JP3733429B2

JP3733429B2 - 弾性係数測定装置

Info

Publication number: JP3733429B2
Application number: JP2003313812A
Authority: JP
Inventors: 徹今村; 恭彦中川
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: JP2005083797A

Description

本発明は、試料である被測定固体物質中の超音波疎密波速度測定と、被測定固体物質中の超音波せん断波速度測定、及び被測定固体物質の密度測定に基づいて、固体物質の各種弾性係数をそれぞれ導出可能な弾性係数測定装置に関するものである。

さらに、本発明は、被測定固体物質に力学的な一方向性がある場合には、被測定固体物質中の超音波疑似疎密波速度と、被測定固体物質中の超音波疑似せん断波速度も併せて測定して、被測定固体物質の各種弾性係数を導出することのできるものである。

固体物質の弾性係数は、固体物質を利用する様々な構造物の機械設計や土木建築設計に於いて、最も基本的で且つ重要な力学的特性である。従来、固体物質の弾性係数測定を目的とした装置としては、準静的に稼働する引っ張り試験機などが主として用いられている。従来、固体物質の弾性係数を導出するため超音波速度を利用した装置は知られている。

そして、精密な超音波速度の測定については、超音波シングアラウンド測定装置が開発されている（特許文献１参照）。
特公昭５８−１３７２号公報

固体物質の弾性係数を導出するため超音波速度を利用した従来の装置は、振動子を被測定固体物質に圧着したり接着したりする必要があるために、簡便性、再現性、信頼性などを重視する実務に適用する目的においては、不十分なものに止まっている。

本発明は、従来の問題点を解決することを目的とするものであり、超音波速度を利用し、振動子を被測定固体物質には接触させない構成で、固体物質の弾性係数を導出するための実用的な測定装置を実現することを課題とする。

本発明者は、液体媒質中から被測定固体物質中への超音波入射角を適切に選択することで、被測定固体物質中には、疎密波とせん断波をそれぞれ選択して伝搬させる、即ち、超音波入射角が、被測定固体物質中の超音波疎密波に対する臨界角を超えた角度の領域では、超音波せん断波が被測定固体物質中へ、測定対象としても十分な大きさの信号として伝搬するので、この現象を利用し、超音波疎密波速度と超音波せん断波速度を、それぞれ独立に測定することができるという新規な知見を得て、この知見の基に固体物質の弾性係数を導出するための実用的な測定装置を実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、超音波パルス発振器、送信振動子、受信振動子及び液体媒質を入れた液槽とを有する液浸式超音波シングアラウンド測定装置と、角度設定保持器と、密度測定機と、情報処理装置とを備えた弾性係数測定装置であって、上記角度設定保持器は、送信振動子と受信振動子の中間に被測定固体物質を支持し、液体媒質中から被測定固体物質中への超音波入射角の角度値を設定することができるものであり、上記密度測定機及び情報処理装置は、周知の密度測定機及びコンピュータを利用し、この情報処理装置では、液浸式超音波シングアラウンド測定装置と密度測定機による測定結果に基づいて演算処理し、被測定固体物質の弾性係数が求められることを特徴とする弾性係数測定装置を提供する。

上記の角度設定保持器は、液体媒質から被測定固体物質への超音波入射角を、被測定固体物質に対する疎密波の臨界角を超える角度になるように設定されることで、被測定固体物質中のせん断波速度を測定することが可能であり、上記臨界角は、上記液体媒質中の超音波速度と上記被測定固体物質中の超音波速度から、スネルの法則に基づいて定まるものであることを特徴とする。

上記の角度設定保持器は、装着される板状の被測定固体物質を板の面内で回転する機能を備え、被測定固体物質中の疎密波速度と、被測定固体物質中のせん断波速度に加えて、被測定固体物質中の疑似疎密波速度と、被測定固体物質中の疑似せん断波速度を測定することができる。

