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QUANTITATIVE EVALUATION METHOD OF CLOSED CRACK AND QUANTITATIVE EVALUATION DEVICE OF CLOSED CRACK

Patent code P05P003080
File No. U2003P305
Posted date Jan 27, 2006
Application number P2004-131540
Publication number P2005-315636A
Patent number P4538629
Date of filing Apr 27, 2004
Date of publication of application Nov 10, 2005
Date of registration Jul 2, 2010
Inventor
  • (In Japanese)山中 一司
  • (In Japanese)三原 毅
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人東北大学
Title QUANTITATIVE EVALUATION METHOD OF CLOSED CRACK AND QUANTITATIVE EVALUATION DEVICE OF CLOSED CRACK
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel quantitative evaluation method capable of simply determinating and evaluating the length (depth) of a closed crack with high precision, and a quantitative evaluation device therefor.
SOLUTION: A crack C is irradiated with first ultrasonic waves W1 from a transmitter 13 not only to form linear scattered wave Z1 at the leading end A of an opened crack C1 but also to receive the same by a receiver 14. Subsequently, the crack C is irradiated with second ultrasonic waves W2, which have an amplitude larger than the first ultrasonic waves W1 and have the same frequency as the first ultrasonic waves W1, from the transmitter 13 not only to form partial harmonics Z2 at the leading end B of the closed crack C2 but also to receive the same by a receiver 14. Next, the propagation time difference Δt between the first ultrasonic waves W1, the linear scattered waves Z1 and the second ultrasonic waves W2 and the partial harmonics Z2 is measured and the depth D of the closed crack C2 is led out on the basis of propagation time difference Δt.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


原子炉、航空機、タービンなど重要機器の安全性確保には、破壊の原因となるき裂や不完全な接合面を超音波の反射や散乱波によって検出し、その大きさを正確に評価しつつ危険性があれば交換する安全管理が行われている。しかし、様々な原因でき裂面を閉じさせるき裂閉口応力(J.H.Kim and S.B. Lee, Int. J. fatigue 23 (2001) S247等)が大きい疲労き裂や、応力腐食割れに起因したき裂面に酸化膜が形成された閉じたき裂などにおいては、超音波の反射・散乱が小さく、き裂長さや深さの計測誤差が大きいことが問題となっている。



このような背景のもとで、1978年、Buckらは金属円筒を接触させた界面を透過した超音波の波形がひずみ、周波数が入射超音波の整数倍になる高調波を観測した(O. Buck, W.L. Morris and J.M. Richardson, Appl. Phys. Lett. 33 (1978) 271)。ついでSolodovらは高調波発生の原因を、接触における応力ひずみ関係の非対称性によるContract acoustic nonlinearity (CAN; 接触音響非線形性)とし、き裂や不完全接合面の非破壊評価へ適用した(I.Yu. Solodov, N. Krohn and G. Busse, Ultrasonics 40 (2002) 621-625.)。しかしながら、前記高調波は、き裂や不完全接合部のみでなく、通常の圧電素子や接触媒体でも発生するため、き裂や不完全接合部で発生した高調波と誤認しやすいという問題があった。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、閉じたき裂の定量評価法、及び閉じたき裂の定量評価装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
開いたき裂及び閉じたき裂を連続して含むき裂に対して、所定の送信器より第1の超音波を照射し、前記開いたき裂の先端において線形散乱波を生成させるとともに、所定の受信器において受信する工程と、
前記き裂に対して、前記送信器より、前記第1の超音波よりも振幅が大きく、前記第1の超音波と同じ周波数を有する第2の超音波を照射し、前記閉じたき裂の先端において分調波を生成させるとともに、前記受信器において受信する工程と、
前記線形散乱波と前記分調波との伝搬時間差を計測する工程と、
前記伝搬時間差に基づいて、前記閉じたき裂の深さを導出する工程と、
を具えることを特徴とする、閉じたき裂の定量評価法。

