2020 Fiscal Year Research-status Report
超高強度空中超音波フェイズドアレイ波源走査法による高速広範囲計測への挑戦
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19K04931
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
大隅 歩 日本大学, 理工学部, 准教授 (40579413)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 空中超音波フェイズドアレイ / 非破壊検査 / 映像化 / 非線形音響 / 高調波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度の研究実績の概要は，以下の通りである。
(1)映像化アルゴリズムの開発：昨年開発が完了したAUPA駆動アルゴリズムと試作したAUPAを用いて，非破壊検査を行い，欠陥を映像化するまでのリアルタイムでの映像化アルゴリズムを開発した。具体的には，映像化アルゴリズムは以下のような手順で実装した。まず，AUPAらの音波放射により対象に励起した各波源からのガイド波を受信器で受信する。各位置で計測したガイド波のデータをデータロガーの受信部に送る。次に，受信部からのデータをデータ格納部にて各波源の位置に対応した二次元座標に照射時間を基準として同期させて格納する。計測領域の計測終了後，映像部にてガイド波伝搬画像を連続表示することで，ガイド波が欠陥で散乱する現象が映像化される。これらを一連の流れとして，リアルタイムで映像を更新し続けることでオンライン計測となる。以上の原理を元に映像化アルゴリズムの構築を行った。
(2)リアルタイム計測のための実験システムの構築：上記で構築した映像化アルゴリズムを実装する実験系システムを構築し，そのアルゴリズムを検証した。具体的には，使用する計測器やAUPAならびに周辺機器をすべてプログラムでシステム化し，上記のアルゴリズムをPC上で実装した。また，映像化アルゴリズムを実装した実験システムで，リアルタイム計測の検証を行った。
(3)超高強度AUPAの開発および実証試験：昨年度開発したAUPAは比較的高音圧の超音波が放射できており，強力音波の非線形性による高調波が発生していた。一方，超音波センサ径と音波長の関係からAUPAの放射音波にはグレーティングローブが発生し，欠陥画像にアーチファクトが発生していた。そこで，波長以下のセンサ径をもつ超音波センサで構築したAUPAを作成し，放射特性ならびに欠陥画像化の検証を行った。
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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
現在までの進捗状況は以下の通りであり，おおむね順調に進展している。
(1)映像化アルゴリズムの開発：当初の予定通り，欠陥を映像化するまでのリアルタイムでの映像化アルゴリズムを開発し，システム上の信号を用いて提案したアルゴリズムをシミュレーションし，動作することを確認した。
(2)リアルタイム計測のための実験システムの構築：上記で構築した映像化アルゴリズムを実装する実験系システムを構築し，そのアルゴリズムを検証した。具体的には，使用する計測器やAUPAならびに周辺機器をすべてプログラムでリンクし，上記のアルゴリズムをPC上で実装した。また，映像化アルゴリズムを実装した実験システムで，リアルタイム計測の検証を行い，ガイド波の伝搬画像および欠陥の画像化に成功した。
(3)超高強度AUPAの開発および実証試験：昨年度開発したAUPAは100個の空中超音波振動子で構成されていたが，比較的高音圧の超音波が放射できており，強力音波の非線形性による高調波が発生していた。一方，超音波センサ径と音波長の関係からAUPAの放射音波にはグレーティングローブが発生し，欠陥画像にアーチファクトが発生していた。そこで，波長以下のセンサ径をもつ超音波センサで構築したAUPAを新たに作成し，放射特性ならびに欠陥画像化の検証を試みた。その結果，新しく開発したAUPAではグレーティングローブの発生を抑制することができた。また，上記の新しいAUPAを搭載した実験システムで欠陥画像化を試みたところ，アーチファクトの削減に成功し，精度の高い欠陥画像を得ることが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度に実施したAUPAによる非破壊検査の検証結果を踏まえて，以下のように令和3年度は推進する。
(1)実験試料の作成：実現場を想定した実験試料を作成する。欠陥については，表層に減肉やき裂が生じた場合を想定して，試料の深さや寸法などを各種作成する。
(2)映像化アルゴリズムの実証試験：上記で作成した実験試料に対して，これまでに開発した映像化アルゴリズムを搭載した実験システムで欠陥の映像化の検証を行う。なお，計測時間は，走査速度×計測点数に依存するため，欠陥対象に対する最適な計測時間についても検証し，提案手法の広範囲高速計測の実現を目指す。
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| Causes of Carryover |
令和2年度は申請した費用に一部計画変更が生じ、残額が生じた。主な理由は、新しいAUPAの開発費用が当初の計画よりも抑えて設計試作が出来た為である。これらの費用は、令和3年度に開発する数100chで構成された更なる強力音波が放射できるAUPAの開発費用に充足する際の回路設計ならびにより多チャンネルの制御が可能な高性能FPGAボード及び周辺機器の費用に充てる予定である。
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