JPH0658913A - 機械的変形値の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種固体材料に関する縦・横，体積弾性率，
ポアソン比，内部摩擦などの機械的変形値を広範囲な温
度条件で短時間に、しかも高精度に測定すること。 【構成】 各種固体材料からなる試料３は、外周面に凹
凸を形成した超音波導波体１に取付けられるもので、こ
れら両者には、超音波パルスが発射される。この超音波
導波体１は、試料３を取付けた一端が、広範囲な温度条
件を充す雰囲気炉２内に挿入され、水冷ジャケット８お
よび送受信子９を備えた他端が雰囲気炉２外にあって常
温状態を維持する。超音波パルスの発射は、シングアラ
ウンドユニット１１の送信回路から行なわれ、試料３中
の伝搬時間および減衰率を演算処理することにより機械
的変形値を測定する。前記試料３は、送信子９ａ，受信
子９ｂをそれぞれ備えた１対の超音波導波体１ａ，１ｂ
によって挾着保持することも可能であり、測定にあたっ
てはパルスエコー法の適用も可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属，セラミックス，
高分子等の各種固体材料からなる試料に対する機械的変
形値の測定装置に関し、特に、超音波パルスを利用して
試料の物性値が幅広い温度条件下において測定できるよ
うにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属，セラミックス，高分子等の
各種固体材料の機械的変形に関する物性値を測定する装
置としては、縦弾性率については、引張りおよび圧縮試
験機、内部摩擦については、共振方式による測定機が知
られている。

【０００３】しかしながら、各種固体材料における材料
設計では、縦弾性率，横弾性率，体積弾性率，圧縮比，
ラーメ定数，ポアソン比，音速異方性係数および縦・横
内部摩擦が重要な物性値とされている。したがって、こ
れら９つの物性値を広範囲な温度条件ですべて測定でき
る装置の開発が重要な課題となっている。

【０００４】このようなことから、本発明では、超音波
導波体を利用して、試料の物性値に関するデータが短時
間で、しかも高精度に得られる機械的変形値の測定装置
を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の点に鑑
みなされたもので、超音波導波体は、その外周面に凹凸
を形成した棒状体からなり、しかも、雰囲気炉内に挿入
された一端には、機械的変形に関する物性値を測定する
試料が取付けられているとともに、この雰囲気炉外にあ
る他端側には、水冷ジャケットおよび超音波パルスの送
受信子が備えられるようにしたものである。

【０００６】また、本発明は、前記超音波導波体が１対
のものからなり、しかも雰囲気炉内にある挿入端間に試
料が位置するように取付けられ、この挿入端の反対端に
は、常温状態に保持された送信子および受信子がそれぞ
れ備えられるようにした場合も適用される。

【０００７】

【作用】本発明の機械的変形値の測定装置は、試料が超
音波導波体に取付けられるように構成したものであるか
ら、測定時の操作性が簡単になり、試料測定の活用範囲
が広がるものである。

【０００８】また、機械的変形値についても、試料中に
超音波導波体を介して超音波パルスを印加するように構
成したものであるから、同パルスの伝搬時間および減衰
率の演算処理によって、任意の温度領域における測定が
可能となったものである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明機械的変形値の測定装置におけ
る一実施例について図を参照しながら説明する。

【００１０】図１において、１は外周面に凹凸を形成し
た棒状体からなる超音波導波体であり、その一部は、温
度調整可能な雰囲気炉２内に挿入され、その挿入端に
は、試料３が取付けられるようになっている。

【００１１】この試料３の取付けは、例えば、図１の場
合では、軸部分３ａの一端にフランジ３ｂを形成した断
面略Ｔ字形の試料３が適用され、接触媒質４を介して袋
ナット５により取付けられる。この接触媒質は、超音波
導波体１の保護のためおよび超音波パルスの伝達性向上
を意図して介在させたものであり、例えば、Ａｕ，Ｐ
ｔ，Ｔａ，ＳＵＳ，Ｃｕ，Ｎｉなどの金属，テフロン，
ビニールなど適用温度領域によって適宜選択する。ま
た、図２（ａ）では、円柱状の試料３が適用され、皿ば
ね６を介して袋ナット５により取付けられるようになっ
ている。この場合、試料３は、直接加熱を可能にするた
め、袋ナット５には、窓穴５ａが穿設されている。さら
に、図２（ｂ）では、埋込みねじ７を利用して、試料３
を固定するようにしたものである。なお、図２（ａ）お
よび図２（ｂ）では、接触媒質を介在させていないが、
これは、表面精度を高めれば、必ずしも必要としないこ
とを意味している。

