JP2005114376A - 超音波を用いる物体検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 非線形超音波法の物体検査の精度を向上する。
【解決手段】 超音波伝播液２１中に超音波トランスジューサ（１，３）および検査対象材１０を配置し、超音波トランスジューサ（１，３）から検査対象材１０にバースト波を入射しかつ送信周波数を掃引して共鳴周波数（２Ｆｃ，３Ｆｃ，４Ｆｃ，・・・）を計測し、ｂを２以上の整数（２／３／４／・・・）とするとき、計測した共鳴周波数（２Ｆｃ，３Ｆｃ，４Ｆｃ，・・・）の１つの１／ｂの周波数Ｆｃの送信超音波を検査対象材１０に入射し、これによって超音波伝播液中に生じた、送信超音波Ｆｃの高調波（ｂＦｃ＝２Ｆｃ／３Ｆｃ／４Ｆｃ，・・・）を計測する、超音波を用いる物体検査方法。送信超音波の入射から設定遅延時間（ｃ〜ｄ）後の高調波ｂＦｃの受信レベルを表示手段６ｄに表示する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、物体細部の物理的不連続を、超音波を用いて検査する方法およびその実施に用いる装置に関する。本発明は例えば、通常の超音波探傷法，Ｘ線などの傷検査方法で検出できない材料内部の極微小開口（１０ｎｍオーダー）の欠陥（亀裂），剥離の検出又は推定、具体的には、物体間の不完全拡散接合部，不完全固相接合部，キッシングボンド，複合材の繊維と母材界面剥離，初期疲労亀裂，初期応力腐食割れ，水素脆化，初期クリープボイド，ガス・蒸気タービン遮熱コーティングの劣化（剥離），多層ＬＳＩの層間剥離，パワーＩＣ基盤の熱衝撃割れ，各種コーティングの密着性等の検出又は推定、すなわち検査に利用することができる。

上記各種の欠陥（き裂）はほとんど体積を持たないので、欠陥体積に依存するＸ線吸収，超音波音速，減衰などの従来の非破壊計測法では検出できない。例えば、大振幅バースト超音波を検査対象材に入射し、上記不完全結合面の繰返し打撃・摩擦により発生する高調波振幅を計測してそれに基いて欠陥を推定する検査方法があるが、基本波振幅に対する２次高調波振幅が０．１％以上でないと任意位置での欠陥検出はできない。また、電磁超音波法により非接触で導体中に横波を励起し、特定モード・次数の共鳴により高調波振幅あるいは減衰を測定し、金属中の初期損傷を検出する検査方法がある。原理的にこの方法では電磁超音波トランスジューサを数平方ｃｍ以下にすることができないし、横波しか利用できない。また、電磁超音波トランスジューサの周波数帯域の制約により，限定された周波数範囲での測定に限定される。

特開平６−３３３８号公報には、集束超音波トランスジューサから、音波伝播特性が非線形性のカップラ液を介して超音波を検査対象材に入射し、反射波をトランスジューサが高周波電気信号に変換し、変換した電気信号の高次高調波成分を受信器で抽出して映像信号としてＣＲＴに高次高調波成分のレベルを表示する超音波顕微鏡が記載されている。高次高調波成分は、送信超音波の周波数成分による相互干渉による反射波減衰の影響がないので、分解能が向上する、と説明されている。

特表２００２−５２３２０３号公報には、多数の超音波トランスジューサ素子を２次元配列した２Ｄトランスジューサアレイから中心周波数ｆｏの広帯域又は狭帯域の超音波信号を人体に送信し、生体組織又は造影剤を含む血流などの非線形媒体が発生した高調波信号を抽出し強調して画像表示に用いる人体の超音波診断画像表示が記載されている。該超音波トランスジューサ素子個々の駆動遅延時間を調整した超音波発射によって２Ｄトランスジューサアレイで集束超音波入射（焦点集束）を行うこと、ならびに、トランスジューサ素子数が多くても受信信号処理を簡単にするための、素子間引き（粗）の受信処理を説明している。

検査対象材中の微視損傷，劣化部等の非線形特性を利用して、入射超音波の高調波を抽出してそれに基いて形状，欠陥の検出又は表示を行う非線形超音波法は、近年、従来の線形超音波法では評価できない初期劣化，損傷の検出法として注目を集めている。非線形超音波法(高調波)を用いて損傷の画像化を試みると、直接接触法では、測定位置ごとの２次高調波発生の差が、接触状態に起因する測定誤差に埋れてしまう。これを解決するために、接触状態を一定に保つ水浸法を利用すると、水浸法の非線形超音波測定では、非常に強い水の非線形性が問題である。たとえば、平面型探触子で大振幅超音波を入射すると、水の非線形性により２次高調波が基本波振幅を上回るという現象も見られる。その影響を軽減するために入射波振幅を小さくすると、材料中の微視損傷・劣化部における２次高調波の発生が低下する。これを避けるために水中では低振幅で、検査対象材内で大振幅とするフォーカス型探触子の適用が試みられているが、固体中の非線形性が小さいため、その適用には限界がある。

