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1 支配方程式 解析モデルの概念図を図1に示す。一般的なLamb波の支配方程式、境界条件は以下のように表せる。 -ρ (∂^2 u)/(∂t^2)+(λ+μ)((∂^2 u)/(∂x^2)+(∂^2 w)/∂x∂z)+μ((∂^2 u)/(∂x^2)+(∂^2 u)/(∂z^2))=0 (1) ρ (∂^2 w)/(∂t^2)+(λ+μ)((∂^2 u)/∂x∂z+(∂^2 w)/? ∂z? ^2)+μ((∂^2 w)/(∂x^2)+(∂^2 w)/(∂z^2))=0 (2) [μ(∂u/∂z+∂w/∂x)] |_(z=±d)=0 (3) [λ(∂u/∂x+∂w/∂z)+2μ ∂w/∂z] |_(z=±d)=0 (4) ここで、u、wはそれぞれx方向、z方向の変位、ρは密度、λ、 μはラメ定数を示す。式(1)、(2)はガイド波に限らない2次元の等方弾性体の運動方程式であり、Navierの式と呼ばれる[1]。u、wを進行波(exp? {i(kx-ωt)})と仮定し、式(3)、(4)の境界条件を満たすLamb波として伝搬し得る角周波数ω、波数kの分散関係が得られる。この関係式は分散方程式と呼ばれ、得られる分散曲線は図2のようになる(詳しくは[6]参照)。図2に示すようにLamb波にはどのような入力周波数においても2つ以上の伝搬モードが存在する。 2. 2 計算モデル 欠陥部に入射されたLamb波の散乱問題は、図1に示すように境界S_-から入射波u^inが領域D(Local部)中に伝搬し、その後、領域D内で散乱し、S_-から反射波u^ref 、S_+から透過波u^traが領域D外に伝搬していく問題と考えられる。そのため、S_±における変位は次のように表される。 u=u^in+u^ref on S_- u=u^tra on S_+ 入射されるLamb波はある単一の伝搬モードであると仮定し、u^inは次のように表す。 u^in (x, z)=α_0^+ u?? 三次方程式 解と係数の関係 覚え方. _0^+ (z) e^(ik_0^+ x) ここで、α_0^+は入射波の振幅、u?? _0^+はz方向の変位分布、k_0^+はx方向の波数である。ここで、上付き+は右側に伝搬する波(エネルギー速度が正)であること、下付き0は入射Lamb波のモードに対応することを示す。一方、u^ref 、u^traはLamb波として発生し得るモードの重ね合わせとして次のように表現される。 u^ref (x, z)=∑_(n=1)^(N_p^-)??
2 実験による検証 本節では、GL法による計算結果の妥当性を検証するため実施した実験について記す。発生し得る伝搬モード毎の散乱係数の入力周波数依存性と欠陥パラメータ依存性を評価するために、欠陥パラメータを変化させた試験体を作成し、伝搬モード毎の振幅値を測定可能な実験装置を構築した。 ワイヤーカット加工を用いて半楕円形柱の減肉欠陥を付与した試験体(SUS316L)の寸法(単位:[mm])を図5に、構築したガイド波伝搬測定装置の概念図を図6、写真を図7に示す。入力条件は、入力周波数を300kHzから700kHzまで50kHz刻みで走査し、入力波束形状は各入力周波数での10波が半値全幅と一致するガウス分布とした。測定条件は、サンプリング周波数3。125MHz、測定時間160?
