JP5058109B2

JP5058109B2 - Method and apparatus for measuring longitudinal and transverse sound velocities in materials by laser ultrasonic method

Info

Publication number: JP5058109B2
Application number: JP2008241558A
Authority: JP
Inventors: 泰昭永田; 直也浜田; 裕久山田; 昇平橋口; チュンスリン; キジャンオー; フンチューパク; ミュンクーカン; ヒョンジンフー
Original assignee: Nippon Steel Corp; Posco Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Posco Holdings Inc
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP2010071888A

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。 The present invention relates to a laser ultrasonic measurement apparatus and method for detecting ultrasonic waves generated by irradiating a material to be inspected with a laser, and in particular, to reduce damage to the surface of an object to be inspected and to increase the speed of sound of longitudinal and transverse waves. The present invention relates to a laser ultrasonic measurement apparatus and method for measuring.

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。 The laser ultrasonic method irradiates a material to be inspected with pulsed laser light, and transmits ultrasonic waves using the generated thermal stress or the vaporization reaction force generated by the vaporization of the material to be inspected in the vicinity of the surface, This technology irradiates the receiving point with another laser beam that oscillates continuously, receives the displacement induced by the ultrasonic wave using its straightness and coherence, and detects the ultrasonic wave that has propagated through the material to be inspected. .
The laser ultrasonic method is capable of non-contact detection of material cracks and internal defects or evaluation of material properties using ultrasonic waves, and is expected to be applied in various material evaluation fields. Yes.

図１１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 The principle of the laser ultrasonic method will be described with reference to FIG.
When a laser for generating ultrasonic waves, which is a high-energy pulse laser, is irradiated onto the surface of a steel material, for example, a material to be inspected, distortion occurs due to thermal expansion and contraction that occurs on the metal surface due to the impact. The generated distortion propagates inside the steel as ultrasonic waves. Next, when the metal surface is irradiated with a continuous laser beam having a single frequency for ultrasonic detection, the reflected light undergoes a frequency change (Doppler shift) corresponding to the vibration of the surface due to the propagated ultrasonic wave. The following shows an expression indicating the Doppler shift amount (Δf).
Δf = 2V / λ
Where V = surface displacement speed, λ = laser wavelength

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。 A measuring instrument using the laser ultrasonic method includes a laser interferometer such as a Fabry-Perot interferometer. The Fabry-Perot interferometer operates as a filter that resonates and transmits only a specific frequency. For example, when there is a defective portion inside the steel material, the surface vibration is different from that of a normal steel material, so the Doppler shift amount shows a value different from that of the normal steel material. Therefore, the transmitted light material that passes through the Fabry-Perot interferometer is changed, so that the inspection material can be inspected for cracks and defects, or can be evaluated.

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。 In the laser ultrasonic method, the state of the inspection object can be observed without bringing anything into contact with the inspection object as long as the laser beam reaches. By using an optical fiber or a mirror, the laser beam can be subjected to ultrasonic inspection relatively easily even for a material to be inspected that is difficult to contact or approach.

図１２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。 The principle of generating ultrasonic waves by laser light irradiation will be described with reference to FIG. (A) is a case in which ultrasonic waves are generated by ablation, which is a phenomenon of irradiating a part to be inspected with laser light and evaporating a part of the object to be inspected. This is a case where an ultrasonic wave is generated by causing a thermoelastic change in the object to be inspected.

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。 In the ablation generation case, an elastic wave is generated by the evaporation reaction force, so that irradiation marks are generated in the material. On the other hand, in the thermoelastic case, the generation of elastic waves accompanying thermal expansion / contraction due to rapid heating by the laser is generated, but no irradiation trace is generated in the material. The thermoelastic case does not damage the material, but since the fluence level is nearly two orders of magnitude lower in the thermoelastic case than in the ablation condition, the generated ultrasonic sound pressure is reduced at a higher rate.

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。 The conventional laser ultrasonic method is a method used in an ablation region where ultrasonic waves are generated by damaging a target material. In this method, the intensity of the generated ultrasonic wave is strong, and the sound velocity of the longitudinal wave and the transverse wave of the ultrasonic wave is detected. In addition, there are a method for utilizing the detected longitudinal wave and shear wave velocity and utilizing the phase transformation rate for measurement (the following Non-Patent Documents 1 and 2) and a method for measuring the Poisson's ratio (the following Non-Patent Document 3). Proposed.

Ｍ．Ｄｕｂｏｉｓ，Ａ．Ｍｏｒｅａｕ，Ｍ．Ｍｉｌｉｔｚｅｒ，ａｎｄＪ．Ｆ．Ｂｕｓｓｉｅｒｅ， “Ｌａｓｅｒ−ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆＰｈａｓｅＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｎＳｔｅｅｌｓ”，ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６，ｐ．７３５−７４１，１９９８M.M. Dubois, A.D. Moreau, M.M. Militzer, and J.M. F. Bussiere, “Laser-Ultrasonic Monitoring of Phase Transformations in Steels”, Scripting Materialia, Vol. 39, no. 6, p. 735-741, 1998 Ｍ．Ｅｒｉｃｓｓｏｎ，Ｅ．Ｌｉｎｄｈ−Ｕｌｍｇｒｅｎ，Ｄ．ＡｒｔｙｍｏｗｉｃｚａｎｄＢ．Ｈｕｔｃｈｉｓｏｎ， “’Ｌａｓｅｒ−ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ（ＬＵＳ）ｆｏｒｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ”．ＲｅｓｅａｒｃｈｒｅｐｏｒｔＩＭ−２００３−１１３，Ｓｗｅｄｉｓｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒｍｅｔａｌｓｒｅｓｅａｒｃｈ，２００３M.M. Ericsson, E.M. Lindh-Ulmgren, D.M. Artymowicz and B.M. Hutchison, “'Laser-ultrasonics (LUS) for microstructure charactarization”. Research report IM-2003-113, Swedish institute for metals research, 2003 Ｂ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，Ｂ．Ｍｏｓｓ，Ａ．Ｓｍｉｔｈ，Ａ．Ａｓｔｉｌｌ，Ｃ．Ｓｃｒｕｂｙ，Ｇ．Ｅｎｇｂｅｒｇ，ａｎｄＪ．Ｂｊｏｒｋｌｕｎｄ， “Ｏｎｌｉｎｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎｏｆｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｈｏｔｓｔｒｉｐｍｉｌｌｕｓｉｎｇｌａｓｅｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”，ＩｒｏｎｍａｋｉｎｇａｎｄＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１，ｐ．７７−８０，２００２B. Hutchinson, B.H. Moss, A.M. Smith, A.M. Astill, C.I. Scruby, G.M. Engberg, and J.M. Bjorklund, “Online charactarization of steel structures in hot strip milling laser ultrasonic measurements”, Ironacking and Steelmaking, Vol. 29, no. 1, p. 77-80, 2002 「Ｊ．Ｄ．Ａｃｈｅｎｂａｃｈ， “Ｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｅｌａｓｔｉｃｓｏｌｉｄｓ”，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ，１９７３」“JD 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, 1994J. 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。 In the thermoelastic region where ultrasonic waves are generated without damaging the surface of the object to be inspected, the magnitude of longitudinal and transverse waves differs depending on the direction of ultrasonic wave generation and propagation. It is difficult to measure the speed of sound of waves and shear waves. Therefore, in the conventionally proposed method, the ablation region is used for measuring the longitudinal wave and the shear wave sound velocity, and the damage to the object to be inspected is large.

