JPH09196900A - 表面層特性の測定方法および装置 - Google Patents
表面層特性の測定方法および装置Info
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- JPH09196900A JPH09196900A JP8007501A JP750196A JPH09196900A JP H09196900 A JPH09196900 A JP H09196900A JP 8007501 A JP8007501 A JP 8007501A JP 750196 A JP750196 A JP 750196A JP H09196900 A JPH09196900 A JP H09196900A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 音響信号の伝播経路長が未知の場合において
も、被検体の表面層の特性を測定できる方法および装置
を提供する。 【解決手段】 鋼材１０の表面に硬化層１１が形成され
た面を伝播する表面波のうち、受信器１側に屈折する超
音波８を受信器１で受信する。受信器２は受信器１から
離れて配置し、受信器２側に屈折する超音波９を受信す
る。超音波８と超音波９は、電気信号に変換され、超音
波探傷器等で構成される音響受信部３で増幅され、デジ
タルオシロスコープ等で構成されるデジタイザ４でデジ
タル信号に変換される。このデジタル信号を使って群遅
延時間演算部５で超音波８と超音波９の複数周波数の群
遅延時間を計算し、表面層特性演算部６で表面層の特性
を計算する。
も、被検体の表面層の特性を測定できる方法および装置
を提供する。 【解決手段】 鋼材１０の表面に硬化層１１が形成され
た面を伝播する表面波のうち、受信器１側に屈折する超
音波８を受信器１で受信する。受信器２は受信器１から
離れて配置し、受信器２側に屈折する超音波９を受信す
る。超音波８と超音波９は、電気信号に変換され、超音
波探傷器等で構成される音響受信部３で増幅され、デジ
タルオシロスコープ等で構成されるデジタイザ４でデジ
タル信号に変換される。このデジタル信号を使って群遅
延時間演算部５で超音波８と超音波９の複数周波数の群
遅延時間を計算し、表面層特性演算部６で表面層の特性
を計算する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、音響信号を使用し
て被検体表面層の特性を非破壊で測定する方法および装
置に関する。
て被検体表面層の特性を非破壊で測定する方法および装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】表面層の厚さ、もしくは表面層の性質
（硬さ等）の深さ方向分布を非破壊で計測する方法とし
て表面波の音速変化を利用する方法が知られている。こ
の方法は、表面層の音響的性質すなわち表面層の弾性係
数や密度が母材部と異なることを利用するものである。
すなわち、表面波は被検体の表面から深さ方向に一波長
の範囲内に９０％以上のエネルギーが存在するため、表
面層の厚さによって表面波の表面層と母材部を伝播する
割合が変化する。この結果、表面層の厚さに応じて表面
波の音速が変化するということになる。
（硬さ等）の深さ方向分布を非破壊で計測する方法とし
て表面波の音速変化を利用する方法が知られている。こ
の方法は、表面層の音響的性質すなわち表面層の弾性係
数や密度が母材部と異なることを利用するものである。
すなわち、表面波は被検体の表面から深さ方向に一波長
の範囲内に９０％以上のエネルギーが存在するため、表
面層の厚さによって表面波の表面層と母材部を伝播する
割合が変化する。この結果、表面層の厚さに応じて表面
波の音速が変化するということになる。
【０００３】この原理を用いた測定法として特開昭６２
−２７７５５４に開示された方法がある。この方法で
は、被検体表面に表面波を伝播させて一方でそれを受信
し、その間の伝播時間から音速を求め、母材の音速を基
準とした音速変化率から表面層の厚さを測定している。
しかし、表面波では周波数によって音速が異なる分散現
象により高周波のほうが低周波より速く伝播する現象が
生じ、伝播に伴って変化したり広がったりする。このた
め、上記の方法では、高精度な伝播時間測定は困難であ
る。
−２７７５５４に開示された方法がある。この方法で
は、被検体表面に表面波を伝播させて一方でそれを受信
し、その間の伝播時間から音速を求め、母材の音速を基
準とした音速変化率から表面層の厚さを測定している。
しかし、表面波では周波数によって音速が異なる分散現
象により高周波のほうが低周波より速く伝播する現象が
生じ、伝播に伴って変化したり広がったりする。このた
め、上記の方法では、高精度な伝播時間測定は困難であ
る。
【０００４】これを解決する手段として、周波数毎の伝
播時間から音速を求める方法があり、この例として、非
破壊検査（第３９巻第２号ｐｐ．９９−１０３）「レー
リー波による表面層の非破壊評価」で発表された方法が
知られている。この方法では、複数の周波数の位相速度
を計測し、その変化率から表面層の弾性係数の深さ方向
分布を計算するようになっている。
播時間から音速を求める方法があり、この例として、非
破壊検査（第３９巻第２号ｐｐ．９９−１０３）「レー
リー波による表面層の非破壊評価」で発表された方法が
知られている。この方法では、複数の周波数の位相速度
を計測し、その変化率から表面層の弾性係数の深さ方向
分布を計算するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術では複数周波数の位相速度を計測するようになってい
るが、これには、２受信点間の位相遅延時間の測定が必
要となる。位相遅延時間は前記２受信点で受信した両受
信波について、ある周波数成分の位相差から算出する。
この過程を図１０を参照して説明する。同図において、
受信点１での角周波数ωの波形に対し、受信点２での角
周波数ωの波形は、θr （ω）の位相遅れがあるとす
る。しかし、実際には受信点１の谷Ａが受信点２の谷Ｂ
であるか谷Ｂ’であるか、あるいは２πの整数倍離れた
