📡 近距離音場限界距離(N) 計算機

📖 近距離音場限界距離(N)の使い方と完全ガイド

超音波探傷（UT）では、探触子から出た音波が「近距離音場（フレネル領域）」と「遠距離音場（フラウンホーファー領域）」に分かれます。その境界となるのが近距離音場限界距離N（Near-field length）です。Nより手前では音圧が干渉で激しく振動し、同じ大きさのきずでも深さ位置によってエコー高さが大きくばらつきます。逆にN以遠では音圧がほぼ単調に減衰し、きずの定量評価が安定します。

「この探触子で板厚20mmの溶接部を評価していいのか」「2MHzと5MHzのどちらを選ぶべきか」「探触子径を変えるとNはどう動くのか」——こうした探触子選定の悩みに、Nの計算は明確な数値の根拠を与えます。本ツールは振動子径・周波数・材料の音速を入れるだけで、Nと波長λを自動算出します。UT技術者の現場判断、ならびにJIS Z 2305などの資格試験対策の計算練習に役立ちます。

使い方（入力項目の意味と迷いやすい点）

• 振動子の直径 D（mm）：探触子の振動子の直径を入れます。NはDの2乗に効くため、ここの値が結果を最も大きく左右します。厳密には音響的な「有効振動子径」を使うのが正確で、有効径は公称径よりやや小さい（おおむね公称の0.9〜0.97倍程度）ため、公称値で計算するとNは実際よりわずかに長めに出る点に留意してください。
• 周波数 f（MHz）：探触子の公称周波数を入れます。MHz単位でそのまま入力すれば内部で換算されます。
• 材料・モード（音速）：被検材と波のモードに合った音速を選びます。鋼縦波5920・鋼横波3230・アルミ縦波6300・アルミ横波3130・水1480のプリセットがあり、これ以外は「その他（手入力）」でm/sを直接入れられます。斜角探傷は横波なので、必ず横波音速を選ぶことが重要です（縦波値のまま計算すると波長が長くなりNが過小評価されます）。
• 読み取り方：表示されるNが近距離音場の限界です。波長λも同時に表示されるので、きずの大きさとλの関係（分解能の目安）も合わせて確認できます。

計算のしくみ・計算式

円形振動子の近距離音場限界距離Nは、振動子径Dと波長λを使って次式で表されます。波長λは音速cを周波数fで割って求めます。

• N ＝ D² ÷ (4λ) ＝ D²×f ÷ (4×c)
• λ ＝ c ÷ f（波長＝音速÷周波数）

この式から、Nは振動子径Dの2乗に比例し、周波数fに比例（波長λに反比例）することがわかります。つまり、振動子を大きくしても周波数を上げてもNは長くなります。

計算例1：φ20mm・5MHz・鋼の縦波（c=5920m/s）

• 波長 λ ＝ 5920 ÷ (5×10⁶) ＝ 1.184×10⁻³ m ＝ 1.184mm
• N ＝ 20² ÷ (4×1.184) ＝ 400 ÷ 4.736 ≒ 84.5mm

計算例2：φ10mm・2MHz・鋼の縦波（c=5920m/s）

• 波長 λ ＝ 5920 ÷ (2×10⁶) ＝ 2.96mm
• N ＝ 10² ÷ (4×2.96) ＝ 100 ÷ 11.84 ≒ 8.5mm

同じ鋼でも、径を2倍・周波数を2.5倍にすると、Nは8.5mmから84.5mmへと約10倍に伸びることが、この2例の比較からはっきり読み取れます。

N早見表（鋼・縦波 c=5920m/s）

鋼の縦波探傷における代表的な組み合わせのN（おおよその値、単位mm）です。横波（斜角）や他材料では音速が変わるため値も変わります。

振動子径＼周波数	2MHz	4MHz	5MHz
φ5mm	2.1	4.2	5.3
φ10mm	8.5	16.9	21.1
φ20mm	33.8	67.6	84.5
φ28mm	66.2	132.4	165.5

