JPH06217395A - 単色超音波変換器 - Google Patents
単色超音波変換器Info
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- JPH06217395A JPH06217395A JP5260300A JP26030093A JPH06217395A JP H06217395 A JPH06217395 A JP H06217395A JP 5260300 A JP5260300 A JP 5260300A JP 26030093 A JP26030093 A JP 26030093A JP H06217395 A JPH06217395 A JP H06217395A
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- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
- G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 単色の発生源または検出器を正確に近似する
非常に狭い帯域幅の超音波エネルギーを発生または検出
するための変換器を提供する。 【構成】 変換器にフィルタ手段として一様な寸法幅の
ガスギャップ（７）を設ける。変換器は、多重反射およ
び建設的干渉によってギャップ内に発生する定在超音波
を用いる。これにより変換器は、広帯域の超音波エネル
ギーの入射に応動して所定の共振周波数をそなえた超音
波だけを通過させるためのフィルタとして事実上作用す
る。このフィルタリング効果により、変換器は単色超音
波の発生源または検出器として作用することができる。
非常に狭い帯域幅の超音波エネルギーを発生または検出
するための変換器を提供する。 【構成】 変換器にフィルタ手段として一様な寸法幅の
ガスギャップ（７）を設ける。変換器は、多重反射およ
び建設的干渉によってギャップ内に発生する定在超音波
を用いる。これにより変換器は、広帯域の超音波エネル
ギーの入射に応動して所定の共振周波数をそなえた超音
波だけを通過させるためのフィルタとして事実上作用す
る。このフィルタリング効果により、変換器は単色超音
波の発生源または検出器として作用することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、材料の完全性を
害する恐れのある空隙、き裂等の欠陥についての、金属
等の材料の非破壊検査に関するものである。更に詳しく
述べると、本発明は稼働しているプラントおよび施設で
の核構成要素および非核構成要素に関するものである。
害する恐れのある空隙、き裂等の欠陥についての、金属
等の材料の非破壊検査に関するものである。更に詳しく
述べると、本発明は稼働しているプラントおよび施設で
の核構成要素および非核構成要素に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】材料の超音波検査は、周波数が１ＭＨｚ
から１０ＭＨｚの範囲にある音波エネルギーの屈折され
たビームを使用して行われることが多い。このようなビ
ームを作成する手段は超音波変換器の設計の分野では周
知であり、縦波またはせん断波のビームを作ることがで
きる。
から１０ＭＨｚの範囲にある音波エネルギーの屈折され
たビームを使用して行われることが多い。このようなビ
ームを作成する手段は超音波変換器の設計の分野では周
知であり、縦波またはせん断波のビームを作ることがで
きる。
【０００３】従来の変換器に対する公称２．２５ＭＨｚ
のインパルス応答の波形および対応する周波数スペクト
ルが図１および図２にそれぞれ示されている。図１の波
形は減衰振動性であり、そのスペクトル成分は図２に示
された鐘形の分布でかなりの周波数帯域にわたって広が
っている。帯域幅は変換器の設計に組み込まれた減衰に
よって決まり、減衰の大きい設計または減衰の小さい設
計が利用できる。したがって、用途の必要条件に応じ
て、広帯域幅または狭帯域幅の変換器を得ることができ
る。
のインパルス応答の波形および対応する周波数スペクト
ルが図１および図２にそれぞれ示されている。図１の波
形は減衰振動性であり、そのスペクトル成分は図２に示
された鐘形の分布でかなりの周波数帯域にわたって広が
っている。帯域幅は変換器の設計に組み込まれた減衰に
よって決まり、減衰の大きい設計または減衰の小さい設
計が利用できる。したがって、用途の必要条件に応じ
て、広帯域幅または狭帯域幅の変換器を得ることができ
る。
【０００４】変換器がパルス駆動される代わりに有限継
続時間の正弦励起で駆動されれば、その結果の波形はイ
ンパルス応答と励起関数との重畳積分から求めることが
できる。公称２．２５ＭＨｚの変換器について、代表的
な「トーンバースト」（ｔｏｎｅ ｂｕｒｓｔ）が図３
に示されている。図３からわかるように、波形の前端に
は多少の立ち上がり時間がある。この波形の周波数スペ
クトル（図５参照）は図２に示される周波数スペクトル
に比べてかなり狭いが、図４に示されるような従来の単
色源のスペクトルと比較すると、なお単色（すなわち、
非常に狭い範囲または単一の周波数だけをそなえてい
る）とは全く異なっている。
続時間の正弦励起で駆動されれば、その結果の波形はイ
ンパルス応答と励起関数との重畳積分から求めることが
できる。公称２．２５ＭＨｚの変換器について、代表的
な「トーンバースト」（ｔｏｎｅ ｂｕｒｓｔ）が図３
に示されている。図３からわかるように、波形の前端に
は多少の立ち上がり時間がある。この波形の周波数スペ
