JPH0575267B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPH0575267B2 JPH0575267B2 JP60277349A JP27734985A JPH0575267B2 JP H0575267 B2 JPH0575267 B2 JP H0575267B2 JP 60277349 A JP60277349 A JP 60277349A JP 27734985 A JP27734985 A JP 27734985A JP H0575267 B2 JPH0575267 B2 JP H0575267B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- crack
- depth
- sample
- minimum
- ultrasonic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 235000019687 Lamb Nutrition 0.000 claims description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 5
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 9
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100275410 Bacillus subtilis (strain 168) cotP gene Proteins 0.000 description 1
- 101100009648 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) dip1 gene Proteins 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
- G01N29/348—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H3/00—Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
- G01H3/10—Amplitude; Power
- G01H3/12—Amplitude; Power by electric means
- G01H3/125—Amplitude; Power by electric means for representing acoustic field distribution
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
- G01N29/0609—Display arrangements, e.g. colour displays
- G01N29/0618—Display arrangements, e.g. colour displays synchronised with scanning, e.g. in real-time
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
- G01N29/0609—Display arrangements, e.g. colour displays
- G01N29/0618—Display arrangements, e.g. colour displays synchronised with scanning, e.g. in real-time
- G01N29/0636—Display arrangements, e.g. colour displays synchronised with scanning, e.g. in real-time with permanent recording
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/11—Analysing solids by measuring attenuation of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/028—Material parameters
- G01N2291/02854—Length, thickness
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
Description
［産業上の利用分野］
本発明は、材料表面下の微小内部亀裂の深さを
非破壊的に測定する方法に関するものである。 ［従来の技術］ 材料の内部亀裂深さ測定法のうち、亀裂の大き
さと材料表面からの亀裂の深さが共に100μｍ以
下のものについては、従来有効な検出法がなく、
超音波顕微鏡にその期待がかけられている。 このような問題に対処するため、本発明者ら
は、先に、ラム波の音速と内部亀裂の深さの関係
を利用して波長より浅い亀裂深さを測定する方法
を提案している（特願昭60−97547号（特開昭61
−254851号：発明の名称「材料の亀裂深さ測定
法」）。 この方法は、超音波顕微鏡の装置上の簡便さを
生かすために有用であり、また画像の分解能より
大きい面積での内部亀裂深さの平均値測定を可能
にした点でも有用であるが、焦点面より近くに試
料表面を置くので、ビームの拡がりの分だけ方位
分解能が低下するという問題を有している。超音
