異方性複合材料の組織及び強度の超音波による新しい測定法

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08455309
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 上羽 貞行 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (90016551)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 潘 海涛 東京工業大学, 精密工学研究所, 助手 (00272716) ; 安田 榮一 東京工業大学, 応用セラミックス研究所, 教授 (70016830)
• Keywords: 異方性材料 / C / Cコンポジット / 骨粗鬆症 / 多孔媒質 / 非侵襲診断法 / 超音波診断 / 超音波散乱 / 非破壊検査

Research Abstract

異方性材料は様々な場所および様々な分野な分野にまたがって用いられている。超音波は物質が機械的に振動する波動であることより、制作した材料の材料的な特性を正確に計測できる可能性があるが、一般に複合材料のような複雑な構造をもつ条件下での超音波の振る舞いは非常に複雑であり解析が困難となっている。
本研究は複雑な構造をもつ複合材料の内部での超音波の振る舞いを解析し、材料全体としての強度を測定する方法を提案するとともに、材料内部の微小構造を推定する新たな方法を提案する。
超音波が異方性材料中に照射されると、内部の微少構造をそのまま直進して透過してくる成分と、材料内部で散乱された成分の二つに分けられる。直進してくる成分は、その伝搬時間より音速が求められ、求められた音速から、材料定数の体積弾性率を計算することができる。また、様々な方向から計測することにより、多方向の材料定数を計測することができる。本研究では音速に注目し、簡単のため、厚さ1cmの金属ブロックに等しい大きさの穴を等間隔であけた、一軸性異方性材料を作成し計測を行ったところ、理論値と実験値は一致をみた。
一方、社会の高齢化に伴い問題視されている「骨粗鬆症」の診断時に、骨梁と呼ばれる微小な骨柱を内部に持つ骨の骨梁の太さおよび間隔を計測したいという要求がある。すなわち、骨は内部に微小構造をもつ複合材料の一種である。この場合は、前述の直進して透過してくる超音波の成分だけでは微小な骨梁の情報を計測するのは困難である。そこで、試料で散乱される成分を計測し、解析することにより骨梁の情報を推定することが可能であると考えられる。理論的および実験的に検討した結果、試料の周囲に形成される周波数特性および空間的な超音波振動振幅分布に材料特有の特徴があり、周波数特性を受波する角度変化させながら計測し、骨梁の直径及び間隔を推定した結果、実際にノギスで計測した値と一致をみている。

Research Products

• [Publications] Kiyotaka Kitamura: "Ultrasonic Scattering Study of Cancelous Bone for Osteoporosis Diagnosis." Japanese Journal of Applied Physics. 35-5B. 3156-3162 (1996)
• [Publications] Pan Haitao: "Acoustic and Vibrating Properties of C/C Composite." Japanese Journal of Applied Physics. 35-5B. 3200-3204 (1996)
• [Publications] Kiyotaka Kitamura: "Characterization of Bone Tissu By Analysis of the Ultrasonic Waves Scattered around Cancellous Bone." Proceedings of 1996 IEEE Ultrasonic Symposium. (1996)