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。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a laser ultrasonic measurement device and a laser ultrasonic measurement method that reduce the damage given to the surface of a target material and measure the velocity of longitudinal and transverse waves. .

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点状スポットで集光・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、及び上記点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板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、周波数解析をして対称波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出部と、上記非対称波板波の周波数、及び、上記対称波板波の周波数に基づき、所定の式を用いて横波音速及び縦波音速を算出する横波縦波音速算出部と、を備えることを特徴とする。 The laser ultrasonic measurement apparatus and laser ultrasonic measurement method of the present invention provided to solve the above problems are as described below.
The laser ultrasonic measurement apparatus according to the present invention generates ultrasonic waves by irradiating an object to be inspected with pulsed laser light from a laser light source for generating ultrasonic waves, and the continuous wave laser light is generated by the laser light source for detecting ultrasonic waves. This is a laser ultrasonic measurement device that detects the ultrasonic wave propagated through the body to be inspected by detecting the change in light intensity caused by the Doppler shift caused by the ultrasonic wave by irradiating the laser beam with the interferometer. A first irradiation optical system configured to generate and emit interference fringes of a plurality of linear spots with a diffraction grating on the inspection object after the pulse laser beam is converted into a beam having a cross-sectional shape; The pulsed laser beam is generated by a second irradiation optical system that focuses and irradiates the object to be inspected as a spot-like spot, and a plurality of linear spots generated by the first irradiation optical system. The linear spot In order to detect separately the plate wave ultrasonic waves propagated in the direction of the array and the plate wave ultrasonic waves generated by the spot-like spots and propagated in the thickness direction of the object to be inspected, the continuous wave laser beam is applied. A detection optical system that focuses and irradiates a predetermined inspection point on the inspection object and makes the laser reflected light incident on the interferometer to interfere with it, and receives the laser light transmitted through the interferometer to change the light intensity. A light detection unit that outputs an electrical signal; and a signal processing unit that receives the electrical signal output from the light detection unit and derives the sound speed of the object to be inspected. An asymmetric wave plate wave frequency calculating unit that calculates a frequency of the asymmetric wave plate wave by performing frequency analysis based on an electrical signal of light intensity change due to the plate wave ultrasonic wave generated by the irradiation optical system, and the second irradiation optical Light intensity by plate wave ultrasonic waves generated by the system Based on the electrical signal of the change, frequency analysis to calculate the frequency of the symmetric wave plate wave, the frequency of the asymmetric wave plate wave, and the frequency of the symmetric wave plate wave, A transverse wave longitudinal wave sound velocity calculating unit that calculates a transverse wave sound velocity and a longitudinal wave sound velocity using a predetermined formula.

又、上記のレーザ超音波測定装置において、上記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、対称波板波周波数算出部は、上記第２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、周波数解析をして群速度ゼロのＳ１対称波板波モードの周波数を導出するものであり、上記横波縦波音速算出部は、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Ｓ１対称波板波モードの周波数を用いて、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及び縦波音速を導出することを特徴とする。 In the laser ultrasonic measurement device, the asymmetric wave plate wave frequency calculation unit performs frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change caused by the plate wave ultrasonic wave generated by the first irradiation optical system. Deriving the frequency of the A0 asymmetric plate wave mode, and calculating the phase velocity of the A0 asymmetric plate wave mode from the frequency of the A0 asymmetric plate wave mode and the pitch of the plurality of linear spots, The wave frequency calculation unit derives the frequency of the S1 symmetric wave plate wave mode with zero group velocity by performing frequency analysis based on the electrical signal of the light intensity change caused by the plate wave ultrasonic wave generated by the second irradiation optical system. The transverse wave longitudinal wave sound velocity calculation unit uses the frequency and phase velocity of the A0 asymmetric wave plate wave mode and the frequency of the S1 symmetric wave plate wave mode to obtain a predetermined theoretical equation for ultrasonic wave propagation. Base By carrying out repetitive operation can be characterized by deriving the shear wave velocity and longitudinal velocity of sound.

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点状スポットで集光・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、及び上記点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板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、周波数解析をして対称波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出工程と、上記非対称波板波の周波数、及び、上記対称波板波の周波数に基づき、所定の式を用いて横波音速及び縦波音速を算出する横波縦波音速算出工程と、を備えることを特徴とする。 In the laser ultrasonic measurement method of the present invention, an ultrasonic wave is generated by irradiating an object to be inspected with a laser light source for generating ultrasonic waves, and the continuous wave laser light is generated by the laser light source for detecting ultrasonic waves. A laser ultrasonic measurement device is used to detect the ultrasonic wave propagated through the body to be inspected by detecting the change in light intensity caused by the Doppler shift caused by the ultrasonic wave. In the conventional laser ultrasonic measurement method, the pulse laser beam is converted into a beam having a cross-sectional shape, and then interference fringes of a plurality of linear spots are generated and irradiated on the inspection object by a diffraction grating. A first laser light irradiation step, a second laser light irradiation step of condensing and irradiating the pulsed laser light on the object to be inspected with a spot-like spot, and a plurality of laser beams generated by the first laser light irradiation step Linear Plate wave ultrasonic waves generated by the pot and propagated in the alignment direction of the linear spots in the body to be inspected, and plate wave ultrasonic waves generated by the dot spots and propagated in the thickness direction of the inspection object are separately provided. In order to detect, an ultrasonic detection step of condensing and irradiating the continuous wave laser beam to a predetermined inspection point on the object to be inspected, and causing the laser reflected light to enter and interfere with the interferometer, and the interferometer A light detection step of receiving a laser beam transmitted through the light source and outputting a change in light intensity as an electrical signal; and a signal processing step of deriving the sound speed of the object to be inspected by receiving the electrical signal output from the light detection unit; And the signal processing step is asymmetric for calculating the frequency of the asymmetric wave plate wave by performing frequency analysis based on the electrical signal of the light intensity change by the plate wave ultrasonic wave generated by the first laser light irradiation step. Corrugated wave frequency calculation A symmetric wave plate wave frequency calculating step for calculating a frequency of a symmetric wave plate wave by performing frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change caused by a plate wave ultrasonic wave generated by the second laser light irradiation step; A transverse wave longitudinal wave sound velocity calculating step for calculating a transverse wave velocity and a longitudinal wave velocity using a predetermined formula based on the frequency of the asymmetric wave plate wave and the frequency of the symmetric wave plate wave. To do.

