JP2001153848A - 超音波計測方法、超音波探傷方法及び超音波計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エコー波形のリンギングを抑えてエコー波形
の重なり合いを解消し、亀裂からのエコーとノイズエコ
ーとを的確に識別することができる超音波計測方法、超
音波探傷方法及び超音波計測装置を提供する。 【解決手段】 超音波探傷システムの探触子１７は、送
信子２１と受信子２２等を備えている。受信子２２に
は、増幅器３１を介してデジタルオシロスコープ３３が
接続されている。同オシロスコープ３３には、パーソナ
ルコンピュータ３５が接続されている。同コンピュータ
３５には、任意関数発生器３７が接続されている。任意
関数発生器３７は、増幅器３９を介して送信子２１に接
続されている。パーソナルコンピュータ３５において、
受信波形のデコンボリューション処理を行い、伝達関数
ｈ（ｔ）の周波数特性を広帯域で一様になるように補正
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波を用いて被
試験体の状態を調べる超音波計測方法あるいは超音波探
傷方法に関する。さらに、これら計測方法あるいは探傷
方法が適用される超音波計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】鉄道車
両の輪軸は、車両全体を支える重要部品である。輪軸
は、左右の車輪が車軸に圧入されて一体になったもので
ある。輪軸を備えた車両は、運行中に、輪座（車軸と車
輪の嵌め合い部分）に摩擦力と微小な相対すべりが生じ
る。そして、これらの摩擦力や相対すべりが原因とな
り、フレッティングコロージョンが生じる可能性があ
る。このフレッティングコロージョンとは、輪座におい
て車軸と車輪とが繰り返し擦れ合って、嵌め合い面にピ
ット（小穴）が生じる損傷のことである。

【０００３】フレッティングコロージョンが生じると、
輪座の疲労強度が低下し、車軸表面から亀裂が入り易く
なる。この亀裂を早期に検出する必要があり、亀裂のチ
ェックのために定期的に車軸の検査を行うようにしてい
る。例えば、新幹線車両では、走行距離３万ｋｍ（約１
ヶ月間の走行距離に相当する）につき１回の割合で検査
を行っている。現在、この種の検査には、超音波を用い
た非破壊的な探傷方法を用いている。車軸を超音波探傷
する際には、探触子（センサ）を車軸の端面又は側面に
当てて超音波を入射し、亀裂からの反射波（エコー）が
あるか否かを調べる。入射する超音波は、一般に単パル
スのスパイクパルス波である。

【０００４】ところで、超音波を用いる計測装置におい
ては、超音波源（探触子）に与える信号波形が、入射さ
れる超音波の波形（出力波形）と一致するのが理想的で
ある。このときのインパルス応答は、（ディラックの）
デルタ関数となる。しかしながら、実際の計測装置で
は、探触子にデルタ関数状の電圧信号を印加しても、出
力波形はデルタ関数状の短い波形とはならない。これ
は、探触子のインパルス応答の周波数特性が有限帯域で
あることによる。そして、周波数特性の状態に応じて、
特に以下に述べるような問題が生じる。

【０００５】（１）周波数特性が狭帯域の場合 この場合、探触子の機械的なＱ値が大きくなり、探触子
の圧電素子が共振を起こす。これにより、受信されるエ
コーにリンギング（繰り返しの波）が生じて、Ｓ／Ｎ比
（信号対雑音比）が悪化する。つまり、車軸中の亀裂が
１つであっても、ノイズエコーが重なり合った複数のエ
コーが受信される。受信されるエコーにリンギングが生
じてノイズエコー群が重なり合って受信されると、ノイ
ズエコーの高さと実際の亀裂に対応したエコーの高さが
同程度となる。こうなると、ノイズエコーと亀裂エコー
との識別が困難になる。さらに、輪座面の細かい亀裂群
や表面ピット群等の複数の反射源がある場合には、波の
干渉が生じてエコー波形がさらに複雑になる。この場合
も、亀裂エコーとノイズエコーの識別が困難である。

【０００６】（２）周波数特性に分布をもつ場合 この場合、受信されるエコー波形には歪みが生じる。し
たがって、実際の亀裂の状態に応じたエコー波形を得る
ことができない。

【０００７】上記（１）及び（２）を考慮すると、イン
パルス応答の周波数特性を広帯域で一様になるように補
正すれば、元来の信号波形と出力波形とが一致する理想
的な形態に近づけることができる。しかしながら、この
ような方法あるいは装置は、現在は提供されていない。

