JP2005249484A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】 くさび内の残響を減らして振動子が拾うノイズを低減し、反射源からのエコー信号を明確なものとなし得る測定精度の高い超音波探触子を提供する。
【解決手段】 被検体２の探傷面２ａに接して設けられるくさび３と、このくさび３に形成された傾斜面３ａに配置され、超音波を被検体２に対して発する振動子４と、この振動子４に設けられ、該振動子４の振動を抑制するダンパ５とを備えた超音波探触子１において、探傷面２ａで反射した前記超音波Ｕの反射波Ｒを前記振動子４から遠ざけるような形状に前記くさび３を形成し、そのくさびの一部である帰還部６を、ダンパ５に接して設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検体に超音波を発して内部に傷などの欠陥があるか否かを検出するための超音波探触子に関し、詳細には、くさび内ノイズの低減技術に関する。

例えば、鋼材溶接部における内部欠陥の有無を非破壊検査する方法としては、超音波斜角探傷方法が知られている（例えば、特許文献１、２、３など参照）。この超音波斜角探傷方法は、合成樹脂からなるくさびと、このくさびの斜面に取り付けられた振動子とからなる超音波探触子を使用し、探傷面に対して傾いた角度で進行する超音波を該振動子によって投入し、その投入された超音波の内部欠陥で反射した反射波を受信することにより、被検体における内部欠陥の有無を調べる方法である。
特開平８−１８４５８６号公報（第２頁および第３頁、第１図） 特開平１０−２２７７７５号公報（第３頁および第４頁、第１図および第２図） 特開平１１−１４２３７９号公報（第３頁および第４頁、第１図〜第３図）

ところで、欠陥の位置を正確に求めるためには、振動子から発せられた超音波を被検体内に所定の探傷屈折角でもって伝播させる必要がある。しかしながら、特許文献１〜３の超音波探触子では、被検体表面における反射波がくさび内で多重反射によって残響するという構造になっているため、振動子がノイズを拾い、反射源からのエコー信号が不明瞭になるという問題がある。

また、残響の影響を取り除くために反射波の当たる面に、吸音材を貼り付けることも考えられるが、この方法では、吸音材の取り付けスペースの確保や吸音材貼り付けに伴うセンサ費用の増大といった問題が生じる。

そこで、本発明は、くさび内の残響を減らして振動子が拾うノイズを低減し、反射源からのエコー信号を明確なものとなし得る測定精度の高い超音波探触子を提供することを目的とする。

本発明の超音波探触子は、被検体の探傷面に接して設けられるくさびと、このくさびに形成された斜面に配置され、超音波を被検体に対して発する振動子と、この振動子に設けられ、該振動子の振動を抑制する振動吸収部材とを備える。そして、この超音波探触子では、探傷面で反射した超音波の反射波を前記振動子から遠ざけるような形状に前記くさびを形成し、そのくさびの一部を、振動吸収部材に接して設けた。

本発明の超音波探触子によれば、くさびの形状を、探傷面で反射した超音波の反射波を振動子から遠ざけるような形状としているので、このくさび形状によって反射波を次第に減衰させることができる。そして、くさびの一部を振動吸収部材に接して設けたので、減衰した反射波をこの振動吸収部材によって吸音させることができ、くさび内ノイズを大幅に低減させることができる。したがって、本発明によれば、反射源からのエコー信号を明確なものとすることができ、正確な内部欠陥を精度良く検出できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は第１の実施の形態の超音波探触子の正面図、図２は超音波探触子の変形例を示す正面図である。

第１の実施の形態の超音波探触子１は、図１に示すように、被検体２の探傷面２ａに接して設けられるくさび（遅延材）３と、このくさび３に設けられた振動子４と、この振動子４の振動を抑制する振動吸収部材であるダンパ５とから構成される。