本発明は、非線形超音波法の物体検査の精度を向上することを目的とする。

（１）超音波伝播液(21)中に超音波トランスジューサ(1,3)および検査対象材(10)を配置し、ｂを２以上の整数(2/3/4/・・・)とするとき、超音波トランスジューサから検査対象材にその共鳴周波数（2Fc/3Fc/4Fc/・・・）の１／ｂの周波数（Fc）の送信超音波を入射し、これによって検査対象材中に生じた、送信超音波（Fc）の高調波（bFc＝2Fc/3Fc/4Fc,・・・）を計測する、超音波を用いる物体検査方法。

なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の記号又は対応事項を、例示として参考までに付記した。以下も同様である。

これによれば、検査波となる高調波（2Fc/3Fc/4Fc,・・・）が検査対象材(10)の共鳴周波数となるので、振幅が大きく現れる。欠陥などの、物体内部の物理的不連続がある場合には、そこで発生した高調波が検査対象材(10)の内部で共鳴し増大する効果が大きく、これにより高精度の物体検査が可能である。

（２）前記送信超音波（Fc）の入射に先立って、前記超音波トランスジューサ(1,3)から前記検査対象材(10)にバースト波を入射しかつ送信周波数を掃引して共鳴周波数（2Fc,3Fc,4Fc,・・・）を計測し、計測した共鳴周波数（2Fc,3Fc,4Fc,・・・）の１つを、請求項１に記載の共鳴周波数とする、上記（１）に記載の物体検査方法。

これによれば、検査対象材(10)を検査状態に設定しているときに、その状態で簡単に検査対象材(10)の共鳴周波数（2Fc,3Fc,4Fc,・・・）を計測し、適当な共鳴周波数を選択して、適切な送信超音波の周波数（Fc）を容易に求めることができる。

（３）前記超音波トランスジューサ(1,3)は、送信用の超音波トランスジューサ(1)およびそれとは別体の受信用の超音波トランスジューサ(3)を含み、送信用の超音波トランスジューサ(1)から前記検査対象材(10)にその共鳴周波数（2Fc/3Fc/4Fc/・・・）の１／ｂの周波数（Fc）の送信超音波を入射し、これによって受信用の超音波トランスジューサ(3)が受信した、送信超音波（Fc）の高調波（bFc＝2Fc/3Fc/4Fc,・・・）を計測する、上記（１）又は（２）に記載の物体検査方法。

これによれば、送受信トランスジューサが別体であるので、超音波送，受信の設定，制御および信号処理ならびにそのためのハードウエアを簡略にすることができる。

（４）送信超音波(Fc)の入射から設定遅延時間(c〜d)後の高調波（bFc＝2Fc/3Fc/4Fc/・・・）の受信レベルを表示手段(6d)に表示する、上記（１）乃至（３）の何れか１つに記載の物体検査方法。

欠陥などの、物体内部の物理的不連続がある場合には、高調波が検査対象材(10)の内部で共鳴し増大する効果が大きく、遅延時間後の高調波振幅が大きくなる。本実施の形態では、高調波振幅が大きくなる時間帯(c〜d)で該振幅を抽出することにより、高い検査精度を得ることができる。

（５）送信超音波(Fc)を走査入射して、入射から設定遅延時間後(c〜d)の高調波（bFc＝2Fc/3Fc/4Fc/・・・）の受信レベルが設定閾値(Th)以上の走査位置を表示手段(6d)に表示する、請求項１乃至４の何れか１つに記載の物体検査方法。

これによれば、高調波受信レベルが設定閾値(Th)以上の走査位置すなわち欠陥と推定される位置を表示から視認することができる。

（６）検査対象材(10)を配置した超音波伝播液(21)中に超音波を入射し、該超音波伝播液中の超音波を受信する超音波トランスジューサ(1,3)；
前記超音波トランスジューサからバースト波を入射しかつその周波数を掃引する機能、および、前記超音波トランスジューサから指定された送信周波数（Fc）の超音波を入射する機能、を有する超音波送信器(2)；
前記超音波トランスジューサの受信信号のレベルを周波数対応で検出する超音波受信器(4)；
該超音波受信器(4)が検出した信号レベル（図３，図６〜９，設定遅延時間後c〜dの積算値，Th以上の２値）を表示する手段(5,6d)；
前記超音波送信器(2)に、前記バースト波の入射および周波数掃引を指示する手段(6a)；および、
前記超音波送信器(2)に前記送信周波数(Fc)を指定し超音波入射を指示する手段(6a)；
を備える超音波を用いる物体検査装置。

