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JP3276204B2 - Low temperature measurement system for elasticity, internal wear and sound velocity - Google Patents
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JP3276204B2 - Low temperature measurement system for elasticity, internal wear and sound velocity - Google Patents

Low temperature measurement system for elasticity, internal wear and sound velocity

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JP3276204B2
JP3276204B2 JP13396993A JP13396993A JP3276204B2 JP 3276204 B2 JP3276204 B2 JP 3276204B2 JP 13396993 A JP13396993 A JP 13396993A JP 13396993 A JP13396993 A JP 13396993A JP 3276204 B2 JP3276204 B2 JP 3276204B2
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ultrasonic waveguide
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
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    • G01N2291/02827Elastic parameters, strength or force

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、金属,セラミックス,
高分子等の各種固体材料からなる試料に対する全弾性,
内耗,音速の変化の低温における測定装置に関し、特
に、超音波パルスを利用して試料の物性値が0°Kから
室温までの低温度条件下において測定できるようにした
ものである。
The present invention relates to metal, ceramics,
Total elasticity for samples composed of various solid materials such as polymers,
The present invention relates to an apparatus for measuring changes in internal wear and sound velocity at low temperatures, and more particularly, to an apparatus which can measure physical properties of a sample under a low temperature condition from 0 ° K. to room temperature using an ultrasonic pulse.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、金属,セラミックス,高分子等の
各種固体材料の弾性率,内耗,音速の変化に関する物性
値を測定する装置としては、縦弾性率については、引張
りおよび圧縮試験機、内部摩擦については、共振方式に
よる測定機が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a device for measuring physical properties of various solid materials such as metals, ceramics, polymers, and the like with respect to changes in elastic modulus, internal wear, and sound speed, a tensile and compression tester, As for friction, a measuring instrument based on a resonance method is known.

【0003】しかしながら、各種固体材料における材料
設計,物性評価では、ヤング率,剛性率,体積弾性率,
圧縮比,ラーメパラメータ,ポアソン比,縦波音速,横
波音速,音速異方性係数および縦・横内部摩擦が重要な
物性値とされている。したがって、これら11の物性値
を広範囲な温度条件ですべて測定できる装置の開発が重
要な課題となっている。
However, in material design and evaluation of physical properties of various solid materials, Young's modulus, rigidity, bulk modulus,
The compression ratio, Lame parameter, Poisson's ratio, longitudinal wave velocity, shear wave velocity, sound velocity anisotropy coefficient, and longitudinal and lateral internal friction are regarded as important physical properties. Therefore, development of an apparatus capable of measuring all of these 11 physical property values under a wide range of temperature conditions has become an important issue.

【0004】このようなことから、本発明では、超音波
導波体を利用して、試料の物性値に関するデータが短時
間で、しかも高精度に得られる弾性率,内耗,音速の変
化の低温域での測定装置を提供するものである。
In view of the above, in the present invention, the use of an ultrasonic wave guide makes it possible to obtain data relating to the physical properties of a sample in a short time and with high accuracy, and to obtain a low change in the elastic modulus, internal wear, and sound velocity. It is intended to provide a measuring device in a region.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の点に鑑
みなされたもので、超音波導波体は、その外周面に凹凸
を形成した棒状体からなり、しかも、クライオスタット
内に挿入された一端には、弾性率,内耗,音速の変化に
関する物性値を測定する試料が取付けられているととも
に、このクライオスタット外にある他端側には、加熱器
もしくは温水ジャケットおよび超音波パルスの送受信子
が備えられるようにしたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and an ultrasonic waveguide is formed of a rod-like body having irregularities on its outer peripheral surface, and is inserted into a cryostat. At one end, a sample for measuring physical properties related to changes in elastic modulus, internal wear, and sound speed is attached. At the other end outside the cryostat, a heater or a hot water jacket and a transmitter / receiver for ultrasonic pulses are attached. Is provided.

【0006】[0006]

【0007】[0007]

【作用】本発明の弾性率,内耗,音速の変化の低温測定
装置は、試料が超音波導波体に取付けられるように構成
したものであるから、測定時の操作性が簡単になり、試
料測定の活用範囲が広がるものである。
The low-temperature measuring device of the present invention for measuring changes in elastic modulus, internal wear, and sound speed is constructed so that the sample can be attached to the ultrasonic waveguide, so that the operability at the time of measurement is simplified and the sample is easily measured. This expands the range of use for measurement.

