JPH09218184A - 表面波，クリ−ピング波および横波の速度測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試験片表面近傍を伝播する、表面波，クリー
ピング波および横波の速度を同時に測定する。 【解決手段】 円筒状あるいは球面状凹面に圧電素子を
直接装着した収束超音波トランスジューサー１３を用い
て、Ｘ−Ｙ面内に表面を有する試験片１０の内部に焦点
を定めて入射し、鏡面反射波およびモード変換によって
励起された被測定物表面近傍を伝播する弾性表面波，ク
リーピング波および横波をトランスジューサー１３で受
信し、高速でＡ／Ｄ変換し、それをコンピュータの記憶
装置に多数回同期加算してメモリし、鏡面反射波に対す
る、表面波，クリーピング波および横波の相互相関関数
あるいは位相スペクトルにより伝播時間差Δｔ_R，Δ
ｔ_L，Δｔ_Tを求め、表面波，クリーピング波および横波
の速度Ｖ_R，Ｖ_L，Ｖ_Tを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、収束超音波トラン
スジューサーを用いて、物体の密度ρ，縦弾性係数E，
ポアッソン比ν,異方性，応力，表面あらさなどに依存
する、固体表面近傍を伝播する表面波，クリーピング波
および横波の速度を測定する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】音響レンズを装着した超音波トランスジ
ューサーからバースト波を被測定物表面に入射し、鏡面
反射波と表面波の干渉を用いて表面波速度を測定する超
音波顕微鏡のＶ（Ｚ）曲線を利用する方法がある（A.Br
iggs,Acoustic Microscopy,Oxford University Press,1
992）。

【０００３】この方法は、通常100MHz以上の高周波を用
いるため、表面波速度3000m/sの金属材料では、表面波
の浸透深さは30ミクロン以下となり、被測定物の極く表
層の音速しか測定できない。

【０００４】超音波顕微鏡で用いる周波数より低い数十
ＭＨｚのパルス波を用いて、前記より深い浸透深さにお
ける音速を測定するため、特開平２−３４５４号公報お
よび特開平４−２９９７６号公報には、音響レンズを装
着した超音波トランスジューサーからインパルス波を被
測定物表面に入射し、鏡面反射波と被測定物表面を伝播
してトランスジューサーに受信される波の振幅を時間に
対して表示し、それら２つの波形の時間間隔を測定し、
幾何音響学を用いて伝播距離を算出し表面波速度を測定
する方法が提示されている。

【０００５】図３に示すように、収束超音波トランスジ
ューサー１３から放射された超音波ビームは、超音波伝
播媒体（例えば水）を介して被測定物（試験片）１０の
表面に達する。これらのビームのうち、同図に示すよう
に、経路＃Ａ（Ｅ０'Ｅ）の鏡面反射波、ならびに、ク
リ−ピング波，横波および表面波の、臨界角に対応する
経路＃Ｂ（ＡＢＣＤ），経路＃Ｂ’（Ａ’Ｂ’Ｃ’
Ｄ’）および＃Ｂ”（Ａ”Ｂ”Ｃ”Ｄ”）を伝播した各
波が大きい強度を持ち、超音波トランスジューサー１３
で受信される。試験片１０の表面から超音波トランスジ
ューサー１３の焦点までの距離すなわちデフォーカス距
離ｚにおける、鏡面反射波に対する上記各波の到達時間
差（受信遅れ時間）Δｔ_iは、次式で表される。

【０００６】

【数１】

【０００７】到達時間差Δｔ_iが得られれば、(2)式に従
って、音速Ｖ_iを算出することができる。ここで、クリ
−ピング波の音速Ｖ_iをＶ_Lと表わし、すなわちクリ−ピ
ング波に識別記号Ｌを与え（ｉ＝Ｌ）、横波の音速Ｖ_i
をＶ_Tと表わし、すなわち横波に識別記号Ｔを与え（ｉ
＝Ｔ）、しかも表面波の音速Ｖ_iをＶ_Rと表わすと、すな
わち表面波に識別記号Ｒを与える（ｉ＝Ｒ）と、 Ｖ_L＝√｛E(１−ν)／(ρ(１＋ν)(１−２ν))} ・・・(3) Ｖ_T＝√｛E／(２ρ(１＋ν))} ・・・(4) 4√〔1−(Ｖ_R／Ｖ_L)²〕√〔1−(Ｖ_R／Ｖ_T)²〕−〔2−(Ｖ_R／Ｖ_T)²〕² ＝i(ρ_W／ρ)(Ｖ_R／Ｖ_T)⁴√〔{1−(Ｖ_R／Ｖ_L)²}／{(Ｖ_R／Ｖ_W)²−1}・・・ (5) ρ：密度 ρ_W：音響伝達媒体（通常は水）の密度 Ｖ_W：音響伝達媒体（通常は水）中の音速 ｉ：虚数単位 なる関係がある。表面波の音速Ｖ_Rに加えて、横波の音
速Ｖ_Tおよびクリ−ピング波の音速Ｖ_Lを計測することに
より、(5)式，(4)式および(3)式に基づいて、試験片１
０の、密度ρ，縦弾性係数Eおよびポアッソン比νを算
出することができる。

