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超音波反射における音響インピーダンス

1920
Scientist performing ultrasonic testing to measure acoustic impedance in a laboratory.

(画像はイメージです)

音響 インピーダンス([latex]Z[/latex])は、物質の音響流に対する固有抵抗であり、その密度([latex]rho[/latex])に音速([latex]c[/latex])を掛けたものとして定義され、[latex]Z = rho c[/latex]となります。 超音波 2つの材料の境界で反射されるエネルギーは、それぞれの音響インピーダンスの差、すなわち不整合によって決まります。この原理こそが、欠陥検出を可能にするものです。

音響インピーダンスの概念は、回路における電気インピーダンスに類似しており、超音波が物質とどのように相互作用するかを理解する上で基礎となります。物質(物質1)を通過する波が、別の物質(物質2)との界面に遭遇すると、波の一部は反射され、一部は透過されます。反射の量は、反射係数([latex]R[/latex])によって定量化され、これは2つの物質の音響インピーダンス[latex]Z_1[/latex]と[latex]Z_2[/latex]に依存します。

垂直入射波の場合、圧力反射係数は [latex]R = (Z_2 – Z_1) / (Z_2 + Z_1)[/latex] で与えられます。通常測定される反射波の強度は、この値の二乗に比例します。鋼鉄 ([latex]Z ≈ 45 × 10^6[/latex] Pa·s/m) と空気 ([latex]Z ≈ 415[/latex] Pa·s/m) のようにインピーダンスの不一致が大きい場合、反射係数は非常に高くなります (ほぼ 100%)。これが、空気やガスで満たされた内部の亀裂や空隙が超音波で容易に検出できる理由です。これらはほぼ完全な反射体として機能します。

逆に、2つの材料の音響インピーダンスが非常に似ている場合、音エネルギーの大部分は反射を最小限に抑えながら界面を通過します。この原理は、超音波カプラント(トランスデューサと試験片の間に使用されるゲルまたは液体)やトランスデューサ整合層の設計に利用されています。これらの材料は、エネルギー伝達を最大化し、信号品質を向上させるために、トランスデューサ素子と試験材料の中間のインピーダンスを持つように設計されています。

UNESCO Nomenclature: 3301
音響

タイプ

物理原理

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • レイリー卿による波動理論と音響学に関する基礎的な研究(『音の理論』)
  • 19世紀の物理学者による固体および流体中の音波伝播の研究
  • 材料特性を記述するための連続体力学の発展
  • 物体からの音響反射の理解を必要とする初期のソナー研究

アプリケーション

  • 金属と空気の界面における亀裂を検出するための非破壊検査
  • 異なる組織や臓器を区別するための医用画像
  • エネルギー伝送を改善するためのトランスデューサ用音響整合層の設計
  • 地震反射法を用いた地質探査による地下地質図の作成
  • 超音波洗浄システムの設計

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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歴史的背景

超音波反射における音響インピーダンス

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1925-01-01

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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