【請求項2】
 
前記導出において、前記伝搬時間差は、前記第1の超音波及び前記線形散乱波の経路と前記第2の超音波及び前記分調波の経路との差分を前記第1の超音波及び前記第2の超音波の速度で除して得た値と等しいとすることを特徴とする、請求項1に記載の閉じたき裂の定量評価法。

【請求項3】
 
先に計測した前記第1の超音波及び前記線形散乱波と前記第2の超音波及び前記分調波との伝搬時間差と、閉じたき裂の深さとの相対関係を示すデータと、新たに計測した前記伝搬時間差のデータとを比較することによって、前記閉じたき裂の前記深さを推定するようにしたことを特徴とする、請求項1又は2に記載の閉じたき裂の定量評価法。

【請求項4】
 
前記送信器、前記受信器及び前記き裂間の相対的位置関係と、前記伝搬時間差とから前記閉じたき裂の前記深さを導出するようにしたことを特徴とする、請求項2に記載の閉じたき裂の定量評価法。

【請求項5】
 
前記送信器の、前記き裂から水平方向における距離をLとし、前記受信器の、前記き裂からの水平方向における距離をLとし、前記第1の超音波及び前記線形散乱波と前記第2の超音波及び前記分調波との前記伝搬時間差をΔtとし、前記線形散乱波の前記受信器に対する到達時間をtとし、前記第1の超音波及び前記第2の超音波の速度をVとした場合において、前記閉じたき裂の前記深さDは、
D=[(Vt/2)2-L21/2-[(V(t-Δt)/2)2-L21/2
なる関係式で表されることを特徴とする、請求項4に記載の閉じたき裂の定量評価法。

【請求項6】
 
前記送信器及び前記受信器は前記き裂に対して同じ側に設け、前記第1の超音波及び前記第2の超音波の前記照射と、前記線形散乱波及び前記分調波の受信とを前記き裂に対して同じ側で実施することを特徴とする、請求項1~5のいずれか一に記載の閉じたき裂の定量評価法。

【請求項7】
 
前記送信器及び前記受信器は前記き裂を挟むようにして相対向させて設け、前記第1の超音波及び前記第2の超音波の前記照射と、前記線形散乱波及び前記分調波の受信とを前記き裂を挟むようにして相対向させて実施することを特徴とする、請求項1~5のいずれか一に記載の閉じたき裂の定量評価法。

【請求項8】
 
前記第1の超音波及び前記第2の超音波は、その波形がガウス関数と正弦波との積で表される波形を呈することを特徴とする、請求項1~7のいずれか一に記載の閉じたき裂の定量評価法。

【請求項9】
 
開いたき裂及び閉じたき裂を連続して含むき裂に対して、所定の送信器より第1の超音波を照射し、前記開いたき裂の先端において線形散乱波を生成させるとともに、所定の受信器において受信し、前記開いたき裂の映像を得る工程と、
前記き裂に対して、前記送信器より、前記第1の超音波よりも振幅が大きく、前記第1の超音波と同じ周波数を有する第2の超音波を照射し、前記閉じたき裂の先端において分調波を生成させるとともに、前記受信器において受信し、前記開いたき裂及び前記閉じたき裂を含む前記き裂の映像を得る工程と、
前記開いたき裂の前記映像及び前記き裂の前記映像から、前記閉じたき裂の深さを計測する工程と、
を具えることを特徴とする、閉じたき裂の定量評価法。

【請求項10】
 
第1の超音波、及びこの第1の超音波よりも振幅が大きく、前記第1の超音波と同じ周波数を有する第2の超音波を生成するための波形生成装置と、
前記第1の超音波及び前記第2の超音波を開いたき裂及び閉じたき裂を連続して含むき裂に対して照射するための送信器と、
前記第1の超音波の照射により、前記開いたき裂の先端部で生成した線形散乱波、及び前記第2の超音波の照射により、前記閉じたき裂の先端部で生成した分調波を受信するための受信器と、
前記線形散乱波と前記分調波との伝搬時間差を計測するための波形解析装置とを具え、
前記伝搬時間差に基づいて、前記閉じたき裂の深さを導出するようにしたことを特徴とする、閉じたき裂の定量評価装置。

