JPS6044826A - 音エネルギー波モード変換器とこれを用いた金属導管への超音波エネルギー印加方法 - Google Patents

音エネルギー波モード変換器とこれを用いた金属導管への超音波エネルギー印加方法

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JPS6044826A
JPS6044826A JP58144852A JP14485283A JPS6044826A JP S6044826 A JPS6044826 A JP S6044826A JP 58144852 A JP58144852 A JP 58144852A JP 14485283 A JP14485283 A JP 14485283A JP S6044826 A JPS6044826 A JP S6044826A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は流体の流れを超音波のモード変換を利用して
監視するための音エネルギー波モード変換器とその使用
方法に関するものである。
流体の流れを監視するためのモード変換器は従来から知
られており、例えばアメリカ特許第6.869,915
号、第5,987,674号および第4.573,40
1号などにも開示されている。
これら開示された監視系においては、流体を移送する導
管の比較的長い軸方向距離に亘って超音波エネルギーが
印加され、送信側の変換器に対して受信側の変換器を軸
方向に正確に位置させな(とも使用可能な信号を受信す
ることができるようにな−っている。このために、変換
器のケース内の縦モード音エネルギー波に反応して、横
モード音エネルギー波をして管壁内を伝播させている。
即ち、変換器ケースからの縦モード音エネルギー波を管
軸に対しである角度で印加して、管表面に達した縦モー
ド音エネルギー波の位相速度が管の横モード速度に等し
くなるようにしている。特に変換器水晶体と管表面との
間の角度は導管の横モード速度に対するケースの縦モー
ド速度の比に等しくなるようにされている。この結果、
変換器ケースと導管との間の整合がよくなり、導管軸に
膚つでのエネルギーが著しく大となり、新開軌跡として
知られているものが大となる。
このような考え方を実行するには、変換器ケースの縦モ
ード速度が導管の横モード速度より小さくなければなら
ない。これは、縦モード音エネルギー波の位相速度を管
壁中の横モード速度に迄高めねばならないからである。
このような必要があるため、導管が例えば126X10
3 インチ7秒にも及ぶ高い横モード速度を有する鋼鉄
などの金属で形成されているときには、これより小さな
縦モード速度を有した非金属性の材料で変換器の本体を
形成しなければならない。
このため従来は金属製の変換器ケースの使用が阻fれて
いて、プラスチックなどの材料を代りに使わなければな
らなかった。しかしプラスチックの場合は使用できる温
度範囲が限られており、従って上記したような従来技術
の応用は、比較的低温のものに限るか、でなければポリ
イミド・アミドのような特別に高品質で高価のグラスチ
ックを使用しなげればならなかった。即ち、使用できる
温度範囲が広いという利点があるにも拘らず、その縦モ
ード速度が金属製導管の横モード速度よりも高いが故に
、従来は金属製の変換器ケースを用いることができなか
ったのである。
この発明の目的は、金属製導管に変換器を締着して管内
の流れの状態を超音波監視するに際して、真ちゅう、亜
鉛、鉛などの金属をもって変換器ケースを形成すること
を可能とすることに、ある。
即ちこの発明にあっては、変換水晶体からの縦モード音
エネルギー波をケースの表面で内部反射させて横モード
音エネルギー波に変換するような形状を変換器のケース
に与えるものである。反射面の=mに対する縦モード音
エネルギー波の入射角を適正に選び、しかも材料のポア
ソン比を026位にとれば、これを横モード音エネルギ
ー波に変換することができる。
しかも、ケース中たおける横モード音エネルギー波の位
相速度が導管の横モード速度に等しくなるような角度で
、変換後の横モード音エネルギー波が導管の表面を指向
するようにされる。かくして金属製変換器ケースと金属
製導管との間に秀れた整合が得られるのである。
第1図に示すのは、例えばアメリカ特許第3.987,
674号に開示されたような型式の、従米装置の一例で
ある。こ\では導管20中における液体などの物質の流
速を測定しようとするもので、導管の外表面には軸長方
向に離間して1対の変換器:1M、22が締着されてい
る。この締着には例えばアメリカ特許第4,373,4
01号に開示されて締着機構を用いるとよい・ 変換器21.22はそれぞれケース23.24を有して
おり、その中には変換水晶体25.26が収容されてい
る。変換水晶体としては単もしくは多結晶装置などの周
知の変換素子が用℃・られる。
これらの水晶体25.26は通常の方法で励振されて音
波パルス列を形成出力し、これがケース23.24内を
縦モード変速を伴って伝播する。
アメリカ特許第3,987,674号に記載のように、
好ましくは変換水晶体25.26の裏面に夕゛ンノ(−
27,28を付設する。
これらの変換器21.22は交互に超音波エネルギーの
送信器と受信器になる。例えばまず最初に変換器21が
送信器となり、ケース26内((縦モード音エネルギー
波を注入し、これが導管20の方に伝播して、その壁内
