JP4617540B2

JP4617540B2 - 超音波特性測定方法、音響異方性測定方法及び音響異方性測定装置

Info

Publication number: JP4617540B2
Application number: JP2000204452A
Authority: JP
Inventors: 達也橋本; 幸理飯塚
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: JP2002022711A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属薄板における超音波の共振周波数や音速（超音波特性）を測定する方法、および圧延方向とそれに直角な方向（幅方向）における超音波音速の比で決定される音響異方性を測定する方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
比較的低温の仕上げ圧延温度で圧延された鋼板には、通常、材質異方性が存在する。この材質異方性は、とりわけ、鋼材の圧延方向（以下Ｌ方向という。）と、圧延方向と直交する方向（板幅方向：以下Ｃ方向という）とにおいてその差が著しい。これは、仕上げ圧延後における鋼材においてＬ、Ｃ方向に顕著な差を持つフェライト組織、所謂集合組織が発達していることによる。
【０００３】
このような、材質異方性の発生を防止するためには、仕上げ圧延時において異方性の程度を検出し、これと相関関係を有する鋼材の仕上げ圧延温度を詳細に制御すればよい。異方性の程度を判別する方法の一つとして、音響異方性を測定する方法が特開昭６２−２２３６６５号公報に開示されている。この発明によれば、Ｌ方向に偏波した横波パルスとＣ方向に偏波した横波パルスを板厚方向に伝播させ、それぞれの往復伝播時間差から音響異方性を算出している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記発明の方法は、パルス波を鋼板の板厚方向に伝播させ、その反射エコーの繰返しから伝播時間を算出しているので、板厚が薄くなると、繰り返し反射される反射エコー同士が重畳してしまい、伝播時間が測定できなくなる問題を有する。そこで、電磁超音波共振法による測定方法が提案された。
【０００５】
この方法は、特開平７−２８６９９５号公報に開示された方法に代表されるように、電磁超音波センサーから発生する超音波が、特定の周波数で被検査体の厚み共振を起こすことにより極大になる性質を利用して、共振周波数を求めるものである。すなわち、共振周波数ｆ_rが次式(１)で表現されることを利用して音速を求めることが可能になる。
f_r = n・v/(2d) …(1)
ここで、ｎは正の整数、ｖは音速、ｄは板厚である。
【０００６】
このような電磁超音波共振法は、パルスの伝播時間測定を利用するものとは異なり、板厚が薄くても音速が測定できるので、金属薄板の異方性測定も可能である。しかしながら、共振周波数を決定するためには、非常に長い時間幅のバースト波もしくは連続波による送受信とこれと同時に行なう周波数掃引作業が必要となるため、測定時間が非常に長くなってしまうという問題が発生する。
【０００７】
この問題は、送信波の送信時間が短くできないことに起因している。すなわち、送信波の送信時間Δtは、周波数分解能Δfで決定され、Δt ≫ 1/Δf とする必要がある。例えば、幅が１msのバースト波で100kHz毎に０〜10MHzに亘って掃引をすると、送信時間だけで100msも要してしまう。通常、金属薄板の製造ラインでは、１秒間に１〜５ｍのラインスピードがあるので、測定に100msを要するようでは使いものにならない。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、金属薄板における超音波共振周波数や超音波音速、及び音響異方性を精度良く、かつ短時間で測定できる方法及び装置を提案することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、金属薄板の板厚方向に伝播する超音波の特性を測定する方法であって、送信パルス波として、パルス幅内で高次を含む複数の共振周波数群が生成される所定周波数帯域に亘って周波数変調され、変調周波数として被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす周波数を含む波形を用い、送信後に得られる受信波形を周波数解析し、該周波数解析したスペクトルから前記複数の共振周波数群を求め、該共振周波数群の中から音速を確定できる共振周波数を選択し、該選択した共振周波数をもとに材料の音速を測定することを特徴とする超音波特性測定方法（請求項１）である。
