JPS61274256A - 超音波による固体の弾性定数測定方法 - Google Patents

超音波による固体の弾性定数測定方法

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JPS61274256A
JPS61274256A JP60115325A JP11532585A JPS61274256A JP S61274256 A JPS61274256 A JP S61274256A JP 60115325 A JP60115325 A JP 60115325A JP 11532585 A JP11532585 A JP 11532585A JP S61274256 A JPS61274256 A JP S61274256A
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JP
Japan
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solid
longitudinal
waves
wave
transverse
Prior art date
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Pending
Application number
JP60115325A
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English (en)
Inventor
Takeshi Miyajima
宮島 猛
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/02827Elastic parameters, strength or force

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

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〕 本発明は超音波を利用して物性の未知な固体の弾性定数
を測定する方法に関する。
ここにいう固体とは、電気装置9機械装置、化学装置な
どの装置を構成している平行な2面を有する部品または
部材などの弾性体をいい、超音波が伝搬し得る物体であ
れば金属、非金属(ガラス。
セラミックス、コンクリート、合成樹脂、ゴム。
木材など)は間はない。前記固体の有する平行な2面は
正確な平行は必要でなく、いずれか1面から入射された
超音波の底面反射波が受信され得る程度の平行度と面積
があればよい。ただし望ましい平行度は約±5°であ)
、また平行な2面の面積は探触子が当接し得る面積以上
の面と、その面に平行な他の同程度の面積の面があれば
よい。
〔発明の背景〕
固体の弾性定数である縦弾性係数(ヤング率)。
横弾性係数(剛性率)1体積弾性係数(体積弾性率)お
よびポアソン比は、その固体の物性を知る上で必要な係
数であシ、その固体およびその固体が使用される装置の
強度および寿命等を研究する上で不可欠のものである。
従来これら固体の弾性定数は、梁、棒(針金)。
ばねおよび板などに直接荷重を加え、そのときのたわみ
、伸び、振動周期などを計測し、その計測値から求める
機械的な方法(精機学会\編「工業測定便覧41972
年 コロナ社発行第675頁〜第676頁参照)が使用
されてきた。しかしこのような方法においては、たわみ
、伸び、振動周期などの生の値を、多少の増幅はするも
のの直接計測するものであるため、その値が小さくて測
定しにくく従って精度も悪くなる。このためたわみ量や
伸び量などの計測値を大きくして測定しやすくするため
に、被検体の断面寸法はかなり小さくされるが、こんど
は小さくされた被検体に対する荷重の加え方、計測器具
の取シ付は方法などがむつかしい。例えば被検体にアン
バランスに荷重を加えたシ、被検体に荷重を加えたとき
に発生する前記たわみなどの値以外のひずみな、どの値
が予め計測器具に潜入していたシして、注意しないと純
粋の測定値が得にくいことになる。また生の値を直接計
測するものであるからどうしても計測値には個人差が生
じ、また同一人で計測する場合であっても測定装置、測
定時期などによって計測値に差が生ずるから、複数回の
測定を行ってその平均値を求める必要がある。上記した
機械的な方法は精度が悪い上に測定に長時間を要するこ
とから、その欠点を改善する方法として超音波を利用し
て測定する方法(日本学術振興会編「超音波探傷法」改
訂新版1984年日刊工業新聞社発行第295頁〜第2
97頁参照)が行われている。これは超音波の遅れエコ
ーを利用して縦波および横波の音速を測定し、その測定
値とその固体の密度よシ固体の弾性定数を求める方法で
ある。遅れエコーは細長い丸棒の一端から軸方向に縦波
を伝搬させると容易に得られる。すなわち縦波が円筒面
に触れるとその一部が横波に変換され、棒の中をスネル
の反射屈折の法則に従って反射して斜めに横切って進み
、反対側の側面に達する。側面に達した横波はそのまま
