JP2000009698A - 超音波横裂深さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検材の摩耗等による表面形状の変化、測定
装置の経時的変化の影響を受けず、またはシェリング欠
陥があっても確実に横裂深さを測定することができる超
音波横裂深さ測定装置とする。 【解決手段】 レール１の外側頭側面１ａに送信用探触
子１２を、送信用探触子１２に対向するようにして、レ
ール１の内側頭側面１ｂに受信用探触子１６を配置す
る。受信用探触子１６は、横裂の深さ方向に整列された
複数のアレイ素子１６−１、１６−２、・・・１６−８
からなるアレイ型探触子となっている。送信用探触子１
２からの超音波信号をレール１に透過させ、この透過し
た超音波信号を受信用探触子１６で受信し、送信用探触
子１２からの超音波信号を受信できるアレイ素子１６−
４〜１６−８と、送信用探触子１２からの超音波信号を
受信できないアレイ素子１６−１〜１６−３の分布から
横裂深さを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検材の横裂深さ
測定を行う超音波横裂深さ測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の超音波横裂深さ測定装置
としては、図６に示すものがある。これは鉄道レール頭
部の横裂３の深さを測定するもので、被検材であるレー
ル１を挟み一方頭側面に送信用探触子４０を配置し、他
方に受信用探触子４２を配置して、送信用探触子４０か
らの超音波信号を受信用探触子４２で受信する。このレ
ール頭部を透過してきた超音波のエコー高さと、横裂深
さとは、図８に示すような線形関係があり、測定した信
号レベルから横裂深さを測定することが行われている。

【０００３】また、図９に示すように、送信用探触子４
４と受信用探触子４６とをレールの頭面に配置し、送信
用探触子４４から横裂先端に向けて超音波を発射し、横
裂３の先端で生じる散乱反射エコーを反対側の受信用探
触子４６で受信して、伝搬時間を測定することにより、
送信用探触子４４と受信用探触子４６との位置関係から
横裂深さを測定することが行われている。この測定は、
端部エコー法と呼ばれている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エコー
高さから横裂深さを測定する装置では、被検材の探傷面
の形状や音響結合の良否等が測定値に影響を与えるとい
う課題がある。特に、鉄道レールでは、鉄道車両の走行
中に車輪のフランジがレール頭側面に当たることがある
ため、レール頭側面の形状が摩耗により変化する。図７
のようにレール頭側面が摩耗している場合、受信用探触
子が、送信用探触子から放射される超音波ビームの方向
と異なる方向に向いてしまい、受信された信号レベルが
変化して誤差要因となる。また、測定装置の不具合、例
えば、探触子の感度劣化、増幅度の変化等の経時的変化
も誤差要因となる。

【０００５】一方で、端部エコー法を用いた測定装置で
は、散乱反射の信号レベルが低く、ＳＮ比が高くとれな
いため、正確な伝搬時間の測定が困難という難点があ
る。さらに、レール頭部に生じる横裂では、図１０のよ
うに表面のシェリングと言われる欠陥４から成長するこ
とがあり、このシェリング欠陥４があると、横裂を挟ん
で送信用探触子と受信用探触子を配置してもシェリング
欠陥４によって、超音波ビームが阻まれて横裂先端に到
達することができないという課題がある。

【０００６】本発明はかかる課題に鑑みなされたもの
で、請求項１及び２記載の発明は、被検材の摩耗等によ
る表面形状の変化、測定装置の経時的変化の影響を受け
ず、またはシェリング欠陥があっても確実に横裂深さを
測定することができる超音波横裂深さ測定装置を提供す
ることをその目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１記載の超音波横裂深さ測定装
置は、被検材を挟み一方側面に送信用探触子を配置し、
他方側面に受信用探触子を配置して、送信用探触子から
の超音波信号を被検材に透過させ、この透過した超音波
信号を受信用探触子で受信して、被検材の横裂深さを測
定する超音波横裂深さ測定装置において、受信用探触子
を深さ方向に複数の素子が整列されたアレイ型探触子と
し、送信用探触子からの超音波信号を受信できるアレイ
素子と、送信用探触子からの超音波信号を受信できない
アレイ素子の分布から横裂深さを測定することを特徴と
する。

【０００８】送信用探触子からの超音波信号を受信でき
るアレイ素子の分布から横裂深さを求めることから、被
検材の摩耗等による表面形状の変化や経時的変化により
受信レベルが多少変動しても、アレイ素子が超音波信号
を受信できる範囲での変動であれば、上記受信できるア
レイ素子の分布はその影響を受けないので、正確に測定
することができる。

