JPH08136516A - 低温ないし中温おける全動弾性率，内粍，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置 - Google Patents
低温ないし中温おける全動弾性率，内粍，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置Info
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- JPH08136516A JPH08136516A JP6302827A JP30282794A JPH08136516A JP H08136516 A JPH08136516 A JP H08136516A JP 6302827 A JP6302827 A JP 6302827A JP 30282794 A JP30282794 A JP 30282794A JP H08136516 A JPH08136516 A JP H08136516A
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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 各種固体材料に関する全動弾性率，内耗，音
速，熱膨張係数，熱定数の変化を、低温ないし中温の温
度条件下で、短時間かつ高精度に測定できる装置を提供
する。 【構成】 各種固体材料からなる試料３は、外周面に凹
凸を形成した超音波導波体１に取付けられるもので、こ
れら両者には、超音波パルスが発射される。この超音波
導波体１は、試料３を取付けた一端が、広範囲に温度調
整できるクライオスタット２内に挿入され、加熱器６に
より送受信子７の備わる反対端は、常温に維持される。
超音波導波体１に発射された縦波超音波のエコーパルス
波形を受信し、試料３中の伝播時間および減衰率を計測
して演算処理する。これにより、全動弾性率，内耗など
の材料物性値が同時に求められる。
速，熱膨張係数，熱定数の変化を、低温ないし中温の温
度条件下で、短時間かつ高精度に測定できる装置を提供
する。 【構成】 各種固体材料からなる試料３は、外周面に凹
凸を形成した超音波導波体１に取付けられるもので、こ
れら両者には、超音波パルスが発射される。この超音波
導波体１は、試料３を取付けた一端が、広範囲に温度調
整できるクライオスタット２内に挿入され、加熱器６に
より送受信子７の備わる反対端は、常温に維持される。
超音波導波体１に発射された縦波超音波のエコーパルス
波形を受信し、試料３中の伝播時間および減衰率を計測
して演算処理する。これにより、全動弾性率，内耗など
の材料物性値が同時に求められる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、金属，セラミックス，
高分子等の各種固体材料からなる試料に対する低温ない
し中温における全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，
熱定数の測定装置に関し、特に、超音波パルスを利用し
て試料の物性値が０．０１Ｋ〜６００Ｋまでの温度条件
下において測定できるようにしたものである。
高分子等の各種固体材料からなる試料に対する低温ない
し中温における全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，
熱定数の測定装置に関し、特に、超音波パルスを利用し
て試料の物性値が０．０１Ｋ〜６００Ｋまでの温度条件
下において測定できるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、金属，セラミックス，高分子等の
各種固体材料の全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，
熱定数の変化に関する物性値を測定する装置としては、
縦弾性率については引張りおよび圧縮試験機、内部摩耗
については共振方式による測定器、熱膨張係数について
は直読式測定器、熱定数についてはレーザフラッシュ測
定器が知られている。
各種固体材料の全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，
熱定数の変化に関する物性値を測定する装置としては、
縦弾性率については引張りおよび圧縮試験機、内部摩耗
については共振方式による測定器、熱膨張係数について
は直読式測定器、熱定数についてはレーザフラッシュ測
定器が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、各種固
体材料における材料設計のための物性評価には、縦波音
速，横波音速，ヤング率，剛性率，体積弾性率，ポアソ
ン比，ラーメパラメータ，音速異方性係数，圧縮率，デ
バイ温度，線膨張係数，体積膨張係数，定容比熱，定圧
比熱，グリュンアイゼン定数，縦内部摩擦および横内部
摩擦があり、これらはいずれも重要な物性値とされてい
る。したがって、広範囲な温度条件下で、これら１７種
類の物性値を全て、かつ同時に測定できるような装置の
開発が待望されていた。
体材料における材料設計のための物性評価には、縦波音
速，横波音速，ヤング率，剛性率，体積弾性率，ポアソ
