| 研究課題/領域番号 |
26420302
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| 研究機関 | 新潟大学 |
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研究代表者 |
大河 正志 新潟大学, 自然科学系, 教授 (90213644)
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| 研究分担者 |
佐藤 孝 新潟大学, 自然科学系, 教授 (10143752)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | AEセンサ / 光導波型センサ / 光集積回路 / ダイヤフラム / 光導波路 |
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| 研究実績の概要 |
平成27年度は，ダイヤフラム厚とダイヤフラム辺長を変えることで，共振周波数の高周波化を試みた。ダイヤフラム厚に関しては，ダイヤフラムを20 mm角共通とし，0.145 mm厚（#20-1），0.21 mm厚（#20-2），0.30 mm厚（#20-3）のセンサを試作した。まず，試作センサに時間幅の異なる音波パルスを印加し，時間幅と応答特性の関係について考察した。測定の結果，#20-1の時定数は6.70 ms，#20-2は2.77 ms，#20-3は1.58，1.89 msとなり，時定数にダイヤフラム厚依存性が見られた。これは，昨年度と異なる結果ではあるが，ダイヤフラム質量が厚さに比例し，粘弾性係数が厚さの2乗に比例することを仮定すると，時定数はダイヤフラム厚に反比例することが予想される。これは今年度の結果とほぼ一致していると言える。次に，試作センサに音圧の異なる音波（連続波）を印加し，音圧とセンサ出力の関係について考察した。すべての試作センサで，センサ出力が印加音圧に比例する結果が得られたが，光強度や消光比に依存した感度の違いが見られた。このようなセンサ特性の相違は，AEパラメータの推定に煩雑さをもたらすため，改善策について考察する必要がある。ダイヤフラム辺長に関しては，ダイヤフラムサイズ16 mm角で，0.21 mm厚（#16-2）および0.30 mm厚（#16-3）のセンサを試作した。#16-3において，共振周波数の実測値が8.2 kHzで，最も高い値となった。
センサ信号からAE特徴量を推定・算出するシステムを製作している。本システムに振幅，時間幅，雑音が異なる模擬信号を入力して，AE特徴量を算出できる条件を明らかにした。時間幅が短いパルスについては，出力信号の最大値が小さく，現在の直接的手法ではS/N比100程度を必要とすることが分かった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
狭帯域センサの共振周波数の高周波化に関しては，ダイヤフラムサイズの変更による方法を試みている。ダイヤフラム辺長が20 mmで，厚さが0.145，0.21，0.30 mmと異なるセンサを作製し，共振周波数の実測値でそれぞれ3.25, 4.05, 7.10 kHzを得ている。ダイヤフラム厚を厚くした場合，感度が厚さの2乗に反比例することが予想されるが，実際の感度には，厚さより光強度や消光比の影響が強く表れたため，ダイヤフラム厚を厚くすることによる感度低下は見られず，現在のところ，高周波化に支障が出ていない。また，ダイヤフラム辺長を16 mmと短くした高周波化も試みており，0.30 mm厚で共振周波数8.2 kHz（理論値10.6 kHz）が得られているが，応答特性の評価に関しては，平成28年度に積み残しとなった。ところで，AE検出・監視システムの構築には，センサの応答特性に知見が不可欠であるが，実測した共振周波数の音波を使い，応答特性に関する音波パルス時間幅依存性および音圧依存性を測定した。パルス時間幅依存性では，共振現象特有の指数関数的に増加する過渡的現象が確認でき，その増加率を時定数として評価したところ，ダイヤフラム厚に反比例する傾向が見られた。一方，印加音圧依存性では，予想通り，出力が音圧に比例することが分かった。
もう1つの課題であるAE検出・監視システムについては，狭帯域型センサのセンサ信号から音波パルスの時間幅と音圧を推定するシステムを構築した。そして，本システムに，大きさの異なるガウス雑音を付加した模擬信号を入力して，AE信号推定が可能な条件について考察し，時間幅が短いパルスについてはS/N比100程度が必要であることが分かった。
以上のように，狭帯域型センサに対する目標はほぼ達成できており，「(2) おおむね順調に進展している」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
【AEセンサの高性能化】 狭帯域型AEセンサの共振周波数の高周波化に関しては，ダイヤフラム厚や辺長を変えた場合の問題点について整理を行い，対応策について考察を行う。高周波化には高次モードの使用も有望である。しかし，これまでのような正方形ダイヤフラムでは，共振周波数の縮退が問題となり得る。それを避けるためダイヤフラム形状を長方形として，高次共振モードの利用による高周波化について，数値解析と実験の両面から考察を行う。ダイヤフラム材料や導波路材料の見直しによる高周波化も課題として残っており，本センサ構成に適した高ヤング率材料や高光弾性係数材料をリストアップし，センサ感度等について数値解析を行う。
【AE検出・監視システムの構築及び評価】 通常，AEの時間幅は短いが，その場合，AEパラメータの推測のため，S/N比が100程度も必要なことが示唆されたため，雑音低減のためのフィルタ処理や低S/N比の状況下でも検出性能の期待できるマッチドフィルタ等をプロトタイプシステムに導入し，AEパラメータ推定性能について詳細な考察を行う。また，これらの成果を基に，任意のAE波形に対する処理も可能となるよう，システムの改善を図る。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成27年度の研究をほぼ終えた時点での残金で，物品費等で使用するにも少額であり，平成28年度の経費と合算して使用する方が，研究遂行上有効であると判断したため。
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| 次年度使用額の使用計画 |
少額であるため，平成28年度の経費と合算して，薬品および電子部品等の購入に充てる予定である。
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