くさび３は、振動子４から発せられた超音波Ｕを探傷面２ａに対して斜めに伝播させるための傾斜面３ａを有し、この傾斜面３ａに振動子４を配置させている。かかるくさび３は、探傷面２ａで反射した前記超音波Ｕの反射波Ｒを振動子４から遠ざけるような形状としている。具体的には、くさび３は、振動子４を配置させる傾斜面３ａと、探傷面２ａに設置される載置面３ｂと、探傷面２ａで反射した反射波Ｒが当たる垂直面３ｃと、この垂直面３ｃで反射した反射波Ｒが当たる水平面３ｄと、この水平面３ｄで反射した反射波Ｒを後述するダンパ５へと導く帰還部６とを有している。

つまり、くさび３の形状は、傾斜面３ａに配置された振動子４から発せられた超音波Ｕを所定の傾斜角度で被検体２の探傷面２ａに伝播させ、その探傷面２ａで反射した反射波Ｒを振動子４から遠ざけるように垂直面３ｃ及び水平面３ｄで反射させた後、振動子４の上に設けたダンパ５に帰還させるような形態とされている。例えば、くさび３は、ポリスチレン樹脂などからなり、金型成形によって前記した形態に形成される。

振動子４は、超音波Ｕを発する素子で、例えば１−３複合圧電材料である１−３コンポジットやニオブ酸鉛系磁器などからなる。この振動子４は、くさび３の傾斜面３ａに取り付けられ、被検体２の探傷面２ａに対して斜めに超音波Ｕを伝播させる。

ダンパ５は、本来、振動子４の横方向の振動を抑制させる働きをするもので、前記振動子４の上に設けられる。また、このダンパ５は、探傷面２ａで反射した反射波Ｒを前記したくさび３の形状によって振動子４から遠ざけるように反射させた反射波Ｒを帰還部６によって帰還させ、その帰還部６に接触させたダンパ５によって吸音させる、いわゆる吸音材として機能する。かかるダンパ５は、帰還部６をその側面５ａに接触させていることから従来から使用されるダンパ５よりもその高さを高くしている。かかるダンパ５としては、振動吸収性に優れることから、例えばタングステン入りエポキシ樹脂から形成される。

以上のように構成された超音波探触子１によれば、探傷面２ａで反射した超音波Ｕの残響する反射波Ｒを振動子４から遠ざけるような形状にくさび３を形成し、そのくさび３の一部（帰還部６）を、ダンパ５の側面５ａに接して設けたので、くさび３内の残響する反射波Ｒをくさび形状で逃がして減衰させ、その減衰した反射波Ｒを帰還部６にてダンパ５へと導いて吸音させることができる。したがって、くさび３内のノイズを大幅に低減させることができ、そのノイズを振動子４が拾うことが無いことから、被検体２からの音波受信を明確なものとすることができる。

なお、図２に示すように、探傷面２ａで反射した超音波Ｕの残響する反射波Ｒを振動子４から次第に遠ざけるように先端部を上方に向けて尖らせたくさび３としただけでは、残響する反射波Ｒを減衰させることはできるものの吸音効果は小さい。そこで、減衰させた反射波Ｒを帰還部６を介してダンパ５で吸収させることによって、吸音効果を増大させることが可能となる。

また、第１の実施の形態の超音波探触子１によれば、くさび３に吸音材を貼り付ける方法に比べて全体を小型化することができると共に、ダンパ５を吸音材として利用することからコストも安価なものとなる。

次に、下記仕様の超音波探触子１にてくさび内ノイズ検証実験を行った。図３（Ａ）は第１の実施の形態の超音波探触子１による伝播時間に対する超音波反射波強度の電圧変化を示す図であり、図３（Ｂ）は帰還部をダンパに接触させない従来構造の超音波探触子による伝播時間に対する超音波反射波強度の電圧変化を示す図である。

振動子４には、直径８ｍｍ（Φ８）の１−３複合圧電材料である１−３コンポジット（音響整合層付）を用いた。くさび３には、超音波入射点をセンターとし、２０ｍｍ角のポリスチレンを使用した。ダンパ５には、タングステン入りエポキシ樹脂（横振動除去コイル付）を使用した。

