JP2008122209A - 超音波探傷装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体にある角度を持って貫通させた管の溶接部のような肉盛形状が複雑となっている部位の探傷をおこなうアダプティブＵＴ法の探傷精度を向上して信頼性のある検査結果を得ることができるようにした超音波探傷装置及び方法を提供することを課題とする。
【解決手段】複数の振動子９を配列した探触子１１を被検体７に対向させ、該被検体表面形状に基づき、各振動子９から出射した超音波が被検体７内部の所定位置に集束するようにさせて探傷を行う超音波探傷装置において、振動子９に超音波を供給する送信制御手段１５と、被検体７から反射してきた超音波を前記振動子９を介して受け取る受信制御手段１７とを備え、前記送信制御手段１５および前記受信制御手段１７を制御して被検体７の所定範囲の表面形状データを複数算出するとともに、該複数の表面形状データを比較または合成することによって被検体７の表面形状を算出する表面形状算出手段２２を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は超音波探傷方法及び装置に係り、特に、複雑な表面形状を有する被検体に存在する欠陥を検出する超音波探傷装置及び方法に関するものである。

鋼構造物の溶接部には各種の欠陥が発生する可能性がある。すなわち、機械的な応力や熱応力などがこういった鋼構造物にかかる場合、溶接部に歪みが生じて疲労亀裂が生じ、また、溶接時に欠陥が有った場合、こういった応力によってその亀裂が広がってゆく可能性がある。

こういった物体内部、又はアクセスできない物体内面の傷やき裂等の欠陥の非破壊検査試験方法としては従来から、超音波探傷法（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ：ＵＴ）が知られており、超音波探傷法は、試験結果を即時に表示をすることができ、欠陥が検知された際に即座に対処できる可能性があるなど、効率よく試験を行うことが可能であるため、溶接欠陥や疲労亀裂の検知を行う各種の非破壊検査方法では広く用いられている。

この超音波探傷法では、物体の表面に配置したプローブ（探触子）内の振動子にパルス電圧を印加して超音波を発生させ、物体の表面から被検体の内部又は被検体内面に向けて照射して、反射してきた超音波をプローブで受信して解析することで、欠陥の大きさ、種類、位置等の状態を判断する。

ただ、この超音波探傷法では、プローブ（探触子）と被検体の間に空気があると超音波が被検体に到達しないが、こういった溶接部表面には通常凹凸があるため、一般的にはカプラントとして水や油を使う水浸法によりプローブと被検体表面の間の空間を埋め、探傷することが行われている。
しかしながら、例えば鋼板に管を貫通させて溶接したような場合、その周囲に肉盛りが生じて検査部位が平面でなくなり、形状が複雑に変化していると、例え水浸法でも検査が困難という問題があった。これは、特に図１３に示したように、鋼板８０にある角度を持って管８１を貫通させたような場合、管の周囲の溶接による肉盛形状は管と鋼板が接触する位置によって例えば８２、８３のように異なるため、さらに困難となって従来では、こういった部位の超音波探傷法による検査は行われていなかった。

すなわちこういった超音波探傷法では、一列に配列した振動子やマトリクス状に配列した振動子により発生する超音波に時間差を持たせ、特定位置に収束させてその反射波を見るようにしているが、例えば図１４（Ａ）に７１で示した部位のように表面形状が一定でないと、被検体に進入した超音波の屈折方向が意図した方向と異なることになり、ビームが広がってしまったり望むところに収束しなくなる、といった問題が生じる。
そのため、図１４（Ｂ）に示すように、一列に配列したプローブ（探触子）７２から初めの送受信で表面形状の凹凸を測定して、図１４（Ｃ）に示すように、その表面形状の結果をフィードバックして、遅延時間を考慮して凹凸の影響を補正してビームを一点Ｐに収束させるようにして検査を行うアダプティブＵＴ法（アダプティブ超音波探傷法）が存在する。

また、予め検査対象の表面形状を測定して、それによって焦点を収束させて超音波探傷を行うものとして、特許文献１が知られており、この特許文献１に示された超音波探傷装置は、従来の超音波探傷では、正面に反射体があることを前提に超音波を垂直方向に送信し、特定の焦点深度の画像化を行っているため、表面が曲面形状の検査対象の場合には、焦点がばらついてしまって高精度な画像化が不可能であったため、マトリクス状の探触子を用い、往復超音波伝播時間データに基づき、検査対象の表面形状及び内部状態を画像合成して探傷するようにしたものである。

