(57)【要約】【課題】板状材料ならびに管状材料の材質測定や内部応力測定をおこなう超音波共振法において板状材料ならびに管状材料内部の音速分布を測定する方法を提供すること。【解決手段】超音波共振法において、複数の共振周波数を測定し、それらの値を演算した結果より板状材料ならびに管状材料の内部の超音波速度の分布を判定する。あるいは複数の共振周波数を測定し、１次以上且つ５次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和と、２次以上且つ２０次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和とをもとめ、その両方から板状材料ならびに管状材料の内部の超音波速度の分布を判定する。さらに上記で測定された超音波速度の分布から、板状材料ならびに管状材料の材質、内部応力を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波共振法において、複数の共振周波数を測定し、それらの値を演算した結果より板状材料ならびに管状材料の内部の超音波速度の分布を判定することを特徴とする超音波共振法。
【請求項２】
超音波共振法において、複数の共振周波数を測定し、１次以上且つ５次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和と、２次以上且つ２０次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和とをもとめ、その両方から板状材料ならびに管状材料の内部の超音波速度の分布を判定することを特徴とする超音波共振法。
【請求項３】
請求項１、請求項２に記載の超音波共振法において、板状材料ならびに管状材料の材質、内部応力を判定することを特徴とする超音波共振法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、板状材料ならびに管状材料の材質測定や内部応力測定をおこなう超音波共振法において板状材料ならびに管状材料内部の音速分布を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】金属材料の厚さ測定、材質測定、内部応力測定のために超音波共振法が有効であることはよく知られている。
【特許文献１】特開平６−１１８０６４には被試験材料に非接触で超音波を発受信できる電磁超音波共振法による金属板の材質測定方法が開示されている。
【特許文献２】特開平１０−４８０６８には電磁超音波を用いた金属の内部応力測定方法が開示されている。
【非特許文献１】実吉純一、菊池喜充、熊本乙彦  監修、「超音波技術便覧、新提版」、日刊工業新聞社、１９８９年５月２５日発行、ｐ７３７−７３８には超音波共振法の原理が述べられている。
【非特許文献２】表口隆雄、赤木俊夫、川島捷宏  他著、「共振電磁超音波法による冷延鋼板のオンラインｒ値測定技術の開発」，鉄と鋼、Ｖｏｌ．７９（１９９３）ｐ１３９−１４４には被試験材料に非接触で超音波を発受信できる電磁超音波共振法の原理ならびに実験結果が述べられている。
【非特許文献３】荻博次、平尾雅彦、福岡秀和  著、「電磁超音波共鳴法による金属薄板の音弾性応力測定」、日本機械学会論文集（Ａ編）６０巻５６９号（１９９４−１）には被試験材料に非接触で超音波を発受信できる電磁超音波共振法の原理ならびに実験結果が述べられている。
【０００３】図２は超音波共振法の概略図である。１は超音波振動子であり超音波の発信と受信の両方に用いられる。２は板状材料であり被試験材料である。その厚さはｄである。超音波振動子１に交流電圧を加えつつ、その交流電圧の振動数を連続的に変化させると、上記非特許文献１によれば次の式（１）が成り立つときに板状材料内部に超音波の共振がおこる。
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式（１）においてｄは板状材料の厚さ、λは超音波の波長、ｎは正の整数である。すなわち板状材料の厚さが超音波の波長の半分の整数倍のときに超音波の共振がおこるといえる。ｎが１，２，３．．．のときの共振をそれぞれ１次、２次、３次．．．の共振という。
一方、超音波の速度Ｖ、波長λ、周波数ｆの間に次の（２）式が成り立つことは一般的によく知られている。
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式（１）、（２）より次の式（３）を導くことができる。
2005106792.tif 000005
式（３）のｆはｎ次の共振のときの周波数であるのでこれを明確に示すためにｆｎと書き直すと次の式（４）ができる。
2005106792.tif 000006
