JP2008128965A - 空中超音波探傷システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い超音波探傷精度を有する空中超音波探傷システムを実現する。
【解決手段】連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号（ａ）を被検体（１１）に空気（４６）を介して対向配設された送信超音波探触子（１２）に印加する。被検体に空気を介して対向配設され受信超音波探触子（１３）で被検体を伝搬した超音波を透過波信号（ｂ）に変換する。この透過波信号の信号レベルに基づき被検体の欠陥の有無を判定する。また、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、振動子（４２）及び当該振動子の超音波の送受信側に取付られた前面板（４５）の音響インピーダンスを、被検体に当接して使用する接触型超音波探触子に比較して低く設定している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波探傷システムに関わり、特に被検体に対して非接触で超音波探傷を実施できる空中超音波探傷システムに関する。

一般的に、超音波探傷手法においては、超音波探傷装置内に組込まれたパルス発生回路で発生したパルス信号を、信号ケーブルを介して被検体の表面に接触させた超音波探触子に組込まれた振動子に印加する。振動子が振動して、この超音波探触子から被検体に超音波パルスが印加される。この超音波パルスが、被検体内を伝搬する過程で、被検体内に存在する欠陥に当接すると、この欠陥で反射されて超音波エコーとして、元来た経路を逆進して超音波探触子に入射する。超音波探触子に組込まれた振動子にてこの超音波エコーは電気信号であるエコー信号に変換されて信号ケーブルを介して装置内に組込まれた受信回路へ入力される。受信回路で受信されたエコー信号と送信したパルス信号とを比較して、欠陥の有無、欠陥規模を解析、判断している。

このような従来の超音波探傷手法においては、被検体に対して効率的に超音波を印加するために、超音波探触子を被検体の表面に水や油等の接触媒質を介して接触させる必要がある。したがって、超音波探触子を直接又は接触媒質を介して接触させることができない、例えば高温状態の被検体や、高速で移動状態の被検体や、接触媒質を付着できない被検体に対する超音波探傷を実施できない問題がある。

このような問題を解消する手法として、接触媒質として「空気」を用いる空中超音波探傷手法が考えられる。
特開平６−３３１６０９号公報 超音波探傷試験III 非破壊検査協会発行 pp24-25(2004年)

しかしながら、この空中超音波探傷手法においても解消すべき次のような課題があった。

すなわち、被検体に対する超音波探傷における実用レベル以上の欠陥検出精度を得るためには、被検体内を伝搬する超音波パルスのレベル、及び超音波探触子から出力されるエコー信号のレベルも所定レベルを確保する必要がある。しかしながら、空中超音波探傷手法においては、超音波が空中を伝搬するので、この空中を伝搬する過程で、超音波が大きく減衰する。その結果、被検体内を伝搬する超音波パルスのレベル、及び超音波探触子から出力されるエコー信号のレベルが大きく低下して、欠陥の検出精度が低下する。

図１７は、透過型の空中超音波探傷手法における超音波の経路を示す図である。パルス信号が印加された送信側の超音波探触子１から超音波パルス２が出力される。この超音波パルス２は空気３中を経由して、被検体４のＡ面に入射して、この被検体４内を透過する。被検体４内を透過しＢ面から出射した超音波パルス５は、再び空気６中を経由して、受信側の超音波探触子７へ入射されて、エコー信号に変換される。

ここで、空気３、６と被検体４との各音響インピーダンスをＺ₁、Ｚ₂とし、（空気→被検体）の超音波の透過率Ｔ₁₂、（被検体→空気）の超音波の透過率Ｔ₂₁とし、さらに、空気と被検体間の超音波の反射率Ｒ₁₂、被検体と空気間の超音波の反射率Ｒ₂₁とする（非特許文献１参照）。

