JPH0635931B2 - Single-mode ultrasonic wave generation method and object thickness measurement method using it - Google Patents

Single-mode ultrasonic wave generation method and object thickness measurement method using it

Info

Publication number
JPH0635931B2
JPH0635931B2 JP2338589A JP33858990A JPH0635931B2 JP H0635931 B2 JPH0635931 B2 JP H0635931B2 JP 2338589 A JP2338589 A JP 2338589A JP 33858990 A JP33858990 A JP 33858990A JP H0635931 B2 JPH0635931 B2 JP H0635931B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mode
ultrasonic wave
ultrasonic waves
frequency
modes
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
Application number
JP2338589A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH04204315A (en
Inventor
一司 山中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agency of Industrial Science and Technology filed Critical Agency of Industrial Science and Technology
Priority to JP2338589A priority Critical patent/JPH0635931B2/en
Publication of JPH04204315A publication Critical patent/JPH04204315A/en
Publication of JPH0635931B2 publication Critical patent/JPH0635931B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、材料の非破壊検査、超音波による材料の処理
・加工、超音波によるモータ・アクチュエータの駆動の
ために利用する単一モード超音波の発生方法に関するも
のであり、さらに詳しくは、複数の振動モードが存在可
能で単一モードの超音波の発生が困難な物体について、
制御と解析の容易な単一モードの超音波を発生させるた
めの方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention relates to a single mode supersonic device used for nondestructive inspection of materials, processing / processing of materials by ultrasonic waves, and driving of motors / actuators by ultrasonic waves. The present invention relates to a method of generating a sound wave, and more specifically, for an object in which multiple vibration modes can exist and a single mode ultrasonic wave is difficult to generate,
The present invention relates to a method for generating a single mode ultrasonic wave that is easy to control and analyze.

さらに、この方法を直接的に利用し、物体の寸法、例え
ば板の厚さを測定する方法に関するものである。
Furthermore, the present invention relates to a method for directly measuring the dimension of an object, for example, the thickness of a plate, by directly using this method.

[従来の技術] 複数モードの超音波が伝搬する物体に単一モードの超音
波を発生させるには、特定のモードが支配的になる周波
数範囲が選択される。しかし、同一周波数で伝搬速度の
近接した複数のモードが存在する場合には、この方法は
有効でない。
[Prior Art] In order to generate a single mode ultrasonic wave in an object through which ultrasonic waves of multiple modes propagate, a frequency range in which a specific mode is dominant is selected. However, this method is not effective when there are a plurality of modes having the same frequency and close propagation speeds.

また、物体に所要モードの超音波を励起する臨界角の方
向から斜めに超音波を入射して、当該モードの超音波を
発生する方法がある。この場合には、物体に液体や固体
のくさびを接触させる必要があり、熱間圧延中の板など
の高温・高速運動物体や、蒸着中の薄膜等の真空中の物
体への適用が困難である。
In addition, there is a method in which an ultrasonic wave is obliquely incident on an object from a direction of a critical angle for exciting the ultrasonic wave in a required mode, and the ultrasonic wave in the mode is generated. In this case, it is necessary to bring a liquid or solid wedge into contact with the object, which makes it difficult to apply it to high-temperature, high-speed moving objects such as plates during hot rolling, and objects in vacuum such as thin films during vapor deposition. is there.

[発明が解決しようとする課題] 本発明の技術的課題は、物体に接触せずに単一モードの
超音波を発生する方法を提供し、さらにその方法の直接
的な利用により、物体の厚さを簡易に測定する方法を得
ることにある。
[Problems to be Solved by the Invention] The technical problem of the present invention is to provide a method for generating a single mode ultrasonic wave without touching an object, and further, by directly using the method, the thickness of the object can be increased. The purpose is to obtain a method for easily measuring the height.

