JPH0429976B2 - - Google Patents
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- JPH0429976B2 JPH0429976B2 JP58114106A JP11410683A JPH0429976B2 JP H0429976 B2 JPH0429976 B2 JP H0429976B2 JP 58114106 A JP58114106 A JP 58114106A JP 11410683 A JP11410683 A JP 11410683A JP H0429976 B2 JPH0429976 B2 JP H0429976B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- wave
- sample
- surface acoustic
- reflected
- standard sample
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H5/00—Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/028—Material parameters
- G01N2291/02854—Length, thickness
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、主として固体表面への薄膜の蒸着、
表面処理、表面欠陥等により変化する表面弾性波
の音速及び減衰を測定する方法に関するものであ
る。
表面処理、表面欠陥等により変化する表面弾性波
の音速及び減衰を測定する方法に関するものであ
る。
例えば、新たに開発した材料の特性を把握して
物性評価を行う場合や、生産現場において製品の
表面の性質等を測定する効果的な検査法を確立す
る場合には、試料表面近傍の硬さ、曲げ強さ、あ
るいは耐摩耗性等の機械的性質と密接な関係にあ
る表面弾性波の音速及びその伝播に伴う減衰を計
測してそれらを利用するのが望ましい。
物性評価を行う場合や、生産現場において製品の
表面の性質等を測定する効果的な検査法を確立す
る場合には、試料表面近傍の硬さ、曲げ強さ、あ
るいは耐摩耗性等の機械的性質と密接な関係にあ
る表面弾性波の音速及びその伝播に伴う減衰を計
測してそれらを利用するのが望ましい。
本発明者は、先にこのような表面弾性波の音速
測定法（特願昭57−158535号）を提案している。
この測定法は、超音波レンズを通してパルス状の
超音波ビームを試料内に位置する焦点に収束する
ように放射させ、試料から各種経路を経て帰戻す
る反射波の帰戻時間差に基づいて表面弾性波の音
速を測定するもので、超音波レンズ等を機械的に
動かさず、電気的測定のみによつて測定できる点
において従来の測定法よりも優れているが、音速
が周波数に依存する試料についての測定には適さ
ず、また伝播に伴う減衰が大きい試料の測定にも
不向きなものである。
測定法（特願昭57−158535号）を提案している。
この測定法は、超音波レンズを通してパルス状の
超音波ビームを試料内に位置する焦点に収束する
ように放射させ、試料から各種経路を経て帰戻す
る反射波の帰戻時間差に基づいて表面弾性波の音
速を測定するもので、超音波レンズ等を機械的に
動かさず、電気的測定のみによつて測定できる点
において従来の測定法よりも優れているが、音速
が周波数に依存する試料についての測定には適さ
ず、また伝播に伴う減衰が大きい試料の測定にも
不向きなものである。
上記に鑑み、本発明は、材料における表面弾性
波の音速だけでなく、その伝播に伴う減衰を多周
波数にわたつて同時に測定可能とし、それによつ
て音速が周波数に依存する試料や伝播に伴う減衰
が大きい試料についての音速及び減衰の測定をも
可能にした表面弾性波の音速・減衰測定法を提供
しようとするものである。
波の音速だけでなく、その伝播に伴う減衰を多周
波数にわたつて同時に測定可能とし、それによつ
て音速が周波数に依存する試料や伝播に伴う減衰
が大きい試料についての音速及び減衰の測定をも
可能にした表面弾性波の音速・減衰測定法を提供
しようとするものである。
上記目的を達成するため、本発明の測定法は、
測定対象である被験材料と予め選定した標準試料
における表面弾性波の位相上のずれと波形変化を
一定の方式の計算によつて比較することにより、