【0008】また、弾性率,内耗,音速の変化について
も、試料中に縦波もしくは横波超音波導波体を介して超
音波パルスを印加するように構成したものであるから、
同パルスの伝搬時間および減衰率の演算処理によって、
任意の温度領域における測定が可能となったものであ
る。さらに、センサーを低温部まで冷却する必要がな
く、また、縦波,横波の受信、送信の四つのセンサーを
用いず一つでもよい。
Also, regarding the changes in the elastic modulus, internal wear, and sound velocity, the ultrasonic pulse is applied to the sample via a longitudinal or transverse ultrasonic waveguide.
By calculating the propagation time and attenuation rate of the same pulse,
This allows measurement in an arbitrary temperature range. Further, it is not necessary to cool the sensor to a low temperature part, and one sensor may be used instead of the four sensors for receiving and transmitting longitudinal and transverse waves.

【0009】[0009]

【実施例】以下、本発明弾性率,内耗,音速の低温測定
装置における一実施例について図を参照しながら説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the low-temperature measuring apparatus for elastic modulus, internal wear and sound velocity of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0010】図1において、1は外周面に外周ねじを形
成した棒状体からなる超音波導波体であり、その一部
は、温度調整可能なクライオスタット2内に挿入され、
その挿入端には、試料2が取付けられるようになってい
る。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an ultrasonic wave guide composed of a rod-shaped body having an outer peripheral thread formed on an outer peripheral surface, a part of which is inserted into a cryostat 2 whose temperature can be adjusted.
The sample 2 is attached to the insertion end.

【0011】この試料3の取付けは、例えば、図1の場
合では、軸部分3aの一端にフランジ3bを形成した断
面略T字形の試料3が適用され、接触媒質4を介して袋
ナット付きのホルダ5により取付けられる。この接触媒
質4は、超音波導波体1の保護のためおよび超音波パル
スの伝達性向上を意図して介在させたものであり、例え
ば、Au,Pt,Ta,SUS,Cu,Niなどの金
属,テフロン,ビニール,蝋蜜,シリコン系グリースな
ど適用温度領域によって適宜選択する。しかし、接触媒
質は、表面精度を高めれば、必ずしも必要としない。
For example, in the case of FIG. 1, a sample 3 having a substantially T-shaped cross section in which a flange 3b is formed at one end of a shaft portion 3a is applied, and the sample 3 is provided with a cap nut via a couplant 4 in the case of FIG. It is attached by the holder 5. The couplant 4 is interposed for the purpose of protecting the ultrasonic waveguide 1 and improving the transmission of the ultrasonic pulse. For example, Au, Pt, Ta, SUS, Cu, Ni, etc. Metal, Teflon, vinyl, beeswax, silicon grease, etc. are appropriately selected depending on the applicable temperature range. However, a couplant is not necessarily required if the surface accuracy is improved.

【0012】前記クライオスタット2は、図示しない装
置本体の直立軸に取付けられているもので、0°Kから
室温まで温度コントロールできることが好ましい。
The cryostat 2 is mounted on an upright shaft of an apparatus main body (not shown), and is preferably capable of controlling the temperature from 0 ° K to room temperature.

【0013】また、前記超音波導波体1は、挿入端の反
対端が前記クライオスタット2から外に出ているもの
で、反対端側には、加熱器8および超音波パルスの送受
信子9が備えられている。この加熱器8は、温水ジャケ
ットも適用できるものあり、その存在理由は、保温する
ことにより、送受信子9を常温に保つことにある。
The ultrasonic waveguide 1 has an end opposite to the insertion end protruding from the cryostat 2, and a heater 8 and an ultrasonic pulse transmitter / receiver 9 are provided at the opposite end. Provided. The heater 8 can also be applied to a warm water jacket. The reason for its existence is to keep the transmitter / receiver 9 at room temperature by keeping it warm.

