2017 Fiscal Year Annual Research Report
Nonlinear frequency mixing of ultrasonic waves for sensitive evaluation of closed defects
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16H04235
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
琵琶 志朗 京都大学, 工学研究科, 教授 (90273466)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 陽介 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70781706)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 機械材料・材料力学 / 超音波 / 非破壊評価 / 密着界面 / 周波数ミキシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、密着界面における超音波の非線形周波数ミキシング現象を理論的、実験的に明らかにし、密着界面型欠陥の高感度な非破壊評価に向けた基礎的知見を得ること、および積層部材の非破壊評価への適用性を検討することを目的としている。また、密着界面における周波数ミキシング現象を基礎的観点から明らかにするため、その特別な場合として、超音波が界面に斜め方向に入射する場合の高調波発生特性についても検討課題としている。今年度の研究で得られた主な成果は以下の通りである。
（1）密着界面を非線形スプリング界面としてモデル化し、前年度に行った摂動解析の定式化に基づいて、基本波として平面調和縦波が斜め方向に入射した場合に反射波および透過波に含まれる二次高調波振幅の数値解析を行った。その結果、反射、透過した縦波と横波に含まれる二次高調波振幅と基本波入射角、界面パラメータの関係を明らかにした。特に透過縦波について、界面パラメータの値によっては垂直入射よりも斜め入射の場合に二次高調波振幅が大きくなり得ることが示された。
（2）二個のアルミニウム合金ブロックの接触界面に対してバースト超音波を垂直および斜め方向に入射した場合の反射波、透過波を計測できるよう測定系を改良し、ブロックの接触状態を変化させた場合の反射波、透過波に含まれる二次高調波振幅の変化を測定した。その結果、接触荷重を増加、減少させる過程において二次高調波振幅の変化が垂直および斜め入射に対して同様の傾向を示すことを確認した。
（3）上記の測定系とは別の周波数ミキシング測定系を構築し、予備実験として単一のアルミニウム合金ブロック中における周波数ミキシングの測定を行った。その結果、二つの横波のミキシングによって発生する和周波数成分の縦波が測定できることを確認した。
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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
交付申請書に記載した今年度の実施計画は、（1）非線形スプリング界面モデルによる周波数ミキシングの理論的検討、（2）接触界面における周波数ミキシングの実験的検討、（3）周波数ミキシング測定の妥当性検討のための別の測定系の構築、であった。また、研究実績の概要に記した通り、周波数ミキシング現象の解明のため、斜め入射超音波による高調波発生特性に関する検討にも注力した。（1）については、斜め入射縦波による二次高調波発生特性の数値解析を行い、高調波発生特性に及ぼす基本波入射角や界面パラメータの影響を明らかにしたのに加えて、これを拡張し、非線形スプリング界面に二方向から平面調和縦波が入射した場合に発生する周波数ミキシング成分の振幅の解析を進めている。（2）については、斜め入射バースト波による高調波発生特性の実験的検討を行ったのに加えて、二方向からバースト超音波を入射した場合の接触界面からの垂直方向散乱波を測定し、和周波数成分が含まれることを確認している。（3）については、（2）の測定系とは別の測定系を構築して周波数ミキシングの予備実験を行っており、今後、（2）の測定系による測定結果の妥当性の検討に用いることが可能である。これらの検討に加えて、前年度に測定した疲労き裂を有するアルミニウム合金平板における対称モード、反対称モードのラム波透過波形を用いて、スペクトル解析により各周波数成分の透過率と平板に加えた引張荷重（き裂の開口度）の関係をさらに検討した結果、対称モードラム波の透過率はき裂開口とともに単調に減少する一方、反対称モードラム波では透過率とき裂開口度の関係が周波数により異なることを明らかにするなど、密着界面型欠陥の超音波モニタリングに向けた基礎的知見を得ている。以上のことから、本研究は計画に沿っておおむね順調に進んでいると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の推進方策としては以下の取り組みを計画している。
（1）非線形スプリング界面に二方向から平面調和弾性波が入射した場合の周波数ミキシング現象の数値解析を行い、基本波の周波数、入射方向、界面パラメータの影響を明らかにする。
（2）二個の金属ブロックの接触界面に二方向からバースト超音波を入射した場合に発生する周波数ミキシング成分の測定を行い、界面密着度（ブロックの接触状態）の影響を実験的に明らかにするとともに、理論解析結果との定性的比較を行う。
（3）単一の金属ブロックに対して材料非線形性に起因する周波数ミキシング成分の測定を行い、界面非線形性による周波数ミキシングの測定に及ぼす影響を検討する。
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Research Products
(5 results)