【０００８】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたも
ので、エコー波形のリンギングを抑えてエコー波形の重
なり合いを解消し、亀裂からのエコーとノイズエコーと
を的確に識別することができる超音波計測方法、超音波
探傷方法及び超音波計測装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１態様の超音波計測方法は、探触子から
被試験体に超音波を入射し被試験体から反射してくる反
射波（エコー）を検出する操作を含む超音波計測方法で
あって； 上記探触子に与える入力信号と探触子の検出
する出力信号から、探触子及び被試験体からなる計測系
の伝達関数を求め、 出力信号として望ましい波形（出
力波形）を設定し、 上記伝達関数と出力波形から与え
るべき入力信号の波形（入力波形）を求め、 求めた入
力波形を有する入力信号を上記探触子に与えることを特
徴とする。

【００１０】実際の計測系においては、超音波源に入力
される元来の信号波形と、入射される超音波の波形とは
一致せず、受信されるエコーにリンギングや歪みが生じ
る。このため、ノイズエコーと亀裂エコーとの識別が困
難であった。これに対し、本発明の第１態様によれば、
望ましい波形の出力信号が得られるので、受信されるエ
コーのリンギングや歪みを解消し、計測精度を向上させ
ることができる。

【００１１】本発明の第２態様の超音波計測方法は、探
触子から被試験体に超音波を入射し被試験体から反射し
てくる反射波（エコー）を検出する操作を含む超音波計
測方法であって； 上記探触子に与える入力信号ｉ
（ｔ）のフーリエ変換Ｉ（ω）と、探触子の検出する出
力信号ｏ（ｔ）のフーリエ変換Ｏ（ω）を求め、 これ
ら入力信号のフーリエ変換Ｉ（ω）及び出力信号のフー
リエ変換Ｏ（ω）から、探触子及び被試験体からなる計
測系の周波数領域での伝達関数Ｈ（ω）を次式により求
め、

【数３】 さらに出力信号として望ましい波形（出力波形）ｇ
（ｔ）を設定するとともに、このｇ（ｔ）のフーリエ変
換Ｇ（ω）を求め、 上記伝達関数Ｈ（ω）と出力波形
のフーリエ変換Ｇ（ω）から、与えるべき入力信号の波
形（入力波形）ｖ（ｔ）を次式のフーリエ逆変換Ｆ^-1に
より求め、

【数４】 求めた入力波形ｖ（ｔ）を有する入力信号を上記探触子
に与えることを特徴とする。

【００１２】計測システムの応答が線形であると仮定す
ると、入力信号ｉ（ｔ）と出力信号ｏ（ｔ）はいわゆる
コンボリューション（合成積）で表される。一般に、伝
達関数ｈ（ｔ）（インパルス応答）の周波数特性は有限
帯域であるため、探触子にデルタ関数状の電圧信号を印
加しても、元来の信号波形と出力波形とは一致せず、リ
ンギングを伴ったエコーを受信する。この第２態様の発
明では、入力波形ｖ（ｔ）を有する入力信号を探触子に
与えることで、インパルス応答の周波数特性を広帯域に
補正し、エコー波形のリンギングを解消することが可能
となる。

【００１３】本発明の第１態様の超音波探傷方法は、探
触子から被試験体に超音波を入射し被試験体から反射し
てくる反射波（エコー）を検出して被試験体の探傷を行
う超音波探傷方法であって； 上記探触子に与える入力
信号と探触子の検出する出力信号から、探触子及び被試
験体からなる計測系の伝達関数を求め、 出力信号とし
て望ましい波形（出力波形）を設定し、 上記伝達関数
と出力波形から与えるべき入力信号の波形（入力波形）
を求め、 求めた入力波形を有する入力信号を上記探触
子に与えることを特徴とする。

【００１４】本発明のこの態様によれば、望ましい出力
波形を得ることができるので、Ｓ／Ｎ比を向上させ、探
傷精度を向上させることができる。

【００１５】本発明の第２態様の超音波探傷方法は、車
輪が嵌め合わされた車軸に探触子か超音波を入射し、輪
座（車軸と車輪の嵌め合い部分）から反射してくる反射
波（エコー）を検出して輪座の探傷を行う超音波探傷方
法であって； 上記探触子に与える入力信号と探触子の
検出する出力信号から、探触子及び車軸からなる計測系
の伝達関数を求め、 上記出力信号の波形から、 設定
した入力波形を有する入力信号を上記探触子に与えてリ
ンギングのない出力信号を得、 この出力信号に基づき
輪座の亀裂を検出することを特徴とする。