又、上記のレーザ超音波測定方法において、上記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、周波数解析をして群速度ゼロの対称波板波モードの周波数を導出し、上記横波縦波音速算出工程は、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、上記群速度ゼロの対称波板波モードの周波数を用いて、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及び縦波音速を導出することを特徴とする。 In the laser ultrasonic wave measuring method, the asymmetric wave plate wave frequency calculating step performs frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change caused by the plate wave ultrasonic wave generated by the first laser light irradiation step. Then, the frequency of the A0 asymmetric plate wave mode is derived, the phase velocity of the A0 asymmetric plate wave mode is calculated from the frequency of the A0 asymmetric plate wave mode and the pitch of the plurality of linear spots, and the longitudinal wave sound velocity is calculated. The process is based on the electrical signal of the light intensity change due to the plate wave ultrasonic wave generated by the second laser light irradiation process, and the frequency analysis is performed to derive the frequency of the symmetric wave plate wave mode with zero group velocity, and the transverse wave The longitudinal wave velocity calculation step is repeated based on a predetermined theoretical equation of ultrasonic propagation using the frequency and phase velocity of the A0 asymmetric wave plate wave mode and the frequency of the symmetric wave plate wave mode with zero group velocity. Return operation to be characterized by deriving the shear wave velocity and longitudinal velocity of sound.

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。 The above-mentioned laser ultrasonic measurement apparatus and laser ultrasonic measurement method can perform longitudinal wave and transverse wave sound velocity measurements with high accuracy using laser light having a low laser pulse energy density that reduces damage to the surface of the material to be inspected. it can. Therefore, damage to the object to be inspected can be reduced by using a laser in the thermoelastic change region. As a result, it is possible to perform non-destructive and non-contact inspection of cracks and defects or material evaluation of inspection materials with higher accuracy.

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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out a laser ultrasonic measurement apparatus and a laser ultrasonic measurement method of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。 According to the theory of plate waves described in Non-Patent Document 4, the plate waves include symmetric wave plate waves and asymmetric wave plate waves each having a plurality of modes.
Here, the plate wave is a well-known ultrasonic propagation phenomenon in the field of ultrasonic applications such as ultrasonic flaw detection, and is a wave that appears to vibrate the entire plate by propagating the longitudinal wave and the transverse wave together. is there. An asymmetric plate wave is a plate wave having an asymmetric waveform, and a symmetric plate wave plate wave is a plate wave having a symmetric wave waveform (note that symmetric wave plate waves and asymmetric wave plate waves are composed of them). The relationship between the longitudinal wave and the transverse wave is shown by FIG.
In the present embodiment, the longitudinal ultrasonic wave velocity and the transverse wave acoustic velocity of the plate wave are detected by using a laser ultrasonic measurement device suitable for each of the asymmetric wave plate wave measurement and the longitudinal wave sound velocity measurement.

＜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。 <First Arrangement of Laser Ultrasonic Measuring Device for Asymmetric Wave Plate Detection>
FIG. 1A is a diagram showing a schematic configuration of the first configuration 10a of the laser ultrasonic measurement apparatus according to the present embodiment. The first arrangement 10a of the laser ultrasonic measurement device is intended to generate an ultrasonic wave of an asymmetric wave plate wave on the inspection object 5 and detect the asymmetric wave plate wave.
FIG. 1B is a plan view seen from above the object to be inspected 5. As shown to (a), the ultrasonic wave generation laser light source 11 is a laser for generating the ultrasonic wave in the to-be-inspected object 5, and emits a pulse laser beam with a predetermined repetition period. The pulsed laser light emitted from the ultrasonic wave generation laser light source 11 is converted into a linear beam (linear light) in cross section by the cylindrical lens 43 and then diffracted by the diffraction grating 14 to be inspected 5 Are irradiated as a plurality of linear spots. The cylindrical lens 43 and the diffraction grating constitute a first irradiation optical system.
The diffraction grating 14 is, for example, a transparent glass provided with a large number of thin linear patterns in parallel, and the laser beam applied to the diffraction grating 14 is diffracted by the respective linear patterns, and is on the surface of the inspection object 5. Interference fringes composed of a plurality of linear spots are formed, and the surface of the inspection object 5 is heated by the plurality of linear spots to generate ultrasonic waves as plate wave ultrasonic waves (hereinafter also referred to as plate waves) W. .

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。 The wavelength λ of the generated plate wave W is equal to the pitch p of the interference fringes. The plate wave W propagates to the detection point 6 by propagating the inspection object 5 in the in-plane direction of the inspection object 5 in the direction orthogonal to the direction of the linear spots of the interference fringes, that is, in the arrangement direction of the plurality of linear spots. Upon arrival, when the detection laser light emitted from the ultrasonic detection laser light source 12 as continuous wave laser light is condensed and irradiated to the detection point 6 by an optical system (not shown), it passes through the detection point 6. Due to the vibration of the plate wave W, a Doppler shift occurs in the wavelength of the laser beam for detection. In this way, the detection point 6 is installed at a position at a predetermined distance from the spot in the arrangement direction of the plurality of linear spots. Then, the laser reflected light of the detection laser in which the Doppler shift has occurred is guided to a laser interferometer 12 such as a Fabry-Perot interferometer by an optical system (not shown), and is caused to interfere in the laser interferometer 12. At this time, the resonance condition of the laser interferometer 12 is slightly shifted from the resonance condition of the reflected light of the detection laser. When the reflected laser beam for detection that has been temporarily Doppler shifted is transmitted through the laser interferometer 12, a change in wavelength due to the Doppler shift is converted into a change in light intensity in the transmitted laser light. An optical system that irradiates the detection point 6 with the detection laser light emitted from the ultrasonic detection laser light source 12 and introduces the laser reflected light from the inspection object 5 to the laser interferometer 12 and the laser interferometer 12. And a detection optical system.

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。 Then, the vibration due to the plate wave W is detected by detecting the transmitted laser beam with an optical detector (not shown) composed of a known photodetector having a good sensitivity to the wavelength of the laser beam and converting it to an electrical signal. A waveform (hereinafter also referred to as a plate wave waveform) can be detected as an electric signal (voltage waveform). Such ultrasonic detection in the laser ultrasonic method is described in Non-Patent Document 5, for example. The signal processing unit 60 can derive desired measurement information by performing signal processing on the electrical signal as described below.

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。 The signal processing unit 60 takes the detected electrical signal of the plate wave W as a digital signal by an A / D converter, and then performs Fourier transform using, for example, FFT as a frequency analysis, thereby distributing the size distribution of each frequency component. Is derived. The peak frequency in the distribution is obtained, and the frequency of the asymmetric wave plate wave generated in the inspection object is detected. The plate wave velocity c of the plate wave is calculated from the frequency thus detected and the wavelength λ determined from the interference fringe pitch p.

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。 FIG. 2A is a diagram showing an example of a time-varying waveform of a plate wave voltage signal detected by the first configuration of the laser ultrasonic measurement apparatus. The measurement conditions in this example are as follows, and the laser beam for generating ultrasonic waves is sufficient for generating ultrasonic waves in an intermediate region between ablation and thermoelasticity, which does not cause significant melting or evaporation of the object to be inspected. Strength.
Inspected object 5: thickness (d) 0.5 mm × length (l) 50 mm × width (w) 50 mm, material of the object to be inspected (steel type, SS400)
Laser light source for ultrasonic generation: YAG laser (maximum pulse energy 450 mJ / pulse (attenuated by ND filter), pulse width, 10 ns
Laser pulse energy density: 2.5 mJ / mm2 (between ablation and thermoelasticity)
Interference fringes: pitch p 1.0 mm, number of interference fringes: 5 Distance from generation point (third interference fringe) to detection point 6: 15 mm
Distance from detection point 6 to test object edge 10mm
A peak due to the plate wave appears in a region 71 of the waveform of the electrical signal in which the plate wave illustrated in FIG. The plate-wave voltage signal waveform shown in FIG. 2A is a diagram in which an analog signal is A / D converted into a digital signal, captured in a computer, and displayed on a display screen. The wavelength of the detected plate wave is 1.0 mm, which is the same as the pitch of the interference fringes. The region 72 is a reflected wave of a plate wave reflected from the edge of the inspection object 5 due to the shape of the inspection object 5 used in the measurement.

