JP2015090281A - 超音波測定方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に、本実施の形態における超音波測定方法を実施するための概略構成を示す。はじめに、本超音波測定方法の概要について説明する。送信用の超音波センサ1より発振した超音波2は空気中を伝播し、被測定物3の表面に貼付されたシート101を介して被測定物3に入射する。その後、被測定物3の内部を透過した超音波2は被測定物3の裏面に貼付されたシート102を介して空気中へ出射し、空気を介して受信用の超音波センサ4に入射する。そして、超音波センサ4で受信した被測定物3からの超音波2の波形を解析することで被測定物3の内部測定が実施される。
一方、図1に示すような本実施の形態においては、空気→シート101→被測定物3→シート102→空気の順に超音波が伝播する。この本実施の形態における透過率Texe1は、数2で表される。
被測定物3を銅とし、シート101とシート102をシス型ブタジエンゴムとすると、各音響インピーダンスは、Z1=408Ns/m、Z2=4.49×107Ns/m、Z3=1.5×106Ns/mである。この時、従来例における透過率Tconv.は、数1より、Tconv.=3.63×10−5となる。そして、図1の本実施の形態における透過率Texe1は、Texe1=1.36×10−4となる。よって、従来例における透過率Tconv.に対する本実施の形態における透過率Texe1の比率(Texe1/Tconv.)は、Texe1/Tconv.=3.74となる。従って、本実施の形態の超音波測定方法によれば、受信できる超音波の感度(超音波の透過率)が3.74倍に向上することがわかる。
ここで、Vsはシート101およびシート102の縦波の音速、foは超音波センサ1および超音波センサ4の中心周波数を示す。数3を満たすように各構成を設定することで、シート101、シート102、被測定物3および空気の各境界面での反射が最小になり、超音波2の透過率を最大化できる。本実施の形態では、縦波の音速Vs=1590m/sのシート101およびシート102、中心周波数fo=800kHの超音波センサ1および4を採用しているため、数3よりシート101およびシート102の厚みを0.5mmに設定している。
この時の透過率Texe2は、数4よりTexe2=7.03×10−5となり、従来例における透過率Tconv.に対する比率(Texe2/Tconv.)は、Texe2/Tconv.=1.93となる。すなわち、片側のみにシートを貼付する場合でも超音波の透過率が1.93倍に向上する。この場合、被測定物3の主面のうち受信用の超音波センサ4側の面にのみシート102を貼付する方が効果的である。シート102の大きさを測定に必要なサイズに設定することにより、測定に不要な経路を伝播した超音波2の影響を相対的に小さくでき、S/N比を向上できるためである。より詳細には、超音波2は内部で散乱して測定対象でない部位での反射波(ノイズ)も含んで被測定物3から空気中へ出射されるが、このノイズの影響を、シート102で軽減できるためである。なお、シート101を設けない場合、例えば、送信用の超音波センサ1の代わりに被測定物3の表面に直接超音波を導入するパルスレーザを用いても良い。
図6に、実施の形態2における超音波測定方法の概略構成を示す。実施の形態1との違いは、被測定物3の受信用の超音波センサ4側に貼付したシート601の表面に曲面からなる凹部が設けられている点である。図7(a)(b)は超音波2が被測定物3からシートを介して空気中に伝播する状態を模式的に示したものである。図7(a)は実施の形態1における超音波伝播の模式図であり、図7(b)は実施の形態2における超音波伝播の模式図である。図7(a)に示すようにシート102の表面が平面である場合は、シート102から出射した超音波2は放射状に広がる。測定条件の制限でシート102と受信用の超音波センサ4の距離が離れると、受信用の超音波センサ4の受信面より超音波2の広がりが大きくなり効率が低下する。一方、図7(b)に示すようにシート601の表面に曲面状の凹部が設けられている場合は、シート102から出射した超音波2は受信用の超音波センサ4の受信面に向かって集束されるため、超音波2を効率よく受信することが可能となる。