【００１６】本発明のこの態様では、輪軸の輪座からの
エコーにおける、表面ピット群からのエコーや圧入エコ
ー等のノイズエコーと亀裂エコーとのＳ／Ｎ比を改善す
ることができ、探傷精度を向上させることができる。

【００１７】本発明の第２態様の超音波探傷方法におい
ては、上記出力信号を検出する際に、亀裂表面部からの
反射波と亀裂底部からの反射波を分離して検出し、これ
ら両反射波の時間差から亀裂の深さを推定することがで
きる。この場合、亀裂表面部からの反射波と亀裂底部か
らの反射波を分離することで、亀裂深さの寸法を定量評
価することができる。

【００１８】また、本発明の第２態様の超音波探傷方法
においては、上記反射波の位相が正転かあるいは反転か
に基づき反射源を識別することができる。例えば、所定
深さの亀裂に対するエコーを１波の波形とすると、音響
インピーダンス（音速×比重量）が大きい異物に対する
エコーでは位相が反転する。これにより、反射源の違い
を識別することができる。

【００１９】本発明の超音波計測装置は、被試験体に超
音波を入射し被試験体から反射してくる反射波（エコ
ー）を検出する探触子を備える超音波計測装置であっ
て； 上記探触子に与える入力信号と探触子の検出する
出力信号から、探触子及び被試験体からなる計測系の伝
達関数を求める伝達関数算出手段と、 出力信号として
望ましい波形（出力波形）を設定する出力波形設定手段
と、 上記伝達関数算出手段で求めた伝達関数と上記出
力波形設定手段で設定した出力波形から、与えるべき入
力信号の波形（入力波形）を求める入力波形算出手段
と、 この入力波形算出手段で求めた入力波形を有する
入力信号を上記探触子に与える入力信号印加手段と、
を備えることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ説明す
る。図１は、本発明に係る超音波探傷システムの１実施
例を概念的に示すブロック図である。図２は、図１の超
音波探傷システムにおける受信波形の処理手順を示すフ
ローチャートである。なお、図１は、標準試験片を用い
た試験的な超音波探傷システムを概念的に示している。

【００２１】まず、被試験体となる標準試験片について
説明する。図１において符号１０は標準試験片である。
この標準試験片１０は、実際の超音波探傷作業の対象と
なる鉄道車両の車軸に相当するものである。同図では、
標準試験片１０の端部（ジャーナル部１０Ａ及び車輪圧
入部１０Ｂ）を拡大して示している。実際の鉄道車両で
は、ジャーナル部１０Ａには軸受けを介して車軸箱が取
り付けられ、車輪圧入部１０Ｂには車輪が嵌め合わされ
る。車輪圧入部１０Ｂ表面が輪座面である。ジャーナル
部１０Ａの直径は、車輪圧入部１０Ｂの直径よりも小さ
い。ジャーナル部１０Ａと車輪圧入部１０Ｂとの境界面
は、緩やかなアール面に仕上げられている。この標準試
験片１０には、予め人工的にノッチＸが切り込まれてい
る。

【００２２】次に、本発明に係る超音波探傷システムの
構成について説明する。超音波探傷システムは、探触子
１７を備えている。同探触子１７は送信子２１及び受信
子２２等からなる。送信子２１は、超音波を標準試験片
１０に向けて入射させる。一方、受信子２２は、標準試
験片１０から反射してくる反射波（エコー）を受信す
る。図１に示す試験的なシステムでは、送信子２１及び
受信子２２は標準試験片１０のアール面に取り付けられ
ている。しかし、実際の超音波探傷に用いられる通常の
探触子１７は、これら送信子２１及び受信子２２がコン
パクトに一体化されている。また、実際の車輪や軸受け
が取り付けられている車軸を検査する際は、探触子を車
軸端面１０Ｃに当てる。

【００２３】受信子２２には、増幅器３１が接続されて
いる。この増幅器３１は、受信子２２が受信した反射波
（エコー）の信号を増幅するものである。同増幅器３１
にはデジタルオシロスコープ３３が接続されている。こ
のデジタルオシロスコープ３３は、受信子２２の受信信
号（パルス状）を画面に表示するものである。同デジタ
ルオシロスコープ３３にはパーソナルコンピュータ３５
が接続されている。

