JP2011242326A - 超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低周波数の超音波であっても、小型化を図りつつ、被探傷対象物のより深い位置に超音波エネルギを有効に収束させることができるようにする。
【解決手段】本発明は、複数の超音波発振子２０〜２２と、これらの超音波発振子２０〜２２を、被探傷対象物Ｂの所定の深さ位置に超音波が収束するように互いに所要の位相差をもって発振させる発振回路１０とを有し、被探傷対象物Ｂを超音波によって探傷する超音波探傷装置であり、所要の曲率にした超音波屈折面３１及びこの超音波屈折面３１に向けて超音波を出射するように、超音波発振子２０〜２２を並列させるための平坦な発振子配列面３２を形成した超音波屈折部材３０を有しているとともに、その発振子配列面３２に超音波発振子２０〜２２を互いに所要の間隔にして音響的に結合したことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波探傷装置に関する。

この種の超音波探傷装置として、非特許文献１に開示された構成のものがある。
非特許文献１に開示されている従来の超音波探傷装置は、被探傷対象物に強いエネルギの超音波を入射する必要があるために、複数の超音波発振子を使用して、超音波エネルギを中心軸に収束させている。
一般的に用いられる超音波エネルギの収束方法は、各超音波発振子の発振タイミングを電子的にコントロールするものである。

加藤和彦、超音波探傷試験ＩＩＩ、平成元年２月１日発行、社団法人 日本非破壊検査協会、ページ１５７〜１５８

しかしながら、電子的な超音波エネルギの収束方法は、収束深さが以下に表す近距離音場限界距離を越えると、収束効果の有効性が低下するという欠点がある。
近距離音場限界距離＝Ｄ^２／４λ
Ｄ：超音波発振子の直径、λ：超音波の波長

すなわち、上記従来の電子的な超音波エネルギの収束方法では、比較的小さい超音波発振子を互いに近接させて配置する必要があるが、例えば５００ＫＨｚ程度の低周波数の超音波では、超音波発振子の大型化を招来して適用が難しいという未解決の課題がある。

そこで本発明は、低周波数の超音波であっても、小型化を図りつつ、被探傷対象物のより深い位置に超音波エネルギを有効に収束させることができる超音波探傷装置の提供を目的としている。

上記目的を達成するための本発明の構成は、複数の超音波発振子と、これらの超音波発振子を、被探傷対象物の所定の深さ位置に超音波が収束するように互いに所要の位相差をもって発振させる発振回路とを有し、被探傷対象物を超音波によって探傷する超音波探傷装置において、所要の曲率にした超音波屈折面及びこの超音波屈折面に向けて超音波を出射するように、超音波発振子を並列させるための平坦な発振子配列面を形成し、かつ、被探傷対象物よりも遅い音速差を有する材質により形成した超音波屈折部材を有しているとともに、超音波発振子を互いに所要の間隔にして上記発振子配列面に音響的に結合したことを特徴としている。

本発明によれば、低周波数の超音波であっても、小型化を図りつつ、被探傷対象物のより深い位置に超音波エネルギを有効に収束させることができる。

本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、図１に示す超音波屈折部材を用いるとともに、超音波発振子を２０ｍｍ間隔で配列したときの超音波の合成波を示す説明図、（Ｂ）は、被探傷対象物と音速差のない超音波屈折部材（同音速クサビ）を用いるとともに、超音波発振子を２０ｍｍ間隔で配列したときの超音波の合成波を示す説明図である。 図２（Ａ），（Ｂ）に示す超音波屈折部材を用い、Ｘ軸方向の深さ位置における超音波強度プロファイルを示す図であり、Ｘ軸０ｍｍ位置の超音波強度プロファイルを示している。 図２（Ａ），（Ｂ）に示す超音波屈折部材を用い、Ｙ軸方向の各深さ位置における超音波強度プロファイルを示す図であり、Ｙ軸８０ｍｍの位置における超音波強度プロファイルを示している。 図２（Ａ），（Ｂ）に示す超音波屈折部材を用い、Ｙ軸方向の各深さ位置における超音波強度プロファイルを示す図であり、Ｙ軸１２０ｍｍの位置における超音波強度プロファイルを示している。 他例に係る超音波屈折部材の正面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図１において示す「α」は超音波の入射角、「θ」は超音波の屈折角を示している。

本発明の一実施形態に係る超音波探傷装置Ａは、被探傷対象物Ｂを超音波によって探傷するものであり、発振回路１０、３つの超音波発振子２０，２１，２２及び超音波屈折部材３０を有して構成されている。

被探傷対象物Ｂは、例えばロケットの円筒形に形成された固体燃料であり、この固体燃料の探傷面である内周壁面Ｂａは、所要曲率の曲面に形成されている。本実施形態においては、内周壁面Ｂａを所要曲率の円弧形に形成している。

