第 6 回 東北地区音響学研究会（2023 年 11 月 25 日）資料番号 6－2

プローブ波とポンプ波を用いたき裂検出における2次高調波超音波の駆動電圧依存特性〇亀島司，西平守正，福田誠（秋田大学）

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はじめに超音波は非破壊検査に用いられているが，閉じたき裂を検出する場合，き裂部での音響インピーダンスの差がほぼ 0 となるため入射した超音波がき裂部分を透過してしまい，反射波や散乱波が発生せず閉じたき裂を検出することができない。そこで閉じたき裂に大振幅超音波を入射し，き裂が開閉振動する際に生じる非線形成分が生じることが知られており，CAN（Contact Acoustic Nonlinearity: 接触型音響非線形性）[1]と呼ばれている。CAN の原理に基づいて 2 次高調波を検出することによる非破壊検査の非線形超音波法の研究が行われてきた[2]。しかし，大振幅の超音波を用いる場合，実験装置や伝搬過程などからも 2次高調波を発生してしまうため，正確にき裂を検出することが難しい。これらを改善するために低周波数のポンプ波で効率よくき裂を開閉振動させ，高周波数のプローブ波によりき裂を検出するという方法が研究[3, 4]されてきた。
本報告ではポンプ波とプローブ波を使用し，より低い電圧で，き裂検出を行うことを目的とする。受波波形をフーリエ変換する際のデータを取る時間の検討をし，プローブ波のみの場合とポンプ波とプローブ波使用した場合の 2 次高調波の検出量を比較し検討する。

2実験方法

測定システムの概略を Fig.1 に示す。周波数 1 MHz のプローブ波（縦波）用である厚み縦振動子と周波数 250 kHz のポンプ波（横波）用である厚みすべり振動子をガラスに接着し超音波を送波する。受波側の振動子は 2 MHzの厚み縦振動子を使用する。プローブ波駆動
信号はバースト波 5 波，印加電圧は 1 Vpp~100Vpp で変化させる。ポンプ波駆動信号はバー
スト波 20 波，印加電圧 10 Vpp とする。ポンプ波送波開始時刻を 0 s として，ポンプ波がき裂に到達する時間である 30 s からプローブ波を送波する。48 s~58 s の範囲での周波数スペクトルと，受波地点にプローブ波が到達しその後き裂に反射し再び受波地点に到達した時間である 65 s~75 s の範囲での周波数スペクトルとの 2 パターンのポンプ波による2 次高調波の発生量の検討を行った。
Trigger

Function
Generator
Trigger

Bipolar
Amplifier

Bipolar
AmplifierFunction
Generator

Oscilloscope

Transducer2(Transverse 250 kHz)

Crack
Transducer1(Longitudinal 1 MHz)

Receiver(Longitudinal 2 MHz)

Crack

Fig. 1 Measuring System3

実験結果

48 s~58 s の範囲での周波数スペクトルでは，プローブ波のみの場合とポンプ波とプローブ波を使用した場合の 2 次高調波の検出量に差がほぼ見られなかった。
次に一例として，プローブ波の印加電圧を100 V にした受波波形の正相と逆相を足し合わせる PI(Pulse Inversion)法後の波形を Fig.2に示す。また Fig.2 の 65 ss 範囲での周波数スペクトルを Fig.3 に示す。Fig.2 の受波波形では赤色の縦線で囲まれている範囲が65 ss とする。
Fig.4 に 65 ss の範囲でポンプ波のみと，プローブ波とポンプ波を使用した場合での 2 次高調波を比較したグラフを示す。また
横軸は印加電圧，縦軸は 2 次高調波の検出量*

Voltage Dependence of Second Harmonic Ultrasonic Waves in Crack Detection Using Probe and PumpWaves ,by Tsukasa Kameshima, Morimasa Nishihira and Makoto Fukuda(Akita University)－1－第 6 回 東北地区音響学研究会（2023 年 11 月 25 日）資料番号 6－2とした。Fig.4 を見ると印加電圧約 20 V からプローブ波のみの場合とプローブ波とポンプ波を使用したときの差が 5 dB~10 dB ほどあり，ポンプ波を使用した場合に 2 次高調波が増加しており，ポンプ波が 2 次高調波の発生に寄与できていることが確認できた。
ss の範囲でフーリエ変換をした場合でポンプ波を使用したときに 2 次高調波が増加したことについては，プローブ波がき裂に複数回到達するため非線形成分が多く含まれたのではないかと考えられる。また 65 s
までのプローブ波の伝搬過程裂に向かいき裂から反射し受波地点に戻ってくる場合とプローブ波がき裂に反射し送波地点に到達し受波地点向かう場合の， 2 つのパターンが存在するからではないかと考えられる。

[3] K. Kundu (ed.): Nonlinear Ultrasonic andVibro-Acoustical Techniques forNondestructive Evaluation, Springer ,2018[4] 小原 良和：”低周波と高周波を組み合わせた閉じたき裂の非線形超音波計測”,日本音響学会,71 巻, 12 号,pp682-683, (2015),

Fig. 2 Received Waveform (Voltage 100V)

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おわりにガラス中のき裂にプローブ波のみの場合と，ポンプ波とプローブ波の両方をそれぞれ入射し，2 次高調波の検出量を検討した。プロー
ブ波がき裂に複数回到達した時間範囲での周波数スペクトルの 2 次高調波の比較では，プローブ波の印加電圧が約 20 V 以上でプローブ波のみに比べポンプ波を使用した際，2 次高調波が増加することが確認できた。
今後の課題としてプローブ波がき裂に到達する回数の多い観測時間での 2 次高調波の検出量の検討が挙げられる。

Second HarmonicFig. 3 Frequency Spectrum(65 ss in Fig.2)

謝辞
本研究の一部は JSPS 科研費 JP21K03928 の助成を受けたものです。
参考文献[1] Yu Solodov：“Nonlinear NDE Using Contact
Acoustic Nonlinearity (CAN)”, IEEE,ULTRSONICS SYMPOSIUM, pp 1279 1238 , 1994
[2] M. Fukuda and K. Imano: “The Detectionof Second Harmonic Components of LambWaves Generated from Fatigue Plate Using a
Double-Layered Piezoelectric Transducer”,
Jpn. J. Appl. Phys., 51 ( 7 ) 07GB06－2－Fig. 4Comparison of using probe wave onlyand pump wave and probe wave