[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超音波発生法は、伝
搬できる複数の超音波のモードが存在可能な物体に、エ
ネルギービームを所要のモードの超音波の波長程度の幅
に集束して照射し、この照射位置を当該モードの超音波
の位相速度に等しい速度で走査することによって、当該
モードの超音波を選択的に高効率で発生させること特徴
とするものである。
[Means and Actions for Solving the Problems] An ultrasonic wave generation method of the present invention for solving the above problems is an object in which a plurality of ultrasonic wave modes capable of propagating exist in an object in which an energy beam of a required mode Focusing and irradiating with a width of about the wavelength of the sound wave, and scanning the irradiation position at a speed equal to the phase speed of the ultrasonic wave in the mode, thereby selectively and efficiently generating the ultrasonic wave in the mode. It is what

また、本発明に基づく物体の厚さ測定方法は、上記の方
法により発生した超音波の周波数を測定し、周波数と位
相速度との関係から物体の厚さを計測することを特徴と
するものである。
Further, the method for measuring the thickness of an object based on the present invention is characterized by measuring the frequency of the ultrasonic waves generated by the above method, and measuring the thickness of the object from the relationship between the frequency and the phase velocity. is there.

以下、本発明の方法をさらに具体的に説明する。Hereinafter, the method of the present invention will be described more specifically.

各種の構造物には様々な異なる波動モードを持つ超音波
の伝搬が許される場合が多い。例えば、板には変位の分
布が中心線に関して対称なモード及び非対称なモードが
あり、棒には曲げやねじりや伸縮などのモードが存在す
る。これらのモードの超音波は、構造物の形状、材質や
欠陥の非破壊検査、光との相互作用などによる信号処
理、さらに物質の加工や駆動にも利用される。しかし、
通常、超音波の発生源に近い場所では多くのモードが混
在していて、波動場が複雑であり、計測・制御の困難な
場合が多い。そこで、発生源近傍でも単一モードの超音
波を発生する方法が望まれている。
In many cases, various structures are allowed to propagate ultrasonic waves having various wave modes. For example, a plate has a mode in which the distribution of displacement is symmetric with respect to the center line and a mode that is asymmetric with respect to the center line, and a bar has modes such as bending, twisting, and stretching. The ultrasonic waves in these modes are also used for non-destructive inspection of the shape of structures, materials and defects, signal processing by interaction with light, processing of materials, and driving. But,
Usually, many modes coexist in a place near the source of ultrasonic waves, the wave field is complicated, and measurement and control are often difficult. Therefore, there is a demand for a method of generating single-mode ultrasonic waves even near the source.

このような単一モード超音波を発生させるための本発明
の方法の原理を、図面を参照して以下に説明する。
The principle of the method of the present invention for generating such a single mode ultrasonic wave will be described below with reference to the drawings.

物体を伝搬する異なるモードの超音波は、周波数の関数
として位相速度を表す分散曲線の形が異なる。いま、第
1図に示すような分散曲線を持つて2つのモードがある
と仮定する。超音波を発生する通常の方法では、一定の
周波数Fで振動する音源を物体に接触させるか、液体を
介して入射させる。即ち、第1図の横軸の周波数を先に
規定する。その結果、周波数Fが第1図に示すような値
の場合、位相速度VAのモードAと、位相速度VBのモード
Bが同時に発生する。発生した超音波の継続時間をTと
すると、発生後TV′A/(V′A-V′B)程度の時間内ではモ
ードAとBが重なって計測と制御が困難である。ここ
で、V′AとV′BはモードAとBの群速度である。
Different modes of ultrasonic waves propagating through an object have different shapes of dispersion curves representing phase velocities as a function of frequency. Now, assume that there are two modes having a dispersion curve as shown in FIG. In the usual method of generating ultrasonic waves, a sound source that vibrates at a constant frequency F is brought into contact with an object or is incident via a liquid. That is, the frequency on the horizontal axis of FIG. 1 is defined first. As a result, when the frequency F is a value as shown in FIG. 1, and mode A phase velocity V A, the mode B of the phase velocity V B occur at the same time. When the ultrasonic duration generated is T, in the post-emergence TV 'A / (V' A -V 'B) about time it is difficult to control the measurement overlap mode A and B. Here, V 'A and V' B is the group velocity of the mode A and B.