他の谷であるは明らかでない。すなわち、位相差θ
（ω）には２ｎπ（ｎは整数）の任意性が存在し、位相
差θ（ω）は、 θ（ω）＝θr （ω）＋２ｎπ ・・・（１） と表現できる。一方、位相遅延時間τp （ω）は、 τp （ω）＝θ（ω）／ω ・・・（２） で算出されるため、やはり、２ｎπの任意性の影響を受
ける。このために、この問題を別の手段で解決する必要
がある。
術では複数周波数の位相速度を計測するようになってい
るが、これには、２受信点間の位相遅延時間の測定が必
要となる。位相遅延時間は前記２受信点で受信した両受
信波について、ある周波数成分の位相差から算出する。
この過程を図１０を参照して説明する。同図において、
受信点１での角周波数ωの波形に対し、受信点２での角
周波数ωの波形は、θr （ω）の位相遅れがあるとす
る。しかし、実際には受信点１の谷Ａが受信点２の谷Ｂ
であるか谷Ｂ’であるか、あるいは２πの整数倍離れた
他の谷であるは明らかでない。すなわち、位相差θ
（ω）には２ｎπ（ｎは整数）の任意性が存在し、位相
差θ（ω）は、 θ（ω）＝θr （ω）＋２ｎπ ・・・（１） と表現できる。一方、位相遅延時間τp （ω）は、 τp （ω）＝θ（ω）／ω ・・・（２） で算出されるため、やはり、２ｎπの任意性の影響を受
ける。このために、この問題を別の手段で解決する必要
がある。
【０００６】そこで、前記後者の公知例では、母材の状
態と表面層が形成された状態では受信波間の位相差に２
ｎπ以内の差しか生じないとの前提から、既知の母材の
音速と伝播経路長からおおよその位相差を求め、その位
相差からの−π〜πの間のずれのみを計測によって求め
る手段を採用している。しかしながら、送信や受信の位
置が不安定である場合や伝播経路が曲面である場合な
ど、伝播経路長が測定困難な場合には、前記手段により
おおよその位相差を知ることができず、ひいては表面層
の弾性係数（硬さ）の測定が困難になる。
態と表面層が形成された状態では受信波間の位相差に２
ｎπ以内の差しか生じないとの前提から、既知の母材の
音速と伝播経路長からおおよその位相差を求め、その位
相差からの−π〜πの間のずれのみを計測によって求め
る手段を採用している。しかしながら、送信や受信の位
置が不安定である場合や伝播経路が曲面である場合な
ど、伝播経路長が測定困難な場合には、前記手段により
おおよその位相差を知ることができず、ひいては表面層
の弾性係数（硬さ）の測定が困難になる。
【０００７】本発明は、このような従来技術の実情に鑑
みてなされたもので、その目的は、伝播経路長が未知で
あっても、表面層の特性を測定できる方法および装置を
提供することにある。
みてなされたもので、その目的は、伝播経路長が未知で
あっても、表面層の特性を測定できる方法および装置を
提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の手段は、被検体から受信した複数の音響信号
から、該被検体の表面層の特性を測定する表面層特性測
定方法において、前記複数の音響信号の中の二つの音響
信号間の任意の周波数の群遅延時間を求め、あらかじめ
求めておいた群遅延時間と前記表面層特性との関係か
ら、前記二つの音響信号間の任意の周波数の群遅延時間
を表面層特性に変換し、被検体の表面層の特性を測定す
ることを特徴としている。
め、第１の手段は、被検体から受信した複数の音響信号
から、該被検体の表面層の特性を測定する表面層特性測
定方法において、前記複数の音響信号の中の二つの音響
信号間の任意の周波数の群遅延時間を求め、あらかじめ
求めておいた群遅延時間と前記表面層特性との関係か
ら、前記二つの音響信号間の任意の周波数の群遅延時間
を表面層特性に変換し、被検体の表面層の特性を測定す
ることを特徴としている。
【０００９】この場合、前記あらかじめ求めておいた群
遅延時間と表面層との特性の関係として、例えば群遅延
時間から表面層の特性に変換する変換関数を導入し、表
面層特性として硬化層厚さを測定する。
遅延時間と表面層との特性の関係として、例えば群遅延
時間から表面層の特性に変換する変換関数を導入し、表
面層特性として硬化層厚さを測定する。
【００１０】また、前記表面層特性として表面層の物性
の深さ方向分布を測定する場合、前記任意の周波数は複
数の周波数であって、前記変換関数として前記複数の周
波数の群遅延時間と前記物性の深さ方向分布とを深さ方
向エネルギー分布によって関連づける変換関数を導入
し、表面層特性として表面層の硬さ分布を測定する。
の深さ方向分布を測定する場合、前記任意の周波数は複
数の周波数であって、前記変換関数として前記複数の周
波数の群遅延時間と前記物性の深さ方向分布とを深さ方
向エネルギー分布によって関連づける変換関数を導入
し、表面層特性として表面層の硬さ分布を測定する。
【００１１】また、前記エネルギー分布に代えて音圧分
布あるいは変位分布を導入することもできる。
布あるいは変位分布を導入することもできる。
【００１２】第２の手段は、被検体から受信した複数の
音響信号から、該被検体の表面層の特性を測定する表面
層特性測定装置において、前記被検体表面を伝播する音
響信号を受信する音響受信手段と、この音響受信手段で
受信した複数の音響信号のうち異なる位置で受信した任
意の二つの音響信号間の群遅延時間を算出する群遅延時
間演算手段と、この群遅延時間演算手段で演算した群遅
延時間を該被検体の表面層特性に変換する表面層特性変
換手段とを備えていることを特徴としている。
音響信号から、該被検体の表面層の特性を測定する表面
層特性測定装置において、前記被検体表面を伝播する音
響信号を受信する音響受信手段と、この音響受信手段で
受信した複数の音響信号のうち異なる位置で受信した任
意の二つの音響信号間の群遅延時間を算出する群遅延時
間演算手段と、この群遅延時間演算手段で演算した群遅
延時間を該被検体の表面層特性に変換する表面層特性変
換手段とを備えていることを特徴としている。
【００１３】この場合、前記音響受信手段が音響信号を
送信する手段を含み、両機能を兼ねるように構成するこ
ともできる。
