技術紹介

FRP 損傷評価に求められる AE 計測システムの性能
中村

英之 *1

塩谷

Nakamura Hideyuki

源二 *2

Shioya Genji

木村将人 *3

Kimura Masato

アコースティック・エミッション試験（以下 AE 試験と称す）は、損傷過程で材料自身から発する超音波領域の弾性波をリアルタイムで検出する。これより、損傷過程が複雑な強化プラスチック（FRP）の評価に（1）適しており、米国では 1980 年代には規格化がなされ、FRP 製品の評価に用いられている 。日本国内でも、FRP の利用の広がりとともにより安全が求められる構造物の強度や健全性評価において AE 試験の適用が進んでいる。
本稿では、FRP の損傷評価に有効と思われる AE 計測システムの機能を紹介するとともに、装置導入時に考慮すべき仕様を紹介する。
キーワード：FRP、損傷評価、アコースティック・エミッション（AE）、AMSY-6

種類や重ね方など材料に多くのバリエーションを1. はじめに有することから、共通の評価方法をすべての材料

AE 試験は、1960 年代に新しい試験技術として、に適用することは難しく、材料の特性に合致した多くの大学、研究機関、産業界で研究がなされた評価方法を選択する必要がある。このため AE 試

ものの、ノイズと信号の分別が難しく、多くは実験を適用するうえで、AE 計測システムの仕様や（1）用化に至らず、衰退した経緯がある 。近年、情評価指標とその特徴を理解したうえで、計測シス報機器の性能向上に伴い AE 計測システムの性能テムや試験方法を選択することが重要になる。

が向上したことで、新たなセンシング技術や評価

本稿では、AE 計測の概要と主な評価指標を説技術の研究が進み、現在では、自動車、航空宇宙、明したうえで FRP の損傷評価への AE 適用におい土木、石油化学などさまざまな産業分野で利用さて考慮すべき AE 計測システムの性能と機能を紹れている。

介する。

特に AE 試験は、材料に負荷が加わる時に材料

2. AE 試験の概要

自身から発する超音波領域の弾性波を検出する特性から、金属材料と比較して損傷過程が複雑な

AE は、試験対象に応力が加わる時に、材料中FRP の材料評価に適しており、規格化がなされ、に蓄積されたひずみエネルギの一部が変形や破壊FRP の評価への適用の広がりが見られる。に伴い音（Acoustic）として放出（Emission）される

しかしながら、FRP の評価では、樹脂や繊維の現象である。なお AE 試験では、計測対象とする*1：研究開発センター 技師長 博士（工学）*2：計測事業部 計測技術部 福浦グループ 調査役*3：計測事業部 計測技術部 福浦グループ—32—

音は可聴音ではなく、周波数が数 kHz から数千 kHz

さらに最近では、AE 試験の適用技術の研究が進の超音波領域の弾性波であり、この弾性波を試験み、破面のこすれで発生する二次的な AE 波を検出

体上に取付けた AE センサで検出して材料評価をして損傷程度を評価する方法、材料上で擬似的に行う。なお AE 試験ではこの弾性波を AE 波また発生させた AE 波の伝搬挙動から損傷範囲や程度は AE 信号と呼ぶ。

を評価する方法、電気化学的な反応や生体反応にAE 試験の概念として引張試験による AE 試験の伴う AE 波を検出し適用対象を評価する方法など一例を図 1 に示す。一般的な AE 試験では、何らが開発されている。このように、現在では、本来のかの方法で試験対象に応力を加え、加える応力にAE 事象とは異なるものの、対象物を伝搬する超音応じて試験対象から放出される AE 波を検出し、波領域の弾性波を検出し何らかの評価に用いるこ

その波形特徴から試験対象の強度や健全性を評価とを広義として AE 試験と位置付けている。

するほか、複数のセンサを用いる試験では各セン汎用の AE 計測システムを用いた AE 計測では、

サへの AE 波到達時間から AE 発生源の位置を標

図 2 に示すような一連の AE 波を Hit と称し、波定する。荷重方法は、図 1 では引張試験の例を示形データとして収録するとともに、AE 波の特徴

すが、曲げ荷重や耐圧試験など試験対象に合わせを数値化した AE パラメータが収録される。波形た方法となる。

データは、一つの波形のデータ量が数 kB となる

AE センサ

図1

図2

AE 発生

試験片引張試験での AE 適用例

1Hit に含まれる主な AE パラメータ—33—

IIC REVIEW/2022/10. No.68

ことから、AE 発生頻度が高い場合は、データ転の損傷評価に用いる AE 計測システムには、毎秒送が間に合わず、取りこぼしが生じる場合があ当たりに収録可能な Hit 数や TR データ（波形デーる。一方、AE パラメータは、波形と比べデータ量タ）で表すデータ採取速度等に高い性能が必要とが少ないため、毎秒数千 Hit の AE が発生する場合なる。