ン比，ラーメパラメータ，音速異方性係数，圧縮率，デ
バイ温度，線膨張係数，体積膨張係数，定容比熱，定圧
比熱，グリュンアイゼン定数，縦内部摩擦および横内部
摩擦があり、これらはいずれも重要な物性値とされてい
る。したがって、広範囲な温度条件下で、これら１７種
類の物性値を全て、かつ同時に測定できるような装置の
開発が待望されていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の点に鑑
みなされたもので、超音波導波体を利用して、低温ない
し中温における試料の物性値に関するデータが、短時間
かつ高精度に得られるようにした測定装置を提供しよう
とするものである。
みなされたもので、超音波導波体を利用して、低温ない
し中温における試料の物性値に関するデータが、短時間
かつ高精度に得られるようにした測定装置を提供しよう
とするものである。
【０００５】本発明において超音波導波体は、その外周
面に凹凸を形成した棒状体からなり、低温ないし中温度
領域に温度調節可能なクライオスタット内に挿入された
超音波導波体の一端には、全動弾性率，内耗，音速，熱
膨張係数、熱定数に関する物性値を測定する試料が取付
けられるとともに、このクライオスタット外にある反対
端には超音波パルスの送受信子が取付けられて常温状態
に保持されるようにしたものである。また、試料室は、
雰囲気がＡｒ，Ｈｅ，Ｎ2，Ｏ2等のガスまたは大気ある
いは真空で充填できるようになっている。
面に凹凸を形成した棒状体からなり、低温ないし中温度
領域に温度調節可能なクライオスタット内に挿入された
超音波導波体の一端には、全動弾性率，内耗，音速，熱
膨張係数、熱定数に関する物性値を測定する試料が取付
けられるとともに、このクライオスタット外にある反対
端には超音波パルスの送受信子が取付けられて常温状態
に保持されるようにしたものである。また、試料室は、
雰囲気がＡｒ，Ｈｅ，Ｎ2，Ｏ2等のガスまたは大気ある
いは真空で充填できるようになっている。
【０００６】クライオスタットは、０．０１Ｋ〜６００
Ｋの温度範囲において、任意の温度に一定速度で加熱ま
たは冷却することができ、さらに設定された任意の温度
に長時間保持できるようになっている。
Ｋの温度範囲において、任意の温度に一定速度で加熱ま
たは冷却することができ、さらに設定された任意の温度
に長時間保持できるようになっている。
【０００７】本発明は、前記超音波導波体が１対のもの
からなり、しかもクライオスタット内にある挿入端間に
試料が位置するように取付けられ、この挿入端の反対端
には、常温に保持された送信子および受信子がそれぞれ
備えられるようにした場合も適用される。
からなり、しかもクライオスタット内にある挿入端間に
試料が位置するように取付けられ、この挿入端の反対端
には、常温に保持された送信子および受信子がそれぞれ
備えられるようにした場合も適用される。
【０００８】
【作用】本発明の低温ないし中温における全動弾性率，
内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置は、超音波
導波体に取付けらた試料からのエコーパルス波形を受信
してメモリに記憶することから、測定時の操作性が簡便
となり、測定後のデータ処理が容易となって、試料測定
の活用範囲が広がるものである。
内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置は、超音波
導波体に取付けらた試料からのエコーパルス波形を受信
してメモリに記憶することから、測定時の操作性が簡便
となり、測定後のデータ処理が容易となって、試料測定
の活用範囲が広がるものである。
【０００９】また、全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係
数，熱定数の変化についても、試料中に縦波超音波導波
体を介して超音波パルスを印加するように構成したもの
であるから、同パルスの伝播時間および減衰率の演算処
理によって、任意の温度領域において、長時間にわたる
経時変化についても測定が可能となったものである。さ
らに、センサー部は常温状態での測定なので特殊なセン
サーである必要がなく、また、縦波，横波の受信および
送信に関わる４つのセンサーを用いる必要もないので、
１つのセンサーでよい。
数，熱定数の変化についても、試料中に縦波超音波導波
体を介して超音波パルスを印加するように構成したもの
であるから、同パルスの伝播時間および減衰率の演算処
理によって、任意の温度領域において、長時間にわたる
経時変化についても測定が可能となったものである。さ
らに、センサー部は常温状態での測定なので特殊なセン
サーである必要がなく、また、縦波，横波の受信および
送信に関わる４つのセンサーを用いる必要もないので、
１つのセンサーでよい。
【００１０】
【実施例】次に、本発明の低温ないし中温における全動
弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置に
おける一実施例について図を参照しながら説明する。
弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置に
おける一実施例について図を参照しながら説明する。
