JPS61181957A

JPS61181957A - 金属材料検査装置

Info

Publication number: JPS61181957A
Application number: JP60021701A
Authority: JP
Inventors: Makoto Senoo; 誠妹尾; Sakae Sugiyama; 栄杉山; Atsushi Yamada; 淳山田
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1985-02-08
Filing date: 1985-02-08
Publication date: 1986-08-14
Also published as: JPH0572541B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は、超音波を用いて金属材料内部の結晶側の大き
さ、材質ま九は組成などの分布を測定するのに好適な金
属材料検査装置に関する。

〔発明の背景〕

金属材料内部の結晶粒の大きさ、材質などの分布を非破
壊的に測定できれば、金属材料で作られた製品の品質管
理が飛躍的に改善されるだけでなく、製法の改良が容易
になる。非破壊的に測定する方法として、鋼板の材料特
性のオンライン判定方法の一例として特開昭５７−５７
２５５号公報（Ｉ！＃願昭５５−１３２２８０号）があ
げられる。この代表的従来例は、鋼板の底面からの超音
波エコー（底面エコーと略称）の音速変化によって結晶
粒の大きさを測定するものである。この方法では、底面
エコーを受信しているので、超音波ビーム路程つまシ鋼
板の全板厚における結晶粒の平均値でしか測定すること
ができない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、金属の結晶粒の大きさの分布を非破壊
で精度良く測定する装置を提供することにおる。

〔発明の概要〕

金属材料中に存在する欠陥を非破壊で検出するためには
、従来から超音波の欠陥部に対する音響インピーダンス
の違いから生じる超音波の反射波をとらえる方法が使わ
れている。しかし、金属材料中の結晶粒の大きさを非破
壊で知る方法は、結晶粒の大きさの変化に伴なう音響イ
ンピーダンスの変化が小さいために、実現されていない
。

金属材料中の結晶粒の大きさと超音波の減衰および反射
率の関係は、下式（１）及び式（２）で表わされること
が理論的に知られている（非破壊検査便覧−−Ａ＠Ｄ”
　ｆ’　ｘ α−１ｅ　　　　　　　　　　　　　・・・・・・ａ）
ここで、 α：超音波の距離ｘｔでの減衰率Ａ＝定数Ｄ＝結晶粒の直径ｆ：超音波の周波数Ｘ：結晶粒の大きさＤの材料中の超音波の通過距離１　ｅｇ　］）”　ｆ　”　ｘ　−’　　　　　　　　
　　””（２）ここで、ｒ：超音波発生源から距離Ｘにある大きさＤの結晶粒か
らの超音波の反射率式（１）及び（２）の結晶粒の大きさと超音波の周波数
との関係に着目すれば、第１図に示すような構成で金属
組織内部の結晶粒の大きさの分布を測定する装置を実現
できるが、具体的な内容については、原理的な説明と実
験的な確認による事実の説明の後で述べることとする。

式（１）及び（２）の金属組織と超音波との関係から、
まず、超音波の金属組織内の散乱波による超音波受信信
号から金属組織内の結晶粒の大きさの違いを職別する原
理について述べる。

超音波の減衰率と反射率の関係を表わす式（１）及び（
２）から、第２図に示す結晶粒の大きさが異る組織Ｍ＋
　、Ｍｔの２層で成る金属材料の超音波信号の相対感度
を求めたものが第３図である。

この解析結果は、第２図における組織Ｍｌ。

Ｍ、の厚さ及び組織Ｍ、の結晶粒の大きさを一定とし、
組織Ｍ、の結晶粒の大きさり、をパラメータとして得た
ものである。

この図から明らかなように、結晶粒の大きさによって、
相対感度が最高になる超音波の周波数が異なる。このこ
とから、組織の結晶粒の大きさに合う広帯域の超音波探
触子を用いて、第２図に示すような組織の金属材料中に
超音波、を入射して得られる超音波反射信号の周波数ス
ペクトルの平均的な周波数は、結晶粒の大きさによって
変化することがわかる。

