Nondestructive evaluation of crack in structural material based on interactions of light, sound, and vibration obtained by advanced sensing technique

• Project/Area Number: 21H01420
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 22020:Structure engineering and earthquake engineering-related
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 中畑 和之 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (20380256)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 高弘 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30324479) ; 都築 伸二 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (60236924)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2021: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
• Keywords: 無線センシング / 振動 / 波動 / 開口合成イメージング / レーザ超音波 / 無線受信 / 超音波 / レーザー / 非破壊評価 / 光超音波 / 閉じたき裂 / 全波形サンプリング処理 / 非線形ダイナミクス / 光音響効果 / 無線プローブ

Outline of Research at the Start

光・音・振動の物理現象を用いてき裂を非破壊評価する研究であり，広域および局所検査法を提案する．広域検査では，レーザーの発振やフィルタ処理によって固体内で連続超音波を発生させる．このとき，小型錘で構造部材を加振することでき裂面の応力状態が変化し，透過波に非線形性が現れることを利用する．局所検査では，レーザーの空間変調を利用して超音波を発生を制御し，き裂による散乱波を開口合成してき裂の同定を行う．

Outline of Annual Research Achievements

（1）振動領域の無線プローブの検証[中畑，都築]
前年度まで，数kHzまでの振動を受信する無線プローブ(加速度センサ)の製作と検証を行ってきた．ただし，同期精度が不十分であったため，時刻同期兼振動信号用に同一M系列を使用し，廉価なADコンバータとしてサウンドボードを使用することで，これを解決した．これらは，電池駆動が可能となり，小型化に寄与するものである．
（2）ミラーによる光学システムの製作[中畑]
前年度の光音響波シミュレーションの結果，スポット径を大きくすることで所望の弾性波（縦波）が発生することが分かったため，回折光学素子(DOE)を適用は不要であることが判明した．しかし，想定以上のレーザー光出力を要し，光学システムにおけるファイバー部が焦げて長時間の使用に耐久できない恐れがある．そのため，当初の仕様を見直し検証実験をした上で，ファイバーではなくミラーによる光学システムを構築し，性能評価を実施した．途中，ミラー自身が焼けてしまうアクシデントがあったが，レーザーの出力を制御し，意図した位置に0.05mmピッチでレーザ送信できるようになった．このシステムを利用して，固体中のきずの開口合成映像化手法を開発した．
（3）超音波領域の無線プローブへの応用[中畑]
上記(1)にて，振動領域の無線受信を行ったが，これを超音波領域(MHz以上)に拡張した．繰り返し周波数が大きいこと，サンプリング時間が短いことから(1)の基盤は採用せず，新たに赤外線通信を利用した無線センシングシステムを開発した．さらに，レーザー照射によって発生した超音波をこの無線プローブで受信することを確認した．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Fraunhofer Institute IKTS(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Fraunhofer Institute IKTS(ドイツ)
• [Journal Article] Application of Reciprocity for Facilitation of Wave Field Visualization and Defect Detection (2023)
  • Author(s): Bernd Koehler , Kanta Takahashi , Kazuyuki Nakahata
  • Journal Title: Research in Nondestructive Evaluation Volume: 34 Issue: 5-6 Pages: 222-246
  • DOI: 10.1080/09349847.2023.2261878
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nondestructive detection of fatigue crack using amplitude change of ultrasonic wave in local vibration (2023)
  • Author(s): 川崎藍流, 小野寺慧,丸山泰蔵,高橋学,勝田順一,中畑和之
  • Journal Title: Journal of Structural Engineering, A Volume: 69A Issue: 0 Pages: 617-624