【０００８】図３に示す鏡面反射波（Ｅ０'Ｅ）に対す
るクリ−ピング波（ＡＢＣＤ），横波（Ａ’Ｂ’Ｃ’
Ｄ’）あるいは表面波（Ａ”Ｂ”Ｃ”Ｄ”）の到達時間
差Δｔ_iは、発射超音波の周波数におけるそれぞれの位
相を用いて、次式で表される： Δｔ_i（ｆ）＝｛φ_2i（ｆ）−φ₁（ｆ）｝／（２πｆ） ・・・(6) φ₁：鏡面反射波の位相 φ_2i：クリ−ピング波，横波あるいは表面波の位相。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】平面状圧電素子を音響
レンズの平面部に装着する従来方法では、音響レンズの
構造に起因する複雑な反射波（ノイズ）が圧電素子で受
信されるため、すなわちノイズが鏡面反射波と被測定物
表面を伝播してトランスジューサーに受信される波形に
重畳するので、到達時間差Δｔ_iを正確に測定できな
い。このため、特開平２−３４５４号公報の実施例の音
速測定誤差は数パーセント台と比較的に大きいと推察す
る。またそこで測定できるのは表面波（Ａ”Ｂ”Ｃ”
Ｄ”）に限定される。表面波の到達時間差Δｔ_i(すなわ
ちΔｔ_R)だけから、(3)式および(4)式(クリ−ピング波
の速度Ｖ_Lおよび横波の速度Ｖ_T）をも必要とする縦弾性
係数Eおよび密度ρを得ることはできない。

【００１０】従来のクリ−ピング波および横波の速度測
定法は、平行２平面を有する板状あるいは直方体試験体
を製作し、クリ−ピング波あるいは横波検出用の別個の
超音波トランスジューサーを用い、それらをクリ−ピン
グ波用あるいは横波用音響結合剤を介して試験体表面に
装着して、平行２平面間を伝播する超音波伝播時間を計
測するものである。

【００１１】上記のように、従来の音速測定法は、クリ
−ピング波，横波あるいは表面波に対して別個の超音波
トランスジューサーを必要とし、時間的にも空間的にも
別個の計測を必要とするため、測定されたそれら音速値
が測定環境の影響を受け、測定誤差が大きくなってしま
うという問題点を有する。

【００１２】本発明は、被測定物の一平面に関する一度
の測定により、表面波，クリーピング波および横波速度
を同時に測定すること、ならびに表面波の測定精度を0.
01パーセント台まで高めることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明では、円筒状ある
いは球面状の凹面に圧電素子を装着した収束超音波トラ
ンスジューサーの焦点を、Ｘ−Ｙ面内に表面を有する被
測定物の内部に定め、Ｘ，Ｙに垂直なＺ方向に該超音波
トランスジューサーから超音波伝播媒体を介して超音波
インパルスを被測定物に複数回繰返して入射し、被測定
物における鏡面反射波およびモード変換によって励起さ
れた被測定物表面近傍を伝播する表面波，クリーピング
波および横波を超音波伝播媒体を介して該超音波トラン
スジューサーで受信してＡ／Ｄ変換して前記複数回分累
算してメモリに記憶することにより、メモリ上に複数回
分同期加算した、時間軸上に分布する受信波形デ−タを
得て、この受信波形デ−タを処理して表面波，クリ−ピ
ング波および横波の速度を算出する。

【００１４】円筒状あるいは球面状凹面に圧電素子を直
接装着した収束超音波トランスジューサーを用いるの
で、従来の音響レンズの構造に起因するノイズが低減
し、したがってクリーピング波，横波および表面波の識
別精度が向上する。加えて、超音波インパルスを被測定
物に複数回繰返して入射し、受信信号をＡ／Ｄ変換して
前記複数回分累算してメモリ上に複数回分同期加算した
受信波形デ−タを得るので、この受信波形デ−タにおい
て、クリーピング波，横波および表面波のレベルは複数
回の累算により高レベルのもの（強調されたもの）とな
る。これに対してランダムノイズは、複数回の累算によ
り同期加算になることがないので、レベル上昇は実質上
なく、クリーピング波，横波および表面波の識別精度が
更に向上する。これにより信号強度の弱い、クリーピン
グ波および横波を検出することが可能となる。さらに、
メモリ上の受信波形デ−タについて、相互相関関数ある
いは位相スペクトルを算出することにより、音速の測定
誤差を0.01パーセント台まで高めることが可能となる。

