垂直探傷におけるエコー高さの変化

Fig.6.13に塗装面からの探傷した場合の塗膜厚さと底面エコー高さの関係を計算結果と

計測結果を同時に示す。横軸は塗膜厚さを表し，縦軸は(7.4)式に定義するように無塗装面 の底面エコー高さを計測し，これを基準にして表示している。

P_R20 log 10



p p0



(6.4) p：塗膜がある場合の底面エコーのピーク値

p

0：無塗膜面の底面エコーのピーク値 また，Fig.6.13は横軸を(7.3)式でθ＝0 とした

A

A’

B

D

C’

F

α

Steel：Z₁

Paint film：Z₂

Air：Z₃

A A’

B D

C’

α

Steel：Z₁ Paint film：Z₂

Acrylic：Z₃

A A’

B

D

C’

α

Steel：Z1

Paint film：Z2

Acrylic：Z₃

104

R2t_p _PL (6.5) で定義される無次元塗膜厚さとエコー高さの関係を図示したものである。

エコー高さは塗膜厚さにより変化し，塗膜厚さとエコー高さの関係は線形関係でないこと がわかる。周波数が2.25MHzであるCase1とCase3の計算値と計測値は定性的には合っ ているが，計測値は計算値より全体的に 5dB～10dB 程度大きな値となっている。エコー 高さは塗膜厚さ0.3mmで最小となり，0.5mmで最大となっている。Case2の周波数5MHz の場合は計算結果と計測結果はほぼ一致した結果が得られた。エコー高さは，塗膜厚さ

0.125mmで最小となり，0.25mmで最大となっている。

（6.5）式を用いて塗膜厚さを超音波の波長で無次元化表示した Fig.6.14 を見ると，使用 した探触子に依らず，エコー高さは

R  0.5

，すなわち塗膜内を超音波が往復する距離が波 長の1/2で最小値となり，

R  1.0

，すなわち超音波が塗膜内を往復する距離と波長が等し い時最大値をとる。以上のことより，エコー高さの非線形な変化の原因が塗膜内の反射波 の干渉によるものであることがわかった。さらに，Case1～3 の結果はほぼ一致する結果 が得られた。探触子の振動子寸法，周波数の違いがエコー高さに影響しない結果が得られ た。

Fig.6.13 Relationship between the paint film thickness and the echo height (for the specimen with painted at top side)

-36 -30 -24 -18 -12 -6 0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Relative echo height, PR(dB)

Paint film thickness (mm)

Cal. Case1 Cal. Case2 Cal. Case3 Exp. Case1 Exp. Case2 Exp. Case3

105

Fig.6.14 Relationship between the non-dimensional paint film thickness and the echo height (for the specimen with painted at top side)

(2) 非塗装面からの探傷の場合

Fig.6.15に非塗装面からの探傷した場合の塗膜厚さと底面エコー高さの関係を示す。計

測結果ではCase2（探触子周波数5MHz）の場合にばらつきがあるものの，計算結果と計 測結果は定量的に良く一致している結果が得られた。周波数 2.25MHz の場合(Case1，

Case3)は塗膜厚さ0.3mmで最小となる。周波数5MHzの場合(Case2)は塗膜厚さ0.125mm

で最小となっている。（6.5）式を用いて塗膜厚さを超音波の波長で無次元表示したFig.6.16 を見ると，エコー高さは

R  0.5

で最小値となり，

R  1.0

で最大値をとる。

Fig.6.15 Relationship between the paint film thickness and the echo height (for the specimen with painted at bottom side)

-36 -30 -24 -18 -12 -6 0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Relative echo height, PR(dB)

Non-dimensional value of paint film thickness, R Cal. Case1 Cal. Case2 Cal. Case3 Exp. Case1 Exp. Case2 Exp. Case3

-6 -4 -2 0 2

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Relative echo height, PR(dB)

Paint film thickness (mm)

Cal. Case1 Cal. Case2 Cal. Case3 Exp. Case1 Exp. Case2 Exp. Case3

106

Fig.6.16 Relationship between the non-dimensional paint film thickness

and the echo height (for the specimen with painted at bottom side)

(3) 塗膜物性値がエコー高さに及ぼす影響について

6.4.2節では，密度とポアソン比をエポキシ樹脂の値とし，ヤング率のみを変化させて，

音速が計測値と一致するようにヤング率を求めた。

縦波音速は(2.2)式で求められる。

 ^{1 1}  ^{1 2} 

C E 

  

 

 

(2.2,再掲) また,音響インピーダンスは(2.5)で求められる。

Z 



C (2.5,再掲) (2.2)，(2.5)式より，ポアソン比が同じと仮定すると，ヤング率と密度の比が一定であ れば異なる材質においても音速は同じ値となるが,音響インピーダンスの値は異なること がわかる。そこで，塗膜の音響インピーダンスの違いによりエコー高さがどのように変化 するかを調べた。Table 6.5 に示すような物性値を持つ 2 種類の塗膜を仮定した。MAT2 はMAT1の密度を 2倍にして音速を同じ値にしたものであり，音響インピーダンスの値が 異なっている。