しかし、第1図の関係を逆転して、発生する超音波の速
度を先に決定できれば、速度をVAとした場合のモードA
のみが発生し、速度がVBの場合にはモードBのみが発生
する。この場合、仮に図に示した周波数範囲の外に別の
モードがあり、その超音波が同時に発生したとしても、
観測した波形の周波数フィルタリングによって容易に除
去でき、実質的に単一モードの超音波の発生を実現する
ことができる。
However, by reversing the relationship of FIG. 1, if determining ultrasound velocity which occurs first, in the case where the speed was V A mode A
Only mode B occurs when the speed is V B. In this case, even if there is another mode outside the frequency range shown in the figure and the ultrasonic waves are generated at the same time,
The observed waveform can be easily removed by frequency filtering, and substantially single mode ultrasonic wave generation can be realized.

本発明の方法では、この速度選択を実現するために、レ
ザーなどのエネルギービームを予め計算などで求めた所
要のモードの超音波の波長程度の幅に集束して物体に照
射し、この照射位置を当該モードの超音波の位相速度に
等しい速度で走査して、当該モードの超音波の変位を位
相整合条件を保持したまま順次重畳し、選択的に当該モ
ードの超音波を増幅するものであり、即ち、エネルギー
ビームの音速同期走査により単一モード超音波を発生さ
せるものである。他のモードの超音波の変位は、位相が
ずれて重畳されるので、結果的には消去される。
In the method of the present invention, in order to realize this velocity selection, the energy beam of the laser or the like is focused on a width of about the wavelength of the ultrasonic wave of a required mode previously calculated and is irradiated to the object. Is scanned at a speed equal to the phase velocity of the ultrasonic wave of the mode, the displacement of the ultrasonic wave of the mode is sequentially superimposed while maintaining the phase matching condition, and the ultrasonic wave of the mode is selectively amplified. That is, a single mode ultrasonic wave is generated by the acoustic velocity synchronous scanning of the energy beam. The displacements of the ultrasonic waves in other modes are superposed on each other with their phases shifted, and consequently they are eliminated.

本発明において用いるエネルギ・ビームとしては、上記
レーザのほか、赤外線、イオンビーム等を用いることが
できる。
As the energy beam used in the present invention, infrared rays, ion beams and the like can be used in addition to the above laser.

また、分散曲線の形は物体の代表的寸法によって変化す
ることが知られている。例えば、板の場合は、材質が一
定であれば周波数Fと厚さDの積FDが位相速度Vの関
数として計算によって一義的に決まる。従って、位相速
度Vに同期して発生した超音波の周波数Fを測定すれ
ば、板の厚さは、 D=(FD)/F として容易に測定することができる。
It is also known that the shape of the dispersion curve changes depending on the typical size of the object. For example, in the case of a plate, if the material is constant, the product FD of the frequency F and the thickness D is uniquely determined by calculation as a function of the phase velocity V. Therefore, if the frequency F of the ultrasonic wave generated in synchronization with the phase velocity V is measured, the plate thickness can be easily measured as D = (FD) / F.

[実施例] 第2図は、本発明の方法を実施する装置の一例を示して
いる。
Example FIG. 2 shows an example of an apparatus for carrying out the method of the present invention.

