高周波数超音波探触子を使用するアプリケーションでの留意事項

Grant Reig、Dan Kass、Tom Nelligan共著より

探触子および関連測定器の製造技術の発展により、50MHzを超える試験周波数での超音波イメージング、厚さ測定、探傷、および素材分析の機能を提供する製品が販売されるようになりました。粒度の高い金属、セラミック、および薄膜ポリマーなどの多くの素材において、これらの高周波数により、従来の20MHz以下の試験周波数と比較して非常に低い厚さ下限での測定やごく微細な傷およびその他の内部構造の検出が可能になっています。しかし、この高周波数範囲で作業する場合は、いくつもの基本的なパフォーマンス要因を考慮して探触子を選択することが特に重要になります。これらの要因には、中心周波数および帯域幅によって決まるエコー回復時間、相対感度、ビーム径、フォーカスゾーン、水中の経路および試験材料内での減衰効果などがあります。パルサーレシーバの設計および設定も、ケーブル長と同じくパフォーマンスに大きく影響します。高周波数での作業で分解能と感度を最適化するには、これらの要因が互いにどう作用し、代表的な試験対象からのエコーにどのように影響するかを知ることが重要です。ここでは、50～225MHzの周波数範囲を利用した具体的な試験アプリケーションの例も示します。

1. 試験材料の特性

どの超音波試験においても試験材料の物理特性が音響伝送に及ぼす影響を考慮する必要があり、その重要性は、周波数が高くなるほど高まります。試験材料内での減衰と散乱は高周波数の試験において制限要因になることが多く、音響伝送特性が良好な比較的薄い材料を使用するアプリケーションに高周波数を使用することは一般に制限され、軟らかい高分子膜や粒子の粗い鋳造金属など、高いレベルで周波数の減衰または散乱を示す厚い試験片または試験材料が関係する状況で高周波数を使用することは非現実的です。

減衰と散乱の理論は複雑であり、詳細は別記します。[1] 特定の音響経路を通ることによる振幅の減衰は、(周波数とともに線形に増大する)吸収効果と、(粒子の境界またはその他の散乱体のサイズと波長との比率に応じて3つのゾーンを通じて変化する)散乱効果の合計になります。どの場合でも、散乱効果は周波数とともに増大します。[2] 特定の温度の特定の材料を特定の周波数で試験する場合、一般にネーパー/センチメートル(Np/cm)で表される特定の減衰係数があります。この減数係数が判明すると、特定の音響経路の減衰量を次の方程式によって算出できます。

p = p₀℮^-αd [3]

ここで、
p = 経路終端での音圧
p₀ = 経路始端での音圧
℮ = 自然対数の底
α = 減衰係数
d = 音響経路の長さ

現実的には、減数係数は通常計算ではなく測定によって求めます。周波数50MHz以上の市販の超音波探触子は通常、帯域幅が非常に広いことから、計算に基づく動作の予測はいっそう困難になります。これは、信号に含まれるさまざまな周波数成分毎に減衰量も異なるためです。一般に、特定の試験状況において減衰と散乱から生じる制限を把握する最善の方法は、実験をすることです。

減衰効果はどの超音波試験でも要因になりえますが、高周波数では特に劇的であり、最適な試験周波数を選択する場合、このことを考慮する必要があります。現実的な問題として、特定のアプリケーションの最大試験周波数は、試験材料のローパスフィルタリング効果によって常に制限されます。次の例(図1)で、上側の波長とスペクトルは、エネルギーの中心が136MHzにあるオリンパスNDTの高周波数探触子(V2064)の遅延材からのエコーを示しています。下側の波長とスペクトルは、0.25mmのアクリルからの(上図に対しゲインを24dB増大した)底面エコーを示しています。中心周波数は76MHzとなり、より高い周波数はプラスチックによってフィルタリングされ、いくらかの位相歪みもはっきりと確認されます。