【００１１】図１において、１は外周面に凹凸を形成し
た棒状体からなる超音波導波体であり、その一部は、温
度調節可能なクライオスタット２内に挿入され、その挿
入端には、試料３が取付けられるようになっている。
た棒状体からなる超音波導波体であり、その一部は、温
度調節可能なクライオスタット２内に挿入され、その挿
入端には、試料３が取付けられるようになっている。
【００１２】この試料３の取付けは、例えば、図２のよ
うに、軸部分３ａの一端にフランジ３ｂを形成した断面
略Ｔ字形の試料３が使用され、接触媒質４を介して袋ナ
ット付きのホルダ５により超音波導波体１にネジ締め固
定される。この接触媒質４は、超音波導波体１の保護の
ためであり、また超音波導波体１と試料３との間の超音
波パルスの伝達性向上を意図して介在させたものであ
り、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｎｉ，ステンレ
スなどの金属，テフロン，ビニール，蜜鑞，シリコン系
グリースなど適用温度領域によって適宜選択する。接触
媒質４は、超音波導波体１および試料３のそれぞれの接
触面の表面精度が高い場合には、必ずしも必要としな
い。
うに、軸部分３ａの一端にフランジ３ｂを形成した断面
略Ｔ字形の試料３が使用され、接触媒質４を介して袋ナ
ット付きのホルダ５により超音波導波体１にネジ締め固
定される。この接触媒質４は、超音波導波体１の保護の
ためであり、また超音波導波体１と試料３との間の超音
波パルスの伝達性向上を意図して介在させたものであ
り、例えば、Ａｕ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｎｉ，ステンレ
スなどの金属，テフロン，ビニール，蜜鑞，シリコン系
グリースなど適用温度領域によって適宜選択する。接触
媒質４は、超音波導波体１および試料３のそれぞれの接
触面の表面精度が高い場合には、必ずしも必要としな
い。
【００１３】前記クライオスタット２は、図１の如く装
置本体の直立軸に取付けられているもので、０．０１Ｋ
〜６００Ｋまで温度調整できることが好ましい。たとえ
ば、常温を超える温度は加熱器を利用するようにし、常
温以下６３Ｋまでは低廉な液体窒素冷媒伝導方式、それ
以下の冷却については液体ヘリウム噴射方式もしくはコ
ンプレッサによる断熱冷却方式などが利用できる。
置本体の直立軸に取付けられているもので、０．０１Ｋ
〜６００Ｋまで温度調整できることが好ましい。たとえ
ば、常温を超える温度は加熱器を利用するようにし、常
温以下６３Ｋまでは低廉な液体窒素冷媒伝導方式、それ
以下の冷却については液体ヘリウム噴射方式もしくはコ
ンプレッサによる断熱冷却方式などが利用できる。
【００１４】また、前記超音波導波体１は、挿入端の反
対端が前記クライオスッタト２から外に出ているもの
で、反対端側には、加熱器６および超音波パルスの送受
信子７が備えられている。この加熱器６は、温水ジャケ
ットを適用できるものもあり、その存在理由は、保温す
ることにより、送受信子７を常温に保つことにある。
対端が前記クライオスッタト２から外に出ているもの
で、反対端側には、加熱器６および超音波パルスの送受
信子７が備えられている。この加熱器６は、温水ジャケ
ットを適用できるものもあり、その存在理由は、保温す
ることにより、送受信子７を常温に保つことにある。
【００１５】しかして、この超音波導波体１は、通常、
試料３に対し、音響インピーダンスが等しいかまたは近
接したものが使用される。この理由は、内部摩擦を感度
よく測定するためである。そして、超音波伝播損失が少
なく耐寒性を有する材質が好ましい。例えばＴｉ−６Ａ
ｌ−４Ｖ，ＳＵＳ３０４，高密度黒鉛，ＳｉＣ，Ｓｉ3
Ｎ4系焼結体，石英，アクリル樹脂などである。この場
合、超音波導波体１の外周面に凹凸面を形成するように
したのは、超音波導波体１の側面における超音波パルス
の反射波を散乱させ、ノイズエコーを防止するためであ
る。この凹凸は、例えば凹凸のある焼結肌面をそのまま
利用するか、もしくはネジ切り工具で外周ネジを形成す
るもので、図２の場合では、袋ナット付きのホルダ５を
使用した関係から全長にわたって外周ネジを形成してい
るものである。なお、前記ホルダ５は超音波導波体１お
よび試料３の材質よりも熱膨張係数の大きい材料が用い
られている。これは、ホルダ５の収縮によって試料３の
締付けを確実にするためである。
試料３に対し、音響インピーダンスが等しいかまたは近
接したものが使用される。この理由は、内部摩擦を感度
よく測定するためである。そして、超音波伝播損失が少
なく耐寒性を有する材質が好ましい。例えばＴｉ−６Ａ
ｌ−４Ｖ，ＳＵＳ３０４，高密度黒鉛，ＳｉＣ，Ｓｉ3
Ｎ4系焼結体，石英，アクリル樹脂などである。この場
合、超音波導波体１の外周面に凹凸面を形成するように
したのは、超音波導波体１の側面における超音波パルス
の反射波を散乱させ、ノイズエコーを防止するためであ
る。この凹凸は、例えば凹凸のある焼結肌面をそのまま
利用するか、もしくはネジ切り工具で外周ネジを形成す
るもので、図２の場合では、袋ナット付きのホルダ５を
使用した関係から全長にわたって外周ネジを形成してい
るものである。なお、前記ホルダ５は超音波導波体１お
よび試料３の材質よりも熱膨張係数の大きい材料が用い
られている。これは、ホルダ５の収縮によって試料３の