【０００９】また、シェリング欠陥があっても、アレイ
素子の分布はその影響を受けずに、横裂深さを反映した
ものとなり、安定的かつ精度の高い測定が可能になる。
超音波横裂深さ測定装置の一態様として、各アレイ素子
は、受信回路に接続され、アレイ素子からの受信信号は
受信回路において所定閾値レベルと比較されて、閾値レ
ベル以上またはそれよりも大きい場合に、対応するアレ
イ素子が超音波信号を受信できたとし、それ以外の場合
に、対応するアレイ素子が超音波信号を受信できないも
のとして、その分布を求めることができる。さらにその
具体的態様として、受信回路は、各アレイ素子に個別に
接続された検知部を備えていてもよく、または別の態様
として、受信回路は、各アレイ素子にマルチプレクサを
介して順次接続される検知部を備えていてもよい。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のものにおいて、前記アレイ型探触子のアレイ素子
は、被検材の表面に倣って可撓的に整列されることを特
徴とする。被検材の摩耗により表面形状が変化しても、
各アレイ素子が被検材の表面に倣うことができるため、
アレイ素子と被検材とが確実に接触でき良好な音響結合
がはかれる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明の超音波横裂深さ測定
装置１０の第１の実施の形態を表す要部説明図、図２は
この超音波横裂深さ測定装置１０の全体ブロック図であ
る。この例では、鉄道レールの横裂３の深さを測定する
レール横裂深さ測定装置となっている。

【００１２】この超音波横裂深さ測定装置１０は、レー
ル１を挟み、レール１の外側頭側面１ａに送信用探触子
１２を、送信用探触子１２に対向するようにして、レー
ル１の内側頭側面１ｂに受信用探触子１６を配置してい
る。送信用探触子１２は、送信パルサ１４に接続され
る。受信用探触子１６は、横裂の深さ方向に整列された
複数のアレイ素子１６−１、１６−２、・・・１６−８
からなるアレイ型探触子となっている。アレイ素子１６
−１、１６−２、・・・１６−８は、可撓的に整列され
るとよく、例えば、アレイ素子をＰＶＤＦ圧電振動子の
ような高分子タイプ振動子とし、アレイ素子自体を柔軟
性のある振動子で構成するとよい。または他の例とし
て、柔軟性のあるシート状部材にＰＺＴ圧電振動子のよ
うなセラミックタイプ振動子を貼付したものを使用する
ことができる。こうして、各アレイ素子は被検材の表面
に倣ってレール１に対して確実に接触することができる
ようになっている。

【００１３】アレイ素子１６−１、１６−２、・・・１
６−８には、それぞれ受信回路１８を構成する個々の受
信増幅検知部１８−１、１８−２、・・・１８−８が接
続され、受信増幅検知部１８−１、１８−２、・・・１
８−８には、表示器２０を構成する個々の表示灯２０−
１、２０−２、・・・２０−８が接続される。受信増幅
検知部１８−１、１８−２、・・・１８−８は、アレイ
素子１６−１、１６−２、・・・１６−８からの信号を
増幅する増幅器と、増幅器で増幅された出力を所定閾値
レベルと比較し、所定閾値レベル以上であれば検知信号
を出力する比較器とを備える。そして、比較器からの検
知出力によって対応する表示灯２０−１、２０−２、・
・・２０−８が点灯するようになっている。

【００１４】以上のように構成される超音波横裂深さ測
定装置１０では、送信パルサ１４で生成された電気パル
スが送信用探触子１２へと送出されると、送信用探触子
１２の超音波振動子が駆動され、超音波パルスに変換さ
れてレール１内へと超音波パルスが放射される。レール
１内に横裂３が存在すると、一部の超音波は横裂３に遮
られて受信用探触子１６に届かない。一方、横裂３の下
方に向かった超音波パルスはそのまま透過して受信用探
触子１６のアレイ素子１６−４から１６−８に到達し
て、そこで電気パルスに変換される。この電気パルス信
号は、受信増幅検知部１８−４から１８−８で増幅さ
れ、所定閾値レベル以上の信号が得られたときに、超音
波パルスを受信したことを検知する。この検知信号は、
表示器２０へと送られて、表示灯２０−４から２０−８
までを点灯させる。点灯する表示灯２０−４から２０−
８と点灯しない表示灯２０−１から２０−３の分布は、
横裂深さを反映していることから、この分布より、言い
換えれば点灯しない表示灯高さから横裂深さを測定する
ことができる。

【００１５】アレイ素子１６−１〜１６−８の受信レベ
ルが、摩耗等による表面形状の変化や経時的変化により
変動しても、アレイ素子２０−４から２０−８が超音波
信号を受信できる範囲での変動であれば、上記表示灯２
０−１〜２０−８の点灯分布はその影響を受けず、よっ
て正確に測定することができる。また、シェリング欠陥
があっても、点灯分布は影響を受けず、その横裂深さを
正しく反映したものとなる。

【００１６】図３は、鉄道車両の走行中に車輪のフラン
ジが当たりやすいレール内側頭側面１ｂが摩耗した場合
を示している。このような場合でも、受信用探触子１６
の複数のアレイ素子１６−１、１６−２、・・・１６−
８が摩耗したレール内側頭側面１ｂに倣うことができ、
アレイ素子１６−１、１６−２、・・・１６−８とレー
ル１とが確実に接触でき良好な音響結合がはかれる。

