JP7489638B2 - 非破壊検査装置 - Google Patents
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Description
<<1. 非破壊検査装置の構成>>
図1は、非破壊検査装置10を示した図面である。
この非破壊検査装置10は、被検体90の内部に存在する内部欠陥93の大きさa[m]と、被検体90の表面91から内部欠陥93までの深さh[m]とを検出する装置である。特に、深さhが100~2500 mmである場合のみならず、深さhが100 mm以下である場合でも、つまり内部欠陥93が被検体90の表面近傍に存在する場合でも、この非破壊検査装置10では内部欠陥93の大きさa及び内部欠陥93までの深さhを正確に検出することができる。
内部欠陥93とは、例えば剥離又は内部亀裂のことをいう。
内部欠陥93の大きさaとは、表面91に沿う方向における内部欠陥93の長さのことをいう。内部欠陥93が正方形型の剥離である場合、内部欠陥93の大きさaとはその正方形の辺長をいい、内部欠陥93が円形型の剥離である場合、内部欠陥93の大きさaとはその円形の直径をいい、内部欠陥93が長方形型の剥離である場合、内部欠陥93の大きさaとはその長方形の短辺長又は長辺長をいい、内部欠陥93が長円型の剥離である場合、内部欠陥93の大きさaとは長円の長径又は短径をいう。なお、本明細書において、「長方形」は、正方形を含まない意で用い、「方形」は、正方形及び長方形を含む意で用いる。
(1) 第1取得部
第1取得部31として機能するコンピュータ30は、A/Dコンバータ27の出力デジタル信号(つまり、打撃力センサ25によって検出された打撃力)を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する。打撃力の時系列データとは、打撃力センサ25によって検出された打撃力の所定周期おきの値を時系列で配列したデータ列のことをいう。コンピュータ30がA/Dコンバータ27の出力デジタル信号を取得する際のサンプリングレートは、A/Dコンバータ27のサンプリングレートに等しくても良いし、等しくなくてもよい。
第1抽出部32として機能するコンピュータ30は、図2に示すように、第1取得部31が取得して一時的に記憶した打撃力の時系列データから最大打撃力Fmax [N] を抽出して、一時的に記憶する。
第2取得部33として機能するコンピュータ30は、A/Dコンバータ24の出力デジタル信号(つまり、電気音響変換器22によって検出された音圧)を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する。音圧の時系列データとは、電気音響変換器22によって検出された音圧の所定周期おきの値を時系列で配列したデータ列のことをいう。コンピュータ30がA/Dコンバータ24の出力デジタル信号を取得する際のサンプリングレートは、A/Dコンバータ24のサンプリングレートに等しくても良いし、等しくなくてもよい。
第2抽出部34として機能するコンピュータ30は、図3に示すように、第2取得部33が取得して一時的に記憶した音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値Pmax [Pa] を抽出して、一時的に記憶する。以下、最大値Pmaxを最大音圧Pmaxという。
高速フーリエ変換部35として機能するコンピュータ30は、第2取得部33が取得した音圧の時系列データを高速フーリエ変換処理することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出して、一時的に記憶する。
固有振動数抽出部36として機能するコンピュータ30は、図4に示すように、高速フーリエ変換部35が算出した音圧振動数特性から極大値をn次(nは1以上の正数であり、振動モードの次数を表す。)の固有振動数fn [Hz] として抽出して、一時的に記憶する。ここで、1次固有振動数f1の抽出が好ましい。
算出部37として機能するコンピュータ30は、第1抽出部32が抽出した最大打撃力Fmaxと、第2抽出部34が抽出した最大音圧Pmaxと、固有振動数抽出部36が抽出した固有振動数fnとから次式(1)又は次式(2)により内部欠陥93の大きさa [m] を算出する。更に、コンピュータ30は、第1抽出部32が抽出した最大打撃力Fmaxと、第2抽出部34が抽出した最大音圧Pmaxと、固有振動数抽出部36が抽出した固有振動数fnとから次式(3)又は次式(4)により内部欠陥93までの深さh [m] を算出する。ここで、式(3)の右辺にaが存在するところ、式(1)の右辺が式(3)の右辺のaに当て嵌められる。また、大きさaの算出に式(1)が用いられる場合、深さhの算出に式(3)が用いられることが好ましい(但し、式(4)が用いられてもよい)。また、大きさaの算出に式(2)が用いられる場合、深さhの算出に式(4)が用いられることが好ましい(但し、式(3)が用いられてもよい)。式(1)、式(2)、式(3)及び式(4)については、後に詳細に説明する。
算出部37が内部欠陥93の大きさa及び内部欠陥93までの深さhを算出すると、コンピュータ30は表示デバイス80に大きさa及び深さhを表示させる。更に、コンピュータ30は大きさa及び深さhをストレージ60に記録する。