クトル（図５参照）は図２に示される周波数スペクトル
に比べてかなり狭いが、図４に示されるような従来の単
色源のスペクトルと比較すると、なお単色（すなわち、
非常に狭い範囲または単一の周波数だけをそなえてい
る）とは全く異なっている。
【０００５】超音波のほとんどの標準用途では、帯域幅
は臨界的でなく、所定の広い限界内にあればよい。しか
し、散乱された超音波により原子炉の構成要素の中のき
ずの大きさを検出する目的の場合は、狭い帯域幅は正確
さを達成する上で重要な要因となり得る。このことから
わかるように、図５に示されるスペクトルと同様のスペ
クトルをそなえた単色の超音波エネルギー源は、たとえ
スペクトルのピークが小さくなっても、有用な道具とな
る。
は臨界的でなく、所定の広い限界内にあればよい。しか
し、散乱された超音波により原子炉の構成要素の中のき
ずの大きさを検出する目的の場合は、狭い帯域幅は正確
さを達成する上で重要な要因となり得る。このことから
わかるように、図５に示されるスペクトルと同様のスペ
クトルをそなえた単色の超音波エネルギー源は、たとえ
スペクトルのピークが小さくなっても、有用な道具とな
る。
【０００６】
【発明の概要】本発明は、単色源（または単色検出器）
を正確に近似する非常に狭い帯域幅の超音波エネルギー
を発生する（または検出する）ための変換器である。こ
の変換器は、単色超音波ふく射の特定の属性を用いるこ
とにより、大幅に改善された正確さで材料内のきずを検
出し、大きさを測ることができる。
を正確に近似する非常に狭い帯域幅の超音波エネルギー
を発生する（または検出する）ための変換器である。こ
の変換器は、単色超音波ふく射の特定の属性を用いるこ
とにより、大幅に改善された正確さで材料内のきずを検
出し、大きさを測ることができる。
【０００７】本発明による超音波変換器は、一様な寸法
幅のセルに含まれるガスの特性の間の独特で共働の関係
を用いている。この関係により、材料のきずを検出した
りその大きさを測ったりするために、変換器は比較的広
帯域の発生源から共振超音波エネルギーを選択し、反射
または減衰無しにそのエネルギーを透過することができ
る。
幅のセルに含まれるガスの特性の間の独特で共働の関係
を用いている。この関係により、材料のきずを検出した
りその大きさを測ったりするために、変換器は比較的広
帯域の発生源から共振超音波エネルギーを選択し、反射
または減衰無しにそのエネルギーを透過することができ
る。
【０００８】この動作を達成するため本発明の変換器
は、一様なガスギャップの中に、多重反射および建設的
干渉によって形成される定在超音波を用いる。変換器は
事実上フィルタとして作用し、広帯域の超音波エネルギ
ーの入射に応答して所定の共振周波数をそなえた超音波
だけを通過させる。このフィルタ効果により、変換器は
材料の非破壊検査に有用な単色超音波の発生源または検
出器として作用する。変換器はガスギャップ伝送特性と
組み合わせて屈折ウェッジまたは「シュー」の既知の特
性を使用することにより、所定のビーム角度で指定され
た屈折角で縦波とせん断波の両方の単色ビームを発生す
る。
は、一様なガスギャップの中に、多重反射および建設的
干渉によって形成される定在超音波を用いる。変換器は
事実上フィルタとして作用し、広帯域の超音波エネルギ
ーの入射に応答して所定の共振周波数をそなえた超音波
だけを通過させる。このフィルタ効果により、変換器は
材料の非破壊検査に有用な単色超音波の発生源または検
出器として作用する。変換器はガスギャップ伝送特性と
組み合わせて屈折ウェッジまたは「シュー」の既知の特
性を使用することにより、所定のビーム角度で指定され
た屈折角で縦波とせん断波の両方の単色ビームを発生す
る。
【０００９】本発明の一つの利点は、標準の超音波変換
器の通常のパルス動作と対照的に、有意義な持続波動
作、またはコヒーレント波の長いバーストの動作を考慮
に入れていることである。これにより、パワーはより広
い範囲に広がらずに単一の周波数またはその近傍に集中
するという利点が得られ、その結果、有効な雑音識別と
信号対雑音比の向上が可能となる。き裂からの先端回折
を周波数依存性について最適化することができ、先端信
号検出が改善される。また変換器は、吸収材料の中で最
も効率的に伝搬する所定の周波数に「同調する」ことが
できる。
器の通常のパルス動作と対照的に、有意義な持続波動
作、またはコヒーレント波の長いバーストの動作を考慮
に入れていることである。これにより、パワーはより広
い範囲に広がらずに単一の周波数またはその近傍に集中
するという利点が得られ、その結果、有効な雑音識別と
信号対雑音比の向上が可能となる。き裂からの先端回折
を周波数依存性について最適化することができ、先端信
号検出が改善される。また変換器は、吸収材料の中で最
も効率的に伝搬する所定の周波数に「同調する」ことが
できる。
【００１０】本発明のもう一つの側面によれば、温度の
影響を制御することにより、正確な周波数選択が行わ
れ、環境上誘導される周波数ドリフトが除去される。本
発明のもう一つの有利な特徴は、せん断波を事実上区別
し、縦波（圧縮波）伝搬を促進することにより、従来の
変換器を使用した場合に比べて、より純粋に近い超音波
場を形成することである。
影響を制御することにより、正確な周波数選択が行わ
れ、環境上誘導される周波数ドリフトが除去される。本
発明のもう一つの有利な特徴は、せん断波を事実上区別
し、縦波（圧縮波）伝搬を促進することにより、従来の
変換器を使用した場合に比べて、より純粋に近い超音波
場を形成することである。
