JP2010071884A - レーザ超音波法による材料中の縦波と横波の音速の計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ超音波検出装置における被検査体のレーザ光照射によるダメージを軽減し、縦波及び横波の音速を計測する。
【解決手段】被検査体に超音波発生用パルスレーザ光を線状照射して超音波を発生させる超音波発生用レーザ光源１１と、被検査体に超音波検出用レーザ光を照射して超音波を検出する超音波検出用レーザ光源１２と、超音波発生用パルスレーザ光を回折させて、被検査体の表面に回折光を照射する回折格子１４と、回折光の照射により発生した超音波を周波数解析することで、非対称波板波の周波数を算出する非対称波周波数算出部６１と、超音波発生用パルスレーザ光の線状照射により発生した超音波を周波数解析することで、縦波音速を算出する縦波音速算出部６２と、非対象波板波の周波数、及び、縦波音速に対応する横波音速を算出する横波音速算出部６３と、を備えるレーザ超音波検出装置１０ｃを提供する。
【選択図】図８

Description

本発明は、レーザを被検査材に照射して発生する超音波を検出するレーザ超音波測定装置及びその方法に関し、特に、被検査体の表面にダメージを軽減して縦波及び横波の音速を計測するレーザ超音波測定装置及びその方法に関する。

レーザ超音波法は、被検査材に対しパルスレーザ光を照射し、発生する熱的応力、あるいは表面近傍の被検査材自体の気化により発生する気化反力を利用して超音波を送信し、連続発振する別のレーザ光を受信点に照射し、その直進性や可干渉性を用いて超音波によって誘起される変位を受信して被検査材中を伝播した超音波を検出する技術である。
レーザ超音波法は、超音波を用いて材料のき裂や内在欠陥の検出、あるいは材料特性の評価を、非接触で行うことが可能であり、種々の材料評価分野への応用が期待されている。

図９を用いて、レーザ超音波法の原理について説明する。
高いエネルギーのパルスレーザである超音波発生用レーザを、例えば被検査材である鋼材表面に照射するとその衝撃で金属表面に生じる熱膨張及び収縮により、歪みが発生する。そして発生した歪みが超音波として鋼材内部を伝播する。次に超音波検出用の単一周波数の連続レーザ光を金属表面に照射すると、その反射光は、伝播した超音波による表面の振動に応じた周波数の変化（ドップラーシフト）を受ける。以下に、ドップラーシフト量（Δｆ）を示す式を示す。
Δｆ＝２Ｖ／λ
ここで、Ｖ＝表面変位速度、λ＝レーザ波長

レーザ超音波法を用いた計測器は、ファブリペロー干渉計等のレーザ干渉計を備えている。ファブリペロー干渉計は、特定周波数のみを共振させて透過させるフィルターとして動作する。例えば、鋼材内部に欠陥部がある場合、表面振動が通常の鋼材と異なるため、ドップラーシフト量は、通常の鋼材と異なる値を示す。そのため、ファブリペロー干渉計を透過する透過光料が変化し、検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を行うことができる。

レーザ超音波法では、レーザ光が届く範囲であれば、検査対象に何も接触させずに検査対象の状態を観測できる。レーザ光は、光ファイバーやミラーを用いることで、接触や近接が困難な被検査材に対しても比較的容易に超音波検査を行うことができる。

図１０を用いて、レーザ光照射による超音波の発生原理について説明する。（ａ）は、レーザ光を被検査体に照射して被検査体の一部を蒸発させる現象であるアブレーションにより、超音波を発生させるケースであり、（ｂ）は、レーザ光を被検査体に照射して被検査体に熱弾性変化を生じさせて、超音波を発生させるケースである。

アブレーション発生ケースでは、蒸発反力により弾性波を発生させるため、材料に照射痕が発生する。一方、熱弾性ケースでは、レーザによる急速加熱による熱膨張・収縮に伴う弾性波発生を発生させるが、材料に照射痕は生じない。熱弾性ケースは材料にダメージを与えないが、アブレーション条件に比べ熱弾性ケースではフルーエンスレベルは２桁近く低いため、発生する超音波音圧はそれ以上の割合で減少してしまう。

従来のレーザ超音波法は、対象材にダメージを与えて超音波を発生させるアブレーション領域で使用する方法である。この方法は、発生超音波の強度が強く、超音波の縦波や横波の音速を検出する。また、検出した縦波や横波の音速を活用し、相変態率を計測に活用する方法（下記、非特許文献１及び２）や、ポアソン比を計測する方法（下記、非特許文献３）が提案されている。

