JPH0280951A - 超音波トモグラフィーを用いた試料の組成分布の評価方法および装置 - 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】 ■目的 （イ）　産業上の利用分野 本発明は非破壊的に試料の内部の組成分布を求める方法
に関し、特にコンピューター・トモグラフィーを用いた
組成分布の評価法に関する。

（ロ）　従来の技術 宇宙往環機、核融合炉、断熱機関等の実現には耐熱材料
の開発が最も重要である。特に、高温環境にさらされる
と同時に高い熱落差を受ける構造部材では、いかに内部
に発生する熱応力を緩和するかが重要な課題となる。こ
のため、与えられた温度負荷に対して、熱応力を減少さ
せるように材料内部の組成を人工的に配列する傾斜機能
材料が考えられ現在、鋭意開発が進行している。この材
料内部の組成が目的どおり配列されているかどうかを評
価するためには、材料内部の組成分布を同定する必要が
ある。この種の評価手段として現在Ｘ−線ＣＴが唯一で
ある。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 Ｘ−４ｉｃＴは安全性、装置が大型で高価、操作に時間
を要するなどの欠点を有するので使用範囲が限られる０
本発明は小形の装置で、任意の場所で安全に測定する−
ことのできる評価法を提供することを目的とする。

■発明の構成 （イ）　課Ｕを解決するための手段 この目的のために、試料を複数個の領域に区分したモデ
ルを想定し、試料の表面上の一点から指向性の広い超音
波を発生させ、前記試料を透過した超音波を、区分した
各領域を少なくとも一本の超音波の伝播経路が横切るよ
うに試料表面の複数の点で受信し、各受信点に至るまで
の超音波の透過時間を測定し、前記モデルの各領域を通
過した超音波の伝播速度を求め（コンピューター・トモ
グラフィーの方法）、その速度から前記各領域の組成を
求めるような構成であることを特徴とする。

（ロ）　作用 弾性体中を伝播する超音波の１１波の速度Ｖは、ヤング
率Ｅ、密度ρ、ポアソン比νを用いて、次式のように表
せる。

Ｖ”−Ｅ［１−ｙ］／ｉ［ｌ＋ｙｌ［ｌ　−２ν１／Ｉ
ｌｌ　　　　　無限体　　　　　　（１）Ｖ”＝Ｅ／［
（１−ｖ’＞ｐｌ　　　　　　　　　　　　　板　　　
　　　　　　（２）Ｖ″−Ｅ／ρ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　捧　　　　　　　　　（３）一般
に、 Ｖ＝４（Ｅ、ρ、ν）−Ｆ（組成の成分）　　　　　　
　　　（４）と表される。対象としている材料中に含ま
れる成分に対して関数ｆは一価関数を仮定する。そこで
、図−２に示すように、与えられた幾何学形状の物体に
対して、局所的なＨＩｆ波の透過時間を測定する。超音
波の伝播速度は式（１）、（２）、（３）のように材料
のヤング率：Ｅ、密度：ρ、ポアソン比、νによって変
化する。従って、透過時間を測定すれば超音波の透過経
路上の（Ｅ、ρ、ν）なる量の漬分値が得られることに
なる。これよりＣＴ（コンピューター・トモグラフィー
）計算を行うことで局所的な物性値（Ｅ、ρ、ν）が判
り、最後に（Ｅ、ρ、ν）よｒ）材料を同定することで
組成分布を求める。

（ハ）実施例 （Ａ）　　−次元物体 ｅｉ！ｌ−３に示すような等厚の無限帯板が板厚方向く
Ｘ−軸）のみ非均質な組成分布となっている場合を考え
る１図の左端に微少スポット径を持つレーザーパルスを
照射すると熱弾性効果により照射点から超音波が発生す
る。これを右端のＳＩＩなる場所でレシーバ−により波
を受信することで、経ＩＬ−に沿って超音波が伝播する
時間ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）：ｒ−が
求まる。一方、Ｌｍに沿うｒｍは、微少経路長さをｄｌ
とすると、次式で与えられる。

し、ハ］［／　ｌ　＝　Ｎｒ　ｌ　　　　　　　　　　
　　　　　（８）のようになり、これをベクトル■につ
いて解けば［Ｖ］＝［Ａ］−’１１ｒｌ　　　　　　　
　　　　　　　（９）となって速度が：Ｐ：まる。速度
から式（４）の関係より組成の成分が最終的に決定でき
る。

