JPS6133136B2 - - Google Patents
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- JPS6133136B2 JPS6133136B2 JP52001177A JP117777A JPS6133136B2 JP S6133136 B2 JPS6133136 B2 JP S6133136B2 JP 52001177 A JP52001177 A JP 52001177A JP 117777 A JP117777 A JP 117777A JP S6133136 B2 JPS6133136 B2 JP S6133136B2
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- horn
- ultrasonic
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- ultrasonic vibrator
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
〔産業上の利用分野〕
本発明は、超音波を用いて物体の材質を識別す
る方法に関するもので、特に物体の寸法や形状に
無関係に、非破壊的に物体固有の音響的性質を検
出する方法に関するものである。 〔従来技術と問題点〕 従来、材料の強度、硬度、弾性等その他の物性
を測定するために、それぞれ専用の測定機あるい
は試験機が用いられている。しかしながら、従来
のこれらの装置では機器に適合するような形状寸
法の試験片を用意しなければならず、また試験片
を破断してしまう試験もある。 従つて、従来の機器では存在する物体を加工し
たり破壊することなく、あるがままの状態で物性
を測定することはできなかつた。また物性を測定
して、その物体の種類を固定することはできなか
つた。 一方、超音波を利用して非破壊的に材料を検査
するものとしては、超音波厚み計が知られてい
る。しかし、厚み計では、材料固有の物性を測定
することはできない。 〔発明の目的〕 本発明は、物体の音響的性質を非破壊的に測定
して、物体の材質を検出、あるいは逆に物体の種
類を同定するための方法を提供することを目的と
する。 〔発明の構成〕 本発明は、ホーン付き超音波振動子のホーン先
端を物体に押しつけると、その共振周波数Oや
共振尖鋭度Ｑが大きく変化するという事実にもと
づいている。これらの変化は、物体に固有の音響
インピーダンスρｃ（ρは密度、ｃは固体中の縦
波速度）に関係しているので、本発明は、上述の
OおよびＱの変化分を測定して、ホーンを押し
付けられた物体の音響インピーダンスを検出しよ
うとするものであり、逆に検出された音響インピ
ーダンスから被検出物体の種類を同定しようとす
るものである。 即ち、本発明は、ホーン付き超音波振動子と、
該超音波振動子を駆動する共振点追尾型超音波駆
動装置と、上記超音波振動子の共振周波数および
共振尖鋭度を検出する手段とを有する超音波振動
装置を用い、上記ホーン付き超音波振動子のホー
ン先端を被検出物体に当接し、該当接にともなう
上記共振周波数および共振尖鋭度の変化分を測定
し、該測定された変化分から被検体の材質を識別
することを特徴とする物体の材質を非破壊的に検
出する方法である。 〔発明の作用〕 超音波振動子とホーンから成る振動系の共振点
近傍での電気的等価回路および、被検体である負
荷の等価回路を第１図ａおよびｂに示す。図にお
いて、ｍ，ｓおよびｒは振動系の等価質量、等価
ステイフネスおよび等価抵抗をそれぞれ示す。Ｆ
〓は振動子による駆動力を示し、υ１およびυ２
はホーンの細端面および太端面の振動速度を、そ
れぞれ示す。ｎはホーンの速度変成比（＝υ２／
υ１）でホーンの形状によつて決まる。 今ホーン先端が物体に接触していない無負荷時
においては、第１図の端子１，１′間が短絡され
た状態であり、共振周波数Oは
る方法に関するもので、特に物体の寸法や形状に
無関係に、非破壊的に物体固有の音響的性質を検
出する方法に関するものである。 〔従来技術と問題点〕 従来、材料の強度、硬度、弾性等その他の物性
を測定するために、それぞれ専用の測定機あるい
は試験機が用いられている。しかしながら、従来
のこれらの装置では機器に適合するような形状寸
法の試験片を用意しなければならず、また試験片
を破断してしまう試験もある。 従つて、従来の機器では存在する物体を加工し
たり破壊することなく、あるがままの状態で物性
を測定することはできなかつた。また物性を測定
して、その物体の種類を固定することはできなか