Ｍ． Ｄｕｂｏｉｓ， Ａ． Ｍｏｒｅａｕ， Ｍ． Ｍｉｌｉｔｚｅｒ， ａｎｄ Ｊ． Ｆ． Ｂｕｓｓｉｅｒｅ， "Ｌａｓｅｒ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｐｈａｓｅ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｔｅｅｌｓ"， Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ， Ｖｏｌ． ３９， Ｎｏ． ６， ｐ．７３５−７４１， １９９８ Ｍ． Ｅｒｉｃｓｓｏｎ， Ｅ．Ｌｉｎｄｈ−Ｕｌｍｇｒｅｎ， Ｄ． Ａｒｔｙｍｏｗｉｃｚ ａｎｄ Ｂ． Ｈｕｔｃｈｉｓｏｎ， "’Ｌａｓｅｒ−ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ （ＬＵＳ） ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ"． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｐｏｒｔ ＩＭ−２００３−１１３， Ｓｗｅｄｉｓｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ ｍｅｔａｌｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２００３ Ｂ． Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ， Ｂ． Ｍｏｓｓ， Ａ． Ｓｍｉｔｈ， Ａ． Ａｓｔｉｌｌ， Ｃ． Ｓｃｒｕｂｙ， Ｇ． Ｅｎｇｂｅｒｇ， ａｎｄ Ｊ． Ｂｊｏｒｋｌｕｎｄ， "Ｏｎｌｉｎｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｈｏｔ ｓｔｒｉｐ ｍｉｌｌ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ"， Ｉｒｏｎｍａｋｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ， Ｖｏｌ． ２９， Ｎｏ． １， ｐ．７７−８０， ２００２ Ｊ．Ｄ．Ａｃｈｅｎｂａｃｈ， "Ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｏｌｉｄｓ"， Ａｍｓｔｅｒｄａｍ， Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ， １９７３ J. Huang, Y. Nagata, S. Krishnaswamy, and J. D. Achenbach, "Laser-based ultrasonics for flaw detection", Proc. of IEEE Ultrasonics Symp., p1205-1209, 1994

被検査体の表面にダメージを与えずに超音波を発生させる熱弾性領域においては、超音波の発生伝播方向により縦波と横波の大きさが異なり、超音波伝播の指向性を有するので、縦波及び横波の音速を計測することが困難である。そのため、従来提案されている方法では、縦波及び横波音速の計測にアブレーション領域が利用されており、被検査体に与えるダメージが大きい。

上述の問題点に鑑み、本発明は、対象材の表面に与えるダメージを軽減し、縦波及び横波の音速を計測するレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため提供される本発明のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法は、下記に記載のとおりである。
本発明のレーザ超音波測定装置は、被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、上記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、上記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置であって、上記パルスレーザ光を断面形状が線状のビームに変換した後に、上記被検査体上に回折格子で複数の線状スポットの干渉縞を生成して照射する第１の照射光学系と、上記パルスレーザ光を上記被検査体上に単一の線状のスポットに集光・照射する第２の照射光学系と、上記第１の照射光学系により生成した複数の線状スポットにより発生され、被検査体内を該線状スポットの配列方向に伝播した板波超音波、及び上記単一の線状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した縦波超音波それぞれを別々に検出するために、上記連続波レーザ光を被検査体上の所定の検査点に集光・照射し、そのレーザ反射光を上記干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、上記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出部と、上記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の音速を導出する信号処理部とを具備し、上記信号処理部は、上記第１の照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして非対称波板波の周波数を算出する非対称波板波周波数算出部と、上記第２の照射光学系により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして縦波音速を算出する縦波音速算出部と、上記非対称波板波の周波数、及び、上記縦波音速に基づき、所定の式を用いて横波音速を算出する横波音速算出部と、を備えることを特徴とする。

又、上記のレーザ超音波測定装置において、非対称波板波周波数算出部は、上記第１の照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をしてＡ０非対称波板波モードの周波数を導出し、該Ａ０非対称波板波モードの周波数と上記複数の線状スポットのピッチとからＡ０非対称板波モードの位相速度を算出するものであり、上記縦波音速算出部は、上記第２の照射光学系により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして上記被検査体の板厚方向の超音波の共振周波数を導出し、該共振周波数と被検査体の板厚とから縦波音速を算出するものであり、上記横波音速算出部は、上記Ａ０非対称波板波モードの周波数及び位相速度、並びに、上記縦波超音波の共振周波数及び縦波音速を用いて、所定の超音波伝播の理論式に基づき繰り返し演算を実施して横波音速を導出することを特徴とする。

本発明のレーザ超音波測定方法は、被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、上記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、上記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置を用いたレーザ超音波測定方法であって、上記パルスレーザ光を断面形状が線状のビームに変換した後に、上記被検査体上に回折格子で複数の線状スポットの干渉縞を生成して照射する第１のレーザ光照射工程と、上記パルスレーザ光を上記被検査体上に単一の線状のスポットに集光・照射する第２のレーザ光照射工程と、上記第１のレーザ光照射工程により生成した複数の線状スポットにより発生され、被検査体内を該線状スポットの配列方向に伝播した板波超音波、及び上記単一の線状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した縦波超音波それぞれを別々に検出するために、上記連続波レーザ光を被検査体上の所定の検査点に集光・照射し、そのレーザ反射光を上記干渉計に入射させて干渉させる超音波検出工程と、上記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出工程と、上記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の音速を導出する信号処理工程とを具備し、上記信号処理工程は、上記第１のレーザ光照射工程により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして非対称波板波の周波数を算出する非対称波板波周波数算出工程と、上記第２のレーザ光照射工程により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして縦波音速を算出する縦波音速算出工程と、上記非対称波板波の周波数、及び、上記縦波音速に基づき、所定の式を用いて横波音速を算出する横波音速算出工程と、を備えることを特徴とする。