【００１１】本発明の上記および他の利点は、図面を参
照した本発明の実施例の詳細な説明により、更に明らか
となる筈である。
照した本発明の実施例の詳細な説明により、更に明らか
となる筈である。
【００１２】
【実施例の記載】図６に示されるような本発明の実施例
による単色超音波変換器には、屈折率が水の屈折率にほ
ぼ等しい材料で作られた固体媒質手段２（以後「シュ
ー」と呼ぶ）の傾斜面上に取り付けられた圧電結晶１が
含まれている。シューの好ましい材料はルーサイト（Ｌ
ＵＣＩＴＥ）という商品名で入手できるアクリル樹脂で
ある。収束レンズ３が圧電結晶１とシュー２との間に配
置される。
による単色超音波変換器には、屈折率が水の屈折率にほ
ぼ等しい材料で作られた固体媒質手段２（以後「シュ
ー」と呼ぶ）の傾斜面上に取り付けられた圧電結晶１が
含まれている。シューの好ましい材料はルーサイト（Ｌ
ＵＣＩＴＥ）という商品名で入手できるアクリル樹脂で
ある。収束レンズ３が圧電結晶１とシュー２との間に配
置される。
【００１３】この変換器を超音波変換器として使用して
いるとき、圧電結晶１は、外部駆動電子回路（図６に示
されていない）により設計周波数で通常の結晶駆動手段
１１に印加される電気駆動信号によって発振するように
励起される。この電気信号に応答して、圧電変換器は超
音波圧縮波（Ｌ波）ビームを発生する。このビームは収
束レンズ３によって集束されて、シュー２の中を伝搬す
る収束線束４を形成する。
いるとき、圧電結晶１は、外部駆動電子回路（図６に示
されていない）により設計周波数で通常の結晶駆動手段
１１に印加される電気駆動信号によって発振するように
励起される。この電気信号に応答して、圧電変換器は超
音波圧縮波（Ｌ波）ビームを発生する。このビームは収
束レンズ３によって集束されて、シュー２の中を伝搬す
る収束線束４を形成する。
【００１４】シュー２は機械加工されて、その中に幅が
一様な、非常に狭い円板状のギャップ７が形成される。
必須では無いが、ギャップ７をシューの外表面１２に平
行にして屈折の影響を無くすことが望ましい。ギャップ
７はガスまたはガス混合物８で充たされる。好ましいガ
スはヘリウムである。ギャップ７の中のガス８は、ヒー
タロッド９により一定の温度に維持される。ヒータロッ
ド９の熱出力は熱電対１０によって監視される。制御器
（図６に示されていない）を使用することにより、熱電
対が受ける信号に応じてヒータ素子に供給される電流が
調節される。制御器は通常の方法でプログラミングされ
て、ガスを一定の高温に維持する。
一様な、非常に狭い円板状のギャップ７が形成される。
必須では無いが、ギャップ７をシューの外表面１２に平
行にして屈折の影響を無くすことが望ましい。ギャップ
７はガスまたはガス混合物８で充たされる。好ましいガ
スはヘリウムである。ギャップ７の中のガス８は、ヒー
タロッド９により一定の温度に維持される。ヒータロッ
ド９の熱出力は熱電対１０によって監視される。制御器
（図６に示されていない）を使用することにより、熱電
対が受ける信号に応じてヒータ素子に供給される電流が
調節される。制御器は通常の方法でプログラミングされ
て、ガスを一定の高温に維持する。
【００１５】本発明によれば、単一モードの定在波が所
望の周波数でギャップ７内で共振励起されるように音波
速度およびギャップ幅が選定される。これにより、超音
波ビーム５が乱されずにギャップを貫通して、シューの
外表面１２に当たる。き裂の超音波検出の間、シューの
外表面１２は検査すべき材料の表面と密に接触するよう
に保持される。代表的には、ウルトラゲル（ＵＬＴＲＡ
ＧＥＬ）のようなゼラチン状のグリースまたは伝達媒質
ゲル、もしくは水を使用して、良好な接触が行えるよう
にする。
望の周波数でギャップ７内で共振励起されるように音波
速度およびギャップ幅が選定される。これにより、超音
波ビーム５が乱されずにギャップを貫通して、シューの
外表面１２に当たる。き裂の超音波検出の間、シューの
外表面１２は検査すべき材料の表面と密に接触するよう
に保持される。代表的には、ウルトラゲル（ＵＬＴＲＡ
ＧＥＬ）のようなゼラチン状のグリースまたは伝達媒質
ゲル、もしくは水を使用して、良好な接触が行えるよう
にする。
【００１６】超音波ビーム５はシューの外表面１２で屈
折され、主線６の方向に伝搬する。更に、シューの外表
面１２に斜めに入射する波はモード変換されて、せん断
波（Ｓ波）ビーム１３となり、これは屈折の法則で決ま
る方向１４に伝搬する。ガスギャップの周波数選択性に
より、屈折されたビームには高度に単色性のエネルギー
が含まれている。
折され、主線６の方向に伝搬する。更に、シューの外表
面１２に斜めに入射する波はモード変換されて、せん断
波（Ｓ波）ビーム１３となり、これは屈折の法則で決ま
る方向１４に伝搬する。ガスギャップの周波数選択性に
より、屈折されたビームには高度に単色性のエネルギー
が含まれている。
【００１７】結晶面１７はシューの外表面１２に対して
ウェッジ角θを成す。超音波検出の分野の通常程度の従
業者には明らかなようにウェッジ角θにより、検査すべ
き材料に送り込まれる超音波ビームの屈折角が決まる。
重要な特別な場合は、角度θが零度である、いわゆる垂
直プローブである。図７の幾何学的配置はこの場合には
明らかに変更される。すなわち、シュー２は横断面が長
方形のブロックとして形成されるので、面１７はシュー
の外表面１２およびギャップ７に平行に配置される。こ
の変化は本発明の範囲内に含まれる。
ウェッジ角θを成す。超音波検出の分野の通常程度の従
業者には明らかなようにウェッジ角θにより、検査すべ
