JPH0271146A - パルス反射法による超音波の往復時間精密測定法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、固体中における音速の精密測定法に関するも
のである。

〔従来の技術〕

構造物の金属材料の溶接部等に実際の使用状態において
作用する外部応力や溶接残留応力、熱応力等の内部応力
を測定する方法の一つとして、超音波による非破壊応力
測定法が知られている。この測定法の原理は次のとおり
である。

第２図に示すように、材料（１）に主応力σ１　σ２が
作用しているとき、この材料（１）中での２つの主応力
σ１及びσ２方向に偏向した２つの横波の伝播速度をそ
れぞれνｌ及びｖ２とすると、次の関係式％式％ ここで、αは材料の組織音響異方性（σ１−σ２＝０の
状態の（１）式の左辺の値）、Ｃ＾は材料（１）の音弾
性定数である。２つの横波が反対面で反射して戻る迄の
時間をそれぞれＴ１及びＴ２とすれば、上式は次のよう
に変形できる。

（２）式より、α及びＣＡを予め測定しておけば、超音
波の往復時間Ｔ１及びＴ２を測定することにより、主応
力の差σ１−σ２を求めることができる。

一方、材料中の縦波の伝播速度をＶ＋、とすると縦波と
横波の伝播速度の間に次の関係がある。

ＴＬ ％（Ｖ１＋Ｖ２　）’″ＲＯ＋ＣＲ（７Ｆｌ　＋　′２
　）　　　　（３）ここで、ｌ？ｏ及びＣＲは材料にお
ける定数である。

（３）式を前と同様に変形すると、 ＴＬ 各＜　ｒ　１　＋　Ｔ２　＞　”Ｏ＋ＣＲ（’　１“ｇ
２）　　　　（４）ここでＴＬは縦波の往復時間である
。定数ＲＯ及びＣＲの値を前以て測定しておけば、ＴＬ
、　Ｔｌ、Ｔ２の測定値から式（２）及び式（４）より
、σ１及びσ２を分離して求めることができる。

上記の原理により、材料に作用する主応力σｌ及びσ２
の値を正確に求めるためには、非常に小さい伝播時間差
Ｔｌ−７２の値を正確に決定する必要があり、従ってＴ
Ｉ及びＴ２の値を極めて正確に測定する必要がある。

従来の縦波、横波の超音波の固体中の伝播時間を求める
方法は、第３図に示すように、被測定物（２）の表面（
３）に圧電素子よりなる振動子兼検知子（４）を音響結
合剤Ｑ３を介して強く接触させ、振動子兼検知子（４）
に高周波パルス電圧を印加して、超音波を発生させ、そ
の超音波が被測定物（２）の裏面（５）で反射して帰っ
てくる波を振動子兼検知子（４）で電圧に変換してヰ食
出し、その超音波の往復に要する時間を測定する方法が
知られている。

振動子兼検知子（４）から被測定物（２）に入力された
超音波は、第３図に示すように、被測定物（２）の裏面
（５）で反射した波の一部は振動子兼検知子（４）に入
るが、残りは被測定物（２）の表面（３）で再び反射し
て、裏面（５）で再び反射され、被測定物（２）内で反
射を繰り返す。そして表面（３）で反射するたびに一部
が振動子兼検知子（４）に入り、第４図に示すように、
第１反射波（６）、第２反射波（７）、第３反射波（８
）・−ｍ−−−のように順次減衰する波が検出される。

超音波の往復時間を正確に測定するためには、この第１
反射波（６）と第２反射波（７）の同し波形位置の到達
時間の差を測定するのがよい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記パルス反射法によれば、振動子兼検知子（４）と被
測定物表面（３）の状態により、第１反射波（６）と第
２反射波（７）の到達の時間間隔の測定値が変動し、測
定値が再現性に乏しい。また振動子兼検知子（４）と被
測定物表面（３）の間にある薄い音響結合剤０乃の股の
粘度や膜厚が変化するため、測定値の安定性が乏しく、
再現性が悪くなり、必要な測定精度をうろことはできな
い。

例えば、板厚２０＋＋＋ｍの鋼材の場合、主応力σ１及
びσ２の方向の横波の伝播時間ＴＬ、ｌ！：Ｔ２の差は
σ１とσ２の差が１００　ｋｇｆ／ｃｄのときでも約０
．０１％にすぎないから、（２）式におけるＴ２−ＴＩ
の値を２桁の精度で求めるためには、第１反射波（６）
と第２反射波（７）の到達時間の間隔を５桁の精度で求
める必要があり、１０　秒以上の分解能を必要とする。

上記従来の測定法では、これだけの測定精度を達成する
ことは列置不可能である。

従って本発明は、パルス反射法により超音波の往復時間
を高精度で測定しうる測定法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成すべ（、本発明者らは鋭意研究を重ねた
結果、上記従来の測定法における測定誤差の原因は次に
あることを見いだした。