又、上記のレーザ超音波測定方法において、非対称波板波周波数算出工程は、上記第１のレーザ光照射工程により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をしてＡ０非対称波板波モードの周波数を導出し、該Ａ０非対称波板波モードの周波数と上記複数の線状スポットのピッチとからＡ０非対称板波モードの位相速度を算出し、上記縦波音速算出工程は、上記第２のレーザ光照射工程により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして上記被検査体の板厚方向の超音波の共振周波数を導出し、該共振周波数と被検査体の板厚とから縦波音速を算出し、上記横波音速算出工程は、上記Ａ０非対称波板波モードの周波数及び位相速度、並びに、上記縦波超音波の共振周波数及び縦波音速を用いて、所定の超音波伝播の理論式に基づき繰り返し演算して横波音速を導出することを特徴とする。

上記のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法は、被検査材の表面へのダメージを軽減するレーザパルスエネルギ密度の低いレーザ光により、縦波及び横波の音速測定を高精度に行うことができる。そのため、被検査体は、熱弾性変化領域でのレーザ使用により損傷を軽減できる。その結果、より精度の高い検査材のき裂や欠陥の検査又は材料評価を非破壊、非接触で行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明のレーザ超音波測定装置及びレーザ超音波測定方法を実施するための形態を説明する。

上記非特許文献４に記載される板波の理論では、板波には、それぞれが複数のモードを有する対称波板波と、非対称波板波がある。
ここで板波とは超音波探傷等の超音波利用分野で周知の超音波伝播現象であって、縦波と横波とが一体となって伝搬することで板全体を振動させるように見える波である。非対称板波とは、非対称の波形を有する板波であり、対称板波板波とは対称波の波形を有する板波である（なお、対称波板波及び非対称波板波と、それらを構成する縦波及び横波との関係は、後述する図３及び数式１〜３によって示される）。
本実施形態においては、非対称波板波測定及び縦波音速測定毎に適したレーザ超音波測定装置を用いることで、板波の縦波音速及び横波音速を検出する。

＜非対称波板波検出用のレーザ超音波測定装置の第１の構成配置＞
図１（ａ）は、本実施の形態におけるレーザ超音波測定装置の第１の構成配置１０ａの概略構成を示す図である。レーザ超音波測定装置の第１の構成配置１０ａは、非対称波板波の超音波を被検査体５に発生させて、当該非対称波板波の検出を目的とするものである。
図１（ｂ）は、被検査体５の上から見た平面図である。（ａ）に示すように、超音波発生用レーザ光源１１は、被検査体５に超音波を発生させるためのレーザで、所定の繰り返し周期でパルスレーザ光を発射する。超音波発生用レーザ光源１１から発せられたパルスレーザ光は、シリンドリカルレンズ４３で断面形状が線状のビーム（線状光）に変換されたのち、回折格子１４にて回折され、被検査体５に複数の線状スポットとして照射される。シリンドリカルレンズ４３と回折格子により第１の照射光学系が構成される。
回折格子１４は、例えば透明なガラスに細い線状パターンが多数平行に設けられたもので、これに照射されたレーザビームは、それぞれの線状パターンによって回折して、被検査体５の表面上で複数の線状スポットからなる干渉縞が形成され、その複数の線状スポットにより被検査体５の表面が加熱されて板波超音波（以下では板波とも記す）Ｗとして超音波が発生する。

発生した板波Ｗの波長λは、干渉縞のピッチｐと等しい。板波Ｗは、被検査体５を被検査体５の面内方向で干渉縞の線状スポットの向きと直交する方向に、すなわち複数の線状スポットの配列方向に伝播して検出点６に到達すると、超音波検出用レーザ光源１２から連続波レーザ光として発射している検出用レーザ光を光学系（図示せず）により当該検出点６に集光・照射すると、検出点６を通過する板波Ｗの振動によって検出用レーザ光の波長にドップラーシフトが生じる。このように検出点６は、複数の線状スポットの配列方向に、当該スポットから予め設定した距離の位置に設置する。そして、ドップラーシフトが生じた検出用レーザのレーザ反射光は、光学系（図示せず）によりファブリペロー干渉計等のレーザ干渉計１２に導かれ、当該レーザ干渉計１２の中で干渉させられる。このとき、レーザ干渉計１２の共振条件は検出用レーザの反射光の共振条件から若干ずらしておく。一時的にドップラーシフトされた検出用レーザ反射光を、レーザ干渉計１２を透過させると、透過したレーザ光においては、ドップラーシフトによる波長変化が光強度の変化に変換される。以上の超音波検出用レーザ光源１２から出射した検出用レーザ光を検出点６へ照射し、被検査体５からのレーザ反射光をレーザ干渉計１２へ導き入射させる光学系、及びレーザ干渉計１２とから検出光学系が構成される。