特開２００５−２４１６１１号公報

しかしながら、特許文献１に示された超音波探傷装置は、予め検査対象の表面形状を画像合成し、それによって焦点のばらつきを防いで超音波探傷を行ってはいるが、円筒等の曲面形状や表面にビードを有する溶接部を対象としており、前記したような鋼板にある角度を持って貫通させた管の溶接部のように、肉盛形状が一層複雑となっている部位の探傷について、精度よく表面形状を測定する技術については示唆されてない。

また、前記したようにアダプティブＵＴ法においては、表面形状の結果をフィードバックして、遅延時間を考慮して凹凸の影響を補正してビームを一点に収束させるようにして検査するため、表面形状の測定精度がアダプティブＵＴ法の精度向上には重要である。
さらに、カプラントとして水や油内での音速、さらに検査対象物内での音速によって、水や油と表面との間での屈折角が変わるため、音速がずれると収束位置が変わってしまう問題があるため、精度よい音速の測定がアダプティブＵＴ法の精度向上には重要である。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、被検体にある角度を持って貫通させた管の溶接部のような肉盛形状が複雑となっている部位の探傷をおこなうアダプティブＵＴ法の探傷精度を向上して信頼性のある検査結果を得ることができるようにした超音波探傷装置及び方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため本発明における超音波探傷装置は、被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷装置において、前記振動子に超音波を供給する送信制御手段と、前記被検体から反射してきた超音波を前記振動子を介して受け取る受信制御手段とを備え、前記送信制御手段および前記受信制御手段を制御して被検体の所定範囲の表面形状データを複数算出するとともに、該複数の表面形状データを比較または合成することによって被検体の表面形状を算出する表面形状算出手段を備えたことを特徴とする。

また、本発明における超音波探傷方法は、被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷方法において、前記複数の振動子のそれぞれからの発信受信する超音波のタイミングを制御して前記被検体の所定範囲の表面形状データを複数算出し、該複数の表面形状データを比較または合成することによって被検体の表面形状を算出し、該被検体表面形状に基づき前記超音波出射遅延時間を算出することを特徴とする。

このように超音波探傷装置及び方法によれば、被検体の所定範囲の表面形状を複数の表面形状データから比較または合成することによって算出するため、被検体の表面形状の測定精度が向上し、その結果として被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間の算出精度が向上し探傷精度が向上する。

そして、請求項２記載の発明は請求項１において、前記探触子がフェーズドアレイ探触子からなり、前記送信制御手段は出射タイミングを制御して被検体に対して複数の角度で出射し、前記表面形状算出手段は前記複数の角度で出射した信号によって得られた複数の表面形状データを合成することによって被検体の表面形状を算出することを特徴とする。
係る発明によれば、表面形状に対して複数の角度から探傷するため、表面が傾斜していても傾斜面に対して直角方向に近い方向から当たって強い反射信号を得ることができるようになるため、表面形状の測定精度が向上する。
また、被検体の表面に対して垂直に探傷して表面形状を算出するものに比べて、複数角度で出射するため広い範囲の表面形状を測定できるため、一箇所に取付けられて探傷する探触子に対して測定の幅が広がる。

また、請求項３記載の発明のように、前記合成は各角度の出射において最大強度を抽出した反射データを合成して前記表面形状を算出するので、表面形状を推定するときに反射強度が高いところ（表面の角度と探傷角度とが直角に近いところ）が優先され、表面形状の精度が向上する。

また、請求項４記載の発明のように、前記合成は各角度の出射において得られた複数の表面形状データのうちいずれかを基準表面形状として設定し、残りの表面形状データが前記基準表面形状のデータより高い反射強度の場合には該反射強度の高いデータに滑らかな曲線となるように移動して前記表面形状を算出することによって、表面形状データを単に合成せずに、ノイズによる極端に強い反射部分の変化を補正して滑らかな形状とすることで、正確で精度の高い表面形状データを得ることができる。

