JPH06174455A

JPH06174455A - 材料の厚さ及び音速の同時測定法

Info

Publication number: JPH06174455A
Application number: JP4207212A
Authority: JP
Inventors: Ichiji Yamanaka; 中一司山; Harumichi Sato; 藤治道佐
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1992-07-10
Filing date: 1992-07-10
Publication date: 1994-06-24
Anticipated expiration: 2010-05-31
Also published as: JPH0749944B2

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波を用いた簡便で精度の高い厚さ測定に
おいて、材料の同一部分についてその厚さと音速を同時
に測定可能にする。【構成】一対の超音波送信子と受信子を音速ｖ_C が既
知の液体中に対向させて配置し、その間に板状材料を挿
入して送信子から超音波を送信した場合の直接透過波Ｖ
₁ と、材料中を１往復した往復波Ｖ₂ との受信子への到
達時刻の間隔Δｔと、直接透過波Ｖ₁ と材料を挿入しな
い場合の液体透過波Ｖ₃ との到達時刻の間隔△ｔ’を計
測する。それらの時間間隔に基づいて、材料中の超音波
の音速ｖ及び材料の厚さＤを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生産プロセス管理、非
破壊検査、材料試験計測等のために有効な材料の厚さ及
び音速の同時測定法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属の圧延やプラスティックシートの延
伸などの製造プロセスでは、製品の厚さを設計値に保つ
必要があるため、厚さの測定が重要である。超音波を用
いた厚さ測定は、簡便で精度の高い方法として多く用い
られている。しかし、この測定には音速の値が必要であ
り、しかも材質が変化すると音速値が変動するので、厚
さの測定値に誤差が生じるという問題点がある。逆に、
材料の品質管理のためには、音速を測定すると効果的で
あるが、一般には厚さを正確に測定しておく必要があ
り、厚さの測定誤差が音速測定の誤差となる。

【０００３】上述したところを更に具体的に説明する
と、超音波で物体の音速を測る場合、物体の厚さＤを別
にマイクロメータなどで計測し、この値と物体中の超音
波の往復伝搬時間の比から音速を計算するのが一般的で
ある。すなわち、超音波が物体中を板厚方向に往復する
時間Δｔを測定し、音速ｖを、ｖ＝２Ｄ／Δｔによって
計算する。逆に、物体中の音速が既知で、その物体の厚
さを求めたい場合は、市販の超音波厚さ計を用いればよ
い。この超音波厚さ計は、式Ｄ＝ｖΔｔ／２によって厚
さＤを計算するものである。すなわち、超音波厚さ計で
は音速値ｖを入力しなければならない。しかしながら、
一般には、物体の厚さを測定することも困難で、音速も
未知の場合があり、上述した方法ではこのような場合に
厚さを計測出来なかった。

【０００４】一方、蛍光Ｘ線や渦電流などを用いた厚さ
計もあるが、これらもＸ線スペクトルや電気伝導度など
の物性値が一定であることを前提にしており、この意味
では超音波厚さ計と同じ問題点がある。最も直接的な厚
さ測定法は、マイクロメータやダイヤルゲージのよう
な、接触プローブの変位から厚さを求める方式である。
しかし、これはヘッドの太さの領域での平均値であり、
厚さが場所によって異なる場合は音速測定と同一場所で
の厚さを求めるのが困難である。また、生産ラインや材
料試験中の動いている板への適用が容易でない。さら
に、非接触の厚さ計としては、光切断法などの光学的プ
ローブがあり、移動物体の測定にも適している。しか
し、光学計測は埃や液体の濁りの妨害を受け易く、生産
ラインなどの過酷な環境では使用できない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、超音波を用いた簡便で精度の高い厚さ測定におい
て、材料の同一部分についてその厚さと音速を同時に測
定することを可能にした新しい方法を提供し、品質管理
の精度と信頼性を大幅に向上することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段、作用】上記課題を解決す
るための本発明の材料の厚さ及び音速の同時測定法は、
一対の超音波送信子と受信子を音速ｖ_C が既知の液体中
に対向させて配置し、その間に板状材料を挿入して送信
子から超音波を送信した場合の直接透過波Ｖ₁ と、材料
中を１往復した往復波Ｖ₂ との受信子への到達時刻の間
隔Δｔ、及び上記直接透過波Ｖ₁ と材料を挿入しない場
合の液体透過波Ｖ₃ との到達時刻の間隔△ｔ’を計測
し、それらの時間間隔に基づいて、ｖ＝ｖ_C （１＋２Δｔ’／Δｔ）により材料中の超音波の音速ｖを求め、また、Ｄ＝ｖ_C （Δｔ／２＋Δｔ’）により材料の厚さＤを求めることを特徴とするものであ
る。