き材料に送り込まれる超音波ビームの屈折角が決まる。
重要な特別な場合は、角度θが零度である、いわゆる垂
直プローブである。図７の幾何学的配置はこの場合には
明らかに変更される。すなわち、シュー２は横断面が長
方形のブロックとして形成されるので、面１７はシュー
の外表面１２およびギャップ７に平行に配置される。こ
の変化は本発明の範囲内に含まれる。
【００１８】ガスギャップが存在しても、超音波ビーム
５の屈折角が変化することも無いし、ギャップに入射す
る共振エネルギーが減少することも無いことが見出され
た。ギャップの唯一の機能は、作成されるスペクトルが
本質的に図５に示されるスペクトルとなるように非常に
狭い範囲の周波数を選択することである。ウェッジ角θ
が異なると、スネル（Ｓｎｅｌｌ）の屈折法則により、
屈折角が異なる。したがって、許容し得るすべての屈折
角は本発明の範囲内に含まれる。
５の屈折角が変化することも無いし、ギャップに入射す
る共振エネルギーが減少することも無いことが見出され
た。ギャップの唯一の機能は、作成されるスペクトルが
本質的に図５に示されるスペクトルとなるように非常に
狭い範囲の周波数を選択することである。ウェッジ角θ
が異なると、スネル（Ｓｎｅｌｌ）の屈折法則により、
屈折角が異なる。したがって、許容し得るすべての屈折
角は本発明の範囲内に含まれる。
【００１９】集束された結晶発生源と集束されない結晶
発生源の両方と組み合わせてシューを使用することは、
超音波変換器の分野では従来から行われていることであ
る。本発明の新規な特徴は、ガスギャップを含めること
により、ギャップ７内の共振干渉効果とシュー／材料の
界面１２に於ける屈折効果の共働相互作用の結果とし
て、本質的に単色の超音波ビーム５および１３を作成す
ることである。
発生源の両方と組み合わせてシューを使用することは、
超音波変換器の分野では従来から行われていることであ
る。本発明の新規な特徴は、ガスギャップを含めること
により、ギャップ７内の共振干渉効果とシュー／材料の
界面１２に於ける屈折効果の共働相互作用の結果とし
て、本質的に単色の超音波ビーム５および１３を作成す
ることである。
【００２０】ギャップ７に入射する収束線束４は界面
で、一部が透過され、一部が反射される。この部分的な
透過および部分的な反射は、ギャップ７の寸法、その中
のガスの種別、および音の周波数とともに変わる。ガス
８の中の音の正しい周波数の場合は、ギャップ７の一方
の界面での部分的透過はギャップの反対側の界面での部
分的反射と建設的に干渉し、ギャップを充たしているガ
スの中に定在波が生じる。この効果は、ギャップ幅が波
長の半整数倍であるときに生じる。したがって、ガスギ
ャップ７の寸法幅は重大である。一般にギャップ幅は、
選択すべき周波数に応じて０．００２から０．０１２イ
ンチの範囲にある。わかりやすくするため、図６ではギ
ャップは正確な割合で描かれていない。
で、一部が透過され、一部が反射される。この部分的な
透過および部分的な反射は、ギャップ７の寸法、その中
のガスの種別、および音の周波数とともに変わる。ガス
８の中の音の正しい周波数の場合は、ギャップ７の一方
の界面での部分的透過はギャップの反対側の界面での部
分的反射と建設的に干渉し、ギャップを充たしているガ
スの中に定在波が生じる。この効果は、ギャップ幅が波
長の半整数倍であるときに生じる。したがって、ガスギ
ャップ７の寸法幅は重大である。一般にギャップ幅は、
選択すべき周波数に応じて０．００２から０．０１２イ
ンチの範囲にある。わかりやすくするため、図６ではギ
ャップは正確な割合で描かれていない。
【００２１】円板状のガスセルは、小さなポート１５お
よびピンチオフ管１６を介してガス抜きされ、それらを
介して比音速が次式で与えられる純粋ガスまたはガス混
合物が戻し入れられる。
よびピンチオフ管１６を介してガス抜きされ、それらを
介して比音速が次式で与えられる純粋ガスまたはガス混
合物が戻し入れられる。
【００２２】
【数１】
【００２３】ここで、γはガスまたはガス混合物に対す
る比熱の比、Ｒはガス定数、Ｍはガスまたはガス混合物
の分子量、Ｔはガスまたはガス混合物の絶対温度であ
る。ウェッジ角がθで、相対屈折率（ガス内の音速／ウ
ェッジ材料内の縦波速度）がｎの場合、一次共振周波数
ｆ0 はギャップ幅ｄに対して次式の関係にある。
る比熱の比、Ｒはガス定数、Ｍはガスまたはガス混合物
の分子量、Ｔはガスまたはガス混合物の絶対温度であ
る。ウェッジ角がθで、相対屈折率（ガス内の音速／ウ
ェッジ材料内の縦波速度）がｎの場合、一次共振周波数
ｆ0 はギャップ幅ｄに対して次式の関係にある。
【００２４】
【数２】
【００２５】この式はガス音速依存性により温度の軽度
の関数である。したがって、正確な周波数選択を行な
い、周波数ドリフトを無くすように、ギャップ内のガス
の温度を制御しなければならない。上記の基本周波数の
高調波である高次の共振周波数が存在する。同様の議論
がそれらの周波数に当てはまる。高次の共振周波数のう
ち一つを選択する単色超音波変換器はギャップ幅ｄの正
しい選択によって構成することができる。このような単
色超音波変換器も本発明の範囲内に含まれる。
の関数である。したがって、正確な周波数選択を行な
い、周波数ドリフトを無くすように、ギャップ内のガス
の温度を制御しなければならない。上記の基本周波数の
高調波である高次の共振周波数が存在する。同様の議論
がそれらの周波数に当てはまる。高次の共振周波数のう
ち一つを選択する単色超音波変換器はギャップ幅ｄの正
しい選択によって構成することができる。このような単
色超音波変換器も本発明の範囲内に含まれる。
