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超音波に対するスネルの屈折法則

1940
  • Willebrord Snellius
Ultrasonic testing setup for weld inspection in manufacturing using Snell's Law.

(画像はイメージです)

超音波 波が2つの異なる材料の境界に斜めに当たると、屈折して方向が変わります。これは、入射角と屈折角を2つの媒体における波の速度に関連付けるスネルの法則によって支配されます。[latex]frac{sintheta_1}{c_1} = frac{sintheta_2}{c_2}[/latex]。この原理は、真上からアクセスできない溶接部などの部品を検査するために使用される角度ビーム検査の基本です。

スネルの法則は波動物理学の基礎となる法則であり、もともとは光波のために定式化されたものですが、音波にも同様に適用できます。超音波探傷検査では、正面からのアプローチが不可能な場合の検査設計に不可欠です。これは溶接検査で最もよく見られるケースで、溶接キャップがあるため、トランスデューサを直接上に置くことができません。そのため、プラスチック製のくさびに圧電素子を取り付けた角度ビームトランスデューサが使用されます。

式 [latex]frac{sintheta_1}{c_1} = frac{sintheta_2}{c_2}[/latex] は挙動を規定する式であり、[latex]theta_1[/latex] は第 1 媒体 (くさび) における入射角、[latex]c_1[/latex] はくさび内の音速、[latex]theta_2[/latex] は第 2 媒体 (試験片、例えば鋼) における屈折角、[latex]c_2[/latex] は試験片内の音速である。くさびの角度と材質を慎重に選択することで、検査員は試験部品内で正確な所望の角度でせん断波または縦波を発生させ、溶接部を効果的に検査することができる。

この重要な側面の一つはモード変換です。縦波が界面に斜めに当たると、スネルの法則(縦波と横波は速度が異なるため)で予測されるように、屈折縦波と屈折横波の両方が発生し、それぞれ異なる角度になります。技術者は、波長が短い横波の方が小さな欠陥に対する感度が高いため、発生した横波をよく利用します。

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

  • 17世紀におけるヴィレブロルト・スネリウスによる光学的屈折に関する独創的な研究
  • ホイヘンスの原理:波の伝播と波面を説明する原理
  • 音は波として振る舞い、固体中を伝播するという理解
  • 産業検査用角度ビームトランスデューサおよびウェッジの開発

アプリケーション

  • 製造業および建設業におけるアングルビーム溶接検査
  • 複雑な形状の工業部品の浸漬試験
  • 超音波トランスデューサ用角度付きウェッジの設計
  • 医療用フェーズドアレイ超音波におけるビームステアリング
  • 地球の層構造を理解するための地球物理学における地震波解析

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連:スネルの法則、屈折、超音波探傷、角度ビーム、モード変換、せん断波、非破壊検査、溶接検査、波動伝播、音響。

歴史的背景

超音波に対するスネルの屈折法則

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1945-01-01

(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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