上記パルス反射法によれば、第５図に示すように、第１
反射波（６）が被測定物（２）の表面（３）に到達した
とき、その波の一部は振動子兼検知子（４）の内部へ透
過し、振動子兼検知子（４）の背面（９）で反射して、
再び被測定物（２）の中に進入し、表面（３）で反射さ
れた主反射波叫と合流する。振動子兼検知子（４）の厚
みｄは超音波の波長の２分の１に等しいがら、振動子兼
検知子（４）の背面（９）で反射した反射波０υは、表
面（３）で反射した主反射波α０）より約１波長遅れて
合流する。

このようにして主反射波０のと他の反射波０υが重合し
た雑音を含む波が被測定物（２）の裏面（５）で再び反
射して、第２反射波（７）として戻ってくるため、第２
反射波（７）は第１反射波（６）と若干波形が変化して
いる。しかも第１反射波（６）のうち、振動子兼検知子
（４）に透過する超音波のエネルギーの割合は、振動子
兼検知子（４）と被測定物表面（３）の状態及び音響結
合剤的の粘度や膜厚により大きく変化する。

従って、第２反射波（７）の波形は、この振動子兼検知
子（４）の接触状態により変化し、完全には安定化せず
、また板金安定化しても、振動子兼検知子（４）の裏面
（５）からの反射波αυの影響は避けられない。

第２反射波（７）には必ず、背面（９）からの反射波０
υの成分が重畳して、第１反射波（６）とは波形が変化
して歪んでいるため、第１反射波（６）と第２反射Ｍ　
（７１は決して正確に同一波形にならず、第１反射波（
６）と第２反射波（７）において、正確に同じ位相の点
を求めることは極めて困難である。

このため、第１反射波（６）と第２反射波（７）の到達
時間の差を正確に測定しようとしても、背面（９）から
の反射波０υに起因する誤差の混入を避けることは不可
能であり、上記従来法では、超音波の伝播時間の測定精
度に限界がある。

この振動子兼検知子（４）の背面（９）からの反射波α
υの影響を排除するためには、被測定物（２）の表面（
３）と振動子兼検知子（４）の間に、超音波の１〜２波
長の厚みを有し、被測定物（２）よりも音響インピーダ
ンス（ＶＢ度×伝播速度）の小さい材質よりなる薄板を
介在させることにより、振動子兼検知子（４）の背面（
９）からの反射波αυを２波長以上遅らせて反射波Ｏｌ
に合流させることができ、これにより第２反射波（７）
の波頭の約２波長の間の波形には、背面（９）からの反
射波（１１１の影響を排除し、第１反射波（６）と第２
反射波（７）の時間間隔を高精度で測定しうろことを見
いだし、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は２測定物表面に接触した圧電素子よりな
る振動子から超音波パルスを発射して、被測定物の裏面
で反射して戻ってくる超音波を、被測定物表面に装着し
た圧電素子よりなる検知子により電気信号に変換して、
被測定物中の超音波の伝播時間を測定するパルス反射法
において、該振動子及び該検知子と被測定物表面の間に
被測定物よりも音響インピーダンスが小なる材質よりな
り、厚みが超音波の波長の１〜４倍の薄板よりなる遅延
スタビライザーを密着介在せしめるとともに、入射した
超音波が被測定物の裏面で１回反射して表面に戻ってき
た第１反射波と、この第１反射波が該表面で更に反射し
、次に該裏面で反射して再び該表面に戻ってきた第２反
射波との２つの反射波の間の到達時間間隔を測定するこ
とを特徴とするパルス反射法による超音波の往復時間精
密測定法を要旨とする。

次に本発明の内容を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の測定法を示す断面図である。

被測定物（２）と圧電素子よりなる振動子兼検知子（４
）の間に被測定物（２）より音響インピーダンスの小さ
い材質の薄板よりなる遅延スタビライザーＱｌを挟んで
、振動子兼検知子（４）を音響結合剤αコを介して被測
定物（２）の表面（３）に押し付ける。ｍ動子兼検知子
（４）と遅延スタビライザー０３１は接着剤等により一
体に接合しておくのがよい。

振動子兼検知子（４）は水晶、チタン酸バリウム、ジル
コン酸チタン酸鉛、等の公知の圧電効果の大きい材料の
圧電素子よりなり、パルス電圧を印加することにより、
パルス状の超音波を発生する振動子として作用し、同時
に同一圧電素子が超音波を受けて、これを電圧波形に変
換する検知子として働く、同−圧電素子を振動子兼検知
子として用いるかわりに、振動子用圧電素子と挟知子用
圧電素子を別々に設けてもよい。