以上の理論的な考察から結晶粒の大きさの違いを超音波
反射波信号の周波数の違いとして検知できる可能性のあ
ることがわかった。これが実際に可能かどうかを検証す
る九め、はぼ均一な結晶粒の大きさを持つ金属組織Ｍ、
と、同一の結晶粒の大きさの中に結晶粒の大きさが小さ
い組織とが共存する金属組織Ｍ４とに超音波を打込み、
反射した超音波信号の周波数スペクトルを解析した。第
４図の周波数スペクトル（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）ｔ
！、それぞれ探触子、組織Ｍ、及び組織Ｍ４の特性を示
したものである。組織Ｍ、の超音波反射波信号の周波数
スペクトルは探触子特性にほぼ近い特性を示すのに対し
て、組織Ｍ４の周波数スペクトルは、組織Ｍ、のスペク
トルに比べて平均的に高くなっている。

周波数スペクトルの比較では、組織の結晶粒の大きさの
違いによる周波数スペクトルの差を定量的に表わすこと
は困難であるが、式（３）に示す平均周波数ｆｗを導入
することも解決できる。

ｆ　　ｇ（ｆ）ｄ　ｆｆ。

ここで、ｇ（ｆ）：周波数スペクトルｆ、、ｆ、：平均周波数を演算する下限及び上限の周波
数第５図は第２図の周波数スペクトルを測定するのに用い
た組織Ｍ、及びＭ、の同−試験片内の３箇所での超音波
反射波信号の周超波スペクトルから求めた平均波数ｆＭ
を表わしたものである。場所によるばらつきはあるが、
結晶粒の大きさの違いによる超音波反射波信号の平均周
波数には明確な差が検出できることが実験的にも確かめ
られた。

ここまでに述べた方法は、金属材料中の任意の深さの組
織の結晶粒の大きさを、超音波パルスを入射した時点か
ら、所定の深さの組織からの超音波の伝播時間に相当し
九時間遅れた後の反射波の信号の平均周波数から求める
ものであった。しかし、念とえば、第６図（ａ）に示す
ような結晶粒の大きさがＤｌの組織Ｍ、の間に結晶粒の
大きさがり、の組織Ｍ、が存在する試験片内のλ、　Ｂ
、　Ｃの各場所の結晶粒の大きさを測定したい場合、組
織Ｍｌ内のＡの場所の測定については特に問題はないが
、組織Ｍ、内のＢの場所の結晶粒の大きさを測定する場
合には次の問題が発生することが実験的にわかった。

つまシ、組織Ｍ、ＨＭ！の結晶粒の大きさをり、及びり
、とし、Ｄｔ　＞Ｄｔの条件の時には結晶粒の大きさと
超音波反射波信号の平均周波数との間にはほぼ１対１の
対応関係が存在するが、Ｄ　ｔ　＜　Ｄ　ｔ　となった
場合、組織Ｍ２内のＢの位置からの反射波に対応する第
６図（ｂ）のＳ、の超音波反射波信号は組織Ｍ、内での
Ａでの影響を受けるために、結晶粒の大きさり、に対応
する平均周波数とならず、結晶粒の大きさＤＩに対応す
る平均周波数を示すことを発見した。このことＨｌＤ。

Ｄ、のときの組織Ｍ１内のＣの場所の測定についても言
えることである。

ここで、超音波の減衰率、反射率、超音波探触子特性と
探触子で検出される超音波反射波信号の関係を整理して
みる。

ｇ　（Ｄ（ｘ）、　−ｆ　）を距離Ｘでの超音波の減衰
率、Ｈ（Ｄ（Ｘ）、　　ｆ　）　ｔ−距離Ｘでの反射率
、Ｓ　（ｆ）を探触子の反射率、ψ（ｆ）ｔ−探触子で
検出される超音波の検出信号とすると、距離ｔの場所か
らの超音波反射波の信号は、式（４）で表わされる。

ψ（ｆ）＝Ｓ（ｆ）・Ｈ（ＩＸ４　ｆ）／　ｇ（以ｘ）
、　ｆ）ｄｘ　　・＝（４）超音波反射波の検出信号ψ
（ｆ）の平均周波数をｆＭとすると、ｆＭは式（３）で
表わされ、測定位置ｔでの結晶粒゛の大きさＤｔと距離
ｔの関係となる。