図1. 0.25mmのアクリルの通過後に136MHz(上図)から76MHz(下図)への信号の典型的な減衰を示す波形

2. 水中経路の効果

水の減衰効果は、水を介して試験片に音がカップリングされる水浸測定において考慮する必要がある追加要因です。広帯域パルスの高周波成分は低周波成分よりも早く減衰するので、水中経路が長いと探触子の中心周波数が実質的に下方にシフトし、この影響は水通路が長くなるほど増大します。さらに、受信信号におけるこの中心周波数のシフトは、フォーカスゾーンの形状に影響します。これは、焦点式ビームの直径と、特定の振動子径およびレンズ設計の探触子からのフォーカスゾーンの長さは、どちらも周波数に応じて変化するためです。この影響は、使用する水中経路が長い場合に大きくなることがあります。実際問題として、実効試験周波数の大幅なシフトを防ぐために、高周波数では水中経路をごく短くする必要があります。通常の固体と異なり、水中では、音響の減衰は水温の上昇とともに大幅に減少します。したがって、高周波数の水浸試験では、(探触子の規定の許容温度範囲内で)温水を使用すると減衰効果が減ります。水中での減衰は、15°Cの冷水と25°Cの温水との間で約25%低減されます。[4]
水を通る広帯域パルスのピーク周波数の低周波へのシフトは、次の方程式によって算出できます。

[5]

ここで、
f₀ = 減衰していないピーク周波数
f_peak = 減衰したピーク周波数
α = 25.3 x 10^-17 Np/cm/Hz2 (20°Cにおける水中での減数係数のTyp,値)
Z = 水中経路の合計長(センチメートル)
σ = f₀(% 帯域幅)/236

表1に、一般的な高周波数水浸型探触子の場合に受信信号の中心周波数を5%、20%、および50%減衰させる1方向の水通路のおおよその長さを示します。上記の公式は水通路の合計長(往復長)を計算するものであることに注意してください。実際の試験条件をより明確に示すには、これらの値を調整して、探触子のレンズから試験片表面までの1方向の距離を表します。

3. 探触子の設計上の注意点

典型的なNDTアプリケーションに使用される超音波探触子では、中心周波数と帯域幅によって決まるエコー回復時間によって、測定可能な最小厚さまたは表面近くのデッドゾーンが決まります(図2)。軸方向の分解能を最適化するために、一般に高周波数アプリケーションでは、-6dBの比帯域幅が70～110%の範囲のダンピングが強くきいた広帯域探触子を使用します。

図2. 225MHzのオリンパスNDTの遅延材付き探触子(V2113)、スケール10ns/div、5ナノ秒未満のエコー回復時間での0.025mmの鋼の測定

この周波数範囲のピエゾセラミック振動子は非常に細くデリケートなので、この種の従来型探触子では一般に、石英ガラスの遅延材または同様の材料に振動子を接着する構成技法を用いて、顕著な減衰なしに機械的強度を得ています。この方法は、遅延材接触式の水浸型探触子に利用できます。あいにく、石英ガラスは水その他の低インピーダンス材料との音響インピーダンスの差異が大きいので、かなりのエネルギーがバッファ端から反射されます。代わりに、水浸型探触子では、めっきしたピエゾポリマーの薄膜を水に直接接触させて利用できます。そのような探触子は水への音響カップリングが優れていて、実効感度が増大するという利点がありますが、非常にデリケートなため、慎重に取り扱わないとポリマー被膜に傷や裂け目が生じます。

通常の超音波試験周波数で作業する場合と同様に、高周波数の作業でもビームフォーカスの技術がよく採用されます。鋭く焦点を合わせたビームを発生させるため、かつ短い水中経路を使用可能にするために、焦点は非常に短いのが一般的です。焦点が鋭いことで、イメージングアプリケーションでの横方向の分解能と、パルスエコー探傷での微細な欠陥の検出能力が最適化されます。市販の探触子で、0.05mmのフォーカススポットサイズを達成することは容易にできます。それと同時に、鋭い焦点に伴ってフィールド深度が短いことから、セラミックのように高音速の材料において、特に、深さ方向の感度分解能を高くすることができます。

焦点式ビームのおおよその特性は下記の方程式で算出できます。これは、広帯域出力ではなく単一周波数を想定しているので、広帯域幅では多少不正確になります。フォーカスゾーンの特性は、常に試験材料の音速、フォーカル長、およびニアフィールド長に応じて算出する必要があります。また、音響経路のローパスフィルタリング効果によって引き起こされる試験周波数のシフトの影響を反映するために調整する必要もあることに注意してください。