遅延スタビライザー〇３の厚みＤは超音波の波長λの１
〜４倍が好ましく、１〜２倍が更に好ましい。この厚み
が波長λより薄いと、第１反射波（６）のうち、遅延ス
タビライザー０国内に透過して、遅延スタビライザー〇
濁と振動子兼検知子（４）の界面００で反射した波の遅
れが小さく、第２反射波（７）の波頭部分にまで影響を
与え、第２反射波（７）の到達時間の測定精度を低下さ
せる。

第１反射波（６）の一部分は被測定物（２）から遅延ス
タビライザー側内に透過し、界面（１４１で反射するが
、その反射波αωの一部は更に遅延スタビライザーθ焉
内で多重反射を繰返す。この多重反射波は反射の度に減
衰するので、第２反射波（７）が到達するまでに充分減
衰すれば、この多重反射波が第２反射波（７）の波形に
影響を与えることはない。しかし遅延スタビライザー〇
濁の厚みＤが大き過ぎると、第２反射波（７）が到達す
るまでの時間内における遅延スタビライザーα湯内での
多重反射波の反射回数が少なくなり、従って充分な減衰
率が得られないため、多重反射波の振幅が零になる前に
第２反射波（７）が被測定物（２）から遅延スタビライ
ザーα蕩に到達し、第２反射波（７）の波形が変形して
、正確な音速測定が困難となる。

この理由から遅延スタビライザー０３１の厚みＤは超音
波の波長λの４倍以下が好ましい。

遅延スタビライザーａ美の材質は被測定物（２）よりも
音響インピーダンスの小さいものが必要であり、被測定
物（２）のそれの４分の１以下に選ぶのが好ましい。被
測定物（２）と遅延スタビライザー０１の音響インピー
ダンスの差を大きくすることにより、被測定物（２）の
表面（３）での音圧反射率を高め、界面囲からの反射波
（１５１の影響を少なくすることができる。

遅延スタビライザーα争の材質の例としては、合成樹脂
、例えばポリメチルメタクリレート樹脂等のアクリル系
合成樹脂、が好ましく用いられる。

遅延スタビライザーα聾と被測定物（２）の表面（３）
の間には、松やに等の音響結合剤αりを薄く介在させる
と遅延スタビライザーα美と表面（３）の接触状態を安
定化することができる。

第１図に示すような装置を用いて高精度で超音波の伝播
時間を測定するには、周期的に超音波パルスを発生させ
、極めて多数回の測定を自動的に繰り返し、その平均値
を求めるのがよい。

〔作用〕

本発明のパルス反射法による超音波の往復時間精密測定
法によれば、第６図に示すように、振動子兼検知子（４
）から発射された超音波は被測定物（２）の裏面（５）
で反射して第１反射波（６）として戻ってくる。第１反
射波（６）の大部分は被測定物（２）の表面（３）で反
射し、一部は遅延スタビライザー０１の中へ透過する。

遅延スタビライザー〇罎の中へ透過した波の一部は遅延
スタビライザー０３と振動子兼検知子（４）の界面Ｑ４
１で反射して被測定物（２）に入る。遅延スタビライザ
ー〇簿の中へ透過した波の残りは更に振動子兼検知子（
４）の中へ透過し、振動子兼検知子（４）の背面（９）
で反射して、遅延スタビライザーａ３を経て被測定物（
２）に入る。更に第１反射波（６）のうち遅延スタビラ
イザーａｌ又は振動子兼検知子（４）の内部で複数回反
射を繰り返した後、被測定物（２）に入る波もある。こ
れらの反射波が重ね合わされて、被測定物（２）の裏面
（５）で反射して、第２反射波（７）となって戻ってく
る。

第１反射波（６）のうちの大部分の被測定物（２）の表
面（３）で反射した主反射波Ｑｌに対し、その他の合流
する反射波の内、最も遅れの小さいのは、遅延スタビラ
イザーα美と振動子兼検知子（４）の界面Ｑ４１で反射
して真直ぐ被測定物（２）に入る反射波０！９であるが
、遅延スタビライザーａｌの厚みＤが１波長以上あるか
ら、反射波ａりの主反射波Ｏｌに対する遅れは、２波長
以上あり、主反射波頭の波頭の少なくとも２波長の波形
は乱されることがない。従って第２反射波（７）の波頭
の少なくとも２波長までの部分は第１反射波（６）と同
じ波形となるので、同一位相部分の到達時間を正確に測
定することができる。