【0014】しかして、この超音波導波体1は、通常、
試料3に対し、音響インピーダンスが等しいかまたは近
接したものが適用される。この理由は、内部摩擦を感度
よく測定するためである。そして、超音波伝搬損失が少
なく耐寒性を有する材質が好ましい。例えばSUS、高
密度黒鉛,SiC,Si3N4系焼結体からなる。この場
合、超音波導波体1の外周面に凹凸を形成するようにし
たのは、超音波導波体1の側面における超音波パルスの
反射波を錯乱させ、ノイズエコーを防止するためであ
る。この凹凸は、ネジ切り工具で外周ねじを形成するも
ので、図1の場合は、全長にわたって外周ねじ10を形
成しているものである。なお、前記ホルダ5は、超音波
導波体1および試料3の材質よりも熱膨張係数の大きい
材料が用いられている。これは、ホルダ5の収縮によっ
て試料3の締付けを確実にするためである。
Thus, the ultrasonic waveguide 1 is usually
A sample 3 having an equal or close acoustic impedance is applied. The reason for this is to measure the internal friction with high sensitivity. Further, a material having low ultrasonic wave propagation loss and cold resistance is preferable. For example, it is made of SUS, high-density graphite, SiC, Si3N4 based sintered body. In this case, the reason why the unevenness is formed on the outer peripheral surface of the ultrasonic waveguide 1 is to disturb the reflected wave of the ultrasonic pulse on the side surface of the ultrasonic waveguide 1 and prevent noise echo. . This unevenness is intended to form an outer screw in screws cutting tool, in the case of FIG. 1, in which forming the outer peripheral screw 10 over the entire length. The holder 5 is made of a material having a larger coefficient of thermal expansion than the materials of the ultrasonic waveguide 1 and the sample 3. This is to secure the tightening of the sample 3 by the contraction of the holder 5.

【0015】このようにして構成された超音波導波体1
によって測定される弾性率,内耗,音速の変化に関する
物性値は、基本的には、ヤング率,剛性率,体積弾性
率,圧縮比,ラーメパラメータ,ポアソン比,縦波音
速,横波音速,音速異方性係数および縦・横内部摩擦の
11である。この測定にあたっては、例えば、図1およ
び図2で概念的に示されているように、送受信子9を介
して、シングアラウンドユニット11により測定される
ものである。この場合、シングルアラウンドユニット1
1には、測定結果を監視あるいはプリントアウトするた
め波形モニタ12およびパソコン13が接続され、パソ
コン13には、ディスプレイ14およびプリンタ15が
接続される。
The ultrasonic waveguide 1 thus constructed
Basically, physical properties related to changes in elastic modulus, internal wear, and sound velocity measured by the method are as follows: Young's modulus, rigidity modulus, bulk modulus, compression ratio, Lame parameter, Poisson's ratio, longitudinal wave velocity, transverse wave velocity, and sound velocity difference. The anisotropy coefficient and the longitudinal / lateral internal friction are 11. In this measurement, for example, as shown conceptually in FIGS. 1 and 2, the measurement is performed by the sing-around unit 11 via the transceiver 9. In this case, single around unit 1
1 is connected to a waveform monitor 12 and a personal computer 13 for monitoring or printing out a measurement result, and the personal computer 13 is connected to a display 14 and a printer 15.

【0016】図3は、前記シングアラウンドユニット1
1における測定系統図を例示したものであり、送信回路
16で発生した超音波パルスは、送受信子9→超音波導
波体1→試料3→超音波導波体1→送受信子9→アンプ
17→ゼロクロス検出器18→多段遅延回路19→送信
回路16の経路で循環し、この閉回路によってシングル
アラウンド測定系を構成する。この場合、前記送受信子
9では、図1で示されているように、試料3に向かって
放射される縦波超音波パルスは、超音波導波体1を伝搬
して、試料3の当接側界面で反射し、To' 時間で送受
信子9に受信される超音波パルス20と、試料3に入
射する超音波パルス21,22に分割される。そして、
この超音波パルス21,22は、縦波→縦波モードの超
音波パルス21および縦波→横波→縦波モードの超音波
パルス22であり、超音波導波体1に再入射し、それぞ
れT1' およびT2' 時間で送受信子9に受信される。
FIG. 3 shows the single-around unit 1.
1 shows an example of a measurement system diagram, in which an ultrasonic pulse generated by a transmission circuit 16 is transmitted and received by a transmitter / receiver 9 → an ultrasonic waveguide 1 → a sample 3 → an ultrasonic waveguide 1 → a transmitter / receiver 9 → an amplifier 17. The circuit circulates through the path of the zero-cross detector 18, the multi-stage delay circuit 19, and the transmission circuit 16, and a single-around measurement system is constituted by this closed circuit. In this case, the transmitter / receiver 9 moves toward the sample 3 as shown in FIG.
Longitudinal ultrasonic wave pulses emitted propagates through the ultrasonic waveguide 1 is reflected by the contact side surface of the sample 3, the ultrasonic pulse 20 to be received Sojushinko 9 T o 'time, It is divided into ultrasonic pulses 21 and 22 incident on the sample 3. And
These ultrasonic pulses 21 and 22 are an ultrasonic pulse 21 in a longitudinal wave → longitudinal wave mode and an ultrasonic pulse 22 in a longitudinal wave → lateral wave → longitudinal wave mode. It is received Sojushinko 9 1 'and T 2' time.