でも、取りこぼしの少ない計測が可能となる。この当社が販売するドイツ・Vallen 社製 AE 計測シ

毎秒当たりに収録可能な Hit 数や波形データ量は、ステム AMSY-6 を図 3 に示し、その特徴を以下にAE 計測システムの性能を表す指標となる。

紹介する。

以下に主な AE パラメータを説明する。
（1）Hit 数
図 2 に示すような一つの AE 波を 1Hit と呼び、センサで受信した AE 波の数を表す。単位時間当たりの Hit 数は試験時の AE 活動度の指標となる。
（2）最大振幅値（dB）
AE 波の最大電圧を示し、瞬間的に生じる破壊の大きさに対応する指標となる。最大振幅値（dB）= 20 log（最大振幅 V/VRef.）であり、ここでVRef. = 1mV である。一般的な AE 試験では、最大振幅値をしきい値として一定強度以上の AE 波

図3

AE 計測システム AMSY-6を計測する。
（1）AE 計測システムの特徴（3）エネルギ
エネルギは AE 波における電圧の二乗積分値① 高速データ採取：TR データを 10MB ／秒以で、破壊規模の指標となる。電圧 V、時間 S と上、100,000Hits ／秒以上（理想条件時）し、1 エネルギユニット（eu）= 10 V S となる。

② 高分解能：サンプリング速度 40MHz ダイナ-142（4）波形持続時間

ミックレンジ 18bit

AE 波がしきい値を超えてからしきい値を超③ 高感度：AD 変換処理時のフィルタリングにえる波が無くなるまでの時間である。

よるシステムノイズの低減を実現（5）カウント数④ 波形一時保存メモリ：1GB ／チャンネルまで波形持続時間中にしきい値を超える波の数で選択可能ある。なお、カウント数を波形持続時間で除し⑤ 高度なフィルタ機能：500 通りの周波数フィた値が平均周波数となる。

ルタの設定可能（アドバンスタイプ AE 基板）⑥ 波形自動識別機能：あらかじめ波形パターン

3. FRP の評価に求められる AE 計測装置の基本性能を学習させることで、自動で波形を識別する

FRP は他の材料と比較すると AE が発生しやす機能（オプション）

い材料であり、損傷発生時には 1 秒間に数百を超AMSY-6 は、毎秒 100,000Hits を超える AE パラ

える AE 波が発生する場合がある。このため、FRPメータデータの採取性能（発生と受信が同期する—34—

理想条件時）を有し、また各 AE 基板に TR データ認できる。

を一時保存するメモリを搭載することで、毎秒（2）解析ソフトの特徴10MB 以上の波形収録機能を有する。これより、

AE データの解析では、最初に各種パラメータFRP 損傷時のように短時間に多くの AE が発生すの時間履歴や相関などを確認し、データの変化やる状況でも、取りこぼしの少ない AE 計測を可能

偏りを見極めることで有意信号とノイズを識別すとしている。

る。これらの識別で、有意信号を抽出し、評価に役立てるのが一般的である。したがって、解析ソ

FRP の損傷は、樹脂のマイクロクラック発生、はく層間剥離、繊維の断裂などの現象が段階的に混ざ

フトには、AE パラメータや波形データ、荷重やり合いながら進展し、最終破断に至るが、このよ圧力などの外部入力データを一元的に扱え、デーうな破壊現象に応じ検出される AE 波の特徴も変タを選別抽出する機能が必要となる。

化すると考えられる。AE 試験では、検出される

図 4 に AE パラメータデータと波形データの一AE 波の特徴や指標の変化を検知し材料中で起き例を示す。左図は、エネルギの時間履歴を示し、ている破壊の形態や程度を推定・評価するが、AE各々のプロットが AE 波に対応する。

パラメータのほか、周波数の変化も有力な指標と右図は、波形データを示すが、AMSY-6 の解析なるため、周波数解析に必要な波形データの収録ソフトでは、これらの図はリンクしており、エネも重要である。

ルギのプロットをクリックするとその波形が表示

この波形データの収録能力は、毎秒当たりに記される。このようにデータがリンクしているため録可能なデータ量で示されるが、波形を一時保存

何時、どの位置で、どのような AE が発生したかするメモリ容量でも判断することが可能である。

を瞬時に確認することが可能となる。

AMSY-6 の場合は、AE 基板に搭載するメモリはオ

図 5 は、AMSY-6 のフィルタ設定メニューの一プションとなっており 16MB、512MB、2GB を選

例 で あ る。 こ の 解 析 ソ フ ト は、AE パ ラ メ ー タ択可能である。なお、AMSY-6 の AE 基板は 1 枚に（Hits Result）や波形解析データ（TR-Feature Results）

