2021 Fiscal Year Annual Research Report
Non-destructive inspection of large structures based on laser-induced plasma shock wave excitation technique and polarization interferometer
| Project/Area Number |
21H01279
|
|---|
| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
細矢 直基 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (40344957)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| 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 |
|---|
| 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100 mm × 100 mm）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，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．
令和3年度は，偏光高速度カメラと干渉計を組み合わせた偏光干渉計を構築した．そして，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．これにより，偏光干渉計による振動応答の非接触計測に成功した．この内容は，2021年12月に開催された，[No.21-55] 日本機械学会 第17回「運動と振動の制御」シンポジウム (MoViC2021)／ 第30回スペース・エンジニアリング・コンファレンス [SEC'21]で発表した．
関連研究として，コンクリートインフラ構造物の非破壊検査，透明体材料の非破壊検査，超音波領域で駆動するソフトアクチュエータ，伸縮性センサなどに関する論文が公表された．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
偏光高速度カメラと干渉計を組み合わせることで，偏光干渉計を構築した．計測対象構造物を，直径100 mm，厚さが15 mmのミラーとした．これを接触式電磁加振器で加振し，これによる応答を偏光干渉計とレーザードップラー振動計で計測した．偏光干渉計における計測条件は，フレームレート，撮影フレーム数，ピクセルサイズ，計測領域をそれぞれ100000 fps，1000，96 × 160 pixel，直径95mmの円とした．このピクセルサイズは，レーザードップラー振動計による点計測に換算すると，15,360点を同時に計測していることと同じになる．レーザードップラー振動計では，計測点を21とした．偏光干渉計とレーザードップラー振動計で得られた固有振動モード形を比較したところ，両者はよく一致することがわかった．これにより，偏光干渉計による面計測に成功した．
関連研究として，コンクリートのインフラ構造物の欠陥検出を検討した．人工的な欠陥（浮き）を設けたコンクリート供試体に，LIP衝撃波による加振力を作用させ，そのときの応答をレーザードップラー振動計で計測することで，固有振動数及び固有振動モードを調べた．コンクリート供試体にRayleigh波を生成し，この波の伝播を可視化した．これにより，コンクリート供試体の欠陥検出に成功した．また，LIP衝撃波により透明体材料にS0モードのLamb波を生成し，これを偏光高速度カメラにより計測した．そして，人工的に設けた数百マイクロメートル程度の大きさのスクラッチの検出に成功した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
偏光干渉計にLIP衝撃波を組み合わせた，LIP偏光干渉計を構築する．従来の接触式加振デバイスから非接触式のLIP加振に切り替える．計測対象構造物は，令和3年度と同様のミラーとする．LIP衝撃波によるインパルス加振により，ミラーに生成された，伝播速度が数km/sで振幅が数十nm程度のLamb波の可視化を試みる．まず，はじめに，本システムにより生成されたLamb波を可視化するための最適な条件（撮影速度，露光時間，計測用レーザー光強度，供試体の表面性状など）を調べる．そして，偏光干渉計と市販のレーザードップラー振動計により得られた振動応答を比較評価することで，LIP偏光干渉計の計測精度を評価する．さらに，LIP衝撃波により生成されたLamb波の位相速度や群速度を，Rayleigh-Lamb方程式により得られたものと比較評価することで，本システムにより可視化されたLamb波の計測精度を調べる．
|