よって、距離ｔとｔ＋Δｔの間での結晶粒の大きさの変
化をΔＤとすると、この間での平均周波数の変化ΔｆＭ
は、全微分の考え方から、式（５）で表わされる。

式（５）から、距離ｔとｔ十Δｔの間の超音波反射波の
信号の平均周波数の変化分ΔｆＭｔ−用いて、式（６）
により、ｔとｔ＋Δｔの間での平均的な結晶粒の大きさ
の変化ΔＤを求めることができる。

式（６）ニオはル（ａ　ｆ　ｗ　／　ａ　ｘ　）　オヨ
ヒ（ａｆｗ／ａＤ）は、予め種々の結晶粒の大きさＤを
持つ試験片に対して、距離ｔｅパラメータとする周波数
スペクトルの特徴パラメータ（九とえば平均周波数）の
関係を第７図に示すような形で記憶しておけばよい。

ここで、式（６）を基本原理とする本発明の概要につい
て、第１図を用いて説明する。第１図において、超音波
探触子５０で受信した超音波反射波の信号は、信号を所
定の振幅まで調節する増幅回路１００ｔ−通して、被検
査材の所定の深さからの超音波反射波を抽出するための
遅延時間を調節できンプル数のデータは、周波数スペク
トル演算回路３００に入力して周波数スペクトルを演算
した後、周波数スペクトルの特徴パラメータを演算する
データ処理回路４００に入力される。このデータ処理回
路４００では、被検体の検査位置ｔから、第７図に示す
結晶粒の大きさと周波数スペクトルの特徴パラメータと
の関係が記憶しておる記憶回路５００から式（６）にお
ける（　ａ　ｆＭ／θＸ）、（θｆ、／ａＤ＞金取出し
、結晶粒の大きさを算出する。以上述べた処理を被検体
の表面から、指定された深さ方向の分割幅Δｔずつ、超
音波反射波のデータをサンプルする時間遅れを調節しな
がらデータを取込むことによって深さ方向の被検体の結
晶粒の大きさの分布を測定することができる。測定し九
結果は、表示あるいはプロッタ出力等による出力装置６
００によって出力される。つぎに、上記の本発明による
金属材料検査装置によシ金属被検体の探さ方向の結晶粒
の大きさの分布を測定する手順を第８図の流れ図を用い
て説明する。

測定を開始する前には、被検体の音速ｖ１測定位置、被
検体の番号、深さ方向の分割幅ΔＬ等の定数及び測定条
件を設定する（処理ブロック番号１０）。次に測定深さ
を表面とし、初期設定ｔ＝Δｔとする（ブロック番号１
１）。測定深さｔからの超音波反射波の信号をサンプル
するに必要な遅延時間では、音速Ｖと測定位置までの距
離ｔとから、遅延時間τを計算する（ブロック番号１２
）。

このようにして求め九遅延時間τを超音波信号サンプル
回路に設定する（ブロック番号１３）。次に超音波パル
ス送出の指令信号を発し、被検体内に超音波を入射させ
る（ブロック番号１４）。超音波反射波のうち所定の距
離ｔから探触子に到達する反射波の信号のみを超音波信
号サンプル回路で抽出し、周波数スペクトル演算回路に
送出する。

一方、データ処理回路では、周波数スペクトルの演算が
完了し念かどうかをチェックしく処理ブロック番号１５
）、演算が完了していれば、周波数スペクトルデータを
読込み、周波数スペクトルの特徴パラメータ（たとえば
、平均周波数ｆＭ等）を計算する（ブロック番号１６）
。この周波数スペクトルの特徴パラメータに基づいて、
予め記憶回路にテーブルとして記憶しである、たとえば
平均周波数ｆ、と結晶粒の大きさＤ１距離ｔとの―係ｔ
−用イテ、距離ｔＶＣオＩｒｊ−ル（ａｆＭ／ａｐ）、
　（ａｆＭｌａ　Ｘ　）　’に求める（ブロック番号１
７）。以上の計算から求まった周波数スペクトルの特徴
ノくラメータの変化量、特徴パラメータの結晶粒の大き
さ及び距離に対する感度、距離の分割幅Δｔ１とから、
たとえば特徴パラメータが平均周波数ｆＭの場合、結晶
粒の大きさの変化分ΔＤ１に計算する（ブロック番号１
８）。距離ｔにおける結晶粒の大きさＤＬは、１回前の
測定で得た値Ｄｔ−，ｔに、今求めたΔＤを加算するこ
とにより求める（ブロック番号１９）。ここで、一連の
結晶粒の大きさを求める処理を完了するので、指定され
た深さまでの測定を完了したかどうかのチェック金しく
ブロック番号２０）、測定完了していなければ測定距離
を更新（ブロック番号２１）して、これまでの処理手順
を繰返す。測定が完了していれば、探さ方向の結晶粒の
大きさの分布を、プロッタ等の出力手段によシ出力装置
に出力しくブロック番号２２）、測定を完結する。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の概要で述べた金属材料検査装置の基本構
成を示した第１図の各処理回路の実施例を挙げ、本発明
の詳細な説明する。