この装置を用いて、上記（１）および（２）に記載の物体検査方法を、容易に実施することができる。

（７）前記超音波トランスジューサ(1,3)は、送信用の超音波トランスジューサ(1)およびそれとは別体の受信用の超音波トランスジューサ(3)を含み；前記超音波送信器(2)は送信用の超音波トランスジューサ(1)から超音波を入射し；前記超音波受信器(4)は受信用の超音波トランスジューサから超音波受信信号を受ける；上記（６）に記載の物体検査装置。

これによれば、送受信トランスジューサが別体であるので、超音波送，受信の設定，制御および信号処理ならびにそのためのハードウエアを簡略にすることができる。

（８）送信用の超音波トランスジューサ(1)は集束超音波トランスジューサ、受信用の超音波トランスジューサ(3)は空間分解能が高い超音波トランスジューサ（ハイドロフォン）である、上記（７）に記載の物体検査装置。

これによれば、高空間分解能の高精度の物体検査を実施することができる。

（９）送信用の超音波トランスジューサ(1)は平面超音波トランスジューサ、受信用の超音波トランスジューサ(3)は超広帯域レーザー超音波検出器である、上記（７）に記載の物体検査装置。

これによれば、送信用の超音波トランスジューサ(1)は固定して、受信用の超音波トランスジューサ(3)を平面走査して２次元走査の物体検査を実施することができる。

また、送信用の超音波トランスジューサ(1)は平面超音波トランスジューサ、受信用の超音波トランスジューサ(3)はハイドロフォンとしても良い。あるいは、送信用の超音波トランスジューサ(1)は集束超音波トランスジューサ、受信用の超音波トランスジューサ(3)はレーザー干渉計としても良い。

（１０）前記検査対象材(10)に対する送信超音波(Fc)の入射位置をシフトする走査手段(11〜17)；をさらに備え、前記表示手段(5,6d)は、前記超音波受信器(4)が検出した周波数対応の信号レベルを、周波数軸とレベル軸を用いる２次元グラフで表示するグラフ表示手段(5)、および、前記超音波受信器(4)が検出した周波数対応の信号レベルの設定遅延時間後c〜dのもの（積算値，Th以上の２値，最大値）を走査位置対応で表示する手段(6d)、を含む請求項６乃至９の何れか１つに記載の物体検査装置。

これによれば、ユーザは、グラフ表示手段の表示に基いて共鳴周波数を視認して、送信周波数(Fc)を簡単に算出することができる。また、設定遅延時間後c〜dの高調波の信号レベルを走査位置対応で表示手段(6d)に表示して、物理的に不連続な走査位置すなわち欠陥と推定される位置を表示から簡単に視認することができる。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

図１に、本発明を一態様で実施する装置構成の概要を示す。液槽２０内の水２１の中には、送信用の超音波トランスジューサ１および受信用の超音波トランスジューサ３が、検査対象材１０が水平方向ｙおよび垂直方向ｚに移動し得る所定水平距離の間隙を置いて対向して設置されている。

検査対象材１０を支持する試料ホルダ１１は、垂直ねじ棒１２に連結された垂直棒の下端に固着されている。垂直ねじ棒１２は、ｙ，ｚ駆動機構を内蔵する、上方は開いたギアボックス１３を、垂直方向に貫通している。ギアボックス１３の内部には、ｙ走行キャリッジがあり、該ｙ走行キャリッジに、ねじ棒１２とねじ結合したナットが回転可能にしかも垂直方向ｚには移動不可に支持され、また、該ｙ走行キャリッジに、ねじ棒１２がｚ方向には上下動可能にしかし回転は不可に支持されている。ねじ棒１２とねじ結合したナットには外歯があり、該外歯に噛合う駆動ギアが、減速器を介してｚ駆動モータ１４で回転駆動される。ｚ駆動モータ１４が正転すると垂直ねじ棒１２およびホルダ１１，検査対象材１０が上昇し、逆転すると降下する。前記ｙ走行キャリッジには、ギアボックス１３の内部のｙ方向に伸びる水平ねじ棒にねじ結合したナットが回転自在ではあるがｙ方向には移動不可に支持されている。水平ねじ棒は、減速機を介してｙ駆動モータ１６で回転駆動される。ｙ駆動モータ１６が正転すると、ｙ走行キャリッジおよび垂直ねじ棒１２，ホルダ１１，検査対象材１０が、図１紙面の表側から裏側の方向に移動し、逆転すると裏側から表側の方向に移動する。すなわち、ｚ駆動モータ１４，ｙ駆動モータ１６の正逆転によって、検査対象材１０をｙ，ｚ方向に駆動することができ、検査対象材１０の、ｙ，ｚ面に沿う２次元走査駆動が可能である。ｚ駆動モータ１４，ｙ駆動モータ１６にはＸ，Ｙコントローラ１７が通電する。上述のｚ駆動機構およびｙ駆動機構には、ホルダ１１のｚ，ｙ位置追跡用のリミットスイッチおよびロータリエンコーダが結合されており、これらが発生する信号をＸ，Ｙコントローラ１７が監視してホルダ１１の基準点（ねじ棒１２の中心軸と検査対象材固定ねじの中心軸（水平ｘ）とが交わる点）のｚ，ｙ位置データ（Ｚ，Ｙ）を生成し保持している。