反射してふたたび棒の中を斜めに横切って進み元の側面
に達する。そしてこの進行を繰り返しながら棒の他端に
達するが、一部はそこで縦波に変換されて棒の側面をふ
たたび軸方向に進み棒の他端に達する。このようにして
1つのパルスを送れば、途中で波動様式が変換されて伝
搬経路が異なるため、微小時間Δtずつ遅れて探触子に
到着したエコ一つまp遅れエコーが得られる。そして遅
れエコーが遅れて到着する時間Δtよシ計算される受波
されたパルスの到着時刻t、縦波および横波の多重反射
係数mおよびn、丸棒の長さり、直径りを関係公式に代
入することによシその固体における縦波および横波の音
速を求め、物質によシはぼ一定である音速と弾性率と密
度との一般式%式%(1) から固体の弾性定数が求められる。上式のCは音速であ
る。従来の超音波を利用する方法は、専ら前記遅れエコ
ーを利用する方法が行われているが、本方法は断面が一
様な丸棒でなければ規則正しい遅れエコーが得られず固
体の弾性定数を求めることができず、さらにたとえ形状
が丸棒であっても、超音波ビームの指向性角内に丸棒の
側面がある比較的細い直径のものである必要がある。一
方、角棒、板、塊状などの形状のものにおいては辺と角
からの遅れエコーおよび多重反射が異なることから、固
体の弾性定数1を測定することができない不都合がある
など、固体の形状に対して大きく制限される問題点を有
する。
〔発明の目的〕
本発明は上記従来技術の問題点を解消し、物性の未知な
固体の弾性定数を、垂直探触子を当接し得る探傷面とそ
の探傷面にほぼ平行な小面積の底面を有するものであれ
ば、固体の形状9寸法および材質等に制限を受けること
なく、きわめて短時間に精度のよい測定が容易にしかも
リアルタイムにできる超音波による固体の弾性定数測定
方法を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
本発明は平行な2面を有する固体の1面より他の1面に
向けて超音波(縦波)を入射し、続いて横波を入射させ
、入射させた縦波および横波の前記他の1面より反射す
る反射波の伝搬時間と前記平行な2面間の距離とから求
めた、前記固体の縦波および横波の各音速の比より固体
の弾性定数を、固体の形状1寸法および材質などにほと
んど制限されることなく、非破壊的にきわめて短時間に
精度よく容易にしかもリアルタイムに測定することがで
きる方法である。
〔発明の実施例〕
本発明の実施例を第1図および第2図によシ説明するつ
本実施例は鋼板(材質8841 JISG3101)友
の標準試験片における音速を基準とし、物性の未知な被
検体として球状黒鉛鋳鉄(材質FCD 45JISG5
502)製の板材の弾性定数を測定したものである。た
だし密度ρ=7・81/cdは既知である。
第1図は本実施例の測定方法を説明する図で、lは標準
試験片、2は垂直探触子、3はAスフ−1表示のパルス
反射式超音波探傷装置(以下単に超音波探傷器という)
、4はCRTである。標準試験片1は物性が既知で、縦
波の音速CD=6000ro/s。
横波の音速C3=3000rs、板厚a=100mであ
る。
ただし縦波の音速CDおよび横波の音速C5の値は、説
明を判シ易くするため実際の数値を丸めたものとした。
垂直探触子2は超音波探傷器3と高周波ケーブルで接続
されるが、縦波用と横波用とを準備する。測定はまず縦
波用の垂直探触子2を標準試験片1の片側の面(探傷面
)laに当接し、他の面(底面)lbに向けて縦波を入
射する。面1bで反射した反射波は垂直触子2に受信さ
れs CRT4上に底面エコー5として出現する。この
ときCRT4の時間軸を時間軸のスケールlOO■の位
置に底面エコー5が出現するように設定する。つぎに前
記縦波用の垂直探触子2の場合と同様に横波用の垂直探
触子2′を縦波用の垂直探触子2を当接した位置とほぼ
同じ位置の標準試験片1の面1aに当接し、面1bに向
けて横波を入射させると、面1bで反射した反射波の底
面エコー5′がC几T4上に出現する。
このときもCRT4の時間軸のスケール100箇の位置
に底面エコー5′が出現するように設定される。
なおTは時間軸の原点Oの位置の送信パルスである。つ
いで第2図に示すように標準試験片1を物性の未知な被
検体lOに変えて前述と同様に縦波および横波を入射す
る。被検体10の板厚aは100謹である。すなわち縦
波用の垂直探触子2を被検体100面(探傷面)10a
に当接し、他の面(底面)10bK向けて縦波を入射し
面10bで反射波の底面エコー父をCRT4上に出現さ
せ、ついで縦波用の垂直探触子2を横波用の垂直探触子
2’に取り替え縦波の場合と同様に底面エコーWをCR
T4上に出現させる。このとき底面エコー団の出現位置
が前記標準試験片1で設定したCRTの時間軸上85m
の位置である場合、被検体10の縦波の音速XDは、6
000m/s : 100w=xDm/s : 855
m+の比例計算によ’) Xp == 5100 m1
/Sが容易に求められる。また底面エコー関′の出現位
置が前記CRTの時間軸上の83・311@の位置であ
る場合、被検体10の横波の音速X5は縦波の場合と同