各反射率Ｒ₁₂、Ｒ₂₁は、各音響インピーダンスをＺ₁、Ｚ₂を用いて(1)、(2)式で示される。

Ｒ₁₂＝（Ｚ₂―Ｚ₁）／（Ｚ₂＋Ｚ₁） …(1)
Ｒ₂₁＝（Ｚ₁―Ｚ₂）／（Ｚ₂＋Ｚ₁）＝−Ｒ₁₂ …(2)
さらに、各透過率Ｔ₁₂、Ｔ₂₁は、各反射率Ｒ₁₂、Ｒ₂₁を用いて(3)、(4)式で示される。,
Ｔ₁₂＝１＋Ｒ₁₂ …(3)
Ｔ₂₁＝１＋Ｒ₂₁ …(4)
さらに、（空気→被検体→空気）の超音波の透過率Ｔ₁₂₁は、(5)式で示すように、各透過率Ｔ₁₂、Ｔ₂₁の積で示される。

Ｔ₁₂₁＝Ｔ₁₂×Ｔ₂₁＝（１＋Ｒ₁₂）（１＋Ｒ₂₁）＝（１＋Ｒ₁₂）（１―Ｒ₁₂）
＝１―（Ｒ₁₂）²＝１―［（Ｚ₂―Ｚ₁）／（Ｚ₂＋Ｚ₁）］²
…(5)
このように、図１７における（空気３→被検体４→空気６）の超音波２の透過率Ｔ₁₂₁は、(5)式に示すように、空気３、６と被検体４の各音響インピーダンスをＺ₁、Ｚ₂で定まる。

例えば、被検体４が鉄鋼の場合、空気３、６の音響インピーダンスＺ₁，鉄鋼の音響インピーダンスＺ₂はそれぞれ
Ｚ₁＝３４０ｍ／ｓ×０．００１３ｇ／ｃｍ³＝０．４４２ｍ・ｇ／ｓ／ｃｍ³
Ｚ₂＝５９００ｍ／ｓ×７．８ｇ／ｃｍ³＝４６０２０ｍ・ｇ／ｓ／ｃｍ³
であるので、(5)式の図１７における（空気３→被検体４→空気６）の超音波２の透過率Ｔ₁₂₁は、
透過率Ｔ₁₂₁＝０．００００３９９（―８８．０ｄＢ）
となる。

また、被検体４がＣＰＲＰ（炭素強化プラスチック）の場合、音響インピーダンスＺ₂は
Ｚ₂＝４４６３ｍ・ｇ／ｓ／ｃｍ³
程度であるので、(5)式の図１７における（空気３→被検体４→空気６）の超音波２の透過率Ｔ₁₂₁は、
透過率Ｔ₁₂₁＝０．０００３９４（―６８．１ｄＢ）
となる。

このように、空気３、６の音響インピーダンスＺ₁が被検体４の音響インピーダンスＺ₂に、比較して極端に小さいので、送信側の超音波探触子１から出力された超音波パルス２が被検体４を挟む空気３，６を伝搬する過程で大きく減衰されるので、超音波探傷精度が大幅に低下する。したがって、上述した空中超音波探傷手法は実用化されていなか、または、たとえ実用化されていたとしても十分な超音波探傷精度が得られないものである。

なお、特許文献１においては、通常の接触型の超音波探触子を用いて被検体の内部欠陥を検出するとともに、空中超音波探触子を用いて、被検体のエッジを検出して、被検体の探傷範囲を設定する技術が開示されているが、空中超音波探触子を用いて被検体の内部欠陥を検出していない。,
本発明このような事情に鑑みてなされたものであり、振動子における電気信号の超音波への高い変換効率を実現でき、たとえ超音波が被検体に対して空気を経由して入出力される場合であったとしても、被検体を伝搬する超音波を十分なレベルに維持でき、高い超音波探傷精度を実現できる空中超音波探傷システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の空中超音波探傷システムは、連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号を作成して出力する信号発生部と、矩形波バースト信号における矩形波の数、矩形波の電圧、及び矩形波のパルス幅を、被検体の材質、被検体の寸法形状に応じて設定する測定条件設定部と、被検体に空気を介して対向配設され、信号作成部から出力された波形波バースト信号を振動子で超音波に変換して被検体に印加する送信超音波探触子と、被検体に空気を介して対向配設され、被検体に印加され当該被検体を伝搬した超音波を振動子で透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、この受信超音波探触子から出力された透過波信号を受信する受信部と、この受信部で受信された透過波信号の信号レベルに基づき被検体の欠陥の有無を判定する欠陥判定部とを備えている。