被験試料における表面弾性波の音速及び減衰を測
定するようにしたものであり、さらに詳しくは、
標準試料及び被験試料のそれぞれに対し、超音波
レンズによりインパルス収束超音波ビームをそれ
らの内部に位置する焦点に収束するように放射
し、反射して帰戻した超音波を電気信号に変換し
て、超音波レンズの端面で反射する内部反射波と
標準試料表面で反射する鏡面反射波の帰戻時間
差、及び上記鏡面反射波と標準試料表面を漏洩表
面弾性波として伝わつた後に戻る表面弾性波の帰
戻時間差を、時間間隔計測器において検出すると
共に、周波数分析器において両試料における表面
弾性波の位相スペクトル及び振幅スペクトルを周
波数の関数として検出し、計算機における上記各
検出値に基づく演算により被験試料における表面
弾性波の音速及び減衰を求めることを特徴とする
ものである。
測定対象である被験材料と予め選定した標準試料
における表面弾性波の位相上のずれと波形変化を
一定の方式の計算によつて比較することにより、
被験試料における表面弾性波の音速及び減衰を測
定するようにしたものであり、さらに詳しくは、
標準試料及び被験試料のそれぞれに対し、超音波
レンズによりインパルス収束超音波ビームをそれ
らの内部に位置する焦点に収束するように放射
し、反射して帰戻した超音波を電気信号に変換し
て、超音波レンズの端面で反射する内部反射波と
標準試料表面で反射する鏡面反射波の帰戻時間
差、及び上記鏡面反射波と標準試料表面を漏洩表
面弾性波として伝わつた後に戻る表面弾性波の帰
戻時間差を、時間間隔計測器において検出すると
共に、周波数分析器において両試料における表面
弾性波の位相スペクトル及び振幅スペクトルを周
波数の関数として検出し、計算機における上記各
検出値に基づく演算により被験試料における表面
弾性波の音速及び減衰を求めることを特徴とする
ものである。
以下に図面を参照して本発明の方法を詳述す
る。
る。
第１図は、本発明の実施に使用する装置の構成
を示し、１は超音波レンズで、単結晶アルミナま
たは溶融石英等からなる円筒部２の先端面に凹球
面状の凹み３を設け、上面に設けた広帯域圧電ト
ランスデユーサ４で励起した縦波を試料５に対向
させた凹球面６において屈折させることにより、
超音波ビームを試料５内に位置する焦点Ｏに収束
させるようにしている。而して、上記圧電トラン
スデユーサ４には、後述するパルス発振器及び反
射波に基づいて表面弾性波の音速及び伝播に伴う
減衰を求めるための処理回路を接続している。
を示し、１は超音波レンズで、単結晶アルミナま
たは溶融石英等からなる円筒部２の先端面に凹球
面状の凹み３を設け、上面に設けた広帯域圧電ト
ランスデユーサ４で励起した縦波を試料５に対向
させた凹球面６において屈折させることにより、
超音波ビームを試料５内に位置する焦点Ｏに収束
させるようにしている。而して、上記圧電トラン
スデユーサ４には、後述するパルス発振器及び反
射波に基づいて表面弾性波の音速及び伝播に伴う
減衰を求めるための処理回路を接続している。
上記装置による本発明の測定法は、先ず、試料
５として標準試料を図示位置に配設し、超音波レ
ンズ１からインパルス収束超音波ビームを試料に
入射させ、レンズ軸近傍を伝播する鏡面反射波と
漏洩表面弾性波を時間的に分離して検出し、これ
によつて得たデータを計算機に記憶させ、次いで
上記標準試料に代えて被験試料を用いて得たデー
タを計算機に送り、それらのデータに基づいて幾
何光学的解析を行うことにより、被験試料におけ
る表面弾性波の音速及び伝播に伴う減衰を、周波
数との関係において測定するものである。
５として標準試料を図示位置に配設し、超音波レ
ンズ１からインパルス収束超音波ビームを試料に
入射させ、レンズ軸近傍を伝播する鏡面反射波と
漏洩表面弾性波を時間的に分離して検出し、これ
によつて得たデータを計算機に記憶させ、次いで
上記標準試料に代えて被験試料を用いて得たデー
タを計算機に送り、それらのデータに基づいて幾
何光学的解析を行うことにより、被験試料におけ
る表面弾性波の音速及び伝播に伴う減衰を、周波
数との関係において測定するものである。
さらに具体的に説明すると、上記試料５に水等
の液体のカプラー７を介して対設される超音波レ
ンズ１上の圧電トランスデユーサ４には、それに
電気的パルス信号を送るパルス発振器が接続さ
れ、このパルス発振器からのパルス信号によりイ
ンパルス収束超音波ビームが放射されると、この
超音波ビームは、複数の成分に分れて試料に伝播