【００２４】このパーソナルコンピュータ３５は、以下
の各演算部を備えている。これら各演算部は、図２の各
ステップにおいて所定の演算を実行する。 （１）出力波形設定部 ここでは、出力信号として望ましい波形（出力波形）を
設定するとともに、このフーリエ変換を求める（ステッ
プＳ１）。 （２）伝達関数算出部 ここでは、受信子２１で受信したエコー波形を取り入れ
（ステップＳ２ａ）、送信子２１に与える入力信号と受
信子２２の検出する出力信号のそれぞれのフーリエ変換
を求める（ステップＳ２ｂ、ステップＳ３）。さらに、
これらのフーリエ変換から、計測システム全体の周波数
領域での伝達関数を求める（ステップＳ４）。 （３）入力波形算出部 ここでは、伝達関数算出部で求めた伝達関数と出力波形
設定部で設定した出力波形のフーリエ変換から、与える
べき入力信号の波形（入力波形）をフーリエ逆変換によ
り求める（ステップＳ５）。なお、図２に基づく一連の
演算処理については後述する。

【００２５】パーソナルコンピュータ３５には、任意関
数発生器３７が接続されている。同任意関数発生器３７
は、増幅器３９を介して送信子２１に接続されている。
任意関数発生器３７は、パーソナルコンピュータ３５で
求めた入力波形を発生させ、増幅器３９で信号を増幅し
て送信子２１に与える（ステップＳ６）。

【００２６】次いで、図２を参照して、パーソナルコン
ピュータ３５における受信波形の処理（デコンボリュー
ション処理）を説明する。最初に、一般的な超音波計測
における基礎理論を概括して述べる。まず、超音波計測
システムの応答が線形であると仮定する。このとき、入
力信号（探触子に印加する電圧波形）をｉ（ｔ）とし、
出力信号（探触子で受信したエコー波形）をｏ（ｔ）と
すると、これらの関係は次式に示すコンボリューション
（合成積）で表される；

【数５】

【００２７】上式において、ｈ（ｔ）は探触子及び被試
験体からなる計測系全体の周波数領域での伝達関数であ
る。これは、計測系固有の動的特性を表す関数であり、
本事例のような電気回路ではインパルス応答である。理
想的な計測系では、この伝達関数（インパルス応答）は
デルタ関数となる。

【００２８】ところが、現実の計測系においては、伝達
関数ｈ（ｔ）（インパルス応答）の周波数特性は有限帯
域である。このため、探触子にデルタ関数状の電圧信号
を印加しても、元来の信号波形と出力波形とは一致せ
ず、リンギングを伴ったエコーを受信する。そこで、図
２に示す処理手順により、伝達関数ｈ（ｔ）の周波数特
性を広帯域で一様になるように補正する。

【００２９】まずステップＳ１で、目標波形に近い波形
の入力信号で励振を行う。すなわち、このステップＳ１
では、コンピュータ３５の出力波形設定部が出力信号と
して望ましい波形（出力波形）ｇ（ｔ）を設定するとと
もに、このフーリエ変換Ｇ（ω）を求める。次いで、ス
テップＳ２ａで、受信子２１が受信した標準試験片１０
の人工ノッチＸのエコー波形を取り入れる。一方、この
ステップＳ２ａと並行して、ステップＳ２ｂにおいて、
コンピュータ３５の伝達関数算出部が入力信号ｉ（ｔ）
のフーリエ変換Ｉ（ω）を計算する。

【００３０】ステップＳ２ａを経てステップＳ３へと移
行すると、このステップＳ３では、伝達関数算出部が受
信信号ｏ（ｔ）のフーリエ変換Ｏ（ω）を計算する。な
お、ステップＳ２ｂを経た後は、ステップＳ３を介さず
直接ステップＳ４へと移行する。ステップＳ３及びステ
ップＳ２ｂを経てステップＳ４へと移行すると、このス
テップＳ４では、伝達関数算出部が次式により伝達関数
Ｈ（ω）を計算する；

【数６】

【００３１】ステップＳ４を経てステップＳ５へと移行
すると、このステップＳ５では、コンピュータ３５の入
力波形算出部が次式のフーリエ逆変換Ｆ^-1により、印加
電圧波形ｖ（ｔ）を計算する；