【請求項11】
 
前記導出において、前記伝搬時間差は、前記第1の超音波及び前記線形散乱波の経路と前記第2の超音波及び前記分調波の経路との差分を前記第1の超音波及び前記第2の超音波の速度で除して得た値と等しいとすることを特徴とする、請求項10に記載の閉じたき裂の定量評価装置。

【請求項12】
 
先に計測した前記第1の超音波及び前記線形散乱波と前記第2の超音波及び前記分調波との伝搬時間差と、閉じたき裂の深さとの相対関係を示すデータと、新たに計測した前記伝搬時間差のデータとを比較することによって、前記閉じたき裂の前記深さを推定するようにしたことを特徴とする、請求項10又は11に記載の閉じたき裂の定量評価装置。

【請求項13】
 
前記送信器、前記受信器及び前記き裂間の相対的位置関係と、前記伝搬時間差とから前記閉じたき裂の前記深さを導出するようにしたことを特徴とする、請求項11に記載の閉じたき裂の定量評価装置。

【請求項14】
 
前記送信器の、前記き裂から水平方向における距離をLとし、前記受信器の、前記き裂からの水平方向における距離をLとし、前記第1の超音波及び前記線形散乱波と前記第2の超音波及び前記分調波との前記伝搬時間差をΔtとし、前記線形散乱波の前記受信器に対する到達時間をtとし、前記第1の超音波及び前記第2の超音波の速度をVとした場合において、前記閉じたき裂の前記深さDを、
D=[(Vt/2)2-L21/2-[(V(t-Δt)/2)2-L21/2
なる関係式から導出するようにしたことを特徴とする、請求項13に記載の閉じたき裂の定量評価装置。

【請求項15】
 
前記送信器及び前記受信器は前記き裂に対して同じ側に設け、前記第1の超音波及び前記第2の超音波の前記照射と、前記線形散乱波及び前記分調波の受信とを前記き裂に対して同じ側で実施するようにしたことを特徴とする、請求項10~14のいずれか一に記載のき裂の定量評価装置。

【請求項16】
 
前記送信器及び前記受信器は前記き裂を挟むようにして相対向させて設け、前記第1の超音波及び前記第2の超音波の前記照射と、前記線形散乱波及び前記分調波の受信とを前記き裂を挟むようにして相対向させて実施するようにしたことを特徴とする、請求項10~15のいずれか一に記載の閉じたき裂の定量評価装置。

【請求項17】
 
前記波形生成装置は、波形がガウス関数と正弦波との積で表される波形を呈するようにして、前記第1の超音波及び前記第2の超音波を生成するようにしたことを特徴とする、請求項10~16のいずれか一に記載の閉じたき裂の定量評価装置。

【請求項18】
 
第1の超音波、及びこの第1の超音波よりも振幅が大きく、前記第1の超音波と同じ周波数を有する第2の超音波を生成するための波形生成装置と、
前記第1の超音波及び前記第2の超音波を開いたき裂及び閉じたき裂を連続して含むき裂に対して照射するための送信器と、
前記第1の超音波の照射により、前記開いたき裂の先端部で生成した線形散乱波、及び前記第2の超音波の照射により、前記閉じたき裂の先端部で生成した分調波を受信するための受信器と、
前記線形散乱波に基づいて前記開いたき裂の画像を得るとともに、前記分調波に基づいて前記閉じたき裂の画像を得るための画像処理装置と、
を具えることを特徴とする、閉じたき裂の定量評価装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2004131540thum.jpg
State of application right Registered
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