この装置においては、レーザ1からのパルスビームがコ
リメータ2によって矩形に集束され、さらにビーム偏向
器3及びレンズ4を経て、物体5の表面に照射される。
ビーム偏向器3は、照射するビームを物体表面で操作す
るためのもので、このビーム偏向器3からの同期信号で
レーザ1をトリガすることにより、物体5上を高速移動
するレーザパルスを得ることができる。
In this device, a pulse beam from a laser 1 is focused into a rectangular shape by a collimator 2 and then is irradiated onto a surface of an object 5 via a beam deflector 3 and a lens 4.
The beam deflector 3 is for manipulating the irradiation beam on the surface of the object. By triggering the laser 1 with a synchronization signal from the beam deflector 3, a laser pulse moving at high speed on the object 5 can be obtained. You can

ビーム偏向器3として、図示したような回転多面体鏡を
用いる場合には、回転数を変えて物体5上におけるビー
ムの掃引速度が所要モードの超音波の位相速度に近い値
になるように制御することができる。また、ビームの幅
は、レンズの焦点距離や物体との距離を変えて、所定の
値に制御すればよい。
When the rotating polygon mirror as shown in the figure is used as the beam deflector 3, the rotation speed is changed so that the sweep speed of the beam on the object 5 is controlled to be a value close to the phase speed of the ultrasonic wave in the required mode. be able to. Further, the width of the beam may be controlled to a predetermined value by changing the focal length of the lens and the distance to the object.

なお、ビーム偏向器3には、音響光学偏向器や、50kHz
以上の高い振動数で駆動可能な微小振動鏡を用いること
もできる。また、励起源に赤外線やイオンビームを用い
る場合は、ビーム集束装置とビーム偏向器を適切なもの
に置き換えればよい。
The beam deflector 3 includes an acousto-optic deflector and 50 kHz.
It is also possible to use a microvibration mirror that can be driven at the above high frequencies. When an infrared ray or an ion beam is used as the excitation source, the beam focusing device and the beam deflector may be replaced with appropriate ones.

第3図(a)(b)は、厚さ 1.5mmのアルミニウム板の板波の
対称及び非対称の基本モードのそれぞれ一つを選択して
単一モードの超音波を発生した結果を示したものであ
る。同図(a) には様々な位相速度でレーザビームを走査
した場合の発生信号の波形、同図(b) にはこの波形のス
ペクトル解析によって求めた周波数Fと走査速度Vの関
係を●で示す。この速度と周波数の関係は、板波の分散
曲線の計算値(実線)とほぼ一致しており、本発明の方
法で板波の2つの近接したモードが選択的に発生できた
ことを実証している。
Figures 3 (a) and 3 (b) show the results of single-mode ultrasonic waves generated by selecting one of the symmetrical and asymmetric fundamental modes of the plate wave of a 1.5 mm thick aluminum plate. Is. The figure (a) shows the waveform of the generated signal when the laser beam is scanned at various phase velocities, and the figure (b) shows the relationship between the frequency F and the scanning rate V obtained by spectrum analysis of this waveform. Show. This relationship between velocity and frequency is almost in agreement with the calculated value (solid line) of the dispersion curve of the plate wave, demonstrating that two adjacent modes of the plate wave could be selectively generated by the method of the present invention. ing.

以上においては、矩形のビームを一方向に掃引する方法
及び装置について記したが、同様の原理は円環状のビー
ムを高速で収縮することによっても実現される。
Although the method and apparatus for sweeping a rectangular beam in one direction have been described above, the same principle can be realized by contracting the annular beam at high speed.

第4図は、それを実現する装置の構成例を示すもので、
レーザ11からのパルスビームが可変焦点レンズ12及び
円錐レンズ13を経て物体14の表面に円環状に集束して照
射される。可変焦点レンズ12は例えば電気光学効果によ
って屈折率が電場で変化するような材料で形成され、同
期信号発生器15からの同期信号でレーザ11及び可変焦点
レンズ12を動作させることにより、速度Vで収縮する円
環状のビームを得ることができる。
FIG. 4 shows an example of the configuration of a device that realizes it.
The pulse beam from the laser 11 passes through the variable focus lens 12 and the conical lens 13 and is focused on the surface of the object 14 in an annular shape and irradiated. The varifocal lens 12 is formed of, for example, a material whose refractive index is changed by an electric field due to an electro-optical effect, and by operating the laser 11 and the varifocal lens 12 with a synchronization signal from the synchronization signal generator 15, a speed V can be obtained. An annular beam that contracts can be obtained.

