material are determined from the distribution of ultrasonic velocity inside the material.
発明を実施するための最良の形態は、請求項3に記載の発明であり、請求項1、請求項2に記載の超音波共振法により測定された材料内部の超音波速度の分布より、材料の材質、内部応力を判定することを特徴とする超音波共振法である。超音波共振法としては、電磁超音波共振法でもよいし、圧電振動子を用いた超音波共振法でもよい。The best mode for carrying out the invention is the invention according to
発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。図1は発明の実施の1例である共振電磁超音波検査装置の概要を示す概要図である。特許文献1、非特許文献2、非特許文献3には共振電磁超音波検査装置が開示されているので概要図のみとした。図1において、3は共振電磁超音波送受信器、4は電磁超音波トランスデューサ、5は被検査体である厚さ15mmの鋼板である。6は鋼板内での共振で生じた横波超音波の定在波の振幅分布を示す。4の電磁超音波トランスデューサは横波超音波を送受信するものである。金属等の固体中を伝播する超音波には、進行方向と振動方向が平行な縦波超音波と進行方向と振動方向が垂直な横波超音波とがあることはよく知られているのでそれらの詳細な説明は省略する。測定は共振電磁超音波送受信器3の周波数を掃引することによりおこなわれる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described based on examples with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a resonant electromagnetic ultrasonic inspection apparatus as an example of an embodiment of the invention. Since
図3は図1の共振電磁超音波検査装置により得られたディジタル測定データを図示したものである。横軸は共振電磁超音波送受信器3によって掃引された周波数、縦軸は測定により得られた横波超音波の振幅をあらわしている。図3において横波超音波の振幅が特に大きいSn(n=1〜20)であらわされているところで超音波の共振が起こっている。nは共振の次数をあらわしている。超音波の共振が起こっている共振周波数はfn(n=1〜20)である。下付き添字であるnは共振の次数をあらわしている。f1は1.007MHzと測定された。従来はこれらの共振周波数fnは共振の次数nに正比例し、またこれらの共振周波数fnと共振の次数nを式(4)に代入して得られる超音波の音速Vはnの値にかかわらずすべて等しいとされてきた。
しかし本発明者は図3に図示したディジタル測定データを仔細に検討した結果、これらの共振周波数fnは共振の次数nに正比例せず、したがって式(4)によって得られる超音波の音速は全てわずかに異なることを発見した。FIG. 3 shows digital measurement data obtained by the resonant electromagnetic ultrasonic inspection apparatus of FIG. The horizontal axis represents the frequency swept by the resonant electromagnetic ultrasonic transmitter /
However, as a result of careful examination of the digital measurement data shown in FIG. 3, the present inventor has found that these resonance frequencies f n are not directly proportional to the resonance order n, and therefore, the sound speed of the ultrasonic wave obtained by the equation (4) is all. I found it slightly different.
図4は図3の測定データを仔細に検討して得られた共振周波数fnと共振の次数nとの関係を示している。図4において横軸は共振の次数であり、縦軸は共振周波数である。図4より共振周波数fnは共振の次数nには正比例していないことがわかる。直線7は共振周波数が共振の次数に正比例すると仮定した場合にそれらの関係をあらわす直線である。共振周波数fnが共振の次数nに正比例していないことを強調するために直線7からのずれを実際よりは大きく描いている。FIG. 4 shows the relationship between the resonance frequency f n and the resonance order n obtained by carefully examining the measurement data of FIG. In FIG. 4, the horizontal axis represents the order of resonance, and the vertical axis represents the resonance frequency. FIG. 4 shows that the resonance frequency f n is not directly proportional to the resonance order n. The
このことをさらに明瞭に示すために各共振周波数fnをnでわった値である(fn/n)を1次の共振周波数f1でさらにわった(fn/n)/f1を計算し、これと共振の次数nとの関係を図5に示す。図5において横軸は共振の次数であり、縦軸は(fn/n)/f1である。図5によれば(f1/1)/f1=1、(f2/2)/f1=1.0076、(f3/3)/f1=1.0090、(f4/4)/f1=1.0095、(f5/5)/f1=1.0097、であり、その後は(fn/n)/f1の値はnの増大とともにわずかに増加するが、nが2以上では増加の割合は小さくなりほぼ一定の値1.01にちかづいている。すなわちnが2以上20以下の(fn/n)/f1値はほぼ等しく1.01となっている。したがってnが2以上であれば(fn/n)=f1×1.01=1.0171MHz としても誤差は小さいといえる。 そこでnが10である場合の(fn/n)、すなわち(f10/10)=1.0171MHzを使用して式(4)より超音波音速を算出すると3051m/sとなった。In order to show this more clearly, (f n / n), which is a value obtained by dividing each resonance frequency f n by n, is further divided by (f n / n) / f 1 by the primary resonance frequency f 1. FIG. 5 shows the relationship between the calculation and the resonance order n. In FIG. 5, the horizontal axis represents the order of resonance, and the vertical axis represents (f n / n) / f 1 . Referring to FIG. 5 (f 1/1) /