送信する手段を含み、両機能を兼ねるように構成するこ
ともできる。
【００１４】また、前記表面層特性変換手段を、硬化層
厚さと群遅延時間との関係が格納された関係記憶部と、
この関係記憶部に記憶された前記関係に基づいて前記群
遅延時間から硬化層厚さを演算する演算回路とを含んで
構成したり、硬化層厚さと母材に対する音速変化率の関
係が格納された関係記憶部と、この関係記憶部に記憶さ
れた前記関係に基づいて前記群遅延時間から硬化層厚さ
を演算する演算回路とを含んで構成したり、被検体の硬
さと群速度変化率の関係が格納された関係記憶部と、こ
の関係記憶部に記憶された前記関係に基づいて前記群遅
延時間から被検体表面の硬さ分布を演算する演算回路と
を含んでそれぞれ構成できる。
厚さと群遅延時間との関係が格納された関係記憶部と、
この関係記憶部に記憶された前記関係に基づいて前記群
遅延時間から硬化層厚さを演算する演算回路とを含んで
構成したり、硬化層厚さと母材に対する音速変化率の関
係が格納された関係記憶部と、この関係記憶部に記憶さ
れた前記関係に基づいて前記群遅延時間から硬化層厚さ
を演算する演算回路とを含んで構成したり、被検体の硬
さと群速度変化率の関係が格納された関係記憶部と、こ
の関係記憶部に記憶された前記関係に基づいて前記群遅
延時間から被検体表面の硬さ分布を演算する演算回路と
を含んでそれぞれ構成できる。
【００１５】このように構成すると、群遅延時間は位相
を角周波数で微分した値であるため、位相の２ｎπの任
意性に関係なく算出することができるようになる。これ
によって、伝播経路長を測定する等の解決手段を導入す
る必要がなくなる。
を角周波数で微分した値であるため、位相の２ｎπの任
意性に関係なく算出することができるようになる。これ
によって、伝播経路長を測定する等の解決手段を導入す
る必要がなくなる。
【００１６】また、表面層特性を求める変化関数を、複
数の周波数の相対群遅延時間と相対群速度の深さ方向分
布を音響信号の深さ方向エネルギー分布によって関連づ
ける計算式と、群速度変化率と表面層の物性値を関連付
ける関数とすると、深さ方向エネルギー分布は既知であ
るので、この計算式の逆変換により相対群速度の深さ方
向分布を算出することができる。相対群速度は深さ方向
の最深部で母材の群速度に一致し、各層の母材群速度に
対する群速度変化率が算出できる。次に、この群速度変
化率を前記関係に基づいて表面層の物性値に変換する。
なお、ここで相対というは、伝播経路長が未知である
（計算に伝播経路長を使用していない）ので、速度その
ものを算出しているわけではないからである。
数の周波数の相対群遅延時間と相対群速度の深さ方向分
布を音響信号の深さ方向エネルギー分布によって関連づ
ける計算式と、群速度変化率と表面層の物性値を関連付
ける関数とすると、深さ方向エネルギー分布は既知であ
るので、この計算式の逆変換により相対群速度の深さ方
向分布を算出することができる。相対群速度は深さ方向
の最深部で母材の群速度に一致し、各層の母材群速度に
対する群速度変化率が算出できる。次に、この群速度変
化率を前記関係に基づいて表面層の物性値に変換する。
なお、ここで相対というは、伝播経路長が未知である
（計算に伝播経路長を使用していない）ので、速度その
ものを算出しているわけではないからである。
【００１７】
【実施例】以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００１８】図１に、伝播モードが表面波の超音波を使
用し、鋼材表面に形成した硬化層の特性を測定する表面
層特性測定装置の概略構成を示す。
用し、鋼材表面に形成した硬化層の特性を測定する表面
層特性測定装置の概略構成を示す。
【００１９】同図において、層厚さ測定装置は、受信器
１と、受信器２と、音響受信部３と、デジタイザ４と、
群遅延時間演算部５と、表面層特性演算部６と、出力部
７とを備えている。
１と、受信器２と、音響受信部３と、デジタイザ４と、
群遅延時間演算部５と、表面層特性演算部６と、出力部
７とを備えている。
【００２０】図１において、鋼材１０の表面に硬化層１
１が形成された面を伝播する表面波のうち、受信器１は
当該受信器１側に屈折した超音波８を受信し、受信器１
から離れて配置された受信器２は当該受信器２側に屈折
した超音波９を受信する。超音波８と超音波９は電気信
号に変換され、超音波探傷器等で構成される音響受信部
３で増幅され、デジタルオシロスコープ等で構成される
デジタイザ４で各々デジタル信号の波形ｘ（ｔ）とｙ
（ｔ）に変換される。このデジタル信号はデジタイザ４
中で、超音波８についてはある時刻から一定幅の時間区
間（以下、「時間窓」と称する）のデジタル信号の波形
ｘ（ｔ）として保持され、超音波９についてはｘ（ｔ）
と異なってもよい時刻から始まる時間窓のデジタル信号
の波形ｙ（ｔ）として保持される。なお、時間窓の切り
出しはオペレータが指定してもよいが、超音波８と超音
波９の現われるおおよその時間がわかっていれば、予め
遅延時間を固定した時間窓を用意してもよい。
１が形成された面を伝播する表面波のうち、受信器１は
当該受信器１側に屈折した超音波８を受信し、受信器１
から離れて配置された受信器２は当該受信器２側に屈折
した超音波９を受信する。超音波８と超音波９は電気信
号に変換され、超音波探傷器等で構成される音響受信部
３で増幅され、デジタルオシロスコープ等で構成される
デジタイザ４で各々デジタル信号の波形ｘ（ｔ）とｙ
（ｔ）に変換される。このデジタル信号はデジタイザ４
中で、超音波８についてはある時刻から一定幅の時間区
間（以下、「時間窓」と称する）のデジタル信号の波形
ｘ（ｔ）として保持され、超音波９についてはｘ（ｔ）
と異なってもよい時刻から始まる時間窓のデジタル信号
の波形ｙ（ｔ）として保持される。なお、時間窓の切り
出しはオペレータが指定してもよいが、超音波８と超音
波９の現われるおおよその時間がわかっていれば、予め
遅延時間を固定した時間窓を用意してもよい。
【００２１】群遅延時間演算部５では、前記波形ｘ
（ｔ）と波形ｙ（ｔ）の複数周波数の群遅延時間τ
U （ω）（ωは超音波の角周波数）を計算し、表面層特