第９図は、第１図に示す超音波反射波の信号を増幅する
増幅回路１００の一実施例を示したものである。この増
幅回路１１０は入力信号を所定の電圧範囲になるよう調
節する九めの回路であるみの実施例による増幅回路は、
外部信号によシ増幅度を変化できる可変増幅度の増幅器
１１０、増幅器１１０の出力信号の検波回路１２０、検
波信号１３０ａのピーク・ホールド回路（以後Ｐ／Ｈ回
路と記述する）１３０、増幅器１１０の増幅度を決定す
る信号を演算する割算器１４０１割算器１４０の出力信
号を保持するための制御回路１５０により構成する。

第９図に示す増幅回路の増幅度の決定方法は、被検体へ
の１回目の超音波パルス入射に対する反射波の信号によ
シ増幅器１１０の増幅度を決定し、次の超音波パルス入
射に対する増幅度は１回目の超音波入射で決定した値を
用い、その値を保持する。ここで、第９図に示す増幅回
路の増幅度決定の動作を第１０図の各信号のタイムチャ
ートを用いながら説明する。第１０図の１＝１．におい
て超音波を入射し九時点とし、増幅器１１０の増幅Ｋｎ
Ｐ／Ｈ回路１３０のピークサーチ期間は所定の増幅度（
たとえば１倍）となるような電圧Ｖ。

を制御回路１５０から出力する。時刻１＝１１から１＝
１．の間に増幅器１１０に入力し比信号は所定の増幅度
で増幅された後、検波回路１２０で正の信号になつ九も
のがＰ／Ｈ回路１３０に入力される。Ｐ／Ｈ回路１３０
では制御信号１５０ａが＠１”の間だけ最大電圧にのみ
追従し、＠０”の時は＠１′の期間内の最大値を保持す
る。第１０図の破線で示した信号はＰ／Ｈ回路１３０の
入力信号１３０ａを示している。Ｐ／Ｈ回路１３０で保
持し次電圧Ｖａｎ割算器１４０の分母に入力され、分子
に入力される電圧Ｖ、との割算が行なわれ、制御回路１
５０へ出力される。増幅器１１０の出力電圧を最大電圧
の何−にするかは割算器１４０の分子への入力電圧■、
を調節すればよい。

上記では、超音波を入射した時点からの時間経過に関係
なく、所定の時間までの間で入力される超音波反射波信
号の振幅を所定の範囲になるよう増幅度を調節する方式
について述べたが、超音波反射波信号の周波数スペクト
ルを精度良く求めるためには、被検体内の結晶粒の大き
さを測定し九ト位置からの反射波信号のみを所定の振幅
になるように増幅回路１００の増幅度を調節する必要が
ある。第１１図及び第１２図は、上記の目的を実現する
増幅回路１００の一実施例による回路構成を各部の信号
のタイムチャートを示したものである。

この実施例による増幅回路は、外部からのディジタル信
号１１０Ｃによシ増幅度を調節できるプログラマブル増
幅器１０５、アナログ信号の通過、阻止を制御できるス
イッチ１１５、検波回路１２０、Ｐ／Ｈ回路１３０１ク
ロック信号発生回路１６０、ダウンカウンタ１７０、ホ
ールド回路１８０、時限回路１９０によシ構成する。

第１１図の増幅回路の増幅度決定方法を第１１図と第１
２図を用いながら説明する。この増幅回路でも、第９図
で示した増幅回路と同様に、１回目の超音波入射による
反射波信号の大きさで増幅度を決定し、次の超音波入射
による反射波信号はその決定された増幅度によって増幅
し、超音波信号サンプル回路２００に出力する方式とし
ている。

