JP2006138818A - 超音波試験方法及びこれに用いる超音波試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 非接触反射法でより明確に欠陥部を検出することの可能な超音波試験方法及びこれに用いる超音波試験装置を提供すること。
【解決手段】 試験体の一側に設けた送信子２０（２１）から超音波を送信すると共に同側の受信子３０（３１）で反射波を受信する。送信子及び受信子と試験体１００との間の気層を介して超音波を送受信する。反射経路ＲＢにおける反射波の伝播時間ｔｂよりも送信子及び受信子間の気中経路ＲＡの気中伝播時間ｔａが長くなるように送信子２０、受信子３０及び試験体１００の相対位置を設定する。さらに、送信子及び受信子間の固体を介した超音波の伝播を遮断する。本発明は、例えばＣＦＲＰ１０１とインシュレーション１０２との貼り合わせのような積層材料１００を非接触で試験するのに適している。
【選択図】 図４

Description

本発明は、種々の材料の反射法による剥離検査に好適に実施することの可能な超音波試験方法及びこれに用いる超音波試験装置に関する。さらに詳しくは、試験体の一側に設けた探触子から超音波を送信すると共に反射波を探触子で受信する超音波試験方法及びこれに用いる超音波試験装置に関する。

反射法により超音波試験を行うには、接触媒質を通して試験体の試験対象部からの反射波を受信する。通常はこの試験対象部からの反射波は表面反射波と時間的に分離することが可能である。

一方、例えばＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）とインシュレーションとを接合した積層材料の剥離を超音波試験方法より検査する場合に、接触媒質を介さない非接触検査の望まれることがある。このような場合において、例えば図１０に示すように、探触子２００から発せられた超音波のうち、積層したＣＦＲＰ１０１及びインシュレーション１０２との界面に生じる剥離欠陥からの反射波Ｂは、気中の伝播速度が遅いことから、試験体１００（ＣＦＲＰ１０１）の表面で反射する表面反射波Ｓとは図１１に示すように互いに重なって、両者を識別することが困難であった。

一方、非特許文献１に示す如き板波を利用した非接触試験方法では、積層材料の試験対象部１０３までの厚みがあれば、欠陥１０３を検出することが困難であった。
著者松原重行他 非破壊検査協会 平成１３年度終期大会講演概要集 エア・カップリングによるＣＦＲＰ材料の超音波探傷 ｐ２１３−２１４

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、非接触反射法でより明確に欠陥部を検出することの可能な超音波試験方法及びこれに用いる超音波試験装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る超音波試験方法の特徴は、試験体の一側に設けた探触子から超音波を送信すると共に反射波を探触子で受信する方法であって、前記探触子が送信子と受信子とを備え、送信子及び受信子と試験体との間の気層を介して超音波を送受信し、前記反射波の伝播時間よりも前記送信子及び受信子間の気中伝播時間が長くなるように送信子、受信子及び試験体の相対位置を設定したことにある。

板波法による場合は試験体全体を振動させるので、送信子と受信子とを離隔させるのが通常である。一方、反射法による場合は、送信子と受信子とを近接させるのが通常で、形状的に超音波を送信できない場合に特別に送信子と受信子を離隔させる。板波の場合は試験体中における超音波の伝達について超音波の入出射部間の距離が問題である。したがって、超音波の伝播経路の幾何学的関係は板波法と本方法とは異質のものであり、その異なる幾何学的関係と、気中超音波の伝播経路との双方を考慮して、初めて本発明の発想に至ることができた。

図４に振動子２１から３１に至る気中経路ＲＡと反射経路ＲＢとを示す。反射経路ＲＢは、２つの気中短経路Ｒｂ１，Ｒｂ４と、ＣＦＲＰ１０１及びインシュレーション１０２での境界面における試験対象部分に対する入射波及び反射波の材料中反射経路Ｒｂ２，Ｒｂ３との合計である。気中、試験体中の音速を考慮すれば、ＲＢの伝播時間ｔｂとＲＡの伝播時間ｔａとの間にｔｂ＜ｔａとなる関係を持たせることが可能であり、欠陥部の反射波を気中伝播波と分離することが可能となる。

また、送信子及び受信子は比較的近接するので、送信子及び受信子間の固体を介した超音波の伝播を意図的に遮断することで、気中超音波による時間差を確保するとよい。固体を介した超音波の伝播を遮断するには、例えば、送信子及び受信子のケースを独立させることで実現できることが確認された。
前記送信子及び受信子の対向部に遮蔽体を設けることで、気中伝播経路の距離を実質的に延長し、送信子及び受信子をより近接させることが可能となる。
様々な深度の検査対象部に対応させるためには、送信子及び受信子をそれぞれフレームに揺動可能に支持するとよい。
本発明は、ＣＦＲＰとインシュレーションとの貼り合わせのような積層材料を試験する場合に好適に実施できる。

一方、上記特徴に記載の超音波試験方法に用いる超音波試験装置の特徴は、送信子と受信子とを備え、送信子及び受信子と試験体との間の気中を介して超音波を送受信し、前記反射波の伝播時間よりも前記送信子及び受信子間の気中伝播時間が長くなるように送信子、受信子及び試験体の相対位置を設定したことにある。