様に、3000m/s : 100m=X5 : 8:
135mよシX5=2500m/Sが求められる。
ところで固体を伝搬する波動は縦波と横波があシ、その
音速は弾性率が既知の場合は、前記式(1)から縦波の
音速CDおよび横波の音速C5が、の公式から求められ
る。ここでEは縦弾性係数(ヤング率)、Gは横弾性係
数(剛性率)、σはボアンン比、ρは密度である。一方
、縦弾性係数Eは弾性定数の換算公式から、 E=2(1+σ)G    ・・・・・・・・・・・・
・・・(4)であるから式(2) 、 (3) 、 (
4)よシボアソン比σは、で表され、縦波および横波の
音速CD、C8が求められれば、その比C,/′C5を
式(5)に代入して物性の未知な固体のボアンン比σが
求まシ、ついで式(2)。
(3)よシ縦および横の弾性係数E、Gが容易に求めら
れる。本実施例で求めた前記縦波および横波の音速xD
= 5100m/s 、 X5 = 2500m/sの
比の値を式(5)に代入すると、ボアンン比σ=0・3
4が得られ、式偉)、(3)よシ縦弾性係数E=1・6
8X10’V■2、横弾性係数G=6・25×103K
g/m2が求められ、物性の未知な被検体lOの弾性定
数を容易に精度よく測定することができる。また上記の
とおシ測定方法が簡単であるためきわめて短時間に、か
つリアルタイムに測定することができる。
前記実施例においては標準試験片と被検体との板厚が同
一の場合を示したが、異なる板厚の場合でも標準試験片
で設定したスケールはそのまま使用できる。例えば被検
体の板厚が父■である場合に、底面エコーの出現位置が
CB、Tの時間軸上40wmの位置であれば音速は20
1遅くなシ、比例計算によシ縦波の音速xD= 480
0m/s 、横波の音速x s =2400m/sとな
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、平行な2面を有する固体
の1面より他の1面に向けて縦波および横波を入射し、
前記他の1面より反射する反射波の伝搬時間と平行な2
面間の距離とから求めた縦波および横波の固体における
音速の比より固体の弾性定数を測定する方法であるから
、垂直探触子を当接し得る探傷面と、その探傷面にほぼ
平行な小面積の底面を有する固体であれば、その形状。
寸法および材質等に制限を受けることなく、きわめて短
時間に精度のよい測定が、容易にしかもリアルタイムに
できる実用上顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の詳細な説明する図で、第
1図は標準試験片によるCRT上の時間軸のスケールの
設定を説明する図、第2図は被検体の音速測定の説明図
である。 1・・・標準試験片、2.2’・・・垂直探触子(縦波
用および横波用)、4・・・CR,T、  5.50.
5’、 50’・・・底面エコー、10・・・被検体、
a・・・板厚。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、平行な2面を有する固体の1面より他の1面に向け
    て縦波の超音波を入射し、続いて横波の超音波を入射さ
    せ、各超音波の前記他の1面より反射する反射波の伝搬
    時間と前記2面間の距離より、前記固体の縦波および横
    波の各音速を求め、その求めた両音速の比より固体の弾
    性定数を測定する方法。 2、反射波のエコーをAスコープ表示のCRT上に表示
    させ、その表示された位置と標準試験片における反射波
    のエコーのCRT上の表示位置とを比較して固体の縦波
    および横波の各音速を求めることを特徴とする特許請求
    の範囲第1項記載の固体の弾定数を測定する方法。
JP60115325A 1985-05-30 1985-05-30 超音波による固体の弾性定数測定方法 Pending JPS61274256A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05133861A (ja) * 1991-11-12 1993-05-28 Nkk Corp 被検体の弾性定数測定法
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CN103926329A (zh) * 2014-04-04 2014-07-16 北京工业大学 一种基于单纯形法的半无限域基体涂层结构材料弹性性质获取方法
JP2016176884A (ja) * 2015-03-23 2016-10-06 株式会社日立製作所 超音波厚さ測定方法及び装置並びに欠陥位置検出方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS53120585A (en) * 1977-03-30 1978-10-21 Toshiba Corp Remaining life measuring method of metal materials

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