JPH0684919B2

JPH0684919B2 - 欠陥及び異硬度部分の検出方法

Info

Publication number: JPH0684919B2
Application number: JP4277942A
Authority: JP
Inventors: 淨坪井
Original assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Current assignee: Iwatsu Electric Co Ltd
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: JPH06109580A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被測定物の定常振動
を用いた非破壊検査方法に関わり、特に、被測定物中の
欠陥及び異硬度部分の大きさ及び形状の検出方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】機械や製品の部品に亀裂、空洞、凹みな
どの欠陥があると、この部品の破壊により重大な危険を
を招くおそれがある。そこで、これら亀裂、空洞、凹み
等の欠陥を有する部品は、機械や製品の組み立て前に、
部品の製造ラインにおいて検出して取り除くことができ
ることが好ましい。

【０００３】また、欠陥等が生じていない部品であって
も、例えば鋳鉄の含有黒鉛が局所的に球状化していて、
その部分が他の部分よりも高い硬度になっていると、こ
の部品を使用中にその硬い部分から亀裂や欠けを生じる
恐れがある。そこで、このように、局部的に硬度の異な
る部分が存在する部品も製造ラインにおいて検出できる
ことが望ましい。

【０００４】ところで、欠陥の検出及び位置評定のため
の非破壊検査方法としては、従来、超音波の反射による
方法、ＡＥ（アコースティックエミション）による亀裂
発生時の音による検出方法、ＣＣＤカメラによる観測
法、Ｘ線写真法、カラーチェック法など知られている。

【０００５】一方、被測定物中に硬度の異なる部分が存
在するか否かを被測定物の原形をとどめたまま検出する
方法は、従来、存在しない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の非破壊検
査による欠陥検出方法は、それぞれ、以下のような取扱
上の問題があった。

【０００７】すなわち、例えば超音波探傷法は、被測定
物にインパルス振動を加え、このインパルス振動が傷
（欠陥）に当たり、この傷の面のメカニカルインピーダ
ンスの状態により、反射した信号をセンサ（受信機）に
て受けとることにより、傷の有無及びその大きさを判定
する方法である。

【０００８】このため、超音波の直進性からセンサを当
てた部分しか測定できず、センサ接続面における不整合
による反射や、わずかな角度差で見える波形が異なり、
判別が容易でない。また、傷の大きさが小さくなると、
信号が分散し、見えにくくなる。そこで、高周波の加振
器が必要となり、数百ｋＨｚから数十ＭＨｚへと周波数
が高くなってきている。また、逆に、小さな粒子による
散乱がひどくなり、長距離の観測が難しくなる。また、
音波を被測定物に伝えるため、センサと被測定物の接触
面のインピーダンスが重要となるが、適切なインピーダ
ンスとするには、なかなか熟練を要する。

【０００９】上記のことを避けるために、液体中にて測
定することも行われているが、表面反射の問題、液体振
動、入射角の問題などがある。また、全面を見るために
は、掃引する必要があり、傷の形状によっては、見えな
いこともある。

【００１０】また、ＡＥ法の場合は、超音波探傷法と同
じように接触法であると共に、進行性の亀裂でないと測
定できない。逆に進行性のあるものでは亀裂を拡大しな
がら測定することになる。

【００１１】また、ＣＣＤカメラによる観測法では、亀
裂や凹みなどの欠陥以外のしみや模様があっても、判定
を乱す欠点があり、また、鋳造物等において「す」と呼
ばれる空洞は検出できない。

【００１２】また、Ｘ線写真法は、直接、目視できるの
で有効だが、肉厚の薄い被測定物や厚い被測定物などで
は、Ｘ線量の調整が厄介で観測できなかったりする。

【００１３】また、欠陥の存在が検知できても、その大
きさや、どの方向を向いた傷か、深さの深さの浅い傷か
などの傷の形状を識別することが従来困難であった。こ
のため、傷の大きさや形状によっては、良品とすること
ができる部品も、従来は不良品と識別することができな
かった。

【００１４】さらに、前述したように、被測定物に硬度
が局所的に異なる部分、すなわち異硬度部分があった
り、硬度の違う異物が混入しても、これを検出する方法
は従来存在せず、製造ラインにおいて、このような部品
を取り除くことは従来はできなかった。

【００１５】この発明は、以上の点にかんがみ、被測定
物の欠陥及び異硬度部分の有無の検出及び、その大きさ
ないし形状の検出が容易にでき、しかも、製造ライン上
での全数検査にも向く方法を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明による欠陥及び異硬度部分の検出方法にお
いては、被測定物を加振し、この被測定物に生じる互い
に異なる複数の伝播方向の定常波振動のそれぞれについ
て、前記被測定物により定まる固有周波数以外に、欠陥
や異硬度部分の存在による発生する周波数成分の有無を
実質的に検出して、前記被測定物の欠陥及び異硬度部分
の有無を検出すると共に、前記複数の定常波振動のそれ
ぞれについて、前記固有周波数と、前記欠陥や異硬度部
分の存在による周波数成分との周波数差あるいは前記固
有周波数付近のスペクトルのＱ値を、実質的に検出し、
この複数個の周波数差あるいはＱ値から、前記被測定物
の欠陥及び異硬度部分の大きさないし形状を検出するよ
うにしたことを特徴とする。