【００２６】本発明により適用される原理によれば、ギ
ャップ内の干渉効果により周波数感動エネルギー透過係
数Ｄは次式で与えられる。
ャップ内の干渉効果により周波数感動エネルギー透過係
数Ｄは次式で与えられる。
【００２７】
【数３】
【００２８】ここで、ｍは音響インピーダンス比で、次
式で表される。
式で表される。
【００２９】
【数４】
【００３０】ρはガス濃度、Ｚはウェッジ材の音響イン
ピーダンスである。明らかに、Ｄの式の正弦関数は共振
周波数で消え、共振時にはエネルギー透過係数はちょう
ど１となる。これは、共振周波数でギャップが完全に透
明であるということを示す。他の周波数では、ｍが非常
に小さいので、Ｄの大きさは非常に小さい。他のすべて
の周波数（ｆ0 の高次の高調波を除く）は、音響波が出
会う第一の界面で大いに反射される。したがって、ガス
ギャップは光学干渉フィルタに類似した非常に選択的な
周波数フィルタとして作用する。
ピーダンスである。明らかに、Ｄの式の正弦関数は共振
周波数で消え、共振時にはエネルギー透過係数はちょう
ど１となる。これは、共振周波数でギャップが完全に透
明であるということを示す。他の周波数では、ｍが非常
に小さいので、Ｄの大きさは非常に小さい。他のすべて
の周波数（ｆ0 の高次の高調波を除く）は、音響波が出
会う第一の界面で大いに反射される。したがって、ガス
ギャップは光学干渉フィルタに類似した非常に選択的な
周波数フィルタとして作用する。
【００３１】ｆ0 およびｍに対する式にはガス温度Ｔが
含まれているので、本発明の共振フィルタは環境の影響
による温度ドリフトを受ける。生じ得るこの誤差源を最
小にするため、ギャップ７とシュー／材料界面との間の
ルーサイト（ＬＵＣＩＴＥ）層が、ヒータ素子９により
ガス内に生じる熱を封じ込めるための効果的な絶縁体と
して作用する。熱電対１０および制御器は、検査してい
る構成要素の材料の温度に拘わらず、ギャップ７の内側
のガス８の温度をほぼ一定に維持する。ガスの温度は手
ごろな範囲（代表的には５０−８０°Ｃ）に上げられる
ので、小さな温度ドリフトおよびサイクルはマスクさ
れ、制御される。ヘリウムは優れた熱伝導体であるの
で、ギャップ内のガス温度は容易に、一様で一定の値に
維持される。
含まれているので、本発明の共振フィルタは環境の影響
による温度ドリフトを受ける。生じ得るこの誤差源を最
小にするため、ギャップ７とシュー／材料界面との間の
ルーサイト（ＬＵＣＩＴＥ）層が、ヒータ素子９により
ガス内に生じる熱を封じ込めるための効果的な絶縁体と
して作用する。熱電対１０および制御器は、検査してい
る構成要素の材料の温度に拘わらず、ギャップ７の内側
のガス８の温度をほぼ一定に維持する。ガスの温度は手
ごろな範囲（代表的には５０−８０°Ｃ）に上げられる
ので、小さな温度ドリフトおよびサイクルはマスクさ
れ、制御される。ヘリウムは優れた熱伝導体であるの
で、ギャップ内のガス温度は容易に、一様で一定の値に
維持される。
【００３２】送信器として使用されるとき、本発明の実
施例による単色超音波変換器は図７に示す超音波源シス
テムに組み込まれる。図６と同じ参照番号の図７の素子
の説明は、簡潔にするため繰り返さない。前に説明した
ように、ギャップ７内のガスは素子９により加熱され、
加熱されたガスの温度は熱電対１０により検出される。
制御器２０は熱電対１０から受けた信号を監視し、電流
源２１から素子９に供給される電流を自動的に調整する
ことにより、一定のガス温度を維持する。
施例による単色超音波変換器は図７に示す超音波源シス
テムに組み込まれる。図６と同じ参照番号の図７の素子
の説明は、簡潔にするため繰り返さない。前に説明した
ように、ギャップ７内のガスは素子９により加熱され、
加熱されたガスの温度は熱電対１０により検出される。
制御器２０は熱電対１０から受けた信号を監視し、電流
源２１から素子９に供給される電流を自動的に調整する
ことにより、一定のガス温度を維持する。
【００３３】圧電結晶１は電力増幅器１９によって励起
される。電力増幅器１９は、電源２３から調整器１８を
介して供給される調整された電力を受ける。このように
励起されると、結晶１は比較的広帯域のＬ波超音波の持
続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）を発生
する。次に、この持続波はガスギャップ７によりフィル
タリングされる。代案として、パルス変調器２２（選択
的なもの）の動作により繰り返し作成される「トーンバ
ースト」に応動して結晶１が超音波を発生することもで
きる。
される。電力増幅器１９は、電源２３から調整器１８を
介して供給される調整された電力を受ける。このように
励起されると、結晶１は比較的広帯域のＬ波超音波の持
続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）を発生
する。次に、この持続波はガスギャップ７によりフィル
タリングされる。代案として、パルス変調器２２（選択
的なもの）の動作により繰り返し作成される「トーンバ
ースト」に応動して結晶１が超音波を発生することもで
きる。
【００３４】ガスセルの製作の際は注意を払って、漏れ
が無いように、またギャップが一様な寸法となるように
しなければならない。これを最も良く行うため、ルーサ
イト（ＬＵＣＩＴＥ）で作られた第一の構成体の表面で
セルの数値制御された機械加工を行った後、適当な手段
により第一の構成体にルーサイト材料で作られた第二の
構成体を接合する。これらの接合された構成体は本発明
によるシューを構成する。洗浄およびガス抜きにより、
