(57)【要約】【課題】レーザ超音波測定装置における被検査体のレーザ光照射によるダメージをなくし、被検査体の相変態率を算出する。【解決手段】被検査体に超音波発生用パルスレーザ光を照射して板波を発生させる超音波発生用レーザ光源１１と、被検査体に超音波検出用レーザ光を照射して板波を検出する超音波検出用レーザ光源１２と、被検査体からの超音波検出用レーザ光源１２の反射光を干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして群速度ゼロの板波の周波数を算出する周波数算出部６１と、群速度ゼロの板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係から、被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部６４と、を備えるレーザ超音波測定装置１０を提供する。【選択図】図１２
2010223635.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射する照射光学系と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出部と、
前記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の前記板波超音波の周波数を導出する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出部と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波測定装置。
【請求項３】
前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ超音波測定装置。
【請求項４】
前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
【請求項５】
前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのＳ１対称板波モードの周波数であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
【請求項６】
前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
【請求項７】
前記較正線は、前記相変態率が０％のときの周波数と、相変態率が１００％のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
【請求項８】
被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置を用いたレーザ超音波測定方法であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射するレーザ光照射工程と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる超音波検出工程と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出工程と、
前記電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出工程と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部工程と、を有することを特徴とするレーザ超音波測定方法。
【請求項９】
別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成工程をさらに有することを特徴とする請求項８に記載のレーザ超音波測定方法。
【請求項１０】
超音波検出工程を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする請求項８又は９に記載のレーザ超音波測定方法。
【請求項１１】
前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
【請求項１２】
前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのＳ１対称板波モードの周波数であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
【請求項１３】
前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
【請求項１４】
前記較正線は、前記相変態率が０％のときの周波数と、相変態率が１００％のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを被検査材に照射して発生する超音波を検出するレーザ超音波測定装置及びその方法に関し、特に、材料の相変態率を計測するレーザ超音波測定装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ超音波法は、被検査材に対しパルスレーザ光を照射し、発生する熱的応力、あるいは表面近傍の被検査材自体の気化により発生する気化反力を利用して超音波を送信し、連続発振する別のレーザ光を受信点に照射し、その直進性や可干渉性を用いて超音波によって誘起される変位を受信して被検査材中を伝播した超音波を検出する技術である。