【００１７】図４は、本発明の超音波横裂深さ測定装置
１０の第２の実施の形態を表す全体構成図である。この
例では、図１の複数の受信増幅検知部１８−１、１８−
２、・・・１８−８で構成された受信回路１８の代わり
に、受信回路２４が、１つの受信増幅検知部２６と、こ
の受信増幅検知部２６とアレイ素子１６−１、１６−
２、・・・１６−８とを選択的に接続するマルチプレク
サ２８と、受信増幅検知部２６と表示灯２０−１、２０
−２、・・・２０−８とを、選択的に接続するマルチプ
レクサ３０と、から構成される。マルチプレクサ２８と
マルチプレクサ３０とは連動して動作する。

【００１８】このように構成される超音波横裂深さ測定
装置１０においても、第１の実施の形態と同様に、送信
用探触子１２から超音波パルスがレール１内へと放射さ
れて、受信用探触子１６のアレイ素子で受信される。マ
ルチプレクサ２８，３０は、順次その接点が切り替えら
れていくので、アレイ素子１６−１〜１６−３が選択さ
れたときには、表示灯２０−１〜２０−３は点灯せず、
アレイ素子１６−４〜１６−８が選択されたときには、
表示灯２０−４〜２０−８が点灯することになる。この
切り替え速度を高速にすることにより、瞬時に点灯する
表示灯がどれかを判断することができる。

【００１９】図５は、レール１の長手方向に沿って見
て、送信用探触子１２と受信用探触子１６との位置がず
れた斜角探傷法を適用した構成のものであり、この場合
も同様に、受信用探触子１６を複数のアレイ素子から構
成することができる。この例では、アレイ素子を８個設
けた例について説明したが、これに限るものではなく、
被検材の寸法、及び横裂深さの測定精度にあわせて適宜
選択することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１および２
記載の発明によれば、送信用探触子からの信号を受信用
探触子のアレイ素子が受信したかどうかの分布から横裂
深さを測定するので、音響結合の変化や探触子の感度劣
化等の経時的変化でアレイ素子の受信レベルが多少変動
しても、これらの影響を受けずに横裂深さを測定するこ
とができる。

【００２１】また、シェリング欠陥があっても、上記分
布はこの影響を受けずに、横裂深さを反映したものとな
る。また、透過法による測定となるので、端面エコー法
に比べて、信号レベルが高いので高いＳ／Ｎ比で測定で
き、また反射面の形状や向きの影響を受けない。以上の
ことから、安定的且つ精度の高い測定が可能となる。

【００２２】また、請求項２記載の発明によれば、可撓
的に整列された各アレイ素子が被検材の表面に倣うこと
ができるため、被検材の摩耗により表面形状が変化して
も、アレイ素子と被検材とが確実に接触でき良好な音響
結合がはかれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波横裂深さ測定装置の第１の
実施の形態を表す要部構成図（レールの長手方向から見
た図）である。

【図２】本発明に係る超音波横裂深さ測定装置の第１の
実施の形態を表す全体ブロック図である。

【図３】図１の超音波横裂深さ測定装置において、被検
材の表面が摩耗した状態を表す要部構成図である。

【図４】本発明に係る超音波横裂深さ測定装置の第２の
実施の形態を表す全体ブロック図である。

【図５】本発明に係る超音波横裂深さ測定装置の他の実
施の形態を表す斜視図である。

【図６】従来の超音波横裂深さ測定装置を表す要部構成
図（レールの長手方向から見た図）である。

【図７】図６の超音波横裂深さ測定装置において、被検
材の表面が摩耗した状態を表す図１相当図である。

【図８】受信された超音波エコー高さと横裂深さとの関
係を表すグラフである。

【図９】従来の他の超音波横裂深さ測定装置を表す要部
構成図である。

【図１０】図９の超音波横裂深さ測定装置において、シ
ェリング欠陥がある場合の図９相当図である。

【符号の説明】

１ レール（被検材） １０ 超音波横裂深さ測定装置 １２ 送信用探触子 １６ 受信用探触子 １６−１〜１６−８ アレイ素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検材を挟み一方側面に送信用探触子を
   配置し、他方側面に受信用探触子を配置して、送信用探
   触子からの超音波信号を被検材に透過させ、この透過し
   た超音波信号を受信用探触子で受信して、被検材の横裂
   深さを測定する超音波横裂深さ測定装置において、 受信用探触子を深さ方向に複数の素子が整列されたアレ
   イ型探触子とし、送信用探触子からの超音波信号を受信
   できるアレイ素子と、送信用探触子からの超音波信号を
   受信できないアレイ素子の分布から横裂深さを測定する
   ことを特徴とする超音波横裂深さ測定装置。
2. 【請求項２】 前記アレイ型探触子のアレイ素子は、被
   検材の表面に倣って可撓的に整列されることを特徴とす
   る請求項１記載の超音波横裂深さ測定装置。