【００１５】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００１６】

【発明の実施の形態】

【００１７】

【実施例】図１に、本発明を一態様で実施する装置構成
の概要を示す。下端が開いた測定ヘッド１１の内部に装
備された支持体１２には、図３に示すように球面状凹面
（円筒状凹面でもよい）があり、該凹面に圧電素子でな
る集束超音波トランスジューサー１３が接合されてい
る。図１に示すように、測定ヘッド１１は支持脚を介し
てスイベルテ−ブル１で支持されている。スイベルテ−
ブル１は、ステッピングモ−タ２を主体とする第１回転
機構により、垂直軸Ｚに直交する水平第１軸を中心に回
転駆動され、更にもう１つのステッピングモ−タ３を主
体とする第２回転機構により、垂直軸Ｚおよび第１軸に
直交する水平第２軸を中心に回転駆動される。これらの
回転機構はア−ム４で支持され、ア−ム４は、ステッピ
ングモ−タ６を主体とする昇降機構により垂直方向Ｚで
上下駆動される。

【００１８】試験片１０の表面に対する収束超音波トラ
ンスジューサー１３の真直度により鏡面反射波をはじめ
として、クリ−ピング波，横波および表面波の受信レベ
ルがかわる。図６に、鏡面反射波の受信レベルを示す。
トランスジューサー１３の中心線が試験片１０の表面に
直交するとき（図６の横軸の０の位置）、受信レベルが
最高となる。スイベルテ−ブル１は、トランスジューサ
ー１３をその中心線が試験片１０の表面に垂直な線に対
して０．０２度以内の角度に調整できる。昇降機構によ
る、試験片１０に対するトランスジューサー１３の、Ｚ
軸方向の繰り返し位置決め精度は０．５ミクロン以下で
ある。収束超音波トランスジューサー１３の近傍に、音
響伝達媒体（通常は水）の温度を検出する温度センサ５
が配置され、測定ヘッド１１で支持されている。図６中
のＳ１は、試験片の第１回反射波（１次反射波）の受信
レベルを正規化して示し、Ｓ２は、試験片の第１回反射
波がトランジジューサーで反射されてもう１回の反射を
した、第２回反射波（２次反射波）の受信レベルを正規
化して示し、同様に、Ｓ３およびＳ４は第３回反射波
（３次反射波）および第４回（４次反射波）の受信レベ
ルを正規化して示す。再度図１を参照する。図示しない
測定スタンドのべ−スには、水槽が置かれ、水槽の底面
に試験片１０が固定され、水槽に水が入れられる。超音
波トランスジューサー１３は超音波送受信器１５に接続
されており、超音波送受信器１５は、コンピュ−タ３０
がＡ／Ｄ変換ボ−ド１６を介して与える測定指令（パル
ス）に応答して、１回の測定指令（１パルス）が到来す
る毎に、超音波トランスジューサー１３を中心周波数２
８ＭＨｚで、所定短時間の間励振する。これにより超音
波パルスが超音波トランスジューサー１３の全面から焦
点に向けて発射される。超音波送受信器１５は超音波を
発射した後超音波トランスジューサー１３の反射波受信
信号（Ｕｔ）を発生し、Ａ／Ｄ変換ボ−ド１６に与え
る。

【００１９】図２にＡ／Ｄ変換ボ−ド１６の構成の概要
を示す。この実施例では、鏡面反射波から表面波までの
これらを含む時間区間を高密度（短ピッチ）で、超音波
送受信器１５の受信信号をサンプリングしＡ／Ｄ変換す
るために、Ａ／Ｄ変換ボ−ドには、複数個ｎのサンプル
ホ−ルド回路およびＡ／Ｄコンバ−タ，Ａ／Ｄ変換した
デジタルデ−タを一時記憶するメモリ、ならびに、コン
トロ−ラが備わっている。該コントロ−ラは、コンピュ
−タ３０が測定指令（パルス）を１パルス発生する毎
に、該パルスから所定時間遅れの後に、サンプルホ−ル
ド回路およびＡ／Ｄコンバ−タのそれぞれに順次にかつ
繰返してＡ／Ｄ変換を指令して変換デ−タをメモリに書
込み、これを開始してから所定時間後にこれを停止して
コンピュ−タ３０にレディ（デ−タ読込み完了）を報知
し、コンピュ−タ３０からの転送指令に応答してメモリ
にセ−ブしたデ−タをコンピュ−タ３０に転送する。

【００２０】コントロ−ラが複数個ｎのサンプルホ−ル
ド回路およびＡ／Ｄコンバ−タに順次に、ｄｔ間隔でＡ
／Ｄ変換指令を１回与えることにより、ｄｔ×ｎの間
の、ｎ個の受信レベルデ−タがメモリに記憶され、これ
をｍ回繰返すことにより、メモリに、ｄｔ×ｎ×ｍの間
のｎ×ｍ個の受信レベルデ−タが記憶される。ｄｔ×ｎ
×ｍは、鏡面反射波から表面波までのこれらを含む時間
区間よりも少し長い時間である。このｎ×ｍ個の受信デ
−タがコンピュ−タ３０に転送される。

