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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Development of a high resolution ultrasonic thermometry and its application to internal and interface temperature measurements of inhomogeneous media

Research Project

Project/Area Number 16H04507
Research InstitutionNagaoka University of Technology

Principal Investigator

井原 郁夫  長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (80203280)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松谷 巌  長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (00514465)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords超音波 / サーモメトリ / 不均質構造体 / 温度分布 / 熱流束 / 非破壊計測 / モニタリング / 界面
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、非均質物体(例えば、何らかの構造不均一性を有する材料や構造体)の内部や界面の温度プロファイルをリアルタイムかつ定量的に計測・モニタリングするための新規な超音波法(局所的超音波サーモメトリ)を創成するとともに、この手法の有効性を実証することを目的とする。このような革新的計測手法を開発することで、従来技術では成し得なかった複雑構造材(例えば、膜構造材料、複合材料、コーティング薄膜、MEMSなど)の内部および界面の非破壊的温度計測の実現を目指す。
H28年度においては、これまでに研究代表者が得た超音波サーモメトリによる均質物体の内部温度プロファイリングに関する知見を踏まえて、非均質物体のモデル化とそれに対する超音波法の適用について適材適所の観点から詳細に検討した。主な実施事項は次のとおりである。
(1)異材界面を有する多層構造体において、その界面から流入する熱流束を、超音波法により定量評価のための解析手法を構築し、その妥当性を実験により検証した。具体的には、片面加熱される2層構造体に超音波パルスエコー法を適用し、その界面から流入する熱流束を非破壊的に同定し、その妥当性を検証するために市販の熱流束センサーによる測定値と比較した。これにより、当該手法の有効性が実証された。さらに、LabVEWを駆使することで、当該超音波手法を活用した温度分布と熱流束のリアルタイムモニタリングシステムを構築した。
(2)上記評価における異材界面での接触熱抵抗の影響を検討するために、多層構造体の接触状況(真実接触状態)が超音波挙動に及ぼす影響を理論的に考察した。ガウシャンならびに非ガウシャン粗さを有する材料表面での超音波反射・散乱をKirchhoff理論を駆使して定量的に検討した。これらの結果は、超音波パルスエコー法を用いた多層構造体内部の温度プロファイリングにおいて有益な知見となる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

超音波サーモメトリを非均質物体(多層構造体など)に適用するためには、その対象物の熱伝達・熱伝導モデリングとそれに適した測定手法および解析手法の構築が不可欠である。H28年度はその手始めとして、異材界面を有する多層構造体において、その界面から流入する熱流束を、超音波法により定量評価のための解析手法を構築し、その妥当性を実験により検証した。これにより多層構造体への超音波サーモメトリの適用が可能であることが実証され、H28年度の所期の目標の一つは概ね達成できたと判断できる。
また、当該測定手法を具現化するためにLabVEWを駆使した超音波サーモメトリ援用の温度分布と熱流束のリアルタイムモニタリングシステムを開発し(ただし、数十msの演算処理時間を要する)、その有用性を実証できたことで、本研究に関わる種々の実験の効果的な実施が可能になった。このことは、次年度以降の研究、特に、新たに創成する複雑構造体への超音波法の適用に関わる測定実験の実施に大きく貢献するものである。その点でそのようなLabVEW援用計測・解析システムは本研究の目的の一つである温度プロファイルのオンラインモニタリングの実現にも繋がるもので、その成果は大きいと言える。
さらに、上記評価においては異材界面の接触熱抵抗の影響を把握することが重要となるが、これを検討するために、超音波挙動に及ぼす異材界面の接触状況(真実接触状態)の影響を理論的に考察したことは、超音波サーモメトリによる多層構造体内部の温度プロファイリングにおいて有益な知見となる。このように、当該年度における研究は概ね順調に進展したと判断できる。

Strategy for Future Research Activity

H29年度においては、所期の目標を達成するために、2次元または3次元構造を有する構造体に対して超音波サーモメトリを適用しその有用性を実証する。研究代表者は既に超音波法を用いた1次元温度分布プロファイリングを実現しているため、この技術に基づいて2次元または3次元温度分布の同定手法を構築する。まず、2次元構造または2次元温度場に対して高分解能接触型探触子ならびにレーザ超音波手法を個別に用いることで、これらの手法による局所領域の温度プロファイリングを試み、それぞれの優位性と適用限界を探る。 さらに、多層構造体の温度プロファイリングにおいて欠かせない材料界面の接触熱抵抗を定量的に同定するための逆解析手法を提案し、その有効性を検証する。これを実施するには界面近傍の材料特性(弾性率、密度、微視構造)に関する定量的データが必要となるため、現有設備のナノインデンテーションを当該特性計測に援用するための計測・解析ソフトウェアを購入し、界面特性の補助情報を取得し、これらに基づいて多層構造体の温度プロファイリングを試みる。本研究では2次元または3次元熱伝導・熱伝達モデルを踏まえた逆解析手法を新たに構築する必要があるため、井原とMukhopadhyayが大学院生の支援のもとこれを実施する。井原と大学院生は当該解析のためのLABVIEWプログラムの開発にあたる。当該年度では、二つの手法(圧電センサのメカニカルスキャン、レーザ超音波法による非接触高分解能スキャニング)について調べ、それぞれの優位性と適用限界を対象物のサイズと構造との適合性の観点から明確にする。この際、昨年度購入した3次元超音波伝搬解析ソフトを駆使して複雑構造体内の超音波伝搬挙動を解析し、これらの手法の有用性と問題点について検討・把握する。これらの結果を踏まえて次年度に注力すべき方向性を見出すこととする。