さらに本発明の空中超音波探傷システムにおいては、送信超音波探触子及び受信超音波探触子は、振動子及び当該振動子の超音波の送受信側に取付られた前面板の音響インピーダンスを、被検体に当接して使用する接触型超音波探触子に比較して低く設定している。

このように構成された空中超音波探傷システムにおいては、信号発生部から出力される矩形波バースト信号は、従来の一つ（１周期分）のサイン波からなるパルス信号ではなくて、例えば、図５に示すように、連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号である。

このように、送信超音波探触子内の振動子に印加するパルス信号を連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号とすることによって、振動子における電気信号の超音波への高い変換効率を実現できる。

具体的には、送信超音波探触子内の振動子に印加される矩形波バースト信号における一つの矩形波の有する電気エネルギＷは、矩形波におけるパルス幅（Ｔ／２）に電圧Ｖ_Hを乗算した矩形波の面積Ｓ_Aに相当する。この矩形波の面積Ｓ_Aは従来の一つ（１周期分）のサイン波からなるパルス信号の面積に比較して格段に大きい。

さらに、図５に示すように、矩形波バースト信号は連続する所定個数の負の矩形波で構成している。連続する負の矩形波の周期Ｔを振動子の厚みの１倍又は整数倍に設定することによって、厚みで定まる共振周波数を有する振動子を共振振動状態とすることができる。

このように、連続する所定個数の負の矩形波で構成された矩形波バースト信号を印加した場合における振動子から出力される超音波パルスのレベルは、一つのサイン波からなるパルス信号を振動子に印加した場合における振動子から出力される超音波パルスのレベルに比較して格段に大きくなる。

さらに、本発明においては、送信超音波探触子及び受信超音波探触子における、振動子及び当該振動子の超音波の送受信側に取付られた前面板の音響インピーダンスを、被検体に当接して使用する従来の接触型超音波探触子に比較して低く設定している。空中超音波探傷システムにおいては、送信超音波探触子及び受信超音波探触子と被検体との間には、音響インピーダンスが極端に小さい空気が存在するので、各超音波探触子側の超音波の伝搬経路に存在する振動子及び当該振動子の超音波の受信側に取付られた板の音響インピーダンスを小さく設定して、空気の音響インピーダンスに近づけている。その結果、各超音波探触子と空気と接続部分における超音波の透過率が向上して、超音波のレベル低下が防止される。

さらに別の発明は、上述した発明の空中超音波探傷システムに対して、受信部で受信された透過波信号を周波数変換する周波数変換部と、信号発生部から出力された矩形波バースト信号、受信された透過波信号、及び周波数変換部で周波数変換された透過波信号を表示する表示部とを備えている。さらに、測定条件設定部は、矩形波バースト信号における矩形波のパルス幅の変更に合わせて、周波数変換部における変換周波数範囲を設定している。

このような構成の空中超音波探傷システムにおいては、矩形波バースト信号、透過波信号、透過波信号の周波数分析結果が表示部に表示されるので、探傷実施者は、探傷状態の詳細を検証できる。