締付けを確実にするためである。
【００１６】試料室８の雰囲気は、試料の材質により適
宜対応する必要があり、Ａｒ，Ｎ2，Ｈｅなどの非酸化
性ガスや真空は、酸化や窒化を防止するためのものであ
り、試料の材質が酸化物，窒化物の場合には、大気やＯ
2が充填される。
宜対応する必要があり、Ａｒ，Ｎ2，Ｈｅなどの非酸化
性ガスや真空は、酸化や窒化を防止するためのものであ
り、試料の材質が酸化物，窒化物の場合には、大気やＯ
2が充填される。
【００１７】このようにして構成された超音波導波体１
によって測定される全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係
数，熱定数の変化に関する物性値は、基本的には、縦波
音速，横波音速，ヤング率，剛性率，体積弾性率，ポア
ソン比，ラーメパラメータ，音速異方性係数，圧縮比，
デバイ温度，線膨張係数，体積膨張係数，定容比熱，定
圧比熱，グリュンアイゼン定数，縦内部摩擦および横内
部摩擦である。この測定にあたっては、図１および図２
で概念的に示されているように、送受信子７を介して測
定されるものである。この場合、超音波ユニットには、
測定結果を監視あるいはプリントアウトするため波形メ
モリ内蔵波形モニタ９およびパソコン１０が接続され、
パソコン１０には、ディスプレイ１１およびプリンタ１
２が接続される。
によって測定される全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係
数，熱定数の変化に関する物性値は、基本的には、縦波
音速，横波音速，ヤング率，剛性率，体積弾性率，ポア
ソン比，ラーメパラメータ，音速異方性係数，圧縮比，
デバイ温度，線膨張係数，体積膨張係数，定容比熱，定
圧比熱，グリュンアイゼン定数，縦内部摩擦および横内
部摩擦である。この測定にあたっては、図１および図２
で概念的に示されているように、送受信子７を介して測
定されるものである。この場合、超音波ユニットには、
測定結果を監視あるいはプリントアウトするため波形メ
モリ内蔵波形モニタ９およびパソコン１０が接続され、
パソコン１０には、ディスプレイ１１およびプリンタ１
２が接続される。
【００１８】図１には、前記超音波ユニットにおける測
定系統図をも示されていて、超音波発生装置１３で発生
した超音波パルスは、送受信子７を経て、試料３中に放
射された縦波超音波パルスが超音波導波体１を伝播し
て、試料３の界面で反射し、ｔ0時間で送受信子７に受
信される超音波パルス１４と、試料３に入射する超音波
１５，１６に分割される。そして、この超音波パルス１
５，１６は、縦波→横波モードの超音波１５および縦波
→横波→縦波モードの超音波パルス１６であり、超音波
導波体１に再入射し、それぞれｔ1およびｔ2時間で送受
信子７に受信される。
定系統図をも示されていて、超音波発生装置１３で発生
した超音波パルスは、送受信子７を経て、試料３中に放
射された縦波超音波パルスが超音波導波体１を伝播し
て、試料３の界面で反射し、ｔ0時間で送受信子７に受
信される超音波パルス１４と、試料３に入射する超音波
１５，１６に分割される。そして、この超音波パルス１
５，１６は、縦波→横波モードの超音波１５および縦波
→横波→縦波モードの超音波パルス１６であり、超音波
導波体１に再入射し、それぞれｔ1およびｔ2時間で送受
信子７に受信される。
【００１９】また、前述した超音波ユニット測定系の閉
回路中には、超音波パルスのピーク値を検出するピーク
検出器および超音波パルスの振幅を常に一定ピーク値と
するＡＧＣ増幅器が設けられるとともに、前記ゼロクロ
ス検出器によって受信パルス電圧が零電圧（零点）を横
切るときの時間が計測される。
回路中には、超音波パルスのピーク値を検出するピーク
検出器および超音波パルスの振幅を常に一定ピーク値と
するＡＧＣ増幅器が設けられるとともに、前記ゼロクロ
ス検出器によって受信パルス電圧が零電圧（零点）を横
切るときの時間が計測される。
【００２０】さらに、超音波パルス１４，１５，１６の
伝播時間ｔ0′，ｔ1′およびｔ2′が計測される。この
計測値は、ＲＳ−２３２Ｃ準拠のシリアルインターフェ
ースからの出力となる。なお、この自動測定にあたって
は、閉回路中に接続されたソフトウェアをコンピュータ
制御部であるパソコン１０によって演算処理される。
伝播時間ｔ0′，ｔ1′およびｔ2′が計測される。この
計測値は、ＲＳ−２３２Ｃ準拠のシリアルインターフェ
ースからの出力となる。なお、この自動測定にあたって
は、閉回路中に接続されたソフトウェアをコンピュータ
制御部であるパソコン１０によって演算処理される。
【００２１】図３は、図１を補足説明するもので、超音
波パルスのタイムチャートである。すなわち、送受信子
７の送信パルス１７，受信信号１８，ウィンドゲートの
出力信号１９およびゼロクロス検出器の出力信号２０が
それぞれ示されている。
波パルスのタイムチャートである。すなわち、送受信子
７の送信パルス１７，受信信号１８，ウィンドゲートの
出力信号１９およびゼロクロス検出器の出力信号２０が
それぞれ示されている。
【００２２】また、図４（ａ）〜（ｃ）において、超音
波導波体１から時間ｔ0で試料３に入射した超音波パル
スは、図４（ａ）に示されるように、試料中心軸に平行