このように、上記本発明に係る超音波試験方法及びこれに用いる超音波試験装置の特徴によれば、非接触反射法でより明確に欠陥部を検出することが可能となった。本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図３は本発明に係る超音波試験装置１を示し、この超音波試験装置１はパーソナルコンピューター（ＰＣ）２により制御されるバースト波発生装置５を用いてスキャンヘッド１０の送信子２０から超音波を送信し、受信子３０を介して受信された超音波をプリアンプ６，フィルタ４、Ａ／Ｄ３を介してＰＣ２に受信し、処理を行う。また、ＰＣ２はドライバ７を介してスキャナ８を駆動させ、スキャンヘッド１０により試験体１００の表面を二次元的にスキャニングする。

スキャンヘッド１０は図１，２に示すように、送信子２０，受信子３０を備えている。送信子２０，受信子３０はそれぞれ、超音波を送受信する振動子２１，３１とこの超音波を空気中に伝播させるための音響整合層２１ａ，３１ａを備えている。振動子２１，３１はそれぞれ別体のケース２２，３２に覆われ、これらの両側面に固定部材１３、１３により固定された軸１４，１４をベアリング１８，１８を介してフレーム１１に枢支してある。送信子２０，受信子３０の上端はスプリング１５，１５を介してフレーム１１に支持され、これら上端同士が互いに離反するように付勢されている。そして、調整ねじ１６、１６で押圧することにより送信子２０，受信子３０の傾斜姿勢を調整する。これら送信子２０，受信子３０の傾斜姿勢を固定するには、各送信子２０，受信子３０の側に位置する固定ねじ１９を締め付ければよい。送信子２０，受信子３０はフレーム１１と、ベアリング１８、調整ねじ１６又は固定ねじ１９とを介して繋がっている。しかし、送信子２０，受信子３０のケース２２，３２をそれぞれ別体にすることで、両者を実質的に独立させ、固体を介した送信子２０及び受信子３０間の超音波の伝導を実質的に遮断してある。

本発明の試験体１００としては、例えば、ＣＦＲＰ１０１とシリコンゴム等の弾性体よりなるインシュレーション１０２とを貼り合わせた宇宙用の複合材料が対象となる。これらＣＦＲＰ１０１とインシュレーション１０２との界面が欠陥部１０３を生じる検査対象部となる。

図４に送信子２０の振動子２１から受信子３０の振動子３１に至る気中経路ＲＡと反射経路ＲＢとを示す。ＲＡは振動子２１から発せられた超音波が空気中を通って３１に至る距離を意味する。一方、反射経路ＲＢは、２つの気中短経路Ｒｂ１，Ｒｂ４と、ＣＦＲＰ１０１及びインシュレーション１０２での境界面における試験対象部分に対する入射波及び反射波の材料中反射経路Ｒｂ２，Ｒｂ３との合計である。

ここで、一例を挙げると、ＣＦＲＰ１０１の板厚をＴ＝１５ｍｍ、振動子２１，３１間の水平距離をＷ＝１６ｍｍ、振動子２１，３１とＣＦＲＰ１０１との距離をｄ＝５ｍｍとする。Ｒｂ１，Ｒｂ４はｄにほぼ等しく、Ｒｂ２，Ｒｂ３はそれぞれＴ×２０．５／とする。また、気中の超音波伝播速度ｖ１＝３４０ｍ／ｓ、ＣＦＲＰ１０１中の超音波伝播速度ｖ２＝２７８０ｍ／ｓである。よって、気中経路ＲＡの伝播時間ｔａは
ｔａ＝１６（ｍｍ）／０．３４０（ｍｍ／μｓ）＝４７．１μｓ
一方、反射経路ＲＢの伝播時間ｔｂは
ｔｂ＝５（ｍｍ）×２／０．３４０（ｍｍ／μｓ）
＋１５（ｍｍ）×２０．５×２／２．７８（ｍｍ／μｓ）＝４４．７μｓ

なお、ＣＦＲＰ中の超音波は板厚方向に対し斜め４５度に傾斜して進行するものと仮定して、Ｒｂ２，Ｒｂ３をそれぞれ１５（ｍｍ）×２０．５と算定した。したがって、ｔｂ＜ｔａとなり、底面反射波を気中伝播波と時間的に分離することが可能となる。本発明によれば、超音波を比較的深い深度まで到達させながら、ＲＡとＲＢとのｔａ，ｔｂを巧みに調整して、両波形を分離することに成功した。なお、遮蔽体１７は送信子、受信子２０，受信子３０の幅程度のアルミニウム片であり、超音波を迂回させて上記気中経路ＲＡを実質的に延長させる。また、図４の１７’の如き遮蔽体を介在させて、さらに気中経路ＲＡを実質的に延長させてもよい。板厚１５ｍｍのＣＦＲＰ１０１を用いた場合を例示したが、本発明は当該板厚に限定されるものではない。また、時間差の関係から、本実施形態ではＣＦＲＰ１０１内の欠陥も当然に検知することが可能である。