レーザ超音波法は、超音波を用いて材料のき裂や内在欠陥の検出、あるいは材料特性の評価を、非接触で行うことが可能であり、種々の材料評価分野への応用が期待されている。
【０００３】
図１３を用いて、レーザ超音波法の原理について説明する。
高いエネルギーのパルスレーザである超音波発生用レーザを、例えば被検査材である鋼材表面に照射するとその衝撃で金属表面に生じる熱膨張及び収縮により、歪みが発生する。そして発生した歪みが超音波として鋼材内部を伝播する。次に超音波検出用の単一周波数の連続レーザ光を金属表面に照射すると、その反射光は、伝播した超音波による表面の振動に応じた周波数の変化（ドップラーシフト）を受ける。以下に、ドップラーシフト量（Δｆ）を示す式を示す。
Δｆ＝２Ｖ／λ
ここで、Ｖ＝表面変位速度、λ＝レーザ波長
【０００４】
レーザ超音波法を用いた計測器は、ファブリペロー干渉計等のレーザ干渉計を備えている。ファブリペロー干渉計は、特定周波数のみを共振させて透過させるフィルタとして動作する。例えば、鋼材内部に欠陥部がある場合、表面振動が通常の鋼材と異なるため、ドップラーシフト量は、通常の鋼材と異なる値を示す。そのため、ファブリペロー干渉計を透過する透過光量が変化し、検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を行うことができる。
【０００５】
レーザ超音波法では、レーザ光が届く範囲であれば、検査対象に何も接触させずに検査対象の状態を観測できる。レーザ光は、光ファイバーやミラーを用いることで、接触や近接が困難な被検査材に対しても比較的容易に超音波検査を行うことができる。
【０００６】
図１４を用いて、レーザ光照射による超音波の発生原理について説明する。図１４（ａ）は、レーザ光を被検査体に照射して被検査体の一部を蒸発させる現象であるアブレーションにより、超音波を発生させるケースであり、図１４（ｂ）は、レーザ光を被検査体に照射して被検査体に熱弾性変化を生じさせて、超音波を発生させるケースである。
【０００７】
アブレーション発生ケースでは、蒸発反力により弾性波を発生させるため、材料に照射痕が発生する。一方、熱弾性ケースでは、レーザによる急速加熱による熱膨張及び収縮に伴う弾性波発生を発生させるが、材料に照射痕は生じない。熱弾性ケースは材料にダメージを与えないが、アブレーション条件に比べ熱弾性ケースではフルーエンスレベルは２桁近く低いため、発生する超音波音圧はそれ以上の割合で減少してしまう。
【０００８】
従来のレーザ超音波法は、対象材にダメージを与えて超音波を発生させるアブレーション領域で使用する方法である。この方法は、発生超音波の強度が強く、超音波の縦波や横波の音速を検出する（下記、非特許文献１〜５）。また、検出した縦波や横波の音速を活用し、相変態率を計測に活用する方法（下記、特許文献１及び２）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−１６６９１８号広報
【特許文献２】特開平１１−１６６９１９号広報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M. Dubois, A. Moreau, M. Militzer, and J. F. Bussiere, “Laser-Ultrasonic Monitoring of Phase Transformations in Steels”, Scripta Materialia, Vol. 39, No. 6, p.735-741, 1998
【非特許文献２】M. Ericsson, E.Lindh-Ulmgren, D. Artymowicz and B. Hutchison, “’Laser-ultrasonics (LUS) for microstructure characterization”. Research report IM-2003-113, Swedish institute for metals research, 2003
【非特許文献３】「J.D.Achenbach, “Wave propagation in elastic solids”, Amsterdam, North-Holland, 1973」
【非特許文献４】C.B. Scruby and L.E. Drain, “Laser Ultrasonics -Techniques and Applications” , ISBN0-7503-0050-7, Adam Hilger, p.289, 1990
【非特許文献５】J. Huang, Y. Nagata, S. Krishnaswamy, and J. D. Achenbach,“Laser-based ultrasonics for flaw detection”, Proc. of IEEE Ultrasonics Symp., p1205-1209, 1994
【非特許文献６】Dominique Clorennec, etc, ‘Local and non-contact measurements of bulk acoustic wave velocities in thin isotropic plates and shells using zero group velocity Lamb modes,’ Journal of Applied Physics, 101, 034908, 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