な縦波２１と、中心軸と指向角をもつ縦波２２によって
構成される。この場合、試料３の側面が平坦に仕上げら
れていると縦波２２は、試料３の側面で反射して、縦波
反射波Ｌ２２と横波反射波Ｓ２２に分割される。しか
し、縦波反射波Ｌ２２は、図４（ｂ）に示されるよう
に、臨界角θで消滅し、横波反射波Ｓ２２のみが存在す
るようになる。そして、試料３中の縦波２１および横波
Ｓ２２の音速をＶL，ＶSとすれば数１の関係が成立す
る。
波導波体１から時間ｔ0で試料３に入射した超音波パル
スは、図４（ａ）に示されるように、試料中心軸に平行
な縦波２１と、中心軸と指向角をもつ縦波２２によって
構成される。この場合、試料３の側面が平坦に仕上げら
れていると縦波２２は、試料３の側面で反射して、縦波
反射波Ｌ２２と横波反射波Ｓ２２に分割される。しか
し、縦波反射波Ｌ２２は、図４（ｂ）に示されるよう
に、臨界角θで消滅し、横波反射波Ｓ２２のみが存在す
るようになる。そして、試料３中の縦波２１および横波
Ｓ２２の音速をＶL，ＶSとすれば数１の関係が成立す
る。
【００２３】
【数１】 さらに、図４（ｂ）において、超音波パルス２１は、試
料３の端面で反射して、時間ｔ1で超音波導波体１に入
射し、超音波パルス２２は、縦波→横波→縦波と変換し
ながら、試料３の端面で反射して時間ｔ2で超音波導波
体１に入射する。この結果、図４（ｃ）のように、縦波
および横波の音速は、試料３の長さＬおよび直径Ｄとの
関係において、数２および数３により求められる。ただ
し、この場合、Ｌ＞＞Ｄｔａｎθとする。
料３の端面で反射して、時間ｔ1で超音波導波体１に入
射し、超音波パルス２２は、縦波→横波→縦波と変換し
ながら、試料３の端面で反射して時間ｔ2で超音波導波
体１に入射する。この結果、図４（ｃ）のように、縦波
および横波の音速は、試料３の長さＬおよび直径Ｄとの
関係において、数２および数３により求められる。ただ
し、この場合、Ｌ＞＞Ｄｔａｎθとする。
【００２４】
【数２】
【００２５】
【数３】 これに対し、試料３中の縦波，横波の音速ＶL，ＶSおよ
び試料３の密度ρから、固体弾性諸定数が以下の数式に
よって与えられる。
び試料３の密度ρから、固体弾性諸定数が以下の数式に
よって与えられる。
【００２６】
【数４】
【００２７】
【数５】
【００２８】
【数６】
【００２９】
【数７】
【００３０】
【数８】
【００３１】
【数９】
【００３２】
【数１０】
【００３３】
【数１１】
【００３４】
【数１２】 ただし、Ｎは原子体積当りの質点数、υは平均原子体積
を表わし、ＶMは次式より導かれる。
を表わし、ＶMは次式より導かれる。
【００３５】
【数１３】
【００３６】
【数１４】 ただし、ＴOは基準温度、Ｔnは特定温度を表わす。
【００３７】試料３が、等方性固体の場合は、体積膨張
係数Βは近似値として数１５から求まる。
係数Βは近似値として数１５から求まる。
【００３８】
【数１５】 低温のとき、定容比熱ＣVは数１６から求まる。
【００３９】
【数１６】 ただし、Ｒはガス定数を表わす。
【００４０】
【数１７】
【００４１】
【数１８】 次に、図４（ｂ）で示された超音波パルス２１は、時間
ｔ0で超音波導波体１に入射するとともに、試料３の端
面で反射して、再び同一経路を経て超音波パルスエコー
となり、時間ｔ3で超音波導波体１に入射する。
ｔ0で超音波導波体１に入射するとともに、試料３の端
面で反射して、再び同一経路を経て超音波パルスエコー
となり、時間ｔ3で超音波導波体１に入射する。
【００４２】図４（ｃ）は、超音波パルスの伝播時間の
関係を示したもので、試料から反射された縦波，横波の
時間ｔ2およびｔ3における超音波パルスの振幅のピーク
値Ａ1およびＡ2がそれぞれ示されている。このピーク値
Ａ1およびＡ2からは、界面の反射を全反射とすれば、試
料３の内部摩擦Ｑ-1が数１９で与えられる。
関係を示したもので、試料から反射された縦波，横波の
時間ｔ2およびｔ3における超音波パルスの振幅のピーク
値Ａ1およびＡ2がそれぞれ示されている。このピーク値
Ａ1およびＡ2からは、界面の反射を全反射とすれば、試
料３の内部摩擦Ｑ-1が数１９で与えられる。
【００４３】
【数１９】 ところで、前述したように、シリアルイターフェースか
ら出力された時間ｔ1′およびｔ2′は、図３および図４
（ａ）〜（ｃ）から数２０の時間関係がある。
ら出力された時間ｔ1′およびｔ2′は、図３および図４
（ａ）〜（ｃ）から数２０の時間関係がある。
【００４４】
【数２０】 数２０において、時間ｔ1′およびｔ2′は、カーソルを
超音波パルス１５，１６の計測用に順次セットすること
により求められる。
超音波パルス１５，１６の計測用に順次セットすること
により求められる。
【００４５】数２、数３および数２０からは、縦波音速
ＶLおよび横波音速ＶSが求められ、また、受信パルス１
５，１６の振幅のピーク値をそれぞれＡ3およびＡ4とす
れば、数１９より、内部摩擦Ｑ-1は、数２１として導か
れる。
ＶLおよび横波音速ＶSが求められ、また、受信パルス１
５，１６の振幅のピーク値をそれぞれＡ3およびＡ4とす
れば、数１９より、内部摩擦Ｑ-1は、数２１として導か
れる。
【００４６】
【数２１】 数２１において、Ｃは、超音波導波体１および試料３の
間では、両者の有効断面積変化率Ｓと両者の接触媒質４
