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超音波の回折および散乱特性:
超音波が媒体中を伝播すると、不均一な界面（欠陥など）に遭遇します。ホイヘンスの原理により、その端部では回折現象が起こり、新たに励起回折波が発生する。見かけ上、元の超音波は欠陥の周囲を進み続けることができますが、欠陥の背後には音響影（超音波のない空間）が形成されます。新しい回折波を使用して、表面亀裂の深さまたは内部亀裂の高さを評価できます。中国ではこの方式を端部再生波方式と呼び、外国では先端回折波方式と呼んでいます。音の影の形成現象は、超音波透過検出に使用されます。つまり、超音波が反射、回折、散乱などにより音の経路上で欠陥に遭遇した場合、検査対象の材料の異常な微細構造により、超音波の伝播エネルギーの減衰が引き起こされるため、音響経路の反対側で受信される音響エネルギーが通常の状態で受信される音響エネルギーよりも低くなり、その差を反映できます。超音波探傷器の表示を使用するか、電気メーターの指示を直接使用して検査および評価の基準として使用されます。 超音波厚さ測定ゲージは、 シート、複合材料、または接着構造の層間剥離、剥離などの欠陥検出に使用でき、小型電気スイッチの先端のひび割れにも使用できます。超音波回折（再生波）により亀裂の深さを測定します。
銀メッキ接点の品質検査など。利点は自動検出が容易であることですが、欠点は欠陥の大きさや欠陥の位置が分からず、2つのプローブの相対位置が厳密に要求されることです。超音波が媒質中を伝播するとき、超音波自体の波面拡散により、音ビームの方向に垂直な単位面積を通過する音響エネルギーが伝播距離の増加とともに減少します。これを拡散減衰と呼び、これが超音波そのものです。この特性はビーム広がり角 2θ (θ は超音波ビームの半拡散角) に関係します。また、超音波は材料の粒界や位相点、媒質中の浮遊粒子や不純物、気泡などの音響インピーダンス（音速と密度の積に等しい値）に存在します（多少の違いはあっても）。散乱状態は超音波の波長と散乱粒子の大きさ（平均結晶粒径）に関係します。金属材料では、波長 λ と結晶粒の平均直径の比は 3 つの散乱状態に分類できます: レイリー散乱: λ の場合、散乱の程度は周波数の 4 乗に比例し、金属の大部分を占めます。ランダム散乱: ≈λ、散乱の程度は周波数の 2 乗に比例し、通常、粗粒鋳物の場合のように、拡散散乱: ≥ λ、散乱の度合いは反比例します。これは、ワークの検出面の表面が粗い場合、界面での入射音響エネルギーの拡散散乱損失が発生します。この状況の同様の比喩は、霧の天候の中で車のライトが散乱し、散乱現象の存在により、音の経路に垂直な単位領域を通過する音響エネルギーが減少することに似ています。超音波パルス反射検出法におけるこの散乱現象の存在は、超音波の透過能力を低下させるだけでなく、金属材料内での散乱超音波の重畳残響によって超音波に戻され、クラッタのレベル、金属材料の微細構造を評価することにより、超音波探傷器のディスプレイに表示されます。特に航空宇宙産業では、クラッターレベルの評価がチタン合金鍛造品の超音波試験の合否基準の重要な指標となっています。
超音波減衰特性 前節で説明した散乱減衰に加えて、超音波が材料を透過するときのエネルギー減衰のもう一つの重要な原因は、材料の粘性、熱伝導、境界摩擦に関係する内部吸収による減衰です。緩和現象は、転位運動（転位密度、 （長さの変化、空孔や不純物の存在）、磁壁の移動、残留応力による音場の乱れなど。それらは超音波エネルギーの減衰を引き起こす可能性があり、これは上部セクションの散乱減衰に対応します。これらの理由によって引き起こされる超音波エネルギーの減衰を吸収吸収と呼びます。物質中での超音波の減衰メカニズムは非常に複雑であることがわかります。総合的な減衰を考慮します。距離音源 X=0 での音圧振幅を P0、距離 X 以降の音圧振幅を PX とすると、 PX =P0・e-αx となります。 ここで、α は減衰係数と呼ばれ、α=αs+αa の 2 つの部分に分けることができます。 ここで、αs は散乱減衰係数、αa は吸収減衰係数です。したがって、αで表される減衰係数は材料の総合的なパラメータであり、一般に超音波の周波数が高くなると減衰係数も大きくなります。超音波検査において、超音波が材料を通過した後の音響エネルギーの減少の度合いを求めることができます（例えば、超音波パルス反射法におけるワーク底面のエコー振幅の減少の度合いを評価すること）を、底波損失評価または底反射損失、または超音波と呼びます。貫入法は、金属材料の粗大結晶、過熱および過燃焼（金属鍛造品の過熱構造）、炭化物の検出など、材料の微細構造の性質、形態、分布を評価するために使用できます。ダクタイル鉄の均一性、炭化物球状化率、炭素鋼の室温引張強さ、応力測定など。