【0017】また、前述したシングアラウンドユニット
測定系の閉回路中には、超音波パルスのピーク値を検出
するピーク検出器23および超音波パルスの振幅を常に
一定ピーク値とするAGC増幅器24が設けられるとと
もに、前記ゼロクロス検出器18によって受信パルス電
圧が零電圧(零点)を横切るときの時間が計測される。
前記多段遅延回路19は、試料3中の超音波パルスの多
重エコーによる誤差を消去するため挿入されたもので、
超音波遅延線および帰還回路により構成され、この遅延
線の遅延時間の整数倍の正確な遅延時間を発生させてい
る。シングアラウンドグループのn回の平均値周期を測
定すると、周期測定の原理からn倍の測定精度が得ら
れ、高精度の伝搬時間測定が可能になる。
In the closed circuit of the single-around unit measurement system described above, there are provided a peak detector 23 for detecting the peak value of the ultrasonic pulse and an AGC amplifier 24 for always making the amplitude of the ultrasonic pulse a constant peak value. At the same time, the time when the received pulse voltage crosses the zero voltage (zero point) is measured by the zero cross detector 18.
The multi-stage delay circuit 19 is inserted to eliminate an error due to multiple echoes of the ultrasonic pulse in the sample 3.
It is constituted by an ultrasonic delay line and a feedback circuit, and generates an accurate delay time that is an integral multiple of the delay time of the delay line. When the average period of the sing-around group is measured n times, n times higher measurement accuracy is obtained from the principle of the period measurement, and highly accurate propagation time measurement becomes possible.

【0018】さらに、この閉回路中には、ウィンドゲー
ト25およびカウンタ26がセットされ、超音波パルス
20,21,22の伝搬時間T0′,T1′およびT2
が計測される。この計測値は、I/O27を経てRS−
232C準処のシリアルインターフェース28からの出
力となる。なお、この自動測定にあたっては、閉回路中
に接続されたソフトウェアをコンピュータ制御部である
CPU29によって演算処理される。
Further, in this closed circuit, a window gate 25 and a counter 26 are set, and the propagation times T 0 ′, T 1 ′ and T 2 ′ of the ultrasonic pulses 20, 21 and 22 are set.
Is measured. This measurement value is transmitted to the RS-
This is output from the serial interface 28 of the 232C standard processing. In this automatic measurement, software connected in a closed circuit is subjected to arithmetic processing by the CPU 29 which is a computer control unit.

【0019】図3は、図2を補足説明するもので、超音
波パルスのタイムチャートである。
FIG. 3 is a supplementary explanation of FIG. 2 and is a time chart of ultrasonic pulses.

【0020】すなわち、送受信子9の送信パルス30,
受信信号31,ウィンドゲート25の出力信号32,ゼ
ロクロス検出器18の出力信号33および多段遅延回路
19の出力信号34がそれぞれ示されている。
That is, the transmission pulse 30,
The received signal 31, the output signal 32 of the window gate 25, the output signal 33 of the zero-cross detector 18, and the output signal 34 of the multi-stage delay circuit 19 are shown.