第１２図において、ｔ＝ｔｔが１回目の超音波パルス入
射時点、１＝１．が２回目の入射時点である。時刻１＋
からｔ４の間のプログラマブル増幅器１０５の増幅度は
所定の値（たとえば１倍）となるようなデータを信号１
１０Ｃによシ設定する。この増幅回路では、超音波パル
スを入射した時点ｔ　＝ｔ　ｔから所定の遅延時間τ（
第８図のブロック番号１２に示す遅延時間τと同じ）経
過してから所定の時間幅Δｔ　”’４　ｓ　−ｔ　＊の
間のみに受信される反射波信号の最大値からプログラマ
ブル増幅器１０５の増幅度を決定する必要がある。

これを実現するためには、第１１図に示すように、遅延
時間に比例したデータを設定できるダウンカウンタ１７
０を用い、超音波入射トリガ信号でカウントダウンを開
始させる構成とし、所定の遅延時間を作シ出す九めには
クロック信号発生回路１６０から出、力するクロックパ
ルスの周波数ｆｃと信号１７０Ｃによシ設定するデータ
Ｎｓとから決定でき、ダウンカウンタ１７０のビット数
を１６、夕日ツクパルスの周波数を１０ＭＨｚとした場
合、遅延時間は１０ｎｓから３２７．６７μｓまで変え
ることができる。たとえば、遅延時間な１００μｓにし
たい場合は、外部からデータ１０．０００をダウンカウ
ンタ１７０に設定すればよいことになる。ダウンカウン
タ１７０は、設定値カウントダウンするとボローが発生
する（第１２図の１７０ｂの信号）。このボローによる
パルス信号によシ、ホールド回路１８０出力を＠１”と
し、スイッチ１１５を’ＯＮ″状態にしてプログラマブ
ル増幅器１０５の出力信号を検波器１２０に入力すると
同時に、Ｐ／Ｈ回路１３０をピークサーチ状態圧する。

スイッチ１１５をＯＮ“状態あるいはＰ／Ｈ回路をピー
クサーチ状態にする時間ｔ　”　ｔ　＊　　ｔ　ｓは第
１図の超音波信号サンプル回路２００の指定された数の
サンプリングに要する時間から決定され、その時間は第
１１図中の時限回路１９０に設定されている。時限回路
１９Ｇは、１回パルスが入力されてから所定の時間が経
過するとパルスを出力するような回路で、このパルス信
号によりホールド回路１８０の出力は″０”にリセット
され、Ｐ／Ｈ回路１３０はピークサーチを停止する。上
記の一連の動作の流れを示したものが、第１２図の１７
０ｂ、１９０ｂ、１１５ｂ。

１８０ｂ、１３０ｂの各信号のタイムチャートである。

第１３図は、第１図に示す超音波信号サンプル回路２０
０の一実施例を示し念ものである。この回路は、第１２
図の１＝１．からΔｔ　＝ｔ　＊　−を懺の間に入力さ
れる所定の振幅範囲に調節された超音波反射波信号を所
定のサンプル周波数ｆ−でアナログ信号をディジタル信
号に変換（以後Ａ／Ｄ変換と記す）シ、メモリに格納す
る機能を持ったものである。第１２図において、超音波
信号サンプル回路２００はＡ／Ｄ変換器２１ｏ１メモリ
２２０１サンプリングパルス発生器２３０、及びアドレ
ス演算器２４０により構成する。Ａ／Ｄ変換器２１０の
入力信号２１０３は、サンプリング開始指令パルス信号
２３０８によシサンプリングパルス発生器２３０から出
力されるサンプリングパルス信号２３０ｂに同期してＡ
／Ｄ変換され、変換されたディジタルデータはメモリ２
２０内のアドレス演算器２４０によって決定される所定
のアドレスに格納される。サンプリング点数は、外部か
らデータ信号２３０Ｃによって、サンプリングパルス発
生器２３０に設定できる。

第１４図は、第１図に示す周波数スペクトル演算回路の
実施例である。周波数スペクトルは、時間信号のフーリ
エ変換によって求めることができ、式（３）に示すｇ（
ｆ）を求めることに等しい。一般に時間関数ｆ　（ｔ）
の７−リエ変換は、式（７）によって求めることができ
る。