超音波トランスジューサ１のｙ，ｚ面の中心と受信用の超音波トランスジューサ３の受信端面の中心とを結ぶ水平ｘ線すなわち送受信狙い線のｚ，ｙ位置データ（Ｚｏ，Ｙｏ）がコンピュータ６ａからＸ，Ｙコントローラ１７に与えられ、Ｘ，Ｙコントローラ１７は、（Ｚ−Ｚｏ，Ｙ−Ｙｏ）を検査対象材１０上の測定位置（走査位置）として算出し、コンピュータ６ａの指示に応じて、ホルダ１１をｚ，ｙ駆動して検査対象材１０上の指定点を送受信狙い線の位置に定める。あるいは指定された軌跡を描くように検査対象材１０をステップ駆動する。

なお、図１の実施態様では、送信用の超音波トランスジューサ１および受信用の超音波トランスジューサ３が、検査対象材１０が水平方向ｙおよび垂直方向ｚに移動し得る所定水平距離の間隙を置いて対向して設置されているが、送信用の超音波トランスジューサ１と受信用の超音波トランスジューサ３が上下面内では同一面、水平面内では同一面ではない配置態様（例えば液体中縦波伝播−材料中横波伝播−液対中縦波伝播による測定態様）とすることもできる。

図１に示す送信用の超音波トランスジューサ１は、点または線集束のトランスジューサであり、受信用の超音波トランスジューサ３は、直径０．２ｍｍ程度の高空間分解能が実現できるハイドロフォン（商標）（東レテクノ Ｈ２ａ−００２）である。なお、送信用の超音波トランスジューサ１に、大面積の平面トランスジューサ（例えばPanametrics M1310:商標）を用いることが出来、また、受信用の超音波トランスジューサ３に、超広帯域で検出部直径が０．１ｍｍ程度のレーザー超音波検出器を用いることもできる。

超音波送信器２は、送信用の超音波トランスジューサ１を、指定距離に焦点（集束点）を結ぶ集束モードと、平面波を発生する平面モードで励振が出来、一方を選択することができる。いずれのモードでも、送信超音波の周波数Ｆｃ（縦波バースト波の中心周波数）を選択（指定，設定）可能であり、１回の励振駆動で発生する波数ａを選択（指定，設定）可である。

超音波受信器４は、受信用の超音波トランスジューサ３が発生する電気信号を増幅しノイズを除去してデジタルオシロスコープ（Iwatsu Lecroy LT-342：商標）５に出力するリアルタイム出力機能に加えて、１パルス駆動（指定波数ａ）の超音波入射によって発生した指定周波数（高調波Ｆｃ×ｂ）の受信レベル（サンプリング値Ｒｖ）を、指定遅延時間帯（ｃ〜ｄ）の間積算する（積算値ΣＲｖ）機能を有する。

デジタルオシロスコープ５は、超音波受信器４が出力する超音波受信信号のレベルを周波数宛にメモリし、指定されたモードで受信信号をデジタルオシロスコープ５に装備したディスプレイに表示する。１つの表示モードは図３に示すように、各周波数宛の受信レベルをグラフ表示するものであり、他の１つの表示モードは図６に示すように、時間経過（横軸：単位はμｓ）による周波数（縦軸：単位はMHz）とレベル(カラー：自然光の分光スペクトルでレベルを連続的に表し、赤が高レベル，ダークブルーが低レベル)の変化を一面上に表すものである。

コンピュータ６ａには、「共鳴高調波による探傷」プログラムがセットされており、このプログラムを起動することにより、コンピュータ６ａの出力装置の１つであるディスプレイ６ｄに、「共鳴高調波による探傷」の入力画面が表示される。

図２に、「共鳴高調波による探傷」プログラムにしたがってコンピュータ６ａが実行する探傷制御の概要を示す。ディスプレイ６ｄに表示された入力画面の「共鳴周波数探索」を、ユーザがキーボード６ｂ又はマウス６ｃを用いて指定し、「実行」(Enter)を指示すると、コンピュータ６ａは、「共鳴周波数探索」を行う（ステップＳ１，Ｓ２）。なお、以下においては、カッコ内にはステップという語を省略して、ステップ記号のみを記す。