【数７】

【００３２】さらに、ステップＳ５を経てステップＳ６
へと移行すると、このステップＳ６では、入力波形算出
部で求めた印加電圧波形ｖ（ｔ）を任意関数発生器３７
で発生させて送信子２１に入力する。この際、印加電圧
波形ｖ（ｔ）は増幅器３９により電力増幅される。次い
でステップＳ７では、標準試験片１０の人工ノッチＸの
エコー波形で計算結果の確認を行う。最後に、ステップ
Ｓ８では、受信子２２で受信した標準試験片１０の亀裂
エコーを取得し、デジタルオシロスコープ３３に表示す
る。

【００３３】次に、上記の構成からなる超音波探傷シス
テムを用いて行った探傷結果を、図図３〜図５を参照し
つつ説明する。図３（Ａ）は、出力信号として望ましい
波形（出力波形）ｇ（ｔ）と同じ形状の単パルスの波を
示すグラフである。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の単パル
スの信号ｇ（ｔ）を送信子に入力し、そのときに受信子
が受けた波形を示すグラフである。図４（Ａ）は、図３
（Ｂ）の波形のデコンボリューション処理後の波形ｖ
（ｔ）を示すグラフである。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）
の波形を入力信号ｉ（ｔ）として与えた後に受信した波
形ｏ（ｔ）を示すグラフである。図３及び図４では、縦
軸が振幅（単位Ｖ）を表し、横軸がデータ点数を表して
いる。但し、図３（Ａ）のみ縦軸が相対振幅を表す。

【００３４】まず、本実施例に係る超音波探傷の仕様を
説明する。本実施例では、上述したように、送信子２１
及び受信子２２を分けた２探触子法で、表面ＳＨ波を用
いて標準試験片１０の人工ノッチＸの探傷を行った。な
お、ここにいう表面ＳＨ波とは、表面に平行方向に振動
し表面に沿って伝播する横波のことである。ここでは、
出力信号として望ましい波形（出力波形）ｇ（ｔ）は、
図３（Ａ）に示すような１波のサイン波形となるように
した。

【００３５】探触子１７はＰＺＴ（チタン酸・ジルコン
酸・鉛）製で、開口は５×８ｍｍ、共振周波数は５ＭＨ
ｚである。入出力信号ｉ（ｔ）、ｏ（ｔ）は、それぞれ
サンプリングプレート１００ＭＨｚで１０２４点をサン
プリングした。さらに、印加電圧波形ｖ（ｔ）、入出力
信号ｉ（ｔ）、ｏ（ｔ）には、半値幅（ピーク値の半分
の高さにおける曲線間の幅）が１００点のガウス窓関数
をかけた。これにより、窓（ゲート内）に信号の不連続
がなくなり、ゲートのスタートとストップにおける高周
波の不要信号の発生が解消され、目標に近い受信波形が
得られ易くなっている。

【００３６】次に、実験結果を説明する。 （ａ）標準試験片１０の人工ノッチＸからのエコー まず、図３（Ａ）に示すように、出力信号として望まし
い波形（出力波形）ｇ（ｔ）が１波のサイン波形とす
る。この波形そのままに送信子２１に入力信号を与え、
エコーを受信子２２で出力信号として受けると、図３
（Ｂ）に示すように、リンギングを伴ったエコーとして
受信される。図３（Ｂ）の波形にデコンボリューション
処理を行うと、図４（Ａ）に示すような印加電圧波形ｖ
（ｔ）が得られる。この波形を入力信号（入力波形ｉ
（ｔ））として印加してから受信すると、図４（Ｂ）に
示すように、１波のサイン波状波形に近い波形（ｏ
（ｔ））が得られる。

【００３７】（ｂ）ノイズエコー群の重なり合い 図５（Ａ）は、従来型のスパイクパルス波を送信子に入
力してエコーを受信した波形を示すグラフであり、図５
（Ｂ）は、本実施例のデコンボリューション処理を行っ
た波形の入力を送信子に与えて受信した波形を示すグラ
フである。いずれも試験片には人工的なノッチは入って
いない。図５では、縦軸が振幅（単位Ｖ）を表し、横軸
が時間（単位μｓ）を表している。

【００３８】図５（Ａ）は、従来のスパイクパルス波を
印加する送信子を用いてエコーを受信した結果を示す。
この図５（Ａ）では、ノイズエコー群が重なり合って受
信され、ノイズエコーの高さが大きく、亀裂に対応する
エコーと判別しにくい程度となっている。これに対し、
デコンボリューション処理を行った波形を入力すると、
図５（Ｂ）に示すように、ノイズエコー群の重なり合い
は解消されてバックグラウンドノイズが低くなるため、
実際の亀裂に対応したエコーとの識別が可能になる。