式（４）より、板状材料の厚さｄを測定し、ｎ次共振周波数ｆｎを測定することにより板状材料内部の超音波の速度Ｖを知ることができる。板状材料内部の超音波の速度Ｖが板状材料の内部応力や材質に関連していることはよく知られている。上記の特許文献１、非特許文献２、非特許文献３はこのことを利用したものであり、金属板内部の超音波の速度Ｖを測定し、それより金属板の内部応力や材質を判定している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】上記の特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に開示されている発明は基本原理的には式（４）を利用したものであり、金属板内部の超音波の速度Ｖが試験対象となる金属板の内部において表面からの深さにかかわらず一定であることを仮定したものである。従って、金属板の内部において材質や内部応力が表面からの深さにかかわらず一定であるときにのみそれらを測定できる方法であるといえる。ところが実際の金属板では圧延や熱処理により、金属板内部において材質や内部応力が表面からの深さによって一定でないことが多いことはよく知られている。したがって特許文献１、非特許文献２、非特許文献３に開示されている発明は金属板内部において材質や内部応力が表面からの深さによって一定でない場合には適用することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】本発明は上記課題を解決するため材料内部の超音波の速度Ｖが表面からの深さによって一定でないときにも適用できる超音波共振法を提供するものである。
請求項１に記載の発明は、超音波共振法において複数の共振周波数を測定し、それらの値を演算した結果より材料内部の超音波速度の分布を判定することを特徴とする。  従来は共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、……は共振の次数に正比例すると考えられていた。そのため式（４）より、ｆ１、ｆ２、ｆ３、……等のうちどの共振周波数を用いても同じ値の超音波の速度Ｖが得られると考えられていた。本発明の発明者は、従来の考えは不完全であり板状材料内部の超音波の速度Ｖが表面からの深さによって一定でないときには共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、……等は共振の次数に正比例せず、わずかに正比例からずれることを発見し、さらにそれらの値を演算した結果より材料内部の超音波速度の分布を判定する方法を発明したのである。【０００６】請求項２に記載の発明は、超音波共振法において、複数の共振周波数を測定し、１次以上且つ５次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和と、２次以上且つ２０次以下の複数の共振周波数のそれぞれに数値を掛けたものの和とをもとめ、その両方から板状材料ならびに管状材料の内部の超音波速度の分布を判定することを特徴とする。【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項１、請求項２に記載の超音波共振法において、材料内部の超音波速度の分布より材料の材質、内部応力を判定することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】発明を実施するための最良の形態は、請求項３に記載の発明であり、請求項１、請求項２に記載の超音波共振法により測定された材料内部の超音波速度の分布より、材料の材質、内部応力を判定することを特徴とする超音波共振法である。超音波共振法としては、電磁超音波共振法でもよいし、圧電振動子を用いた超音波共振法でもよい。
【実施例１】
【０００９】発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。図１は発明の実施の１例である共振電磁超音波検査装置の概要を示す概要図である。特許文献１、非特許文献２、非特許文献３には共振電磁超音波検査装置が開示されているので概要図のみとした。図１において、３は共振電磁超音波送受信器、４は電磁超音波トランスデューサ、５は被検査体である厚さ１５ｍｍの鋼板である。６は鋼板内での共振で生じた横波超音波の定在波の振幅分布を示す。４の電磁超音波トランスデューサは横波超音波を送受信するものである。金属等の固体中を伝播する超音波には、進行方向と振動方向が平行な縦波超音波と進行方向と振動方向が垂直な横波超音波とがあることはよく知られているのでそれらの詳細な説明は省略する。測定は共振電磁超音波送受信器３の周波数を掃引することによりおこなわれる。【００１０】図３は図１の共振電磁超音波検査装置により得られたディジタル測定データを図示したものである。横軸は共振電磁超音波送受信器３によって掃引された周波数、縦軸は測定により得られた横波超音波の振幅をあらわしている。図３において横波超音波の振幅が特に大きいＳｎ（ｎ＝１〜２０）であらわされているところで超音波の共振が起こっている。ｎは共振の次数をあらわしている。超音波の共振が起こっている共振周波数はｆｎ（ｎ＝１〜２０）である。下付き添字であるｎは共振の次数をあらわしている。ｆ１は１．００７ＭＨｚと測定された。従来はこれらの共振周波数ｆｎは共振の次数ｎに正比例し、またこれらの共振周波数ｆｎと共振の次数ｎを式（４）に代入して得られる超音波の音速Ｖはｎの値にかかわらずすべて等しいとされてきた。