上記送信振動子及び上記受信振動子は、いずれも正方形平面振動子である構成としてもよい。

本発明に係る弾性係数測定装置は、以下に記載されるような効果を奏する。

本発明に係る超音波シングアラウンド測定では、被測定固体物質を液体媒質に浸して、被測定固体物質に非接触な測定が可能であるために、測定の簡便さ、安定性、信頼性などにおいて優れており、その測定結果を利用し、固体物質の各種弾性係数を、簡便に、安定に、信頼して得ることが可能となり、様々な機械設計や土木建築設計に於いて重要なデータを、実際的に豊富に提出する道を拓くことができる。

本発明による超音波シングアラウンド測定では、液体媒質から被測定固体物質への超音波入射角を適切に選択することにより、被測定固体物質中の超音波疎密波速度と超音波せん断波速度を、それぞれ独立して求め、特に、超音波入射角が、被測定固体物質中の超音波疎密波に対する臨界角を超えた角度の領域では、超音波せん断波が被測定固体物質中へ、測定対象としても十分な大きさの信号として伝搬するので、これを弾性係数の測定に利用することが可能となる。

本発明による超音波シングアラウンド測定では、振動子の形状を、円形平面状ではなくて、正方形平面状にすれば、超音波音場の軸対象性が消失するので、超音波回折の効果に基づく超音波音場の複雑さが著しく減少する。このため、正方形平面状の振動子は、被測定固体物質中の超音波疎密波速度と超音波せん断波速度を測定する目的に適している。

本発明の発明を実施するための最良形態について、実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

本発明に係る弾性係数測定装置は、液浸式超音波シングアラウンド測定装置と、密度測定機と、情報処理装置とから構成される。ここで、「液浸式超音波シングアラウンド測定装置」とは、被測定固体物質を液体媒質中に浸して超音波シングアラウンド測定を行う装置をいう。

液浸式超音波シングアラウンド測定装置１は、超音波シングアラウンド測定技術に基づいて、被測定固体物質（図１中の試料７）中の超音波疎密波速度と超音波せん断波速度の両方を共に測定するものである。

密度測定機及び情報処理装置は、周知の密度測定機及びコンピュータを利用すればよいので、特に図示はしない。情報処理装置は、液浸式超音波シングアラウンド測定装置１と密度測定機による測定結果に基づいて演算処理し、被測定固体物質７の各種弾性係数が求められる装置である。

本発明に係る弾性係数測定装置は、液浸式超音波シングアラウンド測定装置１に特徴を有するものであり、以下液浸式超音波シングアラウンド測定装置１を中心にして説明を進める。その構成は、液浸式超音波シングアラウンド測定装置本体２と、送信振動子３と、受信振動子４と、液体媒質５を入れた液槽６と、被測定固体物質７をその保持角度を調整して保持することのできる角度設定保持器８とを備えている。

本発明に係る液浸式超音波シングアラウンド測定装置１は、非接触法で被測定固体物質中の超音波疎密波速度と超音波せん断波速度を、それぞれ独立して測定し、この超音波疎密波速度と超音波せん断波速度から被測定固体物質７の弾性係数を得るデータを提供するものである。

本発明者は、液体媒質から被測定固体物質への超音波入射角を適切に選択することで、被測定固体物質中には、疎密波とせん断波をそれぞれ選択して伝搬させ、超音波疎密波速度と超音波せん断波速度を、それぞれ独立に測定することができるという知見を得て、これを利用し、超音波疎密波速度と超音波せん断波速度を、それぞれ独立して測定する構成を想到した。

具体的には、本発明は、液体媒質から被測定固体物質への超音波入射角が、被測定固体物質中の疎密波に対する臨界角を超えた角度の領域では、せん断波が被測定固体物質中へ、測定対象としても十分な大きさの信号として伝搬するので、この現象を旨く利用し、単一の超音波伝達測定系を利用して、被測定固体物質中の超音波疎密波速度と共に、被測定固体物質中の超音波せん断波速度を測定可能とする構成を特徴とするものである。

本発明に係る弾性係数測定装置の特徴とする液浸式超音波シングアラウンド測定装置１のさらに具体的な構成について図１、９、１０、１１、１２を参照にして説明する。液浸式超音波シングアラウンド測定装置１は、液浸式超音波シングアラウンド測定装置本体２を有する。

