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公開番号2025016327
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-31
出願番号2024008263
出願日2024-01-23
発明の名称超音波コーダ波の平均パワー減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法
出願人北京航空航天大学,個人,GRADUATE SCHOOL OF CHINA ACADEMY OF ENGINEERING PHYSICS
代理人TRY国際弁理士法人
主分類G01N 29/11 20060101AFI20250124BHJP(測定;試験)
要約【課題】超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法を提供する。
【解決手段】検出対象の結晶材料と厚さが同一になるサンプルを製造し、信号を励起する形態とパラメーターを特定し、結晶材料の平均晶径の検出システムを構築すること、異なる平均晶径を有するサンプルについてそれぞれ超音波信号の励起と受信を行い、バンドパスフィルタする先行処理を行うこと、コーダ波時間窓及び参照時間窓とされる信号を選択し、それぞれ平均パワーを取得し、時間差に基づいてコーダ波の平均パワー減衰を算出すること、等価減衰係数モデルに基づいて、サンプルについて結晶子の平均サイズとコーダ波の平均パワー減衰との間の対数線性モデルを作成すること、検出対象のものであって晶径が未知である結晶材料の信号を採集し、コーダ波の平均パワー減衰を取得し、対数線性モデルに基づいて結晶材料の平均晶径を特定すること、を含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
検出対象の複数の結晶材料と厚さが同一になる若干のサンプルを製造し、信号を励起する形態とパラメーターを特定し、複数の結晶材料の平均晶径の検出システムを構築するステップＳ１と、
異なる平均晶径を有するサンプルについて、それぞれ超音波信号の励起と受信を行い、採集された超音波信号をバンドパスフィルタする先行処理を行うステップＳ２と、
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7
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択し、それぞれ平均パワーを取得し、時間差に基づいてコーダ波の平均パワー減衰を算出するステップＳ３であって、
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16
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7
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そのうち、前記コーダ波平均パワーP(t)がtタイミングに超音波信号のコーダ波の部分のエネルギー状態を示すステップＳ３１と、
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28
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15
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の等価減衰係数モデルを算出すると、
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11
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4
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示すステップＳ３３を含み、
取得されたコーダ波時間窓と参照時間窓は、それぞれ、超音波信号におけるコーダ波の部分と基本波の部分に位置しており、コーダ波の部分の選択について、二倍最短境界回波の到着時間を始まりタイミングとすると共に、選択されたコーダ波時間窓におけるコーダ波信号に高ＳＮ比を有するステップＳ３と、
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10
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6
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そのうち、θ
１
、θ
２
は、それぞれ、モデル第一フィッティングパラメーターとモデル第二フィッティングパラメーターを示し、モデル第一フィッティングパラメーターとモデル第二フィッティングパラメーターについて最小二乗法により評価を行うステップＳ４、