Table 6.5 Properties of assumed paint film -6

-4 -2 0 2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Relative echo height, PR(dB)

Non-dimensional value of paint film thickness, R Cal. Case1 Cal. Case2 Cal. Case3 Exp. Case1 Exp. Case2 Exp. Case3

Density ρ[×10³kg/m³]

Young's modulus E [Mpa]

Poisson's ratio ν

Velocity C [m/s]

Z [N・S/m⁵]

MAT 1 1.18 5,380 0.32 2,580 3.04×10⁶

MAT 2 2.36 9,560 0.32 2,580 6.09×10⁶

107

Table 6.5 の物性値を用いて，超音波伝播解析を行い，塗膜厚さとエコー高さの関係を 求めた結果を Fig.6.17 と Fig.6.18 に示す。音速は同じであっても密度，ヤング率が異な るとエコー高さが異なることがわかる。塗装面から探傷した場合(Fig.6.17)，密度の小さ

い MAT 1 がエコー高さの低下が大きいことがわかる。一方，非塗装面から探傷した場合

(Fig.6.18)，密度の大きいMAT 2の方がエコー高さの低下が大きい。

MAT1とMAT2のそれぞれについて，塗膜と鋼との境界で超音波が垂直に入射するとき の音圧反射率，音圧往復通過率を求めた結果をTable 6.6に示す。なお，鋼の音響インピ ーダンスは46.32×10⁶（N・S/m⁵)（密度，7850ｋg/m³，縦波音速，5900m/s）とした。塗 膜上から探傷する場合，超音波が塗膜を通過して鋼裏面で反射し，再度塗膜を通過するた め，往復通過率が高ければ高いほど底面エコー高さは大きくなる。よって，Fig.6.17 で MAT1よりMAT2の方がエコー高さが高くなっているのは，MAT2の音圧往復通過率が大 きいためである。また，Fig.6.16 の MAT1と MAT2のエコー高さの平均的な比 0.53は，

往復音圧通過率の比0.56と近い値となっている。

非塗装面からの場合には，鋼と塗膜の境界面で反射する反射波が先に伝播し，その後，

塗膜層に入射した超音波が塗膜裏面で反射波となって帰ってくる。したがつて，通過率の 大きい方が塗膜に超音波が多く入射することになり，鋼と塗膜の境界面で反射するエコー 高さが低くなる。よって，Fig.6.18 で MAT2の方がエコー高さが低くなっている理由は，

MAT2の音圧通過率が大きいためである。

以上のことより，エコー高さに及ぼす塗膜の物性値は，音速だけの同定では不十分であ り，密度あるいはヤング率を正確に同定する必要があることがわかった。

Fig.6.17 Relationship between the non-dimensional paint film thickness and the echo height (for the specimen with painted at top side)

-36 -30 -24 -18 -12 -6 0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Relative echo height, PR(dB)

Non-dimensional value of paint film thickness, R MAT 1 MAT 2

108

Fig.6.18 Relationship between the non-dimensional paint film thickness

and the echo height (for the specimen with painted at bottom side)

Table 6.6 Value of reflection coefficient and Transmittance coefficient

塗膜の密度の測定を行い，測定した密度も用いて超音波伝播解析を行い，塗膜厚さとエ コー高さの関係を求めた。塗膜物性値をTable 6.7に示す。

計算結果をFig.6.19 とFig.6.20 に示す。また，周波数 2.25MHz，直径 10mm の垂直探 触子を用いて，塗膜付き試験体に対して垂直探傷試験を行い，底面エコー高さを計測した 結果（Case 7）も合わせて図示している。Fig.6.19を見ると，計測値は周波数2MHzの方 が5MHzよりエコー高さが高くなっている。これは塗装面の多少の凹凸の影響が平均化さ れるためと考えられる。また，周波数 5MHz の Case2 は塗膜が厚い領域で超音波の減衰 が大きくなるため計算値と計測値の差があるが，計算値と計測値は良く一致している結果 が得られている。Fig.6.20では，5MHzの計測値にばらつきがあるものの計算値と計測値 は良く一致している。

Table 6.7 Properties of paint film

MAT 1 MAT 2

Reflection coefficient 87.8% 76.8%

Transmittance coefficient 12.3% 23.2%

Echo transmittance 22.9% 41.0%

Density　ρ　[×10³kg/m³] 1.75 Young's modulus E [MPs] 7,980 Poisson's ratio　ν 0.32 Velocity　　C　[m/s] 2,580 -6

-4 -2 0 2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Relative echo height, PR(dB)

Non-dimensional value of paint film thickness, R MAT 1 MAT 2

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Fig.6.19 Relationship between the non-dimensional paint film thickness and the echo height (for the specimen with painted at top side)

Fig.6.20 Relationship between the non-dimensional paint film thickness

and the echo height (for the specimen with painted at bottom side)

6.5.3 斜角探傷におけるエコー高さの変化

ドキュメント内 数値シミュレーションを援用した 超音波探傷の欠陥寸法評価精度向上に関する研究 前田正広 2016 年 2 月 (ページ 108-114)