波顕微鏡の能力を最大限に発揮させるには、いう
までもなく、画像と同じ空間分解能で定量測定で
きるのが望ましい。 ［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、超音波顕微鏡を利用し
て、10μｍ程度以下の微小内部亀裂の深さの測定
を可能とし、特に測定に当つて試料を超音波の焦
点近傍に配設するようにして、超音波による画像
と同程度の方位分解能で内部亀裂深さを測定可能
とすることにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の測定法は、
集束超音波ビームの焦点近傍に試料を置き、入射
角が試料表面に垂直に近く試料表面と試料中の内
部亀裂とに挟まれた薄板状部分にラム波を励起し
て、反射の位相が遅れる成分と、入射角が大きく
試料表面で鏡面反射して位相の遅れのない成分と
を干渉させ、その干渉によつて入射角について積
分された反射強度が、亀裂深さが弾性波の半波長
の整数倍である場合に極小となる現象に基づき、
その整数の値と使用した超音波の周波数から微小
内部亀裂の深さを測定するという技術的手段を採
用している。 上記測定法において、超音波ビームの照射に伴
つてラム波が上記薄板状部分に励起されるには、
内部亀裂深さが、材料中の縦波及び横波弾性波の
半波長の整数倍のうち、材料とカツプラーの組合
わせで決まる一定の値をとる必要があるが、その
整数の値は数値計算によつて求められるので、そ
の値と使用した超音波の周波数から内部亀裂深さ
が求められる。 そして、本発明により測定できる亀裂は、ラム
波の臨界板厚の深さにあるもののみであるが、周
波数を変えることによりすべての深さについて連
続的に測定することが可能である。 ［実施例］ 図面を参照して本発明の方法をさらに具体的に
説明すると、第１図は、内部亀裂を含む物体を液
体媒体を介して超音波で検査する状態をモデル化
して示すものである。同図において、１は半無限
体、２は内部亀裂、３は物体表面と内部亀裂２で
挟まれた厚さＤの薄板状部分、４はカツプラント
としての液体で、通常は水が用いられる。 内部亀裂がわずかでも空〓を伴えば、その下へ
は音が透過しないので、第１図でカツプラントと
しての水４と厚さＤの薄板状部分３のみを考えれ
ばよい。 超音波顕微鏡像の各部の反射強度は、反射率の
振幅と位相の入射角依存性によつて決定される。
液体から板への斜め入射平面波の反射率Ｒの計算
式は、 Ｒ＝〔−AZ4＋ｉ（A2−B2）〕／〔AZ4 ＋ｉ（A2−B2）〕 ……(1) ここで、 Ａ＝Z3cos22γ3cotP ＋Z3tsin22γ3cotQ Ｂ＝Z3cos22γ3／sinP ＋Z3tsin22γ3／sinQ ……(2) 但し、 Z4＝ρ4c4／cosθ4 Z3＝ρ3c3／cosθ3 Z3t＝ρ3b3／cosγ3 Ｐ＝2πFD（c4 2−c3 2sin2θ4）1/2 Ｑ＝2πFD（c4 2−b3 2sin2θ4）1/2 ρo、co、bo：対応する媒質の密度、縦波及び横波
音速 θ3、γ3：スネルの法則によつて決る縦波と横波の
屈折角 θ4：この場合の独立変数である試料への入射角
（超音波顕微鏡ではゼロからレンズの開口半角
まで変化する。） Ｆ：超音波の周波数（亀裂深さＤとの積で入つて
いることから、周波数で規格化したFDという
量を独立変数に取れる。） 上記(2)式のＡとＢは常に実数なので、反射率Ｒ
の大きさは常に１であり、位相のみがFDの値に
応じて、入射角の関数として、第２図のように変
わる。ここでは、±180度の範囲で示したが、勿論
これはつながつている。何箇所かで、位相が360
度の遅れを示すのは、この入射角の超音波波面
の、試料表面に沿つた位相速度が、薄板状部分３
を伝播するラム波の内、ある特定のモードの音速
と等しいため、このモードのラム波を励起するか
らである。ここに示した特別の場合（後述）に
は、入射角０度の近傍では、位相が逆に進んでい
るように見えるが、実は入射角０度の初期位相は
−310度なので、単に遅れが減少するに過ぎない。 集束ビームの反射強度Ｖは、入射角についての
積分で計算される。その計算手法は、集束ビーム
を平面波の重ね合わせと考えて一旦入射角の異な
る平面波に分解し、各平面波の反射率を既知の公
式から計算し、次いでこの計算結果を入射角に関
して積分することによつて、最終的に集束ビーム
全体の反射強度を求めるもので、例えば、
Atalarが報告した方法（A.Atalar、Journal of
Applied Physics、49巻、5130頁）によつて計算
することができるものである。 結果は試料の音響的性質によつて異なるので、
ここでは、ソーダガラス、鋼及び窒化ケイ素の３
種類の異なつた性質の物質をとりあげ、その典型
的な挙動を解析する。 まず、開口半角60度のレンズを想定した数値計
算結果と実際の超音波顕微鏡との比較を行う。計
算に使用した密度と縦波及び横波音速の値を第１
表に挙げる。
非破壊的に測定する方法に関するものである。 ［従来の技術］ 材料の内部亀裂深さ測定法のうち、亀裂の大き
さと材料表面からの亀裂の深さが共に100μｍ以
下のものについては、従来有効な検出法がなく、
超音波顕微鏡にその期待がかけられている。 このような問題に対処するため、本発明者ら
は、先に、ラム波の音速と内部亀裂の深さの関係
を利用して波長より浅い亀裂深さを測定する方法
を提案している（特願昭60−97547号（特開昭61
−254851号：発明の名称「材料の亀裂深さ測定