【００１７】

【作用】加振された被測定物の振動は、非接触でピック
アップ可能である。そして、この発明の発明者による研
究の結果、そのピックアップされた振動をスペクトル分
析すると、被測定物の形状に応じて定まる固有周波数位
置に、スペクトルのピークが現れ、そして、欠陥及び／
または異硬度部分（異物を含む）がある場合には、その
各対応するスペクトルのピークが２つに別れることが観
測できることが判明した。

【００１８】これは、次のように考察することができ
る。すなわち、加振により被測定物には、それに固有の
定常波振動を生じ、その振動のため固有周波数位置に立
つスペクトルを観測できる。そして、欠陥や異硬度部分
がないときにはそのスペクトルは１つのピークを備える
ものとして観測できる。

【００１９】しかし、欠陥があると、この欠陥部を振動
が伝達できないため、迂回する伝播路が生じ、振動のエ
ネルギーは前記固有の振動のエネルギーと、その迂回路
を通る振動のエネルギーとに別れ、迂回路を通る振動は
前記固有の振動よりも伝播路が長くなることからスペク
トルの立つ周波数が固有の振動によるスペクトルより低
くなり、そのために、固有周波数位置のスペクトルのピ
ークよりも周波数が低い側に別のスペクトルのピークが
現れ、スペクトルが２つに別れる。

【００２０】また、振動の伝播速度は物質の硬さに応じ
て異なり、硬度が高いほど伝播速度が速くなる性質を有
している。このため、局部的に硬度の異なる部分が存在
すると、その部分では振動の伝播速度が固有振動の伝播
速度と異なり、その振動のエネルギーは、固有振動のエ
ネルギーと前記硬度の異なる部分を通る振動のエネルギ
ーとに振動のエネルギーが別れる。この場合、被測定物
中に他の部分よりも硬い部分が偏在すると、基本固有振
動スペクトルと、それよりも高い周波数側のスペクトル
とに別れて現れ、また、同様にして被測定物中に他の部
分よりも柔らかい部分が偏在すると、基本固有振動のス
ペクトルと、それよりも低い周波数側のスペクトルとに
別れて観測される。

【００２１】このようにして、固有振動が持つスペクト
ルが２つに別れて観測できるか否かにより、被測定物中
の欠陥及び異硬度部分が存在するか否かを検出すること
ができる。スペクトルが２つに分かれるか否かは、スペ
クトル分析しなくても、各定常波振動の固有周波数成分
以外に、欠陥等の存在による周波数成分が存在するか否
かを検出することにより実質的に検出することができ
る。

【００２２】そして、上記の２つに分かれたスペクトル
の周波数差は、その定常波振動の伝播方向の欠陥または
異硬度部分の長さに対応している。したがって、異なる
複数の方向の定常波振動の１つについて、上記の周波数
成分の存在の有無を調べることにより、欠陥ないし異硬
度部分の有無の判定を行なうことができ、欠陥ないし異
硬度部分がある場合には、異なる複数の方向の定常波振
動のそれぞれについて、前記周波数差を求めれば、それ
ぞれの定常波振動の伝播方向の欠陥及び異硬度部分の長
さが検出され、これら異なる方向の欠陥及び異硬度部分
の長さから、欠陥及び異硬度部分の大きさ（容積）や形
状が検出される。

【００２３】

【実施例】以下、この発明による一実施例を図を参照し
ながら説明する。先ず、この発明による欠陥及び異硬度
部分の検出方法の原理について説明する。この方法は、
発明者の研究の結果から、考案されたものである。

【００２４】今、被測定物として、図２に示すように、
例えば真鍮などの金属や鋳造物の直方体１を考える。こ
の直方体１に衝撃を与える等して振動を加えると、この
直方体１には、３対の相対向する面により発生する３方
向の縦振動（圧縮波あるいは粗密波ともいう）が生じ
る。すなわち、図２に示すように、直方体１の側面１
ａ，１ｂに直交する方向に伝播する縦振動波Ｖｘと、
直方体１の側面１ｃ，１ｄに直交する方向の方向に伝
播する縦振動波Ｖｙと、直方体１の上下面１ｅ，１ｆに
直交する方向に伝播する縦振動波Ｖｚとの、３つの伝
播方向の定常振動波が生じる。

【００２５】この振動波を指向性の鋭い振動検出センサ
でピックアップし、それをスペクトル分析すると、亀
裂、いわゆる「す」と呼ばれる空洞、凹みなどの欠陥
や、異硬度部分がない場合には、図１Ａに示すように、
直方体１の材質や寸法ｄｘ，ｄｙ，ｄｚに応じた周波数
位置に、それぞれ１つのピーク１１，１２，１３が立つ
スペクトルが得られる。この場合、ｄｘ＞ｄｙ＞ｄｚで
あるとすると、周波数の低い方から順に、ピーク１１
は、振動波Ｖｘのスペクトル、ピーク１２は、振動波Ｖ
ｙのスペクトル、ピーク１３は、振動波Ｖｚのスペクト
ルとなる。

【００２６】なお、図１Ａは、振動波Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ
のそれぞれについての１次のスペクトルを示すもので、
それぞれ２次、３次のスペクトルも観測できるが、これ
らの２次以上のスペクトルは、周波数が大きく異なるの
で、ここでは省略する。