対象材の表面にダメージを与えずに超音波を発生させる熱弾性領域においては、超音波の発生機構が異なるため、発生伝播方向の指向性が大きく異なり、結果的に縦波及び横波の音速を計測する事が困難であった。そのため、相変態率を求めるためには、アブレーション領域で検出した縦波や横波の音速を利用する必要があった。
【００１２】
上述の問題点に鑑み、縦波や横波の音速ではなく、対象材の表面に与えるダメージを軽減できる熱弾性領域において、群速度ゼロの板波超音波の周波数を計測することにより相変態率を計測する、材料の相変態率の計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため提供される本発明のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法は、下記の（１）〜（１４）に記載のとおりである。
【００１４】
（１）被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射する照射光学系と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出部と、
前記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の前記板波超音波の周波数を導出する信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出部と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定装置。
（２）前記信号処理部は、別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成部をさらに備えることを特徴とする（１）に記載のレーザ超音波測定装置。
（３）前記連続波レーザ光を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする（１）又は（２）に記載のレーザ超音波測定装置。
（４）前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
（５）前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのＳ１対称板波モードの周波数であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
（６）前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
（７）前記較正線は、前記相変態率が０％のときの周波数と、相変態率が１００％のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、（１）〜（６）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定装置。
（８）被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して、超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置を用いたレーザ超音波測定方法であって、
前記パルスレーザ光を前記被検査体上に点状スポットで照射するレーザ光照射工程と、
前記点状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した群速度ゼロの板波超音波を検出するように、前記連続波レーザ光を被検査体上に照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる超音波検出工程と、
前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出工程と、
前記電気信号に基づき、周波数解析をして対称板波の周波数を算出する周波数算出工程と、
前記対称板波の周波数と、予め作成された、対称板波の周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を表す較正線とから、前記被検査材の相変態率を算出する相変態率算出部工程と、を有することを特徴とするレーザ超音波測定方法。
（９）別途測定された前記被検査体の相変態率が入力され、前記対称板波と被検査体厚みとの積の周波数と前記相変態率との関係を表す較正線を作成する較正線作成工程をさらに有することを特徴とする（８）に記載のレーザ超音波測定方法。
（１０）超音波検出工程を、前記パルスレーザ光の照射スポット域内に照射することを特徴とする（８）又は（９）に記載のレーザ超音波測定方法。
（１１）前記周波数解析では、複数周期の板波超音波を検出する収録時間が設定されることを特徴とする（８）〜（１０）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
（１２）前記対称板波の周波数は、群速度ゼロのＳ１対称板波モードの周波数であることを特徴とする（８）〜（１１）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
（１３）前記較正線作成に用いられる相変態率は、顕微鏡組織観察又は熱膨張率測定によって測定されることを特徴とする（８）〜（１２）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