法」）。 この方法は、超音波顕微鏡の装置上の簡便さを
生かすために有用であり、また画像の分解能より
大きい面積での内部亀裂深さの平均値測定を可能
にした点でも有用であるが、焦点面より近くに試
料表面を置くので、ビームの拡がりの分だけ方位
分解能が低下するという問題を有している。超音
波顕微鏡の能力を最大限に発揮させるには、いう
までもなく、画像と同じ空間分解能で定量測定で
きるのが望ましい。 ［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、超音波顕微鏡を利用し
て、10μｍ程度以下の微小内部亀裂の深さの測定
を可能とし、特に測定に当つて試料を超音波の焦
点近傍に配設するようにして、超音波による画像
と同程度の方位分解能で内部亀裂深さを測定可能
とすることにある。 ［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の測定法は、
集束超音波ビームの焦点近傍に試料を置き、入射
角が試料表面に垂直に近く試料表面と試料中の内
部亀裂とに挟まれた薄板状部分にラム波を励起し
て、反射の位相が遅れる成分と、入射角が大きく
試料表面で鏡面反射して位相の遅れのない成分と
を干渉させ、その干渉によつて入射角について積
分された反射強度が、亀裂深さが弾性波の半波長
の整数倍である場合に極小となる現象に基づき、
その整数の値と使用した超音波の周波数から微小
内部亀裂の深さを測定するという技術的手段を採
用している。 上記測定法において、超音波ビームの照射に伴
つてラム波が上記薄板状部分に励起されるには、
内部亀裂深さが、材料中の縦波及び横波弾性波の
半波長の整数倍のうち、材料とカツプラーの組合
わせで決まる一定の値をとる必要があるが、その
整数の値は数値計算によつて求められるので、そ
の値と使用した超音波の周波数から内部亀裂深さ
が求められる。 そして、本発明により測定できる亀裂は、ラム
波の臨界板厚の深さにあるもののみであるが、周
波数を変えることによりすべての深さについて連
続的に測定することが可能である。 ［実施例］ 図面を参照して本発明の方法をさらに具体的に
説明すると、第１図は、内部亀裂を含む物体を液
体媒体を介して超音波で検査する状態をモデル化
して示すものである。同図において、１は半無限
体、２は内部亀裂、３は物体表面と内部亀裂２で
挟まれた厚さＤの薄板状部分、４はカツプラント
としての液体で、通常は水が用いられる。 内部亀裂がわずかでも空〓を伴えば、その下へ
は音が透過しないので、第１図でカツプラントと
しての水４と厚さＤの薄板状部分３のみを考えれ
ばよい。 超音波顕微鏡像の各部の反射強度は、反射率の
振幅と位相の入射角依存性によつて決定される。
液体から板への斜め入射平面波の反射率Ｒの計算
式は、 Ｒ＝〔−AZ4＋ｉ（A2−B2）〕／〔AZ4 ＋ｉ（A2−B2）〕 ……(1) ここで、 Ａ＝Z3cos22γ3cotP ＋Z3tsin22γ3cotQ Ｂ＝Z3cos22γ3／sinP ＋Z3tsin22γ3／sinQ ……(2) 但し、 Z4＝ρ4c4／cosθ4 Z3＝ρ3c3／cosθ3 Z3t＝ρ3b3／cosγ3 Ｐ＝2πFD（c4 2−c3 2sin2θ4）1/2 Ｑ＝2πFD（c4 2−b3 2sin2θ4）1/2 ρo、co、bo：対応する媒質の密度、縦波及び横波
音速 θ3、γ3：スネルの法則によつて決る縦波と横波の
屈折角 θ4：この場合の独立変数である試料への入射角
（超音波顕微鏡ではゼロからレンズの開口半角
まで変化する。） Ｆ：超音波の周波数（亀裂深さＤとの積で入つて
いることから、周波数で規格化したFDという
量を独立変数に取れる。） 上記(2)式のＡとＢは常に実数なので、反射率Ｒ
の大きさは常に１であり、位相のみがFDの値に
応じて、入射角の関数として、第２図のように変
わる。ここでは、±180度の範囲で示したが、勿論
これはつながつている。何箇所かで、位相が360
度の遅れを示すのは、この入射角の超音波波面
の、試料表面に沿つた位相速度が、薄板状部分３
を伝播するラム波の内、ある特定のモードの音速
と等しいため、このモードのラム波を励起するか
らである。ここに示した特別の場合（後述）に
は、入射角０度の近傍では、位相が逆に進んでい
るように見えるが、実は入射角０度の初期位相は
−310度なので、単に遅れが減少するに過ぎない。 集束ビームの反射強度Ｖは、入射角についての
積分で計算される。その計算手法は、集束ビーム
を平面波の重ね合わせと考えて一旦入射角の異な
る平面波に分解し、各平面波の反射率を既知の公
式から計算し、次いでこの計算結果を入射角に関
して積分することによつて、最終的に集束ビーム
全体の反射強度を求めるもので、例えば、
Atalarが報告した方法（A.Atalar、Journal of
Applied Physics、49巻、5130頁）によつて計算
することができるものである。 結果は試料の音響的性質によつて異なるので、
ここでは、ソーダガラス、鋼及び窒化ケイ素の３
種類の異なつた性質の物質をとりあげ、その典型
的な挙動を解析する。 まず、開口半角60度のレンズを想定した数値計
算結果と実際の超音波顕微鏡との比較を行う。計
算に使用した密度と縦波及び横波音速の値を第１
表に挙げる。
【表】
【表】
〓〓〓〓は極小が形成されないことを示す
【表】
だけを示す
(1) ソーダガラス 試料をソーダガラスとした場合、入射角につ
いて積分された反射波の強度は、レンズと試料
表面の距離ｚ及び亀裂深さＤの関数として、第