ヘリウム戻し入れガスがあまり汚染されないようにす
る。
が無いように、またギャップが一様な寸法となるように
しなければならない。これを最も良く行うため、ルーサ
イト（ＬＵＣＩＴＥ）で作られた第一の構成体の表面で
セルの数値制御された機械加工を行った後、適当な手段
により第一の構成体にルーサイト材料で作られた第二の
構成体を接合する。これらの接合された構成体は本発明
によるシューを構成する。洗浄およびガス抜きにより、
ヘリウム戻し入れガスがあまり汚染されないようにす
る。
【００３５】フィルタリングされた発生源はエネルギー
効率の良い単色超音波源ではない。ギャップへの入射エ
ネルギーの大部分は非共振であり、反射される。しか
し、圧電結晶１が共振周波数に近い周波数で駆動されれ
ば、特にＣＷ励起の場合に効率が向上する。共振周波数
ではパルス状スペクトルにほとんどエネルギーが含まれ
ていないので、ＣＷ動作が好ましいモードである。
効率の良い単色超音波源ではない。ギャップへの入射エ
ネルギーの大部分は非共振であり、反射される。しか
し、圧電結晶１が共振周波数に近い周波数で駆動されれ
ば、特にＣＷ励起の場合に効率が向上する。共振周波数
ではパルス状スペクトルにほとんどエネルギーが含まれ
ていないので、ＣＷ動作が好ましいモードである。
【００３６】単色超音波変換器は共振エネルギーの検出
器または受信器としてとともに、共振エネルギー源とし
ても使用することができる。これは超音波場に適用でき
る相反則の結果である。したがって、図６に示されるＬ
波（またはＳ波）のビームが被検査材料内のきずに出会
うと、ビームエネルギーの幾分かは共振周波数で反射ま
たは散乱される。この信号は、図６に示された変換器を
使用して容易に検出することができ、適切に突き止める
ことができる。
器または受信器としてとともに、共振エネルギー源とし
ても使用することができる。これは超音波場に適用でき
る相反則の結果である。したがって、図６に示されるＬ
波（またはＳ波）のビームが被検査材料内のきずに出会
うと、ビームエネルギーの幾分かは共振周波数で反射ま
たは散乱される。この信号は、図６に示された変換器を
使用して容易に検出することができ、適切に突き止める
ことができる。
【００３７】ＣＷモードでは、発生源に戻される反射信
号は都合のよい検出手段ではない。したがって、きずに
よる干渉性散乱はこのモードでの主要な検出の方法であ
る。屈折されたＬ波の動作は、本発明の単色超音波変換
器に対する適用の好ましいモードである。その理由は、
Ｓ波ビームの効率が非常に悪いので、材料の中のきずか
らの低レベルの信号を検査することになるからである。
図６の矢印６および１４で示すように、Ｓ波の感度もＬ
波の感度とは方向が異なる。したがって、屈折の結果、
Ｓ波がＬ波の感度円錐の中に入らなければ、モード相互
の間にもう一つの区別が存在する。本質的にせん断場の
存在は、実用上ほとんど取るに足りない小さい背景効果
となる。これはある種の材料の検査には有益である。
号は都合のよい検出手段ではない。したがって、きずに
よる干渉性散乱はこのモードでの主要な検出の方法であ
る。屈折されたＬ波の動作は、本発明の単色超音波変換
器に対する適用の好ましいモードである。その理由は、
Ｓ波ビームの効率が非常に悪いので、材料の中のきずか
らの低レベルの信号を検査することになるからである。
図６の矢印６および１４で示すように、Ｓ波の感度もＬ
波の感度とは方向が異なる。したがって、屈折の結果、
Ｓ波がＬ波の感度円錐の中に入らなければ、モード相互
の間にもう一つの区別が存在する。本質的にせん断場の
存在は、実用上ほとんど取るに足りない小さい背景効果
となる。これはある種の材料の検査には有益である。
【図１】２．２５ＭＨｚの公称周波数をそなえた従来の
変換器のインパルス応答の波形を描いたグラフである。
変換器のインパルス応答の波形を描いたグラフである。
【図２】図１の場合の従来の変換器の周波数スペクトル
を描いたグラフである。
を描いたグラフである。
【図３】２．６８４ＭＨｚの励起に対する従来の２．２
５ＭＨｚの変換器の応答波形を描いたグラフである。
５ＭＨｚの変換器の応答波形を描いたグラフである。
【図４】図３の場合の従来の変換器の周波数スペクトル
を描いたグラフである。
を描いたグラフである。
【図５】２．６８４ＭＨｚで駆動されるほぼ単色の超音
波エネルギー源の周波数スペクトルを描いたグラフであ
る。
波エネルギー源の周波数スペクトルを描いたグラフであ
る。
【図６】本発明の一実施例による単色超音波変換器の概
略側面図である。
略側面図である。
【図７】図６に示された単色超音波変換器を組み入れた
超音波源システムのブロック図である。
超音波源システムのブロック図である。
１ 圧電結晶 ２ シュー ３ 収束レンズ ７ ギャップ ９ ヒータロッド １０ 熱電対 １１ 結晶駆動手段 １５ ポート １６ ピンチオフ管 １８ 調整器 １９ 電力増幅器 ２０ 制御器 ２２ パルス変調器 ２３ 電源
Claims (10)
- 【請求項１】 電気エネルギーを超音波エネルギーに変
換し、また超音波エネルギーを電気エネルギーに変換す
ることができる圧電手段（１）、 超音波エネルギーを伝搬させるための固体媒質手段
（２）、および上記圧電手段および上記固体媒質手段の
一方から上記圧電手段および上記固体媒質手段の他方へ
の超音波エネルギーの透過を行うための結合手段（３）
を含む超音波変換器に於いて、 上記の伝搬する超音波エネルギーから所定の周波数を中
心とする狭い帯域内の周波数を除くすべての周波数をフ
