超音波非破壊検査に使用されるピエゾセラミックスの応用

超音波の開発の歴史と特徴

音響学は、物理学の分野として、音波の発生、伝播、受信、および影響を研究する科学です。 1940 年以前は単結晶圧電材料しか存在せず、超音波はあまり普及していませんでした。 1970 年代に、PLZT 透明圧電セラミックスが開発されました。圧電材料の開発は、超音波場の発展を大きく促進しました。

音波の合計周波数は 10-4 Hz ～ 1014 Hz です。一般に2×104Hz～2×109Hzの周波数の音波を超音波と呼びます。超音波は音波の一部であり、音波伝播の基本法則に従いますが、 ピエゾセラミックディスク結晶に はいくつかの優れた特徴もあります。 ① 超音波の指向性が良い：超音波は光波と同じ指向性を持ち、特殊な設計により指向性を持って伝播することができます。検出対象物を効果的に検出するには、超音波周波数が高いほど指向性が良くなります。 ② ほとんどの媒体に対して強力な超音波透過能力があり、強力な透過能力を持っています。 ③ 高超音波エネルギー：超音波検出の動作周波数は音波の周波数よりもはるかに高く、高エネルギーです。 ④ 超音波は波長が短く回折現象が少ないため、周波数が高く波長が短いため、物体の欠陥による反射を見つけやすいため、探傷によく使用されます。超音波が非破壊検査で広く使用されるのは、これらの特性のためです。

超音波検査の基本原理

超音波はさまざまな媒体中を伝播します。が界面に遭遇すると、超音波は反射、屈折、および波動モード変換を受けます。反射は、音響インピーダンスが異なる異種界面で発生します。媒質1から媒質2へ超音波を垂直に入射したときの界面での反射率R。2つの媒質間の音響インピーダンスの差が大きいほど、界面での超音波の反射が強くなります。介在物間の音響インピーダンスの差が大きいほど、 Pzt材質の圧電セラミックス と基板を使用するほど、検出の可能性が高くなります。

検出内容

超音波法によるピエゾセラミックスの検出は、気孔率検出と表面欠陥検出に分けられます。 ピエゾセラミックスの検出気孔率 ピエゾセラミックスの強度、弾性率、密度は気孔率に直接関係します。一部のピエゾ コンポーネントの気孔率によって、それが使用できるかどうかが決まります。また、超音波の伝達速度と圧電セラミックスの気孔率（または密度）の間には一定の関係があり、実測により得られ、式を用いて圧電セラミックスの気孔率を求めることができます。

気孔はランダムな方向を向いた楕円体に縮小され、等方性マトリックス内に均一に分布します。複合マイクロメカニカルモデルは音速を計算し、測定値と比較するために使用されます。気孔率が計算されます。圧電セラミック材料の理論密度がわかっている場合、かさ密度から気孔率を計算できます。身体密度を測定するには多くの方法があります。アルキメデス法がよく使われます。圧電セラミックスの内部欠陥は水浸探傷法でも検出できます。水浸縦波垂直探傷法で欠陥を検出すると、ビーム経路を直接読み取ることができます。小さな欠陥を検出するには、代わりに低周波プローブを使用できます。

 表面欠陥の検出

圧電セラミックスの場合、内部欠陥よりも同じ形状およびサイズの表面欠陥の方が損傷を引き起こす可能性が高いため、表面欠陥の検出は特に重要です。圧電セラミックスの表面欠陥は、通常、水浸表面波法によって検出されます。超音波（縦波）を水に浸す物体の表面に斜めに入射します。入射角 θc が第 2 臨界角 θC より大きい場合、屈折した音波はすべてワークピースの表面に沿って伝播し、次の表面波方程式が形成されます。 Cr2——ワークピースへの水浸漬の音速表面速度。

表面波の波長はせん断波の波長よりも短く、減衰もせん断波よりも大きくなります。同時に、それは表面に沿ってのみ伝播します。鋭い角やエッジに遭遇すると、強い反射エコーが発生します。曲率が大きいほど、反射は強くなります。浸水表面波が試験ブロックの表面を伝播すると、エネルギーが水中に漏れる可能性があるため、わずか数ミリメートル後には浸水表面波の反射波の高さが大幅に減少します。反射波伝播距離の小振幅特性を考慮すると、 ピエゾ セラミック リング トランスデューサはできる限り欠陥の近くに配置する必要があります。上記の方法に加えて、櫛型電極トランスデューサー法、超音波顕微鏡法、およびレーザー走査型超音波顕微鏡法を最新の圧電セラミック表面欠陥の検出に使用できます。これまでのところ、現代の中国では超音波セラミック探傷に関する研究は少なく、蓄積されたデータは少なく、強い客観性を備えた標準的な試験片はありません。今後強化すべき研究方向は、新たな探傷法の開発と応用、高性能プローブの開発である。もちろん、コンピュータ技術に代表される情報技術の急速な発展に伴い、最新の超音波非破壊検査技術もデジタル信号処理や検査画像化に向けて発展しています。