３図ａ，ｂのようになる。但し、原点は焦点が
丁度試料表面にある場合にとり、レンズを近づ
ける方を負にしている。また、横軸は一般性を
持たせるため超音波の周波数Ｆを掛けてある。 一般には、Ｚ＝０では試料の音響的性質を余
り反映しないが、この場合、図中で↓で示した
ように、特定の亀裂深さの所にFZ軸にほぼ平
行な極小の谷間（dip）が現われた。内部亀裂
の場合、反射率の大きさは１なので、Ｚ＝０に
おけるＶの値に極小があることは、これまで予
想されていなかつた。その意味で、この極小は
これまでに報告された類似の現象とは別のもの
で、新しいものである。 そこで、この極小をさらに詳しく調べて見
る。見やすくするため、第３図ａのFZ軸の方
向から見た結果が第３図ｂである。但し、ここ
では、Ｆ＝200MHzの場合のＤの値を横軸にと
つた。図の範囲では、この極小は、Ｄ＝13〜
14μｍ及びＤ＝25μｍにある。更に大きいＤの
値まで計算すると、第２表に示すようなＤの値
で反射強度が極小をとつた。 次に、実際の亀裂像にこの現象が現われるか
否かを調べたが、ビツカース圧子により表面下
に亀裂を導入した部分の超音波顕微鏡像で、第
３図ａ，ｂの反射率極小部に対応すると考えら
れる複数の暗い縞が見えるのを確認することが
できた。 (2) 鋼 ソーダガラスと鋼は、第１表に示すように、
音速の値はあまり違わないが、密度が大きく違
う。これを反映して、様子が多少異なつてく
る。即ち、第４図に示したように、ガラスで見
られた第２の極小が見られない。そのかわり、
FZの値を−10MHz・mmより小さくすると、第
１の極小が幅広くなると同時に、同様に幅広い
第２の極小が現われてくる。 この様子は、軸受鋼のピツチングをもたらす
疲労亀裂で実際に確認された。 (3) 窒化ケイ素 最後に、高音速物質の代表として、窒化ケイ
素を考える。計算結果は、第５図ａのようにな
る。また、無亀裂部との明るさの差を明確にす
るため、無亀裂部の強度を引いた結果を第５図
ｂに示す。 この場合の計算結果は、前２者と比較して単
純で、一つの極大（peak）と２つの極小
（dip）で特徴づけられる。dip2は、Ｚ方向の周
期的極小におけるはじめての極小で、通常のＶ
(z)曲線の極小である。その位置は、漏洩ラム波
の主としてゼロ次非対象モードAoの音速を反
映し、内部亀裂深さ即ち板厚Ｄの減少にともな
い、Ｚが小さい方にシフトする。 一方、FD＝5.4〜5.6MHz・mmの所にあるdip1
は、これまでに見てきたものと同じ性格のもの
である。 以上の検討により、先の計算法で計算した結果
は、かなり詳細に、各種物質の内部亀裂の超音波
顕微鏡像を説明できることが明らかとなつた。 亀裂に対して反射強度が減少するというのは、
特異な現象であり、内部亀裂深さの測定に利用す
るには、その発生機構を解明する必要がある。 この極小は、第２表に整理したように、第３番
目以降の極小はソーダガラスのみに観察され、第
２の極小はソーダガラスと窒化ケイ素で観察され
た。鋼では、第１の極小しか観察されなかつた。
そこで、反射強度の極小を与える内部亀裂深さと
材料の音速値の関係を検討した結果、第３表に示
すように、縦波の半波長と横波の3/2波長及び縦
波の２波長にほぼ等しいという簡単な関係がある
事がわかつた。この結果は意外ではあるが、計算
した３種類の物質について、縦波と横波音速を独
立に変えても再現し、レンズの開口半角を30度程
度に変化させても数％の範囲で成立するので、普
遍性を持つと考えられる。 本発明者らは既に、内部亀裂の超音波顕微鏡像
を記述するＶ(z)曲線は、亀裂が浅い場合はラム波
のうち最低次のゼロ次非対象モードにより支配的
に規格されることを見出した。 ラム波は、良く知られたように、板の中心線に
対して対称に振動する対称モードと非対称に振動
する非対称モードがあり、それぞれ基本振動であ
るゼロ次モードと高調波である高次のモードがあ
る。このうち、１次以上のモードの音速は、板厚
無限大では横波音速に漸近し、板厚が減少して臨
界厚さに近づくと無限大に発散する傾向を示す。
自由空間中のラム波では、この臨界板厚は縦波か
横波波長の半整数倍であり、今の場合のように板
が液体に接していても、この関係は近似的に成立
つ。それ故、第３表に示した波長の半整数倍の値
のそれぞれは、ラム波のあるモードの臨界板厚に
相当する。 以上の事実から、反射強度の極小に関して、第
６図のようなモデルが考えられる。内部亀裂の深
さがラム波臨界板厚に等しいと、その音速は極め
て大きい。このような波動を液体からの入射波で
励起するには、第６図で斜線を施した垂直入射に
近い部分が寄与する。一方、ラム波を励起すると
境界条件が変わるので、この部分で反射波の位相
遅れが生じる。極小が観察されるＺ＝０近傍で
は、試料への垂直入射成分の強度が大きいため、
この部分の位相遅れは影響が大きく、入射角が大
きい周辺の反射波と打ち消しあつて、トータルの
反射強度が減少する。 しかし、内部亀裂の深さが第２表に示した値と
異なると、試料に励起され得るラム波の音速は小
さく、その結果これを励起するのは斜め入射波成
分になるが、Ｚ＝０近傍では斜め入射成分はもと
もと強度が小さいので、この成分の位相が遅れて
も、反射強度の減少が起こらない。これが今問題
にしている反射強度の極小の原因と考えられる。 ガラスと鋼では、音速の値は余り違わないの
に、第２、第３の極小のできやすさが大きく違う
のは、第２表に示したように密度が大きく違い、
音響インピーダンスが異なるためと考えられる。 以上に説明したように、表面下の亀裂各部の反
