JP3373609B2 - 超音波式材料特性値測定装置およびその測定方法 - Google Patents
超音波式材料特性値測定装置およびその測定方法Info
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広範囲の温度条件下に
おいて、金属、セラミックス、アモルファス（ガラスを
含む）、高分子材料などからなる試料の弾性率、ポアソ
ン比、ラーメパラメータ、音速異方性、内部摩擦などの
材料特性値を算出する測定装置に関し、特に高精度の測
定ができるようにしたものである。
おいて、金属、セラミックス、アモルファス（ガラスを
含む）、高分子材料などからなる試料の弾性率、ポアソ
ン比、ラーメパラメータ、音速異方性、内部摩擦などの
材料特性値を算出する測定装置に関し、特に高精度の測
定ができるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、金属、セラミックス、高分子材料
などの各種固体材料の材料特性値を測定する装置として
は、たとえば、縦弾性率は引張・圧縮試験機、内部摩擦
については共振法を用いた測定機があげられる。
などの各種固体材料の材料特性値を測定する装置として
は、たとえば、縦弾性率は引張・圧縮試験機、内部摩擦
については共振法を用いた測定機があげられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】発明者等は、従来の技
術とはまったく異なる発想のもとに研究を行ない、低温
から高温までの広範囲の温度条件において、各種固体材
料の諸特性値を一台の測定装置により、極めて短時間に
測定できる装置をすでに開発している。この装置は、雰
囲気炉内に挿入した試料の一端に超音波導波体を介して
超音波パルスを印加し、試料からのパルスエコーの波
形、波形位置および波高値を計測することにより材料特
性値を算出するもので、算出できる材料特性値は、縦波
音速、横波音速、ヤング率、剛性率、体積弾性率、圧縮
率、ポアソン比、ラーメパラメータ、音速異方性係数、
縦波内部摩擦、横波内部摩擦の１１種類である。
術とはまったく異なる発想のもとに研究を行ない、低温
から高温までの広範囲の温度条件において、各種固体材
料の諸特性値を一台の測定装置により、極めて短時間に
測定できる装置をすでに開発している。この装置は、雰
囲気炉内に挿入した試料の一端に超音波導波体を介して
超音波パルスを印加し、試料からのパルスエコーの波
形、波形位置および波高値を計測することにより材料特
性値を算出するもので、算出できる材料特性値は、縦波
音速、横波音速、ヤング率、剛性率、体積弾性率、圧縮
率、ポアソン比、ラーメパラメータ、音速異方性係数、
縦波内部摩擦、横波内部摩擦の１１種類である。
【０００４】ところで、この測定装置にはアナログ式波
形記録装置を使用しているが、ある特定の温度で液相の
出現する材料については、その温度域において超音波が
著しく減衰して測定が困難となる。また、析出合金や鋳
造合金のように、超音波パルスエコーの散乱が著しい材
料についても、測定がほとんど困難であることが分って
きた。
形記録装置を使用しているが、ある特定の温度で液相の
出現する材料については、その温度域において超音波が
著しく減衰して測定が困難となる。また、析出合金や鋳
造合金のように、超音波パルスエコーの散乱が著しい材
料についても、測定がほとんど困難であることが分って
きた。
【０００５】そこで、しきい値を設定し、アナログの超
音波パルスエコーの信号より計測する方法を試みたが、
前記の如き材料は、パルスエコーの重複などに起因する
しきい値の変動が激しいため、超音波パルスの印加電圧
を高圧にしたとしても、捕束不良を起こすか、検出不能
に陥り、計測は不可能であった。
音波パルスエコーの信号より計測する方法を試みたが、
前記の如き材料は、パルスエコーの重複などに起因する
しきい値の変動が激しいため、超音波パルスの印加電圧
を高圧にしたとしても、捕束不良を起こすか、検出不能
に陥り、計測は不可能であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
問題を解決するためになされたもので、解決の手段とし
て、アナログ式波形記録装置に代えて、デジタル式波形
記憶装置にてパルスエコー全体の捕束を行なうととも
に、試料の温度測定データもデジタル化して同時記憶す
