JP2012013522A

JP2012013522A - 超音波を用いる低周波数振動加振方法および装置

Info

Publication number: JP2012013522A
Application number: JP2010149843A
Authority: JP
Inventors: Jin-Ho Park; 晋 ▲ホ▼ 朴; Dou-Byong Yun; 斗炳尹; Yeong-Chol Choe; 榮哲崔; Song-Hwan Sin; 盛煥申
Original assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI; Korea Hydro and Nuclear Power Co Ltd
Current assignee: Korea Atomic Energy Research Institute KAERI; Korea Hydro and Nuclear Power Co Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-19

Abstract

【課題】高周波用超音波センサを複数用いて低周波を発振することのできる超音波センサを用いる加振方法およびその構造を提供する。
【解決手段】本発明の超音波を用いる低周波数振動加振方法は、対象構造物に複数の超音波発振器を取付けて超音波を発振させてビーティング現象を起こし、前記超音波発振器の周波数よりも低い周波数を抽出して前記対象構造物の物性値を測定する。これによって、高周波用超音波センサを複数用いて低周波を発振することができ、比較的にサイズの小さい高周波用超音波センサを用いることによって、平板や配管などだけでなく、形状に関わらず自由に適用することができる。さらに、加速度領域の特定の周波数に加振できるため信号対ノイズ比が良好でない領域においても適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を用いる低周波数振動加振方法および装置に関し、より詳しくは、高周波用超音波センサを複数用いて低周波を発振することができるため、比較的にサイズの小さい高周波用超音波センサを用いることによって、平板や配管などの形状に関わらず自由に適用できる。だけでなく、加速度領域の特定の周波数に加振できるため、信号対ノイズ比が良好でない領域においても適用可能な超音波を用いる低周波数振動加振方法および装置に関する。

図１は、平板における分散カーブを示すグラフである。同図に示すように、高周波数であるほど多くのモードよって複雑に重複される。しかし、低周波領域では非対称のａ０波のみが存在することから、この領域を用いると配管厚さの予測、欠陥探知および物性値の予測など、数多くの様々な情報を得ることができる。

一例として、本出願人が出願して登録された大韓民国登録公報１０−８１７６１７号、「構造物の厚さと物性値検査装置、検査方法および厚さ減少監視方法」によれば、対象構造物に低周波振動波を加振し、構造物の表面で進行方向に沿って一定の間隔をおいて設けられる一対の振動波測定ユニットによって遅延時間に基づく群速度を算出し、測定ユニットとの間の対象構造物の厚さを予測することができる。
また、対象構造物が平板や配管、その他の様々な形状の構造物もこのような方法で厚さまたは物性値を適用することができ、特に原子力発電所のタービン発電機系統に用いられる配管に適用し、配管の厚さ情報によって壁厚減少の程度を予測することもできる。

しかし、振動波の加振には一般的に超音波センサを用いるが、一般的に低周波用超音波センサは構造の特性上、サイズが大きいという短所がある。したがって、小さい構造物、例えば平板や配管などに適用することが難しいという問題がある。したがって、相対的にサイズの小さい高周波用超音波センサを用いて低周波を加振する方法に対する研究が必要となっている。

大韓民国登録公報１０−８１７６１７号公報

したがって、前述の問題を解決するための本発明の目的は、高周波用超音波センサを複数用いて低周波を発振することのできる超音波センサを用いる加振方法およびその構造を提供することにある。

本発明の他の目的は、比較的にサイズの小さい高周波用超音波センサを用いることによって、平板や配管などの曲げ管をはじめ、形状に関わらず自由に適用できる超音波センサを用いる加振方法およびその構造を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、加速度領域の特定の周波数に加振することができるため、信号対ノイズ比が良好でない領域においても適用可能な超音波センサを用いる加振方法およびその構造を提供することにある。

上記のような本発明の目的を達成するために、本発明に係る超音波を用いる低周波数振動加振方法は、対象構造物に複数の超音波発振器を取付けて超音波を発振させてビーティング現象を起こし、前記超音波発振器の周波数よりも低い周波数を抽出して前記対象構造物の物性値を測定することを特徴とする。

また、本発明の超音波を用いる低周波数振動加振方法は、２つの超音波発振器を用いてビーティング現象を誘導し、前記超音波発振器の周波数の差だけを加速度領域において抽出して対象構造物の物性値を測定することを特徴とする。