射強度を板の反射率を用いた計算により検討した
結果、試料がレンズ焦点面近傍にあり、亀裂深さ
が縦波か横波半波長の整数倍のうちのある値に等
しい時、反射強度が極小を取る場合がある。 この現象は、レンズの設計からある程度独立な
普遍的現象であり、ラム波の臨界板厚と関係づけ
られる。これを観察するには、焦点はずしを必要
としないので、方位分解能が画像と等しい亀裂深
さ測定に利用することができる。 本発明では超音波顕微鏡を想定したが、この現
象は干渉性の高い集束超音波ビームに共通のもの
なので、低い周波数の超音波探傷法にも応用でき
る。さらに、超音波の周波数を可変にしたシステ
ムでは、極小を与える亀裂の深さが可変なので、
内部亀裂の３次元形状を容易に再現することが可
能になる。 ［発明の効果］ このように、本発明では試料を超音波ビームの
焦点近傍に置いて内部亀裂深さ測定するようにし
たので、超音波像と同じ方位分解能で上記深さを
測定することができ、よつて例えば市販の超音波
顕微鏡を用いた場合には10μｍ程度以下の大きさ
の微小内部亀裂の深さを測定でき、しかもその顕
微鏡の使用に当つてもハードウエアの増設を必要
としないので、実際の使用に際しての価値は極め
て大きい。 また、本発明の方法は、バースト超音波でよい
ので、1GHz以上まで使用でき、より浅い亀裂の
深さが測定できる。
(1) ソーダガラス 試料をソーダガラスとした場合、入射角につ
いて積分された反射波の強度は、レンズと試料
表面の距離ｚ及び亀裂深さＤの関数として、第
３図ａ，ｂのようになる。但し、原点は焦点が
丁度試料表面にある場合にとり、レンズを近づ
ける方を負にしている。また、横軸は一般性を
持たせるため超音波の周波数Ｆを掛けてある。 一般には、Ｚ＝０では試料の音響的性質を余
り反映しないが、この場合、図中で↓で示した
ように、特定の亀裂深さの所にFZ軸にほぼ平
行な極小の谷間（dip）が現われた。内部亀裂
の場合、反射率の大きさは１なので、Ｚ＝０に
おけるＶの値に極小があることは、これまで予
想されていなかつた。その意味で、この極小は
これまでに報告された類似の現象とは別のもの
で、新しいものである。 そこで、この極小をさらに詳しく調べて見
る。見やすくするため、第３図ａのFZ軸の方
向から見た結果が第３図ｂである。但し、ここ
では、Ｆ＝200MHzの場合のＤの値を横軸にと
つた。図の範囲では、この極小は、Ｄ＝13〜
14μｍ及びＤ＝25μｍにある。更に大きいＤの
値まで計算すると、第２表に示すようなＤの値
で反射強度が極小をとつた。 次に、実際の亀裂像にこの現象が現われるか
否かを調べたが、ビツカース圧子により表面下
に亀裂を導入した部分の超音波顕微鏡像で、第
３図ａ，ｂの反射率極小部に対応すると考えら
れる複数の暗い縞が見えるのを確認することが
できた。 (2) 鋼 ソーダガラスと鋼は、第１表に示すように、
音速の値はあまり違わないが、密度が大きく違
う。これを反映して、様子が多少異なつてく
る。即ち、第４図に示したように、ガラスで見
られた第２の極小が見られない。そのかわり、
FZの値を−10MHz・mmより小さくすると、第
１の極小が幅広くなると同時に、同様に幅広い
第２の極小が現われてくる。 この様子は、軸受鋼のピツチングをもたらす
疲労亀裂で実際に確認された。 (3) 窒化ケイ素 最後に、高音速物質の代表として、窒化ケイ
素を考える。計算結果は、第５図ａのようにな
る。また、無亀裂部との明るさの差を明確にす
るため、無亀裂部の強度を引いた結果を第５図
ｂに示す。 この場合の計算結果は、前２者と比較して単
純で、一つの極大（peak）と２つの極小
（dip）で特徴づけられる。dip2は、Ｚ方向の周
期的極小におけるはじめての極小で、通常のＶ
(z)曲線の極小である。その位置は、漏洩ラム波
の主としてゼロ次非対象モードAoの音速を反
映し、内部亀裂深さ即ち板厚Ｄの減少にともな
い、Ｚが小さい方にシフトする。 一方、FD＝5.4〜5.6MHz・mmの所にあるdip1
は、これまでに見てきたものと同じ性格のもの
である。 以上の検討により、先の計算法で計算した結果
は、かなり詳細に、各種物質の内部亀裂の超音波
顕微鏡像を説明できることが明らかとなつた。 亀裂に対して反射強度が減少するというのは、
特異な現象であり、内部亀裂深さの測定に利用す
るには、その発生機構を解明する必要がある。 この極小は、第２表に整理したように、第３番
目以降の極小はソーダガラスのみに観察され、第
２の極小はソーダガラスと窒化ケイ素で観察され
た。鋼では、第１の極小しか観察されなかつた。
そこで、反射強度の極小を与える内部亀裂深さと
材料の音速値の関係を検討した結果、第３表に示
すように、縦波の半波長と横波の3/2波長及び縦
波の２波長にほぼ等しいという簡単な関係がある
事がわかつた。この結果は意外ではあるが、計算
した３種類の物質について、縦波と横波音速を独
立に変えても再現し、レンズの開口半角を30度程
度に変化させても数％の範囲で成立するので、普
遍性を持つと考えられる。 本発明者らは既に、内部亀裂の超音波顕微鏡像
を記述するＶ(z)曲線は、亀裂が浅い場合はラム波
のうち最低次のゼロ次非対象モードにより支配的
に規格されることを見出した。 ラム波は、良く知られたように、板の中心線に
対して対称に振動する対称モードと非対称に振動
する非対称モードがあり、それぞれ基本振動であ
るゼロ次モードと高調波である高次のモードがあ
る。このうち、１次以上のモードの音速は、板厚