【００２１】測定ヘッド１１の下端には、支持体１２と
並べて、その下端の超音波トランスジューサー１３が水
中に浸っているとき水に浸って水の温度を検出する温度
センサ２３が固着されている。温度センサ２３に接続さ
れた温度計回路２４が、センサ２３の検出温度を表わす
温度信号（アナログ）を発生し、Ａ／Ｄコンバ−タ２５
が、温度信号をデジタルデ−タに変換してコンピュ−タ
３０に与える。

【００２２】コンピュ−タ３０はこの実施例では、いわ
ゆるパ−ソナルコンピュ−タであり、各種内蔵メモリの
外に、フロッピ−ディスク装置も備える。３１はコンピ
ュ−タ３０に接続された入力ボ−ド（キ−ボ−ド），３
２はコンピュ−タ３０に接続された２次元ディスプレ
イ、３３はコンピュ−タ３０に接続されたプリンタであ
る。 もう１つのパ−ソナルコンピュ−タ２０は測定ヘ
ッド１１の駆動用のものであり、オペレ−タ入力用のキ
−ボ−ド２１が接続されており、また、コンピュ−タ３
０と通信インタ−フェイスを介して接続されている。

【００２３】この実施例では、コンピュ−タ３０に、物
性測定のためのプログラム群が格納され、コンピュ−タ
２０に測定ヘッド駆動プログラムが格納されている。物
性測定のためのプログラム群の中の初期メニュ−プログ
ラムの実行により、コンピュ−タ３０は、２次元ディス
プレイ３２に、プログラム選択画面（メニュ−画面）を
表示する。その中の項目には、「センサ垂直度の設定」
１００，「波形取込み」２００，「音速計算」３００お
よび「ρ，E，νの算出」４００がある。オペレ−タ
は、このメニュ−画面上で、上述のプログラムを順次選
択指定する。その順番を図４に示す。これにより、表面
波速度Ｖ_R，クリ−ピング波速度Ｖ_Lおよび横波速度
Ｖ_T、ならびに、試験片１０の密度ρ，縦弾性係数Eおよ
びポアッソン比νの各デ−タを得ることができる。

【００２４】１．「センサの垂直度設定」（１００）：
オペレ−タが、入力ボ−ド３１のキ−を操作して「セン
サの垂直度設定」を選択し実行を指示すると、コンピュ
−タ３０は、「センサの垂直度設定」プログラムを実行
する。この内容を図５に示す。これにおいてコンピュ−
タ３０はまず、コンピュ−タ２０に、基点設定を指示
し、位置デ−タ（Ｚ位置，スイベルテ−ブルの傾斜角Ｓ
ax，Ｓay）を初期化する。すなわち位置デ−タレジスタ
（コンピュ−タ３０の内部メモリに割り宛て）を初期化
する。コンピュ−タ２０は、基点設定指令に応答して、
モ−タドライバ１７〜１９を介してステッピングモ−タ
２，３，６を駆動して、測定ヘッド１１を基点位置（ホ
−ムポジション＆基準姿勢）に駆動する（図５のステッ
プ１）。以下、カッコ内においては、「ステップ」とい
う語を省略して、ステップＮｏ．記号のみを記す。

【００２５】次にコンピュ−タ３０は、スキャンプログ
ラムに従って、コンピュ−タ２０にスイベルテ−ブルの
２軸方向（モ−タ２，３）のそれぞれにつき所定量の駆
動を指示し、駆動完了毎に測定指令（１パルス）を超音
波送受信器１５に与えて、受信デ−タ（ｍ×ｎ）個をＡ
／Ｄ変換ボ−ド１６より得て、その中の最大値を探索
し、スイベルテ−ブル１の２軸方向の位置（傾きＳax，
Ｓay）対応でピ−ク値（鏡面反射波レベル）をセ−ブ
し、その時点まで得ている最大値と比較して、今回得た
値が大きいと、最大値およびその位置（Ｓax，Ｓay）を
今回得た値に更新する。このようにして、受信レベルが
最高となる位置（Ｓmax，Ｓmay）を探索する（図５の
２，３）。これを終えると、スイベルテ−ブル１の２軸
方向の位置（Ｓax，Ｓay）を受信レベルが最高の位置
（Ｓmax，Ｓmay）に設定する（４）。これにより、超音
波トランスジューサー１３は、図６に示すグラフ（曲
線）のピ−ク位置に相当する姿勢に定められたことにな
る。