また、本発明に係る超音波を用いる低周波数振動加振方法は、対象構造物と、前記対象構造物に第１周波数の超音波を加振する第１超音波発振器と、前記対象構造物に前記第１超音波と類似の第２周波数の超音波を加振する第２超音波発振器と、を含み、ビーティング現象によって前記第１周波数と前記第２周波数との差を抽出して前記対象構造物の物性値を測定することを特徴とする。

このような対象構造物は平板や配管、または様々な形の構造物がすべて可能であり、測定される前記物性値は厚さなどが様々であってもよい。

これによって、高周波用超音波センサを複数用いて低周波を発振することができるため、比較的にサイズの小さい高周波用超音波センサを用いることによって平板や配管などの曲げ管をはじめ、その形状に関わらず自由に適用することができるだけでなく、加速度領域の特定の周波数に加振することができるため、信号対ノイズ比が良好でない領域においても適用可能である。

本発明によれば、高周波用超音波センサを複数用いて低周波を発振することができる効果がある。

また、比較的にサイズの小さい高周波用超音波センサを用いることによって、平板や配管などの曲げ管をはじめ、その形状に関わらず自由に適用することができる。

また、加速度領域の特定の周波数に加振できるため、信号対ノイズ比が良好でない領域においても適用できる効果がある。

平板における分散カーブを示すグラフである。本発明に係る超音波を用いる低周波数振動加振方法を平板に適用した実験装置の概略図である。平板で測定点における加速度信号と超音波信号を示すグラフである。超音波信号のスペクトルを示すグラフである。加速度信号のスペクトルを示すグラフである。本発明に係る超音波を用いる低周波数振動加振方法を配管に適用した実験装置の概略図である。配管で測定点における加速度信号と超音波信号を示すグラフである。超音波信号および加速度信号のスペクトルを示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明するが、本発明が実施形態によって制限されたり限定されることはない。

近接の周波数を有する２つのサイン波を同時に発生すると、ビーティング（ｂｅａｔｉｎｇ）現象が現れることは公知の事実である。これは２つの波動による一種の干渉による現象であって、ビーティングによって発生する波動は以前２つの波動周波数の中間値を有する周波数で進行し、相対的に遅い新しい周期に振幅が変化する。

より詳細に説明すれば次の通りである。２つのサイン波を数式１および数式２のように定義する。

２つのサイン波を同時に発生させて和すれば、数式３のように導き出される。

ここで、ｋは波数（ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ）、ｗは周波数、ｔは時間を示す。

数式３に表すように、２つのサイン波を合成すれば中心周波数は２つの周波数の平均となるが、全体的な波の形状は２つの周波数の差の半分の周期を有して振動することが分かる。すなわち、２つのサイン波の周波数を適切に調整すれば、低い周波数に加振させ得ることが分かる。

上記の記載から超音波センサは数百ＫＨｚの高周波を生成するが、２つの超音波センサを用いて周波数を適切に調整すれば、加速度界領域である数ＫＨｚのサイン波を発生させる可能性があることを暗示するものである。

このような方法を検証するために次のような実験を行った。図２は、本発明に係る超音波を用いる低周波数振動加振方法を平板に適用した実験装置の概略図である。

２つの高周波を加振する超音波発振器のビーティング現象を用いて低周波が加振されることを確認するために、本実験では平板１０に２つの高周波超音波発振器１１０，１２０を装着して各４００ｋＨｚと４３０ｋＨｚのサイン波を加振した。超音波発振器１１０，１２０は、各発振装置１３０に接続されている。測定点では超音波センサ１５０と加速度界１４０を同じ位置に設けて信号を取得した。超音波センサ１５０と加速度界１４０は、各信号を取得するためのデータ取得モジュール１６０，１７０が接続されている。超音波発振器１１０，１２０、超音波センサ１５０および加速度界１４０の間の距離（Ｌ）は、本実験において０．１ｍとして実験を行った。

このような結果を図３〜図５に示す。図３は、平板で測定点における加速度信号と超音波信号を示すグラフであり、図４は、超音波信号のスペクトルを示すグラフであり、図５は、加速度信号のスペクトルを示すグラフである。