【００１０】
本手段においては、広帯域のパルス波を被検査体に送信し、受信波のスペクトルをＦＦＴ等の周波数解析で求めて、共振周波数を決定する手法を採用している。ここで、送信波を単にインパルス波とすることも考えられるが、インパルス波だと一つのパルスに全周波数を含むことから、それぞれの周波数成分の強度は低くなってしまう。そこで本発明では、パルス幅内で所定周波数帯域に亘って周波数変調され、変調周波数として被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす周波数を含む波形を用いることにしている。
【００１１】
もちろん、実際に被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす周波数は未知数であるので、測定前に正確に決定することは不可能である。ここで、「被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす変調周波数」というのは、被測定体である金属薄板において予想される音速の範囲を仮定し、その範囲において板厚共振を起こす変調周波数のことをいい、ある帯域範囲を有する変調周波数のことである。すなわち、送信波形は、この少なくともこの帯域範囲に亘って周波数変調されたものが用いられる。
【００１２】
すなわち、送信波形は、以下の(2)式で表されるようなものになる。
S(t) = δ(t)・A{ω(t)}・sin{ω(t)・t} …(2)
ここで、ｔは時間、δ(t)は、０≦ｔ≦Ｗ（Ｗはパルス幅）で１、それ以外で０となる関数であり、ω(ｔ)は周波数で時間の関数である。つまり、パルス幅Ｗのパルスの中に含まれるsin波波形が、時間と共に周波数ωを変化させ（変調周波数というのはこのωのことである）、かつ、そのときの振幅A{ω(t)}もωによって変化している。
【００１３】
このような送信波を金属薄板に向けて送信し、その受信波のスペクトルを求めれば、実際に共振を起こしている周波数（上記ωに対応）でスペクトルのピークが現れるので、共振周波数を求めることができる。そして、板厚は予め分かっているので、(1)式より超音波の音速を求めることができる。
【００１４】
本手段においては、１回の送受信で測定が完了するので、電磁超音波を利用する場合でも、従来の電磁超音波共振法に比較して圧倒的に短時間で共振周波数や音速を求めることができ、かつ従来の電磁超音波共振法と同等の感度を有するようにすることができる。
【００１５】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、送信パルス波が、チャープパルス波であることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１６】
前記第１の手段において、送信波としてチャープパルス波を用いれば、高感度で、かつ周波数強度の分布も平坦な送信波を得ることができる。例えば、電圧振幅±１kV、パルス幅0.1μｓのインパルス波に含まれる各周波数成分の強度に比較して、電圧振幅±１kV、パルス幅５μｓ、0〜10MHzのチャープパルス波に含まれる各周波数成分の強度が大きいことは、勿論、容易に理解できることである。よって、本手段においては、高感度でかつ正確に共振周波数と音速を求めることができる。
【００１７】
本手段においては、前記(2)式で、A{ω(t)}を一定したものに相当し、典型的には、さらに、
ω(t) = B・t + C
としたものに相当する。ただし、Ｂ、Ｃは定数である。
【００１８】
前記課題を解決する第３の手段は、金属薄板圧延方向と垂直な方向（Ｃ方向）に偏波した横波の音速と、圧延方向（Ｌ方向）に偏波した横波の音速との比である音響異方性を測定する方法であって、前記第１の手段又は第２の手段の方法を用いて、Ｃ方向に偏波した横波の共振周波数群と、Ｌ方向に偏波した横波の共振周波数群とをもとに、音速を確定できる共振周波数を求め、求められた共振周波数をもとに材料の音速を求め、これらの比から音響異方性を測定することを特徴とする音響異方性測定方法（請求項３）である。
【００１９】
音響異方性は、以下の(3)式で与えられる。
音響異方性 = V_C/V_L= f_rc/f_rL …(3)