性演算部６で表面層の特性を計算する。計算された結果
は、出力部７で出力される。また、時間窓の切り出し位
置や幅は入力部１２から入力される。なお、受信器１と
受信部２は同一の受信器でもよい。しかし、その場合に
は、受信器の位置を変えて、異なる位置で表面波を受信
する必要がある。
（ｔ）と波形ｙ（ｔ）の複数周波数の群遅延時間τ
U （ω）（ωは超音波の角周波数）を計算し、表面層特
性演算部６で表面層の特性を計算する。計算された結果
は、出力部７で出力される。また、時間窓の切り出し位
置や幅は入力部１２から入力される。なお、受信器１と
受信部２は同一の受信器でもよい。しかし、その場合に
は、受信器の位置を変えて、異なる位置で表面波を受信
する必要がある。
【００２２】群遅延時間演算部５の一構成例と各部の機
能について図２を参照して説明する。制御回路５０１は
切換器５０２を制御してデジタイザ４から図３に示すよ
うな波形ｘ（ｔ）と波形ｙ（ｔ）を読み出し、それぞれ
波形ｘ（ｔ）メモリ５０３、波形ｙ（ｔ）メモリ５０４
に記憶する。次に、制御回路５０１は、切換器５０５を
制御して波形ｘ（ｔ）メモリ５０３と波形ｙ（ｔ）メモ
リ５０４から、波形を読み出してフーリエ変換器５０６
に波形を送り、フーリエ変換器５０６で波形ｘ（ｔ）と
波形ｙ（ｔ）をフーリエ変換させる。フーリエ変換され
た波形ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）は、さらに、制御回路５０１
によって制御される切換器５０７によって選択されるＸ
（ω）メモリ５０８とＹ（ω）メモリ５０９に各々記憶
される。次に、Ｘ（ω）メモリ５０８とＹ（ω）メモリ
５０９に記憶された波形データに基づいてクロススペク
トル演算器５１０でＸ（ω）とＹ（ω）のクロススペク
トルを算出し、演算結果をＺ（ω）メモリ５１１に記憶
する。なお、Ｘ（ω）メモリ５０８、Ｙ（ω）メモリ５
０９およびＺ（ω）メモリ５１１はそれぞれ実数メモリ
と虚数メモリからなっている。Ｚ（ω）メモリ５１１に
記憶されたクロススペクトルは位相特性演算器５１２入
力され、クロススペクトルの位相特性θ（ω）（図３参
照）が算出される。算出された移送特性θ（ω）は、位
相微分器５１３で微分され、遅延時間が求められる。伝
播時間加算器５１４は、位相微分器５１３で求められた
遅延時間と波形切出条件メモリ５１５から読み出された
時間窓間の遅延時間τwindowを加算する。加算された結
果、すなわち群遅延時間τU （ω）は、表面層特性演算
部６に送られる。
能について図２を参照して説明する。制御回路５０１は
切換器５０２を制御してデジタイザ４から図３に示すよ
うな波形ｘ（ｔ）と波形ｙ（ｔ）を読み出し、それぞれ
波形ｘ（ｔ）メモリ５０３、波形ｙ（ｔ）メモリ５０４
に記憶する。次に、制御回路５０１は、切換器５０５を
制御して波形ｘ（ｔ）メモリ５０３と波形ｙ（ｔ）メモ
リ５０４から、波形を読み出してフーリエ変換器５０６
に波形を送り、フーリエ変換器５０６で波形ｘ（ｔ）と
波形ｙ（ｔ）をフーリエ変換させる。フーリエ変換され
た波形ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）は、さらに、制御回路５０１
によって制御される切換器５０７によって選択されるＸ
（ω）メモリ５０８とＹ（ω）メモリ５０９に各々記憶
される。次に、Ｘ（ω）メモリ５０８とＹ（ω）メモリ
５０９に記憶された波形データに基づいてクロススペク
トル演算器５１０でＸ（ω）とＹ（ω）のクロススペク
トルを算出し、演算結果をＺ（ω）メモリ５１１に記憶
する。なお、Ｘ（ω）メモリ５０８、Ｙ（ω）メモリ５
０９およびＺ（ω）メモリ５１１はそれぞれ実数メモリ
と虚数メモリからなっている。Ｚ（ω）メモリ５１１に
記憶されたクロススペクトルは位相特性演算器５１２入
力され、クロススペクトルの位相特性θ（ω）（図３参
照）が算出される。算出された移送特性θ（ω）は、位
相微分器５１３で微分され、遅延時間が求められる。伝
播時間加算器５１４は、位相微分器５１３で求められた
遅延時間と波形切出条件メモリ５１５から読み出された
時間窓間の遅延時間τwindowを加算する。加算された結
果、すなわち群遅延時間τU （ω）は、表面層特性演算
部６に送られる。
【００２３】以上の機能の中で、クロススペクトルの位
相特性θ（ω）から群遅延時間τU（ω）を求める手続
きは、 τU （ω）＝ｄθ（ω）／ｄω＋τwindow ・・・（３） で表される。この式（３）から群遅延時間τU （ω）
は、前記２ｎπが要素として含まれないのでクロススペ
クトルの位相θ（ω）に２ｎπの任意性があったとして
も算出可能であることがわかる。
相特性θ（ω）から群遅延時間τU（ω）を求める手続
きは、 τU （ω）＝ｄθ（ω）／ｄω＋τwindow ・・・（３） で表される。この式（３）から群遅延時間τU （ω）
は、前記２ｎπが要素として含まれないのでクロススペ
クトルの位相θ（ω）に２ｎπの任意性があったとして
も算出可能であることがわかる。
【００２４】表面層特性演算部６は、図４に示すように
演算回路６１とメモリ６２を有する。この例は、硬化層
の特性として硬化層の厚さを測定する例である。前記メ
モリ６２には、硬化層厚さと群遅延時間の関係があらか
じめ格納されている。この関係の一例として、発明者ら
が図１の装置構成の下に、受信器１と受信器２との距離
を約５７ｍｍとして行なった実験結果の例を図５に示
す。同図は、硬化層厚さと４．８ＭＨｚの表面波の群遅
延時間の関係を示しており、この図では硬化層厚さが厚
くなるほど群遅延時間が短くなっている。すなわち、群
速度は硬化層厚さが厚いほど速くなる傾向にあることが
わかる。このことから、厚さが既知の複数種類の試験片
を使用してこの関係を求め、校正曲線として用いること
で、逆に群遅延時間から硬化層厚さを求めることができ
る。なお、メモリ６２に記憶する硬化層厚さと群遅延時
間の関係は、複数周波数について記憶しておき、必要な
周波数の関係をメモリ６２から参照してもよい。このと
きの周波数は、硬化層の厚さと波長のオーダが一致する