無限大では横波音速に漸近し、板厚が減少して臨
界厚さに近づくと無限大に発散する傾向を示す。
自由空間中のラム波では、この臨界板厚は縦波か
横波波長の半整数倍であり、今の場合のように板
が液体に接していても、この関係は近似的に成立
つ。それ故、第３表に示した波長の半整数倍の値
のそれぞれは、ラム波のあるモードの臨界板厚に
相当する。 以上の事実から、反射強度の極小に関して、第
６図のようなモデルが考えられる。内部亀裂の深
さがラム波臨界板厚に等しいと、その音速は極め
て大きい。このような波動を液体からの入射波で
励起するには、第６図で斜線を施した垂直入射に
近い部分が寄与する。一方、ラム波を励起すると
境界条件が変わるので、この部分で反射波の位相
遅れが生じる。極小が観察されるＺ＝０近傍で
は、試料への垂直入射成分の強度が大きいため、
この部分の位相遅れは影響が大きく、入射角が大
きい周辺の反射波と打ち消しあつて、トータルの
反射強度が減少する。 しかし、内部亀裂の深さが第２表に示した値と
異なると、試料に励起され得るラム波の音速は小
さく、その結果これを励起するのは斜め入射波成
分になるが、Ｚ＝０近傍では斜め入射成分はもと
もと強度が小さいので、この成分の位相が遅れて
も、反射強度の減少が起こらない。これが今問題
にしている反射強度の極小の原因と考えられる。 ガラスと鋼では、音速の値は余り違わないの
に、第２、第３の極小のできやすさが大きく違う
のは、第２表に示したように密度が大きく違い、
音響インピーダンスが異なるためと考えられる。 以上に説明したように、表面下の亀裂各部の反
射強度を板の反射率を用いた計算により検討した
結果、試料がレンズ焦点面近傍にあり、亀裂深さ
が縦波か横波半波長の整数倍のうちのある値に等
しい時、反射強度が極小を取る場合がある。 この現象は、レンズの設計からある程度独立な
普遍的現象であり、ラム波の臨界板厚と関係づけ
られる。これを観察するには、焦点はずしを必要
としないので、方位分解能が画像と等しい亀裂深
さ測定に利用することができる。 本発明では超音波顕微鏡を想定したが、この現
象は干渉性の高い集束超音波ビームに共通のもの
なので、低い周波数の超音波探傷法にも応用でき
る。さらに、超音波の周波数を可変にしたシステ
ムでは、極小を与える亀裂の深さが可変なので、
内部亀裂の３次元形状を容易に再現することが可
能になる。 ［発明の効果］ このように、本発明では試料を超音波ビームの
焦点近傍に置いて内部亀裂深さ測定するようにし
たので、超音波像と同じ方位分解能で上記深さを
測定することができ、よつて例えば市販の超音波
顕微鏡を用いた場合には10μｍ程度以下の大きさ
の微小内部亀裂の深さを測定でき、しかもその顕
微鏡の使用に当つてもハードウエアの増設を必要
としないので、実際の使用に際しての価値は極め
て大きい。 また、本発明の方法は、バースト超音波でよい
ので、1GHz以上まで使用でき、より浅い亀裂の
深さが測定できる。
第１図は本発明の方法を説明するためのモデル
化した説明図、第２図は平面波反射率の位相の入
射角依存性を示す線図、第３図ａ，ｂはソーダガ
ラスにおける反射強度の計算例を示す線図、第４
図は鋼における反射強度の計算例を示す線図、第
５図ａは窒化ケイ素における反射強度の計算例を
示す線図、第５図ｂは同図ａから無亀裂部の強度
を引いた結果を示す反射強度の計算例を示す線
図、第６図は本発明を説明するためのモデル化し
た説明図である。 ２……亀裂、３……薄板状部分。
化した説明図、第２図は平面波反射率の位相の入
射角依存性を示す線図、第３図ａ，ｂはソーダガ
ラスにおける反射強度の計算例を示す線図、第４
図は鋼における反射強度の計算例を示す線図、第
５図ａは窒化ケイ素における反射強度の計算例を
示す線図、第５図ｂは同図ａから無亀裂部の強度
を引いた結果を示す反射強度の計算例を示す線
図、第６図は本発明を説明するためのモデル化し
た説明図である。 ２……亀裂、３……薄板状部分。
Claims (1)
- １ 集束超音波ビームの焦点近傍に試料を置き、
入射角が試料表面に垂直に近く試料表面と試料中
の内部亀裂とに挟まれた薄板状部分にラム波を励
起して、反射の位相が遅れる成分と、入射角が大
きく試料表面で鏡面反射して位相の遅れのない成
分とを干渉させ、その干渉によつて入射角につい
て積分された反射強度が、亀裂深さが弾性波の半
波長の整数倍である場合に極小となる現象に基づ
き、その整数の値と使用した超音波の周波数から
微小内部亀裂の深さを測定することを特徴とする
微小亀裂の深さ測定法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60277349A JPS62135765A (ja) | 1985-12-10 | 1985-12-10 | 微小亀裂の深さ測定法 |
| US06/940,085 US4825423A (en) | 1985-12-10 | 1986-12-10 | Method of measuring microcrack depth |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60277349A JPS62135765A (ja) | 1985-12-10 | 1985-12-10 | 微小亀裂の深さ測定法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62135765A JPS62135765A (ja) | 1987-06-18 |