つた。 一方、超音波を利用して非破壊的に材料を検査
するものとしては、超音波厚み計が知られてい
る。しかし、厚み計では、材料固有の物性を測定
することはできない。 〔発明の目的〕 本発明は、物体の音響的性質を非破壊的に測定
して、物体の材質を検出、あるいは逆に物体の種
類を同定するための方法を提供することを目的と
する。 〔発明の構成〕 本発明は、ホーン付き超音波振動子のホーン先
端を物体に押しつけると、その共振周波数Oや
共振尖鋭度Ｑが大きく変化するという事実にもと
づいている。これらの変化は、物体に固有の音響
インピーダンスρｃ（ρは密度、ｃは固体中の縦
波速度）に関係しているので、本発明は、上述の
OおよびＱの変化分を測定して、ホーンを押し
付けられた物体の音響インピーダンスを検出しよ
うとするものであり、逆に検出された音響インピ
ーダンスから被検出物体の種類を同定しようとす
るものである。 即ち、本発明は、ホーン付き超音波振動子と、
該超音波振動子を駆動する共振点追尾型超音波駆
動装置と、上記超音波振動子の共振周波数および
共振尖鋭度を検出する手段とを有する超音波振動
装置を用い、上記ホーン付き超音波振動子のホー
ン先端を被検出物体に当接し、該当接にともなう
上記共振周波数および共振尖鋭度の変化分を測定
し、該測定された変化分から被検体の材質を識別
することを特徴とする物体の材質を非破壊的に検
出する方法である。 〔発明の作用〕 超音波振動子とホーンから成る振動系の共振点
近傍での電気的等価回路および、被検体である負
荷の等価回路を第１図ａおよびｂに示す。図にお
いて、ｍ，ｓおよびｒは振動系の等価質量、等価
ステイフネスおよび等価抵抗をそれぞれ示す。Ｆ
〓は振動子による駆動力を示し、υ１およびυ２
はホーンの細端面および太端面の振動速度を、そ
れぞれ示す。ｎはホーンの速度変成比（＝υ２／
υ１）でホーンの形状によつて決まる。 今ホーン先端が物体に接触していない無負荷時
においては、第１図の端子１，１′間が短絡され
た状態であり、共振周波数Oは
第２図は、本発明に用いる超音波振動装置の一
例を示す回路図である。図において、周波数O
において、容量ＣOと振動子Ｔの制動インダクタ
ンスとが並列共振するように構成し、モーシヨナ
ル電流（したがつて、第１図のυ２である）に比
例した電圧ｅOを、トランス１で取り出してい
る。一方、駆動周波数で励振電圧ＶdとｅOとの
位相差ΔθOは、ΔθO≒tan-1Q（／O−
O／）で表わされ、Oの上下で符号が反転す
る。従つて、ｅOをリミツタ３を介して同期検波
器４へe1として与え、移相器５を介して得たＶd
と位相比較して、ΔθOに比例した直流電圧e3を
得、このe3を電圧制御発振器（VCO）６へ制御
電圧として与え、これによりVCO６の発振周波
数は共振周波数Oを自動追尾する。振動系が無
負荷のとき、即ちホーンＨの先端に物体を押し付
けていないとき、e3が０となるように、VCO６
を調整しておけば、音響負荷を加えたとき、即
ち、ホーンＨを物体に押し付けたときの発振周波
数の変化、即ちOの変化にe3が比例することに
なる。従つて直流電圧計７で読みとつたe3の値が
OL／Oを表わすことになる。 また励振電圧Ｖdが一定振幅になるようにする
と、駆動力Ｆ〓の振幅も一定になり、共振点O
での振動速度υ２の大きさはＱに比例することに
なる。従つて、υ２に比例する電圧ｅOを整流器
２で整流し、その電圧を電圧計で読み取ることに
より、ＱL／Ｑが得られる。 第２図の超音波振動装置のホーンＨの先端を、
音響インピーダンスρｃの知られた種々の材料
（ここでは、真ちゆう、鉄、ステンレス鋼、アル
ミニウム、鉛、ベークライト、アクリル樹脂およ
び軟質ゴムの７種類）について、OL／Oおよ
びＱL／Ｑを測定した、その結果を、それぞれを
縦軸にρｃを横軸にとつて、第３図ａ，ｂに示
す。 なお、被検体としてはいずれも直径30mm、厚さ
17mmの円柱体とし、円柱体の端面にホーンＨの先
端を一定の圧力で押し付けて測定した。 第３図から明らかなように、OL／Oは音響
インピーダンスρｃに極めて良く比例し、ＱL／
Ｑも多少だらつきはあるが比例関係にある。 従つて、ホーン先端を被検体の表面に押しつけ
OL／OとＱL／Ｑをメータ、７および８で読む
ことにより、その値から被検体の物体であるρｃ
を知ることができる。また逆に、こうして知つた
ρｃから、被検体の材料の種類を同定することが
できる。 次に、被検体の寸法、形状による影響を知らべ
るために、真ちゆう材について、厚さ一定（17
mm）として直径を種々に変えた場合、および直径