（１４）前記較正線は、前記相変態率が０％のときの周波数と、相変態率が１００％のときの相変態率から作成される線形な較正線であることを特徴とする、（８）〜（１３）のいずれか１項に記載のレーザ超音波測定方法。
【発明の効果】
【００１５】
上記のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法は、被検査材の表面へのダメージがないパルスエネルギ密度の低いレーザ光により、群速度ゼロの板波超音波の周波数測定を高精度に行うことができる。その結果、より精度の高い検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を非破壊、非接触で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は、被検査体５の側面から見たレーザ超音波測定装置１０の概略構成図であり、図１（ｂ）は、被検査体５をレーザ超音波測定装置１０から見た図である。
【図２】図２（ａ）は、パルスレーザ光を照射した時の検出波形を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す時間波形をフーリエ変換した周波数特性を示す図である。
【図３】図３は、理論計算によるＳ１モード板波の周波数と位相速度および群速度の関係を示す図である。
【図４】図４は、レーザ超音波測定装置１０により、測定温度条件を変えて検出した波形のＦＦＴ結果を示す図である。
【図５】図５は、被検査体の温度と計測した群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数との関係を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、相変態率と群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数と被検査体厚みとの積との関係を線形の較正線で示す図であり、図６（ｂ）は、相変態率とＳ群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数と被検査体厚みとの積との関係を非線形の較正線で示す図である。
【図７】図７は、被検査体を移動しながらレーザ超音波測定法を適用する場合の超音波発生用レーザスポットと超音波検出用レーザスポットの位置関係を示す図である。
【図８】図８は、被検査体の移動速度が３m/sの場合の検出波形の周波数特性を示す図である。
【図９】図９は、被検査体の移動速度が５m/sの場合の検出波形の周波数特性を示す図である。
【図１０】図１０は、被検査体の移動速度が１０m/sの場合の検出波形の周波数特性を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、周波数スペクトル上の周波数ピークと被検査体厚みとの積と相変態率との関係を示す較正線を作成するフロー図であり、図１１（ｂ）は、検出した周波数スペクトル上の周波数ピーク、被検査体厚みと較正線から相変態率を算出するフロー図である。
【図１２】図１２は、レーザ超音波測定装置の全体構成を説明する図である。
【図１３】図１３は、レーザ超音波法の測定原理について説明する図である。
【図１４】図１４は、レーザ光照射による超音波の二種類の発生原理を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法を実施するための形態を説明する。
【００１８】
上記非特許文献３に記載される板波の理論では、板波には、それぞれが複数のモードを有する対称板波と、非対称板波がある。ここで板波とは超音波探傷等の超音波利用分野で周知の超音波伝播現象であって、縦波と横波とが一体となって伝搬することで板全体を振動させるように見える波である。非対称板波とは、板厚み中心から非対称な変位を生じながら伝播する板波であり、対称板波とは板厚み中心から対称な変位を生じながら伝播する板波である。
【００１９】
図１（ａ）は、被検査体５の側面から見たレーザ超音波測定装置１０の概略構成図である。図１（ｂ）は、被検査体５をレーザ超音波測定装置１０から見た図である。
【００２０】
図１（ａ）に示すレーザ超音波測定装置１０は、超音波発生用レーザ光源１１、超音波検出用レーザ光源１２、レーザ干渉計１３、信号処理部６０を有する。図１（ｂ）には、発生用レーザ光を照射する超音波発生用レーザスポット領域６、検出用レーザ光を照射する超音波検出用レーザスポット領域７が示される。
【００２１】
超音波発生用レーザ光源１１は、光学系を介して、パルスレーザ光を超音波発生用レーザスポット領域６に照射する。超音波検出用レーザ光源１２は、連続波のレーザ光を、光学系を介して、超音波発生用レーザスポット領域６よりも小さい超音波検出用レーザスポット領域７に照射すると、超音波発生用レーザスポット領域６に生じた板波の振動によって検出用レーザ光の波長にドップラーシフトが生じる。そして、ドップラーシフトが生じた検出用レーザのレーザ反射光は、光学系（図示せず）によりファブリペロー干渉計等のレーザ干渉計１３に導かれ、当該レーザ干渉計１３の中で干渉させられる。このとき、レーザ干渉計１３の共振条件は検出用レーザの元もとの周波数に対応した共振条件から若干ずらしておく。一時的にドップラーシフトされた検出用レーザ反射光を、レーザ干渉計１３を透過させると、透過したレーザ光においては、ドップラーシフトによる波長変化が光強度の変化に変換される。
【００２２】