「共鳴周波数探索」（Ｓ２）においてコンピュータ６ａは、検査対象材１０のｚ高さの入力催告を表示画面を表示し、その入力があって実行の入力があると、Ｙ，Ｚコントローラ１７に、送信用の超音波トランスジューサ１のｙ，ｚ面の中心と受信用の超音波トランスジューサ３の受信端面の中心とを結ぶ水平ｘ線すなわち送受信狙い線の位置データ（Ｚｏ，Ｙｏ）と、検査対象材１０のｚ高さ中央値（入力値の１／２）を与えて位置合せを指示する。これに応答してＹ，Ｚコントローラ１７が、モータ１６，１４を駆動して、垂直ねじ棒１２の中心線をＹｏに合せ、しかも、検査対象材１０のｚ高さ中央点をＺｏに合せる。これにより、ホルダ１１に、そのｙ中央点（ねじ棒１２の中心線のｙ位置）にｙ幅の中央を合わせて固定した検査対象材１０のｙ，ｚ面の中心が送受信狙い線に位置する。

Ｙ，Ｚコントローラ１７がこの位置合せを完了したことを表わすレディを報知してくると、コンピュータ６ａは、周波数掃引モードの超音波送受信を超音波送信器２および超音波受信器４に指示する。これに応答して超音波送信器２が、トランスジューサ１からバースト波を発射しその周波数を掃引する。超音波受信器４はデジタルオシロスコープ５にトランスジューサ３の受信信号を出力する。デジタルオシロスコープ５はそのディスプレイに、図３に示すように、受信信号のレベルを周波数を横軸にしてグラフ表示する。ユーザはこの表示を見て、送信周波数の２次高調波が検査対象材１０と共鳴するように、図３に示す共鳴スペクトルでは、例えば周波数３．５４ＭＨｚを送信周波数（の中心Ｆｃ）として選択する。その２次高調波は７．０８ＭＨｚであり、図３上の共鳴周波数である。

このように送信周波数を決定すると、ユーザは、ディスプレイ６ｄに表示された入力画面の「パラメータ設定」を、ユーザがキーボード６ｂ又はマウス６ｃを用いて指定し、「実行」(Enter)を指示する。すると、コンピュータ６ａは、パラメータ入力画面をディスプレイ６ｄにポップアップ表示する（Ｓ４）。ユーザはパラメータ入力画面に、パラメータを入力する。パラメータの主要なものを次に示す。

送信周波数Ｆｃ：検査対象材１０の共鳴周波数の１／ｂの周波数、例えば上記３．５４ＭＨｚ。ｂは２以上の整数，
１回の励振駆動の波数ａ：コンピュータ６ａが与える１回の超音波発射指示（１パルス励振の指示）に応答して超音波送信器２がトランスジューサ１を励振駆動する期間を送信周波数Ｆｃの波数で表し、ａは例えば１００〜２００，
検出対象高調波の次数ｂ：Ｆｃ×ｂが検出対象高調波の周波数となる。Ｆｃ＝３．５４ＭＨｚ，ｂ＝２であると、検出対象高調波の周波数は７．０８ＭＨｚである。

検出対象の遅延時間の領域の下境界値ｃ，上境界値ｄ：たとえばＦｃ＝３．５４ＭＨｚで波数ａ＝１００で超音波を発射すると、たとえば図６に示す時系列の受信信号をデジタルオシロスコープ５が記憶しそのディスプレイにカラー表示する。横軸は時間、縦軸は周波数、カラーは受信レベル（強度）を表す。図６の表示は、２０μｓ〜５０μｓ（Ｆｃ＝３．５４ＭＨｚの１波（周期）は０．２８μｓで、１００波は２８μｓであるので、正確に表現すると２０μｓ〜（２０＋２８）μｓ）の間、中心周波数が３．５４ＭＨｚの送信波を受信ししかも２３μｓあたりから４０μｓあたりまで、中心周波数が７．０８ＭＨｚの２次高調波を受信していることが分る。図６のデータを得た検査対象材１０の場合、欠陥があって測定点が欠陥に近づくほど、２次高調波が検査対象材内で共鳴，増幅する蓄積効果が強く現れ、１００波励振の後端部で受信信号に現れる２次高調波のレベル（強度）が、図７，図８および図９の４０μｓ〜５０μｓの領域に現れているように、順次に高くなっていく。下境界値ｃ，上境界値ｄは、このような後半領域を２次高調波抽出領域に定めるものであり、下境界値ｃは該抽出領域の下境界指定値たとえば４０μｓ、上境界値ｄは下境界指定値たとえば５０μｓである。

繰返し回数ｅ：データ処理を容易にしかも信頼性を高くするために、複数回の超音波発受信（１回は波数ａの発受信）の各回の受信信号を累算し平均値を求める。ｅは累算回数値である，
欠陥切出しの閾値Ｔｈ：下境界値ｃ〜上境界値ｄの間の受信２次高調波の積算値、の平均値（ｅ回の累算値／ｅ）に基いて、この値を得た測定点に欠陥がある否か判定する閾値。コンピュータ６ａがこの閾値Ｔｈを用いて、該平均値を２値化する（平均値が閾値以上＝「１」＝欠陥あり／平均値が閾値未満＝「０」＝欠陥なし）。