そして、透過レーザ光を当該レーザ光の波長に良好な感度を有する公知の光検出器で構成する光検出部（図示せず）で検知して電気信号に変換することにより、板波Ｗによる振動波形（以下では板波の波形とも記す）を電気信号（電圧波形）として検出することができる。このようなレーザ超音波法における超音波検出については例えば上記非特許文献５に記載されている。信号処理部６０は、その電気信号を以下で説明するような信号処理することで、所望の測定情報を導出することができる。

信号処理部６０は、検出した板波Ｗの波形の電気信号をＡ／Ｄ変換器でディジタル信号として取り込んだ後、例えば周波数解析としてＦＦＴを用いてフーリエ変換して各周波数成分の大きさの分布を導出する。当該分布においてピークの周波数を求めて、被検査体に発生した非対称波板波の周波数を検出する。こうして検出した周波数と、干渉縞のピッチｐから決められる波長λとにより、板波の板波速度ｃを算出する。

図２（ａ）は、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置により検出した板波の電圧信号の時間変化の波形の例を示す図である。この例における測定条件は以下の通りであって、超音波発生用のレーザ光は、被検査体の著しい融解又は蒸発が発生しない、アブレーションと熱弾性の中間領域での超音波の発生に十分な強度とした。
被検査体５：厚さ（ｄ）０．５ｍｍ×長さ（ｌ）５０ｍｍ×幅（ｗ）５０ｍｍ、被検査体の材質（鋼種、ＳＳ４００）
超音波発生用レーザ光源：ＹＡＧレーザ（最大パルスエネルギ４５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ（ＮＤフィルタで減衰）、パルス幅、１０ｎｓ
レーザパルスエネルギ密度：２．５ｍＪ／ｍｍ２（アブレーションと熱弾性の中間領域）
干渉縞：ピッチｐ１．０ｍｍ、干渉縞の数：５本
発生点（干渉縞３本目）から検出点６の距離：１５ｍｍ
検出点６から被検査体エッジの距離１０ｍｍ
図２（ａ）に図示した板波を検知した電気信号の波形の領域７１に板波によるピークが現れる。図２（ａ）の板波の電圧信号の波形は、アナログ信号をＡ／Ｄ変換してディジタル信号化してコンピュータに取り込んでディスプレー画面上に表示した図である。この検出された板波の波長は、干渉縞のピッチと同じ１．０ｍｍである。また、領域７２には、当該測定で用いた被検査体５の形状より、被検査体５のエッジから反射した板波の反射波である。

図２（ｂ）は、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置により検出した板波の電圧信号の周波数成分の分布（周波数スペクトル）を示す図である。信号処理部６０で図２（ａ）に示した時間波形をＦＦＴ演算を用いてフーリエ変換することで、時間波形を構成する周波数スペクトルを算出することができる。図２（ｂ）の領域７３にピークとして現れていることから、２．５ＭＨｚの板波の周波数を検出することができる。以上の図２（ａ）、（ｂ）の結果より、波長λ＝１．０ｍｍで、周波数ｆが２．５ＭＨｚであるため、板波速度は、波長λ×周波数ｆ＝２．５ｍｍ／μｓ、すなわち２．５×１０³ｍ／ｓｅｃである。
このように、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置１０ａを用いて、板波の周波数並びに板波速度を検出することができる。なお、後述するように、当該周波数及び板波速度は、非対称波板波の周波数及び板波速度である。

＜対称波板波と非対称波板波の説明＞
図３を用いて、対称波板波及び非対称波板波の複数のモードの分散関係の計算値の一例を、横軸を周波数×被検査体の厚さ、縦軸を板波速度として示す。ここでは、図３に示す板波モードの分散関係を用いて、図２の装置で検出した板波が非対称波板波であることを示す。
上記非特許文献４には、板波を構成する縦波音速及び横波音速を計算するための計算式が記載されている。上記非特許文献４では、非対称波モードの板波Ａｎ（ｎは整数）は、下記に示す数式１によって、「速度」と「振動数×厚さ」の関係で示され、対称波モードの板波Ｓｎ（ｎは整数）は、下記に示す数式２によって「速度」と「振動数×厚さ」の関係で示される。なお、以下では非対称波（対称波）板波モードを単に非対称波（対称波）板波とも記す。
さらに、上記非特許文献４では、板波の縦波音速と横波音速によって決まるポアソン比νを数式３のように示している。

ここで、ＶＬは縦波音速、ＶＳは横波音速を示す。また、ξ＝２π／λを示す。
図３に示す実線は各板波のモードの位相速度、破線は各板波のモードの群速度を示し、各板波のモードにおける実線及び波線は、数式１及び２を解くことによって求められる。