利用可能なデータでは、機関車の車輪のパーライト組織（炭素含有量 0.53 ～ 0.61% のパーライト鋼）におけるセメンタイト層の間隔を判断するために、散乱によるクラッター表示とエコー振幅の減衰評価を使用する方法が紹介されています。ホイールの降伏限界と耐摩耗性を決定します。また、超音波の減衰特性を材料の疲労試験に利用する例も報告されています（疲労試験では、試験片内部の内部摩擦や格子歪みにより超音波散乱が起こり、破面の局所的な塑性変形により超音波エネルギーが吸収されます）。鋼の破壊靱性の評価に使用されます。超音波の減衰特性と音速特性を組み合わせると、たとえば、チタン合金の水素含有量を決定したり（チタン合金中の水素のリスクを低減）、アルミニウム合金の経年劣化品質を評価したりすることができます。同じ波形の超音波の速度特性は、材料が異なると伝播速度が異なり、同じ材料でも、波形の種類が異なる超音波は伝播速度も異なります。材料の組成、微細構造、密度、包含率、濃度、ポリマー転化率、強度、温度、湿度、圧力（応力）、流量が変化または変化すると、音速も変化します。特殊な音速試験機または従来の超音波パルス反射型探傷器または厚さ計を使用して、音速が既知の標準サンプルと音速が既知の材料を比較することにより、材料の音速または音速を測定し、適用することができます。物理学における関係によれば、一般に次のような材料の定数: 音速 C = (E / ρ) 1/2、ここで ρ は材料の密度、E は材料の弾性率です。音速は材料の異方性、形状、界面の影響を受け、超音波の振動形態に応じてそれぞれの弾性率が使用されるため、気体および液体中の縦波速度（気体および液体のみ）の縦波は CL = (K / ρ0) 1/2 となります。ここで、K は材料の容量弾性率 (体積弾性率)、ρ0 は元の弾性率です。音波の存在下での媒体の静的密度。固体では、超音波波長よりも小さい直径を有する細いロッド内を軸方向に伝播する超音波縦波の速度は次のとおりです。 Cl = (E / ρ) 1/2、ここで E は材料のヤング率、ρ は材料密度直径です。超音波の波長よりも大きい太いロッドの軸方向に伝播する超音波縦波。 CL={[K+(4/3)G]/ρ}1/2={[E(1-σ)]/ρ(1+σ) (1-2σ)} 1/2 式の K は材料の容量弾性率（体積弾性率）、G は材料のせん断弾性率、σ は材料のポアソン比（材料に力が加わったとき、縦ひずみが加わったとき）方向に横ひずみが発生し、縦方向にも横ひずみが発生し、その比をポアソン比といい、材料の物性の一つです）。せん断波の音速は次のとおりです。 Cs=(G/ρ)1/2={E/[ρ・2(1+σ)]}1/2 レイリー波の音速は、CR=[(0.87+1.12σ)/(1 +σ)]・(G/ρ)1/2 です。音速が測定され、別のパラメータがわかっている場合、他のパラメータを計算できます。
(2) 温度の測定: 媒体内の音速は媒体の温度に関係します。この特性を利用して、非接触媒体の温度を測定することができます。さらに、媒体の融点、沸点、相変化を示したり、媒体の比熱を測定したりするために使用することもできます。反応熱である融解熱と燃焼熱を測定し、媒体の純度や分子量を測定します。
(3) 流量の測定：超音波が流動媒体（一定の割合の固体粒子を含む気体、液体、流体の移送管や水路など）中を伝播する場合、固定座標系に対する静的な条件下とは伝播速度が異なります。これは媒体の流量に関係しているため、音速の変化に基づいて流量を求めることができ、さらに流量（流体断面積×流量）を求めることができます。 （４）液体の粘度ηの測定：せん断音響インピーダンスＺおよび（η・ρ） 1/2 （ηは液体の粘度、ρは液体の密度）、および音響インピーダンスＺ＝ρ・Ｃに従って、したがって、音速を測定し、液体の密度を決定することによって、液体の密度を決定することができる。 (5) 応力測定：材料中の超音波の伝播速度は、加えられた応力に対してほぼ直線的に変化するため（超音波応力効果といいます）、プレストレストコンクリートの強度、金属の強度や残留応力、締結部の強度の測定に使用できます。部品（締結ボルトなど）にかかる引張応力。 （６）硬度測定：金属表面硬化層の硬度は、金属表面の硬化層における波の速度変化特性を利用して求めることができる。