そして、請求項５記載の発明は請求項１において、前記表面形状算出手段は前記送信制御手段からの出射信号および前記受信制御手段による受信信号を開口合成処理法によって制御および処理して、複数の表面形状データから被検体の表面形状を算出することを特徴とする。
開口合成処理法とは、複数の振動子のうちの一つの振動子で超音波を送信し、他の振動子全てで受信して位相を考慮して合成することで画像化し、さらに送信を全ての振動子の位置で行ない合成することで高い計測精度を得る手法である。
従って、係る発明においてはこのような開口合成処理法を用いることによって複数の振動子の送信タイミングと、受信タイミングとをそれぞれ、送信制御手段と受信制御手段とによって制御して、精度の高い表面形状データを得ることができる。

また、請求項６記載の発明は、請求項１において、前記表面形状算出手段は出射ビームの集束位置の深さを任意に設定して探傷させ、該探傷結果得られた表面形状に新たな集束位置の深さを変更して探傷させて再度表面形状を測定し、該再度の表面形状データを前回算出された表面形状データと比較し、表面形状が変化しなくなるまで前記集束位置の深さの変更を繰り返して、変化しなくなったときの形状を被検体の表面形状として算出するように構成されてなることを特徴とする。
係る発明によれば、被検体と探触子との距離を算出したり、設置位置を特定することなく、任意の位置に設置して探傷を繰り返すことで簡単に表面形状を算出できるとともに、表面形状の測定精度が向上する。

そして、請求項７記載の発明は、被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷装置において、
被検体の温度に基づいて被検体内の音速を補正する音速補正手段を有し、該補正後の音速を用いて前記超音波出射遅延時間を算出することを特徴とする。

係る発明によれば、被検体の温度に基づいて被検体内の音速を補正するため、精度のよい音速を用いて屈折率を計算でき、その結果被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間の算出精度が向上し探傷精度が向上する。

さらに、請求項８乃至１２に係る発明は超音波探傷方法の発明であり、請求項９記載の発明は、請求項８において、前記探触子がフェーズドアレイ探触子からなり、該探触子からの出射タイミングを制御して被検体に対して複数の角度で出射するようにし、被検体の所定の範囲に対して複数の角度で出射した信号から算出された複数の表面形状データを算出して、該複数の表面形状データを合成することによって被検体の表面形状を算出することを特徴とする。

係る発明によれば、表面形状に対して複数の角度から探傷するため、表面が傾斜していても傾斜面に対して直角方向に近い方向から当たって強い反射信号を得ることができるようになるため、表面形状の測定精度が向上する。
また、被検体の表面に対して垂直に探傷して表面形状を算出するものに比べて、複数角度で出射するため広い範囲の表面形状を測定できるため、一箇所に取付けられて探傷する探触子に対して測定の幅が広がる。

また、請求項１０記載の発明は、請求項８において、前記探触子の複数の振動子からの送受信号を開口合成処理法によって処理して被検体の表面形状を算出することを特徴とし、開口合成処理法を用いることによって複数の振動子の送信タイミングと、受信タイミングとをそれぞれ、送信制御手段と受信制御手段とによって制御して、精度の高い表面形状データを得ることができる。

また、請求項１１記載の発明は、請求項８において、出射ビームの集束位置の深さを任意に設定して探傷させ、該探傷結果得られた表面形状に新たな集束位置の深さを変更して探傷させて再度表面形状を測定し、該再度の表面形状データを前回算出された表面形状データと比較し、表面形状が変化しなくなるまで前記集束位置の深さの変更を繰り返して、変化しなくなったときの形状を被検体の表面形状として算出することを特徴とする。

係る発明によれば、被検体と探触子との距離を算出したり、設置位置を特定することなく、任意の位置に設置して探傷を繰り返すことで簡単に表面形状を算出できるとともに、表面形状の測定精度が向上する。

さらに、請求項１２記載の発明は、被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷方法において、被検体の温度に基づいて被検体内の音速を補正し、該補正後の音速を用いて前記超音波出射遅延時間を算出することを特徴とする。

係る発明によれば、被検体の温度に基づいて被検体内の音速を補正するため、精度のよい音速を用いて屈折率を計算でき、その結果被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間の算出精度が向上し探傷精度が向上する。