この液浸式超音波シングアラウンド測定装置本体２は、図１に示すように、ＡＧＣ増幅器９、信号特徴抽出器（１例として、トリガレベル設定器１０が使用される。以下、本実施例ではこのトリガレベル設定器１０を使用した場合で説明する。）、同期パルス発信器１１、超音波パルス発振器１２等を備えており、送信振動子３と受信振動子４とでシングアラウンド（送信振動子から送信された超音波が試料中を伝搬して受信振動子に到達し、増幅器によって増幅されて、再び送信振動子を駆動する系）を構成している。さらに、同期パルス発信器１１の出力部に接続されるカウンター１３を備えている

この液浸式超音波シングアラウンド測定装置１は、被測定固体物質７中のせん断波速度を測定する目的で、液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角を、後述するが、被測定固体物質７に対する疎密波の臨界角を超える角度に設定する必要がある。この臨界角は、液体媒質５中の超音波速度と被測定固体物質７中の超音波速度から、スネルの法則に基づいて定まるもので、一般には入射角９０度近辺までが対象となる。

そのために、本発明では、液体媒質５を入れた液槽６内に、送信振動子３と受信振動子４とを備えており、これら一対の超音波振動子３、４の中間に被測定固体物質７を配置し、この被測定固体物質７を角度設定保持器８によって保持し、液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角を適切な角度値に設定することのできる構成とした。

このように被測定固体物質７を角度設定保持器８によって保持し、超音波入射角を適切な角度値に設定する構成を、図９〜１２において説明する。液槽６の上方を橋絡する橋絡台１４が配設されている。この橋絡台１４を貫通し軸受１５で回転可能に軸支されるように角度調節軸１６が鉛直方向に配設されている。角度調節軸１６の下部には被測定固体物質７を把持する把持部１７が設けられている。被測定固体物質７は、把持部１７内に嵌着され、その外面に止め片１９を当接して取り付けられる。この止め片１９は、把持部１７にねじ２０で止めることにより固定される。

特に、図１１、１２で示すものは、板状の被測定固体物質７を、目的とする面内回転角度で把持する手段を、さらに備えたものである。図１１に示すものでは、力学的に一方向性（この図の例では縦方向）のある被測定固体物質７を、把持部１７で、角度調節軸１６の方向に把持している。また、図１２に示すものでは、力学的に一方向性のある被測定固体物質７を、把持部１７内で図１１に示す向きに対して９０°回転し、角度調節軸１６の軸心に対して直角に交わる方向に把持している。

角度調節軸１６の上端にはハンドル１８が設けられ、ハンドル１８を操作することにより、角度調節軸１６を介して被測定固体物質７への超音波入射角を調整することができる。

ところで、板状の形状をした被測定固体物質７としては測定部分の面積は大きい方が望ましいが、他方では、その被測定固体物質７を、送信振動子３と受信振動子４からなる測定の軸に対して大きな角度にまで回転しなくてはならない。そのため、送信振動子３と受信振動子４の間隔を十分に大きく取って、被測定固体物質７が、角度を変えても振動子に当たらないようにすると共に、超音波が無理なく自然に伝搬する様に、超音波伝搬経路を整える必要がある。

また、円形平面状の振動子により構成される超音波伝達系では、超音波回折の効果があるために、著しく複雑な超音波音場を示す場合がある。ところが、正方形平面状の振動子で超音波伝達系を構成すると、超音波音場の軸対象性に起因する特異性は現れないという特徴がある。そこで、本発明では、正方形平面振動子によって超音波伝達測定系を構成することで、超音波伝搬経路を改善した。

そして、正方形平面振動子を用いる超音波伝達測定系に於いては、送信振動子３に対して受信振動子４が、互いに平行な位置からティルトして傾いた際にも、超音波音場の理論的考察が可能である。そのため、正方形平面振動子で構成される超音波伝達系に於いては、超音波の伝搬経路に関して定量的な把握がなされて、超音波速度測定の精度が向上する。