  • Research Products

    (29 results)

All 2017 2016

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 4 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results)

  • [Journal Article] 横ブレ2m以内で80m離れた場所でも狙い撃ち! スピーカ50個搭載キット発動! 超音波の指向性実験2017

    • Author(s)
      高橋 学、井原 郁夫
    • Journal Title

      トラ技ジュニア

      Volume: 28 Pages: 24-27

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Feasibility Study on Characterization of Non-Gaussian Rough Surface by Ultrasonic Reflection Method with the Kirchhoff Theory2016

    • Author(s)
      Muhammad Nur Farhan SANIMAN and Ikuo IHARA
    • Journal Title

      Mechanical Engineering Journal

      Volume: 3 Pages: 1-13

    • DOI

      10.1299/mej.16-00162

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Numerical Study on Optimum Design of A Clad Waveguide for Ultrasonic Pulse-Echo Measurements with High Signal-to-Noise Ratio2016

    • Author(s)
      Farhana MOHD FOUDZI and Ikuo IHARA
    • Journal Title

      Mechanical Engineering Letters

      Volume: 2 Pages: 1-8

    • DOI

      10.1299/mel.15-00727

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 超音波による非接触センシングとその応用2016

    • Author(s)
      井原郁夫
    • Journal Title

      機械の研究

      Volume: 68 Pages: 831-842

    • Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 摩擦面温度のin-situ超音波モニタリング2016

    • Author(s)
      井原郁夫、青木真悟
    • Journal Title

      超音波TECHNO

      Volume: 28 Pages: 44-48

  • [Journal Article] 構造ヘルスモニタリングのための超音波横変位センサ2016

    • Author(s)
      松谷巌、井原郁夫
    • Journal Title

      非破壊検査

      Volume: 65 Pages: 616-620

    • Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 近接場光顕微鏡の構築とそれを用いた超音波の検出に関する検討2017

    • Author(s)
      山田大貴、松谷巌、馬場勇至、石橋隆幸、井原 郁夫
    • Organizer
      日本機械学会北陸信越支部第54期総会・講演会
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2017-03-09 – 2017-03-09
  • [Presentation] くさび波を用いた液面高さ計測手法に関する検討2017

    • Author(s)
      吉村天平、松谷巌、井原郁夫
    • Organizer
      日本機械学会北陸信越支部第54期総会・講演会
    • Place of Presentation
      金沢
    • Year and Date
      2017-03-09 – 2017-03-09
  • [Presentation] 多角形ロッドプローブを用いた溶融樹脂の超音波モニタリング2017

    • Author(s)
      阿部将典、井原郁夫
    • Organizer
      第24回超音波による非破壊評価シンポジウム
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2017-01-26 – 2017-01-27
  • [Presentation] 近接場光顕微鏡の構築と超音波振動の検出2017

    • Author(s)
      山田大貴、松谷巌、馬場勇至、石橋隆幸、井原郁夫
    • Organizer
      第24回超音波による非破壊評価シンポジウム
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2017-01-26 – 2017-01-27
  • [Presentation] 材料・加工・構造物の信頼性を支える革新的評価・センシング技術2017

    • Author(s)
      井原郁夫、板谷年也、高橋学、金成守康、松谷巌、武尾文雄
    • Organizer
      三機関連携・技学イノベーション推進センター中間報告会
    • Place of Presentation
      長岡
    • Year and Date
      2017-01-06 – 2017-01-06
  • [Presentation] Application of an Effective Ultrasonic Buffer Rod Probe to Molten Polymer Monitoring2017

    • Author(s)
      Masanori Abe, and Ikuo Ihara
    • Organizer
      International Conference of Science of Technology Innovation 2017
    • Place of Presentation
      Nagaoka
    • Year and Date
      2017-01-05 – 2017-01-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超音波を用いた非破壊・非接触センシングの進展と応用2016

    • Author(s)
      井原郁夫
    • Organizer
      早稲田大学各務記念材料技術研究所2016年度教育プログラム
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-12-16 – 2016-12-16
    • Invited
  • [Presentation] 超音波バッファロッドを用いた溶融プラスチックの評価に関する基礎的検討2016

    • Author(s)
      阿部将典、井原郁夫
    • Organizer
      日本機械学会第24回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2016)
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-11-24 – 2016-11-26
  • [Presentation] レーザーを用いたマーキングプロセスにおける超音波計測2016