ここで、図５に示すφ３−２０ｍｍの模擬剥離を形成した試験体を用いた試験の実施例について説明する。模擬剥離は、試験体１００のＣＦＲＰ１０１とインシュレーション１０２との間にフッ素樹脂のシートを介在させて形成してある。送信子・受信子２０，３０としては、振動子２１，３１寸法１４×２０ｍｍの公称周波数４００ｋＨｚのものを用いた。図６に示す受信波形の例において、（ａ）は健全部、（ｂ）は剥離部への検査結果である。（ｂ）の剥離部では送信ノイズの後に剥離反射波が表れ、その後空気中伝播波が分離されて表れている。図７は板厚１５ｍｍのＣＦＲＰを用いた試験体に対する本発明の方法による探傷試験結果を示すＣスコープ画像であり、模擬剥離が明瞭に検出されている。

一方、図８、９は従来型の板波透過型非接触試験方法による探傷試験結果を示すＣスコープ画像であり、図８は板厚３ｍｍ、図９は板厚１５ｍｍのＣＦＲＰをそれぞれ用いた試験体に対する試験結果である。従来型板波透過法では厚い試験体の模擬剥離の検出性能が不十分であり、本発明による検出性能の優位性が確認された。

なお、本発明の試験装置及び試験体の構成、材質及び各数値は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨に合致する限り種々の改変が可能である。

本発明は、例えば宇宙材料や航空機材料に用いられる積層材料等の非接触超音波試験方法及びこれに用いる超音波試験装置として利用することができる。例えばＧＦＲＰ（ガラス繊維強化，ＫＦＲＰ（ケブラー（登録商標）繊維強化樹脂），ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）などのＦＲＰ自体の欠陥や、これらＦＲＰとゴムやハニカム層等との接合された複合材料の複合面等の検査にも用いることができる。

本発明に係る超音波試験装置のスキャンヘッド縦断面図である。 送信子を直立させた状態での図１のＡ−Ａ断面相当図であり、カッコ内に受信子の対応部分の符号を表示する。 本発明に係る超音波試験装置のブロック図である。 超音波伝播経路の説明図である。 φ３−２０ｍｍの模擬剥離を形成した試験体の平面図である。 本発明の試験方法による受信波形を示すグラフであり、（ａ）は健全部、（ｂ）は剥離部への検査結果である。 板厚１５ｍｍのＣＦＲＰを用いた試験体に対する本発明の方法による探傷試験結果を示すＣスコープ画像である。 板厚３ｍｍのＣＦＲＰを用いた試験体に対する板波透過型非接触試験方法による探傷試験結果を示すＣスコープ画像である。 板厚１５ｍｍのＣＦＲＰを用いた試験体に対する板波透過型非接触試験方法による探傷試験結果を示すＣスコープ画像である。 従来型反射法の探触子周辺部を示す図である。 従来型反射法による受信波形のグラフであり、（ａ）は健全部、（ｂ）は剥離部に相当する。

符号の説明

１：超音波試験装置、２：ＰＣ、３：Ａ／Ｄ、４：フィルタ、５：バースト波送信機、６：プリアンプ、７：ドライバ、８：スキャナ、１０：スキャンヘッド、１１：フレーム、１３：支持体、１４：軸、１５：スプリング、１６：調整ねじ、１７：遮蔽体、１８：ベアリング、１９：固定ねじ、２０：送信子、２１：振動子、２１ａ：音響整合層、２２：ケース、３０：受信子、３１：振動子、３１ａ：音響整合層、３２：ケース、１００：試験体、１０１：ＣＦＲＰ、１０２：インシュレーション、１０３：剥離部（欠陥）

Claims (7)

1. 試験体の一側に設けた探触子から超音波を送信すると共に反射波を探触子で受信する超音波試験方法であって、
   前記探触子が送信子と受信子とを備え、送信子及び受信子と試験体との間の気層を介して超音波を送受信し、前記反射波の伝播時間よりも前記送信子及び受信子間の気中伝播時間が長くなるように送信子、受信子及び試験体の相対位置を設定したことを特徴とする超音波試験方法。
2. 送信子及び受信子間の固体を介した超音波の伝播を遮断したことを特徴とする請求項１記載の超音波試験方法。
3. 前記送信子及び受信子のケースを独立させたことを特徴とする請求項１又は２記載の超音波試験方法。
4. 前記送信子及び受信子の対向部に遮蔽体を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波試験方法。
5. 前記送信子及び受信子をそれぞれフレームに揺動可能に支持したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波試験方法。
6. 前記試験体が積層材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波試験方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の超音波試験方法に用いる超音波試験装置であって、送信子と受信子とを備え、送信子及び受信子と試験体との間の気中を介して超音波を送受信し、前記反射波の伝播時間よりも前記送信子及び受信子間の気中伝播時間が長くなるように送信子、受信子及び試験体の相対位置を設定したことを特徴とする超音波試験装置。