に横モード音エネルギー波を励振する。この壁からの音
エネルギー波は導管20内の流体その他の中に入りその
内部を通過する。この伝送されたパルスは最終的には変
換水晶体26によって受信される適宜な電子回路(図示
せず)により導管20を通っての信号の通過時間を測定
する。次は水晶体26が同様な音波信号を返し、これが
水晶体25によって受信され、通過時間が測定される。
この往復の信号広幅時間から導管20中の流体の流速の
6111定値を得る。
導管20内を伝送される音波信号の軌跡は第1図に示す
ように非常に長い。従って伝送器21゜220相手に対
する軸方向の位置洗は限度がない。
第1図中の角度αを縦モード音エネルギー波の位相速度
が導管壁中の横モード速度Vpsと等しくなるような角
度で線30ど平行に走る縦モード音エネルギー波が導管
20の壁に達するよ5に調節すると、上記の軌跡が長く
なる。この結果横モード音エネルギー波は導管20の壁
に旧って軸方向に伝播し、導管20内に導かれて最終的
には受信器位置に到る凝果信号の新たな源となる。
このような広ビーム構造によった結果、非常に感度はよ
いがルーズな変換系が得られ、温度もしくは導管内容物
が変っても変換器の一方の位置を池方に対して調節する
必要がなくなる。加えて同じ変換器を種々の管材料や管
径に亘って用いることができる。しかし第1図に示すケ
ース23゜24にについては、導管材料の横モード速度
Vpsより小さな縦モード速度を有するような材料を、
選ぶ必要がある。ケース23.24内の音エネルギー波
の位相速度を導管の横モード速度に合うように調節でき
るため、以上のようにする必要があるのである。
導管20の材料は一般に鋼鉄であり、その横モード速度
は126X103 インチ7秒である。従ってケース2
3.24に用いる材料はその縦モード速度が1’26X
103 インチ7秒より小さくなければならない。金属
類の縦モード速度は一般に126X103 インチ/抄
より大であるからして、変換器の本体にはプラスチック
材料を使う必要がある。しかし一般にプラスチック材料
は広い温度領域て亘っての使用には適してなく、例えば
高温の流体を通す鋼管などに使用することはできず、そ
のためKは特に品質的に高度でかつ高価なプラスチック
類を使わなければならない。
この発明如あっては比較的低い横モード速度音波を変換
器のケースから管中に注入しようとするものであって、
ケースを必ずしも金属性ではなく、管の方も必ずしも金
属性でなくともよいようにしたものである。即ち第2図
に示すように、導管20の表面にはモード変換用の変換
器40.41が締着されている。変換器40.41はそ
れぞれ台形体状のケース42.43を有しており、その
中には裏面にダンパ=44a、45ai付設した変換水
晶体44.45が収容されている。更に水晶体44..
45はケース42.43の頂面に傾斜をつけてこれに位
置せしめ、水晶体44.45の音エネルギー波を所望の
方向に伝播させるようにすることもできる。
ケース42.43はそれぞれモード変換反射面50.5
1を有しており、これらが変換水晶体44.45からの
縦モード音エネルギー波出力を受けて、そめ大部分を横
モード音エネルギー波として反射し、角度αでもって導
管200表面に指向させるのである。後に詳述するよう
に、これらの変換器40.41は、導管20の材料の横
モード速度Vpsに等しい位相速度を有した横モード音
エネルギー波を、導管20中に注入するものである。
ケース42内で横モード音エネルギー波に変換すること
により、モード変換現象のための適宜なポアソン比を有
した金属類の横モード速度は例えば鋼鉄などのそれより
低いから、ケースに金属類を用いることもできる。−例
を挙げると、縦モード速度が170X105 インチ/
秒位の真ちゅうでケース42.43を形成することもで
きる。これは、もし鋼鉄でできているとしたら、導管2
0に締着するには高過ぎる。しかし真ちゅうの横モード
速度は僅か5oxio3 インチ7秒である。
であるからして、従来必要とされていた高品質で縦モー
ド速度の低いプラスチックに代えて、真ちゅう製のケー
スと鋼鉄製の導管20と組合せて用いることができるの
である。
第3.4図′にケース42の詳細を示す。ケースは適宜
所望の金属、例えば亜鉛などから形成される。ニッケル
板を施した真ちゅう0DA464番などのような真ちゅ
うも使用される。
ケースは一般に台形体状に形成されており、その頂面3
8と底面69とは平行であり、互に平行でない1対の平
端面46.50がこれらの間に延在している。頂面38
には変換素子収容孔47が穿設されており、これに近接
してネジ部47a。
47bを有した据付孔48.49が形成されている。頂
面381c直接変換水晶体を受けることもでき、その場
合には頂面38は収容孔47と平行に傾斜している。収
容孔47を用いた場合には、その底面を平滑化して接触
をよくしてから、変換水晶体44を入れてやる。
平端面50はモード変換面として機能し、その内面に指
向された縦モード音エネルギー波を反射横モード音エネ
ルギー波(およびその逆に)変換する。底面39は変換
器を音エネルギー波を受ける側の導管20に締着するの
用いられる。変換素子もしくは水晶体としては適宜公知
のものが用いられる。
真ちゅう製のケースの一例を挙げると、幅が約1.6イ
ンチ、一方の平端面46の長さが約4.3フインチ、底
面の長さが約4.81インチで頂面68の長さが約3.