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。 FIG. 2B is a diagram showing a frequency component distribution (frequency spectrum) of a plate wave voltage signal detected by the first configuration of the laser ultrasonic measurement apparatus. A frequency spectrum constituting the time waveform can be calculated by subjecting the time waveform shown in FIG. 2A to Fourier transform using the FFT operation in the signal processing unit 60. Since it appears as a peak in the region 73 of FIG. 2B, a plate wave frequency of 2.5 MHz can be detected. 2A and 2B, since the wavelength λ = 1.0 mm and the frequency f is 2.5 MHz, the plate wave velocity is: wavelength λ × frequency f = 2.5 mm / μs, That is, 2.5 × 10 ³ m / sec.
Thus, the frequency of the plate wave and the plate wave velocity can be detected using the first configuration 10a of the laser ultrasonic measurement device. As will be described later, the frequency and the plate wave velocity are the frequency and plate wave velocity of the asymmetric plate wave.

＜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。 <Description of symmetric wave wave and asymmetric wave wave>
With reference to FIG. 3, an example of a calculated value of a dispersion relation of a plurality of modes of a symmetric wave plate wave and an asymmetric wave plate wave is shown as frequency × thickness of a test object, and vertical axis as plate wave velocity. Here, it is shown that the plate wave detected by the apparatus of FIG. 2 is an asymmetric wave plate wave using the dispersion relation of the plate wave mode shown in FIG.
Non-Patent Document 4 describes a calculation formula for calculating the longitudinal wave velocity and the transverse wave velocity constituting the plate wave. In the non-patent document 4, the plate wave An (n is an integer) in the asymmetric wave mode is expressed by the following formula 1 in the relationship of “speed” and “frequency × thickness”. The wave Sn (n is an integer) is expressed by the relationship of “speed” and “frequency × thickness” by the following formula 2. Hereinafter, the asymmetric wave (symmetric wave) plate wave mode is also simply referred to as an asymmetric wave (symmetric wave) plate wave.
Further, in the non-patent document 4, the Poisson's ratio ν determined by the longitudinal wave velocity and the transverse wave velocity of the plate wave is expressed as Equation 3.

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。 Here, VL represents the longitudinal wave sound velocity, and VS represents the transverse wave sound velocity. Also, ξ = 2π / λ is shown.
The solid line shown in FIG. 3 indicates the phase velocity of each plate wave mode, the broken line indicates the group velocity of each plate wave mode, and the solid line and the wave line in each plate wave mode are obtained by solving Equations 1 and 2.

説明を図２に戻して、図２を用いて説明したレーザ超音波測定装置の第１の構成配置による測定結果においては、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、音速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という分散関係を有することが分かる。
そこで、ｃ＝２．０ｆｄの関係式を鎖線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ｆｄ＝１．２５（ＭＨｚ・ｍｍ）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によると、発生が推認される対称波板波Ｓｎ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とが分かる。 Returning to FIG. 2, in the measurement result by the first configuration of the laser ultrasonic measurement apparatus described with reference to FIG. 2, the thickness d of the object 5 to be inspected is 0.5 mm, the wavelength λ of the detected waveform = 1.0 mm, frequency f = 2.5 MHz, plate wave velocity c = 2.5 mm / μs. Further, since the sound velocity c = λf = (λ / d) × (fd) and λ / d = 2.0, it can be seen that the detected waveform has a dispersion relationship of c = 2.0 fd.
Therefore, a relational expression of c = 2.0fd is shown as a chain line 74 on FIG. The chain line 74 (λ / d = 2.0) intersects the A0 mode indicated by the solid line in the asymmetric wave plate wave (An).
On the other hand, the frequency of the spectrum indicated by the arrow 73 in FIG. 2B is 2.5 MHz. In the above embodiment, since the thickness d of the object to be inspected 5 is 0.5 mm, the plate wave frequency fd = 1.25 (MHz · mm) of this detection spectrum is shown by a straight line 75 in FIG. Since the intersection point 76 between the straight line 75 and the chain line 74 is near the A0 mode relation line, it can be seen that the plate wave shown in FIG. 2 is an A0 mode asymmetric wave plate wave.
However, the intersection 76 between the straight line 75 and the chain line 74 is not on the symmetric wave plate wave mode Sn. Therefore, it turns out that a symmetrical wave plate wave cannot be detected in the above embodiment.
Thus, according to the theory of the plate wave described in Non-Patent Document 4, it can be seen that the symmetric wave plate wave Sn that is expected to be generated cannot be detected by the laser ultrasonic measurement device according to the above embodiment.

このように、レーザ超音波測定装置の第１の構成配置に被検査対の板波をレーザ超音波法により検出することにより、非対称波板波Ａ０の位相速度ｃは検出することが可能となる。しかし、上記第１の構成配置による検出結果だけでは、検出値の数が不足しているため、数式１を解いて縦波音速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の第１の構成配置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ことが分かる。すなわち、縦波音速ＶＳ及び横波音速ＶＬを導出するには、さらなるレーザ超音波測定が必要である。以下では第１の構成配置とは異なる配置でのレーザ超音波測定を説明する。 Thus, the phase velocity c of the asymmetric wave plate wave A0 can be detected by detecting the plate wave of the pair to be inspected by the laser ultrasonic method in the first arrangement of the laser ultrasonic measurement apparatus. . However, since the number of detected values is insufficient only by the detection result by the first configuration arrangement, the longitudinal wave sound velocity VS and the transverse wave sound velocity VL cannot be calculated by solving Equation 1. Therefore, it can be seen that the longitudinal wave velocity VS and the transverse wave velocity VL cannot be calculated only by the frequency and phase velocity of the asymmetric wave plate wave detected by the first configuration 10a of the laser ultrasonic measurement device. That is, in order to derive the longitudinal wave velocity VS and the transverse wave velocity VL, further laser ultrasonic measurement is required. Hereinafter, laser ultrasonic measurement in an arrangement different from the first arrangement will be described.