【００２７】そして、直方体１に、例えば、図２に示す
ような亀裂２（以下クラックという）がある場合には、
各振動波Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚのそれぞれについての１次の
スペクトルは、図１Ｂに示すように、固有周波数の位置
のピーク１１，１２，１３と、それより周波数の低い方
に、さらにもう１つのピーク１４，１５，１６が現れ
て、２つに分かれて観測することができる。

【００２８】これは、クラック２の存在によりこのクラ
ック２の部分を振動波が通過できずに、迂回することに
より伝播経路が長くなる振動波成分が発生し、このた
め、基本固有周波数成分によるスペクトルのピークのほ
かに、クラック２の分だけ被測定物の基本固有振動スペ
クトルより低い周波数側にずれた位置に、クラック２の
存在によるスペクトルのピークが生じるためである。

【００２９】すなわち、クラック２が被測定物に存在し
ている場合には、図１Ｂに示すように、それぞれの伝播
方向，，の振動波の基本固有振動スペクトルの第
１次スペクトルのピーク１１，１２，１３の下側（周波
数の低い側）にクラック２に存在よる振動のスペクトル
のピーク１４，１５，１６が分かれて現われる。この場
合、両者のスペクトルのエネルギーの和は、図１Ａのク
ラック２の無い場合のそれぞれの振動波の１次スペクト
ルのエネルギーに等しい。

【００３０】この場合、図３に示すように、このクラッ
ク２を、各方向、、に直交する面１ａ，１ｃ，１
ｅに投影したときの面積をＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚとすると、
各面１ａ，１ｃ，１ｅの面積Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚと、前記
クラック２の投影面積Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚとの比に応じて
離れた周波数位置に、各振動波Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚのそれ
ぞれについてのクラックの存在によるスペクトルのピー
ク１４，１５，１６が現れる。

【００３１】すなわち、２つに分かれた各１次のスペク
トルのピークの周波数差Δｆｘ，Δｆｙ，Δｆｚが、そ
れぞれ面積比Ｓｘ／Ｔｘ，Ｓｙ／Ｔｙ，Ｓｚ／Ｔｚに比
例する。面積Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは、被測定物により定ま
った値であるから、投影面積Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに比例す
ると言うこともできる。

【００３２】したがって、上記スペクトルのピークの周
波数差Δｆｘ，Δｆｙ，Δｆｚを測定することにより、
上記面積比Ｓｘ／Ｔｘ，Ｓｙ／Ｔｙ，Ｓｚ／Ｔｚを求め
ることができる。そして、これより投影面積Ｔｘ，Ｔ
ｙ，Ｔｚを求めることができるので、これら３つの面積
Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚから被測定物である直方体１に生じた
クラック２の大きさ（容積）及びどのような形状のクラ
ックかを判別することができる。

【００３３】なお、クラックの長さが微小な方向の場合
には、スペクトルのピークは、２つに分かれず、スペク
トルのＱ値が大きくなる。これは、固有振動波のスペク
トルと、クラックの存在による振動波のスペクトルと
が、演算装置の十分でない周波数分解能のために、分離
せずに結合したものとして観察されるためであると考え
られる。したがって、この場合、Ｑ値が大きくなるとは
言っても、固有振動波の周波数を中心として左右対象に
広がるのではなく、周波数の低い側のみが広がるような
ものとなる。

【００３４】また、欠陥ではなく、鋳鉄中の黒鉛の球状
化により被測定部品に局部的に高硬度の異硬度部分が生
じたときにも、同様にしてその異硬度部分が存在するス
ペクトルが２つに別れる。

【００３５】これは、振動の伝播速度は物質の硬さに応
じて異なり、硬度が高いほど伝播速度が速くなる性質を
有していることに起因する。すなわち、被測定物中に局
部的に硬度の高い部分が存在すると、その部分では振動
の伝播速度が速くなり、その異硬度部分が存在する部分
の振動のエネルギーは、基本固有振動のエネルギーと前
記硬度の高い部分を通る振動のエネルギーとに振動のエ
ネルギーが別れる。そのため、前記のように被測定物に
生じる各振動波Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚのスペクトルのピーク
は２つに別れて観測されるが、この場合には、ピークの
存在位置は、基本固有周波数位置と、それよりも高い周
波数側とに別れて観測される。

【００３６】また、同様にして被測定物中に他の部分よ
りも柔らかい部分が偏在すると、その異硬度部分が存在
により、各振動波Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚのスペクトルのピー
クは、基本固有周波数位置と、それよりも低い周波数側
位置とに別れて観測される。

【００３７】次に、被測定物が、例えば図４に示すよう
な中実円筒３の場合の例を説明する。この中実円筒３の
場合、これを加振すると、中心線に平行な方向を伝播
方向とする縦振動波Ｖｎと、中心線を中心とする回転方
向を伝播方向とする縦振動波Ｖｃと、中心線を通る方
向を伝播方向とする縦振動波Ｖｒが発生する。