更に焼結セラミックの製造工程に於いて、振動子を正方形平面状に成形することは、振動子を円形平面状に成形する場合に比べて、製造が容易でコストを減少させることができる。この点は、本発明による弾性係数測定装置を普及する上では重要である。

さらに、図２〜８を加えて、本発明に係る弾性係数測定装置、特に、本発明に係る弾性係数測定装置における液浸式超音波シングアラウンド測定装置を利用した超音波速度測定を説明する。

送信振動子３と受信振動子４は一対の測定部位にある。図２に示すように、液体媒質５の中に浸した送信振動子３と受信振動子４の間に被測定固体物質７を浸して配置し、送信振動子３から液体媒質５へ超音波を送信する。

液体媒質５を伝搬する超音波は被測定固体物質７に到達し、そこで超音波エネルギーの一部は被測定固体物質７に透過し、一部は液体媒質５に反射する。被測定固体物質７に透過した超音波は、被測定固体物質７の他端に到達すると、以前と同様に超音波エネルギーの一部は液体媒質５を透過し、一部は被測定固体物質７に反射する。

図２において、送信振動子３と受信振動子４の間隔をｌ（エル）とし被測定固体物質７の厚さをｄとする。液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角をｉとし、被測定固体物質７における超音波屈折角をｔとする。更に、被測定固体物質７中を伝搬する超音波の速度をｃとし、液体媒質５を伝搬する超音波の速度をｃ_０とすれば、波動の屈折現象を律する基本原理であるスネルの法則により、次の数式１が成立する。

図３は、本発明に係る弾性係数測定装置の主要部分である液浸式超音波シングアラウンド測定装置１の測定系を説明する図であり、被測定固体物質７を配置して、送信振動子３から液体媒質５を透過させて超音波を送信し、被測定固体物質７に適宜の入射角で斜めに入射させた状態を示す図である。

この図３において、送信振動子３から液体媒質５に送信された超音波は、液体媒質５の中を透過し、液体媒質５と被測定固体物質７の界面では、超音波エネルギーの一部が被測定固体物質７に透過する。被測定固体物質７を透過した超音波は、液体媒質５と被測定固体物質７のもう一方の界面に到達する。

そして、超音波エネルギーの一部は液体媒質５に透過し、液体媒質５を透過した超音波は受信振動子４に到達する。受信振動子４では、超音波エネルギーが電気エネルギーに変換され、受信された電気信号がシングアラウンド測定装置本体２の増幅器９で増幅される。

シングアラウンド測定装置１では、増幅された受信信号の特徴を抽出して、電気パルスを送信振動子３に加えて、超音波を液体媒質５に送信する。これにより、送信振動子３−液体媒質５−被測定固体物質７−液体媒質５−受信振動子４−増幅器９（例えば、ＡＧＣ増幅器等が使用される。）−トリガレベル設定器１０−同期パルス発信器１１−超音波パルス発振器１２−送信振動子３の順に信号が伝達され、この信号のシングアラウンド周期をユニバーサルカウンタ１３で測定する。

ユニバーサルカウンタ１３により測定される信号のシングアラウンド周期をτとし、シングアラウンド測定装置本体２で示される電気信号部分の伝達時間をττとすれば、次の数式２が成立する。

液浸式超音波シングアラウンド測定装置１による本測定に於いては、被測定固体物質７を液体媒質５に挿入せずに、超音波伝達系が液体媒質５のみで構成される場合についても、シングアラウンド周期を測定する必要がある。この際のシングアラウンド周期をτ_０、対応する電気信号部分の伝達時間をττ_０とすれば、次の数式３が成立する。

数式２及び数式３に於いては、一般にττとττ_０の違いは僅かであるので、この差を無視すれば、数式２及び数式３から数式４が導出される。また、数式１を変形すると、次の数式５が導出される。

ここで得られた数式４と数式５を連立させて共に用いれば、逐次近似法により被測定固体物質７中の超音波速度ｃと、液体媒質５から被測定固体物質７への超音波屈折角ｔが算出される。