| JPH0575267B2 true JPH0575267B2 (ja) | 1993-10-20 |
Family
ID=17582287
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60277349A Granted JPS62135765A (ja) | 1985-12-10 | 1985-12-10 | 微小亀裂の深さ測定法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4825423A (ja) |
| JP (1) | JPS62135765A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4475477B1 (ja) * | 2010-01-22 | 2010-06-09 | 株式会社Ｉｈｉ検査計測 | ガイド波を用いた検査方法 |
| US9038472B2 (en) | 2010-01-21 | 2015-05-26 | Ihi Inspection And Instrumentation Co., Ltd. | Testing method using guided wave |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69128466T2 (de) * | 1991-05-27 | 1998-07-09 | Fokker Aircraft | Verfahren und Vorrichtung für frequenzselektive Ultraschallprüfung von mehrschichtigen Strukturen |
| JP2636097B2 (ja) * | 1991-08-08 | 1997-07-30 | 動力炉・核燃料開発事業団 | 浸漬型電動ポンプにおけるスラスト軸受の摩耗量の監視装置 |
| US6295907B1 (en) * | 1998-04-16 | 2001-10-02 | Perceptron, Inc. | Method and apparatus for on-line monitoring of log sawing |
| US6092421A (en) * | 1998-08-28 | 2000-07-25 | California Institute Of Technology | Ultrasonic system for automatic determination of material stiffness constants |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2995925A (en) * | 1957-10-29 | 1961-08-15 | Daniel C Worlton | Ultrasonic flaw detection method and means |
| US3165922A (en) * | 1962-04-16 | 1965-01-19 | Daniel C Worlton | Method of applying lamb waves in ultrasonic testing |
| US4274288A (en) * | 1979-07-23 | 1981-06-23 | Rockwell International Corporation | Method for measuring the depth of surface flaws |
| US4524621A (en) * | 1983-09-06 | 1985-06-25 | Agency Of Industrial Science & Technology | Method for measurement of velocity of surface acoustic wave |
| GB8402098D0 (en) * | 1984-01-26 | 1984-02-29 | Atomic Energy Authority Uk | Ultrasonic inspection of tube |
-
1985
- 1985-12-10 JP JP60277349A patent/JPS62135765A/ja active Granted
-
1986
- 1986-12-10 US US06/940,085 patent/US4825423A/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9038472B2 (en) | 2010-01-21 | 2015-05-26 | Ihi Inspection And Instrumentation Co., Ltd. | Testing method using guided wave |
| JP4475477B1 (ja) * | 2010-01-22 | 2010-06-09 | 株式会社Ｉｈｉ検査計測 | ガイド波を用いた検査方法 |
| JP2011149865A (ja) * | 2010-01-22 | 2011-08-04 | Ihi Inspection & Instrumentation Co Ltd | ガイド波を用いた検査方法 |