〔実施例〕

本発明の測定法により、多数回自動的に測定を繰り返す
方法として、所謂シングアラウンド法を用いると、極め
て正確な測定が可能である。

第７図に示すように、シングアラウンドユニット内の高
周波パルス発生器によって発振された電気的なパルス信
号を、出力端子から振動子兼検知子（４）の圧電素子に
印加し、そこで機械的振動に変換され、被測定物（２）
内に超音波が入射される。被測定物（２）内を伝播した
波は裏面（５）で反射し、再び振動子兼検知子（４）に
戻り、ここで再び機械的信号が電気的信号に変換され、
これがゲートアンプに伝えられる。ゲートアンプでは第
１反射波（６）又は第２反射波（７）の電気信号のみが
選択され、これがシングアラウンドユニットに入力され
る。シングアラウンドユニット内ではこの電気信号を増
幅機で増幅し、トリガー回路で電気信号が到着した時刻
を検出する。そしてその時刻から一定の遅延時間後に次
のパルスを発振する。この動作を多数回、例えばｔｏ、
ｏｏｏ回カウンターで計数しつつ繰り返し、そのその繰
り返し動作全体に要した時間を計測して、その周期時間
を求める。

ゲートアンプで選択する信号として第１反射波（６）及
び第２反射波（７）を選択した場合について、それぞれ
この周期時間を求め、その差から第１反射波（６）と第
２反射波（７）の到達する時間間隔を求める。

〔発明の効果〕

本発明のパルス反射法による超音波の往復時間精密測定
法によれば、次のような諸効果を奏する。

＋１１　　測定精度が高く、超音波の伝播時間をｔ　ｏ
−１０秒以上の分解能で測定できる。

（２）被測定物（２）の表面粗さの影響を受けず、容易
に再現性の高い測定が可能である。

（３）　　遅延スタビライザー０階が保護板の働きをし
て、振動子兼検知子（４）が損傷しにくり、取扱いが容
易となる。

（４）　　被測定物（２）の板厚に応じて遅延スタビラ
イザー側の減衰能や板厚を変えれば、数ｏｈｍから数百
−の板厚の材料の音速測定が可能である。

（５）　　遅延スタビライザー０３の音響インピーダン
スを被測定物（２）のそれより数分の１以下に選べば、
反射波は振動子兼検知子（４）の影響を殆ど受けず、正
確な音速測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパルス反射法による超音波の往復時間
測定法を示す断面図、第２図は超音波による応力測定法
の説明図、第３図は従来のパルス反射法による超音波の
往復時間測定法を示す断面図、第４図は超音波の反射波
形図、第５図は従来の測定法における超音波反射の説明
図、第６図は本発明の測定法における超音波反射の説明
図、第７図はシングアラウンド法による測定回路のブロ
ックダイヤグラムである。 （１）・−材料、　　　　　　（２１−・被測定物、（
３）−・−表面、　　　　　　（４）−振動子兼検知子
、＋５Ｌ−ｍ−裏面、　　　　　　＋６１−・第１反射
波、（７）−・・第２反射波、　　　（８）・−・第３
反射波、＋９１−背面、　　　　　　αφ−・主反射波
、αＤ−・−反射波、　　　　　ａｒｐ−音響結合剤、
α１・・・遅延スタビライザーａａ−・−界面、（２）
−反射波。 代理人　弁理士　小　　山　　義　　之第３図 ｌ−１） １７面 、ｌ＋ｌｉ・ 主反射波 反射波 １４１１♀而 第７図 第４図 第２図 第５図 第６図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物表面に接触した圧電素子よりなる振動子
   から超音波パルスを発射して、被測定物の裏面で反射し
   て戻ってくる超音波を、被測定物表面に装着した圧電素
   子よりなる検知子により電気信号に変換して、被測定物
   中の超音波の伝播時間を測定するパルス反射法において
   、該振動子及び該検知子と被測定物表面の間に被測定物
   よりも音響インピーダンスが小なる材質よりなり、厚み
   が超音波の波長の１〜４倍の薄板よりなる遅延スタビラ
   イザーを密着介在せしめるとともに、入射した超音波が
   被測定物の裏面で１回反射して表面に戻ってきた第１反
   射波と、この第１反射波が該表面で更に反射し、次に該
   裏面で反射して再び該表面に戻ってきた第２反射波との
   ２つの反射波の間の到達時間間隔を測定することを特徴
   とするパルス反射法による超音波の往復時間精密測定法
   。
2. （２）該振動子と検知子が同一の圧電素子により兼用さ
   れる特許請求の範囲第１項記載のパルス反射法による超
   音波の往復時間精密測定法。
3. （３）該遅延スタビライザーの厚みが超音波の波長の１
   〜２倍である特許請求の範囲第１項記載のパルス反射法
   による超音波の往復時間精密測定法。
4. （４）該遅延スタビライザーの音響インピーダンスが被
   測定物のそれの４分の１以下である特許請求の範囲第１
   項記載のパルス反射法による超音波の往復時間精密測定
   法。
5. （５）該遅延スタビライザーが合成樹脂板よりなる特許
   請求の範囲第４項記載のパルス反射法による超音波の往
   復時間精密測定法。