【0021】また、図4(a)〜(c)において、超音
波導波体1から時間T0で試料3に入射した超音波パル
スは、、図4(a)で示されるように、試料中心軸に平
行な縦波35と、中心軸と指向角をもつ縦波36によっ
て構成される。この場合、試料3の側面が平坦に仕上げ
られていると縦波36は、試料3の側面で反射して、縦
波反射波L36と横波反射波S36に分割される。しか
し、縦波反射波L36は、図4(b)で示されるよう
に、臨界角θで消滅し、横波反射波S36のみが存在す
る。そして、試料3中の縦波35および横波S36の音
速をVL,VSとすれば(1)式の関係が成立する。
4 (a) to 4 (c), the ultrasonic pulse incident on the sample 3 from the ultrasonic waveguide 1 at time T 0 is, as shown in FIG. It is composed of a longitudinal wave 35 parallel to the central axis and a longitudinal wave 36 having a directivity angle with the central axis. In this case, if the side surface of the sample 3 is finished flat, the longitudinal wave 36 is reflected on the side surface of the sample 3 and is divided into a longitudinal reflected wave L36 and a transverse reflected wave S36. However, as shown in FIG. 4B, the longitudinal reflected wave L36 disappears at the critical angle θ, and only the transverse reflected wave S36 exists. Then, when the acoustic velocity of the longitudinal waves 35 and shear waves S36 in sample 3 V L, and V S (1) expression of relation is established.

【0022】[0022]

【数1】 さらに、図4(b)において、超音波パルス35は、試
料3の端面で反射して、時間T1で超音波導波体1に入
射し、超音波パルス36は、縦波→横波→縦波と変換し
ながら、試料3の端面で反射して時間T2で超音波導波
体1に入射する。この結果、図4(c)から縦波および
横波の音速は、試料3の長さLおよび直径Dから、
(2)式および(3)式により求められる。ただし、
L》Dtanθとする。
(Equation 1) Further, in FIG. 4B, the ultrasonic pulse 35 is reflected on the end face of the sample 3 and is incident on the ultrasonic waveguide 1 at the time T1, and the ultrasonic pulse 36 is a longitudinal wave → lateral wave → vertical wave. while converting a wave incident on the ultrasonic waveguide 1 at time T 2 is reflected by the end surface of the specimen 3. As a result, the sound speeds of the longitudinal wave and the transverse wave are obtained from the length L and the diameter D of the sample 3 from FIG.
It is obtained by the equations (2) and (3). However,
L >> Dtan θ.

【0023】[0023]

【数2】 (Equation 2)

【0024】[0024]

【数3】 これに対し、試料3中の縦波・横波の音速VL,VSおよ
び試料3の密度ρから、固体弾性諸定数が(4)式〜
(10)式で与えられる。
(Equation 3) In contrast, the acoustic velocity V L of the longitudinal wave-shear in the sample 3, the density of V S and the sample 3 [rho, solid elastic various constants (4) -
It is given by equation (10).

【0025】[0025]

【数4】 (Equation 4)

【0026】[0026]

【数5】 (Equation 5)

【0027】[0027]

【数6】 (Equation 6)

【0028】[0028]

【数7】 (Equation 7)

【0029】[0029]

【数8】 (Equation 8)

【0030】[0030]

【数9】 (Equation 9)

【0031】[0031]

【数10】 また、図4(b)で示された超音波パルス35は、時間
1で超音波導波体1に入射するとともに、試料3の端
面で反射して、再び同一経路を経て超音波パルスエコー
となり、時間T3で超音波導波体1に入射する。
(Equation 10) The ultrasonic pulse 35 shown in FIG. 4B is incident on the ultrasonic waveguide 1 at time T 1 , is reflected on the end face of the sample 3, and again passes through the same path and the ultrasonic pulse echo. next, it enters the ultrasonic waveguide 1 at time T 3.

【0032】図4(c)は,超音波パルスの伝搬時間の
関係を示したもので、試料から反射された縦波、横波の
時間T2およびT3における超音波パルスの振幅のピーク
値A1およびA2がそれぞれ示されている。このピーク値
1およびA2からは、界面の反射を全反射とすれば、試
料3の内部摩擦Q-1が(11)式で与えられる。
FIG. 4C shows the relationship between the propagation time of the ultrasonic pulse and the peak value A of the amplitude of the ultrasonic pulse at the time T 2 and T 3 of the longitudinal and transverse waves reflected from the sample. 1 and A 2 are shown respectively. From the peak values A 1 and A 2 , if the reflection at the interface is total reflection, the internal friction Q −1 of the sample 3 is given by the equation (11).

