Non-destructive inspection of large structures based on laser-induced plasma shock wave excitation technique and polarization interferometer
| Project/Area Number |
21H01279
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
細矢 直基 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (40344957)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
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| Keywords | レーザー誘起プラズマ / 衝撃波 / 非破壊検査 / Lamb波 / 偏光干渉計 |
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| Outline of Research at the Start |
航空機など大型構造物の欠陥や損傷の検出は，検査員の目視による方法が一般的である．しかし，判定結果には個人差によるばらつきがある．研究代表者は，レーザー誘起プラズマ（Laser-Induced Plasma: LIP）加振により生成されたLamb波を用いる非破壊検査法を実現した．本手法により，人工的に設けた亀裂を検出できた．さらに，接触式デバイスでは数時間を要していたものを，本手法では40分に短縮することに成功した．本研究では，LIP加振と，光の偏光と干渉を組み合わせたLIP偏光干渉計を構築する．そして，本システムによりLamb波を面計測（従来は点計測）することで，広域非破壊検査の時間をさらに短縮する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
航空機など大型構造物の欠陥や損傷の検出は，検査員の目視による方法が一般的である．広域の非破壊検査を短時間で実現するために，応募者は，レーザー誘起プラズマ（Laser-Induced Plasma: LIP）加振により生成されたLamb波（弾性波）を用いる方法を実現した．本手法により，非接触非破壊で人工的に設けた亀裂を検出できた．接触式デバイスでは100点計測（検査領域は1辺が100 mmの正方形）に6時間を要していたものを，本手法では2601点計測で40分に短縮することに成功したが，さらなる短縮化が必要である．本研究では，LIP加振と偏光干渉計を組み合わせたLIP偏光干渉計を構築する．そして，本システムによりLamb波を面計測（従来は点計測）することで，広域非破壊検査の時間をさらに短縮する．
令和3年度は，偏光干渉計を導入し，調和加振における振動応答を計測した．対象物を従来の接触式加振器により振動させ，その応答を本システムと従来のレーザードップラー振動計により計測し，得られた両者の振動応答を比較評価したところ，固有振動数，固有振動モードは非常によく一致することを確認した．
令和4年度は，LIP加振と偏光干渉計を組み合わせたLIP偏光干渉計を構築し，本システムによるLamb波計測を実現した．ミラーを供試体として，これにLIP衝撃波を用いてLamb波を生成した．そして，従来のレーザードップラー振動計による点計測により，供試体に非接触でLamb波を生成できていることを明らかにした．また，LIP偏光干渉計でLIP衝撃波により生成されたLamb波を面計測で可視化し，レーザードップラー振動計および本システムにより得られたLamb波の位相速度を比較評価した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で構築したLIP偏光干渉計と従来のレーザードップラー振動計を用いて，Lamb波の計測を実施した．供試体は，直径100 mm，厚さが15 mmのミラーとした．これをミラーホルダーに固定した．その裏側にLIP衝撃波を生成し，インパルスを入力した．LIP衝撃波の生成位置と供試体の加振表面までの距離は，7.5 mmとした．本実験で使用したレーザーパルスエネルギーは930 mJであるので，ミラーに作用する衝撃波の圧力は204 kPa，ミラーの加振点への衝撃波の到達時間は6.54 マイクロ秒となる．撮影速度は300 kfps，シャッター速度は370 ns，ピクセルサイズは横256ピクセル縦64ピクセルとし，16,384点を同時に面計測した．また，従来のレーザードップラー振動計を用いたLamb波の計測においては，計測点を41とした．
レーザードップラー振動計およびRayleigh-Lamb方程式から求めたLamb波の位相速度を比較したところ，両者はよく一致していたことから，LIP衝撃波によりLamb波が生成されていることを確認した．そして，本システムにより可視化されたLamb波の伝播から位相速度を求めたところ，およそ25 kHzの位相速度を求めることに成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
LIP衝撃波をインパルス入力として供試体にLamb波を生成し，これを偏光干渉計で可視化し計測することで，およそ25 kHzの位相速度を求めることができた．露光時間，計測用レーザー光の強度については，令和4年度で適した撮影条件を明らかにしたが，さらなる計測精度向上のため，これについて調べる．また，偏光干渉計を用いることで広／高周波数帯域のLamb波の位相速度を計測するために，撮影速度を擬似的に向上させる方法を試みる．そして，偏光干渉計でLamb波の位相速度の分散曲線を求め，Rayleigh-Lamb方程式により得られたものと比較評価する．さらに，供試体の板厚を薄くすることで生成されるLamb波の伝播特性変化を捉えられるかどうか計測することで，本手法の適用範囲を調べる．最後に，本手法を非破壊検査に適用し，検査時間の短縮を試みる．
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