以上の非破壊検査装置10を用いると、被検体90を破壊することなく内部欠陥93の大きさaと、表面91から内部欠陥93までの深さhを検出することができる。特に、内部欠陥93までの深さhが100 mm以下である場合でも内部欠陥93の大きさa及び内部欠陥93までの深さhを検出することができる。
以下に、上記式(1)、式(2)、式(3)及び式(4)について詳細に説明する。
図9及び図10に示すようなモデルを想定する。図9及び図10に示すように、被検体190の表面191に対してほぼ平行な正方形状の内部欠陥193が被検体190の内部に存在すると想定する。内部欠陥193の辺長をaとし、被検体190の表面191から内部欠陥193までの深さをhとすると、被検体190のうち内部欠陥193を覆った領域194は、厚さがhであり、幅及び長さがaである正方形平板とみなせ、その正方形平板の4辺は固定端とみなせる。以下、この領域194を振動板194という。
振動板194に単位インパルスの入力荷重を与えた時、振動板194の変位の時間的変化が減衰振動であるところ、振動板194の変位応答スペクトルにおける最大スペクトル強度は、入力荷重に等しい静的な垂直単位荷重を振動板194に与えた場合の撓みに等しい。振動板194の変位応答スペクトルにおける最大振幅は1/k1となり、振動板194の変位応答スペクトルにおける1次固有振動数はf1=ω1/2πとなる。振動板194の加速度の時間的変化も減衰振動であるところ、振動板194の加速度応答スペクトルにおける最大スペクトル強度はω1 2/k1となり、振動板194の加速度応答スペクトルにおける1次固有周波数はf1となる。ここで、ω1は1次固有角振動数であり、k1は1次固有振動数における振動板194のバネ定数である。
振動板194の(m,n)次モードの固有振動数fmnは、式(9)で与えられる(参考文献1)。
振動板194が方形板状であるところ、その方形において2つの対角線が重なる位置に、すなわち方形板の中央に垂直な集中荷重Fmaxを加えたとき、その中央の最大たわみδmaxは式(12)で与えられる(参考文献2)。
振動板194から距離R [m] だけ離れた位置195における音圧と、振動板194の振動の加速度とは、次式(17)の関係にある。ここで、P(s)は位置195の音圧のラプラス変換であり、G1(s)は振動板194の振動の加速度のラプラス変換であり、ρ0は媒体、つまり空気の密度であり、rは振動板194が円形板である場合の振動板194の半径であり、Rは振動板194から位置195までの距離である。
参考文献1;共立出版ホームページ、付録A1自由度系(自由振動)の解放、インターネット<URL:https://www.kyoritsu-pub.co.jp/app/file/goods_contents/46.pdf>
図12は、第2実施形態における非破壊検査装置10Aのブロック図である。ここで、第2実施形態の非破壊検査装置10Aと第1実施形態の非破壊検査装置10の間で互いに共通する構成要素に同一の符号を付す。以下、第2実施形態の非破壊検査装置10Aについては、第1実施形態の非破壊検査装置10と相違する点を主に説明する。以下に説明する相違点以外については、第2実施形態における非破壊検査装置10Aは第1実施形態における非破壊検査装置10と共通している。
(1) 第1取得部31、第1抽出部32、第2取得部33、第2抽出部34、高速フーリエ変換部35及び固有振動数抽出部36はそれぞれ第1実施形態のそれと同一に機能して、同一の演算を行う。
第2高速フーリエ変換部41Aとして機能するコンピュータ30は、第1取得部31が取得した打撃力の時系列データを高速フーリエ変換処理することにより、振動数ごとの打撃力のスペクトル強度を表した打撃力振動数特性を算出して、一時的に記憶する。
第3抽出部42Aとして機能するコンピュータ30は、図13に示すように、第2高速フーリエ変換部41Aが算出した打撃力振動数特性から打撃力の最大スペクトル強度Lmax [dB] を抽出する。
スペクトル強度算出部43Aとして機能するコンピュータ30は、図13に示すように、固有振動数抽出部36が抽出した固有振動数fnを、前記第2高速フーリエ変換部41Aが算出した打撃力振動数特性に当て嵌めることによって、その固有振動数fnに対応するスペクトル強度L1 [dB] を算出する。なお、前述のように固有振動数fnは1次固有振動数f1であることが好ましい。
レベル差算出部44Aとして機能するコンピュータ30は、第3抽出部42Aが抽出した最大スペクトル強度Lmaxと、スペクトル強度算出部43Aが算出したスペクトル強度L1とのレベル差Lmax-L1 [dB] を算出する。レベル差とは、単位をデシベルとしたレベル表現における最大スペクトル強度Lmaxのデシベル値とスペクトル強度L1のデシベル値の差をいう。
補正部45Aとして機能するコンピュータ30は、第2抽出部34が抽出した最大音圧Pmaxに、レベル差算出部44Aが算出したレベル差Lmax-L1に応じた倍率Mを乗ずる。このような乗算により得られた積が、最大音圧Pmaxの補正値Pmax’ [Pa] である。
