[論文レビュー] Air-coupled thickness measurements of stainless steel

Grunde Waag, Lars Hoff+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2012

Optical measurement and interference techniques参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、200–600 kHz帯のブロードバンドパルスを用いて、空気を結合媒体として用いる非接触透過型超音波を用いてステンレス鋼板の厚さを測定することを示している。10.0 mm、9.8 mm、9.6 mmの領域間で0.2 mm（2%）の厚さ差を明確に解像し、2次高調波共振周波数は予想値と一致しているが、1次高調波のずれは有限なトランスデューサーアパーチャー効果に起因する。

ABSTRACT

A method of measuring the thickness of steel plates using through transmission of an acoustic pulse is demonstrated. This study has been done on a stainless steel plate with regions of thickness 10:0 mm, 9:8 mm, and 9:6 mm, using broadband pulses with energy in 200 kHz to 600 kHz band. Ultimately the goal is to perform similar air-coupled thickness measurements in a single sided pitch-catch measurement setup. The spectra of the transmitted pulses show the first and second harmonics of the compressional waves in the plate. When compared to a plane wave model of a fluid layer embedded in air, the second harmonic of the plate resonance fits well with the expected value. However, the first harmonic deviates such that the plate appears thicker at this resonance. This is believed to be caused by the finite aperture of the transmitting transducer, causing deviations from a plane wave. Thickness differences of 0:2 mm between the different regions of the plate were shown to be resolved. A third peak was found in the spectra. The origin of this peaks has not been verified, but is believed to come from the third harmonic of the shear wave in the steel plate.

研究の動機と目的

• 液体コールドを用いない非接触の空気結合型超音波法を用いて鋼板の厚さを測定すること。
• 空気と鋼鉄の間の高い透過損失（約-45 dB）を補うために、ブロードバンドパルスと信号平均化を用いること。
• 1次側ピッチ・キャッチ構成において、0.2 mmまでの厚さ差を共振周波数解析を用いて解像できること。
• 測定値と予想される共振周波数の差異、特に1次高調波に関しての原因を調査すること。
• 測定スペクトルに観察された未確認の3番目のピークの原因を調査し、横波の高調波に関連している可能性を検討すること。

提案手法

• 2つのトランスデューサーを100 mmの距離で配置し、ステンレス鋼板（100 mm）の両側で透過型超音波を用い、空気を結合媒体とした。
• 送信用に自作の540 kHzトランスデューサー（18 mm直径）を、受信用にNCT500-D6 500 kHz受信トランスデューサー（6 mmの有効素子）を用い、両者とも平面素子を採用した。
• 200–600 kHzの線形チープパルスを印加し、信号対雑音比を向上させるために200回分の記録を平均化した。
• 受信信号に対して時間ゲーティング（130 msウィンドウ）を施し、伝搬パルスを分離し、電磁的結合や反響による干渉を低減した。
• 時間ゲーティングされた信号からパワースペクトルを推定し、式(2)に示す流体層透過モデルを適用して、共振周波数と板厚との関係を定式化した。
• 領域A（10.0 mm）の2次高調波ピークを用いて、鋼板内の音速を5720 m/sと推定し、その後の板厚推定に用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空気結合型超音波を用いて、透過型方式でステンレス鋼板の厚さ差0.2 mmを解像可能か？
• RQ2 なぜ1次高調波共振周波数は名目値と比較して約7%高い板厚推定値を示すのか？これは平面波モデルからの逸脱である。
• RQ3 約460 kHz付近に観察された3番目のピークは何か？これは横波の高調波に関連している可能性があるか？
• RQ4 有限なトランスデューサーアパーチャー効果は、空気結合型超音波システムにおける共振周波数測定にどのように影響を与えるか？
• RQ5 横波モードおよび非平面波効果を組み込むことで、板厚推定の精度が向上するか？

主な発見

• 10.0 mm、9.8 mm、9.6 mmの領域間で0.2 mm（2%）の厚さ差が透過スペクトルで明確に解像された。
• 2次高調波共振（約570–590 kHz）は、名目値と約1%以内の一致を示し、流体層モデルと良好な一致を示した。
• 1次高調波共振（約270 kHz）は、名目値と比較して約7%高い板厚推定値を示したが、これは有限なトランスデューサーアパーチャーに起因する非平面波効果に起因するとされた。
• 約460 kHzの3番目のピークは、縦波モデルでは説明できず、横波の3次高調波に対応する可能性がある。領域A、B、Cにおける推定板厚はそれぞれ10.16 mm、9.93 mm、9.84 mmであった。
• 領域Aの2次高調波を用いて、鋼板内の音速を5720 m/sと推定し、全領域で一貫した板厚推定が可能となった。
• 本手法は、1次側非接触型の板厚測定に実用可能であり、横波およびアパーチャー補正モデルの組み込みにより、さらなる精度向上が期待できる。