【００２６】２．「波形取込み」（２００）：次にオペ
レ−タが、入力ボ−ド３１のキ−を操作して「波形取込
み」を選択し実行を指示すると、コンピュ−タ３０は、
「波形取込み」プログラムを実行する。これにより実現
するコンピュ−タ３０の処理内容を図７に示す。これに
おいてコンピュ−タ３０はまず、超音波発射のＺ方向
の、初期位置，位置点数，位置変更ピッチおよび変更方
向（上方／下方）ならびに累算回数Ｎの入力をうながす
画面をディスプレイ３２に表示する。オペレ−タはこれ
らを入力する（図７の１０，１１）。例えば、初期位置
を現位置，位置点数を４、変更ピッチを０．５ｍｍ、変
更方向を下方と入力し、Ｎ＝４を入力する。これはＺ方
向で現位置，その下方０．５ｍｍの位置，更にその下方
０．５ｍｍの位置および更にその下方０．５ｍｍの位
置、の０．５ｍｍピッチの４点で波形計測を行ない、各
点の波形計測でＮ＝４回の超音波発射を行なうことを意
味する。

【００２７】オペレ−タが「実行」を入力するとコンピ
ュ−タ３０は、超音波発射回数レジスタＣにＮを書込み
（１２）、測定指令（１パルス）をＡ／Ｄ変換ボ−ド１
６を介して超音波送受信器１５に与える（１３）。この
パルスに応答して超音波送受信器１５が超音波トランス
デューサー１３を所定時間中心周波数２８ＭＨｚで励振
駆動し、この駆動直後から受信信号をＡ／Ｄ変換ボ−ド
１６に与える。Ａ／Ｄ変換ボ−ド１６は、測定指令（１
パルス）から所定時間経過後に、ｄｔ間隔で受信信号の
Ａ／Ｄ変換を行ない、メモリに、ｄｔ×ｎ×ｍの間のｎ
×ｍ個の受信レベルデ−タを記憶する。これを終了する
とコンピュ−タ３０にレディを報知する。コンピュ−タ
３０はこのレディに応答してＡ／Ｄ変換ボ−ド１６にデ
−タ転送を指令してメモリのｎ×ｍ個の受信レベルデ−
タを読込み（１４）、それをコンピュ−タ３０のメモリ
に加算する（１５）。また、Ａ／Ｄコンバ−タ２５に変
換指令を与えて、温度センサ５の温度信号をデジタル変
換して読込む（１４）。

【００２８】次にコンピュ−タ３０は、レジスタＣの値
を１デクレメントして、それが０以下になった（Ｎ回の
超音波発射を完了した）かをチェックして（１７）、１
以上であると、また測定指令（１パルス）をＡ／Ｄ変換
ボ−ド１６を介して超音波送受信器１５に与えて、受信
レベルデ−タを読込み、また、Ａ／Ｄコンバ−タ２５に
変換指令を与えて、温度センサ５の温度信号をデジタル
変換して読込む（１４）。

【００２９】レジスタＣの値が０以下（Ｎ回の超音波発
射が完了）になると、読込んだＮグル−プの受信レベル
デ−タ（各グル−プはｎ×ｍ個のデ−タ）を、同一タイ
ミング（ｄｔ単位）のものＮ個を加算した、ｎ×ｍ個の
累算デ−タが得られている。これをテ−ブルｊ（の中の
１つ）に、Ｚ位置（この時点では第１位置）を付して格
納する（１８）。

【００３０】そして実行ポイント数を１インクレメント
して、それがオペレ−タが入力した位置点数（設定点
数）となったかをチェックして（１９）、設定点数に達
していないと、オペレ−タが入力した変更ピッチ分の、
オペレ−タが入力した方向のＺ駆動を行なう（２０）。

【００３１】以上により、コンピュ−タ３０のテ−ブル
ｊ（メモリ）には、１グル−プがｎ×ｍ個の累算デ−タ
である、設定点数と等しいグル−プ数の累算デ−タが、
Ｚ位置（第１位置，第２位置，・・）を付して格納され
る。

【００３２】３．「音速計算」（３００）：オペレ−タ
が、入力ボ−ド３１のキ−を操作して「音速計算」を選
択し実行を指示すると、コンピュ−タ３０は、「音速計
算」プログラムを実行する。これにより実現するコンピ
ュ−タ３０の処理内容を図８に示す。これにおいてコン
ピュ−タ３０はまず、累算デ−タグル−プの指定数を表
わすレジスタｋをクリアし（２０）、テ−ブルｊの各グ
ル−プの累算デ−タをグラフ形式（例えば図９，１０の
（ａ）〜（ｄ））でディスプレイ３２に表示し、かつ、
累算デ−タグル−プの指定をうながす入力催告を表示す
る。

【００３３】オペレ−タはここで、クリ−ピング波およ
び横波が明瞭に識別できる累算デ−タグル−プ（(2)式
のｍiを算出するために最低２グル−プ必要）を選別
し、まず、クリ−ピング波および横波が、最も明瞭に識
別できる１グル−プ（例えば図１０の（ｄ））を指定す
る（２１）。コンピュ−タ３０はこの指定をセ−ブして
（２２）、まず「Δｔ_Rの算出」ＲＴＡを実行し、次に
「Δｔ_Lの算出」ＬＴＡを、その次に「Δｔ_Tの算出」Ｔ
ＴＡを実行する。