【００３８】この振動波を指向性の鋭い振動検出センサ
でピックアップし、それをスペクトル分析すると、亀
裂、いわゆる「す」と呼ばれる空洞、凹みなどの欠陥
や、異硬度部分がない場合には、この円筒３の高さを
ｈ、上下面の半径をｒとしたとき、図５に示すように、
寸法ｈ，２πｒ，ｒに応じた周波数位置に、それぞれ１
つのピーク２１，２２，２３が立つスペクトルが得られ
る。この場合、ｈ＞２πｒとすれば、周波数の低い方か
ら順に、ピーク２１は、振動波Ｖｎのスペクトル、ピー
ク２２は、振動波Ｖｃのスペクトル、ピーク２３は、振
動波Ｖｒのスペクトルとなる。

【００３９】そして、円筒３に、例えば、図６に示すよ
うな主として中心線方向に沿った方向のクラック４があ
る場合には、そのスペクトルは、図７に示すようなもの
となった。すなわち、前述と同様の理由から各振動波Ｖ
ｎ，Ｖｃ，Ｖｒのそれぞれについて、固有周波数のもの
と、クラックの存在のために発生する周波数のものとが
生じるので、それぞれの１次のスペクトルは固有周波数
位置のピーク２１，２２，２３と、それより周波数の低
い方のピーク２４，２５，２６との２つに分かれる。

【００４０】図７の各振動波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒについて
のスペクトルを拡大したものを図８Ａ，Ｂ，Ｃに示す。
この場合、図８Ａに示すように、２つに分かれたスペク
トルのピーク２１，２４の周波数差Δｆｎは、円筒３の
上面または下面の面積Ｓｎと、クラック４を、この円筒
３の上面または下面に投影した面積Ｔｎとの比Ｔｎ／Ｓ
ｎに比例したものとなる。また、図８Ｂに示すように、
２つに分かれたスペクトルのピーク２２，２５の周波数
差Δｆｃは、円筒３の縦断面の平均面積Ｓｃと、クラッ
ク４を、この平均断面に投影した面積Ｔｃとの比Ｔｃ／
Ｓｃに比例したものとなる。

【００４１】そして、図８Ｃに示すように、スペクトル
のピーク２３，２６の周波数差Δｆｒは、クラック４の
円筒３の中心線方向に向かう長さ（深さ）Ｄｅに比例し
たものとなる。

【００４２】したがって、上記スペクトルのピークの周
波数差Δｆｎ，Δｆｃ，Δｆｒを測定することにより、
上記面積比Ｓｎ／Ｔｎ，Ｓｃ／Ｔｃ及び深さＤｅを求め
ることができる。そして、これより投影面積Ｔｎ，Ｔｃ
を求めることができるので、これら３つの値Ｔｎ，Ｔ
ｃ，Ｄｅから被測定物である円筒３に生じたクラック４
の大きさ（容積）及び形状を判別することができる。

【００４３】図８の場合には、Δｆｃに比べてかなりΔ
ｆｎが小さいので、クラック４は中心線方向に沿ったも
のであることが分かり、そして、Δｆｃからクラック４
の中心線方向の長さが分かり、Δｆｒから側周面から中
心線方向に向かう深さが分かる。なお、この円筒の例の
場合、投影面積Ｔｎ及びＴｃから円筒に換算したクラッ
クの容積を求めることができる。そして、深さＤｅの情
報がを用いることにより、クラック４が円筒３におい
て、どのような形状で発生しているかを特定することが
できる。

【００４４】また、円筒３に、例えば、図９に示すよう
な、横カットのクラック５がある場合には、そのスペク
トルは、図１０に示すようなものとなった。図１０の各
振動波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒについてのスペクトルを拡大し
たものを図１１Ａ，Ｂ，Ｃに示す。この場合には、クラ
ック５は方向の大きさが微小であるので、振動波Ｖｃ
のスペクトル２２は２つに分かれず、Ｑ値が変化したも
のとなっている。

【００４５】図１１の場合には、Δｆｃが微小であるの
で、横カットのクラックであることが分かり、その大き
さがΔｆｎから分かり、Δｆｒから側周面から中心線方
向に向かう深さが分かる。

【００４６】この例の場合にも、クラックでなく異硬度
部分が存在するときには、前述例と同様にしてその容
積、形状を検出することができる。

【００４７】次に、クラックではなく、エアホール、ガ
スホールなどの「す」が被測定物に生じた場合を考え
る。例えば、図１２に示すように、円筒の被測定物３
に、ほぼ球形の微小な「す」６が生じた場合には、この
「す」６の存在により、前記スペクトルのピーク２１，
２２，２３の近傍の周波数範囲ａ部，ｂ部，ｃ部は、図
１３及びこれらａ部、ｂ部、ｃ部の拡大図である図１５
Ａ，Ｂ，Ｃに示すようになり、周波数の低い側が広が
り、Ｑ値が低くなる。この場合、これらａ部、ｂ部、ｃ
部のスペクトラムは、「す」がほぼ球形であるので、同
様な低い周波数側へのの広がりの傾斜を持つ。ただし、
音速と定常振動の周波数との関係で、図１４に示すよう
に、高い周波数の共振系ほど、幅が広いスペクトラム波
形となる。

【００４８】このことは、スペクトルのＱ値は、前述し
たように、基準面の面積と、基準面への欠陥などの投影
面積との面積比に対応しているので、絶対寸法として
は、３つの方向の欠陥などの大きさが互いに等しくなっ
ていることを意味している。つまり、これは球状の
「す」の存在を意味している。換言すれば、３つの振動
波のスペクトルのＱ値が劣化したとき、その３つのスペ
クトルの形状が同様の傾斜で低い周波数側に広がる形を
しているか否かをチェックすることにより、被測定物内
に発生した欠陥が、ほぼ球状の「す」であるか否かを判
定することができる。なお、「す」の大きさが大きけれ
ば、各スペクトラムのＱ値の劣化ではなく、スペクトラ
ムのピークが２つに分かれるので、周波数差から球状の
「す」の判定ができるものである。