以上記載のごとく本発明になる超音波探傷装置及び方法によれば、被検体にある角度を持って貫通させた管の溶接部のような肉盛形状が複雑となっている部位の探傷をおこなうアダプティブＵＴ法の探傷精度を向上して信頼性のある検査結果を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明の探触子の設置状態を示す概略説明図であり、（Ａ）は鋼板に垂直に管が貫通した状態を示し、（Ｂ）は鋼板に斜めに管が貫通した状態の断面図を示す。図２は第１の実施形態における制御装置のブロック図、図３は第１の実施形態の超音波ビーム状態を示す説明図、図４は第１の実施形態の合成の方法を示すフロー図、図５は第２の実施形態の超音波ビーム状態を示す説明図、図６は第２の実施形態の合成の方法を示すフロー図、図７は第３の実施形態の超音波ビーム状態を示す説明図、図８は第３の実施形態の表面形状算出を示すフロー図、図９は第４の実施形態の超音波ビーム状態を示す説明図、図１０は第４の実施形態の表面形状算出を示すフロー図、図１１は第５の実施形態を示す全体制御ブロック図、図１２は第５の実施形態における音速測定手段を示す説明図である。
（第１実施形態）

本発明の第１の実施形態の超音波探傷装置及び方法は、図１（Ａ）に示すように、鋼板３に管５を貫通させてその貫通位置を溶接し、その溶接部位７を被検体として探傷を行う。特に図１（Ｂ）に示すように鋼板３に対して管５が傾斜して貫通する場合にはその溶接部位７は複雑な溶接形状となる。探傷は、被検体７に超音波を出射する複数の振動子９を一列に配列したアレイ型の探触子１１によって行う。

探触子１１は溶接部位７に対向して一定距離を置いて取付けられ、探触子１１と溶接部位７との間にはカプラントとしての水が介在されており、水浸法によるアダプティブＵＴ法（アダプティブ超音波探傷法）によって探傷する。
すなわち、被検体７に超音波を出射する複数の振動子９を配列した探触子１１を被検体７にカプラントの水を介して対向させ、被検体７の表面形状をもとに、前記各振動子９から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子９の超音波出射遅延時間を算出して、該算出された出射遅延時間によって出射された超音波によって探傷を実施する。

表面形状情報の算出については、後に詳述するが、概略は探触子１から発して被検体７の表面から反射してきた超音波により、探触子１から被検体７の表面までの距離を算出して表面形状を測定する。被検体７の内部の所定位置に超音波ビームが集束するように個々の振動子９に対する遅延時間を算出する上で、その表面形状情報を正確に測定することが重要である。

図２に示すブロック図を参照して超音波探傷装置の制御装置１０について説明する。
制御装置１０は、探触子１１の振動子９に超音波を供給する送信制御手段１５と、被検体７から反射してきた超音波を振動子９を介して受け取る受信制御手段１７と、送信制御手段１５によって各々の振動子９からの出射タイミングを制御するとともに受信制御手段１７によって受信タイミングを制御して被検体７の所定範囲の表面形状データを複数算出する形状データ算出手段１９と、該複数の表面形状データを比較または合成することによって被検体７の表面形状を算出する形状算出部２１とを備えている。そしてこの形状データ算出手段１９と形状算出部２１とによって表面形状算出手段２２を構成している。
また、各振動子９から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子９の超音波出射の遅延時間を算出する遅延計算手段２０を有している。

さらに、制御装置１０は、形状算出部２１によって算出された被検体７の表面形状データを記憶する形状メモリ２３、振動子９を介して受け取った受信信号を波形を記憶する波形メモリ２５、波形メモリ２５に記憶された波形から被検体７の内部の探傷結果をモニタ２７やデータ記録装置２９に表示させるためのデータ表示計算手段３１を備えている。

第１の実施の形態では、複数の振動子９からなる探触子１１がフェーズドアレイ方式の探触子であり、各振動子９から発信される超音波ビームに、発信遅延時間を設定することによって、探触子１１から出射されるビーム角度を垂直以外の任意の角度に設定できる。

表面形状算出手段２２は送信制御手段１５と受信制御手段１７との作動を制御することによって、図３（Ａ）に示す探傷角度Ｘ１（例えば１０度探傷）による表面計測と、（Ｂ）に示す垂直による表面計測と、（Ｃ）に示す探傷角度Ｘ２（例えば−１０度探傷）による表面計測とを行うように複数角度に超音波ビームを出射する。そして、反射データは受信制御手段１７によって受信して、波形メモリ２５に記憶される。