する。
の液体のカプラー７を介して対設される超音波レ
ンズ１上の圧電トランスデユーサ４には、それに
電気的パルス信号を送るパルス発振器が接続さ
れ、このパルス発振器からのパルス信号によりイ
ンパルス収束超音波ビームが放射されると、この
超音波ビームは、複数の成分に分れて試料に伝播
する。
即ち、まず、超音波レンズ１の中心を通つて凹
球面６のＥ点からカプラー７を通り、試料５の表
面のＦ点で鏡面反射して同一の経路を戻る鏡面反
射波の成分（以下、Ｓ波と呼ぶ）があり、さらに
表面弾性波となる超音波の成分（以下、Ｌ波と呼
ぶ）は、超音波レンズ１の中心から離れた部分を
通つて凹球面６のＡ点で焦点Ｏに収束する方向に
屈折し、カプラー７内を通つて試料５表面におけ
るＢ点に達し、ここで試料表面に平行にしかも試
料の表面近傍のみを伝わる表面弾性波となり、Ｂ
点からＦ点を経てＣ点に達すると、そのＣ点から
再びカプラー７中に上記Ｏ点からの発散方向に放
出され、凹球面６のＤ点から超音波レンズ１に入
つて圧電トランスデユーサ４内に戻る。また、超
音波レンズ１の凹球面６におけるＥ点で反射して
同一の経路を戻る内部反射波（以下、Ｉ波と呼
ぶ）もある。
球面６のＥ点からカプラー７を通り、試料５の表
面のＦ点で鏡面反射して同一の経路を戻る鏡面反
射波の成分（以下、Ｓ波と呼ぶ）があり、さらに
表面弾性波となる超音波の成分（以下、Ｌ波と呼
ぶ）は、超音波レンズ１の中心から離れた部分を
通つて凹球面６のＡ点で焦点Ｏに収束する方向に
屈折し、カプラー７内を通つて試料５表面におけ
るＢ点に達し、ここで試料表面に平行にしかも試
料の表面近傍のみを伝わる表面弾性波となり、Ｂ
点からＦ点を経てＣ点に達すると、そのＣ点から
再びカプラー７中に上記Ｏ点からの発散方向に放
出され、凹球面６のＤ点から超音波レンズ１に入
つて圧電トランスデユーサ４内に戻る。また、超
音波レンズ１の凹球面６におけるＥ点で反射して
同一の経路を戻る内部反射波（以下、Ｉ波と呼
ぶ）もある。
上記Ｓ波、Ｌ波、及びＩ波は、それらが圧電ト
ランスデユーサ４に帰戻すると、試料５が標準試
料の場合、圧電トランスデユーサ４から第２図に
示すような電気的信号が出力される。この電気的
信号は時間間隔測定器に送られ、そこで標準試料
におけるＩ波とＳ波、及びＳ波とＬ波のそれぞれ
の時間間隔Δt0，ΔtRが求められ、これらが計算
機に送られてそこに記憶される。
ランスデユーサ４に帰戻すると、試料５が標準試
料の場合、圧電トランスデユーサ４から第２図に
示すような電気的信号が出力される。この電気的
信号は時間間隔測定器に送られ、そこで標準試料
におけるＩ波とＳ波、及びＳ波とＬ波のそれぞれ
の時間間隔Δt0，ΔtRが求められ、これらが計算
機に送られてそこに記憶される。
上記標準試料としては、表面弾性波の音速が周
波数に依存せず、しかも減衰が測定上無視できる
程度に小さい試料を用い、一般的には、本発明の
方法を固体表面への薄膜の蒸着、表面処理、表面
欠陥等による表面の物性評価に利用する場合、そ
の薄膜蒸着等を行う母材を標準試料とするのが適
している。
波数に依存せず、しかも減衰が測定上無視できる
程度に小さい試料を用い、一般的には、本発明の
方法を固体表面への薄膜の蒸着、表面処理、表面
欠陥等による表面の物性評価に利用する場合、そ
の薄膜蒸着等を行う母材を標準試料とするのが適
している。
また、上記第２図の電気的信号は、遅延ゲート
にも送られる。この遅延ゲートは、パルス発振器
からの同期信号に基づいて遅延ゲートパルス発振
器から送出されるゲート信号によつて開閉制御さ
れ、その制御によつてＬ波の信号のみが抽出され
て次段の周波数分析器に送られるようにしたもの
であり、周波数分析器においてはＬ波の周波数分
析によりその位相スペクトル及び振幅スペクトル
が求められ、それらが計算機に記憶される。従つ
て、試料５として標準試料を用いた場合には、位
相スペクトルφS（ω）及び振幅スペクトルVS（ω）
が求められ、また上記標準試料に代えてそれと同
様な状態に被験試料を配設し、同様の操作を行え
ば、被験試料における位相スペクトルφ（ω）及
び振幅スペクトルＶ（ω）が周波数分析器から計
算機に出力される。これらにより、計算機におい
ては次の式に基づく演算が行われ、音速υR（ω）
及び減衰α（ω）が算出される。
にも送られる。この遅延ゲートは、パルス発振器
からの同期信号に基づいて遅延ゲートパルス発振
器から送出されるゲート信号によつて開閉制御さ