【００３４】「Δｔ_Rの算出」ＲＴＡにおいてコンピュ
−タ３０はまず、鏡面反射波および表面波の切出しをう
ながす入力催告を表示する。オペレ−タは指定したグル
−プの累算デ−タ（グラフ上の曲線）の鏡面反射波の領
域と表面波の領域を画面上で指定し、そして算出モ−ド
を指定する。コンピュ−タ３０は、これらの指定領域お
よび算出モ−ドをセ−ブする（２３，２４）。次に、指
定があった算出モ−ドで、鏡面反射波に対する表面波の
遅れ時間Δｔ_Rを算出する（２６，２７／２８，２
９）。算出モ−ドは「位相速度モ−ド」と「群速度モ−
ド」である。

【００３５】「位相速度モ−ド」が指定されていた場合
にはコンピュ−タ３０は、鏡面反射波および表面波（の
累算デ−タ）のそれぞれにつき、高速フ−リエ変換（Ｆ
ＦＴ）により、累算デ−タが表わす波形（横軸がｚ、縦
軸が反射超音波受信レベル）の周波数成分（横軸を時間
軸と見なしたもの）と各周波数成分のレベル（パワ−）
を解析する。すなわち、累算デ−タが表わす波形の各周
波数成分の実数部デ−タおよび虚数部デ−タを算出し
て、実数部デ−タおよび虚数部デ−タより各周波数成分
のレベル（パワ−）及び位相を算出し、横軸に周波数成
分の周期（又は周波数）を、縦軸にレベルを表わすとパ
ワ−スペクトルを得る（２６）。コンピュ−タ３０は次
に、鏡面反射波および表面波のピ−ク点間距離（伝播時
間差）Δｔ_Rを算出する（２７）。

【００３６】「群速度モ−ド」が指定されていた場合に
はコンピュ−タ３０は、鏡面反射波と表面波（の累算デ
−タ）の間の相互相関関数値を算出してそれが最大値又
は最小値になる両波間の位相ずれΔｔ_R（伝播時間差）
を算出する。すなわち、鏡面反射波と表面波の間に位相
ずれΔｔを仮定して両波間の同一時刻のレベル差を算出
して各時刻のレベル差の２乗和を得る計算を、Δｔを順
次ずらして同様に行ない、２乗和が最小の位相ずれΔｔ
を位相ずれΔｔ_Rとして得る（２８，２９）。なお、同
一時刻のレベル和を算出して各時刻のレベル和の２乗和
を算出し、それが最大の位相ずれΔｔを位相ずれΔｔ_R
として得るようにしてもよい。

【００３７】「Δｔ_Lの算出」ＬＴＡおよび「Δｔ_Tの算
出」ＴＴＡの内容は、上述の「Δｔ_Rの算出」ＲＴＡの
内容と同様である。ただし、「Δｔ_Lの算出」ＬＴＡに
おいては、上述の「表面波」を「クリ−ピング波」と読
み替え、「Δｔ_R」を「Δｔ_L」と読み替える。「Δｔ_T
の算出」ＴＴＡにおいては、「表面波」を「横波」と読
み替え、「Δｔ_R」を「Δｔ_T」と読み替える。

【００３８】上述の「Δｔ_Rの算出」ＲＴＡ，「Δｔ_Lの
算出」ＬＴＡおよび「Δｔ_Tの算出」ＴＴＡを終了する
とコンピュ−タ３０は、これらの算出を２回（２グル−
プの累算デ−タのそれぞれに対して）実行したかをチェ
ックし（３０）、２回になっていなければ、また累算デ
−タ（グル−プ）の指定（２１）に戻り、もう１回、別
グル−プの累算デ−タの指定と、指定グル−プ内の表面
波の伝播時間差Δｔ_R，クリ−ピング波の伝播時間差Δ
ｔ_Lおよび横波の伝播時間差Δｔ_Tの算出を行なう（２１
〜３０）。なお、ここではオペレ−タは、クリ−ピング
波および横波が、次に明瞭に識別できる１グル−プ（例
えば図１０の（ｃ））を指定する（２１）。以上によ
り、例えば、図１０の（ｄ）および（ｃ）に示す２グル
−プの波形の、表面波の伝播時間差Δｔ_R，クリ−ピン
グ波の伝播時間差Δｔ_Lおよび横波の伝播時間差Δｔ_Tが
算出されたことになる。各波の伝播時間差Δｔ_R，Δｔ_L
およびΔｔ_Tは、それぞれ２種（図１０の（ｄ）のもの
および（ｃ）のもの）であり、種間のＺ位置ずれ量Ｚp
は、指定した２グル−プのＺ位置の差で得られ、 ｍ_i＝２種のΔｔ_iの差／Ｚp、すなわち、 ｍ_R＝２種のΔｔ_Rの差／Ｚp， ｍ_L＝２種のΔｔ_Lの差／Ｚp、および、 ｍ_T＝２種のΔｔ_Tの差／Ｚp なる演算で、(2)式中のｍ_i（ｍ_R，ｍ_L，ｍ_T）を得るこ
とができる。なお、この算出は、(1)式に基づいてｍiを
算出することと同義である。