この方法では、円環の中心で極めて大振幅の単一モード
超音波が得られ、計測のみでなく、超音波による駆動や
加工処理用も期待することができる。
With this method, a single-mode ultrasonic wave with an extremely large amplitude can be obtained at the center of the annulus, and not only measurement but also ultrasonic driving and processing can be expected.

[発明の効果] 以上に詳述した本発明の方法によれば、次に列挙するよ
うな効果を期待することができる。
[Effects of the Invention] According to the method of the present invention described in detail above, the effects listed below can be expected.

(1) 発生する超音波は、発生直後から単一モードの超音
波として伝搬するので、計測と制御が容易である。
(1) Since the generated ultrasonic wave propagates as a single-mode ultrasonic wave immediately after the generation, it is easy to measure and control.

(2) 発生した超音波の周波数の測定値及び走査速度から
理論的に決定される周波数と板の厚さの積の値から、板
の厚さを測定できる。
(2) The plate thickness can be measured from the value of the product of the frequency and the plate thickness, which is theoretically determined from the measured value of the frequency of the generated ultrasonic wave and the scanning speed.

(3) 物体に接触せずに単一モードの超音波を発生するの
で、熱間圧延中の板などの高温・高速運動物体や、蒸着
中の薄膜等の真空中の物体への適用が可能である。
(3) Since it generates a single-mode ultrasonic wave without contacting the object, it can be applied to high-temperature, high-speed moving objects such as plates during hot rolling and objects in vacuum such as thin films during vapor deposition. Is.

(4) 発生する超音波はビーム走査方向に向かって伝搬す
るので、指向性が極めてよい。
(4) Since the generated ultrasonic waves propagate in the beam scanning direction, the directivity is extremely good.

(5) 物体表面へのビーム照射を分散するので、物体表面
でのエネルギ密度を低くでき、物体の損傷を防ぐ効果が
ある。しかも、位相整合された波は重ね合わせの結果強
い超音波となり、信号検出は容易である。
(5) Since the beam irradiation to the surface of the object is dispersed, the energy density on the surface of the object can be reduced, which has an effect of preventing damage to the object. In addition, the phase-matched waves become strong ultrasonic waves as a result of superposition, and signal detection is easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明に係る超音波発生法の原理を説明するた
めの2つのモードの分散曲線のモードを示すグラフ、第
2図は本発明を実施する装置例の構成図、第3図(a)(b)
は本発明を板に適用した場合の計測結果を示し、同図
(a) には様々な位相速度でレーザビームを走査した場合
の発生信号の波形図、同図(b) にはこの波形のスペクト
ル解析によって求めた周波数と走査速度の関係を示すグ
ラフである。また、第4図は他の装置例の構成図であ
る。 1,11……レーザ、3 ……ビーム偏向器、 5,14……物体、12……可変焦点レンズ。
FIG. 1 is a graph showing modes of a dispersion curve of two modes for explaining the principle of the ultrasonic wave generation method according to the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram of an example of an apparatus for carrying out the present invention, and FIG. a) (b)
Shows the measurement results when the present invention is applied to a plate.
(a) is a waveform diagram of the generated signal when the laser beam is scanned at various phase velocities, and (b) is a graph showing the relationship between the frequency and the scanning velocity obtained by spectrum analysis of this waveform. FIG. 4 is a block diagram of another device example. 1,11 …… Laser, 3 …… Beam deflector, 5,14 …… Object, 12 …… Variable focus lens.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】伝搬できる複数の超音波のモードが存在可
能な物体に、エネルギービームを所要のモードの超音波
の波長程度の幅に集束して照射し、この照射位置を当該
モードの超音波の位相速度に等しい速度で走査すること
によって、当該モードの超音波を選択的に高効率で発生
させること特徴とする単一モード超音波の発生法。
1. An object in which a plurality of modes of ultrasonic waves that can propagate can exist and an energy beam is focused and irradiated to a width of a wavelength of ultrasonic waves of a required mode, and the irradiation position is ultrasonic waves of the mode. A method for generating single-mode ultrasonic waves, characterized in that the ultrasonic waves of the mode are selectively generated with high efficiency by scanning at a speed equal to the phase speed of.
【請求項2】請求項1に記載の方法で発生した超音波の
周波数を測定し、周波数と位相速度との関係から物体の
厚さを計測することを特徴とする物体の厚さ測定法。
2. A method for measuring the thickness of an object, which comprises measuring the frequency of the ultrasonic wave generated by the method according to claim 1 and measuring the thickness of the object from the relationship between the frequency and the phase velocity.
JP2338589A 1990-11-30 1990-11-30 Single-mode ultrasonic wave generation method and object thickness measurement method using it Expired - Lifetime JPH0635931B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2338589A JPH0635931B2 (en) 1990-11-30 1990-11-30 Single-mode ultrasonic wave generation method and object thickness measurement method using it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2338589A JPH0635931B2 (en) 1990-11-30 1990-11-30 Single-mode ultrasonic wave generation method and object thickness measurement method using it