超音波屈折部材３０は、所要の幅Ｗにし、かつ、超音波屈折面３１と発振子配列面３２とを互いに対向させた正面視において異形の横長方形にしているとともに、紙面に直交する方向に長い柱形のものであり、被探傷対象物Ｂよりも遅い音速差を有する材質、例えばテフロン（登録商標）やシリコンゴム等の軟質ゴムより一体に形成している。
「所要の幅Ｗ」は、被探傷対象物Ｂの例えば内径の大小を勘案して設定すればよいものであり、また、紙面に直交する方向における長さは、被探傷対象物Ｂに合わせればよい。

超音波屈折面３１は、被探傷対象物Ｂの内周壁面（探傷面）Ｂａとの当接面を所要の曲率にして形成したものであり、本実施形態においては、中心点Ｏ１を中心とする単一の曲率、すなわち正面視において円弧形にしている。

発振子配列面３２は、上記超音波屈折面３１に向けて超音波を出射するように、超音波発振子２０〜２２を並列させるための平坦面として形成されている。具体的には、発振子配列面３２を、上記中心点Ｏ１を通る半径線Ｒ１に直交するように形成している。

発振回路（以下、「パルサー」という。）１０は、被探傷対象物Ｂの所要の深さにおいて超音波エネルギが収束するように、超音波発振子２０〜２２を互いに所要の位相差をもって発振させる機能を有するものである。
「所要の位相差」は、超音波発振子２０〜２２の間隔、超音波屈折部材３０の材質等に従って適宜設定されるようにしている。

超音波発振子２０〜２２は、１００〜５００ＫＨｚほどの振動数の超音波を発振するものであり、超音波屈折部材３０の発振子配列面３２に例えば、グリセリン（商品名：ソニコート），グリス，マシン油，水，接着剤等の接触媒質によって音響的に結合されている。
本実施形態においては、超音波発振子２０〜２２を、互いに所要の間隔をおいて一列に配列している。

以上の構成からなる超音波探傷装置Ａでは、パルサー１０により、被探傷対象物Ｂの所定の深さ位置に超音波エネルギが収束するように、所要の位相差をもって各超音波発振子２０〜２２を駆動することにより、低周波数の超音波であっても、小型化を図りつつ、被探傷対象物のより深い位置に超音波エネルギを有効に収束させることができる。
なお、超音波の受信は、上記超音波発振子２０〜２２により反射波を受信しているが、それら超音波発振子２０〜２２とは別に、反射波を受信するための受信子を設けた構成にしてもよい。

図２（Ａ）は、図１に示す超音波屈折部材３０を用いるとともに、超音波発振子２０〜２２を２０ｍｍ間隔で配列したときの超音波の合成波を示す説明図、（Ｂ）は、被探傷対象物Ｂ１と音速差のない超音波屈折部材（同音速クサビ）を用いるとともに、超音波発振子を２０ｍｍ間隔で配列したときの超音波の合成波を示す説明図である。

また、図３は、図２（Ａ），（Ｂ）に示す超音波屈折部材を用い、Ｘ軸方向の深さ位置における超音波強度プロファイルを示す図であり、Ｘ軸０ｍｍ位置の超音波強度プロファイルを示している。図４は、図２（Ａ），（Ｂ）に示す超音波屈折部材を用い、Ｙ軸方向の各深さ位置における超音波強度プロファイルを示す図であり、Ｙ軸８０ｍｍの位置における超音波強度プロファイルを示している。図５は、図２（Ａ），（Ｂ）に示す超音波屈折部材を用い、Ｙ軸方向の各深さ位置における超音波強度プロファイルを示す図であり、Ｙ軸１２０ｍｍの位置における超音波強度プロファイルを示している。
本実施形態において示す超音波屈折部材では、図２（Ａ）に示すように、中心軸に超音波エネルギーが収束しているのが明らかである。

・上記した実施形態においては、一体に形成した超音波屈折部材を例として説明したが、次のように別体にしてもよい。図６に、他例に係る超音波屈折部材を示す。図６は、他例に係る超音波屈折部材の正面図である。

他例に係る超音波屈折部材４０は、探傷面Ｂ１ａが平面である被探傷対象物Ｂ１に対応するためのものであり、その被探傷対象物Ｂ１よりも遅い音速差を有する上記したものと同等の材質により形成しているが、上記した超音波屈折部材３０が一体に形成されているのに対して、別体に形成されている点で相違している。

すなわち、超音波屈折部材４０は、図示上側の超音波発振子側部体４１と、図示下側の被探傷対象物側部体４２とからなり、正面視において所要の幅Ｗの横長方形に形成されているとともに、紙面に直交する方向に長い柱形に形成されている。