図２を用いて説明したレーザ超音波測定装置の実施例においては、被検査体５の厚さｄ＝０．５ｍｍ、検出波形の波長λ＝１．０ｍｍ、周波数ｆ＝２．５ＭＨｚ、板波速度ｃ＝２．５ｍｍ/μｓである。また、ｃ＝λｆ＝（λ／ｄ）×（ｆｄ）であり、λ／ｄ＝２．０であるので、検出波形は、ｃ＝２．０ｆｄという関係を有する。
そこで、ｃ＝２．０ｆｄを鎖線７４として図３上に示す。鎖線７４（λ／ｄ＝２．０は）は、非対称波板波（Ａｎ）のうち実線で示されるＡ０モードと交わる。
一方、図２（ｂ）の矢印７３で示すスペクトルの周波数は、２．５ＭＨｚである。上記実施例では、被検査体５の厚さｄ＝０．５ｍｍであるため、図３にこの検出スペクトルの板波周波数を直線７５で示す。この直線７５と、鎖線７４との交点７６は、Ａ０モードの関係線上近傍にあることから、図２で示した板波は、Ａ０モードの非対称波板波であることがわかる。
しかしながら、直線７５と鎖線７４との交点７６は、対称波板波モードＳｎ上には無い。そのため、上記実施例では、対称波板波が検出できないことがわかる。
このように、上記非特許文献４に記載の板波の理論では、発生が推認される対称波板波は、上記実施例に係るレーザ超音波測定装置では検出できない。

このように、レーザ超音波測定装置の上記実施例により、非対称波板波Ａ０の位相速度ｃは判明する。しかし、上記実施例による検出結果だけでは、検出値が不足しているため、数式１における縦波音速ＶＳ及び横波音速ＶＬを算出することはできない。したがって、上記レーザ超音波測定装置１０ａで検出した非対称波板波の周波数並びに位相速度だけでは、縦波音速ＶＳ及び横波音速ＶＬを算出することはできない。

＜縦波音速検出用のレーザ超音波測定装置の第２の構成配置＞
図４（ａ）は、本実施の形態におけるレーザ超音波測定装置の第２の構成配置１０ｂの概略構成を、被検査体５の側面から見た図である。レーザ超音波測定装置の第２の構成配置１０ｂは、縦波の超音波を被検査体５に発生させて、当該縦波を検出するための配置であって、縦波の音速の測定を目的とするものである。図４（ｂ）は、被検査体５を上から見た平面図である。図４（ａ）に示すように、レーザ超音波測定装置の第２の構成配置１０ｂは、上記レーザ超音波測定装置の第１の構成配置１０ａにおける回折格子１４を除き、その他の光学形についてはほぼ同じ構成を有する。ただし、レーザ超音波測定装置の第２の構成配置１０ｂは、シリンドリカルレンズ４４で超音波発生用のレーザ光を断面形状が線状である単一の線状ビーム（線状光）に変換し、検出点６の近傍に線状スポットとして照射する。このように、シリンドリカルレンズ４４により第２の照射光学系を構成する。なお、図示しないが、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置１０ａの超音波発生用のレーザ光の光路において、回折格子１４をバイパスするように移動又は脱着可能なミラーを設けることで、レーザ超音波測定装置１０ａの第１の構成配置と第２の構成配置とを共用することが可能である。

図５は、レーザ超音波測定装置の第２の構成配置１０ｂにより、被検査体５の板厚方向に超音波縦波を発生させ、被検査体５の底面で反射して再び上面に戻った超音波を検出したときの、電気信号の波形を示す図である。当該測定例における測定条件は以下の通りである。
被検査体５：厚さ（ｄ）０．５ｍｍ×長さ（ｌ）５０ｍｍ×幅（ｗ）５０ｍｍ、被検査体（鋼種、ＳＳ４００）、物性値縦波音速＝５，８２０ｍ／ｓ
超音波発生用レーザ光源：ＹＡＧレーザ（最大パルスエネルギ４５０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ（ＮＤフィルタで減衰）、パルス幅、１０ｎｓ
レーザパルスエネルギ密度：２．０ｍＪ／ｍｍ２（熱弾性領域）
線状ビームサイズ：１ｍｍ×０．５ｍｍ
検出レーザビームスポット：直径１ｍｍ

図５（ａ）は、線状スポットのパルスレーザ光を照射したときに検出した電気信号の時間波形を示し、 図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す時間波形をＦＦＴによりフーリエ変換した周波数成分の分布波形を示す。
図５（ｂ）に示すように、線状パルスレーザ光の照射により、５．８２ＭＨｚに周波数スペクトルのピーク７５を検出することができる。

検出したスペクトル５．８２ＭＨｚは、被検査体５の高さ方向に共振する周波数（すなわち共振周波数）であり、その共振波の波長λは、被検査体５の厚さをｄとして２ｄとなる。このとき、共振波の音速は、ＣＬ＝λ×ｆであるから、ＣＬ＝２ｄ×ｆ＝２×０．５ｍｍ×５．８２ＭＨｚ＝５，８２０ｍ／ｓとなる。
算出した５，８２０ｍ／ｓは、被検査体５の物性値として、別の公知の超音波測定法による縦波音速の値と一致する。この結果より、周波数スペクトルのピーク７５は、共振波によるピークであることがわかる。