図8に、実施の形態3における超音波測定方法の概略構成を示す。実施の形態1との違いは、シート801およびシート802とが多層構造であることである。ここでは、シート801とシート802とを共に2層構造とする。シート801の被測定物3側に位置する層を第1層801a、空中側に位置する層を第2層801bとする。また、シート802の被測定物3側に位置する層を第1層802a、空中側に位置する層を第2層802bとする。この場合、各構成の音響インピーダンスは、空気<第2層801b(802b)<第1層801a(802a)<被測定物3の関係を満たすように設定する必要がある。各構成の音響インピーダンスをこのように設定する理由を以下に説明する。
数5より、上記のように、各構成の音響インピーダンスを設定することで、超音波2の透過率を向上できる。具体的には、第1層801a(802a)、第2層801b(802b)の音響インピーダンスを、それぞれ、1.5×106Ns/m、9×105Ns/mに設定すると、本実施の形態における透過率Texe4は、数5よりTexe4=2.13×10−4となり、従来例における透過率Tconv.に対する本実施の形態における透過率Texe4の比率(Texe4/Tconv.)は、Texe4/Tconv.=5.85となる。このように、本実施の形態によれば、従来例と比較して約5.85倍の透過率の向上が期待でき、受信できる超音波の感度をさらに向上させることが可能となる。
2 超音波
3 被測定物
4 超音波センサ
101、102 シート
301 測定装置
302、303 シート貼付機構
304、305 シート剥離機構
306 搬送手段
307 シート供給手段
308 シート回収手段
309 架台
501 超音波センサ
502 シート
503 空隙欠陥
601 シート
801、802 シート
Claims (10)
- 空中を伝播する超音波を用いて被測定物の内部を測定する超音波測定方法であって、
音響インピーダンスが空気より大きくかつ前記被測定物未満であるシートを前記被測定物に貼付する工程と、
前記シートを貼付した前記被測定物の内部をセンサを用いて測定する工程と、を備える超音波測定方法。 - 前記被測定物の内部を測定した後に、前記シートを前記被測定物から剥離する工程を更に備える請求項1の超音波測定方法。
- 前記シートの縦波の音速をVs、前記センサの中心周波数をfo、前記シートの厚みをtとしたとき、t=Vs/(4×fo)を満たす、請求項1又は2の超音波測定方法。
- 前記シートは曲面からなる凹部を有し、前記被測定物の内部を測定する工程において、前記曲面の曲率中心に前記センサを配置して超音波を受信する、請求項1〜3のいずれかの超音波測定方法。
- 前記シートは第1層と該第1層よりも音響インピーダンスの小さい第2層とを含み、
前記第1層が前記被測定物側に位置し、前記第2層が前記空中側に位置するように前記シートを貼付する、請求項1〜4のいずれかの超音波測定方法。 - 空中を伝播する超音波を用いて被測定物の内部を測定する超音波測定装置であって、
音響インピーダンスが空気より大きくかつ前記被測定物未満であるシートと、
前記シートを前記被測定物に貼付する貼付機構と、
前記シートの添付された前記被測定物の内部を測定するセンサと、を備える超音波測定装置。 - 前記シートを前記被測定物から剥離する剥離機構を更に備える請求項6の超音波測定装置。
- 前記シートの縦波の音速をVs、前記センサの中心周波数をfo、前記シートの厚みをtとしたとき、t=Vs/(4×fo)を満たす、請求項6又は7の超音波測定装置。
- 前記シートは、曲面からなる凹部を有し、
前記センサは、前記曲面の曲率中心で超音波を受信する、請求項6〜8のいずれかの超音波測定装置。 - 前記シートは第1層と該第1層よりも音響インピーダンスの小さい第2層とを含み、
前記貼付機構は、前記第1層が前記被測定物側に位置し、前記第2層が前記空中側に位置するように前記シートを貼付する、
請求項6〜9のいずれかの超音波測定装置。
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