また、別の発明は、上述した発明の空中超音波探傷システムにおける信号発生部を、測定条件設定部で設定された矩形波の電圧に対応する直流高電圧を発生する高電圧発生回路と、高電圧発生回路の高圧出力端子と接地間に介挿された一対のスイッチング素子からなる直列回路と、測定条件設定部で設定されたパルス幅、矩形波の数に対応する一対のゲート信号で一対のスイッチング素子の各スイッチング素子を交互に通電制御するゲート信号発生回路と、直列回路の一対のスイッチング素子の中間点と高圧出力端子との間に接続された電源供給抵抗と、一対のスイッチング素子の中間点と出力端子簡に接続されたカップリングコンデンサと、出力端子と接地間に接続されたダンピング抵抗とを備えている。

このような構成の信号発生部を採用することによって、簡単に高電圧の波形波バースト信号を作成できるので、送信超音波探触子内の振動子に印加される矩形波バースト信号における総電気エネルギＷＳをより一層上昇できる。

本発明においては、送信超音波探触子に高電圧の矩形波バースト信号を印加するとともに、超音波探触子の振動子及び前面板の音響インピーダンスを低下しているので、たとえ超音波が被検体に対して空気を経由して入出力される場合であったとしても、被検体を伝搬する超音波を十分なレベルに維持でき、高い超音波探傷精度を実現できる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係わる空中超音波測定システムの概略構成を示す模式図である。この実施形態の空中超音波測定システムは、大きく分けて、図５に示す矩形波バースト信号ａを出力するとともに透過波信号ｂを入力するパルス送受信器１０と、矩形波バースト信号ａを受けて、空気４６を介して被検体１１へ超音波パルスｃを印加する送信超音波探触子１２と、被検体１１内を透過した超音波パルスｄを空気４６を介して受けて透過波信号ｂを出力する受信超音波探触子１３と、受信した透過波信号ｂに基づいて被検体１１内の欠陥９の有無を判定するとともに、パルス送受信器１０に各種設定を行う探傷制御解析器１４とで構成されている。

パルス送受信器１０内には、矩形波バースト信号ａを作成する信号発生部１５、信号発生部１５から出力された矩形波バースト信号ａを信号ケーブル１７を介して送信超音波探触子１２へ送信する送信部１６、受信超音波探触子１３から信号ケーブル１８を介して透過波信号ｂを受信する受信部１９、受信した透過波信号ｂを増幅して探傷制御解析器１４へ送出する増幅部２０が設けられている。

例えば市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で形成された探傷制御解析器１４内には、欠陥判定部２１、周波数変換部（ＦＦＴ）２２、表示器２３、測定条件設定部２４、及びキーボードやマウス等からなる操作部２５等が設けられている。

欠陥判定部２１は、パルス送受信機１０の増幅部２０から出力された増幅後の透過波信号ｂ₁の信号レベル（実際には、信号発生部１５から出力された矩形波バースト信号ａの信号レベルとの比）に基づいて被検体１１内の欠陥９の有無を判定して判定結果を表示部２３に表示出力する。

具体的には、欠陥９が存在すれば、被検体１１内を伝搬する超音波パルスｃが欠陥９で反射又は吸収されるので、被検体１１内を透過した超音波パルスｄのレベルが低下し、透過波信号ｂ₁の信号レベルがしきい値以下になると欠陥有りと判定する。

周波数変換部（ＦＦＴ）２２は、パルス送受信機１０の増幅部２０から出力された増幅後の透過波信号ｂ₁を測定条件設定部２４で指定された周波数範囲（ｆ₁〜ｆ₂）で高速フーリエ変換を行い、周波数変換された透過波信号ｂ₂として表示部２３に表示出力する。

したがって、表示部２３には、図７（ａ）に示す矩形波バースト信号ａ、図７（ｂ）に示す増幅後の透過波信号ｂ₁、図７（ｃ）に示す周波数変換された透過波信号ｂ₂が表示される。よって、探傷実施者は探傷結果の詳細を検証できる。