【０００７】図面を参照して更に具体的に説明すると、
図１において、超音波送信子と受信子は、それらの相対
的な位置が固定されて、音速ｖ_C の超音波伝搬液体中に
保持されているものとする。この送信子と受信子との間
に試料としての板状材料が無い状態で、先ず、送信子か
ら送信された超音波パルスを受信子で検出して記録して
おく。このパルスを図２におけるＶ₃ とする。

【０００８】次に、送信子と受信子との間に板状材料か
らなる試料を挿入して同様の測定を行い、送信子からの
直接透過波を図２におけるＶ₁ とし、試料中を１往復し
た往復波を同Ｖ₂ とする。このとき、試料中の音速ｖが
液体中の音速ｖ_C より大きければ、直接透過波Ｖ₁ の到
達時刻はパルスＶ₃ のそれより速くなる筈であり、その
時間差Δｔ’は、 Δｔ’＝（Ｄ／ｖ_C −Ｄ／ｖ）である。また、試料内部を１往復して２回反射してきた
往復波Ｖ₂ は、直接透過波Ｖ₁より時間差Δｔ＝２Ｄ／
ｖだけ遅れることも容易に分かる。

【０００９】そして、これらの式は２つの未知数Ｄとｖ
を含むので、両式をＤとｖについて解くと、ｖ＝ｖ_C （１＋２Δｔ’／Δｔ）Ｄ＝ｖ_C （Δｔ／２＋Δｔ’）を得る。すなわち、超音波の送信子と受信子の間に試料
を挿入した場合と試料が無い場合の超音波伝搬時間の差
及び試料中の往復伝搬時間の計測に基づき、試料の厚さ
と音速が同時測定される。

【００１０】一方、図３は、材料試験における測定に本
発明の方法を応用する場合を示している。この場合に
は、材料試験機に試料を保持させて荷重を負荷し、パル
ス発生器からの出力に基づいて超音波送信子において超
音波パルスを発生させ、それを受信用超音波レンズを介
してデジタルオシロスコープに入力、記録し、前述した
時間間隔Δｔ及び△ｔ’を計測して、材料中の超音波の
音速及び材料の厚さの変化を求めるものである。

【００１１】材料試験では、試料に荷重を負荷した場合
の変形によって試料の厚さや材質が時々刻々に変化す
る。厚さは場所によっても異なり、試験後にマイクロメ
ータで測っても、その変化の過程を知ることはできな
い。さらに、歪みの発生にともなって弾性率も逐次変化
するが、その変化を試験中に測定することは非常に困難
である。しかるに、上述した本発明の方法によれば、試
料の厚さ変化を簡易に測定することができる。また、弾
性率の変化に伴って試料中での音速が変化するので、音
速をも同時に計測できる本発明の方法は、この材料試験
における測定に極めて有用である。

【００１２】

【実施例】図４に、ステンレス鋼や、ポリエチレンなど
で、厚さが既知（マイクロメータで測定）の板状材料に
ついて、その既知の厚さと、図１により説明した本発明
の方法によって計測した厚さを比較した結果を示す。同
図からわかるように、本発明の方法による測定の結果
は、厚さ０．３mmから１５mmにわたる様々な材質の板に
ついて、音速の相違にもかかわらず精度よく測定されて
いる。また、図５においては、本発明の方法で各種材料
について測定した音速と、それらの材料における音速の
文献値とを比較している。この場合も、両者の値はよく
一致している。そして、以上の結果から本発明の有用性
がわかる。