以上説明した発明の実施形態では、被測定固体物質７中に伝搬する超音波が、疎密波であってもせん断波であっても、その数式と展開方法は同じものが等しく適用される。
また同様にして、被測定固体物質中の疑似疎密波速度と疑似せん断波速度が導かれる。

液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角が、被測定固体物質７に対する疎密波の臨界角より小さい場合には、一般に、超音波疎密波速度の方が超音波せん断波速度より速いので、被測定固体物質７中の疎密波がシングアラウンド周期を定める。

液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角が、被測定固体物質７に対する疎密波の臨界角より大きい場合には、被測定固体物質７にはせん断波のみが透過するので、この領域では被測定固体物質７中のせん断波がシングアラウンド周期を定める。

図４は、被測定固体物質としてアクリルを対象とし、液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角ｉを、０度から５０度までの範囲で変化させた際に於いて、受信振動子４による受信電圧と、被測定固体物質７中の超音波速度の測定例をそれぞれ示している。

図４中黒丸は受信電圧を示し、入射角（図２中の入射角ｉ）が零度から増加するにつれて、電圧は最大値から次第に減少している。入射角がほぼ３０度の近辺で受信電圧は極小となり、更に入射角が増加すると受信電圧は再び増加して、入射角がほぼ４０度の近辺で受信電圧は極大になる。

図４中白丸は超音波速度を示し、入射角が零度から増加して受信電圧が極小になるまでは同一の超音波速度値を保持しており、被測定固体物質７中の超音波疎密波速度が検出されている。更に入射角が増加すると、被測定固体物質７中の超音波せん断波速度が検出されている。

上記により、測定される被測定固体物質７中の超音波疎密波速度と超音波せん断波速度を、それぞれｃ_p及びｃ_sとし、更に、既存の密度測定機により測定される被測定固体物質７の密度をρとすれば、固体物質７の各種弾性率であるヤング率（Ｅ）、剛性率（Ｇ）、ポアソン比（ν）、体積弾性率（Ｋ）は、以下に示す材料力学の基本式である次の数式６〜９から導出される。

以上のように、本発明に係る弾性係数測定装置によれば、被測定固体物質中の超音波疎密波速度、被測定固体物質中の超音波せん断波速度、被測定固体物質の密度が、それぞれ独立に測定して得られれば、被測定固体物質のヤング率、剛性率、ポアソン比、体積弾性率がそれぞれ導出されることができる。

図５は、被測定固体物質７として一方向性ＣＦＲＰを対象とし、用紙に垂直な向きに、ファイバー２１の繊維が揃っている場合に於いて、被測定固体物質７と、送信子３及び受信子４による超音波伝搬の向きとの関係を示している。

図６は、被測定固体物質として一方向性ＣＦＲＰを対象とし、図５に示すように、用紙に垂直な向きに、ファイバーを揃えて把持して、液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角ｉを、０度から５０度までの範囲で変化させた際に於いて、受信振動子４による受信電圧と、被測定固体物質７中の超音波速度の測定結果をそれぞれ示している。

上記の条件に於いては、一方向性ＣＦＲＰを対象として、図６中の黒丸が示す受信電圧と、白丸が示す超音波速度は、液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角を変化させた際に、力学的な等方性を示す図４のアクリルを対象とした場合と、同様な入射角度依存性を示す。

図７は、被測定固体物質７として一方向性ＣＦＲＰを対象とし、図７に示すように、用紙と平行な向きに、ファイバー２１の繊維が揃っている場合に於いて、被測定固体物質７と、送信子３及び受信子４による超音波伝搬の概略を示している。

図８は、被測定固体物質として一方向性ＣＦＲＰを対象とし、用紙に平行な向きに、ファイバーを揃えてＣＦＲＰを把持して、液体媒質５から被測定固体物質７への超音波入射角ｉを、０度から５０度までの範囲で変化させた際に於いて、受信振動子４による受信電圧と、被測定固体物質７中の超音波速度の測定結果をそれぞれ示している。