るようにしたものである。そして、本装置により記憶さ
れたデジタル波形を抽出し、温度および時間を関数とし
た三次元解析を行なうことにより、検出すべきパルスエ
コーに試料の材料的諸現象に起因する変化がおこって
も、その試料温度の前後の温度での波形との比較から異
常値として補正できるようになり、パルスエコーの波
形、波形位置および波高値が確定できるようになる。
問題を解決するためになされたもので、解決の手段とし
て、アナログ式波形記録装置に代えて、デジタル式波形
記憶装置にてパルスエコー全体の捕束を行なうととも
に、試料の温度測定データもデジタル化して同時記憶す
るようにしたものである。そして、本装置により記憶さ
れたデジタル波形を抽出し、温度および時間を関数とし
た三次元解析を行なうことにより、検出すべきパルスエ
コーに試料の材料的諸現象に起因する変化がおこって
も、その試料温度の前後の温度での波形との比較から異
常値として補正できるようになり、パルスエコーの波
形、波形位置および波高値が確定できるようになる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の超音波式材料特性値測定装置
およびその測定方法に関わる一実施例を図を参照しなが
ら説明する。
およびその測定方法に関わる一実施例を図を参照しなが
ら説明する。
【０００８】図１は、本発明による測定装置および測定
系統図である。本図において、外周面にねじ状の凹凸を
形成した棒状体からなる超音波導波体１は、その一部が
温度調節可能な雰囲気炉２内に挿入され、その挿入端に
はフランジ部を備えた棒状の試料３が取付けられてい
る。本事例では、試料３は、金属、テフロン、ビニール
などの接触媒質４を介して袋ナット５のねじ力により固
定されるているが、表面精度を高めれば接触媒質４は必
ずしも必要としない。
系統図である。本図において、外周面にねじ状の凹凸を
形成した棒状体からなる超音波導波体１は、その一部が
温度調節可能な雰囲気炉２内に挿入され、その挿入端に
はフランジ部を備えた棒状の試料３が取付けられてい
る。本事例では、試料３は、金属、テフロン、ビニール
などの接触媒質４を介して袋ナット５のねじ力により固
定されるているが、表面精度を高めれば接触媒質４は必
ずしも必要としない。
【０００９】前記雰囲気炉２は、液体窒素、クライオス
タット、赤外線イメ−ジ炉、抵抗加熱炉などを使用する
ことにより、最低到達温度４Ｋ程度から、加熱装置によ
り最高到達温度２３７３Ｋ程度まで温度コントロールで
きる雰囲気炉であることが好ましい。同時に、雰囲気炉
２内は、０．００１気圧から５気圧までの空気、酸素、
窒素、アルゴンおよびヘリウムなどのガスあるいは１０
-4Ｔｏｒｒまでの真空を保持できる雰囲気炉であること
が好ましい。
タット、赤外線イメ−ジ炉、抵抗加熱炉などを使用する
ことにより、最低到達温度４Ｋ程度から、加熱装置によ
り最高到達温度２３７３Ｋ程度まで温度コントロールで
きる雰囲気炉であることが好ましい。同時に、雰囲気炉
２内は、０．００１気圧から５気圧までの空気、酸素、
窒素、アルゴンおよびヘリウムなどのガスあるいは１０
-4Ｔｏｒｒまでの真空を保持できる雰囲気炉であること
が好ましい。
【００１０】前記超音波導波体１は、挿入端の反対端が
前記雰囲気炉２の外に出ている。この反対端には超音波
パルスの送受信子６と、送受信子６を冷却または加熱し
て常温に保つための温度調節器７が備わっている。超音
波導波体１は、超音波伝播損失が少なく、耐寒、耐熱性
を有する材料が好ましく、例えば、測定温度１０７３Ｋ
以下ではステンレス鋼もしくはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金、１３７３Ｋ以上では高密度黒鉛、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4
系焼結体があげられる。
前記雰囲気炉２の外に出ている。この反対端には超音波
パルスの送受信子６と、送受信子６を冷却または加熱し
て常温に保つための温度調節器７が備わっている。超音
波導波体１は、超音波伝播損失が少なく、耐寒、耐熱性
を有する材料が好ましく、例えば、測定温度１０７３Ｋ
以下ではステンレス鋼もしくはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合