図３から明らかなように、従来構造ではノイズが数ヶ所（図３（Ｂ）の破線で囲む部分）に発生しているが、第１の実施の形態の超音波探触子１では、ノイズが大幅に低減されていることが判る。この実験結果から判るように、第１の実施の形態の超音波探触子１を採用すれば、くさび３内の残響するノイズを低減させることができる。

［第２の実施の形態］
図４は第２の実施の形態の超音波探触子の正面図、図５は第２の実施の形態の超音波探触子におけるくさびに複数個の穴を形成した面を示すくさびの右側面図である。

第２の実施の形態の超音波探触子１は、図４に示すように、被検体２の探傷面２ａに接して設けられるくさび３と、このくさび３に形成された斜面３ａに配置され、超音波Ｕを被検体２に対して発する振動子４と、この振動子４に設けられ、該振動子４の振動を抑制する振動吸収部材であるダンパ５とから構成される。

この第２の実施の形態では、第１の実施の形態のように探傷面２ａで反射した超音波Ｕの反射波Ｒを振動子４から遠ざけるような形状とするのではなく、従来形状と同じ外形状のくさび３を使用し、そのくさび３の任意の面（反射波Ｒが直接当たる面）に複数個の穴７を形成することにより、穴７間へ進入した音波を多重反射により減衰・拡散させる構造としたものである。第１の実施の形態と同一構成部分に関しては、説明が重複するため、その説明は省略する。

この第２の実施の形態の超音波探触子１では、振動子４を配置させる傾斜面３ａと、探傷面２ａに設置される載置面３ｂと、探傷面２ａで反射した反射波Ｒが直接当たる垂直面３ｃと、載置面３ｂと平行な上面である水平面３ｄとを備えた、いわゆる変形した台形状とされている。

前記傾斜面３ａの上には、振動子４が設けられると共に、この振動子４の上にダンパ５が載置される。ここでのダンパ５は、振動子４の横方向の振動を抑制する本来の働きをする。

探傷面２ａで反射した反射波Ｒが直接当たる垂直面３ｃには、図４及び図５に示すように、例えばドリルなどによって前記傾斜面３ａに向かって水平な複数個の穴７を形成してある。この第２の実施の形態では、載置面３ｂからその中央高さ位置までの領域には、略同じ深さの円形状をなす穴７を形成し、その中央高さ位置から上面の水平面３ｄまでの領域には、上方に行くに従って次第に穴の深さを深くした円形状の穴７を形成している。

また、この第２の実施の形態では、ほぼ同一線上に形成した３つの穴７と４つの穴７を、垂直面３ｃの高さ方向に交互に所定間隔を置いて形成している。つまり、この垂直面３ｃの下端から上端に亘って下から３つの穴７、４つの穴７、３つの穴７、４つの穴７・・・・として複数個の深さの異なる穴７が形成されている。

このように構成した超音波探触子１では、探傷面２ａで反射した超音波Ｕの残響する反射波Ｒは、各穴７間に進入し多重反射されることにより減衰されると共に散乱する。この多重反射による減衰・散乱によって効率的にくさび３内の残響する反射波Ｒを減衰させることができ、くさび内ノイズを低減させることができる。したがって、被検体２からの音波受信を明確なものとすることができる。

また、この第２の実施の形態の超音波探触子１では、くさび３に穴開け加工を施すだけの単純な構造であるので、くさび３をコンパクト且つ安価に製造することができる。

次に、下記仕様の超音波探触子１にてくさび内ノイズ検証実験を行った。図６（Ａ）は第２の実施の形態の超音波探触子１による伝播時間に対する超音波反射波強度の電圧変化を示す図であり、図６（Ｂ）は帰還部をダンパに接触させない従来構造の超音波探触子による伝播時間に対する超音波反射波強度の電圧変化を示す図である。