れ、その制御によつてＬ波の信号のみが抽出され
て次段の周波数分析器に送られるようにしたもの
であり、周波数分析器においてはＬ波の周波数分
析によりその位相スペクトル及び振幅スペクトル
が求められ、それらが計算機に記憶される。従つ
て、試料５として標準試料を用いた場合には、位
相スペクトルφS（ω）及び振幅スペクトルVS（ω）
が求められ、また上記標準試料に代えてそれと同
様な状態に被験試料を配設し、同様の操作を行え
ば、被験試料における位相スペクトルφ（ω）及
び振幅スペクトルＶ（ω）が周波数分析器から計
算機に出力される。これらにより、計算機におい
ては次の式に基づく演算が行われ、音速υR（ω）
及び減衰α（ω）が算出される。
υR（ω）＝〔ΔtR（ω）／υ0（ｆ−υ0Δt0／２）−
ΔtR（ω）2／４（ｆ−υ0Δt0／２）2〕-1/2 但し、 ΔtR（ω）＝ΔtRS−［φ（ω）−φS（ω）］／2π
ω ω：周波数 υ0：カプラー７中の音速 ｆ：超音波レンズ１の焦点距離 Δt0：Ｉ波とＳ波の到達時間間隔 ΔtRS：標準試料におけるＳ波とＬ波の到達時間間
隔 φ（ω）：被験試料におけるＬ波の位相スペクトル φS（ω）：標準試料におけるＬ波の位相スペクトル α（ω）＝ln［VS（ω）／Ｖ（ω）］／（2f−υ0Δt0
）tan・sin-1（υ0／υR（ω）） VS（ω）：標準試料におけるＬ波の振幅スペクト
ル Ｖ（ω）：被験試料におけるＬ波の振幅スペクトル 上式による音速及び減衰の演算は、多周波数に
わたつて同時に行われるため、それによつて音速
及び減衰についての周波数依存性を求めることが
できる。
ΔtR（ω）2／４（ｆ−υ0Δt0／２）2〕-1/2 但し、 ΔtR（ω）＝ΔtRS−［φ（ω）−φS（ω）］／2π
ω ω：周波数 υ0：カプラー７中の音速 ｆ：超音波レンズ１の焦点距離 Δt0：Ｉ波とＳ波の到達時間間隔 ΔtRS：標準試料におけるＳ波とＬ波の到達時間間
隔 φ（ω）：被験試料におけるＬ波の位相スペクトル φS（ω）：標準試料におけるＬ波の位相スペクトル α（ω）＝ln［VS（ω）／Ｖ（ω）］／（2f−υ0Δt0
）tan・sin-1（υ0／υR（ω）） VS（ω）：標準試料におけるＬ波の振幅スペクト
ル Ｖ（ω）：被験試料におけるＬ波の振幅スペクトル 上式による音速及び減衰の演算は、多周波数に
わたつて同時に行われるため、それによつて音速
及び減衰についての周波数依存性を求めることが
できる。
第３図及び第４図は、鋼材を標準試料とし、そ
れにセラミツクのコーテイングを施したものを被
験試料として、上記装置によつて行つた実験結果
を示すものである。
れにセラミツクのコーテイングを施したものを被
験試料として、上記装置によつて行つた実験結果
を示すものである。
第３図は、遅延ゲートから出力されるＬ波の波
形を示し、Ａは標準試料の波形、Ｂ〜Ｄはそれぞ
れコーテイング厚さが1.4μm、4.3μm及び8.6μm
の被験試料の波形であり、これらによつてコーテ
イングの厚さが厚くなる程表面弾性波の音速が速
くなり、且つ減衰することがわかる。
形を示し、Ａは標準試料の波形、Ｂ〜Ｄはそれぞ
れコーテイング厚さが1.4μm、4.3μm及び8.6μm
の被験試料の波形であり、これらによつてコーテ
イングの厚さが厚くなる程表面弾性波の音速が速
くなり、且つ減衰することがわかる。
第４図は、各試料表面における音速を周波数と
の関係で示したもので、ａは標準試料の音速、
ｃ，ｄはコーテイング厚さが4.3μm、8.6μmの被
験試料の音速であり、これらによつて標準試料の
音速は周波数の増減によつては変化しないが、被
験試料の音速は周波数依存性を有し、コーテイン
グ厚さが厚くなる程周波数の増大に応じて音速が
速くなることがわかる。
の関係で示したもので、ａは標準試料の音速、
ｃ，ｄはコーテイング厚さが4.3μm、8.6μmの被
験試料の音速であり、これらによつて標準試料の
音速は周波数の増減によつては変化しないが、被
験試料の音速は周波数依存性を有し、コーテイン
グ厚さが厚くなる程周波数の増大に応じて音速が
速くなることがわかる。
このように本発明によれば、被験試料における
表面弾性波の音速及び減衰を多数の周波数との関
係において同時に測定でき、従つて表面から内部
に向つて物性の分布状態が異なる材料の表面物性
の評価が可能であり、材料の非破壊検査や超音波
顕微鏡において有用である。
表面弾性波の音速及び減衰を多数の周波数との関
