技術紹介

AE 計測における F.C.O.G. 手法のリアルタイム処理化
大森

征一 *1

Ohmori Seiichi

大森真実 *2

Ohmori Mami

中村英之 *3

Nakamura Hideyuki

川﨑

拓 *4

Kawasaki Hiraku

当社で以前より研究を続けている、CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）材の引張試験での Acoustic Emission（AE）信号の重心周波数（F.C.O.G.：Frequency Center Of Gravity）の変化を利用した健全性評価手法について、リアルタイム処理適用技術を開発したので紹介する。以前は、複数のソフトウェアを用いて解析しており、多大な解析時間と膨大なデータ容量が必要であった。今回の検討では、F.C.O.G. の計算方法を変更し、Vallen 社製ソフトウェアの中で処理を完結させることで、これまでと同等の結果を半分以下の処理時間、データ容量で出力できるようになった。加えて、F.C.O.G. 手法を計測中に適用できるようになり、インライン検査やモニタリングへの適用が可能となった。
キーワード：Acoustic Emission（AE）、重心周波数（F.C.O.G.）、リアルタイム表示、CFRPトウェアを用いて実施する必要があった。そのた

1. はじめにめ、F.C.O.G. 手法の適用は多大な時間を要し、特AE 試験は複合材料の健全性評価手法として普に計測中には実施不可能であった。そこで、著者及しており、カイザー効果を用いた方法は ASME

は、解析時間の削減と計測中の F.C.O.G. 解析結果

（1）

規格で制定されている 。日本国内においても、の表示を目的とし、従来と同等の処理を一つの解ロケット部品などの製造時検査にカイザー効果を析ソフトウェアにすることで、リアルタイムで動（2）用いた AE 試験の適用例が報告されている 。

作する F.C.O.G. 手法を開発した。本稿では、その当 社 で は、AE 信 号 の 周 波 数 変 化 を 活 用 し た

方法を紹介する。

CFRP 材の評価手法について研究してきた。その2. F.C.O.G. 手法

中で、引張試験時に F.C.O.G. 解析結果が変化した試験片を調査した結果、CFRP 試験片に層間剥離

F.C.O.G. とは、AE 信号に含まれる主な周波数が発生する直前の現象であることを確認した。し成分を表す代表値である。重心とは加重平均のこかしながら、周波数変化に着目した手法（以下、とであり、式（1）に示すように、周波数 f i におF.C.O.G. 手法）で解析する際には、通常の AE 計ける成分強度 A ( fi ) の積和を、成分強度の総和で測に加えて、フィルタ処理、Fast Fourier Transform割った値である。

（FFT）、統計処理などの手順を、複数の解析ソフ*1：検査事業部 技術部（株式会社 IHI 技術開発本部 生産技術センター 生産基盤技術部 検査・計測グループ出向中）*2：検査事業部 技術部*3：検査事業部 部長 博士（工学） 日本非破壊検査協会理事*4：研究開発センター 研究開発グループ—11—

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∑ A( f ) ∗ f
F .C .O.G. =∑ A( f )iはよく一致している。また、F.C.O.G. 解析結果がi

低 下 す る 際 に、 試 験 片 に 生 じ た 損 傷 を 調 査 し、

（1）

i

i

F.C.O.G. 解析結果の低下が層間剥離の直前を示す

i（3）

図 1 に CFRP 試験片の引張試験時に取得した結果も得ている 。

AE 信号の例を示す。図 1（a）は時間波形を、図 1（b）

このように、F.C.O.G. を解析することで試験片は周波数パワースペクトルを示している。図 1（b）の健全性を評価できる可能性が得られ、当社ではより、80kHz 近傍、150kHz 近傍、250kHz 近傍のCFRP 材の評価手法として有効な手段と考えてい三か所の帯域にピークをもつ周波数成分が確認でる。