振動子４には、直径７．５ｍｍ（Φ７．５、Ｒ形状フォーカスなし）のニオブ酸鉛系磁器（音響整合層付）を用いた。くさび３には、超音波入射点をセンターとし、２０ｍｍ角のポリスチレンを使用した。ダンパ５には、タングステン入りエポキシ樹脂（横振動除去コイル付）を使用した。

図６から明らかなように、従来構造ではノイズが全体的（図６（Ｂ）の破線で囲む部分）に発生しているが、第２の実施の形態の超音波探触子１では、ノイズが大幅に低減されていることが判る。この実験結果から判るように、第２の実施の形態の超音波探触子１を採用すれば、吸音材をくさび３に貼り付けたのと同様の効果があり、くさび３内の残響するノイズを低減させることができる。

［その他の実施の形態］
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、くさび３の垂直面３ｃに形成した穴７の深さや間隔或いは断面形状は、前記した第２の実施の形態のものに制限されることなく種々の変更が可能である。かかる穴７の深さ、間隔又は断面形状に関しては、振動子４から射出する超音波Ｕの周波数や入射角などに応じて決めるようにすることが望ましい。

図７は、穴７の形状を四角、丸、星形にした例である。これらの断面形状の違いにより、反射波Ｒの吸収性に違いが表れ、その中で吸収・散乱にとって最適な断面形状を採用する。

図８は、穴７の間隔Ｌを表す例である。振動子４から射出された超音波Ｕの周波数が大きいときは、穴７の間隔Ｌを大きくした方が反射波Ｒが穴７の間に入り込み易く、逆に、周波数が小さいときは、穴７の間隔Ｌを小さくした方がよい。

このように、射出する周波数や入射角などに応じて最適な穴７の深さや間隔或いは断面形状を採用すれば、くさび３内に残響する影響をさらに効果的に低減させることができる。

第１の実施の形態の超音波探触子の正面図である。 超音波探触子の変形例を示す正面図である。 第１の実施の形態の超音波探触子におけるくさび内のノイズ発生状態を示すグラフで、（Ａ）は本発明構造の超音波探触子のグラフ、（Ｂ）は従来構造の超音波探触子のグラフである。 第２の実施の形態の超音波探触子の正面図である。 第２の実施の形態の超音波探触子におけるくさびに複数個の穴を形成した面を示すくさびの右側面図である。 第２の実施の形態の超音波探触子におけるくさび内のノイズ発生状態を示すグラフで、（Ａ）は本発明構造の超音波探触子のグラフ、（Ｂ）は従来構造の超音波探触子のグラフである。 穴の形状を四角、丸、星形状とした例を示す図である。 穴の間隔を示す図である。

符号の説明

１…超音波探触子
２…被検体
２ａ…探傷面
３…くさび
３ａ…傾斜面（斜面）
３ｂ…載置面
３ｃ…垂直面
３ｄ…水平面
４…振動子
５…ダンパ（振動吸収部材）
６…帰還部（くさびの一部）
７…穴

Claims (3)

1. 被検体の探傷面に接して設けられるくさびと、このくさびに形成された斜面に配置され、超音波を被検体に対して発する振動子と、この振動子に設けられ、該振動子の振動を抑制する振動吸収部材とを備えた超音波探触子において、
   前記探傷面で反射した前記超音波の反射波を前記振動子から遠ざけるような形状に前記くさびを形成し、そのくさびの一部を、前記振動吸収部材に接して設けた
   ことを特徴とする超音波探触子。
2. 被検体の探傷面に接して設けられるくさびと、このくさびに形成された斜面に配置され、超音波を被検体に対して発する振動子と、この振動子に設けられ、該振動子の振動を抑制する振動吸収部材とを備えた超音波探触子において、
   前記探傷面で反射した反射波が当たる前記くさびの任意の面に、複数個の穴を形成した
   ことを特徴とする超音波探触子。
3. 請求項２に記載の超音波探触子であって、
   前記複数個の穴は、その深さを異にする
   ことを特徴とする超音波探触子。

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