を含めた超音波パルスの往復実行音圧透過率Ｔから、Ｃ
＝Ｓ／Ｔと表されるものである。したがって、Ｃの値
は、前述したパソコン１０に予めインプットしておけば
よい。また、前述した受信パルス１５，１６の振幅のピ
ーク値Ａ3およびＡ4は、ピーク検出器で検出され、シリ
アルインターフェースからの出力となる。
間では、両者の有効断面積変化率Ｓと両者の接触媒質４
を含めた超音波パルスの往復実行音圧透過率Ｔから、Ｃ
＝Ｓ／Ｔと表されるものである。したがって、Ｃの値
は、前述したパソコン１０に予めインプットしておけば
よい。また、前述した受信パルス１５，１６の振幅のピ
ーク値Ａ3およびＡ4は、ピーク検出器で検出され、シリ
アルインターフェースからの出力となる。
【００４７】また、往復実行音圧透過率Ｔは、超音波導
波体１と試料３のそれぞれの音響インピーダンスをＺ1
およびＺ2とおいて、接触媒質４を無視すれば数２２と
なり、Ａ4／Ａ3は数２３によって与えられる。
波体１と試料３のそれぞれの音響インピーダンスをＺ1
およびＺ2とおいて、接触媒質４を無視すれば数２２と
なり、Ａ4／Ａ3は数２３によって与えられる。
【００４８】
【数２２】
【００４９】
【数２３】 なお、内部摩擦を感度よく測定するためには、数２３か
ら明らかなように、測定温度範囲内にわたって超音波導
波体１と試料３の音響インピーダンスが等しい（Ｚ1＝
Ｚ2）か、近接する（Ｚ1≒Ｚ2）ように超音波導波体１
の材料を構成することが望ましい。また、安定した受信
パルス１５，１６を受けるためには、超音波導波体１中
の伝播損失が僅少であることが必要である。
ら明らかなように、測定温度範囲内にわたって超音波導
波体１と試料３の音響インピーダンスが等しい（Ｚ1＝
Ｚ2）か、近接する（Ｚ1≒Ｚ2）ように超音波導波体１
の材料を構成することが望ましい。また、安定した受信
パルス１５，１６を受けるためには、超音波導波体１中
の伝播損失が僅少であることが必要である。
【００５０】本発明は、このようにして縦波音速，横波
音速，ヤング率，剛性率，体積弾性率，ポアソン比，ラ
ーメパラメータ，音速異方性係数，圧縮率，デバイ温
度，線膨張係数，体積膨張係数，定容比熱，定圧比熱，
グリュンアイゼン定数，縦内部摩擦および横内部摩擦に
ついて測定できることを詳述した。
音速，ヤング率，剛性率，体積弾性率，ポアソン比，ラ
ーメパラメータ，音速異方性係数，圧縮率，デバイ温
度，線膨張係数，体積膨張係数，定容比熱，定圧比熱，
グリュンアイゼン定数，縦内部摩擦および横内部摩擦に
ついて測定できることを詳述した。
【００５１】なお、本実施例では、縦形の測定装置を例
示しているが、横形の測定装置にも適用できるものであ
る。また、超音波パルスの測定系として、シングアラウ
ンドパルスエコー法による場合も適用できるものであ
る。
示しているが、横形の測定装置にも適用できるものであ
る。また、超音波パルスの測定系として、シングアラウ
ンドパルスエコー法による場合も適用できるものであ
る。
【００５２】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように、超音波
導波体１，１ａ，１ｂおよび試料３に超音波パルスを送
受信して、演算処理された試料３中の伝播時間および減
衰率から試料３の弾性率，内耗，音速，熱膨張率，熱定
数が低温ないし中温までの広範囲な温度条件下で測定で
きるように構成したものである。したがって、従来測定
できなかった縦波音速，横波音速，ヤング率，剛性率，
体積弾性率，ポアソン比，ラーメパラメータ，音速異方
性係数，圧縮率，デバイ温度，線膨張係数，体積膨張係
数，定容比熱，定圧比熱，グリュンアイゼン定数，縦内
部摩擦および横内部摩擦といった全動弾性率，内耗，音
速，熱膨張係数，熱定数の変化を同時測定できるもので
ある。この結果、材料設計で要求される広範囲にわたる
データを短時間に、しかも高精度に提供できるという特
長を有する。
導波体１，１ａ，１ｂおよび試料３に超音波パルスを送
受信して、演算処理された試料３中の伝播時間および減
衰率から試料３の弾性率，内耗，音速，熱膨張率，熱定
数が低温ないし中温までの広範囲な温度条件下で測定で
きるように構成したものである。したがって、従来測定
できなかった縦波音速，横波音速，ヤング率，剛性率，
体積弾性率，ポアソン比，ラーメパラメータ，音速異方
性係数，圧縮率，デバイ温度，線膨張係数，体積膨張係
数，定容比熱，定圧比熱，グリュンアイゼン定数，縦内
部摩擦および横内部摩擦といった全動弾性率，内耗，音
速，熱膨張係数，熱定数の変化を同時測定できるもので
ある。この結果、材料設計で要求される広範囲にわたる
データを短時間に、しかも高精度に提供できるという特
長を有する。
【図１】本発明、低温ないし中温における全動弾性率，
内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置における一
実施例を示す概念的な説明図である。
内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置における一
実施例を示す概念的な説明図である。
【図２】試料の固定方法の一実施例を示す説明図であ
る。
る。
【図３】超音波パルスの送受信を説明するタイムチャー
トである。
トである。