5インチである。縦モード音エネルギー波から横モード
音エネルギー波への変換を確実なものとするためには、
収容孔47の軸線と平端面50に対する法線50aとの
間の角度βは65°にとる。こうすれば、真ちゅうのポ
アソン比と一体となって、縦モード音エネルギー波の全
んどの部分が横モード音エネルギー波に確実に変換する
。横モード音エネルギー波は第7図中線51(法線50
’ a K対して角度r=25.25°)の方向【伝播
する。こ\で法線52と横モード音エネルギー波の進行
方向との間の角αは43.60°である。
Vcs φ=α十γ (3) こ\で Vcs ;変換器ケース42の横モード速度Vcl *
変換器ケース42の縦モード速度Vps ;変換器を取
つける導管の横モード速度h ;平端面50に沿ってそ
の底部から収容孔47が交叉する点迄の距離 lO;音エネルギー波が導管に注入される底面39に宿
っての長さ d ;変換水晶体44の直径 変換水晶体44は第2.5.6.7図に示すよされる。
第5図に示す水晶体のためのダンパーおよび支持構造は
、水晶体をケース内所定の位置に保持しかつ水晶体の裏
面から出力される後側に行く音エネルギー波を緩衝して
いる。金属製のケースを用いる場合にはダンパーは除い
てもよい。
ダンパーを用いた場合には、変換水晶体44の裏面に密
着させて音エネルギー波が自由にダンパー中に流れ込め
るようにする。しかしその後、この音エネルギー波は拡
散されて弱められ、ビームの凝集は可能な限り阻止され
る。アメリカ特許第4.373,401号に記載されて
いるように、入ってきた中心と弱められた音エネルギー
波とを拡散する金属粒子やプラスチック粒子を含んだエ
ポキシ体でダンパーを形成すると効果的であった。また
円錐状の孔が1飼形成されていて、反射面として機能し
てダンパー中における音エネルギー波の経路長を増し、
ダンパー中にある粒子による音エネルギー波の弱体化の
機会を大きくしていた。
ダンパ一本体は真ちゅう、鉛、亜鉛などの金網から形成
してもよく、ダンパーの裏面には傾斜付もしくは円錐状
の孔をい(つか形成し、これらの孔に弱音特性の良いプ
ラスチックを充填する。この結果、音エネルギー波は自
由にダンパーに入り込むが、多数の円錐状孔壁による非
凝集反射に多々さらされる。円錐状内の材料に入り込ん
だ音エネルギー波は次いで激しく弱体化されて緩衝され
る。このようなダンパーを用いた結果、非常に鋭くかつ
よく画定されてリング特性を有していないパルスが変換
器から出力される。
第5図1(そのようなダンパーの一例を示す。即ち真ち
ゅう製の本体80は円錐孔81.82などを多数有して
おり、これらはできる限り密に設けられている。円錐孔
81.82の頂角は19°位とし、その長さは適宜なも
のとする。
次いで追加の拡散中心として機能する金属およびプラス
チック粒子を内蔵したエポキシでもって円錐孔81.8
2を充填する。水晶体44の外周面と本体80の底部外
周面にプラスチック・リング90を接着して両者を一体
に固定する。水晶体44と本体80との間には適宜結合
グリースを施すO 水晶体44の前面接点は適宜導線91に電気的に接続さ
れている。またその裏面電極は適宜導線92に電気的に
接続されている。これらの導線91.92はそれぞれ端
子93.94に接続され、これら端子は変換器の駆動・
受信回路に接続されている。
本体800頂面にはパツキン95とW圧盤96とが設け
られて支板98に螺入された押圧ネジ97を受けている
。第5図に示す機構をケース42の収容孔47内に固定
するボルト100によって支板98は第6図に示すよう
に所定の位置に固定される。
作用について述べると第6図に示すように、変換水晶体
44の端子95.94に電気パルスが印加されると、変
換器は高周波の縦モードパルスを出力する。この縦モー
ド音エネルギー波はケース・42内に注入され、モード
変換面50(平端面)の内壁によって阻止される。第7
図に示すように、変換面5Dから反射された音エネルギ
ー波は法線50aに対して角wrをなし、水晶体44に
よって形成された縦モード音エネルギー波の速度より小
さい速度を有した横モード音エネルギー波となる。この
横モード音エネルギー波は底面39の長さl!0 に沿
って出て、導管壁材料中の音エネルギー波の横モード速
度に整合された位相速度で導管20(第2図)の壁に入
り込む。従って変換器と導管との間には秀れたインピー
ダンス整合が得られ、導管の壁およびその内側に非常に
鋭いパルス信号が印加されるととも妃、音エネルギー波
の伝送が最高となる。
変換水晶体44の裏面反射信号は第5.6図に示すダン