しかし本発明者は図３に図示したディジタル測定データを仔細に検討した結果、これらの共振周波数ｆｎは共振の次数ｎに正比例せず、したがって式（４）によって得られる超音波の音速は全てわずかに異なることを発見した。【００１１】図４は図３の測定データを仔細に検討して得られた共振周波数ｆｎと共振の次数ｎとの関係を示している。図４において横軸は共振の次数であり、縦軸は共振周波数である。図４より共振周波数ｆｎは共振の次数ｎには正比例していないことがわかる。直線７は共振周波数が共振の次数に正比例すると仮定した場合にそれらの関係をあらわす直線である。共振周波数ｆｎが共振の次数ｎに正比例していないことを強調するために直線７からのずれを実際よりは大きく描いている。【００１２】このことをさらに明暸に示すために各共振周波数ｆｎをｎでわった値である（ｆｎ／ｎ）を１次の共振周波数ｆ１でさらにわった（ｆｎ／ｎ）／ｆ１を計算し、これと共振の次数ｎとの関係を図５に示す。図５において横軸は共振の次数であり、縦軸は（ｆｎ／ｎ）／ｆ１である。図５によれば（ｆ１／１）／ｆ１＝１、（ｆ２／２）／ｆ１＝１．００７６、（ｆ３／３）／ｆ１＝１．００９０、（ｆ４／４）／ｆ１＝１．００９５、（ｆ５／５）／ｆ１＝１．００９７、であり、その後は（ｆｎ／ｎ）／ｆ１の値はｎの増大とともにわずかに増加するが、ｎが６以上では増加の割合は小さくなりほぼ一定の値１．０１にちかづいている。すなわちｎが６以上２０以下の（ｆｎ／ｎ）／ｆ１の値はほぼ等しく１．０１となっている。したがってｎが６以上であれば（ｆｎ／ｎ）＝ｆ１×１．０１＝１．０１７１ＭＨｚ  としても誤差は小さいといえる。  そこでｎが１０である場合の（ｆｎ／ｎ）、すなわち（ｆ１０／１０）＝１．０１７１ＭＨｚを使用して式（４）より超音波音速を算出すると３０５１ｍ／ｓとなった。【００１３】このような測定の後に、図１の厚さ１５ｍｍの鋼板５を表面に平行な面に沿ってスライスして厚さ１ｍｍの薄い鋼板を１１枚作り、それぞれの薄い鋼板の内部での音速を測定した結果を図６に示す。図６の横軸は表面からの深さをあらわし、縦軸はその深さでの超音波音速をあらわす。これによってもとの鋼板５の内部における超音波の音速は表面からの深さによって異なり、表面近くで超音波音速が最大で３１５０ｍ／ｓであり、中心で超音波音速が最小であり３０００ｍ／ｓであることがわかった。その比は３１５０／３０００＝１．０５である。また超音波の音速分布は表面からの深さに関して２次曲線状で且つ中心に関して対象であり、平均の超音波音速は３０５０ｍ／ｓであることがわかった。【００１４】他の異なる５枚の鋼板（厚さはいずれも１５ｍｍ）についても上記と同様の共振周波数の測定とスライス後の超音波音速測定をおこなった。鋼板５と他の異なる５枚の鋼板、すなわち合計６枚の鋼板の測定の結果を図７、図８に示す。図７の横軸は共振電磁超音波検査装置によって測定された（ｆ１０／１０）／ｆ１の値である。図７の縦軸は鋼板をスライス後に測定された表面近くの超音波音速ＶＳと中心の超音波音速ＶＣとの比である。図７より共振電磁超音波検査装置によって測定された（ｆ１０／１０）／ｆ１の値から、表面近くの超音波音速ＶＳと中心の超音波音速ＶＣとの比を次の式により求めることができる。
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ｎが６以上であれば（ｆｎ／ｎ）／ｆ１の値はほぼ等しいので、（ｆ１０／１０）／ｆ１のかわりに、ｎが６以上である他の（ｆｎ／ｎ）／ｆ１を使ってもほぼ同じ結果が得られることはいうまでもない。【００１５】図８の横軸は共振電磁超音波検査装置によって測定された（ｆ１０／１０）の値を式（４）に代入して算出した超音波音速である。図８の縦軸は鋼板をスライス後に測定された平均の超音波音速である。
図８より共振電磁超音波検査装置によって測定された（ｆ１０／１０）の値を式（４）に代入して算出した超音波音速と鋼板をスライス後に測定された平均の超音波音
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ることができる。ここでｄは鋼板の厚さである。
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ｎが６以上であれば（ｆｎ／ｎ）の値はほぼ等しいので、（ｆ１０／１０）のかわりに、ｎが６以上である他の（ｆｎ／ｎ）を使ってもほぼ同じ結果が得られることはいうまでもない。
超音波の音速分布が表面からの深さに関して２次曲線状で且つ中心に関して対象である場合は、平均の超音波音速と、鋼板の表面近くの超音波音速と中心の超音波音速との比の両方がわかれば超音波の音速分布を完全に知ることができることは数学的にも自明である。このようにして共振電磁超音波検査装置による測定結果より鋼板内部の定量的超音波音速の分布を判定することができることがわかった。