金、１３７３Ｋ以上では高密度黒鉛、ＳｉＣ、Ｓｉ3Ｎ4
系焼結体があげられる。
【００１１】本装置は、以上の如き測定装置本体部分の
ほか、超音波パルス発振器８、デジタル式波形記憶装置
９、デジタル温度計１０およびデータ処理機器により構
成される。デジタル式波形記憶装置９には、パルサーレ
シーバーやデジタルオシロスコープが使われる。データ
処理機器は、たとえばパソコン１１などのコンピュータ
とディスク１２などの記憶装置、プリンタ１３およびデ
ィスプレイ１４等により構成される。
ほか、超音波パルス発振器８、デジタル式波形記憶装置
９、デジタル温度計１０およびデータ処理機器により構
成される。デジタル式波形記憶装置９には、パルサーレ
シーバーやデジタルオシロスコープが使われる。データ
処理機器は、たとえばパソコン１１などのコンピュータ
とディスク１２などの記憶装置、プリンタ１３およびデ
ィスプレイ１４等により構成される。
【００１２】デジタル温度計１０は、試料３と直接に熱
電対１５で結ばれていて、試料３の温度が逐次観測でき
る。熱電対１５は、通常は白金と白金−ロジウム合金対
を使用するが、３００Ｋ以下では銅と銅−タンタル合金
対を使用し、１８７３Ｋを超える温度まで測定するとき
にはタングステンとタングステン−レニウム合金対を使
うとよい。温度計測のデータは、ＲＳ−２３２Ｃ準拠の
シリアルインターフェース１６を介してパソコン１１に
送られる。
電対１５で結ばれていて、試料３の温度が逐次観測でき
る。熱電対１５は、通常は白金と白金−ロジウム合金対
を使用するが、３００Ｋ以下では銅と銅−タンタル合金
対を使用し、１８７３Ｋを超える温度まで測定するとき
にはタングステンとタングステン−レニウム合金対を使
うとよい。温度計測のデータは、ＲＳ−２３２Ｃ準拠の
シリアルインターフェース１６を介してパソコン１１に
送られる。
【００１３】いま、デジタル式波形記憶装置９の内蔵機
能である遅延回路１７／同期パルス発振１８／超音波パ
ルス発振１９を経て送受信子６より送信された超音波パ
ルスは、超音波導波体１および試料３の中を往復伝播し
た後、再び送受信子６へ帰還する。この受信アナログ信
号は、増幅器２０で適切な電圧レベルに増幅された後、
トリガ２１に同期し、Ａ／Ｄ変換器２２に送られる。ゲ
ート／アドレスカウンタ２３はメモリ２４のアドレスを
指定するもので、指定されたアドレスに順次デジタルデ
−タが蓄積される。
能である遅延回路１７／同期パルス発振１８／超音波パ
ルス発振１９を経て送受信子６より送信された超音波パ
ルスは、超音波導波体１および試料３の中を往復伝播し
た後、再び送受信子６へ帰還する。この受信アナログ信
号は、増幅器２０で適切な電圧レベルに増幅された後、
トリガ２１に同期し、Ａ／Ｄ変換器２２に送られる。ゲ
ート／アドレスカウンタ２３はメモリ２４のアドレスを
指定するもので、指定されたアドレスに順次デジタルデ
−タが蓄積される。
【００１４】このデジタルデータは、バス２５およびＧ
Ｐ−ＩＢケ−ブルを通じてパソコン１１に転送される。
パソコン１１は、波形デ−タと試料３の温度をディスプ
レイ１４に表示するとともに、その両デ−タをディスク
１２などの記憶装置に書込む。なお、遅延回路１７は一
定温度での測定において効果的であるが、昇温または降
温中の測定においては必ずしも必要でない。
Ｐ−ＩＢケ−ブルを通じてパソコン１１に転送される。
パソコン１１は、波形デ−タと試料３の温度をディスプ
レイ１４に表示するとともに、その両デ−タをディスク
１２などの記憶装置に書込む。なお、遅延回路１７は一
定温度での測定において効果的であるが、昇温または降
温中の測定においては必ずしも必要でない。
【００１５】さて、この装置を使用して材料特性値を算
出する方法は以下のとおりである。図２に試料３中の超
音波パルスの経路を示す。
出する方法は以下のとおりである。図２に試料３中の超
音波パルスの経路を示す。
【００１６】超音波導波体１から試料３の中心軸に平行
に入射した超音波パルスは縦波２６になる。一方、試料
３の中心軸にある角度をもって入射した超音波パルス
は、試料３の側面にぶつかったあと、同一角度の反射波
と臨界角θの反射波とに分割されるが、前者は臨界角θ
で消滅するため、臨界角θに誘発した横波２７のみが存
在することになる。ここで、縦波２６および横波２７の
音速をそれぞれＶL、ＶSとおくと数１が成立する。
に入射した超音波パルスは縦波２６になる。一方、試料