【００４９】次に、図１６に示すように、円筒の被測定
物３に生じた「す」６が、円筒の横断面方向に長い場合
には、この「す」６の存在により、前記スペクトルのピ
ーク２１，２２，２３の近傍の周波数範囲ａ部，ｂ部，
ｃ部は、図１７及びこれらａ部、ｂ部、ｃ部の拡大図で
ある図１９Ａ，Ｂ，Ｃに示すようになる。

【００５０】この場合には、図１８にも示すように、ａ
部のスペクトラムの幅は狭く、また、ｂ部のスペクトラ
ムの幅も比較的狭く、ｃ部のスペクトラムの幅のみが広
くなるようなものとなる。ただし、音速と定常振動の周
波数との関係で、高い周波数の共振系ほど、幅が広いス
ペクトラム波形となるのは、前述と同様である。

【００５１】また、図２０に示すように、円筒の被測定
物３に生じた「す」６が、円筒の中心線方向に細長いも
のの場合には、この「す」６の存在により、前記スペク
トルのピーク２１，２２，２３の近傍の周波数範囲ａ
部，ｂ部，ｃ部は、図２１及びこれらａ部、ｂ部、ｃ部
の拡大図である図２３Ａ，Ｂ，Ｃに示すようになる。

【００５２】この場合には、図２２にも示すように、ａ
部のスペクトラムの幅は狭く、ｂ部のスペクトラムの幅
は広く、ｃ部のスペクトラムの幅は狭いものとなる。こ
の場合にも、音速と定常振動の周波数との関係で、高い
周波数の共振系ほど、幅が広いスペクトラム波形となる
のは、前述と同様である。

【００５３】さらに、図２４に示すように、円筒の被測
定物３に生じた「す」６が、円筒の中心線方向に長い楕
円状のものの場合には、この「す」６の存在により、前
記スペクトルのピーク２１，２２，２３の近傍の周波数
範囲ａ部，ｂ部（この例の場合には、周波数分解能を上
げたため、ｃ部を省略した）は、図２５及びこれらａ
部、ｂ部の拡大図である図２７Ａ，Ｂに示すようにな
る。

【００５４】この場合には、周波数分解能を上げたた
め、音速と定常振動との関係で、高い周波数の共振系か
らスペクトラムのピークが分かれる。ピークが分かれな
いときは、Ｑ値の変化となるが、その場合、ａ部の傾斜
もｂ部の傾斜も大きいものとなる。

【００５５】被測定物は以上の例で上げた形状のものに
限られず、被測定物は、相対向する面を備え、複数方向
の縦振動波が発生するものであればどのようなものでも
適用可能である。

【００５６】次に、以上述べた方法を適用した欠陥の有
無の検出及びその大きさ、形状の検出装置の一実施例
を、図を参照しながら説明する。図２８は、この例の装
置の一実施例を示す。被測定物３１は、例えばマイクロ
コンピュータを有する制御装置３２によって制御される
搬送装置３３によって、測定用ステージ３４上に搬入さ
れて載置される。

【００５７】測定用ステージ３４は、例えば硬質ゴム等
により構成される。そして、この測定用ステージ３４に
被測定物３１が載置されたことが、例えば測定用ステー
ジ３４に設けられたセンサによって検出されると、制御
装置３２は、加振装置３５を駆動し、被測定物３１を加
振する。この例では、加振装置３５は、例えば振り子状
におもり等の衝撃物により被測定物３１を、例えばイン
パルス衝撃する。おもりの駆動機構は、衝撃後、おもり
が被測定物から即座に離れるようにカム機構等により構
成される。なお、加振は、１回ではなく、複数回行なっ
てもよく、しかも、異なる複数の部位を加振するように
してもよい。

【００５８】以上のようにして、加振された被測定物３
１の振動は、無接触で出力振動受信装置３６のセンサ３
７で検出され、電気信号に変換され、シグナルコンディ
ショナー３８にて所定の信号処理がなされる。センサ３
７は、振動を検出できるものであれば、どのようなもの
でも使用でき、変位計等を用いることもできる。もっと
も、周囲からの雑音振動をできるだけ拾わないようにす
るために、被測定物３１の方向に鋭い指向性を有するも
のが好ましい。

【００５９】シグナルコンディショナー３８では、電気
信号が増幅され、また、不要高低域成分の除去（トレン
ドの除去）などが行われる。

【００６０】出力振動受信装置３６からの電気信号は、
伝送路３９を介して演算処理・判定装置４０に供給され
る。この演算処理・判定装置４０は、例えばマイクロコ
ンピュータを有し、ソフトウェアにより後述の演算処理
及び判定動作をなすものであるが、この処理を機能ブロ
ックで示すと、図のようになる。