【0033】[0033]

【数11】 ところで、前述したように、シリアルインターフェース
28から出力された時間T0′,T1′およびT2′は、
図3および図4(a)〜(c)から(12)式の時間関
係がある。
[Equation 11] By the way, as described above, the times T 0 ′, T 1 ′ and T 2 ′ output from the serial interface 28 are:
3 and FIGS. 4 (a) to 4 (c) show the time relationship of equation (12).

【0034】[0034]

【数12】 (12)式において、T0′はシングアラウンド周期か
ら求められ、T1′およびT2′は、ウインドゲート25
を超音波パルス22,23の計測用に順次セットするこ
とにより求められる。
(Equation 12) In the equation (12), T 0 ′ is obtained from the sing-around period, and T 1 ′ and T 2 ′ are obtained from the wind gate 25.
Are sequentially set for the measurement of the ultrasonic pulses 22 and 23.

【0035】(2)式,(3)式および(12)式から
は、縦・横波音速VLおよびVSが求められ、また、受信
パルス21,22の振幅のピーク値をそれぞれA5およ
びA6とすれば、内部摩擦Q-1は、(11)式によって
(13)式が与えられる。
From the equations (2), (3) and (12), the longitudinal and transverse wave velocities V L and V S are obtained, and the peak values of the amplitudes of the received pulses 21 and 22 are respectively represented by A 5 and A 5. Assuming that A 6 , the internal friction Q -1 is given by the equation (13) by the equation (11).

【0036】[0036]

【数13】 (13)式において、Cは、超音波導波体1および試料
3の間では、両者の有効断面積変化率Sと両者の接触媒
質4を含めた超音波パルスの往復実効音圧透過率Tか
ら、C=S/Tと表わされるものである。したがって、
Cの値は、前述したCPU29に予じめインプットして
おけばよい。また、前述した受信パルス21,22のピ
ークA5,A6は、ピーク検出器23で検出され、I/O
27を経て、シリアルインターフェース28からの出力
となる。
(Equation 13) In the equation (13), C is the effective cross-sectional area change rate S between the ultrasonic waveguide 1 and the sample 3 and the reciprocating effective sound pressure transmissivity T of the ultrasonic pulse including both the couplant 4. , C = S / T. Therefore,
The value of C may be input to the CPU 29 in advance. Further, the peaks A 5 and A 6 of the reception pulses 21 and 22 described above are detected by the peak detector 23, and the I / O is detected.
The signal is output from the serial interface 28 via the interface 27.

【0037】また、往復実効音圧透過率Tは、超音波導
波体1と試料3のそれぞれの音響インピーダンスをZ1
およびZ2とおいて、接触媒質4を無視すれば(14)
式となり、A6/A5は(15)式によって与えられる。
The effective reciprocating sound pressure transmissivity T is obtained by calculating the acoustic impedance of each of the ultrasonic waveguide 1 and the sample 3 by Z 1.
If the couplant 4 is ignored for Z and Z 2 , (14)
Where A 6 / A 5 is given by equation (15).

【0038】[0038]

【数14】 [Equation 14]

【0039】[0039]

【数15】 なお、内部摩擦を感度よく測定するためには、(15)
式から明らかなように、測定温度範囲内にわたって超音
波導波体1と試料3の音響インピーダンスが等しい(Z
1=Z2)か近接(Z1≒Z2)するように超音波導波体1
の材料を構成することが望ましい。また、安定した受信
パルス21,22を受けるためには、超音波導波体1中
の伝搬損失が僅少であることが必要である。
(Equation 15) In order to measure the internal friction with high sensitivity, (15)
As is apparent from the equation, the acoustic impedances of the ultrasonic waveguide 1 and the sample 3 are equal over the measurement temperature range (Z
1 = Z 2 ) or close to each other (Z 1 ≒ Z 2 )
It is desirable to constitute the material. Further, in order to receive the stable reception pulses 21 and 22, it is necessary that the propagation loss in the ultrasonic waveguide 1 is small.

【0040】本発明は、このようにしてヤング率,剛性
率,体積弾性率,ラーメパラメータ,ポアソン比,縦波
音速,横波音速,音速異方性係数および縦・横内部摩擦
について測定できることを詳述した。
According to the present invention, it is possible to measure the Young's modulus, the rigidity, the bulk modulus, the Lame parameter, the Poisson's ratio, the longitudinal wave speed, the transverse wave speed, the sound velocity anisotropy coefficient, and the longitudinal / lateral internal friction in this manner. I mentioned.