３の中心軸にある角度をもって入射した超音波パルス
は、試料３の側面にぶつかったあと、同一角度の反射波
と臨界角θの反射波とに分割されるが、前者は臨界角θ
で消滅するため、臨界角θに誘発した横波２７のみが存
在することになる。ここで、縦波２６および横波２７の
音速をそれぞれＶL、ＶSとおくと数１が成立する。
【００１７】
【数１】
さて、試料３に時間Ｔ1で入射した超音波パルス２６
は、試料３の端面で反射し、時間Ｔ2で超音波導波体１
に入射する。一方、超音波パルス２７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Ｔ3
で超音波導波体１に入射する。図３に時間Ｔ1、Ｔ2およ
びＴ3の関係を示す。試料３の長さをＬ、直径をＤとす
れば、縦波および横波の音速は数２および数３から求ま
る。ただし、Ｌ≧Ｄｔａｎθとする。
は、試料３の端面で反射し、時間Ｔ2で超音波導波体１
に入射する。一方、超音波パルス２７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Ｔ3
で超音波導波体１に入射する。図３に時間Ｔ1、Ｔ2およ
びＴ3の関係を示す。試料３の長さをＬ、直径をＤとす
れば、縦波および横波の音速は数２および数３から求ま
る。ただし、Ｌ≧Ｄｔａｎθとする。
【００１８】
【数２】
【００１９】
【数３】
これに対し、試料３の密度をρとすれば、固体弾性諸定
数は数４〜数１０で与えられる。
数は数４〜数１０で与えられる。
【００２０】
【数４】
【００２１】
【数５】
【００２２】
【数６】
【００２３】
【数７】
【００２４】
【数８】
【００２５】
【数９】
【００２６】
【数１０】
次に、図３に示すように、時間Ｔ1、Ｔ2およびＴ3にお
いて超音波導波体１に入射した超音波パルスの振幅のピ
ーク値をそれぞれＡ1、Ａ2およびＡ3とする。界面の反
射を全反射とすれば、試料３の内部摩擦は数１１で与え
られる。ただし、ｆは超音波の周波数である。
いて超音波導波体１に入射した超音波パルスの振幅のピ
ーク値をそれぞれＡ1、Ａ2およびＡ3とする。界面の反
射を全反射とすれば、試料３の内部摩擦は数１１で与え
られる。ただし、ｆは超音波の周波数である。
【００２７】
【数１１】
以上の如き計算を進めるにあたり、時間Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3
および超音波パルスの振幅のピーク値Ａ1、Ａ2、Ａ3を
求める必要がある。本発明は、図４に示すように、デジ
タル温度計から送信される温度データと遅延回路／同期
パルス発振／超音波パルス発振を経て試料３から送信さ
れる超音波パルスエコーの波形から、試料温度と時間を
関数とする三次元解析をパソコン内で行ない、おのおの
のピーク値における前後データの比較することにより異
常値や測定困難値を補正して求めるようにしたものであ
る。
および超音波パルスの振幅のピーク値Ａ1、Ａ2、Ａ3を
求める必要がある。本発明は、図４に示すように、デジ
タル温度計から送信される温度データと遅延回路／同期
パルス発振／超音波パルス発振を経て試料３から送信さ
れる超音波パルスエコーの波形から、試料温度と時間を
関数とする三次元解析をパソコン内で行ない、おのおの
のピーク値における前後データの比較することにより異
常値や測定困難値を補正して求めるようにしたものであ
る。
【００２８】
【発明の効果】以上のように、本発明になる超音波式材
料特性値測定装置およびその測定方法を用いることによ
り、従来より測定困難であった特定温度域での測定が可
能となるほか、温度変動に対しても中断することなしに
連続的な計測が可能となる。また、従来、測定できなか
った一部材料についても本発明によって測定できるよう
になる。
料特性値測定装置およびその測定方法を用いることによ
り、従来より測定困難であった特定温度域での測定が可
能となるほか、温度変動に対しても中断することなしに
連続的な計測が可能となる。また、従来、測定できなか
った一部材料についても本発明によって測定できるよう
になる。
【図１】本発明になる測定装置に関わる一実施例を示す
概念的な測定系統図である。
概念的な測定系統図である。
【図２】試料中に送信された超音波パルスの進行状態を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図３】超音波パルスの伝播時間および振幅ピーク値の