複数の結晶材料の平均晶径検出システムにより、検出対象の未知の晶径における複数の結晶材料の超音波信号を採集してフィルタリングを行い、ステップＳ３において取得され
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19
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とを特徴とする超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
ステップＳ１は、
検出対象の複数の結晶材料の材料成分情報に基づいて、化学成分が同一であると共に異なる平均晶径を有する若干のサンプルを製造し、検出対象の複数の結晶材料と厚さが一致する板状のサンプルに切断るステップＳ１１と、
超音波信号を励起させるための励起源が単一の中心周波数を有したハニング窓の変調正弦波パルスであり、検出対象の複数の結晶材料について弾性性質及び厚さの情報に基づいて超音波信号周波数を選択するステップＳ１２と、
任意関数発生器の単一のチャネルにより超音波を出力し、ティージョイントにより二つの出力端を形成し、そのうち、第一出力端が高圧パワー増幅器に接続され、増幅されてから励起超音波トランスデューサーウエハーに伝導され、第二出力端がミックスドシグナルオシロスコープの触発チャネルに直接伝導されるステップＳ１３、
各サンプルについて、同一の中心周波数を有し一対になる励起トランスデューサーウエハーと受信トランスデューサーウエハーを密接に設置すると共にサンプルにおける表面の中心位置に固定するステップＳ１４と、
励起ごとに、触発チャネルが受信した触発信号に基づいて、受信トランスデューサーウエハーによりサンプル中を伝播している超音波信号を採集して、ミックスドシグナルオシロスコープの採集チャネルに送信するステップＳ１５、を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法。
【請求項３】
ステップＳ２は、
各サンプルをランダムに切り出してサンプリングしながら、実際の晶径を取得するステップＳ２１と、
パルス回波による形態を採用して各サンプルを検出し、トランスデューサーウエハーがサンプルに生じる励起超音波信号を励起させ、受信トランスデューサーウエハーがサンプルにおいて伝送する超音波信号を受信するステップＳ２２と、
異なる平均晶径を有したサンプルと対応する超音波信号を取得するまで、ステップＳ２１とステップＳ２２を繰り返して実行し、超音波信号をバンドパスフィルタする先行処理を行うステップＳ２３を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法。
【請求項４】
ステップＳ２において受信トランスデューサーウエハーが受信する信号は、ミックスドシグナルオシロスコープが１２８回だけ信号を連続的に採集する平均値である、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法。
【請求項５】
ステップＳ２においてパルス回波の形態を採用して各サンプルにおける超音波信号を検出する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法。
【請求項６】
ステップＳ２１においてサンプルの実際の晶径dは、電子線後方散乱回折技術を介して量化されたものである、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法。
【請求項７】
ステップＳ１において、前記複数の結晶材料の平均晶径検出システムは、任意関数発生器、ティージョイント、高圧パワー増幅器、励起トランスデューサーウエハー、受信トランスデューサーウエハー、ミックスドシグナルオシロスコープ及び上位コントローラーを含み、
前記任意関数発生器における単一のチャネルから超音波を出力しながら前記ティージョイントに伝送し、前記ティージョイントが二つの出力端を有し、第一出力端が高圧パワー増幅器に接続され、増幅されてから励起超音波トランスデューサーウエハーに伝導され、第二出力端がミックスドシグナルオシロスコープの触発チャネルに直接伝導され、
前記励起トランスデューサーウエハーは、励起超音波信号を生じるためのものであり、前記受信トランスデューサーウエハーは、伝送された超音波信号を受信しながら前記超音波信号を前記上位コントローラーに伝送する、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の結晶材料の晶径を損なわなく検出する技術分野に関し、特に、超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法に関する。
続きを表示（約 4,500 文字）【背景技術】
【０００２】
