(57)【要約】【課題】  小さな試料でも測定を可能にすると共に、専門的な技術を必要とすること無く、簡易に利用することが可能な測定方法を提供することを目的としている。【解決手段】  本発明は、吊るした試料を打鍵して音響振動させる機構と、該試料に発生した音響振動による音波を検知するマイクロフォン等の音響―電気変換器とを備える。該音響―電気変換器からの音波信号のパワースペクトルを測定し、高速フーリエ変換によって解析して固有共振の周波数を読み取り、検出した共振周波数と試料の寸法及び密度とに基づきヤング率を求める。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吊るした試料を打鍵して音響振動させる機構と、該試料に発生した音響振動による音波を検知するマイクロフォン等の音響―電気変換器とを備え、
該音響―電気変換器からの音波信号のパワースペクトルを測定し、以って固有共振の周波数を読み取り、
検出した共振周波数と試料の寸法及び密度とに基づきヤング率を求めるヤング率測定方法。
【請求項２】
前記固有共振の周波数の読み取りは、前記音波信号を高速フーリエ変換によって解析して行う請求項１に記載のヤング率測定方法。
【請求項３】
吊るした試料を打鍵して音響振動させる機構と、
該試料に発生した音響振動による音波を検知するマイクロフォン等の音響―電気変換器と、
該音響―電気変換器からの音波信号のパワースペクトルを測定し、以って固有共振の周波数を読み取る手段と、
検出した共振周波数と試料の寸法及び密度とに基づきヤング率を求める手段と、
から成るヤング率測定装置。
【請求項４】
前記固有共振の周波数を読み取る手段は、前記音波信号を高速フーリエ変換によって解析して行う請求項１に記載のヤング率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出した共振周波数と試料の寸法及び密度とに基づきヤング率を求めるヤング率測定方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヤング率を最も原理的、かつ直接的に求める方法には基本的に静的方法と動的方法の２つがある。
１）静的方法とは、試料の引張り試験を実施して、引っ張り応力（σ）と歪（ε）との関数関係をグラフ上に描き、その直線関係の勾配（Δσ/Δε）をヤング率（E）とする方法である。
２）動的方法とは、何らかの方法で試料に機械的振動を連続的に与え、その励振によって試料に生じる固有共振を、機械―電気変換機構を用いて検知して、その周波数を読み取り、その周波数と試料の寸法及び密度とを、所定の数式に与えることによって、ヤング率を求める方法である。
【０００３】
これらの方法の欠点は、１）の方法については試料の大きさがある程度は必要であり、一般に小さな試料ではチャッキングが試料を損傷せしめるために、測定が困難である。
２）の方法については、試料の固定法、励振法、固有共振検出法、等に専門的な技術を必要とするので、研究者等が簡易にこれを利用することは困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、係る問題点を解決して、小さな試料でも測定を可能にすることを目的としている。
また、本発明は、試料の固定法、励振法、固有共振検出法、等に専門的な技術を必要とすること無く、簡易に利用することが可能な測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のヤング率測定方法及び装置は、吊るした試料を打鍵して音響振動させる機構と、該試料に発生した音響振動による音波を検知するマイクロフォン等の音響―電気変換器とを備える。該音響―電気変換器からの音波信号のパワースペクトルを測定し、以って固有共振の周波数を読み取り、検出した共振周波数と試料の寸法及び密度とに基づきヤング率を求める。
【０００６】
本発明は、以下の構成と機構を有する。
1)  小さな棒又は帯状試料を、糸等によって懸架する機構
2)  該試料の両端が何の機械的拘束をも受けずに自由振動を行うことができるよう、試料を打鍵する機構
3)  その振動を検知するマイクロフォン等の音響―電気変換器
4)  検知した音響信号を、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって、瞬時にそのパワースペクトルを測定し、以って固有共振の周波数を読み取ることのできるソフトウエア
5)  検出した共振周波数と試料の寸法及び密度とを、所定の数式に与えることによって、ヤング率を求めるソフトウエア
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小さな試料を、簡便に励振せしめ、マイクロフォンとパソコンによるＦＦＴを利用して、簡易かつ容易に共振周波数を読み取ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、例示に基づき、本発明を説明する。まず、小さな棒又は帯状試料を、糸等によって懸架する。試料の固定は、両端を自由にするべく、2本の細い糸（木綿、絹、魚釣り用テグス、等）によって図１の如く試料を縣架する。試料は丸棒なら直径０．５〜1ｍｍ程度、帯状なら幅０．５〜３ｍｍ、暑さ０．２〜１ｍｍで、長さは何れの形状でも最短１０ｍｍ〜１５ｍｍあればよい。即ち非常に小さい試料を用いることができるのが一つの特徴である。