そして、透過レーザ光を当該レーザ光の波長に良好な感度を有する公知の光検出器で構成する光検出部（図示せず）で検知して電気信号に変換することにより、板波による振動波形（以下では板波の波形とも記す）を電気信号（電圧波形）として検出することができる。このようなレーザ超音波法における超音波検出については、例えば上記非特許文献５に記載されている。信号処理部６０は、その電気信号を以下で説明するような信号処理をすることで、所望の測定情報を導出することができる。
【００２３】
信号処理部６０は、検出した板波の波形の電気信号をＡ／Ｄ変換器でディジタル信号として取り込んだ後、例えば周波数解析としてＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を行い各周波数成分の大きさの分布を導出する。当該分布においてピークの周波数を求めて、被検査体に発生した群速度ゼロの板波の周波数を検出する。
【００２４】
図２及び３を用いて、レーザ超音波測定装置１０は、群速度ゼロの板波を検出可能であることを示す。
図２は、レーザ超音波測定装置１０により、パルスレーザ照射により板波を発生させ、それを検出したときの電気信号の波形を示す図である。図２（ａ）は、パルスレーザ光を照射したときの検出した時間領域の検出波形を示す。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す時間波形をフーリエ変換した周波数特性を示す。
図２（ａ）の時間Ｔ１は、超音波発生用パルスレーザを照射した時間である。図２（ｂ）に示す周波数波形は、図２（ａ）のパルスレーザ照射後から９０μｓの間に検出された時間波形に対してＦＦＴを実行して得たものである。図２（ｂ）に示す周波数スペクトル上のピークＦ１は、ＦＦＴにより得られる最も大きな周波数成分である。
【００２５】
当該測定の測定条件は以下の通りである。
被検査体：厚さ（ｄ）２ｍｍ、ＳＵＳ３０４
測定時温度：室温
ＦＦＴを実行した時間領域：９０μｓ
超音波発生用レーザ光源：ＹＡＧレーザ（最大パルスエネルギ４５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ（ＮＤフィルタで減衰）、パルス間隔１０ｎｓ
レーザパルスエネルギ密度：１．８ｍＪ／ｍｍ2（熱弾性領域）
超音波検出用レーザ光源：パワー５００ｍＷ、波長５３２ｎｍ
超音波発生用レーザビームスポット：直径５ｍｍ
検出レーザビームスポット：直径１ｍｍ
【００２６】
上記非特許文献３には、板波の位相速度を計算するための計算式が記載されている。対称モードの板波Ｓｎ（ｎは整数）は、下記に示す数式１によって「速度」と「振動数×厚さ」の関係で示される。また群速度Ｃｇは、数式２によって求まる。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
図３は、理論計算による群速度ゼロのＳ１モードの周波数を示す図である。図３には、数式１に示す位相速度（ｃ）と周波数（ｆ＝ω／２π）の関係、及び数式２により求まる群速度（Ｃｇ）と周波数（ｆ＝ω／２π）との関係が示される。
図３に示す理論計算によるＳ１モードの群速度ゼロにおける周波数は、検出された周波数１．３ＭＨｚ（Ｆ１）と一致している。これより、検出された周波数（Ｆ１）は、群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数であることが分かる。従って、図２及び図３の結果より、室温において、熱弾性領域（表面ダメージなし照射条件）での群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数が計測可能であることがわかる。
なお、被検査体５であるＳＵＳ３０４においては、数式１に用いる縦波音速（ＶＬ）及び横波音速（ＶＳ）は既知であり、板波の縦波音速：５，９００［ｍ／ｓ］、板波の横波音速：３，２００［ｍ／ｓ］であり、図３の理論計算では本値を用いている。また被検査体５であるＳＵＳ３０４は厚み２ｍｍであり、図３の理論計算では本値も用いている。
群速度ゼロの板波は、発生箇所に停留し板厚方向で振動を続けるため、複数周期検出できるように、例えば、図２（ｂ）のように９０μｓという長時間の波形に対してＦＦＴを行う事により、その周波数を計測できる事がわかる。
【００２９】
図４は、レーザ超音波測定装置１０により、測定温度条件を変えてＳ１板波モードの板波を発生させ、それを検出したときの電気信号波形のＦＦＴ結果を示す図である。当該測定例における測定条件は、以下に示す条件を除いて、図２を用いて説明した測定条件と同じである。
測定時温条件：室温から９００℃まで昇温（１℃／１ｓ）、５分保持し、５００℃まで降温（−２０℃／分）した。測定は、９００℃からサンプル空冷中に計測し、温度はサンプル表面につけた熱電対の計測値である。
被検査体：高炭素鋼（Ｃ＝０．８５％）、厚み２ｍｍ
ＦＦＴを実行した時間領域：超音波発生用パルスレーザの照射タイミング以降の２００μｓ
【００３０】
Ｆ２、Ｆ３、及びＦ４で示すピークは、温度５２９℃、６０９℃、７１１℃のときにそれぞれ検出したピーク周波数である。これらの値は、高温時の群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数である。Ｆ２〜Ｆ４で示すように、測定温度と共に群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数が変化することがわかる。
【００３１】