係において同時に測定でき、従つて表面から内部
に向つて物性の分布状態が異なる材料の表面物性
の評価が可能であり、材料の非破壊検査や超音波
顕微鏡において有用である。
第１図は本発明の実施に使用する装置の構成
図、第２図は標準試料を用いた場合の各反射波の
時間関係を示す線図、第３図及び第４図は上記装
置によつて各種試料についての測定を行つた場合
のＬ波の波形及び音速を示す線図である。 １……超音波レンズ、５……試料。
図、第２図は標準試料を用いた場合の各反射波の
時間関係を示す線図、第３図及び第４図は上記装
置によつて各種試料についての測定を行つた場合
のＬ波の波形及び音速を示す線図である。 １……超音波レンズ、５……試料。
Claims (1)
- １ 標準試料及び被験試料のそれぞれに対し、超
音波レンズによりインパルス収束超音波ビームを
それらの内部に位置する焦点に収束するように放
射し、反射して帰戻した超音波を電気信号に変換
して、超音波レンズの端面で反射する内部反射波
と標準試料表面で反射する鏡面反射波の帰戻時間
差、及び上記鏡面反射波と標準試料表面を漏洩表
面弾性波として伝わつた後に戻る表面弾性波の帰
戻時間差を、時間間隔計測器において検出すると
共に、周波数分析器において両試料における表面
弾性波の位相スペクトル及び振幅スペクトルを周
波数の関数として検出し、計算機における上記各
検出値に基づく演算により被験試料における表面
弾性波の音速及び減衰を求めることを特徴とする
表面弾性波の音速・減衰測定法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58114106A JPS606858A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 表面弾性波の音速・減衰測定法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58114106A JPS606858A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 表面弾性波の音速・減衰測定法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS606858A JPS606858A (ja) | 1985-01-14 |
| JPH0429976B2 true JPH0429976B2 (ja) | 1992-05-20 |
Family
ID=14629266
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58114106A Granted JPS606858A (ja) | 1983-06-24 | 1983-06-24 | 表面弾性波の音速・減衰測定法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS606858A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3574621D1 (de) * | 1984-07-08 | 1990-01-11 | Noriyoshi Chubachi | Oberflaechen-ultraschall-interferenz-mikroskop. |
| RU2613485C2 (ru) * | 2015-06-29 | 2017-03-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Способ измерения вертикального распределения скорости звука в воде |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59206758A (ja) * | 1983-05-11 | 1984-11-22 | Noritoshi Nakabachi | 超音波顕微鏡装置 |
-
1983
- 1983-06-24 JP JP58114106A patent/JPS606858A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS606858A (ja) | 1985-01-14 |
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