＜対称波板波検出用レーザ超音波測定装置＞
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、対称波板波を被検査体５に発生させて、当該対称波板波を検出するための配置であって、対称波板波の測定を目的とするものである。
レーザ超音波測定装置１０ａは、非対称波板波を生成するために、回折格子１４を用いていたが、レーザ超音波測定装置１０ｂは、検出点６にパルスレーザを照射することで、検出点で厚さ方向に振動を繰り返す群速度０の状態にある対称波板波の検出を行う。 <Laser ultrasonic measurement device for symmetric wave plate detection>
FIG. 4A is a diagram showing a schematic configuration of the second configuration arrangement 10b of the laser ultrasonic measurement apparatus according to the present embodiment as viewed from the side surface of the object 5 to be inspected. The second arrangement 10b of the laser ultrasonic measurement device is an arrangement for generating a symmetric wave plate wave in the inspection object 5 and detecting the symmetric wave plate wave, and measuring the symmetric wave plate wave. It is the purpose.
The laser ultrasonic measurement apparatus 10a uses the diffraction grating 14 in order to generate the asymmetric wave plate wave. However, the laser ultrasonic measurement apparatus 10b irradiates the detection point 6 with a pulse laser, thereby A symmetric wave plate wave in a group velocity 0 state that repeats vibration in the thickness direction is detected.

図示のように、レーザ超音波測定装置１０ｂは、回折格子１４を除いて上記レーザ超音波測定装置１０ａと同じ構成を有する。レーザ超音波測定装置１０ｂは、回折格子１４を使用せずに、検出点６に超音波発生用のパルスレーザ光を直接照射する。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。 As illustrated, the laser ultrasonic measurement device 10b has the same configuration as the laser ultrasonic measurement device 10a except for the diffraction grating 14. The laser ultrasonic measurement apparatus 10b directly irradiates the detection point 6 with pulsed laser light for generating ultrasonic waves without using the diffraction grating 14. Although not shown, a laser that can be moved or detached so as to bypass the diffraction grating 14 is provided in the optical path of the laser beam for generating ultrasonic waves in the first arrangement 10a of the laser ultrasonic measurement device, thereby providing a laser. It is possible to share the first configuration and the second configuration of the ultrasonic measurement apparatus 10a.

図５は、一実施例に係るレーザ超音波測定装置１０ｂにより、群速度０の対称波板波を発生させ、それを検出したときの、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）１．７ｍｍ×長さ（ｌ）１３０ｍｍ×幅（ｗ）３０ｍｍ、被検査体（鋼鉄、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）、パルス間隔、１０ｎｓ
レーザパルスエネルギ密度：１．５ｍＪ／ｍｍ２（熱弾性領域）
超音波検出用レーザ光源：５００ｍＷ、５３２ｎｍ
検出レーザビームスポット：直径１ｍｍ FIG. 5 is a diagram illustrating a waveform of an electric signal when a symmetric wave plate wave having a group velocity of 0 is generated and detected by the laser ultrasonic measurement device 10b according to the embodiment. The measurement conditions in the measurement example are as follows.
Inspected object 5: thickness (d) 1.7 mm × length (l) 130 mm × width (w) 30 mm, inspected object (steel, SS400)
Laser light source for ultrasonic generation: YAG laser (maximum pulse energy 450 mJ / pulse (attenuated by ND filter), pulse interval, 10 ns
Laser pulse energy density: 1.5 mJ / mm 2 (thermoelastic region)
Laser light source for ultrasonic detection: 500 mW, 532 nm
Detection laser beam spot: 1mm in diameter

図５（ａ）は、超音波発生用レーザ光源１１からパルスレーザ光を照射していないときの検出した時間波形、図５（ｂ）は、パルスレーザ光を照射したときの検出した時間波形を示す。また、図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す時間波形をフーリエ変換した周波数波形を示し、図５（ｄ）は、図５（ｂ）に示す時間波形をフーリエ変換した周波数波形を示す。
図５（ａ）及び（ｃ）は、ノイズ波形を示したものになる。図５（ｄ）に示すように、パルスレーザ光の照射により、１．６５Ｍｈｚに周波数スペクトル７６を検出することができる。この検出されたスペクトルは、時間波形では識別できない対称波形を構成する周波数成分である。 FIG. 5A shows a time waveform detected when the pulsed laser light is not irradiated from the ultrasonic wave generation laser light source 11, and FIG. 5B shows a time waveform detected when the pulsed laser light is irradiated. Show. 5C shows a frequency waveform obtained by Fourier transforming the time waveform shown in FIG. 5A, and FIG. 5D shows a frequency waveform obtained by Fourier transforming the time waveform shown in FIG. 5B. Show.
5A and 5C show noise waveforms. As shown in FIG. 5D, the frequency spectrum 76 can be detected at 1.65 Mhz by irradiation with pulsed laser light. This detected spectrum is a frequency component constituting a symmetrical waveform that cannot be identified by a time waveform.

このように、レーザ超音波測定装置１０ｂは、時間波形（ｂ）のみでは確認できないが、周波数解析を行うことによりＳｎモード（対称波板波）の共振周波数を検出できる。
再び図３を参照すると、７７で示すように群速度０における最小周波数はＳ１モードである。これより、検出した共振周波数は、Ｓ１モードの群速度０の周波数であることがわかる。 As described above, the laser ultrasonic measurement device 10b cannot detect the time waveform (b) alone, but can detect the resonance frequency of the Sn mode (symmetric wave plate wave) by performing frequency analysis.
Referring to FIG. 3 again, the minimum frequency at the group velocity 0 is the S1 mode as indicated by 77. From this, it can be seen that the detected resonance frequency is the frequency of the group velocity 0 in the S1 mode.

図６は、式３を演算することにより求められたＳ１モードの板波速度と周波数の関係を示す図である。図示のように、群速度０（位相速度∞）のとき、算出された周波数は、１．６４ＭＨｚとなり、上記図５（ｄ）に示した検出されたスペクトルと対応することがわかる。
図３並びに図６に示されるように、群速度が零になるとき、位相速度は∞に漸近する。そのため、Ｓ１モードの位相速度を∞とせずに、例えば、８，０００ｍ／ｓと近似することで、Ｓ１モードにおける検出周波数と位相速度の特定値を得ることができる。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the plate wave velocity and the frequency in the S1 mode obtained by calculating Equation 3. As shown in the figure, when the group velocity is 0 (phase velocity ∞), the calculated frequency is 1.64 MHz, which corresponds to the detected spectrum shown in FIG.
As shown in FIG. 3 and FIG. 6, when the group velocity becomes zero, the phase velocity asymptotically approaches ∞. Therefore, the specific values of the detection frequency and the phase velocity in the S1 mode can be obtained by approximating, for example, 8,000 m / s without setting the phase velocity in the S1 mode to ∞.

以上より、レーザ超音波測定装置１０ａでは、非対称波板波の位相速度ｃが検出できる。また、レーザ超音波測定装置１０ｂでは、対称波板波の位相速度ｃが検出できる。上記数式１及び２において、２つの操作変数である縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳ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ため、数式１及び２を数値解析することで、縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳを算出することが可能になる。 As described above, the laser ultrasonic measurement device 10a can detect the phase velocity c of the asymmetric wave plate wave. Further, the laser ultrasonic measurement device 10b can detect the phase velocity c of the symmetric wave plate wave. In the above formulas 1 and 2, since numerical values of all the variables other than the two operating variables, the longitudinal wave velocity VL and the transverse wave velocity VS, can be specified by detection, the numerical formulas 1 and 2 are analyzed numerically, It is possible to calculate the wave sound velocity VL and the transverse wave sound velocity VS.