(7) 金属表面の亀裂の深さの測定: 波が金属表面に沿って直接伝わる時間と、表面亀裂が存在し、波が亀裂によって迂回される時間との差。レイリー波の伝播速度は亀裂の深さから計算できます。この方法は、時間遅延法または通過時間法、Δt法と呼ばれます。
(8) 測定厚さ：超音波の伝播距離 X と音速 C および伝播時間 t の関係より、X=C・t 例えば超音波パルス反射法で厚さを測定する場合、ワーク厚さ d=C・t/2 となります。ここで分母 2 を使用する理由は、超音波プローブがワークピースの底面に超音波パルスを放射し、反射リターンプローブが受信するため、通過する音の経路がワークピースの厚さの 2 倍になるためです。
超音波の速度特性を利用して、球状黒鉛鋳鉄の強度や黒鉛の球状化度の測定、窯での焼成のタイミングを決めるための陶磁器日干しの湿度測定、ガス媒体の特性（例えば工業用酸素や窒素の純度）の分析などにも応用できます。動物の呼吸の代謝率は、石油留分であるネオプレンラテックスの密度だけでなく、ガス中の成分の含有量なども変化します。
超音波時間遅延法は、表面亀裂深さ液体の密度などを測定するために使用されます。要約すると、特に工業用測定技術における超音波速度特性の応用は数多くあります。超音波は機械的な振動波の一種です。超音波共振器を使用して、周波数を調整した超音波（主に縦波）を検査対象のワークに照射します。超音波がワークの固有振動数と共振すると、逆方向の入射波が伝播します。反射波は互いに重なり合って定在波を形成します。これは垂直に入射する縦波の厚み共鳴です。この共振特性により、次のような側面に応用できます。
(1) 厚み測定
： 圧電セラミックディスク振動子 をd、その中を伝播する超音波の波長を共振時の波長λとすると、d=λ1/2=2λ2/2=3λ3/2=...=n・λn/2、nは任意の正の整数、つまりこのときの検査対象のワークの厚さは共振する超音波の半波長の整数倍となります。試験片材料の超音波速度 C が分かると、音速と波長と周波数の関係 C = λ・f より、厚み共振時の超音波周波数 fn = C / λn = n・C / 2d が求められます。 n=1 のとき、f1 = C/2d が厚み共振の基本周波数となります。隣接する 2 つの高調波の周波数の差は基本周波数に等しいため、 fn-fn-1=nf1-( N-1) f1=f1 となるため、厚み共振における隣接する 2 つの高調波の周波数は共振器によって決定でき、ワークの厚みは次のようになります。 d=C/[2(fn-fn-1)]、隣接しない高調波の周波数をそれぞれ fm と fn とすると、以降: fm-fn=(mn)f1。
（２）欠陥の検出：
検査対象のワークに欠陥があると、欠陥のない同じワークに比べて周波数が変化し、共振状態が変化する（共振周波数が変化する）ため、欠陥の有無を検出することができる。例えば、金属の硬度の測定、シートスポット溶接の品質検査、特に複合材料や接合構造の接合欠陥（未接合、剥離、ゲル不良など）の検査、接合強度の検出などに使用されます。音響振動検出方法は、接着接合部の品質をチェックするように設計されています。
超音波共振特性の典型的な用途は、超音波センサーバーの共振周波数の変化によって硬度を測定する超音波硬度計です。主に金属の硬さを測定するために使用されますが、比較方法により他の測定にも使用できます。超音波硬度測定は、試験片表面へのダメージが少なく、測定速度が速く、操作手順が簡単であるという利点があります。特に完成品の全数検査に適しており、プローブを保持して直接ワークを検出できるため、特に移動が難しい大型スケールに適しています。分解しにくいワーク部品を測定します。以下は製作した超音波硬さ試験機の一例です。均一な接触圧力のもと、センサーの先端が試験片の表面に接触し、センサーの共振周波数が試験片に追従します。センサーの共振周波数の変化を測定することで試験片の硬さを測定します。