走査モード：直線走査，曲線走査，円走査，楕円走査などの線走査、ならびに、水平方向ｙ又は垂直方向ｚの直線走査を垂直方向ｚ又は水平方向の指定ピッチで繰返す２次元ラスター走査、を選択指定する，
探傷開始始点ｆ（ｙ，ｚ），終点ｇ（ｙ，ｚ）：検査対象材１０の走査領域の始点と終点を指定する位置情報，
走査ピッチＰｙ，Ｐｚ：指定走査モードで検査対象材１０を走査するときの、測定点を次に切換える走査のｙ駆動量，ｚ駆動量。

これらの入力を終了しまた他の調整または設定をして、ユーザが「実行」を入力すると、コンピュータ６ａは、入力値および調整値または設定値を計測ファイル（コンピュータ内データメモリの１領域）に保持し、ディスプレイ６ｄの表示を入力画面に戻す。

ユーザが入力画面上の「スタート」を指定すると、コンピュータ６ａは、Ｙ，Ｚコントローラ１７を介して、検査対象材１０の探傷開始始点ｆ（ｙ，ｚ）を送受信超音波トランスジューサ１，３間の送受信狙い線に位置決めする（Ｓ５，Ｓ６）。そして「パラメータ転送」（Ｓ７）によって、超音波送信器２には送信周波数Ｆｃおよび１回の励振駆動の波数ａを転送し、超音波受信器４には検出対象高調波の周波数Ｆｃ×ｂ，検出対象の遅延時間の領域の下境界値ｃおよび上境界値ｄならびに繰返し回数ｅを転送し、Ｙ，Ｚコントローラ１７には、走査モード，探傷終点ｇおよび走査ピッチＰｙ，Ｐｚを転送する。これらを受信し準備完了（レディ）を超音波送信器２，超音波受信器４およびＹ，Ｚコントローラ１７が報知してくると、コンピュータ６ａは、「一点の共鳴高調波探傷」（Ｓ８）を実行する。

「一点の共鳴高調波探傷」（Ｓ８）においてコンピュータ６ａは、トリガパルス（探傷指示信号）を超音波送受信器２，４に与える。これに応答して超音波送信器２がトランスシューサ１から、中心周波数がＦｃのバースト波を、周波数Ｆｃの波数ａ分発射する。これによってトランスジューサ３が発生した受信信号が超音波受信器４からデジタルオシロスコープ５に与えられ、デジタルオシロスコープ５がそのディスプレイに、例えば図６に示すように受信信号を時系列で表示する。このとき超音波受信器４は、受信信号の中の、周波数Ｆｃ×ｂを中心とする狭帯域の高調波をフィルタ処理によって抽出して、指定遅延時間ｃ〜ｄの間積算（積分）し、遅延時間ｄが経過すると積算値データ（ΣＲｖ）をコンピュータ６ａに転送する。コンピュータ６ａは受信した積算値データをデータメモリの１領域に定めた累算レジスタに累算記憶する。すなわち、累算レジスタのデータに今回受信した積算値データを加算して、和データを累算レジスタに更新書込みする。累算レジスタのデータの初期値は０である。そしてコンピュータ６ａは、このトリガパルス出力回数をカウントアップし、カウント値がｅに達しないと、またトリガパルス（探傷指示信号）を超音波送受信器２，４に与え、上述の処理を行う（Ｓ８）。

カウント値がｅに達したときには、コンピュータ６ａは、累算レジスタのデータ（ΣΣＲｖ）の１／ｅのデータ（平均値）を、データメモリの１領域に割当てた平均値ファイルに、測定点（ｙ，ｚ）宛に書き込み、ディスプレイ６ｄの１つの分割表示面に、ｙ，ｚ座標軸上の測定点（ｙ，ｚ）対応位置に平均値をカラー表示する。なおこの表示は、立体斜視図表示形式の棒グラフ表示にしてもよい。さらにコンピュータ６ａは、平均値を閾値Ｔｈで２値化して、２値データ（「１」：欠陥あり／「０」：欠陥なし）を、データメモリの１領域に割当てた欠陥検出ファイルに、測定点（ｙ，ｚ）宛に書き込み、ディスプレイ６ｄのもう１つの分割表示面に、ｙ，ｚ座標軸上の測定点（ｙ，ｚ）対応位置に２値データ＝「１」をドット表示する（Ｓ９）。

コンピュータ６ａは次に、測定点（ｙ，ｚ）が終点であるかをチェックして（Ｓ１０）、終点ではないとＹ，Ｚコントローラ１７に測定点シフト指示を与え、これに応答してコントローラ１７が、指定走査ピッチＰｙ，Ｐｚ分検査対象材１０を駆動し、これを終了するとそれ（レディ）をコンピュータ６ａに報知する（Ｓ１１）。これに応答してコンピュータ６ａは、また上述の「一点の共鳴高調波探傷」（Ｓ８）に進む。