＜縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳの数値解析例＞
図７及び８を用いて、縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳの数値解析例を示す。
図７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、縦波音速と横波音速を操作変数として位相速度と周波数を求めることで、Ａ０モード波をシミュレーションできる。 <Numerical analysis example of longitudinal wave velocity VL and shear wave velocity VS>
A numerical analysis example of the longitudinal wave sound speed VL and the transverse wave sound speed VS will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 shows the result of simulating the relationship between the frequency and phase velocity of the A0 mode wave calculated using Equation 1 of the asymmetric wave plate wave. The following four cases are simulated.
Case 1 (solid line): VL = 5200 m / s, ν = 0.29
Case 2 (chain line): VL = 5000 m / s, ν = 0.29
Case 3 (one-dot chain line): VL = 4800 m / s, ν = 0.29
Case 4 (dotted line): VL = 5000 m / s, ν = 0.324
As shown in the figure, the A0 mode wave can be simulated by obtaining the phase velocity and frequency using the longitudinal wave velocity and the transverse wave velocity as operating variables.

図８は、対称波板波の数式２を用いて算出したＳ１モード波（群速度０）の周波数と位相速度の関係を示す。検討ケースは上記した４つのケースと同じケースである。破線７７で囲む領域が、群速度０に相当する板波速度である８，０００ｍ／ｓ、及び、検出周波数が存在する領域になる。 FIG. 8 shows the relationship between the frequency and the phase velocity of the S1 mode wave (group velocity 0) calculated using Equation 2 of the symmetric wave plate wave. The study case is the same as the above four cases. A region surrounded by a broken line 77 is a region where the plate wave velocity corresponding to the group velocity 0 is 8,000 m / s and the detection frequency exists.

図７に示すケースの中で、検出値と理論値との誤差が最小になるケースを選定し、次に、図７で選定したケースが、図８においても検出値と理論値との誤差が最小になるか否かを判断することで、板波の縦波音速と横波音速を特定することができる。
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、検出値との誤差が一定値未満になるケースを特定することで、板波の縦波音速と横波音速を特定することができる。 Among the cases shown in FIG. 7, the case where the error between the detected value and the theoretical value is minimized is selected. Next, the case selected in FIG. 7 is different from the detected value in FIG. By determining whether or not it is minimized, the longitudinal wave velocity and the transverse wave velocity of the plate wave can be specified.
As described above, as an example of numerical analysis of the longitudinal wave sound speed VL and the transverse wave sound speed VS, a plurality of cases for each of the longitudinal wave sound speed VL and the transverse wave sound speed VS according to theoretical values are prepared in advance, and an error from the detected value is less than a predetermined value. By specifying the case to become, it is possible to specify the longitudinal wave velocity and the transverse wave velocity of the plate wave.

図９は、縦波及び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１０ａの形態で、信号処理部６０は、検出光から得た時間波形をフーリエ変換して、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）。 FIG. 9 is a flowchart showing a calculation process of longitudinal wave and shear wave sound velocities.
First, in the form of the laser ultrasonic measurement device 10a, the signal processing unit 60 Fourier-transforms the time waveform obtained from the detection light to obtain a plate wave frequency A0-f (r) (MHz) in the plate wave A0 mode. In addition, the plate wave phase velocity A0-v (r) (m / s) of the plate wave A0 mode is calculated from the frequency (step S101).

レーザ超音波測定装置１０ｂの形態で、信号処理部６０は、検出光から得た時間波形をフーリエ変換して、板波Ｓ１モードにおける板波の周波数Ｓ１−ｆ（ｒ）（ＭＨｚ）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、被検査体５の厚みｄ（ｍｍ）、算出した周波数Ａ０−ｆ（ｒ）（ＭＨｚ）、位相速度Ａ０−ｖ（ｒ）（ｍ／ｓ）、周波数Ｓ１−ｆ（ｒ）（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、縦波速度ＶＬ、横波速度ＶＳの計算開始速度、終了速度、計算ステップ（ΔＶＬ及びΔＶＳ）が入力される（ステップＳ１０４）。 In the form of the laser ultrasonic measurement device 10b, the signal processing unit 60 performs Fourier transform on the time waveform obtained from the detection light, and calculates the plate wave frequency S1-f (r) (MHz) in the plate wave S1 mode. (Step S102).
The signal processing unit 60 includes, as input parameters, the thickness d (mm) of the object 5 to be inspected, the calculated frequency A0-f (r) (MHz), the phase velocity A0-v (r) (m / s), the frequency S1-f (r) (MHz) is input (step S103).
Furthermore, the calculation processing speed (ΔVL and ΔVS) of the longitudinal wave velocity VL and the transverse wave velocity VS, and calculation steps (ΔVL and ΔVS) are input to the signal processing unit 60 (step S104).

信号処理部６０は、数式１及び数式２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縦波速度ＶＬ及び横波速度ＶＳから算出されるＡ０モードの周波数Ａ０−ｆ（ｐ）（ＭＨｚ）、位相速度Ａ０−ｆ（ｐ）（ｍ／ｓ）、及び、Ｓ１モードの周波数Ｓ１−ｆ（ｐ）（ＭＨｚ）を算出する（ステップＳ１０５）。
次に、ステップＳ１０５で求めた理論値（周波数Ａ０−ｆ（ｐ）、位相速度Ａ０−ｆ（ｐ）、及び周波数Ｓ１−ｆ（ｐ））と、ステップＳ１０１及びＳ１０２で算出された検出値（周波数Ａ０−ｆ（ｒ）、位相速度Ａ０−ｖ（ｒ）、及び周波数Ｓ１−ｆ（ｒ））との誤差をそれぞれ計算する（ステップＳ１０６）。
誤差が、閾値以内に無い場合（ステップＳ１０７）は、計算ステップ（ΔＶＬ及びΔＶＳ）分、縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳをそれぞれ増加させて（ステップＳ１０８）、再度ステップＳ１０４及びＳ１０５を繰り返す。
誤差が、閾値以内にある場合（ステップＳ１０７）は、そのときの縦波音速ＶＬ及び横波音速ＶＳを解析値と設定して、計算を終了する。 In accordance with the theoretical formulas shown in Equation 1 and Equation 2, the signal processing unit 60 calculates the frequency A0-f (p) (MHz) of the A0 mode calculated from the longitudinal wave velocity VL and the transverse wave velocity VS determined by the calculation parameters, and the phase velocity. A0-f (p) (m / s) and S1-mode frequency S1-f (p) (MHz) are calculated (step S105).
Next, the theoretical values (frequency A0-f (p), phase velocity A0-f (p), and frequency S1-f (p)) obtained in step S105, and the detection values calculated in steps S101 and S102 ( Errors from the frequency A0-f (r), the phase velocity A0-v (r), and the frequency S1-f (r)) are calculated (step S106).
If the error is not within the threshold (step S107), the longitudinal wave velocity VL and the transverse wave velocity VS are increased by the calculation steps (ΔVL and ΔVS), respectively (step S108), and steps S104 and S105 are repeated again.
If the error is within the threshold (step S107), the longitudinal wave sound speed VL and the transverse wave sound speed VS at that time are set as analysis values, and the calculation is terminated.