ケース別の使い分けの目安

• 薄板・浅いきずを探す：Nが厚さより大きいと、評価したい深さが近距離音場に入り音圧が不安定になります。小径・低周波数の探触子でNを短くするか、二振動子（タンデム/分割型）探触子を使って近距離音場の影響を避けます。
• 厚肉材・深いきずを探す：探傷深さがN以遠に収まるよう、必要に応じて径や周波数を選びます。Nが深すぎると遠距離音場でのビーム広がりにより分解能と検出感度が落ちます。
• 斜角探傷（横波）：音速が縦波の約半分のため波長が短く、同じ径・周波数でもNは縦波より長くなります。ビーム路程（音響距離）でN以遠かどうかを判断します。
• 定量評価（DGS/AVG線図の使用領域）：DGS線図は近距離音場限界を基準に距離を規格化（規格化距離 A=路程/N）して使うため、Nを正しく把握しておくことが前提になります。

よくある質問

Q. なぜNより手前は評価しにくいのですか？

A. 近距離音場では振動子の各点から出た波が干渉し、軸上の音圧が極大・極小を繰り返します。そのため同じ大きさのきずでも深さ位置でエコー高さが数dB単位で変動し、面積（大きさ）評価が不安定になります。安定した定量評価はN以遠で行うのが原則です。

Q. 振動子径Dは公称値と有効値どちらを使いますか？

A. 厳密には音響的な有効振動子径が正解です。有効径は公称径よりやや小さいことが多く、公称値で計算するとNは実際よりわずかに長めに出ます。傾向把握なら公称値で十分ですが、精密な評価では有効径の使用を推奨します。

Q. 角形振動子のときは？

A. 本ツールは円形振動子（N=D²/4λ）を前提にしています。角形（矩形）振動子は等価直径に補正係数を掛けて近似する方法（おおむね辺長の長辺側を基準に係数を乗じる）が用いられ、円形式そのままでは誤差が出ます。角形探触子では各メーカーの仕様値や規格の換算式を優先してください。

Q. 周波数を上げればNが伸びて深部まで見えますか？

A. Nは伸びますが、高周波ほど材料中の減衰（散乱・吸収）が大きく、深部到達は逆に悪くなります。N（近距離音場）と減衰（到達深さ）はトレードオフなので、探傷深さと材質の結晶粒度を踏まえて総合的に選びます。

Q. このツールの結果はそのまま合否判定に使えますか？

A. 本ツールの値は探触子選定や試験対策のための概算・目安です。実際の探傷条件の確定や合否判定は、適用規格（JIS・ASME等）と校正試験片による実測に基づき、有資格者が判断してください。

注意点・もう一歩踏み込んだ知識

• ビーム幅はN付近で最も細い：超音波ビームはNの位置で最も絞られ、N以遠で円錐状に広がります。N付近は横方向分解能が最も良い領域で、Nは「分解能の良い深さ」の目安にもなります。
• 水浸法では水距離を換算する：水浸探傷では、水中の音速（1480m/s）と材料中の音速が異なるため、見かけの水距離を材料中の等価距離に換算してから近距離音場限界と比較する必要があります。
• 遅延材・くさび付きでも考え方は同じ：保護膜や遅延材、斜角くさびがある場合は、それぞれの媒質での音響距離を足し合わせて路程を評価します。Nの式自体は変わりません。
• 横波での誤入力に注意：斜角探傷で誤って縦波音速を選ぶと波長が約1.8倍になり、Nが大幅に過小評価されます。モード選択は必ず実際の波（横波）に合わせてください。
• 概算であることを忘れない：式は理想的な平面円形振動子を前提とした近似です。実際の音場は探触子個体差・接触状態・材料の異方性で変わります。最終的な探傷条件は規格と実測で確認してください。