波形メモリ２５に記憶された反射データから、形状データ算出手段１９によって被検体７の所定範囲の表面形状データが出射角度に応じて複数算出される。そして、それら表面形状データが形状算出部２１で合成される。合成することによって図３（Ｄ）に示す範囲の形状が測定されることになる。また、それぞれの角度での表面形状データが合成されてその結果、図３（Ｅ）のような合成後の表面形状データが算出される。

図４に形状算出部２１における合成の制御フロー図を示す。図４に示すように、まずステップＳ１で各角度の探傷結果内でビームの最大強度を抽出する。すなわち出射角度に対して直角に近い向きに傾斜している位置を把握するのに利用でき、さらに、重ね合わせる範囲を指定する際の参考とできる。すなわち、各探傷結果の最大強度が含まれている範囲を重ねることによって、より精度の高い表面形状を測定することができるからである。

そして、次にステップＳ３で重ね合わせる範囲を指定する。そしてステップＳ５でその重ね合わせる範囲内において重ね合わせる位置を指定する。そしてステップＳ７でその指定した位置に存在する反射データの個数はいくつかを判定する。
０（ゼロ）個の場合にはステップＳ９に進みその位置の値はなしとし、１個の場合にはステップＳ１１に進みその位置の値はそのビームの反射データを用い、さらに２個以上の場合にはステップＳ１３に進み各角度の探傷結果間で最大強度の反射データの値を採用する。そして次のステップＳ１５で指定された範囲の重ね合せ位置を全て見たかを判定して、見ていなければステップＳ５に戻って残りの位置を指定してステップＳ７からＳ１５を繰り返し、全ての位置を見た場合に終了する。

以上のように、第１の実施形態によれば、被検体の所定範囲の表面形状を複数の表面形状データを合成して算出するため、被検体の表面形状の測定精度が向上し、その結果として被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間の算出精度が向上し探傷精度が向上する。

すなわち、表面形状に対して複数の角度から探傷して表面形状を算出するので、表面が傾斜していても傾斜面に対して直角方向に近い方向から当たった超音波ビームに対して強い反射信号を得ることができるようになるため、表面形状の測定精度が向上する。
また、被検体の表面に対して垂直だけの一方向に探傷して表面形状を算出するものに比べて、複数角度で出射するため一度に広い範囲の表面形状を測定できるため、測定の幅が広がる。

さらに、各探傷結果の合成が、各角度の出射において最大強度を抽出したビームの反射データを用いて合成して表面形状を算出するので、表面形状を推定するときに反射強度が高いところ（表面の角度と探傷角度とが直角に近いところ）が優先されるため、表面形状の精度が向上する。
その結果として被検体７内部の所定位置に集束するように個々の振動子９の超音波出射遅延時間の算出精度が向上し探傷精度が向上する。

（第２の実施形態）
次に、第１の実施形態において説明した合成方法について、異なる方法の第２の実施形態について、図５、６を参照して説明する。
表面形状算出手段２２が送信制御手段１５と受信制御手段１７との作動を制御することによって、図５（Ａ）に示すように探傷角度Ｘ１（例えば１０度探傷）による表面計測と、（Ｂ）に示す垂直による表面計測と、（Ｃ）に示す探傷角度Ｘ２（例えば−１０度探傷）による表面計測を行うように複数角度に超音波ビームを出射する。そして、反射データは受信制御手段１７によって受信して、波形メモリ２５に記憶される。この構成は第１の実施形態と同様である。

そして、図６の制御フロー図に示すように、まずステップＳ２１で代表的な探傷角度で表面形状を測定する。例えば、図５（Ｂ）の垂直による表面計測結果を基準表面形状として設定する。次のステップＳ２３で表面が滑らかな曲線になるように表面を調整して補正する。すなわちノイズ等による極端な信号は補正して滑らかな曲線とする。
次に、ステップＳ２５において、残りの探傷角度による表面形状データが前記基準表面形状のデータより高い反射強度の場合には該反射強度の高いデータに滑らかな曲線となるように移動して図５（Ｂ'）の表面形状データを算出する。次にステップＳ２７で収束を判定して収束していなければステップＳ２３に戻って、ステップＳ２３、Ｓ２５を収束するまで繰り返す。