【００３９】（ｃ）亀裂の深さの推定 図６は、本発明の他の１実施例に係る超音波探傷システ
ムを用いて、亀裂の深さを推定する様子を模式的に示す
図である。図７（Ａ）は、従来型のスパイクパルス波を
送信子に入力して受信したエコー波形を示すグラフであ
り、図７（Ｂ）は、デコンボリューション処理を行った
波形を送信子に入力した波形を示すグラフである。図７
では、縦軸が振幅（単位Ｖ）を表し、横軸が伝播時間
（単位μｓ）を表している。

【００４０】図６に示すように、探触子（送信子兼受信
子、パルサー）１８により亀裂４１の探傷を行う際、亀
裂表面部４１ａからの反射波と、亀裂底部４１ｂからの
反射波を分離して検出することができれば、これら両反
射波の時間差から、亀裂の深さを推定することができ
る。従来型のスパイクパルス波入力のパルサーを用いて
エコーを受信した場合は、図７（Ａ）に示すように、エ
コー波形にリンギングが生じている。これに対し、本実
施例のデコンボリューション処理をした入力をパルサー
に与えると、図７（Ｂ）に示すように、亀裂表面部４１
ａからの反射波４１ａ′と、亀裂底部４１ｂからの反射
波４１ｂ′とが明確に分離されている。このように明確
に分離して受信すると、両反射波４１ａ′、４１ｂ′の
時間差（両反射波４１ａ′、４１ｂ′間の横幅）から、
亀裂４１の深さを推定することができる。

【００４１】（ｄ）反射源の識別 図８（Ａ）は、通常の亀裂からのエコーを示す波形図で
あり、図８（Ｂ）は音響インピーダンスが大きい異物か
らのエコーを示す波形図である。図８（Ａ）に示すよう
に、所定深さ（一例１ｍｍ）の亀裂からのエコーが１波
の波形となるように、パルサーへの入力波形を設定す
る。すると、この１波の波形に対して、音響インピーダ
ンス（音速×比重量）が大きい異物からのエコーは、図
８（Ｂ）に示すように、位相が反転して受信される。こ
のように、反射波の位相が正転かあるいは反転かに基づ
き反射源を識別することができる。

【００４２】図９（Ａ）は、通常の亀裂（左）とそのエ
コー（右）を示す図であり、図９（Ｂ）は表面ピット
（左）とそのエコー（右）を示す図であり、図９（Ｃ）
は、接触面（左）とそのエコー（右）を示す図である。
図９（Ａ）に示すように、亀裂４３からのエコーが１波
の波形となるように、パルサーへの入力波形を設定する
と、図９（Ｂ）に示すように、表面ピット４５に対して
はピットエコーが得られる。このピットエコーの特徴
は、小さいプラスピークが３つと、その間のマイナスピ
ークが２つあることである。一方、図９（Ｃ）に示すよ
うに、輪座４７に対しては圧入エコーが得られる。圧入
エコーは、小さいシャープなエコーが、ある範囲に分布
する。このようにして、受信されるエコーの波形に応じ
て、反射源の違いを識別することができる。

【００４３】（ｆ）複数の反射源の識別 図１０（Ａ）は、３つの反射源（表面ピット等）の分布
状態を示す断面図である。図１０（Ｂ）〜（Ｅ）は、従
来のスパイクパルス波をパルサーに与えた場合の３つの
亀裂からのエコーの波形を説明するための波形図であ
る。図１１（Ａ）は、本実施例のデコンボリューション
処理を行った入力波形をパルサーに与えて受信したエコ
ーの波形図である。

【００４４】図１０に示す従来の方法の場合、複数の反
射源に対しては、波の干渉が生じるため、エコーの大き
さが反射源の数や大きさに対応しないので、亀裂エコー
とノイズエコーの識別が困難である。すなわち、図１０
（Ａ）に示すように、３つの亀裂５０ａ、５０ｂ、５０
ｃに対して、亀裂５０ａのエコー（図１０（Ｂ））と、
亀裂５０ｂのエコー（図１０（Ｃ））と、亀裂５０ｃの
エコー（図１０（Ｄ））が、それぞれリンギングを伴っ
て、短時間ずれて存在する。これらが重なって、図１０
（Ｅ）に示すような意味不明の波形となって、各亀裂５
０ａ、５０ｂ、５０ｃに対するエコーを個別に識別する
ことができない。