以上より、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置１０ａにより板波の測定から、非対称波板波の位相速度ｃを検出することができる。また、レーザ超音波測定装置の第２の構成配置１０ｂにより縦波の測定から、縦波音速ＶＬが検出することができる。これらの測定した数値を用いて上記数式１において、横波音速ＶＳ及び以外の全ての変数の数値を検出により特定することができる。数式１を数値解析により解いて、以下で説明するように横波音速ＶＳを算出することが可能になる。

＜横波音速ＶＳの数値解析例＞
図６を用いて、横波音速ＶＳの数値解析例を示す。
図６は、非対称波板波の数式１を用いて算出したＡ０モード波の周波数と位相速度の関係をシミュレーションした結果を示す。シミュレーションしたケースは以下の４通りである。
ケース１（実線）：ＶＬ＝５２００ｍ／ｓ、ν＝０．２９
ケース２（鎖線）：ＶＬ＝５０００ｍ／ｓ、ν＝０．２９
ケース３（一転鎖線）：ＶＬ＝４８００ｍ／ｓ、ν＝０．２９
ケース４（点線）：ＶＬ＝５０００ｍ／ｓ、ν＝０．３２４
図示されるように、横波音速を操作変数として数式１から縦波音速の計算値を求め、計算値と縦波速度ＶＬの検出値５，８２０ｍ／ｓとの誤差を最小化するように再度横波音速を修正していくことで、横波音速を求めることができる。
このように、縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳの数値解析例として、予め理論値にしたがう縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳ毎の複数ケースを用意しておき、各ケースから求まるＡ０モードの板波速度と、検出した縦波音速と数値解析の変数とする横波音速による板波速度との誤差が一定値未満になるケースを特定することで、横波音速を特定することができる。

図７は、横波音速の算出処理を示すフロー図である。
最初に、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置１０ａで、信号処理部６０は、検出光から得た時間波形を周波数解析（例えばＦＦＴ）によりフーリエ変換して、板波Ａ０モードの板波周波数Ａ０−ｆ（ｒ）（ＭＨｚ）、並びに、周波数から板波Ａ０モードの板波位相速度Ａ０−ｖ（ｒ）（ｍ／ｓ）を算出する（ステップＳ１０１）。

レーザ超音波測定装置の第２の構成配置１０ｂで、信号処理部６０は、検出光から得た時間波形を周波数解析（例えばＦＦＴ）によりフーリエ変換して、共振周波数を求める。この共振周波数を用いて、計測前又は計測後入力される被検査体５の厚みｄ（ｍｍ）を用いて、被検査体５の板厚方向縦波音速ＶＬ（ｍ／ｓ）を算出する（ステップＳ１０２）。
信号処理部６０には、入力パラメータとして、算出した周波数Ａ０−ｆ（ＭＨｚ）、位相速度Ａ０−ｖ（ｍ／ｓ）、周波数Ｓ１−ｆ（ＭＨｚ）が入力される（ステップＳ１０３）。
さらに、信号処理部６０には、任意の計算パラメータとして、横波音速ＶＳの計算開始速度、終了速度、計算ステップ（ΔＶＳ）が入力される（ステップＳ１０４）。

信号処理部６０は、ステップＳ１０２で算出した縦波音速ＶＬ及び数式１に示す理論式にしたがって、計算パラメータによって決まる横波音速ＶＳから算出されるＡ０モードの板波周波数Ａ０−ｆ（ｐ）（ＭＨｚ）と板波位相速度Ａ０−ｖ（ｐ）（ｍ／ｓ）を算出する（ステップＳ１０５）。
次に、計算パラメータを用いて理論式によりもとまった板波周波数Ａ０−ｆ（ｐ）（ＭＨｚ）と板波位相速度Ａ０−ｖ（ｐ）（ｍ／ｓ）と、ステップＳ１０１及びＳ１０２で算出された板波周波数Ａ０−ｆ（ｒ）（ＭＨｚ）と板波位相速度Ａ０−ｖ（ｒ）（ｍ／ｓ）との誤差をそれぞれ計算する（ステップＳ１０６）。
誤差が、規定の閾値以内に無い場合（ステップＳ１０７）は、計算ステップ（ΔＶＳ）分、横波音速ＶＳをそれぞれ増加させて（ステップＳ１０８）、再度ステップＳ１０５及びＳ１０６を繰り返す。
誤差が、規定の閾値以内にある場合（ステップＳ１０７）は、そのときの横波音速ＶＳを解析値と設定して、計算を終了する。