ニッケル基高温合金は、現代の先進的な航空向けエンジンにおけるタービンディスクなどを始めコア部品を製造するための代表的な主要材料として、ある先進的な航空向けエンジンに広く使用されている。現在、タービンディスクに使用されている大型高温合金ブランクは、加工用技術の限界により、加工中に結晶粒組織が不均一になりやすく、一部の結晶粒が粗大となり、引張強度や耐疲労性が低下し、機械的性質がバラバラである。深刻な場合には、製品が故障になり廃棄され、機器の完全性と信頼性に重大な影響を与えてしまうおそれがある。したがって、合金ブランクについて効率的かつ正確な粒度評価方法を開発するということは、量産条件下で高温合金タービンディスクの安定した品質を達成するのに役立ち、重要な工学的かつ実用的価値を有する。
【０００３】
現在、よく使用されている晶径検出方法は、主に破壊検出方法と非破壊検出方法の２つに分けられる。光学的金属組織検査や後方散乱電子回折などの破壊検査技術では、検査対象のサンプルから小さな試験片を切り出し、光学顕微鏡または電子顕微鏡により、試験片の表面の粒子構造特性を写真として撮影して平均粒径を評価する。破壊検出法は、粒子の微細構造を高精度で特徴付けることができるものの、工学的に実際の構造を検出するため、サンプルを切断することはできないことが多く、検出コストが高いため、その適用範囲も限られている。そのため、Ｘ線検査法や実体波超音波検査法などの非破壊検出技術が高度に発達されていくわけである。Ｘ線検出法は、Ｘ線が検査対象物中を伝播している際に、物質との相互作用の減衰や散乱特性を利用して、検査対象物の内部結晶粒微細構造を観察するが、装置が高価であることから必要に応じて長期間にわたって使用されると、測定が非効率になってしまう。
【０００４】
実体波超音波に基づく検出方法は、材料内に超音波を発生させ、材料内部の微細構造と相互作用してその波の特性を解析し、材料特性を評価する。選択される実体波超音波の波形特性には、主に波速特性、後方散乱特性、減衰特性が含まれる。波速特性の原理については、測定対象物の厚さと２つのエコー間の時間遅れから音速を計算し、平均粒径を評価するということができる。波速と粒径との関係は特定の粒径範囲内で単調ではなく、また、一部の金属材料に対する感度が低いため、検出に正確な測定システムが必要になる。後方散乱特性については、超音波と材料の内部において音響インピーダンスが不整合になる結晶粒界面との相互作用によって生成される多数の散乱波に焦点を当てており、時間領域信号において、波とエコー信号との間におけるノイズのような妨害信号として現れる。しかし、後方散乱信号の取得は、複数回だけの空間サンプリングを経て平均を行うことが必要になるため、非効率になってしまう。減衰特性とは、超音波が物質中を伝播する過程で、伝播距離が長くなるほど、付けられているエネルギーが弱くなるという特性を意味する。それにより、パルスエコー法における表面エコーと各底波の振幅が順次に減少し粒径を評価するように観察することができ、安定性が良好である。しかしながら、実体波超音波の制限により、単一チャネルにある平均粒子サイズしか検出できず、大きな構造で空間的に高密度なサンプリングが必要になり、効率が低く、局所的な粒子が異常であったとの検出の漏れに繋がるおそれがある。
【０００５】
コーダ波は、不均質な媒体において超音波の複数の散乱によって形成され、波の背後に尾部として直接現れる。コーダ波は、実体波よりも長い時間スケールで空間を繰り返しサンプリングする役割を果たすため、微細な粒子構造の特性に対してより敏感であり、単一のセンサー位置で単一の測定により広範囲の測定を達成することができる。したがって、超音波減衰特性とコーダ波を検出する利点を組み合わせて、平均粒径評価を効率的に達成するための超音波後流波の平均パワー減衰に基づく多結晶材料の粒径評価方法を見出すことが非常に緊急かつ非常に重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術における欠陥に対して、超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
まず、検出対象の複数の結晶材料と厚さが同一になる若干のサンプルを製造し、信号を励起する形態とパラメーターを特定する。次に、複数の結晶材料の平均晶径の検出システムを搭建する。異なる平均晶径を有しているサンプルについて、それぞれ超音波信号の励起と受信を行い、バンドパスフィルタする先行処理を行う。コーダ波時間窓及び参照時間窓とされる信号を選択し、それぞれ平均パワーを取得し、時間差に基づいてコーダ波の平均パワー減衰を算出する。等価減衰係数モデルに基づいて、サンプル平均晶径とコーダ波の平均パワー減衰との間の対数線性モデルを作成する。検出対象のものであって晶径が未知されている複数の結晶材料の信号を採集し、フィルタリングしてから、対応するコーダ波の平均パワー減衰を取得し、対数線性モデルに基づいて複数の結晶材料の平均晶径を特定する。本発明は、従来の実体波方法に比べると、検出する効率が高いと共に比較的に容易であり、実用性が強いと共に検出する結果が一層正確になる。
【０００８】
具体的に、本発明が提供する超音波コーダ波の平均パワーの減衰に基づく複数の結晶材料の晶径の評価方法は、