【００４５】これに対し、本実施例のデコンボリューシ
ョン処理を行うと、図１１に示すように、３つの亀裂５
０ａ、５０ｂ、５０ｃのそれぞれに対応したエコー５０
ａ′、５０ｂ′、５０ｃ′を個別に受信することができ
る。このように、本実施例によれば、細かい亀裂群や表
面ピット群等の複数の接近した反射源からのエコーを独
立したエコーとして表示できるので、エコーの分解能を
向上させることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、以下の効果がある。 （１）受信されるエコーのリンギングや歪みを解消し、
計測精度を向上させることができる。 （２）受信信号を特徴付けて、反射源の種類を識別する
ことができる。 （３）細かい亀裂群や表面ピット群等の複数の接近した
反射源からのエコーを独立したエコーとして表示できる
ので、エコーの分解能を向上させることができる。

【００４７】（４）本発明を鉄道車両の輪座に適用した
場合は、亀裂エコーと、圧入エコーやピットエコー等の
ノイズエコーとのＳ／Ｎ比を改善することができ、探傷
精度を向上させることができる。さらに、検出されたエ
コーの反射源の種類を特定したり、複数の亀裂エコーを
別々のエコーとして捕らえることができ、エコーの分解
能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波探傷システムの１実施例を
概念的に示すブロック図である。

【図２】図１の超音波探傷システムにおける受信波形の
処理手順を示すフローチャートである。

【図３】図３（Ａ）は、出力信号として望ましい波形
（出力波形）ｇ（ｔ）と同じ形状の単パルスのスパイク
パルス波を示すグラフである。図３（Ｂ）は、図３
（Ａ）のスパイクパルス波ｇ（ｔ）を送信子に入力し、
そのときに受信子が受けた波形を示すグラフである。

【図４】図４（Ａ）は、図３（Ｂ）の波形のデコンボリ
ューション処理後の波形ｖ（ｔ）を示すグラフである。
図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の波形を入力信号ｉ（ｔ）と
して与えた後に受信した波形ｏ（ｔ）を示すグラフであ
る。

【図５】図５（Ａ）は、従来のスパイクパルス波を送信
子に入力してエコーを受信した波形を示すグラフであ
り、図５（Ｂ）は、本実施例のデコンボリューション処
理を行った波形の入力を送信子に与えて受信した波形を
示すグラフである。

【図６】図６は、本発明の他の１実施例に係る超音波探
傷システムを用いて、亀裂の深さを推定する様子を模式
的に示す図である。

【図７】図７（Ａ）は、従来型のスパイクパルス波を送
信子に入力して受信したエコー波形を示すグラフであ
り、図７（Ｂ）は、デコンボリューション処理を行った
波形を送信子に入力した波形を示すグラフである。

【図８】図８（Ａ）は、通常の亀裂からのエコーを示す
波形図であり、図８（Ｂ）は音響インピーダンスが大き
い異物からのエコーを示す波形図である。

【図９】図９（Ａ）は、通常の亀裂（左）とそのエコー
（右）を示す図であり、図９（Ｂ）は表面ピット（左）
とそのエコー（右）を示す図であり、図９（Ｃ）は、接
触面（左）とそのエコー（右）を示す図である。

【図１０】図１０（Ａ）は、３つの反射源（表面ピット
等）の分布状態を示す断面図である。図１０（Ｂ）〜
（Ｅ）は、従来のスパイクパルス波をパルサーに与えた
場合の３つの亀裂からのエコーの波形を説明するための
波形図である。

【図１１】図１１は、本実施例のデコンボリューション
処理を行った入力波形をパルサーに与えて受信したエコ
ーの波形図である。

【符号の説明】

１０ 標準試験片 Ｘ ノッチ １７、１８ 探触子 ２１ 送信子 ２２ 受信子 ３１、３９ 増幅器 ３３ デジタルオ
シロスコープ ３５ パーソナルコンピュータ ３７ 任意関数発
生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 599165991 村田 頼信 和歌山県和歌山市松江北３丁目３番15号ル ミエール213号 (72)発明者 戸田 裕己 兵庫県神戸市東灘区本山北町４丁目15番２ 号 (72)発明者 村田 頼信 和歌山県和歌山市松江北３丁目３番15号ル ミエール213号 (72)発明者 養祖 次郎 東京都国分寺市光町二丁目８番地38 財団 法人 鉄道総合技術研究所内 (72)発明者 山本 裕次 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号 東海旅客鉄道株式会社内 Ｆターム(参考） 2G047 AA07 AB01 AC08 BA03 BC04 BC07 BC11 EA01 EA10 GG12 GG36