測定条件設定部２４は、図２に示すように、操作部２５を介して探傷実施者が操作入力した図５に示す矩形波バースト信号ａにおける電圧Ｖ_H、周波数ｆ、波数Ｎ、開始信号Ｓの測定条件をパルス送受信器１０の信号発生部１５へ送出する。さらに、測定条件設定部２４は、指定した周波数ｆに対応する周波数範囲（ｆ₁〜ｆ₂）を周波数変換部（ＦＦＴ）２２へ設定する。

具体的には、電圧Ｖ_Hは、図５に示す矩形波バースト信号ａにおける負の矩形波４０の電圧である。周波数ｆは、図６に示す送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３内の振動子４２に印加する矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波４０の周期Ｔに対応する周波数ｆ（＝１／２πＴ）に設定される。また、波数Ｎは、矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波４０の数に設定する。さらに、開始信号Ｓは、被検体１１に対して、矩形波バースト信号ａを所定周期Ｔ_Sで繰返し印加する場合における矩形波バースト信号ａの出力タイミングと出力周期Ｔ_Sを指定する。

図２は矩形波バースト信号ａを発生する信号発生部１５の詳細回路図である。高電圧発生回路２６は、測定条件設定部２４から指定された電圧Ｖ_Hに等しい、例えば、６００Ｖ（ボルト）の直流高電圧Ｅ_Hを出力する。この高電圧発生回路２６の高電圧出力端子と接地間には２つのスイッチング素子２７ａ、２７ｂの直列回路が介挿されている。

高電圧発生回路２６の高電圧出力端子とスイッチング素子２７ａ、２７ｂの中間点３３との間に電源供給抵抗２８（Ｒｓ）が接続され、スイッチング素子２７ａ、２７ｂの中間点３３と信号発生部１５の（＋）側出力端子３１ａとの間にカップリングコンデンサ２９（Ｃｃ）が介挿され、信号発生部１５の（＋）側出力端子３１ａと接地間にダンピング抵抗３０（Ｒｄ）が接続されている。

信号発生部１５の（＋）側出力端子３１ａと接地側出力端子３１ｂとの間に、図５に示す矩形波バースト信号ａが出力される。各スイッチング素子２７ａ、２７ｂはゲート信号発生回路３２から出力されるゲート信号ｇ₁、ｇ₂にて通電制御される。

図３は、ゲート信号発生回路３２の詳細構成を示すブロック図である。正弦波発振回路３４は、時刻ｘ₁にて測定条件設定部２４から開始信号Ｓが入力すると、図４のタイムチャートに示すように、測定条件設定部２４から指定された周波数ｆ（周期Ｔ）を有する正弦波信号ｈを発振して出力開始する。

正弦波発振回路３４から出力された正弦波信号ｈは、次の２値化回路３５で（＋）部分をＨ（ハイ）レベルとし、（―）部分をＬ（ロー）レベルとする２値化信号ｊに変換される。２値化回路３５から出力された２値化信号ｊは一方のゲート回路３６、及びパルス数カウンタ３９へ入力される。さらに、２値化回路２５から出力された２値化信号ｊは反転回路３７で、ＨレベルとＬレベルとのレベル変換されて、反転２値化信号ｋとして他方のゲート回路３８へ入力される。

パルス数カウンタ３９には、測定条件設定部２４から波数Ｎ（実施形態においては、Ｎ＝２）が設定されている。そして、パルス数カウンタ３９は、時刻ｘ₁にて測定条件設定部２４から開始信号Ｓが入力すると、図４のタイムチャートに示すように、２値化回路２５から出力された２値化信号ｊのパルス数の計数を開始し、時刻ｘ₂にて、計数値が、測定条件設定部２４から設定された波数Ｎに達すると、計数を終了し、計数値を「０」にクリアする。そして、パルス数カウンタ３９は、時刻ｘ₁から時刻ｘ₂までの計数期間中においてＨレベルとなるゲート信号ｍを各ゲート回路３６、３８へ送出する。

