JPH04178538A

JPH04178538A - 試料内に超音波を発生・検出させる方法及びその装置

Info

Publication number: JPH04178538A
Application number: JP2306009A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 貴裕松本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1992-06-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、試料にレーザビームを用いて発生させた共鳴
超音波により弾性率などの物理的特性を非接触で測定す
るための試料内の超音波発生・検出方法及びその装置に
関するものである。

［従来の技術］例えば、金属、ファインセラミックスなどを構造部材と
して使用する場合、１４００℃の温度における高温弾性
率の測定が必要になる。この高温弾性率の測定の代表的
な方法として、■３点曲げ法、■共振法、■超音波パル
ス法がある。この内、超音波パルス法が最も精度の高い
測定を行うことができる。

超音波パルス法は、縦波及び横波超音波発生用振動子を
バッファロッドに装着し、このバッファロッドを介して
高温下の試料に超音波を入射し、その際の縦波及び横波
超音波の音速を測定して弾性率を求めるものである。こ
のときに得られた縦波及び横波速度の測定値から、弾性
率Ｅ及びポアソン比νは次式で与えられる。

３Ｖ、”−４Ｖｔ” Ｅ＝　□・ρＶ％Ｖ％　　Ｖｔ′ １　　Ｖ、２−２Ｖｔ２ ν　＝−〇２　　Ｖ、　　２　’　　Ｖ、′ 但し、■、：縦波速度、■、：横波速度、ρ：密度・なお、超音波パ、ルス法の詳細に関してもよ、ファイン
セラミックス協会線、１９８６年「ファインセラミック
スの標準化に関する五升究幸匿告書」１１９頁〜１６０
頁に詳細な記載力≦ある。

ところで、超音波パルス法では、音速測定のために試料
とバッファロッドとの間しこペーストを使用しなければ
ならないが、高温下での測定（こ際しては、ペーストの
溶融、ペーストと試料とのイヒ学反応などが生じ、１４
００℃以上の温度で弓単性率な測定することは不可能で
ある。

そこで、非接触で超音波を発生し、これを検出して測定
を行うレーザ超音波法が非接触で濱１１定を行えること
から高温弾性率の測定番こＣよ有効である。レーザ超音
波法は、その検出方式器こよって、ホモダイン、ヘテロ
ゲイン、及びファブリベロー干渉方式に分けることがで
きる。このうち、ファブリペロ−干渉方式はほかの方式
に比較して、環境振動ならびに高温時における空気の対
流などの影響を受けない、粗い面でも十分な干渉信号強
度が得られる、光学系がほかの方式に比べて簡単になる
などの特徴を持つことが知られている（その詳細につい
ては、例えば、特開昭５３−１１３５９２号、及び　Ｊ
、Ｐ、Ｍｏｎｃｈａｌｉｎ、　ａｎｄ　Ｒ，Ｈｅｏ、ｎ
、　”Ｌａ５ｅｒ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒ
ａｔｉｏｎ　ａｎｄ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉ
ｏｎ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｃｏｎｆｏｃａｌ　Ｆａｂｒｙ−
Ｐｅｒｏｔ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ”、Ｍａｔ
ｅｒｉａｌｓ　Ｅｖａｌｕｔｉｏｎ、　Ｖｏｌ、４４．
　ｐ１２３１−　ｐ１２３７、　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　
１９８６　：　ｒ材料評価Ｊ　１９８６年９月、４４号
、ｐ１２３１−　ｐ１２３７　　”ファブリペロ−干渉
計によるレーザ超音波発生及び光検出゛Ｊ。

Ｐ、モンシャラン及びＲ，ヘオン発表、に記載がある。

）第８図は弾性率を測定するための従来のレーザ超音波発
生検出装置を示すブロック図である。

まず、プローブレーザ光照射手段は、次のように構成さ
れている。連続してレーザ光を発生するプローブレーザ
１の出射光路上には光アイソレータ２が配設され、その
延長上の光路にはレーザ光を直角方向へ反射させるミラ
ー３が配設されている。ミラー３の出射光路上にはミラ
ー３からの光を直角方向に反射させ、かつその出射光路
側から入る光を直進させる偏向ビームスプリッタ４が配
設されている。偏向ビームスプリッタ４の出射光路上に
は、順次、１／４波長板５及び試料（金属、セラミック
スなど）６が配設される。

試料６に対しては、更にパルスレーザ光照射手段による
パルスレーザ光が照射される。

このパルスレーザ光照射手段は、次の構成によっている
。すなわちパルスレーザ７が設けられ、その出射光路上
には、ビームスプリッタ８（入射光の９５％程度を透過
させ、残りを反射させる）及びミラー１０が配設され、
このミラー１０の出射光路上にはミラー１１が配設され
、その反射光を試料６へ導いている。また、ミラー１１
の出射光路上にはパルスレーザ光を試料６に集光させる
ための凸レンズ１２が配設されている。

