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材料試験における超音波

これまでのトピックは、音の基本特性や可聴音の基本特性でした。超音波の物理的プロセスは可聴音と同じですが、超音波は振動が高速で発生するため、人間の耳では聞き取れません。可聴性の限界は約 0.02 MHz で、超音波検査では約 0.5 MHz から 20 MHz の周波数を使用します (1 秒あたり 1MHz = 1000 000 回の振動)。人間は他のどの方法でも見えない、聞こえない、認識できないという超音波のこの特性により、その影響を理解しにくいのですが、検査の時に、可聴域だったら耐えられないような高いレベルから音の強度を選択できるというメリットがあります。では、超音波の振動について詳しく説明したいと思います。固体、液体、気体を問わず、どの媒体でも振動を起こすことができます。振動が高速で発生して、人間の可聴性の限界を超えると、超音波と呼ばれるものになります。実際に、それは振動する媒体の小さな粒子 (弾力的に総合接続されているイメージ) です。振動の種類は、媒体の弾力特性と媒体の振動を引き起こすパルスによって決まります。音波は、音速 c で媒体に伝播します。音の振動を材料の粒子の動きとして説明することができます。例えば、位置と時間の関数として粒子の偏差 = f (z, t) または位置と時間で音圧の変化 p = f (z, t) とすることができます。材料の検査で音圧とは、振動と交互に起こる音圧を意味しています。音圧は非常に重要です。というのは、圧電プレートから生成される電位 U = f (z, t) は、衝突した音波の音圧と直接比例するからです (その逆も然り)。図 14 は、液体、気体、固体での音の伝播を示しています。粒子は、波が伝播する方向に振動します。そのような振動は縦波と呼ばれます。粒子が密に詰まっているということは偏差が小さいということなので、粒子速度は速く、音圧は高くなります。媒体にせん断力が伝わる場合 (ほとんどの場合、固体)、粒子は波の伝播する方向に向かって横に振動することもあります。そのため、これは横波として知られています (図 15)。しかし、そのような理想的なケースは無限媒体でしか存在しません。検査中、テスト試料 (プレート、ロッドなど) の外側の境界で反射が起こった場合、プレート波、ロッド波 (図 16)、表面波など、複雑な混合波が形成されます。純粋な縦波と横波に適用可能な方程式は、それらに適用されません。こうした種類の波はすべてテスト試料に同時に存在することがあり、表示内容の解釈がさらに難しくなります。材料検査での超音波の物理で最も重要なパラメーターは、以下の通りです。