ィルタリングするためのフィルタ手段（７，８）が上記
固体媒質手段の内側に配置されていることを特徴とする
超音波変換器。 - 【請求項２】 上記固体媒質手段の内側に組み込んだ一
様な幅のギャップ（７）により上記フィルタ手段が構成
され、上記ギャップがガス媒質（８）で充たされている
請求項１記載の超音波変換器。 - 【請求項３】 周波数が上記所定の周波数にほぼ等しい
超音波エネルギーだけを上記ギャップが透過するよう
に、上記ギャップ幅および上記ガス媒質が選択される請
求項２記載の超音波変換器。 - 【請求項４】 上記圧電手段が圧電結晶（１）を含み、
上記結合手段が収束レンズ（３）を含み、そして上記固
体媒質手段が水の屈折率にほぼ等しい屈折率を持つ固体
媒質のブロック（２）を含んでいる請求項１記載の超音
波変換器。 - 【請求項５】 上記ガス媒質を加熱するための手段
（９）、上記ガス媒質の温度を検出するための手段（１
０）、および上記検出手段が検出した温度に応じて上記
加熱手段を制御するための手段（２０）も含まれる請求
項２記載の超音波変換器。 - 【請求項６】 上記ギャップが、上記固体媒質手段に機
械加工された円板状の空間である請求項２記載の超音波
変換器。 - 【請求項７】 上記ギャップを上記ガス媒質で充たすた
めの手段（１５，１６）も含まれ、上記の充たすための
手段が上記固体媒質手段に組み込まれている請求項２記
載の超音波変換器。 - 【請求項８】 上記ガス媒質がヘリウムである請求項２
記載の超音波変換器。 - 【請求項９】 上記圧電手段から上記結合手段を介して
透過される超音波エネルギーが上記ギャップと上記固体
媒質手段との間の界面に入射するように、上記ギャップ
が位置決めされている請求項２記載の超音波変換器。 - 【請求項１０】 持続波の電気エネルギーを上記圧電手
段に供給するための手段（１１，１８，１９，２２，２
３）も含まれる請求項１記載の超音波変換器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/964,998 US5351546A (en) | 1992-10-22 | 1992-10-22 | Monochromatic ultrasonic transducer |
| US964998 | 1992-10-22 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06217395A true JPH06217395A (ja) | 1994-08-05 |
Family
ID=25509296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5260300A Pending JPH06217395A (ja) | 1992-10-22 | 1993-10-19 | 単色超音波変換器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5351546A (ja) |
| EP (1) | EP0594399A1 (ja) |
| JP (1) | JPH06217395A (ja) |
| TW (1) | TW237519B (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010145401A (ja) * | 2008-12-18 | 2010-07-01 | Nuovo Pignone Spa | 雑音のある鋳造材料の超音波検査方法及び関連するプローブ |
| JPWO2024219176A1 (ja) * | 2023-04-17 | 2024-10-24 | ||
| KR102751771B1 (ko) * | 2023-12-15 | 2025-01-10 | 한전케이피에스 주식회사 | 초음파 검사시스템 및 초음파 검사용 접착부재 |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030060736A1 (en) * | 1999-05-14 | 2003-03-27 | Martin Roy W. | Lens-focused ultrasonic applicator for medical applications |
| US20060009948A1 (en) * | 2003-10-04 | 2006-01-12 | Dannis Wulf | Method and apparatus for inspecting parts with high frequency linear array |
| JP4747172B2 (ja) * | 2005-07-06 | 2011-08-17 | 財団法人電力中央研究所 | 超音波探傷試験における傷高さ測定法並びに装置 |
| DE102006000693A1 (de) * | 2006-01-02 | 2007-07-05 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- oder des Massedurchflusses eines Mediums |
| DE102006012114A1 (de) * | 2006-03-14 | 2007-09-20 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Volumen- oder des Massedurchflusses eines Mediums in einer Rohrleitung |