  • DOI: 10.11532/structcivil.69A.617
  • ISSN: 1881-820X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electromechanical Reciprocity Applied to the Sensing Properties of Guided Elastic Wave Transducers (2022)
  • Author(s): Bernd Koehler , Lars Schubert , Martin Barth , Kazuyuki Nakahata
  • Journal Title: Sensors Volume: 23 Issue: 1 Pages: 150-150
  • DOI: 10.3390/s23010150
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 複数周波数MUSIC法を用いた超音波イメージングの実験的検討 (2022)
  • Author(s): 松尾 太聖 , 丸山 泰蔵 , 中畑 和之
  • Journal Title: 計算数理工学論文集 Volume: 22 Pages: 19-221216
  • Peer Reviewed
• [Presentation] アレイプローブを利用した固体中の3 次元光超音波イメージング (2024)
  • Author(s): 廣瀬 悠人, 中畑 和之
  • Organizer: 第31回超音波による非破壊評価シンポジウム
• [Presentation] 光音響縦波と横波を利用した 固体中のデュアルモードイメージングに関する研究 (2024)
  • Author(s): 中畑 和之, 廣瀬悠人, 中村太一
  • Organizer: レーザー学会 第25 回 （第2 期第14 回） 光音響イメージング技術専門委員会
• [Presentation] ゲート制御レーザ発振による光音響チャープ波の生成とその検証 (2024)
  • Author(s): 中畑和之, 山内謙汰, 林高弘
  • Organizer: 電子情報通信学会 US研究会（アコースティックイメージング，非破壊検査，医用超音波，超音波一般）
• [Presentation] Mathematical modeling of ultrasonic refraction generated at partially closed crack face (2023)
  • Author(s): Kazuyuki Nakahata, Kei Onodera, Taizo Maruyama
  • Organizer: The 44th Symposium on UltraSonic Electronics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 部分閉口き裂面で屈折する超音波のモデル化に関する基礎検討 (2023)
  • Author(s): 中畑和之, 小野寺慧, 丸山泰蔵
  • Organizer: 日本非破壊検査協会 2023年度秋季講演大会
• [Presentation] 局所欠陥共振の数値モデリングに関する基礎的検討 (2023)
  • Author(s): 谷平智紀, 小野寺慧, 丸山 泰蔵, 中畑 和之
  • Organizer: IIP2023 情報・知能・精密機器部門（IIP 部門）講演会
• [Presentation] ゲート制御レーザー発振による低周波超音波の発生に関する基礎的検討 (2023)
  • Author(s): 中村蒼嗣, 山内謙汰, 丸山泰蔵, 中畑和之, 林高弘
  • Organizer: 第30回超音波による非破壊評価シンポジウム
• [Presentation] FITによる光音響波伝搬のための流体固体連成解析とその実験的検証 (2023)
  • Author(s): 中畑和之, 三木陽大, 丸山泰蔵
  • Organizer: 第 43 回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
• [Presentation] 振動による疲労き裂の開閉口が超音波透過波形に及ぼす影響の測定 (2022)
  • Author(s): 川﨑藍流, 小野寺慧, 丸山泰蔵, 中畑和之
  • Organizer: 土木学会全国大会第77回年次学術講演会
• [Presentation] 非線形波動解析のためのEFITの適用に関する検討 (2022)
  • Author(s): 朝日 快佳, 丸山 泰蔵, 中畑 和之
  • Organizer: 土木学会全国大会第77回年次学術講演会
• [Presentation] 有限積分法を用いた光音響波の伝搬シミュレーションと実験による検証 (2022)
  • Author(s): 三木 陽大，廣瀬 悠人，丸山 泰蔵，中畑 和之
  • Organizer: レーザー学会 第16回光音響イメージング技術専門委員会
• [Presentation] 固体へのレーザー照射による弾性波の発生とその波形特性について (2022)
  • Author(s): 山内謙汰，丸山泰蔵，中畑和之
  • Organizer: 土木学会四国支部 令和4年度技術研究発表会
• [Presentation] 振動時の疲労き裂の開閉口に伴う超音波透過波形の動的変化について (2022)
  • Author(s): 川﨑藍流，小野寺慧，丸山泰蔵，中畑和之
  • Organizer: 土木学会四国支部 令和4年度技術研究発表会
• [Presentation] 動弾性・音響有限積分法によるレーザー超音波法の数値シミュレーション (2022)
  • Author(s): 三木 陽大，丸山 泰蔵，中畑 和之
  • Organizer: 第29回超音波による非破壊評価シンポジウム