きる。この AE 信号について、式（1）より F.C.O.G. を

3. リアルタイム F.C.O.G. 手法

算出すると 188kHz となる。このように、F.C.O.G. を

3.1 従来の F.C.O.G. 解析手順

用いることで、ピーク周波数では把握できないス

前章では本手法の有効性について述べた。しかペクトルの特徴を得ることができる。

し、従来の F.C.O.G. 手法では、図 2 に示す処理手順を経る必要があり、解析に多大な時間を要していた。解析者は、特に図 2 の②に示す前処理で、生 の AE デ ー タ と は 別 に 解 析 用 に 大 容 量 の AEデータを作成することになる。また、抽出したAE データに対して、図 2 の③の「専用編集ソフト」、図 2 の④の「専用表示ソフト」などでも処理が必要となるため、手順が複雑となっていた。
これらの処理は、計測したデータサイズにもよる（a）時間波形が、最大で数日間かかることもあった。
著者らは、以上の問題を解決するため、使用するソフトウェアを一元化し、手順の簡略化および処理時間を削減した。

（b）周波数パワースペクトル

図1

CFRP 試験片に生じた AE 信号例（1）

一般的に AE では、カイザー効果 の成立有無をもって材料の健全性を評価することが多い。カ
イザー効果が成立すると材料が健全であり、不成立となると材料中の健全性が損なわれたと判断し図2ている。カイザー効果の成立有無と F.C.O.G. 解析の結果を比較すると、両者の変化するタイミング—

12—

従来の F.C.O.G. 解析手順

3.2 開発した F.C.O.G. 解析手順

り、3.1 節で述べた膨大なサイズの AE データに開発した F.C.O.G. 手法の手順を図 3 に示す。新

対しても、数時間で解析が可能になった。

手 法 で は、Vallen 社 製 の 周 波 数 解 析 ソ フ ト でF.C.O.G. のパラメータをデータベースファイルと3.3 開発した F.C.O.G. 手法と従来の F.C.O.G. 手法して作成する。以降の処理も同一規格のデータ	 の相違点ベースファイル内で行うため、データ量の削減と開発した F.C.O.G. 手法と従来の F.C.O.G. 手法で処理時間の向上が可能となる。次に、図 3 の③は、AE 波形の F.C.O.G. の算出方法が異なる。AEの「Visual AE」でフィルタリングする。ここでは、波形の周波数成分のうち、解析の対象としている

図 2 の②と異なり、AE データの抽出が不要とな成分は 0 ～ 250kHz 程度の帯域に存在する。しかし、る。そのため、前処理のために大容量の AE ファ

図 4（a）に示すように、例えば、サンプリング周イルを作成する必要がない。

波数 5MHz で取得した AE 波形のパワースペクト

このように、開発した手法は、全ての作業におルの計算範囲は 0 ～ 2500kHz である。そのため、

いて Vallen 社製ソフトウェアを用いることで、計図 4（b）に示す式（1）で算出された F.C.O.G. は、算に必要なデータを最小限にとどめ、処理に要す不必要な高周波成分の影響を受けてしまう。このる工程を大幅に削減することができる。これによ影響を避けるため、従来の F.C.O.G. 手法では、発生する AE 信号の周波数帯域にあわせ F.C.O.G. の算出範囲を低周波数側に限定していた。
一方、新手法では、図 5 に示すように、F.C.O.G. 計算の際にしきい値を設け、破線で示したしきい値以下のスペクトル値を 0 とし、しきい値以上のスペクトル値のみを用いて計算した。しきい値はスペクトルのピーク値（p_max）に、0 ～ 0.99 の範囲で定めた任意の係数をかけた値である。なお、

図3

図 5 では係数を 0.1 としている。この計算方法はリアルタイム化された F.C.O.G. 解析手順（a）AE 信号のパワースペクトル（b）周波数帯域を限定せずに算出した F.C.O.G.