【００１２】前記雰囲気炉２は、図示しない装置本体の
直立軸に取付けられているもので、液体窒素温度から１
７００℃程度まで温度コントロールできることが好まし
い。したがって、雰囲気炉２としては、赤外線イメージ
炉、抵抗加熱炉などからなり、前記試料３などが目視可
能となる透明壁を有することが適切である。また、雰囲
気炉２内は、１気圧から５気圧までの空気，窒素アルゴ
ンおよびヘリウム等のガスで置換でき、１０^-4トールま
での真空を維持することも可能である。さらに、冷却方
法については、液体窒素からの加熱方式でも、クライオ
スタットを用いた冷却方法でもよい。

【００１３】また、前記超音波導波体１は、挿入端の反
対端が前記雰囲気炉２から外に出ているもので、反対端
側には、水冷ジャケット８および超音波パルスの送受信
子９が備えられている。これは、水冷ジャケット８によ
り、冷却または保温して、送受信子９を常温に保つ配慮
である。

【００１４】しかして、この超音波導波体１は、通常、
試料３に対し、音響インピーダンスが等しいかまたは近
接したものが適用される。この理由は、内部摩擦を感度
よく測定するためである。そして、超音波伝搬損失が少
なく耐寒，耐熱性を有する材質が好ましい。例えば測定
温度８００℃以下の場合はＳＵＳ、１１００℃以上の場
合は高密度黒鉛，ＳｉＣ，Ｓｉ₃Ｎ₄系焼結体からなる。
この場合、超音波導波体１の外周面に凹凸を形成するよ
うにしたのは、超音波導波体１の側面における超音波パ
ルスの反射波を散乱させ、ノイズエコーを防止するため
である。この凹凸は、例えば凹凸のある焼結肌面をその
まま利用するか、もしくはネジ切り工具で外周ねじを形
成するもので、図１および図２の場合では、袋ナット５
を適用した関係から全長にわたって外周ねじ１０を形成
しているものである。

【００１５】このようにして構成された超音波導波体１
によっって測定される機械的変形に関する物性値は、基
本的には、縦弾性率，横弾性率，体積弾性率，圧縮比，
ラーメ定数，ポアソン比，音速異方性係数および縦・横
内部摩擦の９つである。この測定にあたっては、図１お
よび図３で概念的に示されているように、送受信子９を
介して、シングアラウンドユニット１１により測定され
るものである。この場合、シングアラウンドユニット１
１には、測定結果を監視あるいはプリントアウトするた
め波形モニタ１２およびパソコン１３が接続され、パソ
コン１３には、ディスプレイ１４およびプリンタ１５が
接続される。

【００１６】図４は、前記シングアラウンドユニット１
１における測定系統図を示したものであり、送信回路１
６で発生した超音波パルスは、送受信子９→超音波導波
体１→試料３→超音波導波体１→送受信子９→アンプ１
７→ゼロクロス検出器１８→多段遅延回路１９→送信回
路１６の経路で循環し、この閉回路によってシングアラ
ウンド測定系を構成する。この場合、前記送受信子９で
は、図１で示されているように、試料３中に放射された
縦波超音波パルスが超音波導波体１を伝搬して、試料３
の界面で反射し、Ｔ₀′時間で送受信子９に受信される
超音波パルス２０と、試料３に入射する超音波２１，２
２に分割される。そして、この超音波パルス２１，２２
は、縦波→縦波モードの超音波パルス２１および縦波→
横波→縦波モードの超音波パルス２２であり、超音波導
波体１に再入射し、それぞれＴ₁′およびＴ₂′時間で送
受信子９に受信される。

【００１７】また、前述したシングアラウンドユニット
測定系の閉回路中には、超音波パルスのピーク値を検出
するピーク検出器２３および超音波パルスの振幅を常に
一定ピーク値とするＡＧＣ増幅器２４が設けられるとと
もに、前記ゼロクロス検出器１８によって受信パルス電
圧が零電圧（零点）を横切るときの時間が計測される。
前記多段遅延回路１９は、試料３中の超音波パルスの多
重エコーによる誤差を消去するため挿入されたもので、
超音波遅延線および帰還回路により構成され、この遅延
線の遅延時間の整数倍の正確な遅延時間を発生させてい
る。シングアラウンドグループのｎ回の平均値周期を測
定すると、周期測定の原理からｎ倍の測定精度が得ら
れ、高精度の伝搬時間測定が可能になる。

【００１８】さらに、この閉回路中には、ウィンドゲー
ト２５およびカウンタ２６がセットされ、超音波パルス
２０，２１，２２の伝搬時間Ｔ₀′，Ｔ₁′およびＴ₂′
が計測される。この計測値は、Ｉ／Ｏ２７を経てＲＳ−
２３２Ｃ準処のシリアルインターフェース２８からの出
力となる。なお、この自動測定にあたっては、閉回路中
に接続されたソフトウェアをコンピュータ制御部である
ＣＰＵ２９によって演算処理される。

