テクニカルレポート

2021/05/14 / テクニカルレポート

デジタル式音響コム型アコースティック・エミッション(AE)センサの開発とそのインフラへの適用について

〜第2回 AEおよび音とはなにか、AE計測の概要について〜

(株)武藤技術研究所  武藤 一夫 氏

 

 

1. はじめに

 

 現在のデジタル化は、情報技術(IT; Information technology)から情報コミュニケーション技術(ICT ; Information Communication Technology)に移行し、デジタル・トランスフォーメーション(DX)に進化してきている中、我々の暮らしを、より安心・安全なものにするために、といった構造物(建物、ビル、橋、道路)から自動車、鉄道、船舶、飛行といった人工物(Artifact)の健全性や防災というキーワードが重視されている。


 こうした状況の中で、本連載「デジタル式音響コム型アコースティック・エミッション(Acoustic Emission、以下AEと略す)センサの開発とそのインフラへの適用について」の第1回ではAEの人工物・インフラへの適用と非破壊検査についてについて述べた。

 また、AEについて触れる前に、その全体像を見てくため、非破壊試験の概略を見た。

 つまり、AEは非破壊試験法の一つの方法であり、非破壊検査におけるAE の位置付けとその意義が理解されたかと思う。

 そこで、本稿では、AEについての基礎を理解していただくために、 AEおよび音とはなにか、 また、AE、音に関連する単位、そしてAE計測の概要について紹介する。

 

 

2. AEおよび音とはなにか?

 

1.AEとは

 

 AEとは、Acoustic Emission(アコースティック・エミッション)の略で、直訳すると、音響放射のこと、すなわち、外力によって固体の物体が変形あるいは破壊に至る際に発生する音(弾性波)の放出、放射のことである。

 身近なAE現象のいくつかを例に上げて見よう。

 例えば、図1に示すように、そば屋やラーメン屋などで「割箸」を割るときに生じるバリッという音、「たくわん」を食べるときのポリ!ポリ!という音、「お茶碗」を落としたときのパリンという音。

 また、「地震」が来て柱がミシミシいう音、はたまたその地震そのものもスケールの大きいAE現象ともいえる。

 つまり、このような割箸、茶碗、たくわん、柱、地面といった物体がある外力などによって変形あるいは破壊に至るときに発生する音(音波)をアコースティック・エミッション(以下AEと略す)という。

 このような音を弾性波(※1)といったり、圧力波といったりする。

 このような音を弾性波(elastic wave)、あるいは圧力波(pressure wave)という。

 ところで、弾性波とは、弾性体(物体に力を加えると変形をおこし、その力を取り除くと元の形に戻り変形が残らない物質)内を伝わる波である。

 弾性波には図2に示すように縦波(longitudinal wave)と横波(transverse wave)とがある。

 前者は粒子の振動(弾性媒質の変位方向)が波の進行方向に平行で、体積の疎密変化に伴う体積弾性によって生ずる疎密波で、地震などではP波という。

 後者は粒子の振動が波の進行方向に直角で、等体積のままの形状変化に伴う形状弾性によって生ずる波で、S波という。縦波よりも伝達が遅く、約半分の伝達速度となり、固体の中だけに伝搬し、液体や気体の中は伝わらない。

 これまでのAE技術において検出できる波は30[kHz]~10[MHz]付近の横波や縦波が主体である。

 AEは音の一種であることが分かったので、音についてみてみる。

 

(※1) 弾性波(elastic wave)は、弾性体中を伝わる変形波で、弾性応力波、弾性ひずみ波とも呼ばれる。体積変化を伴う「体積波」と、形状変化は生じるが体積変化を伴わない「等体積波」とに大別される。一次元物体中の圧縮波、引張り波は前者に対応し、剪断波、あるいはねじり波は後者に対応する。弾性波の伝わる速度は弾性係数、ポアソン比と密度に依存する。

 

図1 アコースティック・エミッション(AE)現象の身近な代表的な事例 1)

 

図2 弾性波の縦波と横波 1)

 


2.音とは

 

 音(sound)とは、一般に物体(媒質)中を縦波(疎密波;longitudinal wave)として伝わる力学的エネルギーの変動(波動;wave motion)であり、波動としては周波数・波長・周期・振幅・速度などの特徴を持つ音波(sound wave)である。

 音波を伝える速さ、音速(sound velocity)は媒質によって異なる。

 空気中では15[℃]で約340[m/s]、海水中では約1500[m/s]、地面中ではP波で5000~7000[m/s]である。

 図1における音の媒体は割箸、茶碗、たくわんの場合は空気で、地震は地面となる。

 また、図2に示したように音には粗密の音圧の要素と波動としての振動の要素の二面性がある。

 つまり、音を計測するということは、一筋縄ではゆかない厄介なものとご理解いただきたい。

 さて、図3に示すようにヒトの耳で聴ける音の範囲、つまり可聴周波数帯域(audio frequency band)(※2)はほぼ20[Hz]~20[kHz]であり、ヒトの耳で聞こえない20[Hz]以下の低い周波数帯域の音波を低周波(low frequency)(※3)という。

 逆に、20[kHz]以上の高い周波数帯域の音波を超音波(ultrasound、ultrasonic)という(※4)。

 AEは、一般に人間の耳で聴ける可聴周波数帯域と聴けない20[kHz]以上の超音波の音をさす。

 

(※2)可聴周波数帯域とは、聴覚で音として感知することができる周波数帯域。人間、犬、コウモリなど、動物の種類によって可聴域は大幅に異なる。これを可聴範囲(audible range)ともいう。

(※3)低周波とは、波動や振動の周波数(振動数)が低い(小さい)こと。厳密には、音での低周波の定義では、100 [Hz]以下は低周波音と呼ばれ、20[Hz]以下は超低周波音と呼ばれる。後者は工場や高速道路橋の周辺でよく発生し、人体の健康に悪影響を与えるという報告があり、代表的な例として船酔いがある。

(※4)超音波とは、人間の耳には聞こえない高い振動数をもつ弾性振動波(音波)。

 

図3 種々の周波数可聴範囲 1)

 

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