図８は、本発明に係るレーザ超音波測定装置１０ｃの一例の全体図である。
超音波発生用レーザ光源１１は、被検査体５に超音波を発生させるために、高出力のパルスレーザ光ＥＬを、ミラー３１ａ、３１ｂを介して被検査体５に照射する。パルスレーザ光ＥＬは、シリンドリカルレンズ４３で断面形状が線状のビーム（線状ビーム）にしたのち、回折格子１４により回折され、被検査体５に複数の線状スポットとして照射される。

またパルスレーザ光ＥＬは、ミラー駆動部１５によりミラー３１ｂを退避させることで、パルスレーザ光ＥＬをシリンドリカルレンズ４４で線状ビームにしたのち、ミラー３１ｃを介して、被検査体５に単一の線状スポットとして照射する。

被検査体５のパルスレーザ光ＥＬが照射される部分は、熱膨張しその後収縮することにより歪みが発生し、被検査体５に超音波が伝搬する。前者の複数の線状スポットにより発生する超音波は、板状の被検査材が板波として伝播する。

超音波検出用レーザ光源１２からは、連続波レーザ光ＤＬが、レンズ４２、ミラー４１ａ、４１ｂを介して、図１（ａ）や図４（ｂ）に示したような、パルスレーザ光ＥＬにより線状スポットと所定の位置関係にある被検査体５の検出部６に照射される。
連続波レーザ光ＤＬは、被検査体５上の計測点に照射される。被検査体５からのレーザ光ＤＬのレーザ反射光ＲＬの周波数は、表面振動によりドップラーシフトを受ける。超音波検出用レーザ光源１２としては、レーザ反射光ＲＬは、ミラー４１ｃ、４１ｄを介して、レンズ４３により収束され、ＦＰ干渉計１３に入射する。

ＦＰ干渉計１３は、入射したレーザ光を、ミラー１３ａと１３ｂとの間で往復させて干渉（共振）させ、後ろ側のミラー１３ｂで一部の光量を透過させる。ＦＰ干渉計１３を透過するレーザ光のスペクトルは、極狭い波長域に急峻なピークと両側のスロープとで構成される。前記ミラー１３ａと１３ｂとの間隔をレーザ光の波長の共振条件から若干ずらしておき、レーザ光の波長が当該スロープの波長域に位置するように設定しておく。このとき、レーザ反射光のドップラーシフトは、ＦＰ干渉計１３を透過する際に光強度変化に変換される。そして、ＦＰ干渉計１３を透過した光は、アバランシェホトダイオード等からなる高速応答可能な光検出器２０に入射する。光検出器２０では、透過光の光強度は電気信号Ｓ１に変換されて信号処理部６０に入力する。

信号処理部６０では、非対称波板波周波数算出部６１は、図９のステップＳ１０１で説明した処理を実行することができる。縦波音速算出部６２は、図９のステップＳ１０２で説明した処理を実行することができる。横波音速算出部６３は、図９のステップＳ１０３〜Ｓ１０８で説明した処理を実行することができる。
信号処理部６０は、プロセッサから構成され、且つ上記した算出部６１〜６３は、プロセッサが、図示されないメモリに格納されたプログラムを実行することにより実装しても良い。上記算出部の算出結果は、表示装置１９に出力できる。

制御部５０は、信号処理部６０の指示を受けて、レーザ超音波測定装置１０ａからレーザ超音波測定装置１０ｂへの形態変更又はその逆の形態変更を行うために、ミラー駆動部１５を制御する。また、発振制御部１８を制御して、超音波発生用レーザ光源１１のレーザ照射タイミングを制御することができる。制御部５０は、電子回路等で実装できる。

上記したように、本実施形態に係るレーザ超音波測定装置及びその方法は、被検査材の表面へのダメージを軽減するレーザパルスエネルギ密度の低いレーザ光により、縦波及び横波の音速測定を、非破壊、非接触、さらに高精度に行うことができる。そのため、被検査体は、熱弾性変化領域でのレーザ使用により損傷を軽減できる。
また、本発明は、このように弱いパルスレーザの使用にのみ限定されるものではなく、アブレーションと熱弾性変化領域の共存領域、アブレーション領域であっても適用可能である。

図１は、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置の概要を説明する図である。 図２は、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置により検出した非対称波板波を示す図である。 図３は、対称波板波及び非対称波板波の複数のモードの分散関係を説明するための図である。 図４は、レーザ超音波測定装置の第２の構成配置の概要を説明する図である。 図５は、レーザ超音波測定装置の第２の構成配置により検出した波形を示す図である。 図６は、非対称波板波式を用いて算出したＡ０モード波の周波数と位相速度の関係を示す図である。 図７は、横波音速の算出処理を示すフロー図である。 図８は、本発明に係るレーザ超音波測定装置の全体図である。 図９は、レーザ超音波法の測定原理について説明する図である。 図１０は、レーザ光照射による超音波の二種類の発生原理を説明するための図である。