2 チャンネルの入力端子を有することから、1チャンなどの AE データのほか外部入力データ（Parametric

ネル当たりのメモリ数はその半分の 8MB、256MB、Results）などさまざまな条件でフィルタを作成し、1GB となる。AE 計測システムの波形データ収録

ノイズの除去や有意信号の抽出する機能を有して性能を比較する場合、1 チャンネル当たりの波形いる。

用メモリの容量を比べるとおおよその性能差が確Time(msec)

図4

CFRP 引張試験 AE データの一例—35—

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図5

フィルタ設定メニュー（2）波形自動認識機能

4. 最新の AE 計測システムの機能

AE 波は、発生原因により異なる特徴を示し、形（1）3 次元位置標定機能

状や周波数の違いで識別することが可能な場合がAE 試験では、AE 波が複数のセンサに到達するある。手作業による解析では、明らかに異なる波時間差から AE 発生源の位置を標定することが可形を示す波形でも数が数千、数万になると多大な能である。

時間と労力を必要とする。AMSY-6 は、あらかじ

FRP の場合は、音速の異方性により標定精度がめ計測した有意信号やノイズの波形を用い学習さ低下する場合があるが、損傷部の偏りなどおおよせることで AE 波を自動で識別するための波形自そ の 位 置 を 確 認 す る に は 有 効 で あ る。 図 6 は、動識別機能を有している。この機能では、図 7 のCFRP 製圧力容器の耐圧試験時における AE 発生

左図に示すようにサンプルとなる波形を時間で区（2）分し、各々の時間帯における周波数解析結果から源の 3 次元位置標定の一例を示す 。
AMSY-6 は、図 6 の右図に示すような標準モデ波形の持つ特徴を抽出し、学習のために与えたサルが装備され、容易に 3 次元位置標定を行うことンプル波形が最も明確に分別できる条件を自動的が可能である。に探す。この機能を使った AE 計測では、学習で

図6

圧力容器の 3 次元位置標定例
—36—

図7

波形自動識別設定時の学習画面得られた分別条件を計測される波形データに適用

AMSY-6 は、荷重に対応する電圧を AE 計測シスすることで、どのグループに属する波形かをリアテムに入力することにより、荷重の増減を計測す（3）

ルタイムまたはポスト処理にて分別する 。

るほか、電圧の上昇・下降を検知することでサイ

図 7 の右図のプロットは、教師データに用いたクル数をカウントするとともに載荷と除荷を区別三種類の波形に対応し、各々の波形が特徴を表すする機能を有する。また試験機の作動に伴うノイ指標（T-Feature3 × T-Feature4）のマッピング上で三ズの発生が多い疲労試験では、荷重が最大値に近つに分別される例を示す（指標の詳細は非公開）。

づくタイミングのみ AE データを記録することも（3）疲労試験のサポート機能可能である。

図 8 は、疲労試験における AE データの一例でこれらの機能を使うことで、データ量の軽減をあり、最大振幅値を丸プロットで示し、荷重の変図り、サイクル数に応じた AE データの解析が可化を破線で示す。図では、荷重の変化に応じ AE能となる。

波が計測される様子が確認できる。

図8

疲労試験における AE データ例—

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5. まとめ

参考文献

FRP の AE 試験では、材料の構造が複雑なため（1） 一般社団法人日本非破壊検査協会：アコース

損傷に起因する有意信号以外にもさまざまな AE

ティック・エミッション、1990、pp.1-2

波がノイズとして検出され、ノイズに埋もれ有意（2） 福本伸太郎、西土隆幸、荒川敬弘、大森真実、信号の傾向がわからなくなる場合がある。損傷評

大森征一：CFRP 製タンクの水中伝播波による価を正しく行うためには、ノイズを除去・低減し損傷位置標定、IIC REVIEW、No.58、2017/10、

たうえで、有意信号の変化や傾向を見極めること

pp.34-41（3） Vallen Systeme 社：Vallen Visual Class カタログが重要である。このため、FRP 損傷評価を目的とする AE 計測システムには、ノイズを除去・低減し、有意信号を抽出するための多彩な機能が必要となる。本稿では、FRP 損傷評価に有効と思われる AE 計測システムの仕様と機能の一部を紹介した。今後の FRP の損傷評価や強度評価において、AE 計測技術の活用を検討するうえでの一助となれば幸いである。

研究開発センター
技師長
博士（工学）

計測事業部 計測技術部
福浦グループ
調査役

中村 英之

塩谷 源二

TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3541

計測事業部 計測技術部
福浦グループ

木村 将人
TEL. 045-791-3518
FAX. 045-791-3541—

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