このような測定の後に、図1の厚さ15mmの鋼板5を表面に平行な面に沿ってスライスして厚さ1mmの薄い鋼板を11枚作り、それぞれの薄い鋼板の内部での音速を測定した結果を図6に示す。図6の横軸は表面からの深さをあらわし、縦軸はその深さでの超音波音速をあらわす。これによってもとの鋼板5の内部における超音波の音速は表面からの深さによって異なり、表面近くで超音波音速が最大で3150m/sであり、中心で超音波音速が最小であり3000m/sであることがわかった。その比は3150/3000=1.05である。また超音波の音速分布は表面からの深さに関して2次曲線状で且つ中心に関して対象であり、平均の超音波音速は3050m/sであることがわかった。After such measurement, the
他の異なる5枚の鋼板(厚さはいずれも15mm)についても上記と同様の共振周波数の測定とスライス後の超音波音速測定をおこなった。鋼板5と他の異なる5枚の鋼板、すなわち合計6枚の鋼板の測定の結果を図7、図8に示す。図7の横軸は共振電磁超音波検査装置によって測定された(f10/10)/f1の値である。図7の縦軸は鋼板をスライス後に測定された表面近くの超音波音速VSと中心の超音波音速VCとの比である。図7より共振電磁超音波検査装置によって測定された(f10/10)/f1の値から、表面近くの超音波音速VSと中心の超音波音速VCとの比を次の式により求めることができる。
VS/VC=5(f10/10)/f1−4 (5)
nが2以上であれば(fn/n)/f1の値はほぼ等しいので、(f10/10)/f1のかわりに、nが2以上である他の(fn/n)/f1を使ってもほぼ同じ結果が得られることはいうまでもない。またnが2以上である任意のnを有する複数の(fn/n)/f1の平均値を使ってもほぼ同じ結果が得られることはいうまでもない。For the other five different steel plates (thickness is 15 mm), the measurement of the resonance frequency and the ultrasonic speed of sound after slicing were performed in the same manner as described above. 7 and 8 show the measurement results of the
V S / V C = 5 (
If n is 2 or more because (f n / n) / value of f 1 is approximately equal, in place of (f 10/10) / f 1, n is other than 2 (f n / n) Needless to say, the same result can be obtained by using / f 1 . It goes without saying that substantially the same result can be obtained even if an average value of a plurality of (f n / n) / f 1 having an arbitrary n of 2 or more is used.
図8の横軸は共振電磁超音波検査装置によって測定された(f10/10)の値を式(4)に代入して算出した超音波音速である。図8の縦軸は鋼板をスライス後に測定された平均の超音波音速である。
図8より共振電磁超音波検査装置によって測定された(f10/10)の値を式(4)に代入して算出した超音波音速と鋼板をスライス後に測定された平均の超音波音
ることができる。ここでdは鋼板の厚さである。
nが2以上であれば(fn/n)の値はほぼ等しいので、(f10/10)のかわりに、nが2以上である他の(fn/n)を使ってもほぼ同じ結果が得られることはいうまでもない。
超音波の音速分布が表面からの深さに関して2次曲線状で且つ中心に関して対象である場合は、平均の超音波音速と、鋼板の表面近くの超音波音速と中心の超音波音速との比の両方がわかれば超音波の音速分布を完全に知ることができることは数学的にも自明である。このようにして共振電磁超音波検査装置による測定結果より鋼板内部の定量的超音波音速の分布を判定することができることがわかった。The horizontal axis of FIG. 8 is an ultrasonic sound velocity of calculating the value of which is determined by the resonant electromagnetic ultrasonic inspection apparatus (f 10/10) into Equation (4). The vertical axis | shaft of FIG. 8 is the average ultrasonic sound speed measured after slicing the steel plate.
From FIG. 8, the ultrasonic sound velocity calculated by substituting the value of (f 10/10 ) measured by the resonance electromagnetic ultrasonic inspection apparatus into the equation (4) and the average ultrasonic sound measured after slicing the steel sheet.
Can. Here, d is the thickness of the steel plate.
If n is 2 or more, the value of (f n / n) is almost equal. Therefore, instead of (f 10/10 ), it is almost the same if another (f n / n) where n is 2 or more is used. It goes without saying that results are obtained.
When the ultrasonic sound velocity distribution is a quadratic curve with respect to the depth from the surface and the object is the center, the ratio of the average ultrasonic sound velocity to the ultrasonic sound velocity near the surface of the steel sheet and the ultrasonic sound velocity at the center. It is also mathematically obvious that if both of these are known, the ultrasonic velocity distribution can be completely known. In this way, it was found that the distribution of quantitative ultrasonic sound velocity inside the steel sheet can be determined from the measurement result by the resonance electromagnetic ultrasonic inspection apparatus.