焦点での-6dBのビームの直径：

ビーム径= .2568DS_F
ここで、

D= 振動子径
S_F = フォーカル長/ニアフィールド長

フォーカスゾーンの高さ-6dBの(軸上のパルスエコー信号の振幅が焦点位置でピークの50%に低下する近点と遠点の間の距離)：

フォーカスゾーン = (N)( S_F²) [2 / 1 + .5 S_F)]

ここで、N = ニアフィールド長

フォーカスゲイン(非焦点式探触子と比較しての焦点位置での感度の相対的な増加量)はS_Fに基づき、次のグラフ(図3)から見積もることができます。

図３：フォーカシングゲイン

フォーカススポットサイズの顕著な効果は下のC-スキャン画像で見ることができます。これは、公称0.25mmの直径で酸化アルミニウムにレーザードリル加工し、0.025mmのスキャンインデックスで画像化した一連の基準穴を示しています。左の画像は、約0.5mmの-6dB理論焦点直径を持つ、20MHz、振動子径3mm、焦点19mm(水中)の探触子を使用して作成したものです。焦点でのビームスポットサイズが目標の穴より大きく、画像がぼやけています。右の画像は、約0.05mmの理論焦点直径を持つ、50MHz、振動子径6mm、焦点12.5mm(水中)の探触子を使用して作成したものです。フォーカススポットサイズが目標の穴より小さく、画像が鮮明になっています。

4. 探触子試験の注意点

観測される超音波探触子のパフォーマンスは、超音波パルスが通過する媒体とエコーを発生させる反射体によって生じる影響以外に、励起パルスのタイプと振幅、ケーブル長、およびレシーバの信号処理などの要因による影響も受けます。これらの要因はすべて、高周波数では特に重要になります。探触子メーカーは一般に、特定のパルサーレシーバ機器を特定の設定で使用した場合に基づいてパフォーマンスを規定します。異なる機器を使用すると、帯域幅や回復時間などのパラメーターに大きく影響することがあります。さらに、基準ターゲットのタイプ、および水浸型探触子の場合の水中経路の長さが、受信信号に大きく影響します。高周波数の焦点式水浸型探触子は、均等な位相反射体(水中経路の減衰効果を最小限にするためにきわめて短い[1mm以下の]水中経路を使用可能にする半球レンズに適合する球面ターゲット)を使用して試験されることがよくあります。探触子に特定のパフォーマンスが必要なユーザーは、これらの注意点についてメーカーと相談し、あいまいさをなくす必要があります。

5. 測定器の設計上の注意点

超音波探触子のパフォーマンスは、その探触子を駆動する励起パルスのタイプによって大きく左右され、高周波数の場合はその影響が特に顕著になります。50MHz以上での厚さ測定、イメージング、および探傷では、スパイク励起(つまり、非常に短い立ち上がり時間および指数関数的減衰特性を備えた負の単一高電圧励起パルスを意味する)によって駆動される強くダンピングをきかせた広帯域探触子を一般に使用します。周波数応答を最適化するには、励起パルスの立ち上がり時間が探触子の周期よりもかなり短くなければなりません。高周波数で使用するように設計されたパルサーは、最短立ち上がり時間が1ナノ秒のオーダーの励起パルスを発生させることができる必要があります。

20MHz以下の通常範囲内の周波数での超音波探触子は、関連エネルギーが数百マイクロジュールになる数百ボルトの励起電圧に対応できるのに対し、高周波数探触子はもっと穏やかにパルスされる必要があります。極端な場合、周波数のより低い一般的な多くの探傷器が提供する400ボルトの励起パルスは、高周波数探触子を破壊する絶縁破壊と内部アークを発生させることがあります。より低い電圧では、探触子が損傷する可能性はありませんが、波長が大きく歪み、帯域幅が損なわれます。具体的な上限は探触子のタイプとパルサーの構成により変動しますが、一般的な規則として、100MHzの探触子のスパイク励起パルスは120ボルトで約4uJに制限し、200MHzの場合は60ボルトで2uJに制限する必要があります。
次の例(図5)では、100MHzの広帯域遅延材付き探触子(オリンパスNDTのV2012)が、パルサーレシーバからの1uJ(左)と16uJ(右)のエネルギーの100ボルト以下のスパイクパルスで励起されています。エネルギーがより高くなると、飽和効果のためにエコー振幅が実際は減少し、波長の幅が狭まって、位相が歪みます。