    • Author(s)
      渡辺将伍、高橋 学、井原郁夫
    • Organizer
      日本機械学会第24回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2016)
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-11-24 – 2016-11-26
  • [Presentation] 近接場光顕微鏡による超音波振動の検出2016

    • Author(s)
      松谷巌、山田大貴、馬場勇至、横山太一、石橋隆幸、井原郁夫
    • Organizer
      日本機械学会第24回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2016)
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-11-24 – 2016-11-26
  • [Presentation] 立体形状の熱可塑性CFRPの損傷修復および非破壊検査技術に関する研究2016

    • Author(s)
      田中亨弥、清水僚太、阿部将典、板谷年也、井原郁夫
    • Organizer
      日本機械学会第24回機械材料・材料加工技術講演会(M&P2016)
    • Place of Presentation
      東京
    • Year and Date
      2016-11-24 – 2016-11-26
  • [Presentation] Ti-Fe-Zr合金焼結材の機械的性質と微細組織2016

    • Author(s)
      本間智之、釜田岳、高野紘彰、南口誠、井原郁夫
    • Organizer
      日本軽金属学会秋季講演会
    • Place of Presentation
      茨城
    • Year and Date
      2016-11-05 – 2016-11-06
  • [Presentation] 超音波を用いた非破壊センシング - 局所領域から高温場まで -2016

    • Author(s)
      井原郁夫
    • Organizer
      VCADシステム研究会第44回定例研究会
    • Place of Presentation
      三条
    • Year and Date
      2016-10-26 – 2016-10-26
    • Invited
  • [Presentation] Fundamental Study on Ultrasonic Quantitative Topography of Non-Gaussian Rough Surfaces2016

    • Author(s)
      Muhammad Nur Farhan Saniman and Ikuo Ihara
    • Organizer
      The 5th International GIGAKU Conference in Nagaoka (IGCN 2016)
    • Place of Presentation
      Nagaoka
    • Year and Date
      2016-10-06 – 2016-10-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超音波による固体接触界面の熱流束モニタリングの検討2016

    • Author(s)
      川野泰明、井原郁夫
    • Organizer
      日本非破壊検査協会平成28年度秋季講演会大会
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2016-10-06 – 2016-10-07
  • [Presentation] Application of Ultrasonic Pulse Echo Method to Thawing Process Monitoring of a Frozen Meat2016

    • Author(s)
      Guo Qianhui and Ikuo Ihara
    • Organizer
      The 10th Asia-Pacific Conference on Fracture and Strength (APCFS2016)
    • Place of Presentation
      Toyama
    • Year and Date
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measuring Thickness and Ultrasound Velocity of Thin Film By Means of Acoustic Resonant Spectroscopy2016

    • Author(s)
      Iwao Matsuya, Takamasa Saito, Takashi Kuwahara, Mizuki Kondo, Kiyoshi Ohnuma, and Ikuo Ihara
    • Organizer
      The 10th Asia-Pacific Conference on Fracture and Strength (APCFS2016)
    • Place of Presentation
      Toyama
    • Year and Date
      2016-09-19 – 2016-09-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超音波による固体界面の温度モニタリング2016

    • Author(s)
      井原郁夫
    • Organizer
      日本機械学会2016年度年次大会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2016-09-12 – 2016-09-12
    • Invited
  • [Presentation] 固体界面から流入する熱流束のリアルタイム超音波モニタリング2016

    • Author(s)
      井原郁夫、川野泰明、本間雄大、松谷巌、磯部真吾
    • Organizer
      日本機械学会2016年度年次大会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2016-09-12 – 2016-09-12
  • [Presentation] 近接場光による超音波の検出に関する検討2016

    • Author(s)
      松谷巌、山田大貴、横山太一、蔡永福、石橋隆幸、井原郁夫
    • Organizer
      日本機械学会2016年度年次大会
    • Place of Presentation
      福岡
    • Year and Date
      2016-09-12 – 2016-09-12
  • [Presentation] Mechanical Properties of Copper Phthalocyanine Thin Films Densified by Cold and Warm Isostatic Press Processes2016

    • Author(s)
      A. Ide, T. Wakamatsu, I. Ihara, and M. Kanari
    • Organizer
      KJF International Conferenece on Organic Materials for Electronics and Photonics 2016
    • Place of Presentation
      Fukuoka
    • Year and Date
      2016-09-04 – 2016-09-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] In situ Noninvasive Ultrasonic Measurement of Heat Flux through a Heated Solid Surface2016

    • Author(s)
      Ikuo Ihara, Shingo Isobe, Yudai Honma, Iwao Matsuya, and Yuya Ichige
    • Organizer
      5th International Symposium on Laser Ultrasonics & Advanced Sensing (LU2016)
    • Place of Presentation
      Linz, Austria
    • Year and Date
      2016-07-04 – 2016-07-08
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 超音波技術のメカノバイオロジーへの展開2016

    • Author(s)
      松谷 巌、井原 郁夫
    • Organizer
      にいがたナノ基盤技術実践会講演会
    • Place of Presentation
      長岡
    • Year and Date
      2016-06-27 – 2016-06-27
    • Invited

URL: 

Published: 2018-01-16  

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