【００３９】コンピュ−タ３０は次に、ステップ１４で
読込んだ温度デ−タの平均値Ｔ_Wを算出し、水温Ｔ_Wにお
ける水中の縦波速度Ｖ_Wを、次のように算出する： Ｖ_W＝−0.04184Ｔ_W ²＋4.821669Ｔ_W＋1402.669 （ｍ／sec）・・・(7) なお、この(7)式は、実験式(測定デ−タに基づいて定め
たもの)である。次に、上述のｍ_R，ｍ_Lおよびｍ_Tを算出
して、(2)式に基づいて、表面波速度Ｖ_R，クリ−ピング
波速度Ｖ_Lおよび横波速度Ｖ_Tを算出する（ＲＶＡ，ＬＶ
Ａ，ＴＶＡ）。ここでコンピュ−タ３０は、各グル−プ
の累算デ−タ（波形），水温デ−タＴ_W，各グル−プ
の、表面波の伝播時間差Δｔ_R，クリ−ピング波の伝播
時間差Δｔ_Lおよび横波の伝播時間差Δｔ_T、ならびに、
算出した表面波速度Ｖ_R，クリ−ピング波速度Ｖ_Lおよび
横波速度Ｖ_Tをディスプレイ３２に表示する。ここでオ
ペレ−タは、入力ボ−ド３１を介して、表示デ−タの全
体および部分のプリントアウトを指示することができ
る。全体のプリントアウトを指示するとディスプレイ３
２上の表示と同一形式および同一配列でデ−タがプリン
トアウトされる。部分を指定したときには更に拡大／縮
小を指定することができ、例えば１つの波形のみを拡大
してプリントアウトすることができる。

【００４０】オペレ−タがここで「ρ，E，νの算出」
４００を指定するとコンピュ−タ３０は、上述のように
収集し算出しセ−ブしているデ−タの中の、表面波速度
Ｖ_R，クリ−ピング波速度Ｖ_Lおよび横波速度Ｖ_Tと、(3)
〜(5)式を、ρ，E，ν算出式に変形した演算式に基づい
て、試験片１０の密度ρ，縦弾性係数E，およびポアッ
ソン比νを算出してディスプレイ３２に追加表示する。
ここでもオペレ−タは、入力ボ−ド３１を介して、表示
デ−タの全体および部分のプリントアウトを指示するこ
とができる。

【００４１】一例として、表面を鏡面研磨した溶融石英
について、異なるデフォーカス距離ｚにおいて収録した
波形を図９および図１０に示す。これは、２５６回繰返
して超音波発射を発送し、８ビット，８００ＭＳ／ｓの
Ａ／Ｄ変換ボード１６の変換デ−タを２５６回分同期加
算して、１６ビットのコンピュータ３０の記憶装置に記
憶したものである。この溶融石英については、Ｚ＝０．
９ｍｍ以上で鏡面反射波と表面波が時間軸上で明確に識
別できる。ｚ＝１．５ｍｍ以上でクリ−ピング波が、Ｚ
＝２．０ｍｍ以上で横波が分離して識別できる。

【００４２】図１０の（ｃ）および（ｄ）それぞれで
の、鏡面反射波信号に対する、表面波，クリーピング波
および横波の相互相関関数値を最小とする遅れ時間Δｔ
_R，Δｔ_LおよびΔｔ_Tを算出し、(1)式に基づいて(2)式
のｍiを算出して、(2)式に基づいて表面波,クリ−ピン
グ波および横波の音速値Ｖ_R，Ｖ_LおよびＶ_Tを算出し
た。これらを表１に示す： 〔表１〕 表面波の音速Ｖ_R クリーピング波の音速Ｖ_L 横波の音速Ｖ_T ３４２８．９ ５９３３．５ ３７５２．２ (ｍ/s)。

【００４３】表面波について５回同一の測定を繰り返し
て得られた音速Ｖ_R、その平均値および分散の値を次の
表２に示す。平均速度に対する分散の比（相対精密度）
は０．００９％である： 〔表２〕 No. 表面波速度Ｖ_Rの精密度 １ ３４２９．０ ｍ／ｓ ２ ３４２８．９ ｍ／ｓ ３ ３４２８．５ ｍ／ｓ ４ ３４２９．４ ｍ／ｓ ５ ３４２９．０ ｍ／ｓ ＡＶ 平均 ３４２８．９ ｍ／ｓ σ 標準偏差 ０．３０ σ／ＡＶ ８．７×１／１０⁵ 図９および図１０の鏡面反射波信号に対する、表面波の
伝播時間差Δｔ_Rを各超音波周波数について算出し、(3)
式より求めた位相速度を図１１に示す。同図は周波数の
増大に伴う表面波音速の減少を明確に示す。４回（Ｎ
ｏ．１〜４）の同一条件下での繰り返し測定の相対精密
度は、２８ＭＨｚにおいて０．０３％である。