検出対象の複数の結晶材料と厚さが同一になる若干のサンプルを製造し、信号を励起する形態とパラメーターを特定し、複数の結晶材料の平均晶径の検出システムを構築するステップＳ１と、
異なる平均晶径を有しているサンプルについて、それぞれ超音波信号の励起と受信を行い、採集された超音波信号をバンドパスフィルタする先行処理を行うステップＳ２と、
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7
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択し、それぞれ平均パワーを取得し、時間差に基づいてコーダ波の平均パワー減衰を算出するステップＳ３であって、
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15
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そのうち、前記コーダ波平均パワーP(t)がtタイミングに超音波信号のコーダ波の部分のエネルギー状態を示すステップＳ３１と、
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15
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衰係数モデルを算出すると、
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4
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示すステップＳ３３を含み、
取得されたコーダ波時間窓と参照時間窓は、それぞれ、超音波信号におけるコーダ波の部分と基本波の部分に位置しており、コーダ波の部分の選択について、二倍最短境界回波の到着時間を始まりタイミングとすると共に、選択されたコーダ波時間窓におけるコーダ波信号に高ＳＮ比を有するステップＳ３と、
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10
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そのうち、θ
１
、θ
２
は、それぞれ、モデル第一フィッティングパラメーターとモデル第二フィッティングパラメーターを示し、
モデル第一フィッティングパラメーターとモデル第二フィッティングパラメーターについて最小二乗法により評価を行うステップＳ４、
複数の結晶材料の平均晶径検出システムにより、検出対象の未知の晶径における複数の結晶材料の超音波信号を採集してフィルタリングを行い、ステップＳ３において取得され
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7
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【０００９】
好ましく、ステップＳ１は、検出対象の複数の結晶材料の材料成分情報に基づいて、化学成分が同一であると共に異なる平均晶径を有する若干のサンプルを製造し、検出対象の複数の結晶材料と厚さが一致する板状のサンプルに切断るステップＳ１１と、
超音波信号を励起させるための励起源が単一の中心周波数を有したハニング窓の変調正弦波パルスであり、検出対象の複数の結晶材料について弾性性質及び厚さの情報に基づいて超音波信号周波数を選択するステップＳ１２と、
任意の関数発生器の単一のチャネルにより超音波を出力し、ティージョイントにより二つの出力端を形成し、そのうち、第一出力端が高圧パワー増幅器に接続され、増幅されてから励起超音波トランスデューサーウエハーに伝導され、第二出力端がミックスドシグナルオシロスコープの触発チャネルに直接伝導されるステップＳ１３、
各サンプルについて、同一の中心周波数を有し一対になる励起トランスデューサーウエハーと受信トランスデューサーウエハーを密接に設置すると共にサンプルにおける表面の中心位置に固定するステップＳ１４と、
励起ごとに、触発チャネルが受信した触発信号に基づいて、受信トランスデューサーウエハーによりサンプル中を伝播している超音波信号を採集して、ミックスドシグナルオシロスコープの採集チャネルに送信するステップＳ１５、を含む。
【００１０】
好ましく、ステップＳ２は、具体的に、
各サンプルをランダムに切り出してサンプリングしながら、実際の晶径を取得するステップＳ２１と、
パルス回波による形態を採用して各サンプルを検出し、トランスデューサーウエハーがサンプルに生じる励起超音波信号を励起させ、受信トランスデューサーウエハーがサンプルにおいて伝送する超音波信号を受信するステップＳ２２と、
異なる平均晶径を有したサンプルと対応する超音波信号を取得するまで、ステップＳ２１とステップＳ２２を繰り返して実行し、超音波信号をバンドパスフィルタする先行処理を行うステップＳ２３を含む。
（【００１１】以降は省略されています）

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