このステップＳ２７の収束は、ステップＳ２３、Ｓ２５を行って表面形状データの変化が小さいか否かを判定するものである。
そしてステップＳ２７の判定結果が収束したと判定された場合には、その結果を図５（Ｄ）の表面形状データとして出力する。なお、基準表面形状を図５（Ａ）と設定した場合には、前記同様にステップＳ２３、Ｓ２５を行って図５（Ａ'）の表面形状を算出し、基準表面形状を図５（Ｃ）と設定した場合には、ステップＳ２３、Ｓ２５を行って図５（Ｃ'）の表面形状を算出する。

このように、第２の実施形態によれば、各探傷角度の表面形状データの合成を、いずれかの探傷角度の測定結果を基準表面形状として設定し、残りの表面形状データが前記基準表面形状のデータより高い反射強度の場合には該反射強度の高いデータに滑らかな曲線となるように移動して表面形状を算出するため、表面形状データを単に合成せずに、ノイズによる極端に強い反射部分の変化を補正しかつ滑らかな形状としながら合成することで、正確で精度の高い表面形状データを得ることができる。

さらに、各探傷角度の表面形状データのそれぞれを基準表面形状として、他の表面形状データによって補正および移動を繰り返して表面形状データを算出して、各表面形状データが収束したかどうかを判定することによって、複数の出射角度によって得られた複数の表面形状データをそれぞれ反映した、精度の高い表面形状を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、前記第１の実施形態において説明した複数の振動子９をフェーズドアレイ方式で制御、処理したのに替えて、表面形状算出手段２２が開口合成処理法によって出射、受信信号を制御、処理して表面形状を算出する第３の実施形態について図７、８を参照して説明する。
開口合成処理法とは、複数の振動子９のうちの一つの振動子９で超音波ビームを送信し、他の振動子９の全てで受信して位相を考慮して合成することで画像化し、さらに送信を全ての振動子９の位置で行ない合成することで高い計測精度を得る手法である。

図７に開口合成処理法を用いたときの超音波ビームの出射、反射の概略を示し、図８に制御フロー図を示す。図８に示すように、まずステップＳ３１で、１つの振動子を選択して、超音波を送信する。送信ビームは図７に示すように振動子９から広がって出射する。そして次のステップＳ３３で、反射ビームを他のすべて受信振動子で超音波を受信し、データを取得する。そしてステップＳ３５で、全ての振動子で超音波送信したかを判定し、していなければステップＳ３１に戻って超音波の送信を行い、全ての振動子で超音波を送信するまで繰り返す。すなわち、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で示すように送信振動子を移動して全ての振動子で送信するまで繰り返す。なお、送信振動子、受信振動子の送受信制御は、送信制御手段１５および受信制御手段１７によって行われる。

そして、全ての振動子で超音波を送信した場合には、つぎにステップＳ３７で画像化する範囲を指定し、ステップＳ３９でその範囲内の画像化する点を指定する。そして次のステップＳ４１で１つの送信振動子を選択し、画像化点までの距離を計算し、ステップＳ４３で１つの受信振動子を選択し、画像化点までの距離を計算する。そしてステップＳ４５で２つの距離と音速から伝搬時間を計算し、データを足し合わせていく。すなわち、他の受信振動子によって取得したデータを足し合わせていく。

そしてステップＳ４７で全ての受信振動子を選択して足し合わせたかを判定し、選択していなければステップＳ４３に戻って繰り返す。
ステップＳ４７で全ての受信振動子を選択していれば、ステップＳ４９に進んで全ての送信振動子を選択したかを判定し、選択していなければステップＳ４１に戻って繰り返す。
ステップＳ４９で全ての送信振動子を選択していれば、ステップＳ５１に進んで全ての位置で画像化したかを判定し、していなければステップＳ３９に戻って繰り返し、ステップＳ５１で全ての位置で画像化していれば、終了してその画像データを表面形状データとして採用する。

以上のように第３の実施形態によれば、開口合成処理法によって、複数の振動子の送信タイミングと受信タイミングとをそれぞれ制御して、複数の画像を取得してデータを足し合わせて精度の高い表面形状データを算出することができる。

（第４の実施形態）
次に、表面形状算出手段２２によって表面形状を算出する第４の実施形態について図９、１０を参照して説明する。
図９に超音波ビームの出射、反射の概略を示す。複数の振動子９をフェーズドアレイ方式で制御して、複数の垂直ビームを形成する。