力学的に等方性のある被測定固体物質を対象とする場合や、用紙に垂直な向きに、ファイバーを揃えて把持する場合とは異なって、用紙に平行な向きに、ファイバーを揃えて把持する場合に於いては、一方向性ＣＦＲＰを対象として、図８中の黒丸が示す受信電圧と、白丸が示す超音波速度には、超音波疑似疎密波と超音波疑似弾性波の特徴が表されている。

以上の操作の過程で得られる被測定固体物質の超音波疎密波速度と、超音波せん断波速度と、超音波疑似疎密波速度と、超音波疑似せん断波速度、及び、被測定固体物質の密度から、被測定固体物質の各種弾性係数Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_１３、Ｃ_３３、Ｃ_４４、Ｃ_６６が導出される。

以上、本発明に係る弾性係数測定装置の発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施の態様があることは言うまでもない。

本発明により導出可能な被測定固体物質の各種弾性係数は、固体物質を利用する様々な構造物の機械設計や土木建築設計に於いて、最も基本的で且つ重要な力学的特性であり、本発明は、これら構造物の機械設計や土木建築設計等の各種データを得るために有用である。

本発明に係る弾性係数測定装置の主要部である液浸式超音波シングアラウンド測定装置を説明する図である。液浸式超音波シングアラウンド測定の原理を説明する平面図である。液浸式超音波シングアラウンド測定の原理を説明するブロック図である。被測定個体物質としてアクリルを対象とし、液体媒質から被測定固体物質への超音波入射角に応じて、受信振動子による受信電圧と被測定固体物質中の超音波速度測定の実験結果を示す一例である。被測定個体物質の方向性と超音波の方向との関係を説明する図である。図５に示すものについての液浸式超音波シングアラウンド測定結果を説明する図である。被測定個体物質の方向性と超音波の方向との関係を説明する図である。図７に示すものについての液浸式超音波シングアラウンド測定結果を説明する図である。被測定固体物質を保持し、超音波入射角を調整する機構（角度設定保持）等を説明する図である。被測定固体物質を保持し、超音波入射角を調整する機構（角度設定保持）等を説明する図であり、図９のＡ−Ａ断面図を示す図である。被測定固体物質を、その面内回転角度を調整して保持するとともに、超音波入射角を調整する機構（角度設定保持）等を説明する図であり、図５のＡ−Ａ断面図を示す図である。被測定固体物質を、その面内回転角度を調整して保持するとともに、超音波入射角を調整する機構（角度設定保持）等を説明する図であり、図５のＡ−Ａ断面図を示す図である。

符号の説明

１超音波シングアラウンド測定装置
２液浸式超音波シングアラウンド測定装置本体
３送信振動子
４受信振動子
５液体媒質
６液槽
７被測定固体物質
８角度設定保持器
９ＡＧＣ増幅器
１０信号特徴抽出器（トリガレベル設定器）
１１同期パルス発信器
１２超音波パルス発振器
１３カウンター
１４橋絡台
１５軸受
１６角度調節軸
１７把持部
１８ハンドル
１９取め片
２０ねじ
２１ファイバ

Claims

超音波パルス発振器、送信振動子、受信振動子及び液体媒質を入れた液槽とを有する液浸式超音波シングアラウンド測定装置と、角度設定保持器とを備えた弾性係数測定装置であって、
上記角度設定保持器は、送信振動子と受信振動子の中間に被測定固体物質を支持し、液体伝搬媒質から被測定固体物質への超音波入射角の角度値を設定することができるものであり、且つ、板状の被測定固体物質を板の面内で回転し、板の面内で、被測定固体物質を目的とする回転角度に把持する機能を備え、
被測定固体物質中の疎密波速度を測定することが可能であるとともに、上記の角度設定保持器が、液体媒質中から被測定固体物質中への超音波入射角を、被測定固体物質に対する疎密波の臨界角を超える角度になるように設定されることで、被測定固体物質中のせん断波速度を測定することが可能であり、
上記臨界角は、上記液体媒質中の超音波速度と上記被測定固体物質中の超音波速度から、スネルの法則に基づいて定まるものであることを特徴とする弾性係数測定装置。