技術紹介「AE 計測技術・実用編－その 3」
データ解析手法と留意点
中村英之 *1

Nakamura Hideyuki

AE 計測におけるデータには、波形特徴を数値データとして抽出した AE パラメータと波形データがある。これについては、IIC REVIEW No.56「AE 計測技術の基礎－その 1」で述べた。
本稿では、CFRP 試験片の引張試験データを一例として、同一データに対する周波数解析による評価とAE パラメータ解析による評価などを比較し、データ解析における着眼点および周波数帯域やセンサでデータを分別して観察することの意味を解説する。
キーワード：Acoustic Emission（AE）、AE 計測、周波数解析、AE パラメータ解析、CFRP

したうえで、一つの指標だけに着目するのではな

1. はじめにく多方面からデータを観察し、試験の目的とする

AE 計測における解析は、波形の特徴を数値デー有意信号の抽出や予兆の検知などにつながる信号タとして抽出した AE パラメータ解析と、波形の形の変化を見いだすことが重要である。

状や周波数分布に基づく波形解析がある。AE パラ

2. 重心周波数とピーク周波数の比較

メータは、波形データに比べデータ量が二桁小さいため、波形の取り込みが間に合わないほど高速

重心周波数とピーク周波数については、前号で生じる破壊でも AE を個別に分別して計測する（No.62）で解説した。重心周波数は、周波数スペことが可能であり、リアルタイムでの結果表示やクトル分布図（FFT 解析結果）の全面積を等分するワイヤレスでのデータ転送にも有効である。一方、（それを境に低周波側と高周波側の面積が等しく波形データによる解析では、波形の形状そのものなる）周波数であり、AE 波に含まれる周波数分布のほか FFT 解析を施すことで周波数分布や重心周の傾向を示す数値である。一方のピーク周波数波数、ピーク周波数などの AE 源の特徴につながるは、周波数スペクトルにおいて最大振幅を示し、詳細情報を得ることが可能である。しかし、データ共振に影響する AE 波の「音色」とも言える波形を量が重く取り扱いに時間を要するほか、計算に時代表する数値である。
一例として CFRP 試験片（図 1）に対する引張試間を要し、リアルタイムでの結果表示にタイムラ
グが生じる場合がある。

験の AE データを、重心周波数とピーク周波数で表したものを図 2 に示す。なお試験片は、材料型

AE 解析では、それぞれのデータの特性を理解*1：研究開発センター

博士（工学） 日本非破壊検査協会理事、日本非破壊検査工業会理事—3—

IIC REVIEW/2020/04. No.63

式 P3252S-20、0/45/-45/90 度 16ply の疑似等方材で破断に至り、荷重の上昇とともに上昇する重心周ある。また AE 計測には、Vallen 社製計測システム波数が破断前に低下するというこれまでの報告とAMSY-5と富士セラミックス社製 AE センサ AE144A同様の結果である 。

（1）を用いた。試験は、静的荷重による試験片が破断

一方、図 2（b）では、60 ～ 70kHz、95kHz 近傍、に至るまでの引張試験である。また、図 2 に示す

105kHz 近傍、115kHz 近傍、130kHz 近傍のそれぞ

データは、生データに対し後処理で 20 ～ 140kHz

れの帯域に分かれてプロットが集中するグループのバンドパスフィルタ処理を施したものであり、があることが確認された。これらのグループの中

Ch1 と Ch2 の二つのセンサで取得したデータを合で最も低い周波数帯域のグループでは、試験開始わせ表示している。

直後から AE 集中箇所が現れ試験片の破断直前ま

図 2 は、（a）（b）とも検出された AE 波形の重心で続いている。一方、ほかの高い周波数帯域のグ周波数またはピーク周波数をプロットで示していループは、荷重の増加とともに、現れては消滅し、る。さらにプロットが集中する帯域を段階的に表

最も周波数の高いグループは破断に至る 30 秒前の示するために、クラスター処理（あらかじめ設定190 秒近傍で集中箇所が消滅しているのがわかる。

した枠内に入るプロット数で集中度合いを示す処

図 2（a）（b）の比較では、（b）の最も高い周波数理）を施し、2 秒 × 2kHz の枠内のプロット数に応グループの集中箇所の消滅と（a）における重心周じ、5 個以上水色、15 個以上黄色、25 個以上赤色波数の低下が起こるタイミングが一致することがの枠で囲い表示している。

確認できる。以上の状況から、重心周波数が低下

図 2（a）では、引張荷重の増加とともに赤色でする現象は、高いピーク周波数を有する AE 波が検囲む集中度合いの高い帯域が上昇し、150 秒近傍出されなくなった結果であることが推定できる。

で最も高くなるが、180 秒近傍を過ぎたあたりか以上のように重心周波数が変化するという現象

ら低下が始まり 200 秒を過ぎると 25 個以上の集中もピーク周波数で観察することで同時間帯にどのを示す赤枠が無くなり、220 秒を超えたところでような周波数特性を有する AE 波が検出されてい図1