算出部37Aとして機能するコンピュータ30は、第1抽出部32が抽出した最大打撃力Fmaxと、補正部45Aが算出した補正値Pmax ’と、固有振動数抽出部36が抽出した固有振動数fnとから次式(24)又は次式(25)により内部欠陥93の大きさaを算出する。更に、コンピュータ30は、第1抽出部32が抽出した最大打撃力Fmaxと、補正部45Aが算出した補正値Pmax ’と、固有振動数抽出部36が抽出した固有振動数fnとから次式(26)又は次式(27)により内部欠陥93までの深さhを算出する。ここで、式(26)の右辺にaが存在するところ、式(24)の右辺が式(26)の右辺のaに当て嵌められる。また、大きさaの算出に式(24)が用いられる場合、深さhの算出に式(26)が用いられることが好ましい(但し、式(27)が用いられてもよい)。また、大きさaの算出に式(25)が用いられる場合、深さhの算出に式(27)が用いられることが好ましい(但し、式(26)が用いられてもよい)。
算出部37Aが内部欠陥93の大きさa及び内部欠陥93までの深さhを算出すると、コンピュータ30は表示デバイス80に大きさa及び深さhを表示させる。更に、コンピュータ30は大きさa及び深さhをストレージ60に記録する。
(1) 打撃力と最大加速度の関係
上記式(1)~(4)、(15)及び(16)を求めるにあたって、振動板194に与える入力荷重は理想インパルスを想定している。理想インパルスとは、打撃の瞬間の微小時間(微小時間とは、限りなく0に近いことをいう。)に打撃力が立ち上がり、その微小時間の前後では打撃力が0になるような入力荷重をいう。理想インパルスの打撃力の振動数特性は、図13中に二点鎖線で示すように、打撃力のスペクトル強度が振動数に関わらず一定の値をとる。
以上の非破壊検査装置10Aを用いると、深さhが100 mm以下である場合でも、被検体90を破壊することなく内部欠陥93の大きさaと、表面91から内部欠陥93までの深さhを正確に検出することができる。
21…ハンマ
22…電気音響変換器
25…打撃力センサ
30…コンピュータ
31…第1取得部
32…第1抽出部
33…第2取得部
34…第2抽出部
35…高速フーリエ変換部
36…固有振動数抽出部
37,37A…算出部
41A…第2高速フーリエ変換部
42A…第3抽出部
43A…スペクトル強度算出部
44A…レベル差算出部
45A…補正部
60…ストレージ
61…プログラム
90…被検体
Claims (8)
- 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第1取得手段と、
前記第1取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第1抽出手段と、
前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第2取得手段と、
前記第2取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第2抽出手段と、
前記第2取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
を備え、
前記内部欠陥の大きさをaとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をfnとし、前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧をPmaxとし、所定の定数をA又はBとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
前記算出手段が次式(1)又は次式(2)を用いて前記内部欠陥の大きさを算出する
非破壊検査装置。
- 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第1取得手段と、
前記第1取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第1抽出手段と、
前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第2取得手段と、
前記第2取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第2抽出手段と、
前記第2取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
を備え、
前記被検体の前記表面から前記内部欠陥までの深さをhとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をfnとし、前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧をPmaxとし、所定の定数をAとし、所定の定数をCとし、所定の定数をDとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
前記算出手段が次式(3)又は次式(4)を用いて前記内部欠陥までの深さを算出する非破壊検査装置。
- 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第1取得手段と、
前記第1取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第1抽出手段と、