レシーバ側には、中心周波数の低周波へのシフトおよび対応する位相の歪みを発生させずに受信エコーを処理できるだけの十分なRF帯域幅がなければなりません。最低でも受信信号の中心周波数の2倍のRF帯域幅が推奨されます。
高周波数探触子は、パルサーと探触子の間のケーブルをごく短くして使用する必要があります。電気インピーダンスの不一致が避けられないため、励起パルスの一部は探触子から反射され、その反射部分が今度は2番目の励起パルスとしてパルサーから探触子に反射されます。ケーブル内の電気伝播時間が探触子の周期よりもかなり短くないかぎり、このケーブル反射によって探触子が再励起され、表面近くの分解能を制限するリンギングと歪みが発生します。応答を最適化するには、一般にケーブルを50MHzで約600mm未満、100MHzで300mm未満に保つ必要があります。一部のスキャンシステムの場合のように、試験設定で探触子と機器の間にこれより長い距離が必要な場合は、リモートパルサー/プリアンプを使用して短いケーブルで探触子を駆動してから、数メートル離れた親測定器に信号を供給します。

下記の図7の波長は、ケーブル反射の影響を示しています。左は、300mmのケーブルを介して励起された100MHzの帯域幅の探触子(オリンパスNDTのV2012)です。右は、ケーブル長を900mmに延ばしています。ケーブル反射は探触子のリングダウン時間を大幅に増大させ、探触子の帯域幅を狭めます。

図7. 左：300mmのケーブルを使用した100MHz探触子(最適な波形)
右：900mmのケーブルを使用した100MHz探触子(リンギングの増大)

パルサーの減衰設定は高周波数探触子の応答に大きく影響します。周波数応答を最適化するには一般に、(50オーム以下の)低い減衰抵抗を使用する必要があります。探触子ケーブルの電気インピーダンスも応答に影響する可能性があることにも注意してください。超音波探触子用の最も標準的な市販ケーブルは、公称50オームの電気インピーダンスを持っています。インピーダンスのもっと低いケーブル(一般に25オームまたは15オーム)を特定の探触子とパルサーに使用すると、中心周波数がわずかに上がり、帯域幅がわずかに減少します。特定のアプリケーションにおける低インピーダンスケーブルの利点と欠点は、実験によって確認する必要があります。

6. 高周波数超音波の実場面での使用

50MHz以上の超音波探触子が鋭く焦点を合わせて、ごく薄い材料の層を分析できることにより、20MHz以下の従来の周波数では成し遂げられなかった試験を開発できるようになりました。それと同時に、高周波数に伴う減衰と散乱の影響が増大し、減衰が少なく散乱のない試験材料の薄い部分に関連するアプリケーションに対してそのような高周波数探触子を使用することは、一般に制限されます。50MHz以上の試験周波数を使用する最も一般的なアプリケーションには、以下のものがあります：

• マイクロエレクトロニクス部品、セラミック部品、および生物組織などの材料の高分解能超音波イメージング。場合によっては、0.025mmより優れた軸方向の分解能を達成できます。一般に、分解能は深度とともに低下します。
• 多層コーティングの個々の層の測定を含めた、プラスチックへの塗装などの非金属の支持体に対する非常に薄い非金属のコーティングの厚さ測定。場合によっては、0.020mmに満たない厚さを測定できます。
• 医療用カテーテル管などの微細なポリマー管(直径1mm以下、壁の厚さ0.050mm程度)の厚さ測定。
• 高周波数材料分析。

参考文献

[1] Bhatia, A. B., Ultrasonic Absorption: An Introduction to the Theory of Sound Absorption and Dispersion in Gases, Liquids, and Solids (1985), Dover Publications, New York.

[2] Jacobs, Laurence J. and Owino, Joseph O. (2000), "Effect of Aggregate Size on Attenuation of Rayleigh Surface Waves in Cement-Based Materials", J. Engrg. Mech., ASCE 126(11), 1124-1130.

[3] Krautkramer, J. and Krautkramer, H., Ultrasonic Testing of Materials (1990), Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York

[4] Pinkerton, J. M.M. (1949), "The Absorption of Ultrasonic Waves in Liquids and its Relation to Molecular Constitution", Proc. Phys. Soc., B62, 129-147.

[5] American Society for Nondestructive Testing specification E 1065, "Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units"