試験片とセンサ取り付け位置（a）重心周波数の場合

図2（b）ピーク周波数の場合

周波数解析によるデータ表示—4—

るかを確認することができる。

一方、B グループでは、試験開始後徐々に振幅

なお、図 2（b）に見られる高い周波数帯域のグ値が高まり、60 秒経過後には 60dB を超える高いループが現れては消滅する現象は、CFRP の破壊

振幅値の AE が計測されるが、180 秒を経過するとプロセスの変化に応じて発生する AE によるもの

振幅値は下がり始め破断 20 秒前の 200 秒を過ぎると推定されるが、実際の破壊現象と周波数の関係としきい値 40dB を超える AE 波はほとんど検出さの検証については、今後の課題とする。

れなくなった。

3. ほかの AE パラメータによる比較

3.2 Hit 数／秒による比較

3.1 最大振幅値による比較

図 4 は、AE 活動度を示す Hit 数／秒の時間的推

本項では、図 2（b）における周波数 85kHz 以下の移を示す。A グループのデータは、試験開始直後

低 い ピ ー ク 周 波 数 の AE デ ー タ を A グ ル ー プ、から Hit 数が増加し、40 秒（7kN）
経過時には 300Hits

85kHz を超える高いピーク周波数の AE データを Bに達するが、その後、Hit 数が減少し、110 秒（27kN）

グループとして、二つのグループに分別し、各々を近傍を境に再び増加に転じ 180 秒（51kN）を経過す

各種 AE パラメータの時間的推移を比較する。

ると再び減少し破断に至っている。

図 3 に最大振幅値による比較を示す。A グルー

一方 B グループでは、試験開始後徐々に Hit 数

プでは、試験開始 20 秒後の早い段階から 60dB をが増加するが 110 秒（27kN）で最高値となるのを境超える高い振幅値の AE が検出され、試験中盤はに減少に転じ破断に至る 20 秒前（57kN）にはほと60dB を超える AE 波の数は減少するが、終盤のんど検出されなくなることが確認できる。
以上のように、図 4 では、試験開始後 40 秒（7kN）、180 秒過ぎから再び 60dB を超える AE が計測された後に破断に至った。

110 秒（27kN）、180 秒（51kN）にターニングポイン（a）A グループ（低周波）の場合

図3（b）B グループ（高周波）の場合

最大振幅値による比較（a）A グループ（低周波）の場合

図4（b）B グループ（高周波）の場合

Hit 数／秒による比較—

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トが存在することが確認された。これらのターニ

A グループでは、破断前に比較的高いエネルギのングポイントは、材料内部で起きている破壊現象

AE が計測されるものの積算エネルギは減少し、Bの変化に応じたものと推定するが、本稿では事象グループでは、積算エネルギが徐々に低下し破断の紹介にとどめる。

前にゼロに近づくことが確認された。

3.3 エネルギおよび積算エネルギによる比較

3.4 AE パラメータによる比較のまとめ
AE 計測では、材料の破壊の進展に応じた AE パ

次にエネルギを指標として AB 両グループの比較を図 5 に示す。上図は AE 波のエネルギ（波形のラメータの変化を見いだすことが重要である。

積分値）をプロット表示したものであり、下図は一般的に、AE 試験では、材料中の減衰率が高毎秒あたりのエネルギ積算値を示している。エネ

まると検知する AE 波の振幅値は低下し、結果とルギの推移を観察すると A グループでは、試験開してしきい値を超える AE の数（Hit 数）は低下す始後の早い段階から 1000（eu）を超える高いエネルる。また、応力の上昇に伴う材料の破壊（またはギの AE 波が計測され 100 秒を過ぎると 1000（eu）粒子の滑り）が進むと蓄積されるひずみエネルギを超えるものはなくなるが、破断前の 180 秒からの増加とともに検出される AE のエネルギや検出破断に至る間で再び高いエネルギが計測された。

数は上昇するが、材料が分断され AE 源となるひ

一方、B グループでは、試験開始から徐々にエネずみエネルギの蓄積がなくなると AE 事象の発生ルギとその積算値が高まり、110 秒近傍で減少にが減少する。材料試験における AE 計測では、こ転じ 130 秒近傍で高いエネルギが計測されるもの

れら減衰率の増加と AE 事象の減少の両者が同時の、積算エネルギは徐々に低下し破断 20 秒前でゼに起こることも考えられる。
AE 試験では、AE の振幅値やエネルギの変化やロに近い値となる。

Hit 数の増減も健全性評価の指標や最終破断の予以上に示すように、低いピーク周波数を有する（a）A グループ（低周波）の場合

図5（b）B グループ（高周波）の場合

エネルギおよび積算エネルギによる比較（上図：波形ごとのエネルギ、下図：毎秒あたりのエネルギ  積算値）—

6—

な要因が考えられる。

兆として用いている。

一例として、3 章と同様の試験を材質と形状が4. ほかの試験片データによる比較同じほかの試験片に対し実施した結果を図 6 に示

AE 計測では、同一の材質・形状の試験片に対す。図 6（a）では、図 2 と比較すると重心周波数し、同じ条件で試験を実施しても結果が一致しなの低下は認められるものの顕著に現れていないこい場合がある。その原因は、破壊が起こる位置やとが確認できる。
図 7 は、図 6（b）のピーク周波数において 85kHz破断に至るまでの過程の違い、また AE 波がセンぱを境に上下二つのグループ A（低周波）および Bサに到達するまでの伝播状況の違いなどさまざま（a）重心周波数の場合