【００１３】また、図３によって説明したような方法
で、低温で引っ張り変形中の試料厚さの変化と音速の変
化を同時に計測した。図６にはＳＵＳ３０４の試料を−
７０℃で引っ張り変形させた場合の厚さを示し、図７に
は同じく音速及びエコー振幅比（Ｖ₁ ／Ｖ₂ ）を示して
いる。

【００１４】これらの測定においては、荷重を２０kgか
ら６００kgまで段階的に増加させ、各段階で一定に制御
し、伸びが一定になってから計測した。試料の厚さは、
荷重増加に伴って減少し、音速も同様に低下した。さら
に、エコー比も低下し、減衰が減少したことを伺わせ
た。これらは、試験後取り出した試料を室温で厚さ測定
及び通常の方法での音速減衰測定を行い、６００kgでの
値とほぼ同じであることを確認した。特に、減衰は低温
での試験によって顕著に減少することが、周波数７０MH
z での測定から確認された。この変化はマルテンサイト
変態によるものであることを、着磁性の変化からも確認
した。

【００１５】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の方法によれば、
以下に列挙するような効果を期待することができる。１．本発明によれば、音速も厚さも未知の板材や薄膜に
ついて、音速と厚さが同時かつ独立に計測できるので、
これらの材料の品質管理や非破壊検査に有効である。

【００１６】２．本発明の方法では、１回の超音波パル
スの送信受信で測定に必要な信号を入手できると同時
に、必要な演算が極めて簡単であるため、極めて迅速に
測定できる。この時間は、最近のデジタル信号処理技術
によれば、１ミリ秒以下にすることも出来る。そのた
め、この特徴を利用すると、材料が破壊する瞬間の形状
と音速の変化を関連づけて計測することも可能になり、
材料の破壊特性の研究にとって有力な武器になる。

【００１７】３．本発明の方法を実現する装置は、通常
の超音波非破壊検査に用いる送信受信回路、デジタルメ
モリまたは時間間隔計測器、並びに簡単な演算装置のみ
でよいため、コストも低くできる。従って、工場のライ
ンにおいて検査に簡便に使用でき、生産品質の維持管理
に有用である。

【００１８】４．先に詳述したように、市販の超音波厚
さ計では音速値の入力を必要とし、蛍光Ｘ線、渦電流な
どを用いる厚さ計でも、それぞれの機器固有の物性値の
入力を前提とするのに対し、本発明ではそれらの必要が
無い。また、接触式プローブや光学的プローブでは、物
性値の設定なしに厚さの絶対測定ができるが、移動物体
や非清浄環境での適用が困難であるのに対し、超音波を
用いる本発明の方法では各種環境での測定に比較的容易
に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法についての説明図である。

【図２】本発明の測定法において得られる信号について
の説明図である。

【図３】材料試験における測定に本発明の方法を応用す
る場合についての説明図である。

【図４】厚さが既知の試料の厚さと本発明の方法で計測
した厚さを比較した結果を示すグラフである。

【図５】本発明の方法で測定した音速と音速の文献値と
を比較するグラフである。

【図６】材料試験において低温で引っ張り変形中の試料
厚さを測定した結果を示すグラフである。

【図７】同じく音速及びエコー振幅比を測定した結果を
示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の超音波送信子と受信子を音速が既知
の液体中に対向させて配置し、その間に板状材料を挿入
して送信子から超音波を送信した場合の直接透過波と、
材料中を１往復した往復波との受信子への到達時刻の間
隔Δｔ、及び上記直接透過波と材料を挿入しない場合の
液体透過波との到達時刻の間隔△ｔ’を計測し、それら
の時間間隔に基づいて材料中の超音波の音速及び材料の
厚さを求めることを特徴とする材料の厚さ及び音速の同
時測定法。