東北大ら,レーザー+超音波の非破壊検査法を開発

東北大学と米ロスアラモス国立研究所は,圧電探触子送信と超多素子受信レーザー走査2次元マトリクスアレイを融合した映像法を開発し,従来限界を1桁以上上回る数千素子の超多素子2次元マトリクスアレイの実現により,固体材料内部の欠陥を3次元的に高分解能で映像化することに成功した(ニュースリリース)。

材料内部に発生する欠陥は複雑な3次元形状をしていることが多いにもかかわらず,最新の超音波フェーズドアレイ装置でも,1次元圧電アレイ探触子による2次元映像化しか対応していていない。一部,2次元圧電マトリクスアレイ探触子を用いた3次元映像化への試みも始まっているが,装置コストの問題からその素子数は最多でも256程度であり,低分解能な3次元映像化にとどまっていた。

研究では,この問題を解決する方法として,圧電探触子送信とレーザードップラー振動計の2次元スキャンを組み合わせた3次元超音波映像法PLUS(Piezoelectric and Laser Ultrasonic System)を開発した。PLUSでは,受信レーザーのスキャン点数を任意に増やすことができるため,圧電アレイ探触子の限界(256素子程度)を1桁以上上回る数千素子の2次元マトリクスアレイが実現できる。

また,レーザードップラー振動計は幅広い周波数の超音波を受信できるため,圧電送信探触子を変えるだけで,減衰特性の異なる様々な材料にも適用できる。

一方,レーザードップラー振動計は受信感度が低いという欠点もあるが,単一素子の圧電探触子送信により強力な超音波を入射することができるため,この問題も解決できるという。これにより,発電プラントの配管などで問題となっている複雑に枝分かれした応力腐食割れ(き裂の一種)の3次元映像化に成功した。

今回開発したPLUSにより,欠陥の3次元情報を材料の強度評価に取り入れることができるようになり,経済的かつ安全な構造物の運用が可能となるという。また,得られた3次元欠陥情報は,欠陥発生・成長機構の解明にもつながり,学術分野の発展にも貢献する。さらに,送信探触子を低周波のものに変えるだけで,橋梁,高速道路,トンネルなどのコンクリートインフラの検査など,多くの分野への応用が期待できるとしている。

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