【図４】試料中の超音波パルスの経路および時間の説明
図で、図４（ａ）は、超音波導波体からの超音波パルス
の経路図、図４（ｂ）は、試料中における超音波パルス
の臨界角θによる横波反射波の経路図、図４（ｃ）は、
超音波パルスの伝播時間および振幅ピーク値の関係図で
ある。
図で、図４（ａ）は、超音波導波体からの超音波パルス
の経路図、図４（ｂ）は、試料中における超音波パルス
の臨界角θによる横波反射波の経路図、図４（ｃ）は、
超音波パルスの伝播時間および振幅ピーク値の関係図で
ある。
１，１ａ，１ｂ 超音波導波体 ２ クライオスタット ３ 試料 ４ 接触媒質 ５ ホルダ ６ 加熱器 ７ 送受信子 ８ 試料室 １４，１５，１６ 超音波パルス
Claims (6)
- 【請求項１】 超音波導波体を介して試料に縦波超音波
パルスを送信し、このとき得られるエコーパルス波形を
受信して、試料中の超音波の伝播時間および減衰率を計
測して演算処理することにより、低温ないし中温におけ
る全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，熱定数を測定
するようにした装置であって、 前記超音波導波体は、その外周面に凹凸が形成されると
ともに、その一部が低温ないし中温度領域に温度調節可
能なクライオスタット内に挿入されるとともに、このク
ライオスタット内にある挿入端には前記試料が取付けら
れるようになっていて、試料室雰囲気が非酸化性ガスま
たは大気あるいは真空に充填可能となっており、 また、前記超音波導波体の反対端には超音波パルスの送
受信子が取付けられて、常温状態に保持されるようにな
っていることを特徴とする低温ないし中温における全動
弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載されたクライオスタット
は、０．０１Ｋ〜６００Ｋの温度範囲における任意の温
度に、一定速度で加熱または冷却されるようにした請求
項１に記載の低温ないし中温における全動弾性率，内
耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置。 - 【請求項３】 請求項１に記載されたクライオスタット
は、０．０１Ｋ〜６００Ｋの温度範囲における任意の温
度に、長時間保持されるようにした請求項１および請求
項２に記載の低温ないし中温における全動弾性率，内
耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置。 - 【請求項４】 請求項１に記載された超音波導波体は１
対のものからなり、しかも、前記雰囲気炉内に挿入され
た端面間に前記試料が位置するように取付けられるとと
もに、挿入端の反対端には、常温状態に保持された送信
子および受信子が備えられている請求項１〜請求項３に
記載の低温ないし中温における全動弾性率，内耗，音
速，熱膨張係数，熱定数の測定装置。 - 【請求項５】 請求項１に記載された超音波導波体は、
試料の音響インピーダンスに略等しい材質からなってい
る請求項１〜請求項４に記載の低温ないし中温における
全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装
置。 - 【請求項６】 請求項１に記載された超音波導波体と試
料とを締結する袋ナット付きのホルダには、超音波導波
体および試料の材質よりも熱膨張係数の大きい材料が用
いられている請求項１，４，５に記載の低温ないし中温
における全動弾性率，内耗，音速，熱膨張係数，熱定数
の測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6302827A JPH08136516A (ja) | 1994-11-11 | 1994-11-11 | 低温ないし中温おける全動弾性率，内粍，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6302827A JPH08136516A (ja) | 1994-11-11 | 1994-11-11 | 低温ないし中温おける全動弾性率，内粍，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08136516A true JPH08136516A (ja) | 1996-05-31 |
Family
ID=17913577
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6302827A Pending JPH08136516A (ja) | 1994-11-11 | 1994-11-11 | 低温ないし中温おける全動弾性率，内粍，音速，熱膨張係数，熱定数の測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08136516A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008537133A (ja) * | 2005-04-20 | 2008-09-11 | シーカ・テクノロジー・アーゲー | 材料の動弾性率を超音波的に求めるデバイスおよび方法 |