一方、試料６からの反射光を検出系に導く光路上には、
順次、偏向ビームスプリッタ４、コリメータ１３、ファ
ブリペロ−干渉計１４、レンズ１５、ノイズ成分を除去
するための干渉フィルタ１６及び光検出器１７の各々が
配設されている。

この光検出器１７には、例えば、アバランシェホトダイ
オード、シリコンＰＩＮダイオード、光電子増倍管など
を用いることができる。

入射光を光−電変換する光検出器１７には、その信号を
増幅するための高周波増幅器１８、増幅出力の高域のみ
を通過させるバイパスフィルタ１９、そのフィルタ出力
を観測するオシロスコープ２０の各々が順次接続されて
いる。また、ビームスプリッタ８の反射出力側の光路上
には、入射光を光−電変換する光検出器９が配設され、
その出力信号はオシロスコープ２０の同期信号となる。

次に、以上の構成における動作をレーザ超音波法による
弾性率の測定を例にして説明する。

測定を行うに際しては、試料６を所定の位置に配設する
。

この状態のままパルスレーザ７を励起し、発生するパル
スレーザ光を、ビームスプリッタ９→ミラー１０→ミラ
ー１１→凸レンズ１２の経路で試料６に集光させる。試
料６に照射されたパルスレーザ光は、試料、６に熱応力
または蒸発反力を発生させる。この熱応力または蒸発反
力は、試料６内に縦波及び横波超音波を生じさせる。こ
れらは試料６の裏面で反射し、再び試料６の表面に戻っ
て来る。この試料６の表面に戻ってきた縦波及び横波が
、試料６の表面を振動させる。

一方、プローブレーザ１の励起により発生したプローブ
レーザ光は、光アイソレータ２−ミラー３→偏向ビーム
スプリツタ４→１／４波長板５の経路で試料６の振動面
に照射される。すると、その光周波数が試料６の振動の
ためにドツプラーシフトする。このドツプラーシフトし
た光は、１／４波長板５→偏向ビームスプリツタ４−コ
リメータ１３の経路によってファブリペロ−干渉計１４
に入射される。

このファブリペロ−干渉計１４は、２枚の半透明鏡を配
設して構成され、共振器長かプローブレーザ光の周波数
に対して適当な共振を起こすように固定されている。し
たがって、プローブレーザ光とは周波数の異なるドツプ
ラーシフトした光がファブリペロ−干渉計１４に入射す
ると、共振周波数の違いからファブリベロー干渉計１４
から出力した光強度が変化する。

この光出力をレンズ１５及び干渉フィルタ１６を介して
光検出器１７に導き、光検出器１７によって光−電変換
を行うことにより電気信号が得られる。この電気信号を
高周波増幅器１８で増幅し、さらにバイパスフィルタ１
９を介してオシロスコープ２０に取り込むことによって
試料内の超音波信号をオシロスコープ２０に表示するこ
とができる。

このとき、ビームスプリッタ８及び光検出器９は、オシ
ロスコープ２０の同期を取るためのトリガ信号として利
用される。

高温弾性率の測定は、オシロスコープ２０に表示された
超音波多重反射信号の縦波往復時間（Ｔ１）、横波から
縦波への変換モードによる往復時間（Ｔ２）−縦波２回
往復時間（Ｔ３）を読み取り、次式から縦波伝播速度■
１を求め、これを前記弾性率及びポアソン比の式に代入
することにより算出する。

ここで、τは（Ｔｌ−７３）の時間差である。

同様にして横波伝播■２も求めることができる。

２Ｌ＝ＶＩＸτ Ｖ、＝２Ｌ／τ ［発明が解決しようとする課題］しかし、上記した従来技術にあっては、試料表面に蒸発
反力を起こさせて超音波を発生させているために試料の
表面に傷がち＜他、超音波を検出する感度が非常に悪い
等の問題点を持つ。この点に関しては、特開昭６４−２
６１４７号のように超音波信号を増幅する方法も考えら
れているが、その増幅度は２倍程度にしかならず、実用
的に十分ではない。また、上記した従来技術においては
、発生する超音波の帯域周波数が広いため、広帯域の光
検出器及び増幅器を用いる必要があり、信号検出感度か
悪くなるという問題点も存在する。

さらに、高速信号検出を行うための同期信号を正確にと
ることが難しい、ファブリペロ−干渉計の共振器長を安
定に固定しておくためにフィードバック回路を必要とす
るなどの問題点も多々存在する。