図５は、被検査体の温度と計測した群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数との関係を示す図である。△で示す検出値は、室温から９００℃まで昇温したときに測定した群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数である。○で示す検出値は、９００℃から５００℃まで降温したときに測定した群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数である。
【００３２】
例えば、γ鉄からα鉄へ変態させるときの割合を鋼材の相変態率と言う。なお、相変態率は、電子顕微鏡で撮影した画像に対して、画像処理を行うことで相変態を観測する方法、又は、熱膨張を用いて相変態を算出する方法がある。
電子顕微鏡を用いて画像から相変態を観測することは、人間が画像をみて変態率を判断しても良いし、微細な構造組織の有する特徴から画像認識により相変態を求めても良い。例えば、ＳＵＳの場合、Ｔｉ２Ｏ３を始めとする酸化物を利用して、γ→α変態時にフェライト組織が微細化されることから、このフェライトの微細化を画像認識して変態率を求めることが出来る。
【００３３】
熱膨張を用いて相変態を求める方法は、画像処理測定やレーザ測定等の方法がある。たとえば画像処理測定では、被検査体の画像に対して画像処理で測定箇所の変位を測定することによって熱膨張率を取得する。
【００３４】
図５に示すＳ１ｆ１００は、相変態率が１００％のときの測定周波数であり、図５に示すＳ１ｆ０は、相変態率が０％のときの測定周波数である。
温度を変化させることによって、被検査体である鋼材の相変態率が変化する。また、この相変態率の変化は、昇温した場合と、降温した場合とで傾向が異なることがわかる。
【００３５】
なお、群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数は、上記非特許文献６により、数式３のようになる事が示されている。一方、縦波音速ＶLと相変態率とは、文献１、２等に示されている様に、１対１の対応がある。従って、群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数と被検査体の厚みの積の値が、相変態率の情報を有する事がわかる。
【００３６】
【数２】
2010223635.tif 000004
【００３７】
Ｓ１ｆ１００×ｄ0とＳ１ｆ０×ｄ0との間の相変態率において上記のような相変態率の観測又は算出によりサンプルデータを複数個取ることで、図６（ａ）又は図６（ｂ）に示すような較正線を求めることが出来る。但し、ここでｄ0は、較正線を求めるために使用した被検査体の厚みである。図６（ａ）は、相変態率と群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数との関係を線形の較正線で示す図であり、図６（ｂ）は、相変態率と群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数との関係を非線形の較正線で示す図である。なお、Ｓ１ｆ１００×ｄ0とＳ１ｆ０×ｄ0との間の相変態率においてサンプルデータを複数個取り、較正線を得た結果、相変態率と群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数との関係が計測精度の観点から線形とみなして良い場合は、図６（ａ）の線形な較正線を利用し、線形とみなせない場合は、図６（ｂ）の非線形な較正線を利用する。
例えば、図６（ａ）に示すように、線形な較正線を利用する場合、任意の被検査体（厚みｄ）の測定周波数Ｓ１ｆの相変態率（Ｐ）は、Ｓ１ｆ１００×ｄ0及びＳ１ｆ０×ｄ0を用いて、下記数式４によって求めることが出来る。
Ｐ（％）＝１００×（Ｓ１ｆ０×ｄ0−Ｓ１ｆ×ｄ）／（Ｓ１ｆ０×ｄ0−Ｓ１ｆ１００×ｄ0）・・・（数式４）
また、図６（ｂ）に示す非線形な較正線を利用する場合には、測定された周波数と被検査体厚みとの積と相変態率との関係を、多項式等の関数でフィッティングし、或いは折れ線近似することにより、下記数式５に示す様な関係を導出する。
Ｐ（％）＝  Ｆ（Ｓ１ｆ×ｄ）  ・・・（数式５）
ここで、Ｆ（Ｓ１ｆ×ｄ）はＳ１ｆ×ｄの関数であることを示す。相変態率の測定を行う場合には、群速度ゼロのＳ１モード板波の測定周波数Ｓ１ｆを測定して、被検査体厚みと共に、この関数Ｆに代入することで、相変態率を求めることが出来る。
このように、相変態率と群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数×厚みとの較正線を求め、相変態率を数式により算出できるようにすることで、群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数（Ｓ１ｆ）を計測することで、Ｓ１ｆの周波数と厚みから相変態率を算出できる。
【００３８】
図７を用いて、被検査体を移動しながらレーザ超音波測定方法を行う例について説明する。被検査体５は、コンベア等の搬送設備に搬送される。測定条件は、下記に示す測定条件を除いて、図２を用いて説明した測定条件と同じである。
搬送速度：Ｖ（ｍｍ／ｓ）
Ｓ１ｆ計測のためのＦＦＴ実行用の波形収録時間：２００μｓ
なお、ＦＦＴ実行用の波形収録時間は、短いと周波数分解能が低下し、長いとノイズ成分が支配的になりＳＮが低下する。被検査体が移動することにより、超音波発生用レーザスポット領域７ａを超音波検出用レーザスポット領域６ａが横断するように動くため、ＦＦＴ実行用の波形収録時間は、図２を用いて説明した測定条件における波形収録時間より長めに取り、１００μｓ〜２００μｓ程度が好ましい。