【００４４】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の表面波，クリー
ピング波および横波速度測定方法および装置を用いれ
ば、被測定物の一表面の音速測定により、表面波，クリ
ーピング波および横波速度を一度に求めることができ
る。従って、実構造物に本装置を装着することにより、
稼働中の機器そのものの音速測定が可能となる。さら
に、表面波の測定精度が０．０１％台であるので、表面
波の音弾性法則を組み合わせて、機器表面の応力の測定
も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を一態様で実施する装置の構成の概要
を示すブロック図である。

【図２】 図１に示すＡ／Ｄ変換ボ−ド１６の構成の概
要を示すブロック図である。

【図３】 図１に示す測定ヘッド１１内の超音波トラン
スジューサー１３の拡大縦断面図である。

【図４】 図１に示すコンピュ−タ３０および２０によ
り実行される計測および演算の概要を示すフロ−チャ−
トである。

【図５】 図４に示す「センサの垂直度の設定」１００
の内容を示すフロ−チャ−トである。

【図６】 超音波トランスジューサー１３の中心線の、
試験片１０の表面に垂直な線に対する傾斜角（横軸）と
超音波トランスジューサー１３の受信レベル（縦軸）と
の関係を示すグラフである。

【図７】 図４の「波形取込み」２００の内容を示すフ
ロ−チャ−トである。

【図８】 図４の「音速計算」３００の内容を示すフロ
−チャ−トである。

【図９】 図１に示す装置が計測し算出た受信デ−タ
（累算デ−タ）をグラフ化して示すグラフである。

【図１０】 図１に示す装置が計測し算出た受信デ−タ
（累算デ−タ）をグラフ化して示すグラフである。

【図１１】 超音波周波数と伝播速度の関係を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１：スイベルテ−ブル ２，３：ステッピン
グモ−タ ４：ア−ム ５：温度センサ ６：ステッピングモ−タ １０：試験片 １１：測定ヘッド １２：支持体 １３：超音波トランスジューサー １５：超音波送受信
器 １６：Ａ／Ｄ変換ボ−ド １７〜１９：モ−タ
ドライバ ２０，３０：コンピュ−タ ２１，３１：キ−ボ
−ド ２２，３２：ＣＲＴディスプレイ ２４：温度計回路 ２５：Ａ／Ｄ変換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤 井 郁 也 三重県四日市市羽津山町２番28号 (72)発明者 宮 武 和 東京都新宿区百人町２丁目７番14号 ソニ ックス株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円筒状あるいは球面状の凹面に圧電素子を
   装着した収束超音波トランスジューサーの焦点を、Ｘ−
   Ｙ面内に表面を有する被測定物の内部に定め、Ｘ，Ｙに
   垂直なＺ方向に該超音波トランスジューサーから超音波
   伝播媒体を介して超音波インパルスを被測定物に複数回
   繰返して入射し、被測定物における鏡面反射波およびモ
   ード変換によって励起された被測定物表面近傍を伝播す
   る表面波，クリーピング波および横波を超音波伝播媒体
   を介して該超音波トランスジューサーで受信してＡ／Ｄ
   変換して前記複数回分累算してメモリに記憶することに
   より、メモリ上に複数回分同期加算した、時間軸上に分
   布する受信波形デ−タを得て、この受信波形デ−タを処
   理して表面波，クリ−ピング波および横波の速度を算出
   する、表面波，クリ−ピング波および横波の速度測定方
   法。
2. 【請求項２】円筒状あるいは球面状凹面に圧電素子を装
   着した収束超音波トランスジューサー；該超音波トラン
   スジューサーを支持しこれを垂直方向Ｚに対して直交２
   方向に傾ける２軸スイベルテーブル；当該テーブルを垂
   直方向Ｚに駆動するＺ軸駆動機構；前記超音波トランス
   ジューサーをインパルスで励起しその受信強度を表す信
   号を発生する超音波送受信機；前記受信強度信号を、異
   なった多数のタイミングでデジタルデ−タに変換するＡ
   ／Ｄ変換手段；前記超音波送受信機に複数回の送受信を
   指示する手段；前記複数回の送受信のそれぞれの、前記
   Ａ／Ｄ変換手段が変換したデジタルデ−タの、同一タイ
   ミングのものを累算し累算デ−タをメモリに書込む手
   段；および、 前記メモリ上の累算デ−タの時間軸分布に基づいて、鏡
   面反射波に対する、表面波，クリーピング波および横波
   の相対伝播時間差を算出する位相差演算手段；を備える
   表面波，クリーピング波および横波の速度測定装置。