（Ｂ）　　二次元物体 二次元の非均質体に対しては、−次元物体の場合を直交
する軸方向に拡張して、油筒と全く同一の手順にて行え
ばよい、ただし、−次元の場合には分割を層状に実施し
たが、二次元の場きにはビクセル（＠少格子）なる。

（Ｃ）　　軸対称円筒 図−４に示すような軸対称円筒体を考える。最初に、組
成分布は軸対称を仮定する。伝播経ｉｉ’１ｊＬｓに沿
う超音波のＴＯＦは次に、受信場所Ｓ１１が必ず異なる
層に含まれるように板厚をＮ個の層に分割し、各層内で
組成は均一であると仮定する。すると、式（５）は次式
のように書き改められる。

ｒｍ−二　　　Ｖｉ　　・　Δ１ｍｌ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　（６１＝ま ただし、Ｖｉは層内の伝ｉ遠度の逆数、すなわちＶ　ｉ
　＝　１　／　Ｖ　ｉ　、Δ１ｍ：は伝播経ｌＬａのう
ちの１番目の層の伝播経路長であり、ＫはＬｍ中に含１
れる層の数である１例えば、図−３の第一番目の層にレ
ーザービームを照射した場合。

式（６）は次のように書ける。

Ｌｍ ただし、ｒは半径、Ｎは経路の総数である８図のごとく
円筒体をＮ個のリングに分割し、リング内では仮定によ
り組成は均質とする。し鋤に沿うＴＯＦは次のように書
き改められる。

ｉ＝ま ただし、ΔｌｌＩ＋は経路Ｌｍに含まれる外側から１番
目のリングの経路長である。

図に示すようなレーザービームの照射とレンーバーの配
列に対して、（Ｄ）非軸対称組成分布の円筒体 図−５のように、円筒体をリングと放射状に分割する。

半径方向にＮ分割（Ｎ＠のリングに相当）、周方向にＭ
分割すれば、ＮＸＭ個のビクセル（分割された微少格子
要素）で円ｒＩＲ体は構成されることになる。各ビクセ
ル内では均質と仮定する。すると、ＮＸＭ個のレシーバ
−を、各ビクセルを少なくとも一本の超音波の経路が横
切るように配置することにより、これまでの手順と同じ
ように組成分布を求めることがでる。

■発明の効果 レーザー光を一点に照射するのみで測定でき、スキャン
ニングが不要となるので装置が小形化することができる
。又、操作方法が簡単となる。どのような試料でも正確
に評価できる。特に、物体中に含まれる空孔、異質物等
の同定や位置の確認、材料の組成分布の決定や材料の特
性評価（例えば、焼結セラミ・ツク図−２は本発明の方
法しめずフローチャート。

図−３は本発明の一次元物体の場合のビーム、レシーバ
−１区分モデル説明図図−４は本発明の軸対象１円筒体
の場合のビーム、レシーバ−５区分モデル説明図 図−５は本発明の非均質円ｌ！ｊ体の場合のビーム、レ
シーバ−２区分モデル説明図 レーザービーム 図−４ 軸対称円筒体のモデル −Ｌ 続 １山 ＋［モ 書 （方式） １１件のノン示 昭和６３年特許願第２ ３８号 発明の名作 超音波トモグラフィーを用いた試料の組成分布の評ｆ１
１１ｉ方法および装置 補正をする者 °ド件との関係 住所

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料を複数の領域に区分したモデルを想定し、試
   料の表面上の一点から指向性の広い超音波を発生させ、
   前記試料を透過した超音波を、区分した各領域を少なく
   とも一本の超音波の伝播経路が横切るように試料表面の
   複数の点で受信し、各受信点に至るまでの超音波の透過
   時間を測定し、前記のモデルの各領域を通過した超音波
   の伝播速度を求め（コンピューター・トモグラフィーの
   方法）、その速度から前記各領域の組成を求めることか
   らなる、試料内部の組成分布の評価法。
2. （２）前記超音波をレーザー光の照射によって発生させ
   ることを特徴とする。 請求項（１）記載の組成分布の評価法。
3. （３）請求項（１）、（２）を実施するための装置とし
   て、図−１に示すようなレーザー発振機と複数個の超音
   波受信器（レシーバー）、及び超音波の透過時間測定装
   置（トランジェント・レコーダー、デシタイジング・オ
   シロスコープ）、ならびに内部の組成分布を計算する（
   トモグラフィー）計算機より構成するものである。