を一定（30mm）として厚さを種々変えた場合の
OL／OおよびＱL／Ｑを測定した。その結果を第
４図ａおよびｂに示す。 第４図ａ，ｂを見ると、OL／OおよびＱL／
Ｑの材料の寸法による変化は、材料の種類による
変化に比べて極めて小さく、従つて、被検体の寸
法、形状には影響されずに音響インピーダンスを
知ることができることがわかる。 〔発明の効果〕 以上のように、本発明によれば、単にホーン付
き超音波振動子のホーン先端を被検出物体に押し
付けるのみで、物体に固有の音響インピーダンス
に比例するOL／OおよびＱL／Ｑを測定でき、
これにより音響インピーダンスを知ることができ
るとともに、それより物体の材質を識別できるの
で、被検体の物性の検出や被検体の材質の種類の
同定を非破壊で行なうことができるという大きな
利点がある。
例を示す回路図である。図において、周波数O
において、容量ＣOと振動子Ｔの制動インダクタ
ンスとが並列共振するように構成し、モーシヨナ
ル電流（したがつて、第１図のυ２である）に比
例した電圧ｅOを、トランス１で取り出してい
る。一方、駆動周波数で励振電圧ＶdとｅOとの
位相差ΔθOは、ΔθO≒tan-1Q（／O−
O／）で表わされ、Oの上下で符号が反転す
る。従つて、ｅOをリミツタ３を介して同期検波
器４へe1として与え、移相器５を介して得たＶd
と位相比較して、ΔθOに比例した直流電圧e3を
得、このe3を電圧制御発振器（VCO）６へ制御
電圧として与え、これによりVCO６の発振周波
数は共振周波数Oを自動追尾する。振動系が無
負荷のとき、即ちホーンＨの先端に物体を押し付
けていないとき、e3が０となるように、VCO６
を調整しておけば、音響負荷を加えたとき、即
ち、ホーンＨを物体に押し付けたときの発振周波
数の変化、即ちOの変化にe3が比例することに
なる。従つて直流電圧計７で読みとつたe3の値が
OL／Oを表わすことになる。 また励振電圧Ｖdが一定振幅になるようにする
と、駆動力Ｆ〓の振幅も一定になり、共振点O
での振動速度υ２の大きさはＱに比例することに
なる。従つて、υ２に比例する電圧ｅOを整流器
２で整流し、その電圧を電圧計で読み取ることに
より、ＱL／Ｑが得られる。 第２図の超音波振動装置のホーンＨの先端を、
音響インピーダンスρｃの知られた種々の材料
（ここでは、真ちゆう、鉄、ステンレス鋼、アル
ミニウム、鉛、ベークライト、アクリル樹脂およ
び軟質ゴムの７種類）について、OL／Oおよ
びＱL／Ｑを測定した、その結果を、それぞれを
縦軸にρｃを横軸にとつて、第３図ａ，ｂに示
す。 なお、被検体としてはいずれも直径30mm、厚さ
17mmの円柱体とし、円柱体の端面にホーンＨの先
端を一定の圧力で押し付けて測定した。 第３図から明らかなように、OL／Oは音響
インピーダンスρｃに極めて良く比例し、ＱL／
Ｑも多少だらつきはあるが比例関係にある。 従つて、ホーン先端を被検体の表面に押しつけ
OL／OとＱL／Ｑをメータ、７および８で読む
ことにより、その値から被検体の物体であるρｃ
を知ることができる。また逆に、こうして知つた
ρｃから、被検体の材料の種類を同定することが
できる。 次に、被検体の寸法、形状による影響を知らべ
るために、真ちゆう材について、厚さ一定（17
mm）として直径を種々に変えた場合、および直径
を一定（30mm）として厚さを種々変えた場合の
OL／OおよびＱL／Ｑを測定した。その結果を第
４図ａおよびｂに示す。 第４図ａ，ｂを見ると、OL／OおよびＱL／
Ｑの材料の寸法による変化は、材料の種類による
変化に比べて極めて小さく、従つて、被検体の寸
法、形状には影響されずに音響インピーダンスを
知ることができることがわかる。 〔発明の効果〕 以上のように、本発明によれば、単にホーン付
き超音波振動子のホーン先端を被検出物体に押し
付けるのみで、物体に固有の音響インピーダンス
に比例するOL／OおよびＱL／Ｑを測定でき、
これにより音響インピーダンスを知ることができ
るとともに、それより物体の材質を識別できるの
で、被検体の物性の検出や被検体の材質の種類の
同定を非破壊で行なうことができるという大きな
利点がある。
第１図は、本発明の原理を説明するための超音
波振動系および負荷物体の等価回路を示す図、第
２図は、本発明の実施に用いる超音波振動装置の
一例を示す回路図、第３図ａは、第２図の装置を
用いて種々の物体について測定したOL／O
とその音響インピーダンスとの関係を示す図、第
３図ｂは同様にＱL／Ｑと音響インピーダンスの
関係を示す図、第４図ａは、材料の厚さを一定と
したときの直径の変化に対するOL／Oおよび