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 探触子から被試験体に超音波を入射し被
   試験体から反射してくる反射波（エコー）を検出する操
   作を含む超音波計測方法であって；上記探触子に与える
   入力信号と探触子の検出する出力信号から、探触子及び
   被試験体からなる計測系の伝達関数を求め、 出力信号として望ましい波形（出力波形）を設定し、 上記伝達関数と出力波形から与えるべき入力信号の波形
   （入力波形）を求め、 求めた入力波形を有する入力信号を上記探触子に与える
   ことを特徴とする超音波計測方法。
2. 【請求項２】 探触子から被試験体に超音波を入射し被
   試験体から反射してくる反射波（エコー）を検出する操
   作を含む超音波計測方法であって；上記探触子に与える
   入力信号ｉ（ｔ）のフーリエ変換Ｉ（ω）と、探触子の
   検出する出力信号ｏ（ｔ）のフーリエ変換Ｏ（ω）を求
   め、 これら入力信号のフーリエ変換Ｉ（ω）及び出力信号の
   フーリエ変換Ｏ（ω）から、探触子及び被試験体からな
   る計測系の周波数領域での伝達関数Ｈ（ω）を次式によ
   り求め、 【数１】 さらに出力信号として望ましい波形（出力波形）ｇ
   （ｔ）を設定するとともに、このｇ（ｔ）のフーリエ変
   換Ｇ（ω）を求め、 上記伝達関数Ｈ（ω）と出力波形のフーリエ変換Ｇ
   （ω）から、与えるべき入力信号の波形（入力波形）ｖ
   （ｔ）を次式のフーリエ逆変換Ｆ^-1により求め、 【数２】 求めた入力波形ｖ（ｔ）を有する入力信号を上記探触子
   に与えることを特徴とする超音波計測方法。
3. 【請求項３】 探触子から被試験体に超音波を入射し被
   試験体から反射してくる反射波（エコー）を検出して被
   試験体の探傷を行う超音波探傷方法であって；上記探触
   子に与える入力信号と探触子の検出する出力信号から、
   探触子及び被試験体からなる計測系の伝達関数を求め、 出力信号として望ましい波形（出力波形）を設定し、 上記伝達関数と出力波形から与えるべき入力信号の波形
   （入力波形）を求め、 求めた入力波形を有する入力信号を上記探触子に与える
   ことを特徴とする超音波探傷方法。
4. 【請求項４】 車輪が嵌め合わされた車軸に探触子から
   超音波を入射し、輪座（車軸と車輪の嵌め合い部分）か
   ら反射してくる反射波（エコー）を検出して輪座の探傷
   を行う超音波探傷方法であって；上記探触子に与える入
   力信号と探触子の検出する出力信号から、探触子及び車
   軸からなる計測系の伝達関数を求め、 出力信号の波形から、輪座表面のピット群からのリンギ
   ングを消すように入力信号の波形（入力波形）を設定
   し、 設定した入力波形を有する入力信号を上記探触子に与え
   てリンギングのない出力信号を得、 この出力信号に基づき輪座の亀裂を検出することを特徴
   とする超音波探傷方法。
5. 【請求項５】 上記出力信号を検出する際に、亀裂表面
   部からの反射波と亀裂底部からの反射波を分離して検出
   し、これら両反射波の時間差から亀裂の深さを推定する
   ことを特徴とする請求項４記載の超音波探傷方法。
6. 【請求項６】 上記反射波の位相が正転かあるいは反転
   かに基づき反射源を識別することを特徴とする請求項４
   記載の超音波探傷方法。
7. 【請求項７】 被試験体に超音波を入射し被試験体から
   反射してくる反射波（エコー）を検出する探触子を備え
   る超音波計測装置であって；上記探触子に与える入力信
   号と探触子の検出する出力信号から、探触子及び被試験
   体からなる計測系の伝達関数を求める伝達関数算出手段
   と、 出力信号として望ましい波形（出力波形）を設定する出
   力波形設定手段と、 上記伝達関数算出手段で求めた伝達関数と上記出力波形
   設定手段で設定した出力波形から、与えるべき入力信号
   の波形（入力波形）を求める入力波形算出手段と、 この入力波形算出手段で求めた入力波形を有する入力信
   号を上記探触子に与える入力信号印加手段と、 を備えることを特徴とする超音波計測装置。