【００６１】ところで、ここで問題にする振動は、その
被測定物の形状が持つ固有振動である。しかし、被測定
物を強制的に振動させた場合、その強制振動などが固有
振動（定常波としての縦振動）と混在することになる。
かなり大きなクラックや凹みであるならば、これらの固
有振動以外が混在していても上記方法によって欠陥を検
出することができる場合もある。しかし、通常はこれら
固有振動以外をできるだけ除去しなければ、欠陥の検出
が困難である。

【００６２】そこで、この例では次のようにしてこれを
解決している。先ず、被測定物３１には、粗密波である
縦振動波のほかに、密度変化を伴わない横波が生じる。
この横波は、被測定物３１の重心付近を加振することに
より、発生させない、あるいは微小に押さえることがで
きる。

【００６３】次に、強制振動に対しては、センサ３７か
らの信号の測定開始点を、加振時から所定時間経過した
時点とすることで、影響を除去するようにする。すなわ
ち、被測定物３１を加振する場合、正弦波法とインパル
ス衝撃法とがあるが、正弦波法の場合には、一定条件で
被測定物３１を加振しておき、ある瞬間で、これを停止
する。そして、その停止時から少し時間経過した時点か
ら振動の測定を開始する。インパルス衝撃法の場合に
は、衝撃を与える等して加振した直後から少し時間を経
過した時点から測定を開始する。

【００６４】この場合の加振停止時、あるいは衝撃時か
ら測定を開始するまでの時間は、次のようにして定める
ことができる。すなわち、被測定物３１中を伝わる音波
の速度ｃは、そのヤング率Ｅ（弾性係数）とその物体の
密度ρによって異なり、ｃ²＝Ｅ／ρ の関係がある。そして、例えば、この例のインパルス衝
撃法による場合、衝撃直後からピックアップした振動の
時系列波形は図２９Ａのようになる。

【００６５】この図２９Ａの波形からもわかるように、
加振後の振動は地震波の場合と同じであるので、上記の
ように速度の速い縦波や遅い波が混在しており、また、
振動に強制振動が残り、被測定物３１の形状に特有の固
有振動波形になっていない。この形状に特有の固有振動
波は、例えばコマの「さいさ運動」のように、停止する
少し前に、観測されるものであると考えられる。このた
め、図２９Ｂのような矩形波のウインドーＷ1 を設定
し、このウインドーＷ1 によって、この例では振動波を
抽出する。

【００６６】すなわち、演算処理・判定処理装置４０に
入力された電気信号はゲート手段４１に供給される。そ
して、ウインドーＷ1 形成手段４２からの前記のウイン
ドー信号Ｗ1 により、加振すなわち衝撃後の被測定物３
１の振動から、被測定物３１の形状の固有振動成分が抽
出される。ウインドーＷ1 形成手段４２では、制御装置
３２からの加振開始の情報を受け、衝撃直後からウイン
ドーＷ1 の立ち上げ時点までの時間と、ウインドー幅を
設定する。図２９の例では、衝撃直後から２０msec経過
した時点からウインドーＷ1 を立ち上げ、２００msecの
ウインドー幅を設定する。

【００６７】以上のようにして、ウインドーＷ1 により
被測定物３１の形状の固有振動成分が抽出される。そし
て、その固有振動部分がＡ／Ｄ変換手段４３でデジタル
データに変換され、メモリ手段４４に書き込まれる。そ
して、メモリ手段４４からのこのデジタルデータが読み
出され、波形強調手段４５において、このデジタルデー
タに対し、ウインドーＷ2 形成手段４６からの強調用ウ
インドーＷ2 が掛けられる。この強調用ウインドーＷ2
は次のようなものである。

【００６８】すなわち、ウインドーＷ1 により被測定物
３１の形状に特有の固有振動波形部分を抽出したとして
も、微小なクラックや凹みや「す」は、その基本固有振
動のスペクトルに隠れてしまいやすく、前述したように
スペクトルのＱ値で検出するしかなくなる。

【００６９】そこで、できるだけ基本固有振動のスペク
トル波形の「裾野」の広がりを小さく、クラックや
「す」の判定をしやすくすることが考えられる。そのた
めには、スペクトルのピークの５０％のところから（Ｑ
値は変わらない）急激に減衰させるような補正をかけて
やればよい。このようにすれば、スペクトル波形の「裾
野」は狭くなり、微小なクラックや凹みであっても、そ
の微小な欠陥をスペクトルのＱ値でなく、基本固有振動
スペクトルと、欠陥による振動のスペクトルとを分離し
て検出することが可能なものが多くなる。

【００７０】以上のようにスペクトルを強調するために
は、ピックアップした振動波形に、次式からなる波形の
強調用ウインドーＷ2 を更にかければよい。

【００７１】ｙ＝ａcos ²（ｘωｔ）＋ｂcos ²（ｘωｔ＋τ）＋ …＋ｋcos ²（ｘωｔ＋ｎτ）＋Ｃここで、τは時間遅れを示し、例えばλ／４（λは波
長）とされる。また、この例の場合、ａ＝ｂ＝…＝ｋと
され、ｎ＝０，１，２，…とされる。この強調用ウイン
ドーＷ2 は図２９Ｃに示すような波形となる。