程度の周波数とし、その周波数域の振幅が大きい探触子
を用いるのが望ましい。
演算回路６１とメモリ６２を有する。この例は、硬化層
の特性として硬化層の厚さを測定する例である。前記メ
モリ６２には、硬化層厚さと群遅延時間の関係があらか
じめ格納されている。この関係の一例として、発明者ら
が図１の装置構成の下に、受信器１と受信器２との距離
を約５７ｍｍとして行なった実験結果の例を図５に示
す。同図は、硬化層厚さと４．８ＭＨｚの表面波の群遅
延時間の関係を示しており、この図では硬化層厚さが厚
くなるほど群遅延時間が短くなっている。すなわち、群
速度は硬化層厚さが厚いほど速くなる傾向にあることが
わかる。このことから、厚さが既知の複数種類の試験片
を使用してこの関係を求め、校正曲線として用いること
で、逆に群遅延時間から硬化層厚さを求めることができ
る。なお、メモリ６２に記憶する硬化層厚さと群遅延時
間の関係は、複数周波数について記憶しておき、必要な
周波数の関係をメモリ６２から参照してもよい。このと
きの周波数は、硬化層の厚さと波長のオーダが一致する
程度の周波数とし、その周波数域の振幅が大きい探触子
を用いるのが望ましい。
【００２５】なお、メモリ６２に記憶するデータは、硬
化層厚さと母材に対する音速変化率の関係でもよい。ま
た、受信器を３個以上用意して、任意の２個の受信器で
受信した超音波の群遅延時間を求め、同様の処理を行な
ってもよい。
化層厚さと母材に対する音速変化率の関係でもよい。ま
た、受信器を３個以上用意して、任意の２個の受信器で
受信した超音波の群遅延時間を求め、同様の処理を行な
ってもよい。
【００２６】このように本実施形態では、式（３）から
算出する群遅延時間τU （ω）を表面層の特性に変換す
るので、クロススペクトルの位相θ（ω）に２ｎπの任
意性があっても算出可能であり、これによって前述の位
相遅延時間のように位相の２ｎπのｎの値を求める必要
や、位相遅延時間の計測条件、例えば、伝播経路長を正
確に測定する機能や、母材の状態と表面層が形成された
状態では受信波間の位相差に２ｎπ以内の差しか生じな
いとの計測条件などが不要となり、測定過程や装置構成
を簡略化することができる。
算出する群遅延時間τU （ω）を表面層の特性に変換す
るので、クロススペクトルの位相θ（ω）に２ｎπの任
意性があっても算出可能であり、これによって前述の位
相遅延時間のように位相の２ｎπのｎの値を求める必要
や、位相遅延時間の計測条件、例えば、伝播経路長を正
確に測定する機能や、母材の状態と表面層が形成された
状態では受信波間の位相差に２ｎπ以内の差しか生じな
いとの計測条件などが不要となり、測定過程や装置構成
を簡略化することができる。
【００２７】ここで、表面層特性演算部６の演算回路６
１の硬化層の特性（厚さ）を測定するときの具体的処理
内容について説明する。図６は表面層特性演算部６の処
理とデータの流れの関係を示すフローチャートである。
１の硬化層の特性（厚さ）を測定するときの具体的処理
内容について説明する。図６は表面層特性演算部６の処
理とデータの流れの関係を示すフローチャートである。
【００２８】この処理では、処理開始後、ステップ６１
１で群遅延時間演算部５から群遅延時間τU （ω）を読
み込み、さらに、メモリ（関係記憶部）６２から硬化層
の厚さと群遅延時間の関係を読み込んで、この関係から
群遅延時間を厚さに変換する。次いで、ステップ６１２
で群遅延時間τU （ω）から変換された硬化層の厚さを
出力部７に出力し、ステップ６１３で処理終了か否かの
問い合わせを行ない、終了でなければステップ６１１に
戻る。なお、ステップ６１１でメモリ（関係記憶部）６
２から読み込むデータは、硬化層の厚さと音速変化率の
関係でもよい。
１で群遅延時間演算部５から群遅延時間τU （ω）を読
み込み、さらに、メモリ（関係記憶部）６２から硬化層
の厚さと群遅延時間の関係を読み込んで、この関係から
群遅延時間を厚さに変換する。次いで、ステップ６１２
で群遅延時間τU （ω）から変換された硬化層の厚さを
出力部７に出力し、ステップ６１３で処理終了か否かの
問い合わせを行ない、終了でなければステップ６１１に
戻る。なお、ステップ６１１でメモリ（関係記憶部）６
２から読み込むデータは、硬化層の厚さと音速変化率の
関係でもよい。
【００２９】次に、硬化層の硬さが、連続的に母材の硬
さに近づく場合（実際、硬化層はこのような性質を示す
ことが多い）に有効な方法について説明する。
さに近づく場合（実際、硬化層はこのような性質を示す
ことが多い）に有効な方法について説明する。
【００３０】図４に示す表面層特性演算部６は、硬化層
の特性として硬化層の深さ方向分布を測定する場合に
は、次のように構成することができる。すなわち、メモ
リ６２には、図７に示すような硬さと群速度変化率の関
係を格納しておく。この関係は、硬さが既知な試験片等
を用いて予め測定しておく必要がある。また、演算回路
６１は、群速度変化率を硬さに変換する演算機能を有す
る。
の特性として硬化層の深さ方向分布を測定する場合に
は、次のように構成することができる。すなわち、メモ
リ６２には、図７に示すような硬さと群速度変化率の関
係を格納しておく。この関係は、硬さが既知な試験片等
を用いて予め測定しておく必要がある。また、演算回路
６１は、群速度変化率を硬さに変換する演算機能を有す
る。
【００３１】ここで、演算回路６１での具体的処理例に
ついて説明する。図８は、演算回路６１の処理とデータ
の流れを示すフローチャートである。処理開始後、ステ
ップ６１４で群遅延時間演算部５から、ｎ個の複数周波
数の群遅延時間τU （ωk ）（ｋ＝１〜ｎ）を読み込
む。ここで、被検体の表面近傍を計算のための擬似的な
層（以下、「計算層」と称する）に分割し、各層の群速
度を浅い方から順にＵ1からＵn とおく。ここで、計算
層は、硬化層の硬さが母材の硬さと同等となる深さまで
仮定する。表面波のエネルギー分布は、表面下一波長の
範囲内にエネルギーの９０％以上が分布し、そのエネル
ギー分布は指数関数的に変化することが理論的に知られ
ている（佐藤泰夫著 弾性波動論 ＰＡＧＡ８８）。こ
のため、ある波長の群速度Ｖ（ω）が、各計算層のエネ