| DE202008012795U1 (de) * | 2008-09-25 | 2009-11-19 | Siemens Aktiengesellschaft | Ultraschallwandler mit Elastomer-Anpassschicht |
| DE102009006557A1 (de) * | 2009-01-27 | 2010-08-26 | Salzgitter Mannesmann Line Pipe Gmbh | Ultraschallprüfkopf |
| US9952183B2 (en) * | 2015-09-11 | 2018-04-24 | Olympus Scientific Solutions America | Focusing wedge for ultrasonic testing |
| CN106053612B (zh) * | 2016-07-25 | 2018-08-31 | 河北奥索电子科技有限公司 | 用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头及检测方法 |
| JP6770462B2 (ja) * | 2017-02-23 | 2020-10-14 | 日本車輌製造株式会社 | 積層弾性体の検査方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2214378A5 (ja) * | 1973-01-16 | 1974-08-09 | Commissariat Energie Atomique | |
| US4020679A (en) * | 1975-08-13 | 1977-05-03 | Automation Industries, Inc. | Sled for ultrasonic NDT system |
| US4366406A (en) * | 1981-03-30 | 1982-12-28 | General Electric Company | Ultrasonic transducer for single frequency applications |
| DE3315649C1 (de) * | 1983-04-29 | 1984-06-28 | Krautkrämer GmbH, 5000 Köln | Ultraschallprüfkopf zur zerstörungsfreien Prüfung heißer Prüfstücke |
| US4976150A (en) * | 1986-12-30 | 1990-12-11 | Bethlehem Steel Corporation | Ultrasonic transducers |
| FR2612722B1 (fr) * | 1987-03-19 | 1989-05-26 | Thomson Csf | Transducteur acoustique multifrequences, notamment pour imagerie medicale |
| FR2614722B1 (fr) * | 1987-04-28 | 1992-04-17 | Dory Jacques | Filtre acoustique permettant de supprimer ou d'attenuer les alternances negatives d'une onde elastique et generateur d'ondes elastiques comportant un tel filtre |
| US5118464A (en) * | 1991-03-15 | 1992-06-02 | General Electric Company | Method of ultrasonic inspection of materials through opaque barriers |
-
1992
- 1992-10-22 US US07/964,998 patent/US5351546A/en not_active Expired - Fee Related
-
1993
- 1993-05-11 TW TW082103687A patent/TW237519B/zh active
- 1993-10-19 JP JP5260300A patent/JPH06217395A/ja active Pending
- 1993-10-19 EP EP93308305A patent/EP0594399A1/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010145401A (ja) * | 2008-12-18 | 2010-07-01 | Nuovo Pignone Spa | 雑音のある鋳造材料の超音波検査方法及び関連するプローブ |
| JPWO2024219176A1 (ja) * | 2023-04-17 | 2024-10-24 | ||
| KR102751771B1 (ko) * | 2023-12-15 | 2025-01-10 | 한전케이피에스 주식회사 | 초음파 검사시스템 및 초음파 검사용 접착부재 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5351546A (en) | 1994-10-04 |
| TW237519B (ja) | 1995-01-01 |
| EP0594399A1 (en) | 1994-04-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19971021 |