ＱL／Ｑの変化を示す図、第４図ｂは直径を一定
としたときの厚さの変化に対するOL／Oおよ
びＱL／Ｑの変化を示す図である。 Ｔ……超音波振動子、Ｈ……ホーン、１……ト
ランス、２……整流器、３……リミツタ、４……
同期検波器、５……移相器、６……電圧制御発振
器、７……直流電圧計、８……直流電圧計。
波振動系および負荷物体の等価回路を示す図、第
２図は、本発明の実施に用いる超音波振動装置の
一例を示す回路図、第３図ａは、第２図の装置を
用いて種々の物体について測定したOL／O
とその音響インピーダンスとの関係を示す図、第
３図ｂは同様にＱL／Ｑと音響インピーダンスの
関係を示す図、第４図ａは、材料の厚さを一定と
したときの直径の変化に対するOL／Oおよび
ＱL／Ｑの変化を示す図、第４図ｂは直径を一定
としたときの厚さの変化に対するOL／Oおよ
びＱL／Ｑの変化を示す図である。 Ｔ……超音波振動子、Ｈ……ホーン、１……ト
ランス、２……整流器、３……リミツタ、４……
同期検波器、５……移相器、６……電圧制御発振
器、７……直流電圧計、８……直流電圧計。
Claims (1)
- １ ホーン付き超音波振動子と、該超音波振動子
を駆動する共振点自動追尾型超音波駆動装置と、
上記超音波振動子の共振周波数および共振尖鋭度
を検出する手段とを有する超音波振動装置を用
い、上記ホーン付き超音波振動子のホーン先端を
被検出物体に当接し、該当接にともなう上記共振
周波数および共振尖鋭度の変化分を測定し、該測
定された変化分から被検体の材質を識別すること
を特徴とする物体の材質を非破壊的に検出する方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP117777A JPS5387287A (en) | 1977-01-11 | 1977-01-11 | Nonndestructive detecting apparatus for difference in qualities or constructions of articles |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP117777A JPS5387287A (en) | 1977-01-11 | 1977-01-11 | Nonndestructive detecting apparatus for difference in qualities or constructions of articles |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5387287A JPS5387287A (en) | 1978-08-01 |
| JPS6133136B2 true JPS6133136B2 (ja) | 1986-07-31 |
Family
ID=11494149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP117777A Granted JPS5387287A (en) | 1977-01-11 | 1977-01-11 | Nonndestructive detecting apparatus for difference in qualities or constructions of articles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5387287A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013134165A (ja) * | 2011-12-27 | 2013-07-08 | Kajima Corp | コンクリート等弾性係数が不知の材料のｕｃｉ法による測定方法 |
-
1977
- 1977-01-11 JP JP117777A patent/JPS5387287A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013134165A (ja) * | 2011-12-27 | 2013-07-08 | Kajima Corp | コンクリート等弾性係数が不知の材料のｕｃｉ法による測定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5387287A (en) | 1978-08-01 |
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