実施例1で使用した計算方法とは異なる以下の方法によっても、共振電磁超音波検査装置による測定結果より鋼板内部の超音波音速の定量的分布を判定することができることがわかった。
pnは0より大きく1より小さい正の数である。
次に式(8)により鋼板の表面近くの超音波音速VSと中心の超音波音速VCとの比をもとめる。
qnは0より大きく1より小さい正の数である。
pnとqnの値としては次のような値を選ぶとよいことがわかった。
p2=1.0024,p3=1.001,p4=1.0005,p5=1.0003,p6〜p20=1.00q1=1.000、q2=0.9925、q3=0.9911、q4=0.9906,q5=0.9904そしてこうしてもとめられた平均の超音波音速と、鋼板の表面近くの超音波音速と中心の超音波音速との比の両方より鋼板内部の超音波の音速分布を判定したところ鋼板をスライスして測定した超音波の音速分布とほぼ等しいことがわかった。このほかにもさまざまなpn、qnの値の組み合わせが可能であることもわかった。共振の次数nが21以上のfnは測定の誤差の範囲内で全く同じ値であることが実験によりわかった。したがって次数nが21以上のfnを利用する価値がないこともわかった。It was found that the quantitative distribution of the ultrasonic sound velocity inside the steel sheet can also be determined from the measurement result obtained by the resonance electromagnetic ultrasonic inspection apparatus by the following method different from the calculation method used in Example 1.
pn is a positive number greater than 0 and less than 1.
Next, the ratio between the ultrasonic sound velocity V S near the surface of the steel sheet and the central ultrasonic sound velocity V C is obtained by equation (8).
q n is a positive number greater than 0 and less than 1.
The value of p n and q n was found to be a good choice values as follows.
p 2 = 1.0024, p 3 = 1.001,
本発明は横波超音波のみでなく縦波超音波にも適用できる。また本発明は板状材料のみでなく管状材料であっても管壁が極度に湾曲していない比較的直径の大きいものであれば適用できる。また本発明は超音波の音速分布が表面からの深さに関して2次曲線状でない場合にも適切なpnならびにqnの組み合わせにより適用できる。また式(7)、(8)のようなfnだけを含む式だけでなくfnの2乗以上の項を含む式を適切に選んで演算することによっても適用できる。あるいはfnを含む関数を適切に選んで演算することによっても適用できる。The present invention can be applied not only to transverse wave ultrasound but also to longitudinal wave ultrasound. The present invention can be applied not only to plate-like materials but also to tubular materials, as long as the tube wall is not extremely curved and has a relatively large diameter. The present invention can be applied by a combination of appropriate p n and q n even if the sound velocity distribution in the ultrasonic wave is not a quadratic curve shape with respect to depth from the surface. Further, the present invention can be applied by appropriately selecting and calculating not only an expression including only f n such as Expressions (7) and (8) but also an expression including a term equal to or larger than the square of f n . Alternatively applicable by appropriately Pick computing functions including f n.
以上説明したように本発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。請求項1,2に示した超音波共振法のうちのいずれかの超音波共振法により、板状材料や管状材料の内部の厚さ方向に沿った音速分布測定を実現できる。一方、板状材料や管状材料を伝播する超音波の音速と残留応力あるいは材質特性との関係は[特許文献1]、[特許文献2][特許文献3]、[非特許文献1]、[非特許文献2]、[非特許文献3]などのこれまでの多数の文献において明らかにされている。すなわち、請求項3に示した超音波共振法により、これまでは不可能とされてきた板状材料や管状材料の内部の厚さ方向に沿った残留応力の分布の測定、材質特性の分布の測定を信頼性高く実現できることになる。As described above, according to the present invention, the following excellent effects can be obtained. With any one of the ultrasonic resonance methods described in
本発明は板状材料のみでなく管状材料であっても管壁が極度に湾曲していない比較的直径の大きいものであれば適用できる。鉄鋼業やアルミニウム産業において、板状材料や管状材料の内部の残留応力の分布の測定、材質特性の分布の測定に利用することができる。The present invention can be applied not only to a plate-like material but also to a tubular material as long as the tube wall is not extremely curved and has a relatively large diameter. In the steel industry and the aluminum industry, it can be used for measuring the distribution of residual stress inside the plate-like material and tubular material and measuring the distribution of material properties.
1 超音波振動子
2 板状材料
3 共振電磁超音波送受信器
4 電磁超音波トランスデューサ
5 厚さ15mmの鋼板
6 鋼板内での共振で生じた横波超音波の定在波の振幅分布
7 共振周波数が共振の次数に正比例すると仮定した場合にそれらの関係をあらわす直線DESCRIPTION OF
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