パーによって良好に吸収され弱体化される。か(して、
主伝送パルス内の細い点の感知に干渉する反射信号は回
路内には入らないのである。
【図面の簡単な説明】
第1図;従来の変換系の構成を示す断面側面図第2図;
この発明の変換器を用いた変換系を示す断面側面図 第3図;この発明による変換器ケースの一例な示す断面
側面図 第4図;第3図中線4−4に歯ってみた図画5図;第3
.4図に示すケースと組合せて用いるダンパーと水晶体
との組合せの一例を示す断面測面図 第6図;上記両者を組合せたものを示す断面側面図 第7図:音エネルギー波の伝播体態な説明する説明図 20・・・導管 21.22・・・変換器25 、26
・・・変換水晶体 23,24・・・ケース27.28
・・・ダンパー 40.41・・・変換器 42.45・・・ケース44
.45・・・変換水晶体 44a、4511・・・ダン
パ〜50.51・・・モード変換反射面 m 許tH11人 ヨセフ バウムエル特許出願代理人
 弁理士 菅 原 −部−二=ミC:a 3−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 θ〕 モード変換素子と台形体状の金属ケースとを有し
    てなり、 該金属ケースが出力エネルギー面を構成する第1の平端
    面(69)と縦モード音エネルギー波の内部反射による
    モード変換面を構成する第2の平端面(50)を有して
    おり、 これらの平端面が夾角φをもって互いに交叉しており、 モード変換素子は平薄形で、金属ケースの収容孔内にお
    いて、第2の平端面(50)の法線(50a)に対して
    夾角βをなす法線を有した平面上に設けられ、 モード変換素子からの縦モード音エネルギー波が第2の
    平端面(50)の内面で反射されて横モード音エネルギ
    ー波に変換され、この横モード音エネルギー波が上記の
    法線(50a)に対して夾角βとは反対側に夾角γをな
    す方向を指向して第2の平端面(50)から離間伝播し
    、横モード音エネルギー波の伝播方向と第1の平端面(
    39)の法線(52)との夾角をαとしたときにφ=α
    +γであって、かつ、Vcsを金属ケースの横モード速
    度とし、VcJ’を金属ケースの縦モード速度としたと
    きにal である ことを特徴とする音エネルギー波モード変換器。 〔嘘 内部を軸方向に伝播する音エネルギー波に対して
    固有の横モード速度を有する流体移送用金属導管に超音
    波エネルギーを印加するに際し、導管の外面に締着され
    た音エネルギー波モード変換器の金属ケース内に縦モー
    ド音エネルギー波を発生させ、 金属ケース表面からの内部反射によって縦モ−ド音エネ
    ルギー波を横モード音エネルギー波に変換させ、 この横モード音エネルギー波を導管に印加するものであ
    って、かつ、 導管の表面に達したときの横モード音エネルギー波のケ
    ース内位相速度が前記した固有の横モード速度に等しく
    なるように、横モード音エネルギー波の伝播経路の導管
    々軸に対する角度が与えられている ことを特徴とする音エネルギー波モード変換器を用℃・
    た金属導管への超音波エネルギー印加力法0
JP58144852A 1982-08-12 1983-08-08 音エネルギー波モード変換器とこれを用いた金属導管への超音波エネルギー印加方法 Granted JPS6044826A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/407,434 US4467659A (en) 1982-08-12 1982-08-12 Transducer having metal housing and employing mode conversion
US407434 1982-08-12

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Publication Number Publication Date
JPS6044826A true JPS6044826A (ja) 1985-03-11
JPH058366B2 JPH058366B2 (ja) 1993-02-02

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ID=23612071

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