測定点（ｙ，ｚ）が終点であると、コンピュータ６ａはユーザ入力を待つ（Ｓ０）。なお、上述の計測ファイル，平均値ファイルおよび欠陥検出ファイルは、コンピュータ６ａ内の固定ディスクに蓄積することが出来、外部メモリ（ＦＤ，ＣＤ，ＭＯ）に複写することが出来、外部機器に転送することもできる。また、計測ファイルのデータを、その後の計測にそのまま設定することが出来、また、変更することもできる。

なお、上記の実施態様では送受信用の超音波トランスジューサ１，３を固定し、検査対象材１０を走査駆動するが、検査対象材１０を固定して、送受信用の超音波トランスジューサ１，３を走査駆動することもできる。また、検査対象材１０と送信用の超音波トランスジューサ１を固定して、送信用の超音波トランスジューサ１により平面波を発生し、受信用の超音波トランスジューサ３のみを走査駆動することができる。この場合、送信用の超音波トランスジューサ１を大口径の平面超音波トランスジューサとすることもできる。さらには、超音波トランスジューサ３のみを走査駆動し、超音波トランスジューサ３が受信するに適した方向に超音波を発射する超音波トランスジューサ１上の素子あるいはさらにその周囲の素子から超音波を発射するようにすることもできる。

次に、実験例を説明する。図５の（ａ）に示す形状で、各１．７ｍｍ厚のＴｉ上，下層の間に、ＳｉＣファイバをベース（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）に埋めたファイバ層の６層を１ｍｍ厚に重ね集成した繊維強化層、を挟んだ３層構造の繊維強化複合材料（第１試料１０ｅｖ）、ならびに、該第１試料を引張疲労試験し破断させた図５の（ｂ）に示す形状の半体（第２試料１０ｅｂ）を検査対象材１０とした。超音波発生器２に装備する強力バースト波発生装置（RITEC SNAPRAM5000：商標）をコンピュータ６ａで制御し、共鳴スペクトル（図３）から選択した入射周波数で、励起電圧１１２Ｖ、波数１００のバースト波を送信側超音波トランスジューサ１に入力した。送信側超音波トランスジューサ１には、公称周波数５ＭＨｚ、直径６．３５ｍｍの平面探触子（Panametrics
M1310）を用い、受信側超音波トランスジューサ３には、１〜１０ＭＨｚでフラットな受信特性をもつ直径３ｍｍのハイドロフォン（東レテクノ H2A-002）を用いて、水浸法で測定を行った。透過波形は、デジタルオシロスコープ（Iwatsu
Lecroy LT-342）で、サンプリング周波数500MHz、加算平均５０回の後、デジタル収録した。

第２試料１０ｅｂに超音波を入射して測定した第２試料１０ｅｂの共鳴スペクトルを図３に示す。入射周波数は、基本波および２次高調波の周波数がともに共鳴するように、３．５４ＭＨｚを選択した。受信波（受信した２次高調波）の波形を図４に示す。第１試料１０ｅｖの測定波形をウェーブレット変換した結果を図６に示し、第２試料の測定波形をウェーブレット変換した結果を図７，図８および図９に示す。なお、ウエーブレット変換は、受信波振幅を表す受信信号（時間−振幅）を、周波数情報（時間−周波数：例えば図６）に変換するものである。

図７は第２試料の図５の（ｂ）上で、破断部（欠陥部）より遠いＡで示す基部位置の測定波形、図８は破断部（欠陥部）にやや近いＢでの測定波形、図９は破断部（欠陥部）直近の測定波形である。図６の健全な第１試料１０ｅｖの測定波形では、２次高調波７．０８ＭＨｚの蓄積は見られない。すなわち、受信基本波３．５４ＭＨｚの第６６波あたりから第１００波あたりに相当する略遅延時間４０μｓ〜５０μｓの領域での２次高調波７．０８ＭＨｚのレベルは低い。一方第２試料１０ｅｂでは、破断部に近づくに従い（図７，図８，図９の順で）、２次高調波７．０８ＭＨｚの蓄積が顕著になった。これは破断部が近づくに伴い、第２試料１０ｅｂの繊維層（中間層）−母材（上，下層）間，中間層内の繊維層間の微細剥離および母材中の微細亀裂が増加し、それらの部位での非線形応答により２次高調波７．０８ＭＨｚの発生が顕著になったためと考えられる。