ｇ（ｆ）＝Ｖ扉Ｆ；示が式（７）かられかるように、ａ（ｆ）はｆ　（ｔ）と余
弦波との乗算結果の積分、ｂ（ｆ）はｆ　（ｔ）と正弦
波との乗算結果の積分で演算でき、周波数スペクトルｇ
（ｆ）は画周波数関数の２乗の和の平方根によシ演算で
きる。よって、これをアナログ回路で構成し比例が第１
４図に示す回路である。第１４図に示す周波数スペクト
ル演算回路３００は、ディジタル・アナログ変換器（以
下、Ｄ／Ａ変換器と記す）３１０、乗算器３２０Ａ、３
２０Ｂ、積分器３３０　Ａ。

３３０Ｂ、２乗回路３４０Ａ、３４０Ｂ％加算器３５０
１平方根演算器３６０１正弦波信号発生器３８０１余弦
波信号発生器３９０１周波数・電圧変換器３９５及びＳ
／Ｈ回路により構成する。所定の周期で超音波信号サン
プリング回路２００のメモリから送出されるディジター
ルデータをＤ／Ａ変換器３１０でアナログ信号に変換し
、乗算器３２０Ａ、３２０Ｂに出力する。乗算器３２０
Ａは時間関数ｆ　（ｔ）と正弦関数（ｓｉｎ　２πｆｊ
）との乗算？、３２０Ｂはｆ　（ｔ）と余波関数（ｃｏ
ｓ２ｇｆｔ）との乗算をそれぞれ実行する。平方根演算
器３６０の出力には、ある周波数ｆ、でのスペクトル強
度ｇ（’ｘ）が発生する。正弦波信号発生器３８０は、
第１５図（ａ）の３８０３及び３８０ｂに示すように、
入力信号３８０ａの信号によシコントロールされ、負パ
ルスの入力によって初期化される。

初期化された後は、超音波信号サンプリング回路２００
から全サンプルデータを出力するのに要する時間が１周
期となる周波数を最低周波数ｆ０　とし、順次２倍、３
倍の周波数を出力するよう構成している。周波数は、最
低周波数ｆ。から、サンプルデータの全数Ｎの１／２ま
でのＮ／２種類となる。第１５図（ａ）において、３９
０ｂは余弦波信号発生器３９０の出力信号、３７０ｂは
Ｓ／Ｈ回路３７０の出力信号、３７０ｂ’は周波数電圧
変換器３９５の出力側の８／Ｈ回路３７０の出力信号の
タイムチャートを示している。第１５図（ｂ）は、３７
０ｂ’の信号をＸ軸、３７０ｂの信号ｔ−Ｙ軸としてＸ
−Ｙプロッタで出力する場合に得られるグラフでアシ、
結果は周波数スペクトルとなっている。ここでは、アナ
ログ方式による周波数スペクトル演算回路の一実施例を
示したが、マイクロプロセッサ等を用いて、全ディジタ
ル方式で演算してもよい。

第８図のブロック番号１６で示し六層波数スペクトルの
特徴パラメータとしては、−例として平均周波数ｆＭを
挙げたが、スペクトル強度の最大点を表わす中心周波数
ｆｃ１周波数スペクトル図形の重心位置を表わす重心周
波数等を用いてもよい。

第８図のブロック図１７の（ａｆＭ／ａＤ）、（ａｆＭ
／１９Ｘ）Ｈ１第７図に示す特性データテーブルから、
測定点をそれぞれ、Ｄｔ　、ｘ３とし、これに対応する
平均周波数ｆｉｃｔ−１ｆｍｓ、ｆｉｇ３とすると、式
（８）によシ演算できる。

演算精度によっては他の演算方式を用いることも可能で
ある。また、ブロック番号２２で示す結晶粒の大きさの
分布の測定結果の出力は、金属材料の深さ方向の分布の
ように一次元データの場合には、第１７図に示すような
図として表示することができる。３次元的に測定した場
合は、深さごとの結晶粒の大きさを３次元表示すること
もできる。