図１０は、本発明に係るレーザ超音波測定装置１０ｃ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。 FIG. 10 is an overall view of a laser ultrasonic measurement apparatus 10c according to the present invention.
The ultrasonic wave generation laser light source 11 irradiates the inspection object 5 with the high-power pulse laser light EL via the mirrors 31a and 31b in order to generate an ultrasonic wave in the inspection object 5. The pulse laser beam EL is converted into a linear beam (linear beam) by the cylindrical lens 43, and then diffracted by the diffraction grating 14 and irradiated onto the object 5 as a plurality of linear spots.

またパルスレーザ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ＥＬをミラー３１ｃを介して、被検査体５に点状スポットとして直接照射する。 In addition, the pulse laser EL directly irradiates the inspected object 5 as a spot-like spot via the mirror 31c by retracting the mirror 31b by the mirror driving unit 15.

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。 The portion of the inspection object 5 irradiated with the pulsed laser light EL is thermally expanded and then contracted to generate distortion, and the ultrasonic wave propagates to the inspection object 5. The ultrasonic waves generated by the former plurality of linear spots are propagated as plate waves by the plate-shaped inspection material.

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。 From the ultrasonic detection laser light source 12, the continuous wave laser beam DL is linearly spotted by the pulse laser beam EL as shown in FIGS. 1A and 4 through the lens 42 and the mirrors 41a and 41b. And the detection unit 6 of the object 5 to be inspected having a predetermined positional relationship.
The continuous wave laser beam DL is irradiated to a measurement point on the inspection object 5. The frequency of the laser reflected light RL of the laser light DL from the object to be inspected 5 undergoes a Doppler shift due to surface vibration. As the ultrasonic detection laser light source 12, the laser reflected light RL is converged by the lens 43 via the mirrors 41 c and 41 d and enters the FP interferometer 13.

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。 The FP interferometer 13 causes the incident laser beam to reciprocate between the mirrors 13a and 13b to cause interference (resonance), and allows a part of the light amount to pass through the rear mirror 13b. The spectrum of the laser light transmitted through the FP interferometer 13 is composed of a steep peak in an extremely narrow wavelength region and slopes on both sides. The distance between the mirrors 13a and 13b is slightly shifted from the resonance condition of the wavelength of the laser beam, and is set so that the wavelength of the laser beam is located in the wavelength region of the slope. At this time, the Doppler shift of the laser reflected light is converted into a light intensity change when passing through the FP interferometer 13. Then, the light transmitted through the FP interferometer 13 is incident on a light-sensitive detector 20 made of an avalanche photodiode or the like that can respond at high speed. In the photodetector 20, the light intensity of the transmitted light is converted into an electric signal S <b> 1 and input to the signal processing unit 60.

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。対称波板波周波数算出部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。縦波横波音速算出部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。 In the signal processing unit 60, the asymmetric plate wave frequency calculation unit 61 can execute the processing described in step S101 of FIG. The symmetric wave plate wave frequency calculation unit 62 can execute the processing described in step S102 of FIG. The longitudinal wave and shear wave sound speed calculation unit 63 can execute the processing described in steps S103 to S108 in FIG.
The signal processing unit 60 includes a processor, and the calculation units 61 to 63 described above may be implemented by the processor executing a program stored in a memory (not shown). The calculation result of the calculation unit can be output to the display device 19.

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の第１の構成配置１０ａからレーザ超音波測定装置の第２の構成配置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。 Upon receiving an instruction from the signal processing unit 60, the control unit 50 changes the configuration from the first configuration arrangement 10a of the laser ultrasonic measurement device to the second configuration arrangement 10b of the laser ultrasonic measurement device or vice versa. For this purpose, the mirror driving unit 15 is controlled. Further, the laser irradiation timing of the ultrasonic wave generation laser light source 11 can be controlled by controlling the oscillation control unit 18. The controller 50 can be implemented with an electronic circuit or the like.

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。 As described above, the laser ultrasonic measurement apparatus and method thereof according to the present embodiment measure the acoustic velocity of longitudinal waves and shear waves with laser light having a low laser pulse energy density that reduces damage to the surface of the material to be inspected. Non-destructive, non-contact, and highly accurate. Therefore, damage to the object to be inspected can be reduced by using a laser in the thermoelastic change region.
In addition, the present invention is not limited to the use of such a weak pulse laser, but can be applied to a coexistence region of ablation and a thermoelastic change region, or an ablation region.

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。FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of the first arrangement of the laser ultrasonic measurement apparatus. 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。FIG. 2 is a diagram showing an asymmetric wave plate wave detected by the first arrangement of the laser ultrasonic measurement device. 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。FIG. 3 is a diagram for explaining a dispersion relationship of a plurality of modes of a symmetric wave plate wave and an asymmetric wave plate wave. 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。FIG. 4 is a diagram for explaining the outline of the second arrangement of the laser ultrasonic measurement device. 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。FIG. 5 is a diagram showing waveforms detected by the second configuration of the laser ultrasonic measurement apparatus. 図６は、Ｓ１モードの板波速度と周波数の関係を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the plate wave velocity and the frequency in the S1 mode. 図７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。FIG. 7 is a diagram illustrating the relationship between the frequency of the A0 mode wave calculated using the asymmetric wave plate wave equation and the phase velocity. 図８は、対称波板波式を用いて算出したＳ１モード波の周波数と位相速度の関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the frequency and phase velocity of the S1 mode wave calculated using a symmetric wave plate wave equation. 図９は、縦波及び横波音速の算出処理を示すフロー図である。FIG. 9 is a flowchart showing a calculation process of longitudinal wave and shear wave sound velocities. 図１０は、本発明に係るレーザ超音波測定装置の全体図である。FIG. 10 is an overall view of a laser ultrasonic measurement apparatus according to the present invention. 図１１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。FIG. 11 is a diagram for explaining the measurement principle of the laser ultrasonic method. 図１２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。FIG. 12 is a diagram for explaining two types of generation principles of ultrasonic waves by laser light irradiation.

符号の説明Explanation of symbols

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対称波板波周波数算出部
６３縦波横波音速算出部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Test object 6 Detection point 10a Laser ultrasonic measurement apparatus 10b Laser ultrasonic measurement apparatus 10c Laser ultrasonic measurement apparatus 11 Laser light source for ultrasonic generation 12 Laser light source for ultrasonic detection 13 Fabry-Perot interferometer 15 Mirror drive unit 18 Oscillation Control unit 19 Display device 20 Photo detector 50 Control unit 60 Signal processing unit 61 Asymmetric wave plate wave frequency calculation unit 62 Symmetric wave plate wave frequency calculation unit 63 Longitudinal wave transverse wave sound velocity calculation unit