図１０に制御フロー図を示す。図１０に示すように、まずステップＳ６１で、複数の垂直ビームの集束位置を表面から任意の深さの位置として超音波を送信する。すなわち図９（Ａ）に示すように送信ビームを振動子９から出射する。
そして次のステップＳ６３で、図９（Ｂ）に示すように探傷結果として得られる表面形状を測定する。
次に、ステップＳ６５で、図９（Ｃ）に示すように、前回のステップＳ６３によって得られた表面位置に集束位置を変更し、ステップＳ６７でその変更後の集束位置で探傷する。
そしてステップＳ６９で、図９（Ｄ）に示すように、探傷結果として得られる表面形状を測定する。
次に、ステップＳ７１で、前回探傷時の表面形状データと今回探傷時の表面形状データとを比較して収束して一致していると判定したときには終了してその表面形状データを採用する。
一致せずに収束していないと判定したときには、ステップＳ６５に戻って、集束位置を前回測定の表面位置に基づいて変更して再度探傷を行って、表面形状データが収束して一致するまで繰り返す。

以上のように第４の実施形態によれば、被検体７と振動子９との距離を算出したり、設置位置を特定することなく、任意の位置に設置して探傷を繰り返すことで簡単に表面形状を算出できるとともに、表面形状の測定精度が向上する。
なお、本第４の実施形態については前記第１の実施形態と組み合わせることによって一層精度の高い表面形状を算出できる。すなわち、第４の実施形態については垂直ビームについて説明したが、複数角度からのビームによって構成することによって一層精度の高い表面形状を算出できる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の表面形状の精度向上のための第５の実施形態について、図１１、１２を参照して説明する。
被検体７内部の決められた位置に超音波ビームを集束させるためには、探触子１１を構成する振動子９を作動させる遅延時間を精度よく算出する必要があるが、この計算はカプラントとしての水の中での音速、被検体やの中での音速、被検体の表面境界位置への超音波の入射角度、屈折角度を基に、スネルの法則を用いて算出される。

第５の実施の形態は、図１１に示すように、被検体７の溶接部位の溶金部の金属温度を検出するは、被検体温度検出手段５２と、その検出温度に基づいて溶金部内の音速を補正する音速補正手段５４を備え、さらに水内での音速を実際に測定する音速測定手段５６を備え、音速補正手段５４からの溶金部内の音速値と水内での音速値とを遅延計算手段２０に入力している。

音速測定手段５６は、具体的には図１２に示すように、平板５８を振動子９から距離が分かっている位置に取付けて、水中での伝搬時間から音速を測定する。

以上のように、第５の実施の形態によれば、温度によって音速が変わりやすい金属内の音速を温度に基づいて音速補正手段５４によって補正するため、さらに、カプラントとして使用する水中での音速を音速測定手段５６によって計測してその結果を用いるため、精度のよい音速を用いて屈折率を計算でき、被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間の算出精度が向上し、アダプティブＵＴ法による探傷精度が向上する。

本発明によれば、被検体にある角度を持って貫通させた管の溶接部のような肉盛形状が複雑となっている部位の探傷をおこなうアダプティブＵＴ法の探傷精度を向上して信頼性のある検査結果を得ることができるので、原子炉容器と管台との溶接部のような複雑な形状に対する超音波探傷装置または探傷方法への適用に際して有益である。

本発明の探触子の設置状態を示す概略説明図であり、（Ａ）は鋼板に垂直に管が貫通した状態を示し、（Ｂ）は鋼板に斜めに管が貫通した状態の断面図である。 第１の実施形態における制御装置のブロック図である。 第１の実施形態の超音波ビームの状態を示す説明図である。 第１の実施形態の合成の方法を示すフロー図である。 第２の実施形態の超音波ビームの状態を示す説明図である。 第２の実施形態の合成の方法を示すフロー図である。 第３の実施形態の超音波ビームの状態を示す説明図である。 第３の実施形態の表面形状算出を示すフロー図である。 第４の実施形態の超音波ビームの状態を示す説明図である。 第４の実施形態の表面形状算出のフロー図である。 第５の実施形態を示す全体制御ブロック図である。 第５の実施形態における音速測定手段を示す説明図である。 鋼板にある角度を持って管を貫通させた場合の管の周囲を示す説明図である。 （Ａ）被検体に進入した超音波の屈折方向が意図した方向と異なることを示す説明図、（Ｂ）、（Ｃ）はアダプティブＵＴ法（アダプティブ超音波探傷法）の説明図である。