本発明は、上記した従来技術の実情に鑑みてなされたも
ので、試料内に発生する超音波信号の強度を高めると同
時に、検出系の感度を飛躍的に高め、かつ、その構成を
簡単にすることが可能な試料内の超音波発生・検出方法
及びその装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するために、この発明は、バーストパ
ルスまたは連続レーザの変調光を試料に照射して前記試
料内に超音波の共鳴を生じさせるようにしている。

また、このようにして発生した共鳴超音波を検出して測
定するために、前記試料内に生じた共鳴超音波を検出す
る光干渉計と、該光干渉計の出力光を光−電変換する光
検出器と、該光検出器の出力を精度良く検出するロック
インアンプとを設けるようにしている。

［作用１上記した手段によれば、適当なパルス列を持つバースト
パルスまたは変調された連続波レーザ光を照射すると試
料照射部に熱応力が発生し、超音波の共鳴が生じる。

このようにして発生した試料内の共鳴超音波を光干渉計
によって検出し、この光−電変換信号をＱ値の高いバン
ドパスフィルタ及びロックインアンプ等を通して信号処
理する。超音波の共鳴を利用することにより、試料に損
傷など与えることなく、信号強度比を上げることができ
る。また、発生する超音波の周波数帯域を非常に狭める
ことができるので、ロックインアップ、バンドパスフィ
ルタ等の使用によりＳ／Ｎ比を大幅に向上させることが
できる。

［実施例１以下、本発明の実施例について図面を参詔しながら説明
する。

第１図は本発明による超音波発生・検出装置の一実施例
を示すブロック図である。

本発明ではレーザ源として共鳴超音波発生用レーザ２１
と共鳴超音波検出用レーザ２２の２つを備えている。共
鳴超音波発生用レーザ２１の出射光路上には、光変調器
２３、光チョッパ２４が順次配設される。光変調器２３
により変調されたレーザ光２６が試料２５に到達し、試
料内に共鳴超音波を発生させる。

一方、共鳴超音波検出用レーザ２２の出射光路上には、
光アイソレータ２７、偏向ビームスプリッタ２８．１／
４波長板２９が順次配設され、１／４波長板２９を出た
検出用レーザ光が試料２５に到達する。

偏向ビームスプリッタ２８の反射光路上には、コリメー
タ３０、ファブリベロー干渉計３１、光学フィルタ３２
、光検出器３３が順次配設されている。光検出器３３に
は、その出力信号中の必要帯域内の信号のみを通過させ
るバンドパスフィルタ３４が接続され、このバンドパス
フィルタ３４に増幅器３５が接続されている。増幅器３
５にはロックインアンプ３６が接続され、その出力信号
を表示するためにオシロスコープ３７が設けられている
。ロックインアンプ３６にはロックイン検出を行うため
の光チヨツパドライバ３８及び光チョッパ２４が接続さ
れている。

次に、以上の構成における動作について説明する。

共鳴超音波発生用レーザ２１を励起してレーザ光を発生
させ、これを光変調器２３によって光変調する。この光
変調されたレーザ光を試料２５に照射すると、その照射
部位に熱応力が生じ、超音波が発生する。この場合共鳴
超音波を発生させるためには、第２図又は第３図に示す
ような複数のパルス列からなるバーストパルスレーザ、
或いは第４図又は第５図に示すような変調された連続波
（ＣＷ）レーザ光を用いる。バースト、パルスレーザ光
の場合には、そのパルス列周期△Ｔを適当に変えること
により、第２図及び第３図に示すような一次又は二次の
共鳴超音波を試料内に発生させることができる。同様に
ＣＷレーザでは変調周波数を変えることにより、第４図
及び第５図に示すような一次又は二次の共鳴超音波を発
生させることができる。

ＣＷレーザに変調を施す場合には電気光学素子等を光変
調器２３に用いる。パルスレーザからバーストパルスを
得るには、キャビティ・グンパー、モードロッカー、Ｑ
−スイッチと電気光学素子の組合せ、或いは第６図に示
すような遅延ライン（低反射率ミラー及び高反射率ミラ
ーを用いて構成する。パルス列の繰り返しは、２枚のミ
ラー間隔を変えることによって行うことができる。）と
適当なパルスレーザを用いる。

このように上記方法を用いて試料２５内で発生された共
鳴超音波は、その周波数帯域が極めて狭くなるため、検
出系には狭帯域なバンドパスフィルタ３４を用いること
が可能になる。

この共鳴超音波を検出するためには、共鳴超音波検出用
レーザ２２から発振した検出用レーザ光を光アイソレー
タ２７、偏向ビームスプリッタ２８及び１７４波長板２
９の各々を介して試料２５に照射する。試料２５の表面
は、共鳴的超音波によって正弦波の振動をしているため
、共鳴超音波検出用レーザ２２から発生したプローブレ
ーザ光は弾性散乱を受け、光周波数シフトを生じる。

