計測自動制御学会東北支部 第 296 回研究集会(2015.7.24)
資料番号 296-2

き裂を有する固体中の超音波伝搬の可視化に関する一検討
A Method for Visualization of Ultrasonic Propagation in Solids with Crack○保坂 儒人*，今野 和彦*○Yoshito Hosaka*，Kazuhiko Imano**

秋田大学 大学院工学資源学研究科*

Graduate School of Engineering and Resource Science，Akita University

キーワード：ストロボ光弾性法(Strobe Photoelastic Method)，可視化(Visualization)
超音波音場(Ultrasonic Sound Field)，差分画像(Subtraction Image)
連絡先：〒010-8502 秋田市手形学園町 1-1 秋田大学 大学院工学資源学研究科 電気電子工学専攻
今野和彦，Tel：018-889-2490，Fax：018-837-0406，E-mail：imanoken@ee.akita-u.ac.jp

1. はじめにである．近年は解析を行うソルバが市販されて構造物の非破壊検査には固体を伝搬可能なおり，自らソルバを作成することなく比較的容超音波が利用されている．これは構造物内部に易に解析および可視化が可能である．しかし，超音波を送波し，音響特性インピーダンスの不この数値的手法ではモデル設定において，伝搬連続部分からの反射波を受波し，反射波の波形媒質内部の減衰定数などのパラメータを実験や周波数成分などから構造物が健全であるかと完全に同一とすることは難しい．また，媒質を評価する手法であり，パルスエコー法と呼ば内部や振動源－媒質境界の非線形性などを考れている．しかし，固体中における超音波送波慮して解析を行うことが不可能な場合がある．

時の超音波の伝搬挙動は完全には明らかにな

従って，このような手法で得られる可視化結果っていない．特に，き裂やボイドなどが発生しは実際のものとは異なる可能性が十分に考えている部分では波の反射や回折などの現象がられる．この方法とは異なり，実験的に可視化現れるため，非破壊検査の詳細な解釈や精度向を行う方法があり，代表的なものにストロボ光上のためには超音波伝搬の可視化が必要であ

弾性法がある．これは静的な内部応力解析に用る．

いられる光弾性法 1)と同様にガラスなどの光を超音波伝搬の可視化を行う方法の一つに数透過する物体において超音波送波時に生じる値的な方法がある．これは想定するモデルを計応力による複屈折を観測する方法である．光源

算機上で設定し，有限要素法や有限差分時間領にはストロボ光を使用し媒質への音波の送波域法などにより応力や振動変位などに関するのタイミングを合わせることで，超音波伝搬の微分方程式の数値解を求め可視化をする方法

時間推移を動的に観測可能である．実際に存在
1

する固体に超音波を送波し可視化を行うモデ

スト正弦波，6.25 Vpp の電圧信号を出力し，バル実験であり，音波の伝搬挙動を正確に把握す

イポーラ増幅器(NF HSA4101)で 20 倍に増幅しることができる．また，き裂やボイドなどの欠て圧電振動子に入力する．トリガ信号は 100 Hz

陥を作成し可視化を行うことで，欠陥部で発生の信号を出力し，発振器の外部トリガ入力端子する現象の観測も可能である．と遅延装置(菅原研究所 FG-310)に接続し，発振

本報告ではき裂が入ったガラスに MHz 領域器とストロボ光源(菅原研究所 NP-1A)を繰りの超音波を送波し，この伝搬挙動をストロボ光返し周期 10 ms で同期する．観測結果は CMOS

弾性法により観測した．

カメラ(Artray ARTCAM-200CMV-USB3)で取得する．遅延装置の設定時間を変化させることで，バースト波が出力されてからストロボ光が発2．実験方法
Fig.1 に 可 視 化 実 験 系 を 示 す ． 発 振 器

光するまでの遅延時間を変化させることがで(KEYSIGHT 33600A)から周波数 4 MHz のバーきるため，超音波伝搬の時間的な推移を観測でExternal Trig-in
Function Generator
CH2 Sync

CH1

Trigger Signal

Delay Unit

Bipolar Amplifier
PinholePlane
MirrorStrobe Driver
LinearPolarizer

LinearPolarizer
Concave
MirrorObserved Object

Plane
MirrorConcave
MirrorCMOS Camera

ComputerFig.1 ストロボ光弾性実験系(a) 超音波画像(b) 背景画像
Fig.2 観測によって得られる画像の例
2(c) 差分画像

きる．

測した結果を，Fig.4(b)および(c)に波数 30 で超CMOS カメラにより得られる超音波が伝搬音波伝搬を観測した結果を示す．また Fig.5 にしている画像(超音波画像)は Fig.2(a)に示すよ

波数を 1 として Fig.4 と同様に時間的推移を観

うに圧電振動子を比較的低い電圧で駆動しているためコントラストが低い．このため，超音ClackPiezoelectric transducer

波画像と，Fig.2(b)に示すように超音波を伝搬させずに背景のみを撮影した画像(背景画像)を複50 mm数枚撮影し，それぞれを加算してストロボ光源による輝度の揺らぎを低減させる．次に，超音波画像と背景画像の差分 2)・正規化を行うこと
で Fig.2(c)に示すような超音波波面のコントラ3．結果と検討

1940 mmmm

ストが高い画像を取得することができる．

100 mm

Fig.3 に示すき裂の入ったガラスにおいてFig.3 観測に使用したガラス

Fig.4(a)に静的な内部応力を鋭敏色法により観Red

Crack

Crack

Crack

Blue

(a) Sensitive tint image(c) ΔT=8.0 μs(b) ΔT=4.1 μs
Fig.4 観測結果(波数 30)

Crack(a) ΔT=2.0 μs

Crack

Crack

(b) ΔT=4.0 μs

Fig.5 観測結果(波数 1)3(c) ΔT=6.0 μs

測した結果を示す．Fig.4(a)ではき裂先端部の応4．おわりに力が非常に大きくなり，上下左右で色が異なる

本報告では，き裂を有するガラス中に超音波ので応力の方向が異なっていることが分かる．

を伝搬させ，時間的推移を観測した．この結果，また，Fig.4 と Fig.5 共に遅延時間 ΔT の変化にき裂先端の静的な応力方向が異なる部分におより超音波伝搬の時間推移を観測できている

いて，位相が異なる超音波の波面が観測された．

ことが分かる．Fig4(b)および(c)において，き裂また，低い音圧に対応する波面は特にき裂の応先端の超音波の波面の位相が変化しているこ

力による複屈折の影響を受けるということがとが分かる．これらを Fig.4(a)と対応付けると，分かった．

静的な応力の方向が異なる部分でこの変化が今後の課題としてき裂部分で発生する高調発生しており，複屈折による通常光と異常光の波の観測などが挙げられる．

位相差が上下左右方向で異なるためであると考えられる．また，Fig.5(a)と(c)を比較すると，≪参考文献≫

き裂通過後は音圧の低い部分がき裂の応力の1)

影響を大きく受け，波面の幅が変化しているこ

607-608, (2013).とが分かる．

2)

梅 崎 栄 作 , 精 密 工 学 会 誌 , Vol.79, No.7,
大内啓之他, 電子情報通信学会技術研究報

告, 104 (142), 9-12, (2004)

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