【0041】なお、本実施例では、縦形の測定装置を例
示しているが、横形の測定装置にも適用できるものであ
る。また、超音波パルスの測定系として、シングアラウ
ンドユニット11による場合を説示したが、送信パルス
から受信パルスまでの時間間隔を測定するようにしたパ
ルスエコー法による場合も適用できるものである。
In this embodiment, a vertical measuring device is exemplified, but the present invention can be applied to a horizontal measuring device. Further, although the case of using the single-around unit 11 as the measurement system of the ultrasonic pulse has been described, the case of the pulse echo method in which the time interval from the transmission pulse to the reception pulse is measured can also be applied.

【0042】[0042]

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、超音波
導波体1および試料3に超音波パルスを送受信して、演
算処理された試料3中の伝搬時間および減衰率から試料
3の弾性率,内耗,音速の変化が広範囲な低温条件下で
測定できるように構成したものである。したがって、従
来、測定できなかったヤング率,剛性率,体積弾性率,
ラーメパラメータ,ポアソン比および縦・横内部摩擦な
どの全動弾性率,内耗,音速の変化を同時に測定できる
ものである。この結果、材料設計で要求される広範囲に
わたるデータを短時間で、しかも高精度に提供できると
いう利点を有する。
According to the present invention, as described above, ultrasonic waves waveguide 1 Contact and sample 3 by transmitting and receiving ultrasonic pulses, the sample 3 from the propagation time and attenuation rate of the sample 3 which is processing It is designed to be able to measure changes in elastic modulus, internal wear, and sound speed under a wide range of low-temperature conditions. Therefore, Young's modulus, rigidity, bulk modulus,
It can simultaneously measure changes in total dynamic elasticity such as the Lame parameter, Poisson's ratio and longitudinal and lateral internal friction, internal wear, and sound speed. As a result, there is an advantage that a wide range of data required for material design can be provided in a short time and with high accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明弾性率,内耗,音速の低温の測定装置に
おける一実施例を示す概念的な説明図である。
FIG. 1 is a conceptual explanatory view showing one embodiment of a low-temperature measuring apparatus for elastic modulus, internal wear, and sound velocity according to the present invention.

【図2】シングアラウンドユニットにおける測定系を示
す系統図である。
FIG. 2 is a system diagram showing a measurement system in a sing-around unit.

【図3】図2を補足説明するタイムチャートである。FIG. 3 is a time chart for supplementarily explaining FIG. 2;

【図4】試料中の超音波パルスの経路および時間の説明
図で、図4(a)は、超音波導波体からの超音波パルス
の経路図,図4(b)は、試料中における超音波パルス
の臨界角θによる横波反射波の経路図,図4(c)は、
超音波パルスの伝搬時間および振幅ピーク値の関係図で
ある。
4A and 4B are explanatory diagrams of a path and a time of an ultrasonic pulse in a sample. FIG. 4A is a path diagram of an ultrasonic pulse from an ultrasonic waveguide, and FIG. The path diagram of the shear wave reflected wave by the critical angle θ of the ultrasonic pulse, FIG.
It is a relation diagram of the propagation time of an ultrasonic pulse and an amplitude peak value.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1a,1b 超音波導波体 2 クライオスタット 3 試料 5 袋ナット 7 埋込みねじ 8 加熱器または温水ジャケット 9 送受信子 9a 送信子 9b 受信子 10 外周ねじ 11 シングアラウンドユニット 20,21,22 超音波パルス 1, 1a, 1b Ultrasonic wave guide 2 Cryostat 3 Sample 5 Cap nut 7 Embedded screw 8 Heater or hot water jacket 9 Transceiver 9a Transmitter 9b Receiver 10 Outer thread 11 Singaround unit 20, 21, 22 Ultrasonic pulse