ここで、Ｖ_CはＣ方向偏波横波の音速、Ｖ_LはＬ方向偏波横波の音速、ｆ_rCはＣ方向偏波横波の共振周波数、ｆ_rLはＬ方向偏波横波の共振周波数である。本手段においては、これらＶ_C、Ｖ_L又はｆ_rC、ｆ_rLを求めるのに前記第１の手段又は第２の手段を使用している。よって、迅速にかつ高精度で音響異方性を求めることができる。
【００２０】
前記課題を解決するための第４の手段は、パルス幅内で高次を含む複数の共振周波数群が生成される所定周波数帯域に亘って周波数変調され、変調周波数として被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす周波数を含む波形の信号を発生する信号発生器と、信号発生器からの信号波形に対応する波形を有する横波超音波であって、偏波面が９０°異なる２種類の超音波を発生可能でかつ受信可能な探触子と、受信した超音波信号を周波数解析してスペクトルを求める周波数解析手段と、求められたスペクトル内の複数の共振周波数群から音速を確定できる共振周波数を求め、求められた共振周波数をもとに材料の音速を求め、それらから音響異方性を算出する音響異方性算出手段とを有してなることを特徴とする音響異方性測定装置（請求項４）である。
【００２１】
本手段においては、信号発生器から、パルス幅内で所定周波数帯域に亘って周波数変調され、変調周波数として被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす周波数を含む波形の信号を発生させ、必要に応じて増幅してから超音波探触子に印加する。超音波探触子は、この信号に対応する超音波、すなわち信号波形をほぼ忠実に再現した波形の超音波を発生し、被測定体である金属薄板に入射させる。超音波探触子は、偏波面が９０°異なる２種類の超音波を発生することができるようになっているので、Ｃ方向偏波横波とＬ方向偏波横波を同時に、又は切り替えて発生させるようにする。このような超音波探触子としては、Ｃ方向偏波横波を送受信できる探触子と、Ｌ方向偏波横波を送受信できる探触子を１つの筐体に収納したようなものでもよい。
【００２２】
周波数解析手段は、受信された波形の周波数解析を行ない、受信波形のスペクトルを求める。音響異方性算出手段は、求められたスペクトルから共振周波数又は音速を求め、Ｃ方向偏波横波とＬ方向偏波横波の共振周波数又は音速の関係より、(3)式を用いて音響異方性を測定する。
【００２３】
本手段においては、Ｃ方向偏波横波とＬ方向偏波横波の共振周波数又は音速を求めるのに、前記第１の手段の方法を使用しているので、迅速にかつ高精度で音響異方性を求めることができる。
【００２４】
前記課題を解決する第５の手段は、前記第４の手段であって、信号発生器が発生する送信波が、チャープパルス波であることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００２５】
本手段においては、送信波としてチャープパルス波を用いているので、前記第２の手段の説明で述べたごとく、高感度でかつ正確に共振周波数と音速を求めることができる。
【００２６】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第４の手段又は第５の手段であって、前記探触子が、電磁超音波探触子であることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００２７】
本手段においては、探触子として電磁超音波探触子を用いているので、非接触で金属薄板の音響異方性を測定することができ、オンラインで測定を行って、その結果を製造ラインに迅速にフィードバックすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態の１例である音響異方性測定装置の概略構成を示すものであり、１は被検査体、２は超音波、３は任意波形発生手段、４は電圧増幅器、５はダイプレクサー、６は電磁超音波センサー、７は前置増幅器、８はＡ／Ｄ変換器、９は周波数解析手段、１０は異方性算出手段、１１は表示部である。
【００２９】
本実施の形態において、被検査体１は異方性を有する厚さ1.6mmの熱延鋼板である。まず、任意波形発生手段３は、図２に示すようなパルス幅8μｓ、周波数帯域０〜10MHzのチャープパルス波形を発生し、電圧増幅器４に送信する。ここでは、任意波形発生手段３の発生する波形として、周波数全域に渡ってフラットな強度のチャープパルス波形を用いているが、少なくとも被検査体の共振周波数を含む周波数帯域を、変調周波数帯域とするものであればどのようなものでもよく、センサ等の周波数特性を補うような特性を有する周波数変調をかけてもよい（これは、センサ等の周波数特性と前記(2)式におけるA{ω(t)}との積を一定にすることにより実現できる。）。