一方のゲート回路３６はパルス数カウンタ３９からのゲート信号ｍがＨレベル期間において、２値化回路３５から出力された２値化信号ｊを通過して、ゲート信号ｇ₁として、図２のスイッチング素子２７ａのゲート端子へ印加する。同様に、他方のゲート回路３８はパルス数カウンタ３９からのゲート信号ｍがＨレベル期間において、反転回路３７から出力された反転２値化信号ｋを通過して、ゲート信号ｇ₂として、図２のスイッチング素子２７ｂのゲート端子へ印加する。

その結果、スイッチング素子２７ａ、２７ｂの中間点３３の電圧信号ｎは、図４のタイムチャートに示すように、ゲート信号ｇ₁がＨレベル期間においては、スイッチング素子２７ａが導通し、スイッチング素子２７ｂが遮断されているので、直流高電圧Ｅ_Hに等しい電圧Ｖ_Hとなる。また、ゲート信号ｇ₂がＨレベル期間においては、スイッチング素子２７ｂが導通し、スイッチング素子２７ａが遮断されているので、接地（アース）電位（０Ｖ（ボルト）となる。

この中間点３３の電圧信号ｎは、電源供給抵抗２８（Ｒｓ）、カップリングコンデンサ２９（Ｃｃ）、ダンピング抵抗３０（Ｒｄ）にて、スイッチング素子２７ａの通電期間における極性が反転されて、図４のタイムチャートに示す、連続する２個（Ｎ＝２）の負の矩形波４０からなる矩形波バースト信号ａが、出力端子３１ａ、３１ｂ間から出力される。

したがって、信号発生部１５から出力される図５に示す矩形波バースト信号ａにおける負の矩形波４０の電圧Ｖ_Hは、高電圧発生回路２６から出力される６００Ｖ（ボルト）の直流高電圧Ｅ_Hとなる。

このように、探傷実施者は、操作部２５から測定条件設定部２４に、矩形波バースト信号ａにおける、負の矩形波４０の電圧Ｖ_H、負の矩形波４０の波数Ｎ、負の矩形波４０の周期Ｔ（矩形波４０のパルス幅Ｔ／２）、矩形波バースト信号ａの送信周期Ｔ_S等の測定条件を任意に設定可能である。

信号発生部１５から出力された矩形波バースト信号ａは、送信部１６にて、信号ケーブル１７を介して送信超音波探触子１２へ送信される。送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３とは被検体１１に対して例えば１０ｍｍ等の空気４６の層を介して対向配設されている。

送信超音波探触子１２の振動子４２は、矩形波バースト信号ａが印加されると超音波パルスｃを接触媒質である空気４６を介して被検体１１へ入射する。超音波パルスｃは被検体１１内を伝搬して反対面から出射する。被検体１１から出射された超音波パルスｄは受信聴音探触子１３の振動子４２にて透過光信号ｄに変換されて信号ケーブル１８を介してパルス送受信器１０の受信部１９へ入力する。

そして、送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３とは同一構成であり、図６に示すように、下端開口４４を有する金属製の筒状のケース４３の下端開口４４近傍に振動子４２が配設されている。この振動子４２の下方、すなわち、超音波パルスｃ、ｄの入出力側に前面板４５が貼付けられている。

そして、この実施形態の送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３においては、振動子４２及び前面板４５の音響インピーダンスを、被検体１１に当接して使用する接触型超音波探触子に比較して低く設定されている。具体的には、前面板４５の材料を従来のセラミックス系から樹脂系に変更することによって、音響インピーダンスＺを低下して、空気４６の音響インピーダンスに近づけている。また、前面板４５の材料として、比重が例えば０．７〜０．８程度の多孔性構造を有した樹脂材料を採用することができる。

その結果、各超音波探触子と空気と接続部分における超音波の透過率が向上して、超音波パルスｃ、ｄのレベル低下が防止される。さらに、受信超音波探触子１３においては、超音波パルスｄが効率的に振動子４２に入射されるので、受信超音波探触子１３から出力される透過波信号ｂの信号レベルの低下を抑制できる。