符号の説明

７ 溶接部位（被検体）
９ 振動子
１０ 制御装置
１１ 探触子
１５ 送信制御手段
１７ 受信制御手段
１９ 形状データ算出手段
２０ 遅延計算手段
２１ 形状算出部
２２ 表面形状算出手段
２３ 形状メモリ
２５ 波形メモリ
５２ 被検体温度検出手段
５４ 音速補正手段
５６ 音速測定手段

Claims (12)

1. 被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷装置において、
   前記振動子に超音波を供給する送信制御手段と、前記被検体から反射してきた超音波を前記振動子を介して受け取る受信制御手段とを備え、前記送信制御手段および前記受信制御手段を制御して被検体の所定範囲の表面形状データを複数算出するとともに、該複数の表面形状データを比較または合成することによって被検体の表面形状を算出する表面形状算出手段を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記探触子がフェーズドアレイ探触子からなり、前記送信制御手段は出射タイミングを制御して被検体に対して複数の角度で出射し、前記表面形状算出手段は前記複数の角度で出射した信号によって得られた複数の表面形状データを合成することによって被検体の表面形状を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
3. 前記合成は各角度の出射において最大強度を抽出した範囲を合成して前記表面形状が算出されることを特徴とする請求項２記載の超音波探傷装置。
4. 前記合成は各角度の出射において得られた複数の表面形状データのうちいずれかを基準表面形状として設定し、残りの表面形状データが前記基準表面形状のデータより高い反射強度の場合には該反射強度の高いデータに滑らかな曲線となるように移動して前記表面形状が算出されることを特徴とする請求項２記載の超音波探傷装置。
5. 前記表面形状算出手段は前記送信制御手段からの出射信号および前記受信制御手段による受信信号を開口合成処理法によって制御および処理して、複数の表面形状データから被検体の表面形状を算出することを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
6. 前記表面形状算出手段は出射ビームの集束位置の深さを任意に設定して探傷させ、該探傷結果得られた表面形状に新たな集束位置の深さを変更して探傷させて再度表面形状を測定し、該再度の表面形状データを前回算出された表面形状データと比較し、表面形状が変化しなくなるまで前記集束位置の深さの変更を繰り返して、変化しなくなったときの形状を被検体の表面形状として算出するように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
7. 被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷装置において、
   被検体の温度に基づいて被検体内の音速を補正する音速補正手段を有し、該補正後の音速を用いて前記超音波出射遅延時間を算出することを特徴とする超音波探傷装置。
8. 被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷方法において、
   前記複数の振動子のそれぞれからの発信受信する超音波のタイミングを制御して前記被検体の所定範囲の表面形状データを複数算出し、該複数の表面形状データを比較または合成することによって被検体の表面形状を算出し、該被検体表面形状に基づき前記超音波出射遅延時間を算出することを特徴とする超音波探傷方法。
9. 前記探触子がフェーズドアレイ探触子からなり、該探触子からの出射タイミングを制御して被検体に対して複数の角度で出射するようにし、被検体の所定の範囲に対して複数の角度で出射した信号から算出された複数の表面形状データを算出して、該複数の表面形状データを合成することによって被検体の表面形状を算出することを特徴とする請求項８記載の超音波探傷方法。
10. 前記探触子の複数の振動子からの送受信号を開口合成処理法によって処理して被検体の表面形状を算出することを特徴とする請求項８記載の超音波探傷方法。
11. 出射ビームの集束位置の深さを任意に設定して探傷させ、該探傷結果得られた表面形状に新たな集束位置の深さを変更して探傷させて再度表面形状を測定し、該再度の表面形状データを前回算出された表面形状データと比較し、表面形状が変化しなくなるまで前記集束位置の深さの変更を繰り返して、変化しなくなったときの形状を被検体の表面形状として算出することを特徴とする請求項８記載の超音波探傷方法。
12. 被検体に超音波を出射する複数の振動子を配列した探触子を被検体に対向させ、該被検体表面形状に基づき、前記各振動子から出射した超音波が被検体内部の所定位置に集束するように個々の振動子の超音波出射遅延時間を算出し、前記被検体内部の所定位置に超音波を集束させて探傷を行う超音波探傷方法において、
    被検体の温度に基づいて被検体内の音速を補正し、該補正後の音速を用いて前記超音波出射遅延時間を算出することを特徴とする超音波探傷方法。
    

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