〔発明の効果〕

゛　以上述べたごとく、本発明によれば、金属材料の表
面から超音波探触子によシ超音波を入射して得られる所
定の深さからの超音波反射波信号の周波数スペクトルか
ら求めた特徴パラメータの探さ方向分割領域ごとの変化
分と、予め求めて記憶した結晶粒の大きさＤと特徴パラ
メータ及び距離Ｘと特徴パラメータとの関係曲線を用い
ることによシ、超音波ビーム上の結晶粒の大きさの分布
測定を非破壊で実現でき、金属材料で作られる製品の品
質管理が飛躍的に改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による金属材料検査装置の基本構成図、
第２図は２種類の結晶粒の大きさの２層構造の検査状況
を説明する図、第３図は結晶粒の大きさと超音波周波数
と相対感度の関係を表わす解析結果を示す図、第４図は
実際の金属材料で得た超音波反射波信号の周波数スペク
トルの一例、第５図は結晶粒の大きさの異なる２種類の
金属材料で得られた平均周波数解析結果の一例、第６図
（ａ）及び（ｂ）ｕ３層構造の金属組織の断面図と反射
波信号と遅延時間を説明する図、第７図は結晶粒の大き
さ、距離と周波数スペクトルの特徴パラメータとの関係
を表わす図、第８図（ａ）及び（ｂ）は本発明による結
晶粒の大きさの分布を求める処理手順を説明する図、第
９図は増幅回路の一実施例、第１０図は第９図に示す増
幅回路の代表的な信号のタイムチャート、第１１図は増
幅回路の他の実施例、第１２図は第１１図に示す回路の
代表的な信号のタイムチャート、第１３図は超音波信号
サンプリング回路の一実施例、第１４図は周波数スペク
トル演算回路の一実施例、第１５図（ａ）及び缶）は第
１４図に示す回路の代表的な信号のタイムチャートと周
波数スペクトルの一例、第１６図は周波数スペクトルの
特徴パラメータを示す図、第１７図は結晶粒の大きさの
分布の測定結果表示の一例である。５０・・・超音波探触子、ｌＯＯ・・・増幅回路、１０
５・・・プログラマブル増幅器、１１０・・・増幅器、
１１５・・・スイッチ、１２０・・・検波器、１３０・
・・Ｐ／Ｈ回路、１４０・・・割算器、１５０・・・制
御回路、１６０中・発振器、１７０・・・ダウンカウン
タ、１８０・・・ホールド回路、１９０・・・時限回路
、２００・・・超音波信号サンプル回路、２１０・・・
Ａ／Ｄ変換器、２２０・・・メモリ、２３０・・・サン
プリングパルス発生器、２４０・・・アドレス演算器、
３００・・・周波数スペクトル、３１０・・・Ｄ／Ａ変
換器、３２０Ａ、３２０Ｂ・・・乗算器、３３ＯＮ、３
３０Ｂ・・・積分器、３４０Ａ。３４０Ｂ・・・２乗演算器、３５０・・・加算器、３６
０・・・平方根演算器、３７０・・・８／Ｈ回路、３８
０・・・正弦波信号発生器、３９０・・・位相変換器、
３９５・・・周波数・電圧変換器。

Claims

【特許請求の範囲】１、超音波ビームを金属材料に対して発信し、該金属材
料から反射または散乱された超音波信号を受信する手段
、受信された超音波信号の周波数スペクトルを演算する
手段、該周波数スペクトルの特徴パラメータを抽出する
手段、該特徴パラメータと上記金属材料の結晶粒の大き
さ、材質または組成との関係が予め記憶されている記憶
手段、および新たに抽出された周波数スペクトルの特徴
パラメータと上記記憶手段に記憶されている内容とを比
較することにより上記金属材料の結晶粒の大きさ、材質
または組成に関する情報を表わす信号を出力する手段か
ら構成されたことを特徴とする金属材料検査装置。２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、上記周
波数スペクトル演算手段は、超音波ビームの伝播距離を
時間的に細分し、細分された区間毎に周波数スペクトル
を演算する手段であることを特徴とする金属材料検査装
置。３、特許請求の範囲第１項または第２項記載の装置にお
いて、上記周波数スペクトルの特徴パラメータとして、
スペクトル強度の最大点を表わす中心周波数、スペクト
ルの平均値を表わす平均周波数、周波数スペクトルの図
形の重心位置を表わす重心周波数を用いることを特徴と
する金属材料検査装置。