ルギー分布Ｐk と群速度Ｕk から重み平均的に算出でき
ると仮定すれば、 Ｖ（ωk ）＝Σ（Ｐk Ｕk ） ・・・（４） （ただし、ΣＰk ＝１）が成立する。なお、エネルギー
分布の代わりに、音圧分布、変位分布等を用いてもよ
い。式（４）を全計算層に関して表現すると、 Ｖ＝ＰＵ ・・・（５） と表される。ここで、Ｖは角周波数ωk （ｋ＝１〜ｎ）
の群速度を表わすｎ×１行列、Ｕは計算層ｋ（（ｋ＝１
〜ｎ）の群速度を表わすｎ×１行列、Ｐは角周波数ωk
（ｋ＝１〜ｎ）のエネルギー分布を表わすｎ×ｎ行列で
ある。エネルギー分布Ｐは理論より既知であるので、角
周波数ωk （ｋ＝１〜ｎ）の群速度Ｖを測定すれば、計
算層の群速度Ｕは、 Ｕ＝Ｐ-1Ｖ ・・・（６） で求められる。
ついて説明する。図８は、演算回路６１の処理とデータ
の流れを示すフローチャートである。処理開始後、ステ
ップ６１４で群遅延時間演算部５から、ｎ個の複数周波
数の群遅延時間τU （ωk ）（ｋ＝１〜ｎ）を読み込
む。ここで、被検体の表面近傍を計算のための擬似的な
層（以下、「計算層」と称する）に分割し、各層の群速
度を浅い方から順にＵ1からＵn とおく。ここで、計算
層は、硬化層の硬さが母材の硬さと同等となる深さまで
仮定する。表面波のエネルギー分布は、表面下一波長の
範囲内にエネルギーの９０％以上が分布し、そのエネル
ギー分布は指数関数的に変化することが理論的に知られ
ている（佐藤泰夫著 弾性波動論 ＰＡＧＡ８８）。こ
のため、ある波長の群速度Ｖ（ω）が、各計算層のエネ
ルギー分布Ｐk と群速度Ｕk から重み平均的に算出でき
ると仮定すれば、 Ｖ（ωk ）＝Σ（Ｐk Ｕk ） ・・・（４） （ただし、ΣＰk ＝１）が成立する。なお、エネルギー
分布の代わりに、音圧分布、変位分布等を用いてもよ
い。式（４）を全計算層に関して表現すると、 Ｖ＝ＰＵ ・・・（５） と表される。ここで、Ｖは角周波数ωk （ｋ＝１〜ｎ）
の群速度を表わすｎ×１行列、Ｕは計算層ｋ（（ｋ＝１
〜ｎ）の群速度を表わすｎ×１行列、Ｐは角周波数ωk
（ｋ＝１〜ｎ）のエネルギー分布を表わすｎ×ｎ行列で
ある。エネルギー分布Ｐは理論より既知であるので、角
周波数ωk （ｋ＝１〜ｎ）の群速度Ｖを測定すれば、計
算層の群速度Ｕは、 Ｕ＝Ｐ-1Ｖ ・・・（６） で求められる。
【００３２】しかし、ここでは伝播距離Ｌが正確に測定
できていないために、各周波数の群速度Ｖは未知係数Ｌ
を含む。したがって、計算層の群速度Ｕも未知係数Ｌに
依存する。しかしながら、計算層のなかで最深の計算層
ｎは母材と同程度の群速度を示すと推定できるので、こ
こでの群速度Ｕｎを用いて未知係数Ｌによらない値とし
て群速度変化率を計算する。各計算層の群速度変化率
（％）は、 ｛（Ｕk −Ｕn ）／Ｕn ｝＊１００ ・・・（７） （ただし、ｋ＝１〜ｎ）で与えられる。
できていないために、各周波数の群速度Ｖは未知係数Ｌ
を含む。したがって、計算層の群速度Ｕも未知係数Ｌに
依存する。しかしながら、計算層のなかで最深の計算層
ｎは母材と同程度の群速度を示すと推定できるので、こ
こでの群速度Ｕｎを用いて未知係数Ｌによらない値とし
て群速度変化率を計算する。各計算層の群速度変化率
（％）は、 ｛（Ｕk −Ｕn ）／Ｕn ｝＊１００ ・・・（７） （ただし、ｋ＝１〜ｎ）で与えられる。
【００３３】以上の手続きにより、ステップ６１４では
深さ方向の群速度変化率分布を算出する。次に、ステッ
プ６１５で、メモリ（関係記憶部）６２から群速度変化
率と硬さの関係を読み込み、群速度変化率を硬さに変換
する。そして、ステップ６１６で出力部７に硬化層厚さ
を出力し、ステップ６１７で処理終了か否かの問い合わ
せを行ない、終了でなければステップ６１４に戻る。
深さ方向の群速度変化率分布を算出する。次に、ステッ
プ６１５で、メモリ（関係記憶部）６２から群速度変化
率と硬さの関係を読み込み、群速度変化率を硬さに変換
する。そして、ステップ６１６で出力部７に硬化層厚さ
を出力し、ステップ６１７で処理終了か否かの問い合わ
せを行ない、終了でなければステップ６１４に戻る。
【００３４】ここでは、硬さ分布を求めたが、ある硬さ
をしきい値として、そのしきい値硬さまでを硬化層と定
義すれば、ステップ６１５において、硬さ分布から硬化
層厚さを容易に求めることができる。
をしきい値として、そのしきい値硬さまでを硬化層と定
義すれば、ステップ６１５において、硬さ分布から硬化
層厚さを容易に求めることができる。
【００３５】このように本実施形態によれば、測定毎に
最深の計算層の群速度を基準（母材の群速度）として、
深さ方向の群速度変化率分布を求めるので、探触子を測
定毎に任意の距離に配置できる。したがって、被検体表
面の凹凸により、音響信号の被検体への入射点や出射点
の位置が不安定な場合や、伝播経路が曲面である場合に
おいても測定が可能になる。
最深の計算層の群速度を基準（母材の群速度）として、
深さ方向の群速度変化率分布を求めるので、探触子を測
定毎に任意の距離に配置できる。したがって、被検体表
面の凹凸により、音響信号の被検体への入射点や出射点
の位置が不安定な場合や、伝播経路が曲面である場合に
おいても測定が可能になる。
【００３６】なお、上記実施形態においては、表面層の
特性を表面層の厚さ、あるいは表面層の硬さ分布として
説明したが、原理的には群速度の変化率を指標として二
次的に特性を評価する方法なので、硬さの他にも密度、
弾性係数、残留応力など群速度変化率と相関がある特性
であれば、同様の方法および装置により、その特性を測
定可能である。
特性を表面層の厚さ、あるいは表面層の硬さ分布として
説明したが、原理的には群速度の変化率を指標として二
次的に特性を評価する方法なので、硬さの他にも密度、
弾性係数、残留応力など群速度変化率と相関がある特性
であれば、同様の方法および装置により、その特性を測
定可能である。
【００３７】次に、他の実施形態について説明する。こ
の実施形態は、被検体表面に能動的に表面波を発生させ
る必要がある場合の例であり、その概略構成を図９に示
す。
の実施形態は、被検体表面に能動的に表面波を発生させ