【００７２】図３０Ａは、ピックアップした被測定物３
１の振動に対し、前述の固有振動抽出用ウインドーＷ1
及び強調用ウインドーＷ2 をかける前の振動全体部分の
スペクトルを示す。また、図３０Ｂは、固有振動抽出用
ウインドーＷ1 によって抽出した振動のスペクトルを示
し、基本固有振動スペクトルと欠陥による振動のスペク
トルとの分離を観測できる。さらに、図３０Ｃは、前述
した強調用ウインドーＷ2 をかけた後のスペクトル波形
であり、基本固有振動スペクトルと、クラック又は凹み
等の欠陥の振動スペクトルとがより明確に分離されるこ
とがわかる。

【００７３】ウインドーＷ2 も、ウインドーＷ1 と同様
に、ウインドーＷ2 形成手段４６において、制御装置３
２からの加振開始の情報に基づいて形成される。

【００７４】こうして強調された後のデータは、スペク
トル分析手段４７に供給され、スペクトル分析される。
そして、欠陥判定手段４８では、以上のようにして得た
スペクトルを用いて、上述のようにして欠陥による振動
のスペクトルの存在を判別して欠陥の有無を判別し、ま
た、前記２つに分かれたスペクトルのピークの周波数差
から欠陥の大きさを判別する。

【００７５】すなわち、欠陥判定手段４８では、スペク
トル波形から、予め定められている各振動波Ｖｎ，Ｖ
ｃ，Ｖｒのスペクトルのピーク値が存在する周波数範囲
ｄ1 ，ｄ2 ，ｄ3 内において、それぞれ振幅の大きいも
のから順に例えば５個までピーク値を求め、その周波数
及びピーク値を記憶する。

【００７６】次に、それぞれの振動波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒ
のスペクトルについて、基本固有振動のスペクトルと、
欠陥の存在によるスペクトルとがペアになると考えられ
る周波数範囲ｐ1 ，ｐ2 ，ｐ3 （ｐ1 ＜ｄ1 ，ｐ2 ＜ｄ
2 ，ｐ3 ＜ｄ3 ）を、予め定めておき、この周波数範囲
ｐ1 ，ｐ2 ，ｐ3 内に上記５個のピーク値の周波数値の
うち、ペアとして入るものがあるか否かサーチする。そ
して、各振動波のスペクトルについて、その１つのスペ
クトルについてでもペアを検出したら、被測定物３１は
クラック有りと判別する。前述したように、他のスペク
トルは、ピークが２つに分かれずに、Ｑ値が悪くなって
いるだけの場合もある。

【００７７】そして、次に、クラック有りと検出したと
きは、各振動波のスペクトルについて、そのペアの周波
数差Δｆｎ、Δｆｃ，Δｆｒを求める。あるいは、Ｑ値
を求める。そして、これら求めた値からクラックの大き
さ（容積）を演算する。そして、クラックの大きさが、
不良品とすべき大きさであるか否か、予め設定されたス
レッショールド値と比較され、その比較結果として良品
か不良品かの判定結果が形成される。

【００７８】欠陥判定手段４８は、また、前述したよう
にして、欠陥が「す」の場合には、クラックとは区別し
て検出することができる。そこで、欠陥判定手段４８
は、検出された欠陥がクラックでなく、「す」の場合に
は、その大きさと、その旨の情報も形成する。

【００７９】欠陥判定手段４８は、求めた欠陥の種別、
大きさ、良品・不良品の判定結果の情報を制御装置３２
に送る。制御装置３２は、欠陥の種別、大きさを、累積
的に記憶し、その記憶内容を出力手段５０に送る。出力
手段５０は、これらの情報をディスプレイに表示した
り、記録紙にプリントアウトする。制御装置３２は、ま
た、良品・不良品の判定結果に基づいて、被測定物が不
良品の場合には、搬送装置３３に被測定物３１を搬入せ
ずに、排除するような制御を行う。

【００８０】欠陥でなく、異硬度部分が被測定物に存在
しても、上述と全く同様にして、その異硬度部分の存在
と、大きさを判定することができる。そして、異硬度部
分が被測定物より、硬いものである場合には、スペクト
ルが固有周波数よりも高い周波数側に分かれるピークを
有するものとなることから、欠陥や「す」などと区別す
ることができる。

【００８１】なお、以上の例は、ピックアップした被測
定物の振動波をスペクトル分析して、欠陥や異硬度部分
の存在により生じる固有周波数とは異なる周波数の振動
波の存在を検出するようにしたが、ゲート手段４１で抽
出した時系列波形から直接的に、前記欠陥等による振動
波成分の存在及び、前記周波数差を検出することができ
る。

【００８２】すなわち、ゲート手段４１の出力の時系列
波形は、前記欠陥等による振動波による変調を受けてい
ると考えられる。本願の発明者は、このことに着目し
て、例えば前記の円筒の場合において、ゲート手段４１
の出力に対して、振動波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒのそれぞれの
固有周波数付近の振動を抽出する周波数ウインドーをか
けて、その抽出した各振動波についての時系列波形を観
測した。その結果、欠陥等が存在しないときには、その
エンベロープが単調減衰であるのに対し、欠陥等が存在
するときには、そのエンベロープが正弦波であることを
確認した。しかも、その正弦波の周波数は、基本固有周
波数と、欠陥等による振動波の周波数との差であること
も確認した。