2 複素数の有用性 なぜ「 」のような、よく分からない数を扱おうとするかといいますと、利点は2つあります。 1つは、最終的に実数が得られる計算であっても、計算の途中に複素数が現れることがあり、計算する上で避けられないことがあるからです。 例えば三次方程式「 」の解の公式 (代数的な) を作り出すと、解がすべて実数だったとしても、式中に複素数が出てくることは避けられないことが証明されています。 もう1つは、複素数の掛け算がちょうど回転操作になっていて、このため幾何ベクトルを回転行列で操作するよりも簡潔に回転操作が表せるという応用上の利点があります。 周期的な波も回転で表すことができ、波を扱う電気の交流回路や音の波形処理などでも使われます。 1. 3 基本的な演算 2つの複素数「 」と「 」には、加算、減算、乗算、除算が定義されます。 特にこれらが実数の場合 (bとdが0の場合) には、実数の計算と一致するようにします。 加算と減算は、 であることを考えると自然に定義でき、「 」「 」となります。 例えば、 です。 乗算も、括弧を展開することで「 」と自然に定義できます。 を 乗すると になることを利用しています。 除算も、式変形を繰り返すことで「 」と自然に定義できます。 以上をまとめると、図1-2の通りになります。 図1-2: 複素数の四則演算 乗算と除算は複雑で、綺麗な式とは言いがたいですが、実はこの式が平面上の回転操作になっています。 試しにこれから複素数を平面で表して確認してみましょう。 2 複素平面 2. 1 複素平面 複素数「 」を「 」という点だとみなすと、複素数全体は平面を作ります。 この平面を「 複素平面 ふくそへいめん 」といいます(図2-1)。 図2-1: 複素平面 先ほど定義した演算では、加算とスカラー倍が成り立つため、ちょうど 第10話 で説明したベクトルの一種だといえます(図2-2)。 図2-2: 複素数とベクトル ただし複素数には、ベクトルには無かった乗算と除算が定義されていて、これらは複素平面上の回転操作になります(図2-3)。 図2-3: 複素数の乗算と除算 2つの複素数を乗算すると、この図のように矢印の長さは掛け算したものになり、矢印の角度は足し算したものになります。 また除算では、矢印の長さは割り算したものになり、矢印の角度は引き算したものになります。 このように乗算と除算が回転操作になっていることから、電気の交流回路や音の波形処理など、回転運動や周期的な波を表す分野でよく使われています。 2.
α_n^- u?? _n^- (z) e^(ik_n^- x)? +∑_(n=N_p^-+1)^∞?? α_n^- u?? _n^- (z) e^(ik_n^- x)? (5) u^tra (x, z)=∑_(n=1)^(N_p^+)?? α_n^+ u?? _n^+ (z) e^(ik_n^+ x)? +∑_(n=N_p^++1)^∞?? α_n^+ u?? _n^+ (z) e^(ik_n^+ x)? (6) ここで、N_p^±は伝搬モードの数を表しており、上付き-は左側に伝搬する波(エネルギー速度が負)であることを表している。 変位、表面力はそれぞれ区分線形、区分一定関数によって補間する空間離散化を行った。境界S_0に対する境界積分方程式の重み関数を対応する未知量の形状関数と同じにすれば、未知量の数と方程式の数が等しくなり、一般的に可解となる。ここで、式(5)、(6)に示すように未知数α_n^±は各モードの変位の係数であるため、散乱振幅に相当し、この値を実験値と比較する。ここで、GL法による数値計算は全て仮想境界の要素数40、Local部の要素長はA0-modeの波長の1/30として計算を行った。また、Global部では|? Im[k? _n]|? 1を満たす無次元波数k_nに対応する非伝搬モードまで考慮し、|? Im[k? 三次 方程式 解 と 係数 の 関連ニ. _n]|>1となる非伝搬モードはLocal部で十分に減衰するとした。ここで、Im[]は虚部を表している。図1に示すように、欠陥は半楕円形で減肉を模擬しており、パラメータa、 bによって定義される。 また、実験を含む実現象は有次元で議論する必要があるが、数値計算では無次元化することで力学的類似性から広く評価できるため無次元で議論する。ここで、無次元化における代表速度には横波速度、代表長さには板厚を採用した。 3. Lamb波の散乱係数算出法の検証 3. 1 計算結果 入射モードをS0-mode、欠陥パラメータをa=b=hと固定し、入力周波数を走査させたときの散乱係数(反射率|α_n^-/α_0^+ |・透過率|α_n^+/α_0^+ |)の変化をそれぞれ図3に示す。本記事で用いた欠陥モデルは伝搬方向に対して非対称であるため、モードの族(A-modeやS-mode等の区分け)を超えてモード変換現象が生じているのが確認できる。特に、カットオフ周波数(高次モードが発生し始める周波数)直後でモード変換現象はより複雑な挙動を示し、周波数変化に対し散乱係数は単調な変化をするとは限らない。 また、入射モードをS0-mode、無次元入力周波数1とし、欠陥パラメータを走査させた際の散乱係数(反射率|α_i^-/α_0^+ |・透過率|α_i^+/α_0^+ |)の変化をそれぞれ図4に示す。図4より、欠陥パラメータ変化と散乱係数の変化は単調ではないことが確認できる。つまり、散乱係数と欠陥パラメータは一対一対応の関係になく、ある一つの入力周波数によって得られた特定のモードの散乱係数のみから欠陥形状を推定することは容易ではない。 このように、散乱係数の大きさは入力周波数と欠陥パラメータの両者の影響を受け、かつそれらのパラメータと線形関係にないため、単一の伝搬モードの散乱係数の大きさだけでは欠陥の影響度は判断できない。 3.