【００３９】
被検査体５は搬送設備に搬送されているため、超音波検出用レーザスポット領域６ａは、図示されるように長方形の形状となる。このとき、超音波発生用レーザスポット領域７ａは、そのスポット領域内に超音波検出用レーザスポット領域６ａを入れておくために、波形収録時間内に超音波検出用レーザスポット領域が移動する長さＸより長手方向を長くすることが好ましい。
Ｘ＝Ｖ×Ｔ
＝Ｖ（ｍｍ／ｓ）×ＦＦＴ実行のための波形収録時間（ｓ）
超音波発生用レーザの照射スポット域の長手方向長さはＸ以上にすることが好ましい。また、超音波発生用レーザの照射時における超音波検出用レーザスポット領域６ａの位置は、超音波発生用レーザスポット領域７ａにおける、被検査体移動の下流側に設定する必要がある。
【００４０】
図８〜１０を用いて、被検査体５の移動速度と被検査体５から検出した周波数波形との関係を示す。図８は、被検査体５を３［ｍ／ｓ］で移動した場合の検出した周波数波形であり、図９は、被検査体５を５［ｍ／ｓ］で移動した場合の検出した周波数波形であり、図１０は、被検査体５を１０［ｍ／ｓ］で移動した場合の検出した周波数波形である。
測定条件は、上記搬送速度が異なるだけで、その他は図４で説明した測定条件である。群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数である約１．３ＭＨｚの周波数スペクトルＦ５、Ｆ６、Ｆ７は、それぞれ被検査体移動速度が３［ｍ／ｓ］（図８）、５［ｍ／ｓ］（図９）、１０［ｍ／ｓ］（図１０）であっても、検出されていることがわかる。
【００４１】
このように、図８〜１０に示すように、被検査体５を移動させた場合であっても、群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数が測定可能であることがわかる。この結果より、実際に鋼材がコンベア等によって移動している場合でも、群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数を測定することが可能であり、このようにして移動した鋼材から検出した群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数を用いて、図５及び６に示すように相変態率の測定を行うことが出来る。
【００４２】
上記したように、本実施形態に係るレーザ超音波測定装置及びその方法は、被検査材の表面へのダメージがないパルスエネルギ密度の低いレーザ光により、相変態率の測定を高精度に行うことができる。
また、本発明は、このように弱いパルスレーザの使用にのみ限定されるものではなく、アブレーションと熱弾性変化領域の共存領域、アブレーション領域であっても利用できる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ超音波測定装置及びその方法は、対象材の表面にダメージを与えずに超音波を発生させる熱弾性領域において、検出した超音波波形に対してＦＦＴを実行し周波数ピークを算出し、その周波数値から相変態率を計測すること出来る。
【００４４】
相変態率を計測する事は、金属の製造プロセスにおいて材質の造りこみを行う上で、重要な情報となる。例えば高強度鋼板の製造においては、γ鉄からα鉄へ変態させる組織制御を行い高強度にさせる製造方法があるが、その製造においてはγ鉄からα鉄へ変態させるときの割合、すなわち変態率をうまく調整することで強度を同程度として強度ばらつきの少ない鋼板を製造できるようになる。このような観点で、相変態率を容易に計測できること、さらに、実際の金属の製造プロセスのように搬送中の鋼材について相変態率を求めることが出来るのは極めて有用である。
【００４５】
図１１は、相変態率の算出処理を示すフロー図である。図１１（ａ）は、周波数スペクトル上の周波数ピークと被検査体厚みとの積と相変態率との関係を示す較正線を作成するフローである。図１１（ｂ）は、検出した周波数スペクトル上の周波数ピークと被検査体厚みとの積と較正線から相変態率を算出するフローである。
図１１（ａ）に示すフローにおいては、レーザ超音波測定装置１０は、図２及び図４で説明したように、被検査体から発生した群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数を算出する（Ｓ１０１）。次に、レーザ超音波測定装置１０は、被検査体の相変態率を取得する（Ｓ１０２）。ここでは、上述したように、予め電子顕微鏡で測定、又は、熱膨張率で算出した相変態率を取得する。
【００４６】
ステップＳ１０２で所定の相変態率が算出されると、図６で示したように、レーザ超音波測定装置１０は、被検査体の相変態率と、周波数スペクトル上の周波数ピークおよび被検査体厚みから較正線を作成する（Ｓ１０３）。このようにして、較正線が作成される。
【００４７】
図１１（ｂ）に示すフローにおいては、レーザ超音波測定装置１０は、図２及び図４で説明したように、被検査体から発生した群速度ゼロのＳ１モード板波の周波数を算出する（Ｓ１５１）。次に、レーザ超音波測定装置１０は、ステップＳ１０３で作成された較正線および被検査体厚みを用いて、検出された周波数スペクトル上の周波数ピークに相当する相変態率を算出する（Ｓ１５２）。
【００４８】