（サンプリング周波数 5MHz の場合）

図4

従来の F.C.O.G. 手法—

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既存の Vallen ソフトウェア内で利用可能なため、新手法ではソフトウェアを一元化できる。さらに、従来法と異なり、あらかじめ周波数帯域を限定することなく、不必要な帯域に生じるスペクトルの影響を避けられる。
新手法の妥当性を確認するため、従来法と新手法の F.C.O.G. 計算結果を比較した。結果の一例として、図 6 に AE 波形に対して新手法と従来法で算出した F.C.O.G. を示す。図 6 より、従来法、新
図5

手法ともに F.C.O.G. が 92.77kHz となりよく一致していることがわかる。

新手法での F.C.O.G. 計算時のしきい値の具体例

4. 引張試験における新手法の実施例
4.1 F.C.O.G. 解析手法
ここまで、従来法と新手法について各 AE 信号の F.C.O.G. 算出方法の違いを説明してきた。引張試験などで AE 計測を行うと多数の AE 信号が生じ る。 こ の 一 つ ひ と つ の AE 信 号 に 対 し て
F.C.O.G. を算出すると、変化のタイミングを判断することが困難になる。図 7 は引張試験時の AE
図6

計測結果を表したもので、赤い点は各 AE 信号の従来法と新手法の F.C.O.G. 計算結果

F.C.O.G. を示す（左縦軸）。70 ～ 145kHz の広帯域に渡り F.C.O.G. が生じており、変化の識別が困難最も多く生じた帯域（F.C.O.G. の最頻値）から変である。そのため、F.C.O.G. 解析では、一定の「時化のタイミングを判断する。図 7 の緑のプロット

間 - 周波数」間隔のうちで F.C.O.G.（赤い点）がは F.C.O.G. の最頻値を示している（右縦軸）。最頻

図7

引張試験における F.C.O.G. と F.C.O.G. 最頻値の比較—

14—

値で整理すると、F.C.O.G. が 160sec 付近で低下しり、AE 計測中を F.C.O.G. 解析結果をリアルタイたことを容易に識別できる。F.C.O.G. 解析は、こムに表示することが可能となった。の F.C.O.G. の最頻値の変化から健全性を評価する。

5. まとめ

4.2 従来法と新手法の F.C.O.G. 解析結果の比較

本稿では F.C.O.G. 手法について概要を紹介し、F.C.O.G. 解析における新手法の妥当性を確認す

問題点として手法の処理の複雑さなどを説明しるため、従来法を用いた解析結果と新手法によるた。また、新たな手法では、F.C.O.G. の算出方法解析結果を比較した。図 8（a）～（c）に 3 種類のを変更することで、使用するソフトウェアを一元試験片の引張試験を行ったときの F.C.O.G. 解析結化することができ、従来の手法と同等の結果が得果を示す。図 8（a）～（c）において、青ひし形がられることがわかった。実施例として、CFRP 試従来法、緑丸が新手法の解析結果を示している。

験片の引張試験に適用した F.C.O.G. 手法のリアル

図 8（a）～（c）中にそれぞれ矢印で示すように、タイム処理化について紹介した。今後、
F.C.O.G. 手従来法と新手法で F.C.O.G. 最頻値の低下が同じよ法の適用範囲の拡大について検証し、リアルタイうなタイミング（150sec 付近）で起きており、両ム評価手法としての適用を進めていく予定であ手法ともよく一致する。これより、新手法は従来る。

法と同等と考えられる。また、今回開発した手法は一つのソフトで F.C.O.G. 解析できることによ（a）TP-1（b）TP-2（c）TP-3

図8

引張試験における F.C.O.G. 解析結果—15—

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参考文献（1） ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section V,Article 11, Acoustic Emission Examination ofFiber Reinforced Plastic Vessels, American Society
for Mechanical Engineers, Latest edition（2） Y. Mizutani, K. Saiga, H. Nakamura, N. Takizawa,T. Arakawa and A. Todoroki： INTEGRITYEVALUATION OF COPVS BY MEANS OF
ACOUSTIC EMISSION TESTING, Journal ofAcoustic Emission, Vol.26, 2018/12, pp.109-119（3） 大森真実、川﨑拓、大森征一、中村英之、佐々木孝明：AE 波重心周波数を用いた CFRP 材の損傷評価研究、強化プラスチックス、第63 巻、第 9 号、2017/9、pp.434-439

検査事業部 技術部
（株式会社 IHI 技術開発本部
生産技術センター 生産基盤技術部
検査・計測グループ出向中）

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