Measuring principle 超音波厚さ計の仕組み・種類・測定方式

測定物の音速は、材料ごとにおおよそ決まっています。下の表は、主要な材料の音速です。ただし、鋼でも鋼種が異なると、音速が異なります。鋼種の違いによる音速の差は比較的小さく2%程度ですが、アルミニウムや鋳鉄、ステンレスでは差が大きく種類が違うと20%以上も音速が異なる場合もあります。
また、全く同じ材質・材種でも温度により音速は異なります。一般的には、数℃程度の温度差による音速の違いは測定上大きな問題にはなりませんが、10℃以上異なると、測定結果に影響を及ぼします。

正確な厚さ測定の為には、正しい音速を把握することが大切です。測定物と同じ材質・材種の試験片を用意し、実際の測定と同じ温度環境にて、音速の校正を実施することが重要です。

超音波厚さ計は、超音波の伝播時間をもとに厚さを算出します。このため、トランスデューサー（プローブ・探触子）から発信された超音波が、反対面（裏面）で反射し再度トランスデューサーで受信されないと厚さを計算することができません。

例えば、測定面と反射面が平行でない場合、送信した超音波がトランスデューサーに戻ってこないため、厚さを測定することができません。
また、ゴムのように超音波が途中で減衰して消えてしまう高減衰材も測定ができません。木材や発泡プラスチックのように気泡を含む素材も、超音波が気泡を通過しないため、測定することができません。

超音波は、物質の境界面で境界で反射するという性質を持っています。特に金属や樹脂等の固体と空気は音響インピーダンスが大きく異なるため、個体から空気、空気から固体へはほとんど超音波が伝播しません。このため、トランスデューサーと測定面の間には、超音波を伝達させるために、少量の液体を塗布し空気の層を無くす必要があります。
液体には、水や油の他に、カプラントと呼ばれる専用剤が使用されています。カプラントは超音波検査専用に作られているため、水や油よりも超音波の伝達に優れており、より高精度で信頼性の高い測定を行うことができます。

超音波厚さ計を2つに分類すると、一般・腐食検査用と、精密検査用の2種類の超音波厚さ計に分けることができます。

超音波厚さ計は、トランスデューサー（プローブ・探触子）から発信した超音波が、測定物の反対面（裏面）に反射し戻ってくるまでの伝播時間をもとに厚さを算出します。伝播時間の測定には、以下の3つの方式があります。

ゼロ点・第1回底面エコー方式（パルス・エコー方式）
多重エコー方式（エコー・エコー方式）
表面エコー・第1回底面エコー方式（インターフェース・エコー方式）

ゼロ点・第1回底面エコー方式（パルス・エコー方式）は、ベーシックモデルの超音波厚さ計から搭載されている、最もよく使用される測定方式です。試験体の表面状態がある程度悪くても測定が可能で、湾曲部や厚物の測定にも適しています。しかしながら、測定面に塗装（塗膜）が施された鋼板を測定すると、鋼板と塗装（塗膜）の厚さを合算した厚さよりも、大幅に厚い値が表示されてしまいます。
多重エコー方式（エコー・エコー方式）では、塗装の厚さを含まない、素地（母材）の厚さのみを測定することができますが、一方で表面状態や湾曲の影響を受け易く、それらの測定には適していません。
以下の表は、それぞれの測定方式の特徴を示したものです。