関係図である。
関係図である。
【図４】パルスエコーの波形を、試料温度と時間を関数
として表わしたときの解析図である。
として表わしたときの解析図である。
１ 超音波導波体
２ 雰囲気炉
３ 試料
６ 送受信子
７ 温度調節器
２６、２７ 超音波パルス
─────────────────────────────────────────────────────
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 29/00 - 29/28
G01N 25/00 - 25/72
Claims (2)
- 【請求項１】 任意の温度条件下においた試料の一端を
固定し、固定された一端に超音波導波体を介して超音波
パルスを印加し、試料からのパルスエコーの波形、波形
位置および波高値を計測することにより、試料の音速、
弾性率、ポアソン比、ラーメパラメータ、音速異方性係
数、内部摩擦などの材料特性値を算出できるようにした
超音波式材料特性値測定装置において、 前記試料からのパルスエコーをデジタル式波形記憶装置
に記憶するとともに、試料の温度および時間のデジタル
データとして同時に記憶するようにしたことを特徴とす
る超音波式材料特性値測定装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載したデジタル式波形記憶
装置に記憶されたパルスエコーを連続的に抽出し、同時
測定した試料の温度および時間を関数とする三次元解析
を行なうことにより異常値を補正し、前記材料特性値を
確定できるようにした請求項１記載の測定装置を用いた
測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22640093A JP3373609B2 (ja) | 1993-08-19 | 1993-08-19 | 超音波式材料特性値測定装置およびその測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22640093A JP3373609B2 (ja) | 1993-08-19 | 1993-08-19 | 超音波式材料特性値測定装置およびその測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0755776A JPH0755776A (ja) | 1995-03-03 |
| JP3373609B2 true JP3373609B2 (ja) | 2003-02-04 |
Family
ID=16844536
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22640093A Expired - Fee Related JP3373609B2 (ja) | 1993-08-19 | 1993-08-19 | 超音波式材料特性値測定装置およびその測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3373609B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MX2011011808A (es) | 2009-05-07 | 2012-02-13 | Rosemarie Wysoczki De Sanchez | Cerrojo magnetico, llave magnetica y combinacion de los mismos. |
| CN114295265B (zh) * | 2021-09-15 | 2023-11-14 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心 | 一种gis盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统 |
-
1993
- 1993-08-19 JP JP22640093A patent/JP3373609B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0755776A (ja) | 1995-03-03 |
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