| RU2507515C1 (ru) * | 2012-07-18 | 2014-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Установка для определения упругих констант делящихся материалов при повышенных температурах |
| US20140260474A1 (en) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | Novelis Inc. | Measuring thermal expansion and the thermal crown of rolls |
| JP2015190976A (ja) * | 2014-03-31 | 2015-11-02 | 淳一 櫛引 | 圧電単結晶／セラミック材料の音響関連物理定数決定方法、その方法を使った音響関連物理定数の温度係数決定方法及びその温度係数決定方法を使った最適結晶方位及び伝搬方向決定方法 |
| CN114295265A (zh) * | 2021-09-15 | 2022-04-08 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 一种gis盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统 |
| CN116660387A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-08-29 | 西南科大四川天府新区创新研究院 | 一种借助声速-温度模型快速计算热膨胀系数的方法 |
-
1994
- 1994-11-11 JP JP6302827A patent/JPH08136516A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008537133A (ja) * | 2005-04-20 | 2008-09-11 | シーカ・テクノロジー・アーゲー | 材料の動弾性率を超音波的に求めるデバイスおよび方法 |
| RU2507515C1 (ru) * | 2012-07-18 | 2014-02-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Установка для определения упругих констант делящихся материалов при повышенных температурах |
| US20140260474A1 (en) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | Novelis Inc. | Measuring thermal expansion and the thermal crown of rolls |
| JP2016518585A (ja) * | 2013-03-12 | 2016-06-23 | ノベリス・インコーポレイテッドＮｏｖｅｌｉｓ Ｉｎｃ． | ロールの熱膨張及びサーマルクラウンの測定 |
| US10010916B2 (en) | 2013-03-12 | 2018-07-03 | Novelis Inc. | Measuring thermal expansion and the thermal crown of rolls |
| US10799926B2 (en) | 2013-03-12 | 2020-10-13 | Novelis Inc. | Measuring thermal expansion and the thermal crown of rolls |
| KR20200131803A (ko) * | 2013-03-12 | 2020-11-24 | 노벨리스 인크. | 롤의 열 팽창 및 열 크라운의 측정 |
| JP2015190976A (ja) * | 2014-03-31 | 2015-11-02 | 淳一 櫛引 | 圧電単結晶／セラミック材料の音響関連物理定数決定方法、その方法を使った音響関連物理定数の温度係数決定方法及びその温度係数決定方法を使った最適結晶方位及び伝搬方向決定方法 |
| CN114295265A (zh) * | 2021-09-15 | 2022-04-08 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 一种gis盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统 |
| CN114295265B (zh) * | 2021-09-15 | 2023-11-14 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 一种gis盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统 |
| CN116660387A (zh) * | 2023-05-16 | 2023-08-29 | 西南科大四川天府新区创新研究院 | 一种借助声速-温度模型快速计算热膨胀系数的方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030818 |