超音波発振子側部体４１は、所要の幅Ｗにし、かつ、超音波屈折面４１ａと発振子配列面４１ｂとを互いに対向させた正面視において異形の横長方形にしているとともに、紙面に直交する方向に長い柱形のものであり、被探傷対象物Ｂ１よりも遅い音速差を有する材質、例えばテフロン（登録商標）やシリコンゴム等の軟質ゴムより一体に形成している。
「所要の幅Ｗ」は、被探傷対象物Ｂ１の例えば内径の大小を勘案して設定すればよいものであり、また、紙面に直交する方向における長さは、被探傷対象物Ｂ１に合わせればよい。

超音波屈折面４１ａは、被探傷対象物側部体４２の超音波屈折面４２ａとの当接面を所要の曲率にして形成したものであり、本実施形態においては、中心点Ｏ２を中心とする単一の曲率、すなわち正面視において円弧形にしている。

発振子配列面４１ｂは、上記超音波屈折面４１ａに向けて超音波を出射するように、超音波発振子２０〜２２を並列させるための平坦面として形成されている。具体的には、発振子配列面４１ｂを、中心点Ｏ２を通る半径線Ｒ２に直交するように形成している。

被探傷対象物側部体４２は、所要の幅Ｗにし、かつ、超音波屈折面４２ａと被探傷対象物Ｂ１の探傷面との当接面４２ｂを互いに対向させた正面視において異形の横長方形にしているとともに、紙面に直交する方向に長い柱形のものであり、被探傷対象物Ｂ１よりも遅い音速差を有する材質、例えばテフロン（登録商標）やシリコンゴム等の軟質ゴムにより一体に形成している。

超音波屈折面４２ａは、超音波発振子側部体４１の超音波屈折面４１ａとの当接面を所要の曲率にして形成したものであり、本実施形態においては、中心点Ｏ２を中心とする単一の曲率、すなわち正面視において円弧形にしている。

発振子配列面４１ｂは、上記超音波屈折面４１ａに向けて超音波を出射するように、超音波発振子２０〜２２を並列させるための平坦面として形成されている。具体的には、発振子配列面４１ｂを、中心点Ｏ２を通る半径線Ｒ２に直交するように形成している。
また、当接面４２ｂは、被探傷対象物Ｂ１の平坦な探傷面に合わせて、同じく平坦面として形成している。

他例に係る超音波屈折部材４０を用いた超音波探傷装置によれば、被探傷対象物Ｂ１の探傷面Ｂ１ａが平面であるときにも、これに対応して、小型化を図りつつ、被探傷対象物のより深い位置に低周波数の超音波エネルギを有効に収束させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・超音波屈折部材３０から被探傷対象物に入射する超音波の屈折率を変えるには、パルサーに、被探傷対象物Ｂの所要の深さにおいて超音波エネルギが収束するように、各超音波発振子の互いの位相差を広狭調整する位相差調整手段を、上記したパルサーに設けた構成にするとよい。
また、超音波の屈折率を変えるには、超音波発振子どうしの間隔を変えること、超音波屈折部材の対象物当接面の曲率を変えるようにして対応することができる。

・上記した実施形態においては、３つの超音波発振子を用いた例について示しているが、４つ以上のものを用いてもよいことは勿論である。
・上記した実施形態においては、超音波発振子側部体と被探傷対象物側部体とが、互いに同じ音速差を有する材質のものを例として説明したが、互いに同じ音速差の材質に限るものではなく、被探傷対象物よりも遅い音速差を有する材質により形成したものであれば、互いに異なる音速差の材質を採用することができる。

１０ 発振回路
２０〜２２ 超音波発振子
Ａ 超音波探傷装置
Ｂ，Ｂ１ 被探傷対象物

Claims (3)

1. 複数の超音波発振子と、これらの超音波発振子を、被探傷対象物の所定の深さ位置に超音波が収束するように互いに所要の位相差をもって発振させる発振回路とを有し、その超音波によって被探傷対象物を探傷する超音波探傷装置において、
   所要の曲率にした超音波屈折面及びこの超音波屈折面に向けて超音波を出射するように、超音波発振子を並列させるための平坦な発振子配列面を形成し、かつ、被探傷対象物よりも遅い音速差を有する材質により形成した超音波屈折部材を有しているとともに、
   超音波発振子を互いに所要の間隔にして上記発振子配列面に音響的に結合したことを特徴とする超音波探傷装置。
2. 被探傷対象物の探傷面が凹面に形成されており、
   上記探傷面との当接面を、その探傷面と同じ曲率の凸面にした超音波屈折面としていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 超音波屈折部材が、超音波発振子側部体と被探傷対象物側部体とからなり、
   それら超音波発振子側部体と被探傷対象物側部体との接合面を、所要の曲率からなる超音波屈折面としていることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。

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