る必要がある場合の例であり、その概略構成を図９に示
す。
【００３８】同図において、層厚さ測定装置は、送受信
器１ａと、受信器２と、音響送受信部３ａと、デジタイ
ザ４と、群遅延時間演算部５と、表面層特性演算部６
と、出力部７とを備えている。この層厚さ測定装置で
は、超音波探傷器等で構成される音響送受信部３ａから
の送信パルスを受けて、送受信器１ａから超音波８ａが
送信される。超音波８ａは、鋼材１０との境界面で表面
波にモード変換し、モード変換した表面波はくさび１２
の端部で反射し、再びくさび内に屈折する超音波８ｂ
と、端部を通過して別の受信器２で受信される超音波９
とに分かれ、これらをそれぞれ受信して前述の実施形態
と同様の各部によって同様に処理される。
器１ａと、受信器２と、音響送受信部３ａと、デジタイ
ザ４と、群遅延時間演算部５と、表面層特性演算部６
と、出力部７とを備えている。この層厚さ測定装置で
は、超音波探傷器等で構成される音響送受信部３ａから
の送信パルスを受けて、送受信器１ａから超音波８ａが
送信される。超音波８ａは、鋼材１０との境界面で表面
波にモード変換し、モード変換した表面波はくさび１２
の端部で反射し、再びくさび内に屈折する超音波８ｂ
と、端部を通過して別の受信器２で受信される超音波９
とに分かれ、これらをそれぞれ受信して前述の実施形態
と同様の各部によって同様に処理される。
【００３９】このように構成すると、新たに音響送信器
を用意する必要がなくなるので、装置構成を簡単にする
ことができる。
を用意する必要がなくなるので、装置構成を簡単にする
ことができる。
【００４０】
【発明の効果】本発明によれば、位相遅延時間のように
位相の２ｎπのｎの値を求める方法、機能もしくは計測
条件が不要となるので、測定過程や装置構成を簡略化す
ることができる。
位相の２ｎπのｎの値を求める方法、機能もしくは計測
条件が不要となるので、測定過程や装置構成を簡略化す
ることができる。
【００４１】また本発明によれば、探触子を測定毎に任
意の距離に配置できる。したがって、被検体表面の凹凸
により、音響信号の被検体への入射点の出射点の位置が
不安定な場合や、伝播経路が曲面である場合においても
測定が可能になる。
意の距離に配置できる。したがって、被検体表面の凹凸
により、音響信号の被検体への入射点の出射点の位置が
不安定な場合や、伝播経路が曲面である場合においても
測定が可能になる。
【００４２】更に本発明によれば、被検体表面に能動的
に表面波を発生させる必要がある場合でも、新たに音響
送信器を用意する必要がなく、装置構成が簡単になる。
に表面波を発生させる必要がある場合でも、新たに音響
送信器を用意する必要がなく、装置構成が簡単になる。
【図１】本発明の実施形態に係る表面層特性の測定装置
の概略構成図である。
の概略構成図である。
【図２】図１における群遅延時間演算部の構成を示すブ
ロック図である。
ロック図である。
【図３】図１における群遅延時間演算部における群遅延
時間の計算過程を示す説明図である。
時間の計算過程を示す説明図である。
【図４】図１における表面層特性演算部の構成を示すブ
ロック図である。
ロック図である。
【図５】硬化層厚さに対する群遅延時間の変化を示す説
明図である。
明図である。
【図６】図４における表面層特性演算部の処理手順を示
すフローチャートである。
すフローチャートである。
【図７】硬さに対する群速度変化率の変化を示す説明図
である。
である。
【図８】図４における表面層特性演算部の他の処理手順
を示すフローチャートである。
を示すフローチャートである。
【図９】本発明の他の実施形態に係る表面層特性の測定
装置の概略構成図である。
装置の概略構成図である。
【図１０】位相遅延時間の２ｎπの任意性を示す説明図
である。
である。
１ 受信器 ２ 受信器 ３ 音響受信部 ４ デジタイザ ５ 群遅延時間演算部 ６ 表面層特性演算部 ７ 出力部 ８ 超音波 ９ 超音波 １０ 鋼材 １１ 硬化層 １２ 入力部 ６１ 演算回路 ６２ メモリ（関係記憶部）
Claims (12)
- 【請求項１】 被検体から受信した複数の音響信号か
ら、該被検体の表面層の特性を測定する表面層特性測定
方法において、 前記複数の音響信号の中の二つの音響信号間の任意の周
波数の群遅延時間を求め、あらかじめ求めておいた群遅
延時間と前記表面層特性との関係に基づいて、求められ
た前記二つの音響信号間の任意の周波数の群遅延時間を
表面層特性に変換し、被検体の表面層の特性を測定する
ことを特徴とする表面層特性の測定方法。 - 【請求項２】 前記あらかじめ求めておいた群遅延時間
と表面層特性との関係が、群遅延時間から表面層の特性
に変換する変換関数であることを特徴とする請求項１記
載の表面層特性の測定方法。 - 【請求項３】 前記表面層特性が硬化層厚さであること
を特徴とする請求項１または２記載の表面層特性の測定
方法。 - 【請求項４】 前記表面層特性が表面層の物性の深さ方
向分布であり、前記任意の周波数は複数の周波数であっ
て、前記変換関数が前記複数の周波数の群遅延時間と前
記物性の深さ方向分布とを深さ方向エネルギー分布によ
って関連づける変換関数であることを特徴とする請求項
２記載の表面層特性測定方法。 - 【請求項５】 前記表面層特性が表面層の物性の深さ方
向分布であり、前記任意の周波数は複数の周波数であっ
て、前記変換関数が前記複数の周波数の群遅延時間と前
記物性の深さ方向分布とを深さ方向音圧分布によって関
連づける変換関数であることを特徴とする請求項２記載
の表面層特性測定方法。 - 【請求項６】 前記表面層特性が表面層の物性の深さ方
向分布であり、前記任意の周波数は複数の周波数であっ
て、前記変換関数が前記複数の周波数の群遅延時間と前
記物性の深さ方向分布とを深さ方向変位分布によって関
連づける変換関数であることを特徴とする請求項２記載
の表面層特性測定方法。 - 【請求項７】 前記表面層特性が表面層の硬さ分布であ
ることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に
記載の表面層特性測定方法。 - 【請求項８】 被検体から受信した複数の音響信号か