【００３０】
被検査体の共振周波数としては、予め行った実験の結果から予想される範囲の音速と概略の板厚を(1)式に代入して求め、求まった範囲の周波数が変調周波数帯域に含まれるようにすればよい。パルス幅は測定時間が許されるならどれくらいの長さでもよい。
【００３１】
電圧増幅器４は、送信されてきたチャープパルス波を電圧振幅±1.2kVに増幅しダイプレクサー５に送信する。ここで、電圧増幅器４の増幅度は、電磁超音波センサー６の耐圧内ならいくら増幅してもよい。
【００３２】
ダイプレクサー５は、電圧増幅器４からの送信波を電磁超音波センサー６に送り、送信が終わると同時に、電磁超音波センサー６で受信される波形を、Ａ／Ｄ変換器８に送る。
【００３３】
電磁超音波センサー６は、Ｌ方向偏波の横波、及び、Ｃ方向偏波の横波を発生するように作られたものであり、ダイプレクサー５から送信波形が到達したらば、所定の偏波の横波を発生する。
【００３４】
ここで、異方性の測定には、Ｌ方向偏波の横波の測定とＣ方向偏波の横波の測定が必要なので、電磁超音波センサー６は、一方の偏波の測定が終わると同時に偏波方向90ー変えることが可能なものにしてある。もちろん、それぞれの偏波方向の電磁超音波センサーとその他の測定機器を２つ用意しておいて、同時に両偏波の測定を行なってもよいし、一つのセンサーでＬ、Ｃ方向両偏波の横波を出せるようにしておいてもよい。
【００３５】
電磁超音波センサー６にて被検査体への超音波送信が終わると、Ａ／Ｄ変換器８には、ダイプレクサー５経由で、受信波形が送られてくるので、被検査体２の超音波伝播波形（Ａスコープ）が得られる。
【００３６】
図４（ａ）および図５（ａ）は、それぞれ、Ｃ方向偏波の横波によるＡスコープとＬ方向偏波の横波によるＡスコープである。また、図３（ａ）は、Ｌ方向偏波、Ｃ方向偏波の両方の横波を送信した時のＡスコープである。
【００３７】
周波数解析手段９は、Ａ／Ｄ変換器８で得られたＡスコープを周期解析しスペクトルを得る。図４（ｂ）、図５（ｂ）および図３（ｂ）は、それぞれ、図４（ａ）、図５（ａ）及び図３（ａ）のＡスコープをＦＦＴして求めたスペクトルである。
【００３８】
図４（ｂ）のスペクトルはＣ方向偏波の横波、図５（ｂ）のスペクトルはＬ方向偏波の横波、図３（ｂ）のスペクトルは、Ｃ方向、Ｌ方向両偏波横波の板厚共振ピークを含むものである。異方性算出手段１０は、このスペクトルからスペクトルのピークを検出し、共振周波数を決定し、その比から音響異方性を(3)式に従って算出し、表示部１１にその結果を送る。
【００３９】
異方性算出手段１０の動作を詳しく説明する。まず、理解しやすくするために、Ｃ方向偏波の横波とＬ方向偏波の横波による測定を別々に行った場合について説明する。図４（ｂ）および図５（ｂ）のスペクトルピークは、(1)式の共振周波数に対応するものであり、低い周波数のピークからn＝1、2.3、…を(1)式に代入すると、ｎ番目の共振周波数と板厚と音速の関係を満たす。
【００４０】
異方性算出手段１０は、図４（ｂ）および図５（ｂ）のｎ番目の共振周波数を検出し、(3)式より異方性を算出している。ここで、ｎは何でもよい。また、隣り合う共振周波数の差は、１番目の共振周波数と等しいので、それぞれの偏波の測定を行なう場合は、隣り合う共振周波数の差を求めて、異方性を算出することもできる。
【００４１】
図３（ｂ）に示すように、一つのスペクトルにＣ方向、Ｌ方向両偏波横波の信号が両方入っている場合は、一般にＣ方向偏波の横波の共振周波数がＬ方向偏波の横波の共振周波数より低いことに着目して両者を区別する。たとえばｎ＝１として、最も低い周波数帯域にある２つのピークを求め、そのうち低い周波数をにＣ方向偏波の横波の共振周波数、高い方をＬ方向偏波の横波の共振周波数とする。ｎ＝１として、両者のピークが明確に切り分けれられない場合は、そのピーク値の周波数の２倍近くの周波数にある周波数ピークに注目して、ｎ＝２として同じことを行えばよい。このようにして、ピークの区別ができるようになるまでｎを順次増やしていけば両者を区別することができるようになる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のうち請求項１に係る発明においては、１回の送受信で測定が完了するので、従来の方法に比較して圧倒的に短時間で共振周波数や音速を求めることができ、かつ共振法を利用しているので、被検査体の厚さが薄い場合でも測定が可能である。