| US9068938B2 (en) | 2010-01-22 | 2015-06-30 | Ihi Inspection And Instrumentation Co., Ltd. | Testing method using guided wave |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4825423A (en) | 1989-04-25 |
| JPS62135765A (ja) | 1987-06-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Scruby | Some applications of laser ultrasound | |
| WO2016090589A1 (zh) | 一种激光超声金属材料残余应力的无损测量方法及设备 | |
| JPH0432962B2 (ja) | ||
| Cooper et al. | Characterization of surface-breaking defects in metals with the use of laser-generated ultrasound | |
| Wang et al. | Numerical and analytical study for ultrasonic testing of internal delamination defects considering surface roughness | |
| JPH0575267B2 (ja) | ||
| Hayashi et al. | Rapid thickness measurements using guided waves from a scanning laser source | |
| Sukmana et al. | Application of air-coupled ultrasound to noncontact surface roughness evaluation | |
| Clark et al. | Non-contact acoustic microscopy | |
| McKie et al. | Inspection of components having complex geometries using laser-based ultrasound | |
| Korkh et al. | Detection of subsurface microflaws using the high-frequency acoustic microscopy method | |
| Ermolov | Progress in the theory of ultrasonic flaw detection. Problems and prospects | |
| Rowe et al. | Acoustic microscopy of surface cracks | |
| Smith et al. | Diffraction and shadowing errors in-6 dB defect sizing of delaminations in composites | |
| Rose et al. | Acoustic double‐reflection and transmission at a rough water–solid interface | |
| Weise et al. | Examination of the two-dimensional pupil function in coherent scanning microscopes using spherical particles | |
| Ahn et al. | Numerical analysis of the acoustic signature of a surface-breaking crack | |
| JP2001124746A (ja) | 超音波検査方法 | |
| Gondard et al. | Surface Characterization of Material Using Rayleigh Velocity Measurement in the Broad-Band Mode | |
| Liu et al. | The effects of the transducer beam properties on the ultrasonic geometrical characterization of periodically corrugated surfaces | |
| Morokov et al. | Lateral resolution of acoustic microscopy in the visualization of interfaces inside solid materials | |
| Nam | Directivity analysis of ultrasonic waves on surface defects using a visualization method | |
| JPH0695087B2 (ja) | 管体の超音波探傷方法 | |
| JPS6179158A (ja) | 超音波顕微鏡レンズ | |
| De Vadder et al. | Determination of Orientation and Size of Badly Oriented Defects by Means of Focused Probes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |