技術紹介「AE 計測技術の基礎－その 1」
ハードから計測条件の設定まで
中村

英之 *1

Nakamura Hideyuki

当社では、アコースティック・エミッション（以下、AE と称す）に関する事業を開始し十数年が経ち、現在は AE 計測を通常業務として実施している。本稿では、これから AE 計測や AE 装置販売に携る人を対象として、AE 事業導入の経緯から AE 計測の原理、装置の概要と仕組み、各種設定値の意味、データ
採取のアルゴリズム、AE データの意味など、AE 計測、および装置に関する基礎知識を紹介する。
キーワード：キーワード：AE、AE 計測、AE パラメータ、波形データ、位置標定、Vallen、AMSY

いにも技術調査等を通じ、国内外の数多くの研究

1. はじめに者・技術者から助言や指導を得ることができ、今当社が、AE 計測事業に本格的に参入したのは、日に至ることができた。現在は、当たり前のよう1999 年から 4 年間続いた一般財団法人エンジニに実施している AE 計測についても、センサの取アリング振興協会より委託された、タンク AE 計

り付け方法から計測条件の設定、評価の仕方まで、測に関する研究プロジェクトに参画したことに端長い時間を掛けて積み上げた技術の上にあることを発する（それ以前に米国の AE 装置メーカーを理解しなければならない。

AE Technology 社の代理店となったが、販売実績

本稿は「AE 計測技術の基礎－その 1」と題し、のないまま同社が解散し、社内に AE 技術が育つ

次号以降にわたり AE 計測を行ううえで必要となことはなかった）。

る基礎的な知識を、数回に分けて紹介する予定で

当社は、1999 年当初、米国の AE 装置メーカーある。これから AE 計測や AE 装置販売に携る読Physical Acoustic 社製の装置を導入し、研究プロ

者の参考になれば幸いである。

ジェクトを進めたが、このプロジェクトにおける

2. AE とは何か？

海外技術調査で 2001 年にドイツ・Vallen 社を訪問したことが縁となり、2005 年にそれまで日本

AE は、直訳すると「音の放出」となるが、本での販売拠点がなかった Vallen 社の代理店とな来の意味は、材料に応力を加えたときに材料に蓄り、AE 装置販売事業を開始した。

積されたひずみエネルギーが、変形や破壊に伴い当社が AE 計測事業に参入した当初は、ゼロか開放される過程で、その一部が超音波領域の弾性らの出発であり、試行錯誤の連続であったが、幸波として放出される現象である 。簡単に表せば、*1：検査事業部部長（1）

博士（工学）—

28—

木の枝をへし折ろうと力を加えるとメリメリと音開発され必ずしも、きずの発生や進展に伴う AEがする。このメリメリにあたる超音波を発する現波を必要としない評価方法もあるためである。
図 2 に AE 計測装置の構成を示す。一般的に用象を AE といい、その弾性波を AE 波と呼ぶ。
なお、AE 試験では、AE 波を計測し、その発いられる圧電素子による AE センサは、超音波探

生頻度、波形特徴などから、材料の強度や健全性

傷試験における垂直探触子と同様の構造を持ち、を評価するほか、AE 波の到達時間差から、損傷

円筒形のケースの中に各周波数特性に合致した圧位置の標定も行う。

電素子が組み込まれている。なお、特定の共振周

さらに最近では、AE 試験の適用技術の研究が波数を有しない広帯域型センサは圧電素子の後部進み、破面のこすれで発生する二次的な AE 波をに共振を抑えるダンパーを組み込んだものである。

検出して損傷程度の評価を行ったり、材料上で擬

材料中を伝播する AE 波は、AE センサに到達

ぱ

似的に発生させた AE 波の伝播挙動から損傷範囲

するとセンサ内の圧電素子により電圧信号に変や程度を評価したり、電気化学的な反応や生体反換、出力される。センサの出力は 10-5V ～ 10-1V

応に伴う AE 波を検出して、適用対象の評価が行と微弱であるため、プリアンプで増幅した後に、（2）われている 。このように、現在では、本来のAE 計測装置に入力される。入力した電圧信号は、

AE 事象とは異なるものの、対象物を伝播する超AE 計 測 装 置 の AE 基 板 上 で A/D 変 換 さ れ、AE

音波領域の弾性波を検出し、何らかの評価に用いパラメータ信号の抽出、波形の保存がされる。

ることを広義として、AE 試験と位置付けている。

ここで AE パラメータとは、AE 波形の特徴を数値データとして抽出したものであり、例えば波形の3. AE 測定原理と計測系の概念

最大振幅値や波形持続時間などであり、複数個の

図 1 に AE 試験（AT）と超音波探傷試験（UT）

センサを用いた計測では、パラメータに示されたの比較を示す。超音波試験では、探触子から超音

信号到達時間から音源位置標定計算を行うことも波を発信し、きずから反射するエコーを検出し、可能である。一方、波形データは、時間と電圧のきずの有無、大きさ、位置などの情報を得て健全情報を有するサンプルの集合体として保存される。

性を評価する。一方、最も基本的な AE 試験では、各々のデータの詳細については次章で説明する。

材料に AE センサを取り付け、材料に応力を加え

なお、当社が販売する AE 装置「AMSY」の場合、ることによりきずが発生または進展することで生

プ リ ア ン プ の 駆 動 電 源 は、 信 号 ラ イ ン を 通 じじる AE 波を検出し、きずの有無、位置などの情

DC28V が供給されるが、これは同一ラインでも報を得て評価に役立てる。ここで「最も基本的な

AE 信号が交流であるため直流との切り分けが可

AE 試験」としたのは、近年、多様な評価方法が能なためである。

図1

UT と AT の比較
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図2

AE 計測系の概念解析に用いることがある。このため、一般的な

4. AE 計測装置ハードウェア

AE 計測装置は、外部の計測器からの信号（外部図 3 から図 5 に当社が販売し、計測に使用しパラメータと呼ぶ） を入力する端子を有する。

ている旧型および新型の AE 計測システムの外観

AMSY-5 の写真に見える左の上下 4 列の端子、お写真を示す。旧型の AMSY-5 に搭載された AE 基

よび AMSY-6 における左 4 端子は外部パラメータ板 ASIPP は、2 種類のハード式周波数フィルタを入力端子である。

有し、この 2 種類の周波数フィルタのいずれかを旧型装置では、出力端子を有すると述べたが、選択可能であり、AE 信号入力端子は一つのみでAE 計測は、入力端子（以下チャンネル／ Ch とあった（基板上に見える二つの端子は一つが入力でもう一つは出力端子である）。したがって旧型
AE 基板を搭載する AMSY-5 は、チャンネル数に応じた枚数の AE 基板を必要とした。新型基板
ASIP2-A は、二つの入力端子を有し、周波数フィルタがデジタル式に変わり、500 種類以上の組み合わせでフィルタを設定することが可能となった。
さらに新型 AMSY-6 では、AE 基板は ASIP2-A のままであるが、それまでパソコンとの接続に PCI
インターフェイス基板を介していたものが、USBにてダイレクトに接続可能となり、PCI スロットを必要としなくなったほか、AE データ取り込み
速度も格段に向上した。なお、AE 試験では、AE波とともに試験荷重や、ひずみなどのデータも同

図 3 旧型 AMSY-5（ASIPP 基板）（AE データ取り込み速度 30,000hits/sec 以上）時に計測し、それらの試験条件と AE との相関を
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別の Ch に入力することが可能となる。
な お、Vallen 社 製 AE 装 置 で は、AE 基 板 ご とに波形を一時保存するメモリーを搭載しているため、波形の取りこぼしが少なく、高速データ採取を可能にしている。しかし、カタログに示すデー
タ取り込み速度は、AE の発生タイミングと収録タイミングを同期させた、理想条件における速度であり、AE の発生タイミングが不規則となる実際の計測現場での値ではないことを理解しなければならない。
図 6 にセンサ、プリアンプなどの付属品の一例を示す。AE センサは、大別すると特定の感度

図 4 旧型 AMSY-5（ASIP2-A 基板）（デジタル周波数フィルタ搭載）

帯域で高い感度を有する共振型と、感度は劣るが広い周波数帯域に感度帯域を有する広帯域型の二つがあり、検出対象とする AE 波の周波数に応じ、選 択 さ れ る。 な お、 共 振 型 セ ン サ と 称 し て もVallen 社で取り扱うセンサは比較的周波数帯域が広く設計されており、例えば 150kHz の共振型センサである VS150-M は、80kHz から 450kHz の範囲に感度帯域を有している。
最も一般に使用される 150kHz 近傍のセンサには、プリアンプ内蔵型センサが用意されている。
通常、センサとプリアンプはセンサケーブルで接続するがセンサケーブルは電磁ノイズに対しアンテナの役割を果たすことがあるため、できるだ

図 5 新型 AMSY-6（AE データ取り込み速度 100,000hits/sec 以上）

け短くする方が望ましい。これはセンサ・プリア
ンプ間でノイズが入る場合、このノイズもプリア称す）ごとに、しきい値や周波数フィルタなどのンプで増幅され、有意信号の検出を妨げることがデータ取り込み条件を設定する。例えば、同一セあるためである。この観点から開発されたプリア

ンサからの信号を異なる取り込み条件で計測する

ンプ内蔵型センサは、センサケースにプリアンプ

ような場合は、出力端子から取り出した信号を別を内蔵することにより、センサ・プリアンプ間のの Ch に入力することで計測が可能となる。このケーブル長が十数 mm と短く、ケーシングでシーような出力端子を持たない新型の場合には、装置ルドされることにより、電磁ノイズの影響を受け

入力前に信号ラインを分岐し、片方のラインにコにくい。

ンデンサーを内蔵した、DC ブロッカーという器

プリアンプは、ゲイン可変型と固定型の二つの具を組み込むことで交流である AE 信号のみを、タイプがある。Vallen 製 AE 装置による計測では、

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ゲイン 34dB（利得 50 倍）のものが最も多く使用

加え、内蔵する -34dB のアッテネートスイッチされる。これは、AMSY シリーズの入力電圧範を操作することで 0dB から 49dB の範囲で 12 段

囲が ±5V であるため、センサ出力 0.1V が 50 倍

階のゲインを設定することが可能である。

に増幅され、AE 装置の入力限界である 5V に達センサの取り付けには、マグネットホルダやクすることによるものである。ちなみに PAC 社製

ランプなどを用い機械的にセンサを固定する方法

AE 装置 DISP の場合は、入力電圧が ±10V であると、接着剤を用い固定する方法がある。機械的にためゲイン 40dB（利得 100 倍）のプリアンプが取り付ける場合には、接触媒質としてセンサの感多用される。なお、ゲイン固定型のプリアンプは、度面にシリコングリス等を用いる。AE 試験では、購入時にそのゲインを指定することになる。

超音波探傷試験のようにセンサを走査する必要がまた Vallen 社製プリアンプには、いずれのタイ

ないため、長時間の保持、試験後の除去、周囲へプもハードの周波数フィルタを内蔵しており、購の拡散防止などを考慮し比較的粘性の高いグリス

入時に周波数帯域を指定するが、使用時には、プが使用される。また、接着剤によりセンサを固定

リアンプ上面に記される周波数帯域を確認し、計する場合には、測定対象に適用可能なものの中か測仕様に合致していることを確認しなければなら

ら、比較的接着強度の高いものを選択するが、硬ない。

化速度の速いエポキシ系接着剤が一般的に使用さゲイン可変型プリアンプ AEP3N は、より高感れる。

度の計測を行う場合や、感度を低くした計測を行

なお、接着剤を適用する場合には、試験後にセう場合を考慮して設計されており、34dB、37dB、ンサを取り外すときにセンサや対象物を壊さない

40dB、43dB、46dB、および 49dB の可変ゲインをよう、センサの感度面にあらかじめシリコングリ

図6

AE 計測装置付属品
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スを薄く延ばすように塗布した後に多めの接着剤

う。Step3 では、最も重要な計測パラメータの設を適用する。センサを対象物に押し付けることに定を行うがその意味を理解したうえで最適な条件

より接着剤はセンサからはみ出し、このはみ出しを設定することが肝要である。

た接着剤がセンサの側面のみを固定するため、取り外しは容易であり、破損も少なくなる。
プリアンプから AE 装置までの間を接続する
BNC ケーブルは、計測現場の配置により余裕のある長さのものを用いるが、ケーブルのインピー
ダンスは AE 装置のインピーダンスと合わせ 50Wのものを用いる。なお、PAC 社製 AE 装置 DISP
では、装置のインピーダンス 100W であるため、使用するケーブルも 100W となる。
5. AE 計測条件の設定
図 7 に AMSY による AE 計測の入り口となるVallen コントロールパネルを示す。この AE 計測

図7

AMSY コントロールパネル

図8

Acquisition 設定メニュー

システムでは、データ採取ソフト Acquisition、デー
タを表示し解析するソフト Visual AE、波形解析
ソフト Visual TR、波形自動識別ソフト Visual Classなどがそれぞれ独立して存在し、それぞれがリンクして作動する。本稿では AE 計測の基礎として、データ採取ソフト Acquisition での計測条件の設定について述べる。
コントロールパネル上の Acquisition を開くと、
図 8 に示す設定メニューが立ち上がる。計測条
件の設定は Step1 から Step4 の順で進むが、その内容を以下に述べる。
図 9 に Step1 の設定メニューを示す。ここでは、計測に使用するハードウェアの設定を行う。このメニューでは、計測に使用するプリアンプの型式とゲインなどを選択する。また DC ブロッカーにより分岐した AE 信号など、プリアンプの電源供給を必要としない場合は、このメニューで DC 電
源を OFF にする。
次に Step2 では、データフィルの命名と、計測
図9条件を参照フォルダから呼び出すなどの作業を行
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Step1 ハードウェア設定メニュー
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（1）全 Ch 共通事項

で 20480 サンプル（約 2msec 分）の波形を収録す

図 10 に全 Ch 共通事項の設定メニューを示す。

ると、1 波形のデータ量が約 41kbyte となる。こここでは、AE パラメータデータおよび TR デーのため、毎秒当たり数百という AE が発生する場

タ（波形）の測定条件を設定する。3 章で AE パ

合には、波形データ転送が間に合わなくなり、波ラメータと波形データの違いを述べたが、両者の形の取りこぼしが生じる。

データはそれぞれ異なる条件にて計測され異なる波形収録条件の設定においては、サンプリング

ファイルに記録される。AE パラメータデータは、

レートおよび、サンプル数は必要最低限とするこパラメータを抽出するためのサンプリングレートとが望ましい。必要数の目安としては、周波数解の設定のみであるが、TR データは、サンプリン

析を考えた場合、一波長当たり 10 サンプル以上

グレートに加え、サンプル数および、データ採取

入ることが望ましく、検出すべき AE 波も周波数パターンの設定を行う。

を考慮しなければならない。

通常の測定では、AE パラメータデータは一つ

なお、最新ソフトでは、「Duration adapted TR」の AE 波（Hit と称す）が入力しその AE 波が終と「Include TR data for artificial hits」というメニュー

わるまで測定が続くが、波形データはあらかじめが追加され、Duration（波形持続時間）が続く限り、設定したサンプル数を記録すると、AE 波の継続

または従属する AE 波が続く限り、AE 波を収録の有無に関係なく記録を終了する。これはデータすることが選択できるようになったが、この設定量の違いとコンピュータの性能によるものであで計測すると波形長さが信号ごとに異なるため、り、AE パラメータデータは一つの AE 信号当た

単一ウィンドウによる重心周波数の抽出などを計り数種類のパラメータに応じた数値が書き込まれ算させる処理において不都合が生じるたり、一つるだけであり、一つの AE 信号のデータ量は数十の AE 波の収録に負荷が多くなり、結果として波byte であるが、波形データは、1 サンプル当たり

形の取りこぼしが増えたりすることもあるので、2byte のデータ量となるため、例えば 10MHz のサ

この機能を使用する場合には注意が必要である。

ンプリングレート（0.1msec ごとのサンプリング）

図 10

Step3 パラメータの設定（全 Ch 共通事項）
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（2）AE-Ch 設定

るための条件として Duration Discrimination Time図 11 に AE-Ch 設定メニューを示す。この設定（波形持続時間識別時間：DDT）と、Rearm Time

メニューでは、計測条件を各々の Ch ごとに設定（連続信号識別時間）がある。しきい値をクロする。以下に代表的な設定値の意味と設定におけスする信号が入力するとあらかじめ設定したる注意事項を示す。

DDT がスタートし、DDT の時間内で信号がし① AE enabled、TR enabled

きい値をクロスする度に DDT はリセットされAE データの取得の有無、波形データ（TR）

続け、DDT の時間内にクロスする信号がなくの取得の有無を個別に選択する。ここでの注意

な る と 一 つ の AE 波 は 終 了 し た と 認 識 し、は、チェックが外れると AE や波形データを一Duration（波形持続時間）が決定される。Rearm

切取得しなくなるため、AE、TR のそれぞれがTime は、一つの AE 波の計測が終了した後にon になっていることを確認する。

次に到来する信号が計測を終了したばかりの② Threshold（しきい値）

AE 波の反射波なのか新たな AE 波なのかを見

一般的な AE 計測装置では、あらかじめ設定

極める時間である。Rearm Time も DDT と同様したしきい値を超える AE 波が入力すると計測に時間内でしきい値をクロスする信号が入力すが開始される。これは AE 計測では、周囲の機る度にリセットされ、Rearm Time 終了後に到器の作動音に起因した環境ノイズのほか、AE 装

来する信号は新たな AE 波として計測される。

置自体の電気回路で発生する暗ノイズが存在す

AE 波の多くは、単一の信号ではなく反射波なるため、これらノイズの影響を受けないよう環

ど多くの従属する波を持つ。したがって DDT

境ノイズを計測したうえで、ノイズレベルよりにより AE 波の計測が終了した後、Rearm Time

2dB から 3dB ほど高い値にしきい値を設定する。

が続く間にも信号は到来するが、これらの信号③ Threshold to noise ratio（浮動しきい値の設定）

は最初に計測した AE 波に従属する信号（Cascade

浮動しきい値は、ノイズレベルの変化に合わHit）として収録される（Cascade Hit の概念を
図 13 に示す）。

せしきい値を変動させる機能であり、ノイズレ
ベルに対する倍率でしきい値が決定する。した

なお、波形データ（TR）は、従来のソフトがってしきい値は、ノイズレベルの変動に合わ

ではしきい値をクロスする信号が入力すると、せその倍率に応じた値で変動する。しかしながプレトリガー分遡った時間からあらかじめ設定

ら、波形持続時間やエネルギーなど多くの AE

したサンプル数のデータが収録されるだけでパラメータはしきい値を基準として計算されるあった。しかし、最新ソフトでは、上述の AE

ため、基準となるしきい値が変動することでパラメータデータの終了または Cascade Hit のデータ間の互換性を失うことになる。このため終了に合わせて波形を取り込むことも可能と通常の AE 計測では、しきい値を固定するため、なった。

ここでの入力を 0.0 とする。

⑤ Pre-trigger sample④ Rearm Time と Duration Discrimination Time

波形データの収録条件を示し、しきい値を超図 12 に AE データ取得のアルゴリズムを示

える AE 波が到達した時点から Pre-trigger sample

す。AE データは、しきい値を超える信号の入で設定したサンプル数を遡った時点から波形の力により、計測されるが、一つの波形を識別す

収録が始まる。

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⑥ Calculated gain

⑦ Digital Filter 設定

AE システムは、入力した信号の増幅率を自周波数フィルタの設定。検出すべき AE 波の動検知できないため、実際に使用するプリアン

周波数に応じ High-Pass および Low-Pass のそれ

プのゲインを入力する。なお、計測条件によっぞれの値を選択する。なお、選択にあたってはては信号ラインの電圧降下などを考慮し実際の使用するセンサの感度帯域、プリアンプに内蔵

ゲインより低めに設定する場合もある。

する周波数フィルタを考慮する必要がある。

図 11

Step3

図 12

AE データ取得条件—

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AE-Ch 設定—

図 13

DDT、Rearm Time、および Cascade Hit の概念間で除した値は平均周波数となる。

6. AE パラメータ⑥ エネルギー（Energy）

AE データは、AE 波形の特徴を数値データとAE 計測では、AE 波の積分値をエネルギーして抽出したものであることは前述したが、そのと称する。破壊の規模に応じ発生する AE 波の（3）

代表的なものを図 14、および以下に示す 。

エネルギーも変化を示す傾向はあるが、AE におけるエネルギーは、あくまでセンサに到達し① Hit 数AE 信 号 の 数、 図 13 に 示 す 一 塊 の AE 波 をた信号から算出されるものであり、破壊の程度

1Hit と数える。単位時間当たりの Hit 数は AEなどを評価する場合には、AE 発生源からセン

活動度の目安となる。

サまでの伝播過程における減衰などを考慮しな② 最大振幅値（Maximum Amplitude）

ければならない。

AE 波の最大振幅値（電圧）を dB 表示したも

なお、図 14 に示すようにエネルギーを求めのである。AE 計測では、AE 波の強度はリファ

る計算式は幾つかあり（E または SS）データ

レンス電圧（Vref）を 1mV としたセンサ出力電の比較に注意を要する。

圧との比として、dB=20log (V/Vref) で示される。
例えば、センサ出力が 100mV の場合は 40dB、1mV の場合は 60dB となる。
③ 立ち上がり時間（Rise Time）
AE 波がしきい値を超えてから最大振幅値に到達するまでの時間。AE 波の突発性の目安となり材料の破壊形態を示す指標の一つ。
④ カウント数（Counts）
AE 信号がしきい値を超える回数。

図 14⑤ 波形持続時間（Duration）

代表的な AE パラメータ

AE 波が持続する時間。カウント数を持続時
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7. まとめ

参考文献

本稿では、当社が AE 事業を始めた経緯、AE（1） 一般社団法人日本非破壊検査協会：アコース

事象（AE とは何か）、AE 計測原理と計測系の概念、

ティック・エミッション試験Ⅰ、pp.5-6、2006

取り扱 う AE 装 置 の 機 能、AE 計 測 条 件 の 設 定、

（2） 一般社団法人日本非破壊検査協会：アコース

代表的な AE パラメータについて説明した。AE

ティック・エミッション試験Ⅱ、pp.129-134、

計測では、データを採取した後、データに含まれ2008

るノイズと有意信号を分別し、信頼性の高い試験（3） 一般社団法人日本非破壊検査協会：アコース

結果を導くことが重要となる。これらデータ採取

ティック・エミッション試験Ⅰ、pp.14-19、2008

後の解析に要する基礎項目については次号以降に述べることとする。
なお、AE 事業を開始した経緯については 1 章に述べたが、これは今後世代交代が進む中で、当時の記憶が薄れてゆくことを憂い冒頭に記したものである。タンク AE 計測に関するプロジェクトの開始から Vallen 社との代理店契約の締結、そして現在に至るまで、当社の AE 事業導入および発展に荒川敬弘フェローの多大なご尽力があったことをここに記す。

検査事業部部長
博士（工学）中村 英之
TEL. 045-791-3523
FAX. 045-791-3547—

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