符号の説明

５ 被検査体
６ 検出点
１０ａ レーザ超音波測定装置
１０ｂ レーザ超音波測定装置
１０ｃ レーザ超音波測定装置
１１ 超音波発生用レーザ光源
１２ 超音波検出用レーザ光源
１３ ファブリペロー干渉計
１５ ミラー駆動部
１８ 発振制御部
１９ 表示装置
２０ 光検出器
５０ 制御部
６０ 信号処理部
６１ 非対称波板波周波数算出部
６２ 縦波音速算出部
６３ 横波音速算出部

Claims (4)

1. 被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置であって、
   前記パルスレーザ光を断面形状が線状のビームに変換した後に、前記被検査体上に回折格子で複数の線状スポットの干渉縞を生成して照射する第１の照射光学系と、
   前記パルスレーザ光を前記被検査体上に単一の線状のスポットに集光・照射する第２の照射光学系と、
   前記第１の照射光学系により生成した複数の線状スポットにより発生され、被検査体内を該線状スポットの配列方向に伝播した板波超音波、及び前記単一の線状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した縦波超音波それぞれを別々に検出するために、前記連続波レーザ光を被検査体上の所定の検査点に集光・照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる検出光学系と、
   前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出部と、
   前記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の音速を導出する信号処理部とを具備し、
   前記信号処理部は、
   前記第１の照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして非対称波板波の周波数を算出する非対称波板波周波数算出部と、
   前記第２の照射光学系により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして縦波音速を算出する縦波音速算出部と、
   前記非対称波板波の周波数、及び、前記縦波音速に基づき、所定の式を用いて横波音速を算出する横波音速算出部と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定装置。
2. 前記非対称波板波周波数算出部は、前記第１の照射光学系により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をしてＡ０非対称波板波モードの周波数を導出し、該Ａ０非対称波板波モードの周波数と前記複数の線状スポットのピッチとからＡ０非対称板波モードの位相速度を算出するものであり、
   前記縦波音速算出部は、前記第２の照射光学系により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして前記被検査体の板厚方向の超音波の共振周波数を導出し、該共振周波数と被検査体の板厚とから縦波音速を算出するものであり、
   前記横波音速算出部は、前記Ａ０非対称波板波モードの周波数及び位相速度、並びに、前記縦波超音波の共振周波数及び縦波音速を用いて、所定の超音波伝播の理論式に基づき繰り返し演算を実施して横波音速を導出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ超音波測定装置。
3. 被検査体に超音波発生用レーザ光源によりパルスレーザ光を照射して超音波を発生させ、超音波検出用レーザ光源により連続波レーザ光を該被検査体に照射してそのレーザ反射光を干渉計で干渉させて、前記超音波によるドップラーシフトによる光強度変化を検知して、前記被検査体内を伝播した超音波を検出するレーザ超音波測定装置を用いたレーザ超音波測定方法であって、
   前記パルスレーザ光を断面形状が線状のビームに変換した後に、前記被検査体上に回折格子で複数の線状スポットの干渉縞を生成して照射する第１のレーザ光照射工程と、
   前記パルスレーザ光を前記被検査体上に単一の線状のスポットに集光・照射する第２のレーザ光照射工程と、
   前記第１のレーザ光照射工程により生成した複数の線状スポットにより発生され、被検査体内を該線状スポットの配列方向に伝播した板波超音波、及び前記単一の線状スポットにより発生し被検査体の厚さ方向に伝播した縦波超音波それぞれを別々に検出するために、前記連続波レーザ光を被検査体上の所定の検査点に集光・照射し、そのレーザ反射光を前記干渉計に入射させて干渉させる超音波検出工程と、
   前記干渉計を透過したレーザ光を受光して光強度変化を電気信号として出力する光検出工程と、
   前記光検出部から出力された電気信号が入力されて、被検査体の音速を導出する信号処理工程とを具備し、
   前記信号処理工程は、
   前記第１のレーザ光照射工程により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして非対称波板波の周波数を算出する非対称波板波周波数算出工程と、
   前記第２のレーザ光照射工程により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして縦波音速を算出する縦波音速算出工程と、
   前記非対称波板波の周波数、及び、前記縦波音速に基づき、所定の式を用いて横波音速を算出する横波音速算出工程と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定方法。
4. 前記非対称波板波周波数算出工程は、前記第１のレーザ光照射工程により発生した板波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をしてＡ０非対称波板波モードの周波数を導出し、該Ａ０非対称波板波モードの周波数と前記複数の線状スポットのピッチとからＡ０非対称板波モードの位相速度を算出し、
   前記縦波音速算出工程は、前記第２のレーザ光照射工程により発生した縦波超音波による光強度変化の電気信号に基づき、周波数解析をして前記被検査体の板厚方向の超音波の共振周波数を導出し、該共振周波数と被検査体の板厚とから縦波音速を算出し、
   前記横波音速算出工程は、前記Ａ０非対称波板波モードの周波数及び位相速度、並びに、前記縦波超音波の共振周波数及び縦波音速を用いて、所定の超音波伝播の理論式に基づき繰り返し演算して横波音速を導出することを特徴とする請求項３に記載のレーザ超音波測定方法。

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