図１２は、一実施形態に係るレーザ超音波測定装置１０ａの全体図である。図示のように、レーザ超音波測定装置１０ａは、超音波発生用レーザ光源１１、超音波検出用レーザ光源１２、レーザ干渉計１３、及び信号処理部６０を有する。
超音波発生用レーザ光源１１は、被検査体５に超音波を発生させるために、高出力のパルスレーザ光ＥＬを、ミラー３１ａ、３１ｂを介して被検査体５に照射する。パルスレーザ光ＥＬは、レンズ３３により収束され、点状スポットとして超音波検出用レーザスポット領域７に照射される。被検査体５のパルスレーザ光ＥＬが照射される部分は、熱膨張しその後収縮することにより歪みが発生し、被検査体５に超音波が伝搬する。
【００４９】
超音波検出用レーザ光源１２からは、連続波レーザ光ＤＬが、ミラー４１ａ、４１ｂを介して、点状スポットとして超音波検出用レーザスポット領域７に照射される。連続波レーザ光ＤＬは、被検査体５上の計測点に照射される。被検査体５からの連続波レーザ光ＤＬのレーザ反射光ＲＬの周波数は、表面振動によりドップラーシフトを受ける。レーザ反射光ＲＬは、ミラー４１ｃ、４１ｄを介して、レンズ４３により収束され、レーザ干渉計１３に入射する。
【００５０】
レーザ干渉計１３は、入射したレーザ光を、ミラー１３ａと１３ｂとの間で往復させて干渉（共振）させ、ミラー１３ｂで一部の光量を透過させる。レーザ干渉計１３を透過するレーザ光のスペクトルは、極狭い波長域の急峻なピークと両側のスロープとで構成される。ミラー１３ａと１３ｂとの間隔をレーザ光の波長の共振条件から若干ずらしておき、レーザ光の波長が当該スロープの波長域に位置するように設定しておく。このとき、レーザ反射光のドップラーシフトは、レーザ干渉計１３を透過する際に光強度変化に変換される。そして、レーザ干渉計１３を透過した光は、アバランシェホトダイオード等からなる高速応答可能な光検出器２０に入射する。光検出器２０では、透過光の光強度は電気信号Ｅ１に変換されて信号処理部６０に入力する。
【００５１】
信号処理部６０では、周波数算出部６１は、図１１のステップＳ１０１及びＳ１５１で説明した処理を実行することができる。相変態率格納部６２は、予め測定又は算出した相変態率を格納する。厚み情報格納部６５は、予め測定した被検査体厚みの値を格納する。なおこの値は、放射線計測器による計測やメジャー類を使用した計測により可能である。較正線作成部６３は、図１１のステップＳ１０２で説明したように、相変態率格納部６２に格納された相変態率を取得し、図１１のステップＳ１０３で説明したように較正線を作成することができる。相変態率算出部６４は、図１１のステップＳ１５２で説明した処理を実行することができる。
【００５２】
信号処理部６０は、プロセッサから構成され、且つ上記した周波数算出部６１、較正線作成部６３、及び相変態率算出部６４が提供する各機能は、プロセッサが、図示されないメモリや外部記憶装置に格納されたプログラムを実行することにより実現しても良い。相変態率格納部６２及び厚み情報格納部６５は、メモリや外部記憶装置で実装することが出来る。相変態率算出部６４の算出結果は、表示装置１９に出力できる。なお、信号処理部６０には、図示しない入出力装置、通信装置が接続され得る。測定した相変態率は、入力装置又は通信装置を介して、相変態率格納部６２に格納することが出来る。
【００５３】
なお、レーザ超音波測定装置１０ａは、金属の製造プロセスに配置される場合、較正線の作成機能を有せず、すでに作成された較正線を利用して相変態率を求めても良い。その場合、較正線作成部６３の機能を、レーザ超音波測定装置１０ａとデータ接続された別な装置（プロセッサ、メモリ、通信手段、外部記憶装置を有する）に実行させても良い。そして、信号処理部６０は、相変態率格納部６２及び較正線作成部６３を有さず、上記別な装置からネットワーク又は記録媒体を介して受信した較正線のデータを用いて、相変態率算出部６４は、図１１のステップＳ１５２で説明した処理を実行することができる。
【符号の説明】
【００５４】
５    被検査体
６、６ａ    超音波発生用レーザスポット領域
６ａ    超音波発生用レーザスポット領域
７、７ａ    超音波検出用レーザスポット領域
１０、１０ａ    レーザ超音波測定装置
１１    超音波発生用レーザ光源
１２    超音波検出用レーザ光源
１３    レーザ干渉計
１３ａ、１３ｂ、３１ａ、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ    ミラー
１９    表示装置
２０    光検出器
３３、４３    レンズ
６０    信号処理部
６１    周波数算出部
６２    相変態率格納部
６３    較正線作成部
６４    相変態率算出部
６５    厚み情報格納部
【図１】
2010223635.tif 000005
【図２】
2010223635.tif 000006
【図３】
2010223635.tif 000007
【図４】
2010223635.tif 000008
【図５】
2010223635.tif 000009
【図６】
2010223635.tif 000010
【図７】
2010223635.tif 000011
【図８】
2010223635.tif 000012
【図９】
2010223635.tif 000013
【図１０】
2010223635.tif 000014
【図１１】
2010223635.tif 000015
【図１２】
2010223635.tif 000016
【図１３】
2010223635.tif 000017
【図１４】
2010223635.tif 000018