【０００９】
次に、試料の両端が何の機械的拘束をも受けずに自由振動を行うことができるよう、試料を打鍵して励振する。この試料への励振は、例えば図２のように小さなソレノイドの先端に付けた突き棒により、１度だけ試料を突いて、パルス状に励振する。或いは、図３に示すように、ピエゾ素子を用いた打鍵により励振することができる。ピエゾ素子は、電圧を加えると結晶内に歪を発生するので、立ち上がりの急峻なパルス電圧を素子に加えれば、瞬間的な歪に伴う力を外部に取り出すことができる。その力を鍵に伝えて、試料を打鍵することが可能である。
【００１０】
検知した音響信号は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって、瞬時にそのパワースペクトルを測定し、以って固有共振の周波数を読み取る。即ち、試料の近傍に設置したマイクロフォンによって、試料に生じる固有振動を検知し、その信号をパソコンのＦＦＴソフトウエアを用いて瞬時にパワースペクトルとした画面上に描かせる。図５は、測定した固有共振の一例を示す図である。描かれたスペクトルはパソコンソフトのメモリー機能によって画面上に消えずに残し、その画像から固有共振周波数を読み取る。
【００１１】
固有共振の周波数fｒ、試料の直径又は幅ｄ、長さＬ、断面積Ｓ、密度δとすれば、両端自由振動の場合に対する古典振動理論から、式(1)によって与えられるので、ヤング率Ｅを計算することができる。
fr = 3.56/L2 (EI/δＳ)1/2                            （１）
ただし、Ｉは試料の断面2次モーメントであり、直径ｄの円形断面なら、πｄ4/64、辺の長さｄの正方形断面ならd4/12、厚さｔで幅ｄの矩形断面ならdｔ３/12で表される。
【００１２】
従って、式（１）を変形し、単位系としてmksを採用すれば、ヤング率は式（２）によって得られる。
E=(fr *L2/3.56)2  (δS/I)  (N/m2)                   （２）
【００１３】
以下にスペクトルメータ画面から共振周波数を読み取ってヤング率を計算する方法を説明する。
試料を打鍵すると試料は音を発生する。その音をマイクロフォンで集音し、打鍵と同時にトリガーした高速フーリエ解析（ＦＦＴ）スペクトルメーターへ入力する。スペクトルメータは通常、図４のように横軸が周波数（リニア又は対数スケール）、縦軸がスペクトル強度（ｄＢ目盛）を画面に描く。試料の固有共振は、スペクトルの鋭い共振カーブによって、その周波数とスペクトル強度を知ることができる。固有共振周波数を正確に読み取るため、通常のスペクトルメータでは、画面上のカーソルを左右に動かして、カーソルの横軸上の位置を周波数として読み取ることができるようになっている。
【実施例】
【００１４】
実際、鉄の焼結小片から作った矩形断面試料によって、具体例を説明する。（ここではｃｇｓ単位系を採用して計算）。試料の厚さt、幅d、長さＬ、密度δは表１に示す。
【表１】
2005031031.tif 000003
【００１５】
断面二次モーメントＩは表の値から計算すれば、
Ｉ=dt３/12
=1.0235x10-5  (cm4)          （３）
この試料の両端自由振動に対する共振周波数は19,439Hzであった。
共振周波数はSを断面積として式（１）から、
fr = 3.56/L2 (EI/δS)1/2  （sec-1）     （４）
これから
E=(fr *L2/3.56)2  (δS/I)  (gr.cm/sec2/cm2)  （５）
この値を一般に使用されているヤング率の単位kgf/cm2に換算するためには、980,000で除せばよい。fr=19,439Hz, L=1.514cm, I=1.0235x10-5cm4, δ=7.6gr/cm3, S=0.085*0.2=0.017cm2を代入すれば、ヤング率は、
E=2.017x106 kgf/cm2                （６）
この値はＦｅのヤング率の標準値に対して充分１０％以内に収まっている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】試料の懸架を説明する図である。
【図２】ソレノイドによる励振とマイクロフォンによる集音を説明する図である。
【図３】ピエゾ素子による打鍵を例示する図である。
【図４】典型的なスペクトル図である。
【図５】測定した固有共振の一例を示す図である。
【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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