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04204315A JPH04204315A (en) 1992-07-24
JPH0635931B2 true JPH0635931B2 (en) 1994-05-11

Family

ID=18319598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2338589A Expired - Lifetime JPH0635931B2 (en) 1990-11-30 1990-11-30 Single-mode ultrasonic wave generation method and object thickness measurement method using it

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0635931B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4742675B2 (en) * 2005-05-20 2011-08-10 三菱化学株式会社 Method for measuring the thickness of the inner surface adhesion layer of a cylindrical body
JP2011002470A (en) * 2010-10-04 2011-01-06 Mitsubishi Chemicals Corp Method for measuring thickness of deposit layer on internal surface of tubular body
CN107967911B (en) * 2016-10-18 2022-03-15 南京理工大学 Optical transducer and method for generating single ultrasonic transverse wave

Also Published As

Publication number Publication date
JPH04204315A (en) 1992-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4012951A (en) Acoustic examination methods and apparatus
Yamanaka et al. Selective excitation of single‐mode acoustic waves by phase velocity scanning of a laser beam
JPH0136584B2 (en)
CN109799191B (en) Optical non-contact detection device and method for sound disturbance of rough surface of solid material
JP2860843B2 (en) Ultrasonic sound velocity measuring device based on V (z) characteristic and ultrasonic microscope using the same
JPH0635931B2 (en) Single-mode ultrasonic wave generation method and object thickness measurement method using it
JP3704843B2 (en) Non-contact non-destructive material evaluation method and apparatus, elastic wave excitation method and elastic wave excitation apparatus
Romanoni et al. Two-dimensional periodic actuators for frequency-based beam steering
JPH0211866B2 (en)
JPH0211867B2 (en)
JPH1114533A (en) Particulate shape measuring instrument
JP3294148B2 (en) Laser ultrasonic flaw detector
JPH10260163A (en) Laser ultrasonic wave inspecting device
CA2188705A1 (en) Method and apparatus for exciting bulk acoustic wave
Johansmann et al. Laser Doppler vibrometry for measuring vibration in ultrasonic transducers
Bridoux et al. Optoacoustic testing of microsound devices
JP2650737B2 (en) Stress measurement method
JPH10319446A (en) Beam deflecting device
CA1210128A (en) Efficient laser generation of surface acoustic waves
JP2000074886A (en) Ultrasonic wave exciting method by laser, and ultrasonic wave excitation detecting device
JPH0481654A (en) Ultrasonic detector
US4025166A (en) Acousto-optic light beam scanner
JPS5872052A (en) Reflection type ultrasonic microscope
JPH0222343B2 (en)
JPH01273225A (en) Laser light scan system by acoustooptical deflection element

Legal Events

Date Code Title Description
EXPY Cancellation because of completion of term