前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第2取得手段と、
前記第2取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第2抽出手段と、
前記第2取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
前記第1取得手段によって取得された前記打撃力の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの打撃力のスペクトル強度を表した打撃力振動数特性を算出する第2フーリエ変換手段と、
前記第2フーリエ変換手段により算出された前記打撃力振動数特性から最大スペクトル強度を抽出する第3抽出手段と、
前記第2フーリエ変換手段により算出された前記打撃力振動数特性に、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数を当て嵌めて、その固有振動数に対応するスペクトル強度を算出するスペクトル強度算出手段と、
前記第3抽出手段によって抽出された前記最大スペクトル強度と、前記スペクトル強度算出手段によって算出されたスペクトル強度とのレベル差を求めるレベル差算出手段と、
前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧に、前記レベル差算出手段によって算出された前記レベル差に応じた倍率を乗ずることによって、前記最大音圧の前記補正値を算出する補正手段と、
を備える非破壊検査装置。 - 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第1取得手段と、
前記第1取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第1抽出手段と、
前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第2取得手段と、
前記第2取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第2抽出手段と、
前記第2取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
を備え、
前記内部欠陥の大きさをaとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をfnとし、前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧の前記補正値をPmax’とし、所定の定数をA又はBとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
前記算出手段が次式(6)又は次式(7)を用いて前記内部欠陥の大きさを算出する
非破壊検査装置。
- 被検体に衝突する衝突物に設けられ、前記被検体と前記衝突物の衝突による打撃力を検出して、それを出力する打撃力センサと、
前記打撃力センサによる出力を所定周期で取得することにより、打撃力の時系列データを取得する第1取得手段と、
前記第1取得手段により取得された前記打撃力の時系列データから最大打撃力を抽出する第1抽出手段と、
前記被検体の表面の対向位置において前記被検体と前記衝突物の衝突による打音の音圧を検出して、それを出力する電気音響変換器と、
前記電気音響変換器による出力を所定周期で取得することにより、音圧の時系列データを取得する第2取得手段と、
前記第2取得手段により取得された前記音圧の時系列データから音圧の絶対値の最大値を最大音圧として抽出する第2抽出手段と、
前記第2取得手段によって取得された前記音圧の時系列データをフーリエ変換することにより、振動数ごとの音圧のスペクトル強度を表した音圧振動数特性を算出するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によって算出された前記音圧振動数特性から固有振動数を抽出する固有振動数抽出手段と、
前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力と、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧又はその補正値と、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数とに基づいて、前記被検体の前記表面下の内部欠陥の大きさと前記表面から前記内部欠陥までの深さとのうち少なくとも一方を算出する算出手段と、
を備え、
前記被検体の前記表面から前記内部欠陥までの深さをhとし、前記固有振動数抽出手段によって抽出された前記固有振動数をfnとし、前記第1抽出手段によって抽出された前記最大打撃力をFmaxとし、前記第2抽出手段によって抽出された前記最大音圧の前記補正値をPmax’とし、所定の定数をAとし、所定の定数をBとし、所定の定数をCとし、前記被検体のヤング率をEとし、前記被検体のポアソン比をνとし、前記被検体の密度をρとした場合、
前記算出手段が次式(8)又は次式(9)を用いて前記内部欠陥のまでの深さを算出す
る非破壊検査装置。
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