【００１９】図４は、図３を補足説明するもので、超音
波パルスのタイムチャートである。

【００２０】すなわち、送受信子９の送信パルス３０，
受信信号３１，ウィンドゲート２５の出力信号３２，ゼ
ロクロス検出器１８の出力信号３３および多段遅延回路
１９の出力信号３４がそれぞれ示されている。

【００２１】また、図５（ａ）〜（ｃ）において、超音
波導波体１から時間Ｔ₀で試料３に入射した超音波パル
スは、、図５（ａ）で示されるように、試料中心軸に平
行な縦波３５と、中心軸と指向角をもつ縦波３６によっ
て構成される。この場合、試料３の側面が平坦に仕上げ
られていると縦波３６は、試料３の側面で反射して、縦
波反射波Ｌ３６と横波反射波Ｓ３６に分割される。しか
し、縦波反射波Ｌ３６は、図５（ｂ）で示されるよう
に、臨界角θで消滅し、横波反射波Ｓ３６のみが存在す
る。そして、試料３中の縦波３６および横波３５の音速
をＶ_L，Ｖ_Sとすれば（１）式の関係が成立する。

【００２２】

【数１】 さらに、図５（ｂ）において、超音波パルス３５は、試
料３の端面で反射して、時間Ｔ₁で超音波導波体１に入
射し、超音波パルス３６は、縦波→横波→縦波と変換し
ながら、試料３の端面で反射して時間Ｔ₂で超音波導波
体１に入射する。この結果、図５（ｃ）から縦波および
横波の音速は、試料３の長さＬおよび直径Ｄから、
（２）式および（３）式により求められる。ただし、
Ｌ》Ｄｔａｎθとする。

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】 これに対し、試料３中の縦波・横波の音速Ｖ_L，Ｖ_Sおよ
び試料３の密度ρから、固体弾性諸定数が（４）式〜
（８）式で与えられる。

【００２５】

【数４】

【００２６】

【数５】

【００２７】

【数６】

【００２８】

【数７】

【００２９】

【数８】 また、図５（ｂ）で示された超音波パルス３５は、時間
Ｔ₁で超音波導波体１に入射するとともに、試料３の端
面で反射して、再び同一経路を経て超音波パルスエコー
となり、時間Ｔ₃で超音波導波体１に入射する。したが
って、Ｔ₀，Ｔ₁およびＴ₃の間には、Ｔ₃−Ｔ₁＝Ｔ₁−Ｔ
₀の関係が成立する。

【００３０】図５（ｃ）は，超音波パルスの伝搬時間の
関係を示したもので、時間Ｔ₁およびＴ₂で超音波導波体
１に入射した超音波パルスの振幅のピーク値Ａ₁および
Ａ₂がそれぞれ示されている。このピーク値Ａ₁およびＡ
₂からは、界面の反射を全反射とすれば、試料３の内部
摩擦Ｑ^-1が（９）式で与えられる。

【００３１】

【数９】 ところで、前述したように、シリアルインターフェース
２８から出力された時間Ｔ₀′，Ｔ₁′およびＴ₂′は、
図４および図５（ａ）〜（ｃ）から（１０）式の時間関
係がある。

【００３２】

【数１０】 （１０）式において、Ｔ₀′はシングアラウンド周期か
ら求められ、Ｔ₁′およびＴ₂′は、ウインドゲート２５
を超音波パルス２２，２３の計測用に順次セットするこ
とにより求められる。

【００３３】（２）式，（３）式および（１０）式から
は、縦・横波音速Ｖ_LおよびＶ_Sが求められ、また、受信
パルス２１，２２の振幅のピーク値をそれぞれＡ₅およ
びＡ₆とすれば、内部摩擦Ｑ^-1は、（９）式によって
（１１）式が与えられる。

【００３４】

【数１１】 （１１）式において、Ｃは、超音波導波体１および試料
３の間では、両者の有効断面積変化率Ｓと両者の接触媒
質４を含めた超音波パルスの往復実効音圧透過率Ｔか
ら、Ｃ＝Ｓ／Ｔと表わされるものである。したがって、
Ｃの値は、前述したＣＰＵ２９に予じめインプットして
おけばよい。また、前述した受信パルス２１，２２のピ
ークＡ₅，Ａ₆は、ピーク検出器２３で検出され、Ｉ／Ｏ
２７を経て、シリアルインターフェース２８からの出力
となる。

【００３５】また、往復実効音圧透過率Ｔは、超音波導
波体１と試料３のそれぞれの音響インピーダンスをＺ₁
およびＺ₂とおいて、接触媒質４を無視すれば（１２）
式となり、Ａ₆／Ａ₅は（１３）式によって与えられる。