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−58913(JP,A) 特開 平5−215728(JP,A) 特開 昭63−246654(JP,A) 特開 平2−141643(JP,A) 特開 平2−305301(JP,A) 実公 昭43−7675(JP,Y1) 福原幹夫,超音波パルス利用による高 温材料物性同時測定装置−ヤング率等の 全動弾性率、ポアソン比、縦・横内耗 −,ニューセラミックス1992年10月号, 日本,1992年 9月25日,VOL.5 /NO.10/PAGE.77−82 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 29/00 - 29/28 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) References JP-A-6-58913 (JP, A) JP-A-5-215728 (JP, A) JP-A-63-246654 (JP, A) JP-A-2-141463 (JP, A) , A) JP-A-2-305301 (JP, A) Jikken Sho 43-7675 (JP, Y1) Mikio Fukuhara, Simultaneous measurement of physical properties of high-temperature materials using ultrasonic pulses-Total dynamic elastic modulus such as Young's modulus, Poisson's ratio, vertical and horizontal wear-New Ceramics, October 1992, Japan, September 25, 1992, VOL. 5 / NO. 10 / PAGE. 77-82 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 29/00-29/28 JICST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 超音波導波体の一端には、送受信子が備
えられ、また他端には、ホルダによって試料が取付けら
れるとともに、この試料には、超音波導波体を介して超
音波パルスが送受信されるようにした弾性率,内耗,音
速の低温測定装置において、 前記超音波導波体は、その外周面に外周ねじが形成され
るとともに、その一部が、低温度領域の温度調整可能な
クライオスタット内に挿入され、またその反対端には、
前記送受信子を常温状態に保持する加熱器または温水ジ
ャケットが備えられ 前記試料は、軸部分の一端にフランジを形成した断面略
T字形の棒状体からなり、 前記ホルダは、超音波導波体および試料よりも熱膨張係
数の大きい材料で形成され、しかも超音波導波体の前記
外周ねじに螺合する袋ナットを構成することにより、試
料のフランジ部分を取付けるようになっており、 前記送受信子は、前記試料に対して、縦波超音波パルス
を送信して、縦波反射波および横波反射波を受信すると
ともに、この送受信子には、超音波パルスの繰返し発振
によって同一閉回路を構成する測定系ユニットが接続さ
れ、超音波パルスの送受信によって計測された伝搬時間
および減衰率を演算処理して、試料の弾性率,内耗,音
速を測定するように したことを特徴とする弾性率,内
耗,音速の低温測定装置。
A transceiver is provided at one end of an ultrasonic waveguide.
At the other end, a sample is attached by a holder.
At the same time, this sample is
Elastic modulus, inner wear, and sound that allow sound wave pulses to be transmitted and received
In the low temperature measuring device of speed, the ultrasonic waveguide, along the outer peripheral screw is formed on the outer peripheral surface thereof, a part thereof is inserted into a temperature adjustable within the cryostat of the low temperature region, or vice versa At the end,
A heater or a hot water jacket for holding the transmitter / receiver in a normal temperature state is provided, and the sample has a cross-sectional shape in which a flange is formed at one end of a shaft portion.
The holder is made of a T-shaped rod, and the holder is more thermally expanding than the ultrasonic waveguide and the sample.
Formed of a large number of materials, and the ultrasonic waveguide
By configuring a cap nut to be screwed into the outer thread,
A flange portion of the sample is attached to the sample, and the transmitter and receiver are arranged so that a longitudinal ultrasonic pulse is applied to the sample.
When the longitudinal wave and the transverse wave are received,
In both cases, this transmitter / receiver has a repetitive ultrasonic pulse
The measurement system units that constitute the same closed circuit
Propagation time measured by transmitting and receiving ultrasonic pulses
Calculates the elastic modulus, internal wear and sound of the sample
Elastic modulus being characterized in that so as to measure the speed, the inner Worn, sound speed of the low-temperature measurement device.
【請求項2】 前記超音波導波体は、試料の音響インピ
ーダンスに略等しい材質からなっている請求項1記載の
弾性率,内耗,音速の低温測定装置。
Wherein said ultrasonic waveguide has an elastic modulus of claim 1 Symbol mounting consists substantially equal material to the acoustic impedance of the sample, the inner Worn, sound speed of the low-temperature measurement device.
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福原幹夫,超音波パルス利用による高温材料物性同時測定装置−ヤング率等の全動弾性率、ポアソン比、縦・横内耗−,ニューセラミックス1992年10月号,日本,1992年 9月25日,VOL.5/NO.10/PAGE.77−82

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