ら、該被検体の表面層の特性を測定する表面層特性測定
装置において、 前記被検体表面を伝播する音響信号を受信する音響受信
手段と、 この音響受信手段で受信した複数の音響信号のうち異な
る位置で受信した任意の二つの音響信号間の群遅延時間
を算出する群遅延時間演算手段と、 この群遅延時間演算手段で演算した群遅延時間を該被検
体の表面層特性に変換する表面層特性変換手段と、を備
えていることを特徴とする表面層特性測定装置。 - 【請求項９】 前記音響受信手段が、音響信号を送信す
る手段を含んでなることを特徴とする特徴とする請求項
８記載の表面層特性測定装置。 - 【請求項１０】 前記表面層特性変換手段が、硬化層厚
さと群遅延時間との関係が格納されたメモリと、このメ
モリに記憶された前記関係に基づいて前記群遅延時間か
ら硬化層厚さを演算する演算回路とを含んでなることを
特徴とする請求項８記載の表面層特性測定装置。 - 【請求項１１】 前記表面層特性変換手段が、硬化層厚
さと母材に対する音速変化率の関係が格納されたメモリ
と、このメモリに記憶された前記関係に基づいて前記群
遅延時間から硬化層厚さを演算する演算回路とを含んで
なることを特徴とする請求項８記載の表面層特性測定装
置。 - 【請求項１２】 前記表面層特性変換手段が、被検体の
硬さと群速度変化率の関係が格納されたメモリと、この
メモリに記憶された前記関係に基づいて前記群速度変化
率から被検体表面の硬さ分布を演算する演算回路とを含
んでなることを特徴とする請求項８記載の表面層特性測
定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8007501A JPH09196900A (ja) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | 表面層特性の測定方法および装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8007501A JPH09196900A (ja) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | 表面層特性の測定方法および装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09196900A true JPH09196900A (ja) | 1997-07-31 |
Family
ID=11667537
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8007501A Pending JPH09196900A (ja) | 1996-01-19 | 1996-01-19 | 表面層特性の測定方法および装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09196900A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004084187A1 (ja) * | 2003-03-17 | 2004-09-30 | Nagoya Industrial Science Research Institute | 対象音検出方法、信号入力遅延時間検出方法及び音信号処理装置 |
| JP2006322902A (ja) * | 2005-05-20 | 2006-11-30 | Mitsubishi Chemicals Corp | 筒状体内面付着層の厚さ測定方法 |
| JP2008111846A (ja) * | 2007-12-10 | 2008-05-15 | Toshiba Corp | コーティング材の劣化判定装置 |
| CN101936768A (zh) * | 2010-07-05 | 2011-01-05 | 俞富林 | 超声波传感器延时测量仪 |
| JP2011002470A (ja) * | 2010-10-04 | 2011-01-06 | Mitsubishi Chemicals Corp | 筒状体内面付着層の厚さ測定方法 |
| JP2020112431A (ja) * | 2019-01-11 | 2020-07-27 | 富士電機株式会社 | 樹脂材の劣化評価方法及び劣化評価装置 |
-
1996
- 1996-01-19 JP JP8007501A patent/JPH09196900A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004084187A1 (ja) * | 2003-03-17 | 2004-09-30 | Nagoya Industrial Science Research Institute | 対象音検出方法、信号入力遅延時間検出方法及び音信号処理装置 |
| JP2006322902A (ja) * | 2005-05-20 | 2006-11-30 | Mitsubishi Chemicals Corp | 筒状体内面付着層の厚さ測定方法 |
| JP2008111846A (ja) * | 2007-12-10 | 2008-05-15 | Toshiba Corp | コーティング材の劣化判定装置 |
| JP4602394B2 (ja) * | 2007-12-10 | 2010-12-22 | 株式会社東芝 | コーティング材の劣化判定装置 |
| CN101936768A (zh) * | 2010-07-05 | 2011-01-05 | 俞富林 | 超声波传感器延时测量仪 |
| JP2011002470A (ja) * | 2010-10-04 | 2011-01-06 | Mitsubishi Chemicals Corp | 筒状体内面付着層の厚さ測定方法 |
| JP2020112431A (ja) * | 2019-01-11 | 2020-07-27 | 富士電機株式会社 | 樹脂材の劣化評価方法及び劣化評価装置 |
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