図6

図7（b）ピーク周波数の場合

ほかの試験片での周波数解析データ

ほかの試験片における各種パラメータによる比較—

7—

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（高周波）に分別し、グループごとの Hit 数、最大プでは、180 秒から破断に至る間で、最大振幅値振幅値、エネルギの時間的推移を示す。

やエネルギが上昇し、破断直前に Hit 数がわずか

図 7 の左図では、120 秒（29kN）のターニングポに上昇するなど図 4 とは異なる傾向が見られる。

イントを境に A グループ（低周波）では上昇に転

次に、上記データを Ch1 センサと Ch2 センサのじ、B グループ（高周波）では減少に転じる傾向はそれぞれ個別に比較した結果を図 8 および図 9 に

図 4 で示したデータと一致する。しかし、A グルー示す。

図8

図9Ch1、Ch2 各センサの Hit 数による比較

Ch1、Ch2 各センサの最大振幅値による比較—

8—

図 8 の Hit 数による比較では、Ch2 のデータは、原因としては、片方のセンサの接触状態が変化す

3.2 節に示すデータと同様の傾向が見られる。しることが考えられ、その場合には AE 波が検出さかし、Ch1 のデータでは、A グループ（低周波）のれなくなる、もしくは振幅値の低下が起こる可能

Hit 数が 170 秒近傍で急激に低下した後に上昇し、性が高い。上記のケースでは、振幅値の上昇が見

また B グループ（高周波）の Hit 数は 170 秒近傍でられることからセンサの取り付け状態の変化では急激に低下したまま破断に至るなど 3.2 節とは異なく、試験片上の破壊が起こる位置とセンサの取なる傾向が確認された。図 9 の振幅値による比較

り付け位置の関係に起因することが考えられる。

でも破断前に 70dB を超える高い振幅値を有する

例えば層間剥離などの破壊現象がセンサ直下に到AE 波が検出された一方 Ch2 では、振幅値の高ま達するようなケースでは破断直前まで AE が検出りは見られなかった。

され、エネルギが増大することが予想される。

さらに Ch1 と Ch2 のデータを個別に周波数解析

以上のように AE 計測では、センサ間でデータした結果を図 10 に示す。図 4 で示した 3 つのターが異なるようなケースもあることから、複数のセニングポイントを有する Ch2 のデータでは、重心ンサを取り付け、センサ間でデータの差異を確認

周波数の低下が顕著に見られるが、傾向が異なるすることも重要である。また耐圧試験時の予兆検Ch1 のデータでは、破断直前まで重心周波数が高知に AE 計測を用いる場合には、センサごとにい AE 波が検出され、また Ch1 のピーク周波数がデータを表示させそれぞれのセンサの守備範囲に低い領域（A グループ）において 170 秒近傍で低下おける AE 事象の変化を監視することも有効であする現象が見られた。

る。

一般的にセンサ間で異なる傾向のデータを示す

図 10

Ch1、Ch2 各センサの周波数解析結果の比較—

9—

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能となることを示唆するものと考える。

5. まとめ以上示したような AE パラメータによる予兆検

本稿では、CFRP 試験片の引張試験データを一

知は、より安価で簡便な AE 計測装置を使用した

例として、データ解析における着眼点と周波数帯モニタリングシステムやワイヤレス化への展開が域やセンサでデータを分別して観察することが有期待できる 。

（2）

効であることを説明した。特に CFRP の評価では、本稿では、前号（No.62）からの続編ということ破壊現象とセンサの位置関係で AE データの傾向で、前号で記した注意すべきことは記述していなが変わる可能性があることを理解したうえで解析い。前号未読の読者には、前号も合わせて読まれを行うことが重要である。

ることをお願いしたい。

CFRP 試験片の引張試験データでは、高い周波参考文献数グループと低い周波数グループに分けることで、Hit 数や毎秒積算エネルギの低下が重心周波（1） 川﨑拓、滝沢真実、中村英之、佐藤浩幸、飯数の低下と同様のタイミングで生じることを確認

田伊佐務：AE 重心周波数を用いた CFRP 材損した。

傷評価法の検討、第 19 回アコースティック・エミッション総合コンファレンス論文集（2013）、

これは、処理時間を要する周波数解析に頼らなくても、あらかじめ周波数フィルタにて高周波とpp.77-80低周波に帯域を分別してデータを取得し、それぞ（2） 中村英之：AE 遠隔モニタリングと IoT への活れの周波数帯域における Hit 数やエネルギを観察用、第 14 回日本非破壊検査工業会技術討論会することで、健全性の評価や破断の予兆検知が可概要集（2018）、pp.15-23

研究開発センター 博士（工学）日本非破壊検査協会理事、
日本非破壊検査工業会理事

中村 英之
TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—10—