請求項２に係る発明においは、送信波形にチャープ波を用いているので、高感度でかつ正確に共振周波数と音速を求めることができる。
【００４３】
請求項３に係る発明においては、音響異方性の測定にあたって、請求項１又は請求項２に記載の方法で共振周波数や音速を求めているので、迅速にかつ高精度で音響異方性を求めることができる。また、被検査体の厚さが薄い場合でも測定が可能である。
【００４４】
請求項４に係る発明においては、Ｃ方向偏波横波とＬ方向偏波横波の共振周波数又は音速を求めるのに、前記第１の手段の方法を使用しているので、迅速にかつ高精度で音響異方性を求めることができる。
請求項５に係る発明においては、送信波としてチャープパルス波を用いているので、高感度でかつ正確に共振周波数と音速を求めることができる。
【００４５】
請求項６に係る発明においては、探触子として電磁超音波探触子を用いているので、非接触で金属薄板の音響異方性を測定することができ、オンラインで測定を行って、その結果を製造ラインに迅速にフィードバックすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である音響異方性測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】送信波形として用いられるチャープ波の例を示す図である。
【図３】Ｃ方向偏波の横波とＬ方向偏波の横波を同時に送受信した場合の受信波形のＡスコープ（ａ）と、そのスペクトル（ｂ）を示す図である。
【図４】Ｃ方向偏波の横波を送受信したときのＡスコープ（ａ）と、そのスペクトル（ｂ）を示す図である。
【図５】Ｌ方向偏波の横波を送受信したときのＡスコープ（ａ）と、そのスペクトル（ｂ）を示す図である。
【符号の説明】
１…被検査体
２…超音波
３…任意波形発生手段
４…電圧増幅器
５…ダイプレクサー
６…電磁超音波センサー
７…前置増幅器
８…Ａ／Ｄ変換器
９…周波数解析手段
１０…異方性算出手段
１１…表示部

Claims

金属薄板の板厚方向に伝播する超音波の特性を測定する方法であって、送信パルス波として、パルス幅内で高次を含む複数の共振周波数群が生成される所定周波数帯域に亘って周波数変調され、変調周波数として被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす周波数を含む波形を用い、送信後に得られる受信波形を周波数解析し、該周波数解析したスペクトルから前記複数の共振周波数群を求め、該共振周波数群の中から音速を確定できる共振周波数を選択し、該選択した共振周波数をもとに材料の音速を測定することを特徴とする超音波特性測定方法。
請求項１に記載の超音波特性測定方法であって、送信パルス波が、チャープパルス波であることを特徴とする超音波特性測定方法。
金属薄板圧延方向と垂直な方向（Ｃ方向）に偏波した横波の音速と、圧延方向（Ｌ方向）に偏波した横波の音速との比である音響異方性を測定する方法であって、請求項１又は請求項２に記載の超音波特性測定方法を用いて、Ｃ方向に偏波した横波の共振周波数群と、Ｌ方向に偏波した横波の共振周波数群とをもとに、音速を確定できる共振周波数を求め、求められた共振周波数をもとに材料の音速を求め、これらの比から音響異方性を測定することを特徴とする音響異方性測定方法。
パルス幅内で高次を含む複数の共振周波数群が生成される所定周波数帯域に亘って周波数変調され、変調周波数として被測定体である金属薄板において板厚共振を起こす周波数を含む波形の信号を発生する信号発生器と、信号発生器からの信号波形に対応する波形を有する横波超音波であって、偏波面が９０°異なる２種類の超音波を発生可能でかつ受信可能な探触子と、受信した超音波信号を周波数解析してスペクトルを求める周波数解析手段と、求められたスペクトル内の複数の共振周波数群から音速を確定できる共振周波数を求め、求められた共振周波数をもとに材料の音速を求め、それらから音響異方性を算出する音響異方性算出手段とを有してなることを特徴とする音響異方性測定装置。
請求項４に記載の音響異方性測定装置であって、信号発生器が発生する送信波が、チャープパルス波であることを特徴とする音響異方性測定装置。
請求項４又は請求項５に記載の音響異方性測定装置であって、前記探触子が、電磁超音波探触子であることを特徴とする音響異方性測定装置。