【００８３】したがって、時系列波形のエンベロープが
正弦波になっているか否かにより、欠陥あるいは異硬度
部分の有無の判別を行なうことができ、前記正弦波の周
波数を求めることにより、欠陥等の大きさ及び形状を判
定することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、被測定物を加振し、この被測定物に生じる互いに異
なる複数の伝播方向の定常波振動のそれぞれについて、
固有周波数以外の周波数成分の有無を実質的に検出し、
その周波数成分が存在する場合には、前記固有周波数
と、前記固有周波数以外の周波数成分の周波数差を、複
数の伝播方向の振動波について実質的に検出することに
より、被測定物の欠陥及び異硬度部分の大きさないし形
状を検出することができる。

【００８５】したがって、この発明によれば、欠陥や異
硬度部分の存在のみでなく、その大きさや形状を知るこ
とができるので、被測定物が良品か、不良品かの判定を
所定の大きさのスレッショールド値を設定して行なうこ
とが可能になる。

【００８６】そして、この発明は、非接触で、被測定物
がもつ固有の定常振動波を解析することにより、欠陥等
の有無、大きさ、形状の判定を行なうものであるので、
センサを被測定物に接触する場合のような不都合は全く
生じない。このため、安定した欠陥等の判定を行なうこ
とができる。

【００８７】また、この発明によれば、被測定物に、し
わや凹凸があっても、固有振動と区別ができるものであ
れば、クラックや「す」、異硬度部分を検出して、大き
さ、形状を判別することができるという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による検出方法を説明するためのスペ
クトル図である。

【図２】この発明による検出方法が適用される被測定物
の例としての直方体を示す図である。

【図３】この発明による方法によりクラックの大きさ及
び形状を検出する方法を説明するための図である。

【図４】この発明による検出方法が適用される被測定物
の例としての円筒を示す図である。

【図５】欠陥がない場合の円筒の定常振動波のスペクト
ルを示す図である。

【図６】円筒に生じたクラックの例を示す図である。

【図７】図６のクラックがある場合の円筒の定常振動波
のスペクトルを示す図である。

【図８】図７の一部をそれぞれ拡大した図である。

【図９】円筒に生じたクラックの例を示す図である。

【図１０】図９のクラックがある場合の円筒の定常振動
波のスペクトルを示す図である。

【図１１】図１０の一部をそれぞれ拡大した図である。

【図１２】円筒に生じた「す」の例を示す図である。

【図１３】図１２の「す」がある場合の円筒の定常振動
波のスペクトルを示す図である。

【図１４】図１２の「す」がある場合の各定常振動波の
スペクトラムの波形の特徴を説明するための図である。

【図１５】図１３の一部をそれぞれ拡大した図である。

【図１６】円筒に生じた「す」の例を示す図である。

【図１７】図１６の「す」がある場合の円筒の定常振動
波のスペクトルを示す図である。

【図１８】図１６の「す」がある場合の各定常振動波の
スペクトラムの波形の特徴を説明するための図である。

【図１９】図１７の一部をそれぞれ拡大した図である。

【図２０】円筒に生じた「す」の例を示す図である。

【図２１】図２０の「す」がある場合の円筒の定常振動
波のスペクトルを示す図である。

【図２２】図２０の「す」がある場合の各定常振動波の
スペクトラムの波形の特徴を説明するための図である。

【図２３】図２１の一部をそれぞれ拡大した図である。

【図２４】円筒に生じた「す」の例を示す図である。

【図２５】図２４の「す」がある場合の円筒の定常振動
波のスペクトルを示す図である。

【図２６】図２４の「す」がある場合の各定常振動波の
スペクトラムの波形の特徴を説明するための図である。

【図２７】図２５の一部をそれぞれ拡大した図である。

【図２８】この発明の方法を適用した欠陥検出装置の一
実施例のブロック図である。

【図２９】図２８の一部の動作説明のための図である。

【図３０】図２８の一部の動作説明のための図である。

【符号の説明】

１１，１２，１３固有周波数のスペクトルのピーク１４，１５，１６欠陥の存在による周波数成分のスペ
クトルのピーク２１，２２，２３固有周波数のスペクトルのピーク２４，２５，２６欠陥の存在による周波数成分のスペ
クトルのピークＶｘ，Ｖｙ，Ｖｚ直方体の場合の互いに伝播方向が異
なる縦振動波Ｖｎ，Ｖｃ，Ｖｒ円筒の場合の互いに伝播方向が異な
る縦振動波 Δｆｘ，Δｆｙ，Δｆｚ２つに分かれたスペクトルの
周波数差 Δｆｎ，Δｆｃ，Δｆｒ２つに分かれたスペクトルの
周波数差

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物を加振し、この被測定物に生じ
る互いに異なる複数の伝播方向の定常波振動のそれぞれ
について、前記被測定物により定まる固有周波数以外
に、欠陥や異硬度部分の存在による発生する周波数成分
の有無を実質的に検出して、前記被測定物の欠陥及び異
硬度部分の有無を検出すると共に、前記複数の定常波振動のそれぞれについて、前記固有周
波数と、前記欠陥や異硬度部分の存在による周波数成分
との周波数差あるいは前記固有周波数付近のスペクトル
のＱ値を、実質的に検出し、この複数個の周波数差あるいはＱ値から、前記被測定物
の欠陥及び異硬度部分の大きさないし形状を検出するよ
うにした欠陥及び異硬度部分の検出方法。