【実施例２】
【００１６】実施例１で使用した計算方法とは異なる以下の方法によっても、共振電磁超音波検査装置による測定結果より鋼板内部の超音波音速の定量的分布を判定することができることがわかった。
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ｐｎは０より大きく１より小さい正の数である。
次に式（８）により鋼板の表面近くの超音波音速ＶＳと中心の超音波音速ＶＣとの比をもとめる。
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ｑｎは０より大きく１より小さい正の数である。
ｐｎとｑｎの値としては次のような値を選ぶとよいことがわかった。
ｐ２＝１．００２４，ｐ３＝１．００１，ｐ４＝１．０００５，ｐ５＝１．０００３，ｐ６〜ｐ２０＝１．００ｑ１＝１．０００、ｑ２＝０．９９２５、ｑ３＝０．９９１１、ｑ４＝０．９９０６，ｑ５＝０．９９０４そしてこうしてもとめられた平均の超音波音速と、鋼板の表面近くの超音波音速と中心の超音波音速との比の両方より鋼板内部の超音波の音速分布を判定したところ鋼板をスライスして測定した超音波の音速分布とほぼ等しいことがわかった。このほかにもさまざまなｐｎ、ｑｎの値の組み合わせが可能であることもわかった。共振の次数ｎが２１以上のｆｎは測定の誤差の範囲内で全く同じ値であることが実験によりわかった。したがって次数ｎが２１以上のｆｎを利用する価値がないこともわかった。【００１７】本発明は横波超音波のみでなく縦波超音波にも適用できる。また本発明は板状材料のみでなく管状材料であっても管壁が極度に湾曲していない比較的直径の大きいものであれば適用できる。また本発明は超音波の音速分布が表面からの深さに関して２次曲線状でない場合にも適切なｐｎならびにｑｎの組み合わせにより適用できる。また式（７）、（８）のようなｆｎだけを含む式だけでなくｆｎの２乗以上の項を含む式を適切に選んで演算することによっても適用できる。あるいはｆｎを含む関数を適切に選んで演算することによっても適用できる。
【発明の効果】
【００１８】以上説明したように本発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。請求項１，２，３に示した超音波共振法のうちのいずれかの超音波共振法により、板状材料や管状材料の内部の残留応力の分布の測定、材質特性の分布の測定を信頼性高く実現できることになる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】本発明は板状材料のみでなく管状材料であっても管壁が極度に湾曲していない比較的直径の大きいものであれば適用できる。鉄鋼業やアルミニウム産業において、板状材料や管状材料の内部の残留応力の分布の測定、材質特性の分布の測定に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】共振電磁超音波検査装置の概要を示す概要図である。
【図２】超音波共振法の概略図である。
【図３】共振電磁超音波検査装置（図１）により得られたディジタル測定データを図示したものである。横軸は図１の共振電磁超音波送受信器３によって掃引された周波数、縦軸は測定により得られた横波超音波の振幅をあらわしている。
【図４】共振周波数ｆｎと共振の次数ｎとの関係を示している。横軸は共振の次数であり、縦軸は共振周波数である。
【図５】（ｆｎ／ｎ）／ｆ１と共振の次数ｎとの関係を示している。横軸は共振の次数ｎであり、縦軸は（ｆｎ／ｎ）／ｆ１である。
【図６】図１の鋼板５を表面に平行な面に沿って１１枚の薄い鋼板にスライスしそれらの音速を測定した結果を示している。横軸は表面からの深さをあらわし、縦軸はその深さでの超音波音速をあらわす。
【図７】共振電磁超音波検査装置（図１）によって測定された（ｆ１０／１０）／ｆ１と鋼板をスライス後に測定した表面近くの超音波音速ＶＳと中心の超音波音速ＶＣとの比との関係を示している。横軸は（ｆ１０／１０）／ｆ１の値であり、縦軸はＶＳとＶＣとの比である。
【図８】共振電磁超音波検査装置（図１）によって測定された（ｆ１０／１０）の値より算出した超音波音速と鋼板をスライス後に測定した超音波音速の平均値との関係を示している。横軸は（ｆ１０／１０）の値より算出した超音波音速であり、縦軸は鋼板をスライス後に測定された超音波音速の平均値である。
【符号の説明】
【００２１】１  超音波振動子
２  板状材料
３  共振電磁超音波送受信器
４  電磁超音波トランスデューサ
５  厚さ１５ｍｍの鋼板
６  鋼板内での共振で生じた横波超音波の定在波の振幅分布
７  共振周波数が共振の次数に正比例すると仮定した場合にそれらの関係をあらわす直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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