図３に示すように、４００ｋＨｚ、４３０ｋＨｚとして類似の周波数の高周波信号はビーティング現象が発生することが確認でき、数式３を参照すれば、中心周波数は４１５ｋＨｚを有し、２つの周波数の大きさの差の半分の周期を有して振動することが確認できる。

図４に示すように、超音波は４００ｋＨｚと４３０ｋＨｚの高周波数を発生させるが、図５に示すように、加速界の信号は２つの周波数の差に該当する３０ｋＨｚだけを検出されていることが分かる。すなわち、このような実験によって、平板で２つの高周波を加振する超音波センサを用いてビーティング現象を発生させ、加速度領域において低周波信号を発生させ得ることが分かる。

次に、本発明に係る加振方法が配管にも適用されるか否かに関して次のような実験を行った。図６は、本発明に係る超音波を用いる低周波数振動加振方法を配管に適用した実験装置の概略図である。

平板実験と同じ実験を行い、図２と同じ装置は図６において同じ図面符号を付与し、説明の簡略化のため省略することにする。ただし、配管２０に適用される実験においては各超音波センサの加振周波数は３００ｋＨｚと３０８ｋＨｚにした。

配管に適用した実験結果を図７および図８に示す。図７は、配管で測定点における加速度信号と超音波信号を示すグラフであり、図８は、超音波信号および加速度信号のスペクトルを示すグラフである。

図７に示すように、３００ｋＨｚ、３０８ｋＨｚとして類似の周波数の高周波信号はビーティング現象が発生することが確認でき、図８において３００ｋＨｚ、３０８ｋＨｚのように示す部分は超音波信号を、８ｋＨｚのように示す部分は加速度信号を表す。すなわち、２つの高周波の差分の８ｋＨｚだけを加速度領域において検出可能であることが確認できる。結論的に平板実験と同様に、類似の周波数を有する高周波数を加振すれば、ビーティング現象によって加速度領域において低周波信号を発生させ得ることが分かる。さらに本発明に係る加振方法を利用すれば、加速度領域の特定の周波数に加振できるため、信号対ノイズ比が良好でない領域においても適用できるという長所がある。

すなわち、比較的にサイズの大きい低周波発振用超音波センサを用いることなくても、サイズの小さい高周波センサを用いて低周波を発振させることができ、平板や配管、その他の様々な形状の構造物に適用して使うことができる。このような加振方法を用いて対象構造物の厚さなどの物性値や構造特性などの測定のために使用できることは前述したとおりである。

上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。

１０：平板
２０：配管
１１０、１２０：超音波発振器
１３０：発振装置
１４０：加速度界
１５０：超音波センサ
１６０、１７０：データ取得モジュール

Claims

対象構造物に複数の超音波発振器を取付けて超音波を発振させてビーティング現象を起こし、前記超音波発振器の周波数よりも低い周波数を抽出して前記対象構造物の物性値を測定することを特徴とする超音波を用いる低周波数振動加振方法。
前記対象構造物は、平板または配管のうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載の超音波を用いる低周波数振動加振方法。
前記物性値は、前記対象構造物の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の超音波を用いる低周波数振動加振方法。
対象構造物と、
前記対象構造物に第１周波数の超音波を加振する第１超音波発振器と、
前記対象構造物に前記第１超音波と類似の第２周波数の超音波を加振する第２超音波発振器と、を含み、
ビーティング現象によって前記第１周波数と前記第２周波数との差を抽出して前記対象構造物の物性値を測定することを特徴とする超音波を用いる低周波数振動加振装置。
前記対象構造物は、平板または配管のうちの１つであることを特徴とする請求項４に記載の超音波を用いる低周波数振動加振装置。
前記物性値は、前記対象構造物の厚さであることを特徴とする請求項４に記載の超音波を用いる低周波数振動加振装置。
２つの超音波発振器を用いてビーティング現象を誘導し、前記超音波発振器の周波数の差だけを加速度領域において抽出して対象構造物の物性値を測定することを特徴とする超音波を用いる低周波数振動加振方法。
前記対象構造物は、平板または配管のうちの１つであることを特徴とする請求項７に記載の超音波を用いる低周波数振動加振方法。
前記物性値は、前記対象構造物の厚さであることを特徴とする請求項７に記載の超音波を用いる低周波数振動加振方法。