| 研究課題/領域番号 |
18K03860
|
|---|
| 研究機関 | 鈴鹿工業高等専門学校 |
|---|
研究代表者 |
末次 正寛 鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (50259884)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| キーワード | 非線形超音波 / 分調波 / 高調波 / 非破壊検査 |
|---|
| 研究実績の概要 |
本申請に係る研究の大きな目的は，微弱な非線形超音波を有効に受信して閉口き裂などの欠陥検出精度を大幅に向上させることにある。このためには，これらの超音波の発生原理を明らかにする必要があるが，その糸口として非線形超音波が効率よく発生する諸条件を探すことが有効と考えた。そこで，アルミ合金のブロック（幅100 mm, 高さ 50 mm, 奥行 40 mm）を二つ重ね，上部に設置した送信プローブより縦波超音波を入射して境界部を通過させ，底部に配置したプローブによってこれを受信する実験を行った。この実験では，二つのブロックの圧着荷重 P，入射超音波の中心周波数 f，ならびに境界部の面粗さ Rを変化させ，種々の条件の下で検討を行った。受信波形を周波数解析し，境界がない試験体（幅100 mm, 高さ 100 mm, 奥行 40 mmのアルミ合金ブロック単体）における結果と比較して考察を加えたところ，次に述べる傾向が得られた。(1) 中心周波数 f = 1 MHのプローブを用いた実験では，高調波の小さなピークと共に分調波が見られた。(2) 中心周波数f = 2.25 MHzと5 MHzの実験では，高調波は見られず分調波のみが認められた。(3) 得られた分調波と基本波の振幅比A0.5/A1.0 は，中心周波数や圧着荷重に関わらず概ね 0.1であった。なお，今回の検討では接触境界面の面粗さの影響については明確にできなかったため，検討を継続する。
以上の実験的な検討に加え，MATLABを利用して作成したFDTD(時間領域有限差分)法のプログラムを用いた検証を行った。その結果，分調波はほとんど現れず顕著な高調波が発生する結果となり，実験と大きく異なる傾向が得られた。これは両者の拘束条件の違い等によるものと考えられるが，今後の詳しい検討を要する。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究の目的は，不連続境界部から発生する非線形超音波の発生原理を検討するものであるため，まずはどのような条件で非線形超音波が発生するかをはっきりとさせておく必要がある。初年度の研究によって，使用する超音波の中心周波数や境界面の圧着状態等を検討し，分調波が発生する条件がある程度得られている。しかしこの分調波は非常に微弱であり，発生メカニズムを検討するには更に強い分調波を発生させることが必要であるため，最適な実験条件を詰めることが急務と考える。また，このためにFDTD(時間領域有限差分)法と呼ばれる数値計算法を援用しようとしているが，実験では分調波のみが発生しているのに対して同条件の計算では高調波のみが発生するなど，現段階では解決するべき問題点が残されている。
また，き裂などの実際の不連続部へ超音波を入射して非線形超音波を発生せることを考える場合，き裂長さや間隙の寸法等の条件が強く影響するため，非線形超音波の発生は局所的であることが予想される。従って，入射超音波は欠陥部全体へ入る大きな幅を持った平面波ではなく，意図する欠陥部のある１点にフォーカスさせる集束型の超音波を用いる必要があると考え，検討を実施している。
|
| 今後の研究の推進方策 |
無数の組み合わせから強い非線形超音波の発生条件を探すには，FDTD(時間領域有限差分)法と呼ばれる数値計算法を有効に活用することが必須であるが，実験との比較検討結果から現状では信頼性が低い。この状況を改善する必要があるが，境界面の圧力等の具体的な境界条件が数値計算の際に再現されていないことが大きな原因と考えているため，この点に焦点を当てて検討を行う。また，欠陥部における非線形超音波の発生分布を調べれば，発生しやすい条件を探る一助となることが予想される。このためには超音波を絞って局所的にある1点へ入射させる必要があるので，フェーズドアレイ型超音波探傷器を用いる。この機器は，複数の小さな素子からなる発信プローブから任意波形の超音波を入射できるものであり，これによって意図する場所へフォーカスされた波を送ることができる。
なお，本研究の大きな目標は，シミュレーションや理論計算ではなく，実験による直接的な方法で非線形超音波発生の原理を探る事であるため，物体内を伝ぱする超音波の可視化が必要である。これには光弾性法をベースとした極短波長のストロボ法を利用するが，フェーズドアレイタイプの機器から入射した超音波の可視化はあまり例がないため，この技術的な面についても検討を行う必要があると考えている。また，超音波の伝ぱ画像の中から微弱な非線形超音波の情報を抽出する画像処理などのテクニックを詳しく調査研究し，今回の問題へ適用していく考えである。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
研究の進行に伴って最も有効な装置の諸元を詳細に検討した結果，複数の製造会社から納入が可能であったため入札での購入となった。その結果，予定支出額よりも少ない金額にて購入が可能であった。この使用額は，多くの個数を要する破壊試験体材料へ繰り入れて有効に利用する予定としている。
|
