Imaging of Cracks Using Nonlinear Ultrasound
Kazushi YAMANAKA, Yoshikazu OHARA, Setsu YAMAMOTO and Tsuyoshi MIHARA
Graduate School of Engineering, Tohoku University
キーワード 非線形超音波，閉じたき裂，映像化，サブハーモニック超音波フェーズドアレイ（SPACE)
１. はじめに
原子炉など重要構造物におけるき裂の計測誤差は，社会の安全と安心を確保する上で大きな問題である。き裂が空隙を伴う場合は，超音波を反射・散乱するの で，計測・映像化できる筈であるが，実際は計測誤差が大きい場合がある。この原因の１つに，残留応力や酸化物の影響でき裂が強く閉じている（閉口き裂）こ とが挙げられる。
閉口き裂の評価は，超音波計測の大きな課題である。Buckらが，き裂で発生する高調波を用いる非線形超音波法を提案して，既に30年になろうとする。 これはContact acoustic nonlinearity （CAN）と呼ばれて注目されているが，まだ実用化は進んでいない。その大きな原因の１つに，閉じたき裂を開口させるために大振幅の入射波が必要なことが あると考えられる。すなわち，周波数が
数MHzで振幅が10nm以上の超音波を発生すると，探触子やカップラント（特に水）で高調波が発生してしまう。
周波数が入射波の整数分の１になるサブハーモニック波（分調波）や，振幅変調された超音波振動の変調信号が出力されるDC応答など，閉口き裂で起こる別の 種類の非線形応答では状況が異なる。これらは高調波とは異なり，振動子やカップラントでは発生しない。しかし，分調波を用いた従来の研究では，波形観測や Cモード映像のみで，強度評価に必要な深さの評価は行われていない。この原因は，周波数分解能を重視して長いバースト波を用いたため，高い時間分解能の必 要なパルスエコー法やBモード映像は困難になったことによると推定される。
本グループは，よく制御して作製した疲労き裂において，数個の波でも容易に識別できる明瞭な分調波を発見した。
そして，これが高い時間分解能を持つことに着目して，波の数が数個の比較的短いバースト波を用いて，閉口き裂の深さを評価できるサブハーモニック超音波フェーズドアレ
イ（Subharmonic phased array for crack evaluation；SPACE）の開発に成功した。これは，分調波に限らず，き裂の非線形超音波計測における世界で初めてのフェーズドアレイ映像法 で，今後の普及が期待されている。
また，電子素子の分野では，電極の下に隠れた大きさ厚さともにサブμmの剥離など，新しい非破壊検査のニーズが生じている。これに対して，原子間力顕微 鏡（Atomic force microscopy；AFM）によるナノスケールの検査法を開発した。この一部に，探針と試料の接触の非線形性によるDC応答を利用した方法がある。本 稿ではこれらの新技術の動向について概説し，今後の展望を述べる。