本発明を一態様で実施する装置の構成の概要を示すブロック図である。 図１に示すコンピュータ６ａの、それにセットされた「共鳴高調波による探傷」プログラムに基づいて実行する探傷制御の概要を示すフローチャートである。 図５の（ｂ）に示す第２試料１０ｅｂの超音波共鳴スペクトルを示すグラフである。 図５の（ｂ）に示す第２試料１０ｅｂの超音波探傷時に現れる２次高調波の波形を示すグラフである。 （ａ）は超音波探傷の実験に用いた第１試料１０ｅｖの外観を示す斜視図、（ｂ）は第２試料１０ｅｂの外観を示す斜視図である。 第１試料１０ｅｖの超音波探傷の受信信号のウェーブレット変換により得た時間−周波数グラフ画像を示す平面図である。 第２試料１０ｅｂのＡ位置の超音波探傷の受信信号のウェーブレット変換により得た時間−周波数グラフ画像を示す平面図である。 第２試料１０ｅｂのＢ位置の超音波探傷の受信信号のウェーブレット変換により得た時間−周波数グラフ画像を示す平面図である。 第２試料１０ｅｂのＣ位置の超音波探傷の受信信号のウェーブレット変換により得た時間−周波数グラフ画像を示す平面図である。

符号の説明

１：送信用の超音波トランスジューサ
２：超音波送信器
３：受信用の超音波トランスジューサ
４：超音波受信器
５：デジタルオシロスコープ
６ａ：コンピュータ
６ｂ：キーボード
６ｃ：マウス
６ｄ：ディスプレイ
１０：検査対象材
１０ｅｖ：第１試料
１０ｅｂ：第２試料
１１：ホルダ
１２：ねじ棒
１３：ギアボックス
１４：ｚ駆動モータ
１５：支持枠
１６：ｙ駆動モータ
１７：Ｙ，Ｚコントローラ
２０：液槽
２１：水

Claims (10)

1. 超音波伝播液中に超音波トランスジューサおよび検査対象材を配置し、ｂを２以上の整数とするとき、超音波トランスジューサから検査対象材にその共鳴周波数の１／ｂの周波数の送信超音波を入射し、これによって検査対象材中に生じた、送信超音波の高調波を計測する、超音波を用いる物体検査方法。
2. 前記送信超音波の入射に先立って、前記超音波トランスジューサから前記検査対象材にバースト波を入射しかつ送信周波数を掃引して共鳴周波数を計測し、計測した共鳴周波数の１つを、請求項１に記載の共鳴周波数とする、請求項１に記載の物体検査方法。
3. 前記超音波トランスジューサは、送信用の超音波トランスジューサおよびそれとは別体の受信用の超音波トランスジューサを含み、送信用の超音波トランスジューサから前記検査対象材にその共鳴周波数の１／ｂの周波数の送信超音波を入射し、これによって受信用の超音波トランスジューサが受信した、送信超音波の高調波を計測する、請求項１又は２に記載の物体検査方法。
4. 送信超音波の入射から設定遅延時間後の高調波の受信レベルを表示手段に表示する、請求項１乃至３の何れか１つに記載の物体検査方法。
5. 送信超音波を走査入射して、入射から設定遅延時間後の高調波の受信レベルが設定閾値以上の走査位置を表示手段に表示する、請求項１乃至４の何れか１つに記載の物体検査方法。
6. 検査対象材を配置した超音波伝播液中に超音波を入射し、該超音波伝播液中の超音波を受信する超音波トランスジューサ；
   前記超音波トランスジューサからバースト波を入射しかつその周波数を掃引する機能、および、前記超音波トランスジューサから指定された送信周波数の超音波を入射する機能、を有する超音波送信器；
   前記超音波トランスジューサの受信信号のレベルを周波数対応で検出する超音波受信器；
   該超音波受信器が検出した信号レベルを表示する手段；
   前記超音波送信器に、前記バースト波の入射および周波数掃引を指示する手段；および、
   前記超音波送信器に前記送信周波数を指定し超音波入射を指示する手段；
   を備える、超音波を用いる物体検査装置。
7. 前記超音波トランスジューサは、送信用の超音波トランスジューサおよびそれとは別体の受信用の超音波トランスジューサを含み；前記超音波送信器は送信用の超音波トランスジューサから超音波を入射し；前記超音波受信器は受信用の超音波トランスジューサから超音波受信信号を受ける；請求項６に記載の物体検査装置。
8. 送信用の超音波トランスジューサは集束超音波トランスジューサ、受信用の超音波トランスジューサは空間分解能が高い超音波トランスジューサである、請求項７に記載の物体検査装置。
9. 送信用の超音波トランスジューサは平面超音波トランスジューサ、受信用の超音波トランスジューサは超広帯域レーザー超音波検出器である、請求項７に記載の物体検査装置。
10. 前記検査対象材に対する送信超音波の入射位置をシフトする走査手段；をさらに備え、前記表示手段は、前記超音波受信器が検出した周波数対応の信号レベルを、周波数軸とレベル軸を用いる２次元グラフで表示するグラフ表示手段、および、前記超音波受信器が検出した周波数対応の信号レベルの設定遅延時間後c〜dのものを走査位置対応で表示する手段、を含む請求項６乃至９の何れか１つに記載の物体検査装置。

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