この周波数シフトした光は、１／４波長板２９、偏向ビ
ームスプリッタ２８及びコリメータ３０を介してファブ
リペロ−干渉計３１に入射する。その出力光が光学フィ
ルタ３２によってノイズ分を除去した後、光検出器３３
によって光−電変換される。このとき、ファブリペロ−
干渉計３１の共振器長掃引をロックイン検出を行うため
の変調周波数（光チョッパ２４のチョッパ周波数）より
もゆっくりと行うことにより、第７図に示すように中央
にピーク（プローブレーザ光の中心周波数）を有し、そ
の両側に試料２５内で共鳴した超音波により散乱した光
の周波数を示す信号が得られる。

この信号をＳ／Ｎ比良く検出するためには、バントパス
フィルタ３４で不要信号を除去して増幅器３５で増幅し
たのち、ロックインアンプ３６等を用いる。このような
信号処理を施すことによってオシロスコープ３７上に第
７図に示すような信号を表示することができる。表示さ
れた波形の周波数シフト及び信号強度を測定することに
より、試料２５内で発生した超音波の周波数及び減衰な
どを知ることができる。

以上、上記技術は超音波の発生に共鳴を利用するために
信号強度を飛躍的に高めることかできる。また、検出系
に狭帯域のバンドパスフィルタ３４及びロックインアン
プ３６を用いることができるために、図８に示した従来
技術と比較してＳ／Ｎ比を飛躍的に高めることができる
。また、ファブリベロー干渉計３１は共振器長を掃引し
て使用するため（従来は一定の長さに共振器長を固定）
、共振器長安定化のためのフィードバック回路を設ける
必要が無くなる。この結果、試料２５を破壊することも
なく高精度な測定か可能になる。

なお、上記実施例ではファブリペロ−干渉計３１を用い
て検出を行うものとしたか、これに代えて光へテロゲイ
ン法、光ホモダイン法などを用いることも可能である。

［発明の効果］本発明は上記の通り構成されているので、次に記載する
効果を奏する。

請求項（１）の試料内の超音波発生方法においては、バ
ーストパルスまたは連続レーザの変調光を試料に照射し
て前記試料内に超音波の共鳴を生じさせるようにしたの
で、試料表面に損傷などを与えることなく信号強度比を
上げ、かつ発生する超音波の周波数帯域を狭めることが
できるので、Ｓ／Ｎ比を飛躍的に向上させることができ
る。

請求項（２）の試料内の超音波検出装置においては、請
求項（１）によって試料内に生じた共鳴超音波を検出す
る光干渉計と、該光干渉計の出力光を光−電変換する光
検出器と、該光検出器の出力を検出するためのバンドパ
スフィルタ及びロックインアンプとを設けるようにした
ので、飛躍的なＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。そ
の結果高精度な測定を非破壊で行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による試料内の超音波発生・検出装置の
一実施例を示すブロック図、第２図及び第３図は適当な
同期のパルス列を持つバーストパルスを試料に照射して
、共鳴超音波を発生させることを示す説明図、第４図及
び第５図は変調したＣＷレーザ光によって、試料内に共
鳴超音波を発生させることを示す説明図、第６図はパル
スレーザから適当な繰り返しのパルス列を持つバースト
パルスを得るための遅延ラインの原理的公正を示す説明
図、第７図は試料内で発生した共鳴超音波を検出した結
果を示す図、第８図は弾性率を測定するための従来のレ
ーザ超音波発生検出装置を示すブロック図である。図中。２Ｉ・・・共鳴超音波発生用レーザ２２・・・共鳴超音波検出用レーザ２３・・・光変調器　２４・・・光チョッパ２５・・・
試料　２６・・・変調レーザ光３１・・・ファブリペロ
−干渉計３３・・・光検出器３４・・・バントパスフィルタ３５・・・増幅器３６・・・ロックインアンプ３７・・・オシロスコープ３８・・・光チヨツパドライバ代理人　弁理士　１）北　嵩　晴手続補正書（睦）平成　３年　７月２５日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）バーストパルスまたは連続レーザの変調光を試料
に照射して前記試料内に超音波の共鳴を生じさせること
を特徴とする試料内超音波発生方法。
（２）請求項（１）によって試料内に生じた共鳴超音波
を検出する光干渉計と、該光干渉計の出力光を光−電変
換する光検出器と、該光検出器の出力を精度良く検出す
るためのロックインアンプとを具備することを特徴とす
る試料内超音波検出装置。