【００３６】

【数１２】

【００３７】

【数１３】 なお、内部摩擦を感度よく測定するためには、（１３）
式から明らかなように、測定温度範囲内にわたって超音
波導波体１と試料３の音響インピーダンスが等しい（Ｚ
₁＝Ｚ₂）か近接（Ｚ₁≒Ｚ₂）するように超音波導波体１
の材料を構成することが望ましい。また、安定した受信
パルス２１，２２を受けるためには、超音波導波体１中
の伝搬損失が僅少であることが必要である。

【００３８】本発明は、このようにして縦弾性率，横弾
性率，体積弾性率，ポアソン比，音速異方性係数および
内部摩擦について測定できることを詳述したが、ラーメ
定数，圧縮比などの他の変形値は、前述した数値から演
算処理することによって容易に得られるものである。

【００３９】図６は、別の実施例を示したもので、雰囲
気炉２内にある試料３は、１対の超音波導波体１ａ，１
ｂによって挾着保持されるようにしたものである。この
場合、超音波導波体１ａ，１ｂには、水冷ジャケット８
ａ，８ｂが取付けられるとともに、一方には、送信子９
ａ、他方には、受信子９ｂが備えられる。したがって、
超音波パルスは、送信子９ａ→超音波導波体１ａ→試料
３→超音波導波体１ｂ→受信子９ｂに向って発射され
る。

【００４０】なお、本実施例では、縦形の測定装置を例
示しているが、横形の測定装置にも適用できるものであ
る。また、超音波パルスの測定系として、シングアラウ
ンドユニット１１による場合を説示したが、送信パルス
から受信パルスまでの時間間隔を測定するようにしたパ
ルスエコー法による場合も適用できるものである。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、超音波
導波体１，１ａ，１ｂおよび試料３に超音波パルスを送
受信して、演算処理された試料３中の伝搬時間および減
衰率から試料３の機械的変形値が広範囲な温度条件下で
測定できるように構成したものである。したがって、従
来、測定できなかった縦・横，体積弾性率，ポアソン比
および内部摩擦などの機械的変形値を同時測定できるも
のである。この結果、材料設計で要求される広範囲にわ
たるデータを短時間で、しかも高精度に提供できるとい
う利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明機械的変形値の測定装置における一実施
例を示す概念的な説明図である。

【図２】試料３の取付け構成の変形例を示す図で、図２
（ａ）は袋ナットおよび皿ばねを利用した場合の説明
図，図２（ｂ）は埋込みねじを利用した場合の説明図で
ある。

【図３】シングアラウンドユニットにおける測定系を示
す系統図である。

【図４】図３を補足説明するタイムチャートである。

【図５】試料中の超音波パルスの経路および時間の説明
図で、図５（ａ）は、超音波導波体からの超音波パルス
の経路図，図５（ｂ）は、試料中における超音波パルス
の臨界角θによる横波反射波の経路図，図５（ｃ）は、
超音波パルスの伝搬時間および振幅ピーク値の関係図で
ある。

【図６】本発明装置の変形例を示す要部の説明図であ
る。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 超音波導波体 ２ 雰囲気炉 ３ 試料 ５ 袋ナット ７ 埋込みねじ ８ 水冷ジャケット ９ 送受信子 ９ａ 送信子 ９ｂ 受信子 １０ 外周ねじ １１ シングアラウンドユニット ２０，２１，２２ 超音波パルス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波導波体および試料に超音波パルス
   を送受信して、演算処理された試料中の伝搬時間および
   減衰率から試料の機械的変形値を測定するようにした機
   械的変形値の測定装置において、 前記超音波導波体は、その外周面に凹凸が形成されると
   ともに、その一部が温度調整可能な雰囲気炉内に挿入さ
   れ、しかもこの雰囲気炉内にある挿入端には、前記試料
   が取付けられるようになっており、また、その反対端に
   は、超音波パルスの送受信子を常温状態に保持する水冷
   ジャケットが備えられていることを特徴とする機械的変
   形値の測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された送受信子には、超
   音波パルスの繰返し発振によって同一閉回路を構成する
   測定系のシングアラウンドユニットが接続され、その計
   測値が演算処理されるようにした請求項１記載の機械的
   変形値の測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載された超音波導波体は、
   １対のものからなり、しかも、前記雰囲気炉内に挿入さ
   れた端面間に前記試料が位置するように取付けられると
   ともに、挿入端の反対端には、常温状態に保持された送
   信子および受信子が備えられている請求項１および請求
   項２記載の機械的変形値の測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載された超音波導波体は、
   試料の音響インピーダンスに略等しい材質からなってい
   る請求項１ないし請求項３記載の機械的変形値の測定装
   置