Claims

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点状スポットで集光・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、及び前記点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板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、周波数解析をして対称波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出部と、
前記非対称波板波の周波数、及び、前記対称波板波の周波数に基づき、所定の式を用いて横波音速及び縦波音速を算出する横波縦波音速算出部と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定装置。 The object to be inspected is irradiated with pulsed laser light from an ultrasonic wave generating laser light source to generate ultrasonic waves, and the object to be inspected is irradiated with continuous wave laser light by an ultrasonic detecting laser light source to interfere with the reflected laser light. A laser ultrasonic measurement device that detects an ultrasonic wave propagated through the inspected body by detecting a change in light intensity caused by Doppler shift caused by the ultrasonic wave by causing interference with a meter;
A first irradiation optical system that generates and emits interference fringes of a plurality of linear spots with a diffraction grating on the inspection object after the pulse laser beam is converted into a beam having a cross-sectional shape;
A second irradiation optical system for condensing and irradiating the pulsed laser light with a spot-like spot on the inspection object;
Generated by a plurality of linear spots generated by the first irradiation optical system and propagated in the inspected body in the arrangement direction of the linear spots, and generated by the dotted spots, In order to separately detect each of the plate wave ultrasonic waves propagated in the thickness direction, the continuous wave laser light is condensed and irradiated on a predetermined inspection point on the object to be inspected, and the reflected laser light is applied to the interferometer. A detection optical system that causes the incidence and interference;
A light detector that receives the laser light transmitted through the interferometer and outputs a change in light intensity as an electrical signal;
An electrical signal output from the light detection unit is input, and a signal processing unit that derives the sound speed of the object to be inspected is provided.
The signal processing unit
An asymmetric wave plate wave frequency calculating unit that calculates a frequency of an asymmetric wave plate wave by performing frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change caused by a plate wave ultrasonic wave generated by the first irradiation optical system;
A symmetric wave plate wave frequency calculating unit that calculates a frequency of a symmetric wave plate wave by performing frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change by a plate wave ultrasonic wave generated by the second irradiation optical system;
A transverse wave longitudinal wave sound velocity calculating unit that calculates a transverse wave sound velocity and a longitudinal wave sound velocity using a predetermined formula based on the frequency of the asymmetric wave plate wave and the frequency of the symmetric wave plate wave. Laser ultrasonic measurement device.

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、該非対称波板波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、
対称波板波周波数算出部は、前記第２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、周波数解析をして群速度ゼロのＳ１対称波板波モードの周波数を導出するものであり、
前記横波縦波音速算出部は、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、前記群速度ゼロのＳ１対称波板波モードの周波数を用いて、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及び縦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。 The asymmetric wave plate wave frequency calculation unit derives the frequency of the A0 asymmetric wave plate wave mode by performing frequency analysis based on the electrical signal of the light intensity change by the plate wave ultrasonic wave generated by the first irradiation optical system. The phase velocity of the A0 asymmetric plate wave mode is calculated from the frequency of the asymmetric wave plate wave and the pitch of the plurality of linear spots,
The symmetric wave plate wave frequency calculation unit performs frequency analysis based on the electrical signal of the light intensity change by the plate wave ultrasonic wave generated by the second irradiation optical system, and the frequency of the S1 symmetric wave plate wave mode with zero group velocity. Is derived from
The transverse wave longitudinal wave sound velocity calculation unit uses the frequency and phase velocity of the A0 asymmetric wave plate wave mode and the frequency of the S1 symmetric wave plate wave mode with zero group velocity to obtain a predetermined theoretical equation for ultrasonic wave propagation. The laser ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic wave measuring apparatus according to claim 1, wherein the calculation is performed repeatedly to derive a transverse wave velocity and a longitudinal wave velocity.

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点状スポットで集光・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、及び前記点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板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、周波数解析をして対称波板波の周波数を算出する対称波板波周波数算出工程と、
前記非対称波板波の周波数、及び、前記対称波板波の周波数に基づき、所定の式を用いて横波音速及び縦波音速を算出する横波縦波音速算出工程と、を備えることを特徴とするレーザ超音波測定方法。 The object to be inspected is irradiated with pulsed laser light from an ultrasonic wave generating laser light source to generate ultrasonic waves, and the object to be inspected is irradiated with continuous wave laser light by an ultrasonic detecting laser light source to interfere with the reflected laser light. A laser ultrasonic measurement method using a laser ultrasonic measurement device for detecting an ultrasonic wave propagating through the inspected body by detecting a change in light intensity caused by Doppler shift caused by the ultrasonic wave by causing interference with a meter,
A first laser light irradiation step of generating and irradiating interference fringes of a plurality of linear spots with a diffraction grating on the object after the pulse laser light is converted into a beam having a cross-sectional shape;
A second laser beam irradiation step of condensing and irradiating the pulsed laser beam on the object to be inspected as a spot-like spot;
The object to be inspected is generated by a plate wave ultrasonic wave generated by a plurality of linear spots generated by the first laser light irradiation process and propagated in the arrangement direction of the linear spots in the inspected object, and the pointed spot. In order to separately detect each of the plate wave ultrasonic waves propagated in the thickness direction, the continuous wave laser light is condensed and irradiated on a predetermined inspection point on the object to be inspected, and the reflected laser light is reflected on the interferometer. An ultrasonic detection step for causing the light to enter and interfere with
A light detection step of receiving laser light transmitted through the interferometer and outputting a change in light intensity as an electrical signal;
An electric signal output from the light detection unit is input, and a signal processing step for deriving the sound speed of the object to be inspected, and
The signal processing step includes
An asymmetric wave plate wave frequency calculating step for calculating a frequency of an asymmetric wave plate wave by performing frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change caused by a plate wave ultrasonic wave generated by the first laser light irradiation step;
A symmetric wave plate wave frequency calculating step for calculating a frequency of a symmetric wave plate wave by performing frequency analysis based on an electrical signal of a light intensity change caused by a plate wave ultrasonic wave generated by the second laser light irradiation step;
A transverse wave longitudinal wave sound velocity calculating step of calculating a transverse wave sound velocity and a longitudinal wave sound velocity using a predetermined formula based on the frequency of the asymmetric wave plate wave and the frequency of the symmetric wave plate wave. Laser ultrasonic measurement method.

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、
前記対称波板波周波数算出工程は、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、周波数解析をして群速度ゼロのＳ１対称波板波モードの周波数を導出し、
前記横波縦波音速算出工程は、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Ｓ１対称波板波モードの周波数を用いて、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及び縦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。 The asymmetric wave plate wave frequency calculation step derives the frequency of the A0 asymmetric wave plate wave mode by performing frequency analysis based on the electrical signal of the light intensity change caused by the plate wave ultrasonic wave generated by the first laser light irradiation step. And calculating the phase velocity of the A0 asymmetric plate wave mode from the frequency of the A0 asymmetric plate wave mode and the pitch of the plurality of linear spots,
In the symmetric wave plate wave frequency calculating step, the S1 symmetric wave plate wave mode with zero group velocity is obtained by performing frequency analysis based on the electrical signal of the light intensity change by the plate wave ultrasonic wave generated by the second laser light irradiation step. To derive the frequency of
The transverse wave longitudinal wave sound velocity calculating step is repeatedly performed based on a predetermined theoretical equation of ultrasonic propagation using the frequency and phase velocity of the A0 asymmetric wave plate wave mode and the frequency of the S1 symmetric wave plate wave mode. The laser ultrasonic measurement method according to claim 3, wherein a transverse wave velocity and a longitudinal wave velocity are derived.