また、この実施形態の送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３においては、振動子４２の上側に接触型超音波探触子で設けられていたアクリル製のダンパ部材を除去している。

次に、このように構成された空中超音波探傷システムを用いて、種々の資料（被検体１１に代わる試験部材）に対する探傷試験結果を図面を用いて説明する。

図８（ａ）〜（ｄ）は、送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３を図１に示すように欠陥９が存在しない厚さ５０ｍｍのＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）の資料（被検体１１）に垂直にこの資料（被検体１１）を挟むように配設した場合において、図５の矩形波バースト信号ａにおける波数ＮをＮ＝１〜Ｎ＝８まで変化させた場合におけるＮ＝１、Ｎ＝２、Ｎ＝６、Ｎ＝８における受信部１９で受信して増幅部２０で増幅して、表示部２３に表示された透過波信号ｂ₁の波形図である。

なお、パルス幅Ｔで特定される周波数ｆは３３０ｋHz固定である。また、矩形波バースト信号ａにおける矩形波４０の電圧ＶHは２００Ｖ（ボルト）で、振動子４２の公称周波数ｆ₀は４００ｋＨｚである。

また、図１０は、上述した実験で得られた、矩形波バースト信号ａにおける波数Ｎと図８の透過波信号ｂ₁の信号レベル（振幅値）との関係を示す特性図である。この特性図でも明らかなように、矩形波バースト信号ａにおける波数Ｎを増加することにより、透過波信号ｂ₁の信号レベルが大きくなることが実証された。なお、過度に波数Ｎを増加すると、探傷の分解能が低下する。すなわち、微細な欠陥を検出するのか、大まかな欠陥を検出するのか、等の欠陥探傷の目的に応じてその被検体１１の材質に応じて波数Ｎを設定する。

図９（ａ）〜（ｄ）は、図８に示した実験条件と同一条件で実験し、図５の矩形波バースト信号ａにおけるパルス幅Ｔで特定される周波数ｆを３００ｋＨｚ、３３０ｋＨｚ、３５０ｋＨｚ、４００ｋＨｚと変化させた場合における受信部１９で受信して増幅部２０で増幅して、表示部２３に表示された透過波信号ｂ₁の波形図である。なお、端数ＮはＮ＝６に固定である。

図９（ａ）〜（ｄ）の実験結果に示されるように、矩形波バースト信号ａの周波数ｆを振動子４２の公称周波数ｆ₀（＝４００ｋＨｚ）に一致させたとしても、透過波信号ｂ₁の信号レベルが必ずしも上昇するのではない。このことは、超音波パレスｃが伝搬する被検体１１の材質（共振周波数）に影響を受けるからである。

したがって、被検体１１の材質に応じて、矩形波バースト信号ａにおける周波数ｆを最適周波数に選択設定することによって、透過波信号ｂ₁の信号レベルを上昇できる。

このように、測定条件設定部２４で、矩形波バースト信号ａの電圧ＶHを６００Ｖ程度の高圧に設定し、端数Ｎ及び周波数ｆを被検体１１に応じて適宜設定することにより、超音波パルスｃ、ｄが空気４６中を伝搬することに起因するレベル低下を補い、結果として高い超音波探傷精度を得ることができた。

図１１〜図１３に他の実験結果を示す。図１１に示すように、厚さ３ｍｍのＣＦＲＰからなる矩形状の資料４７の中央部に層間剥離欠陥４８を作成した。そして、図１のシステムの送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３を矩形状の資料４７のＸ−Ｘ方向、Ｙ−Ｙ方向、４５°方向の合計３方向に走査して、矩形状の資料４７のＸ軸、Ｙ軸、４５°線上の透過波信号ｂ₁の信号レベル（透過波の振幅）を測定した。測定結果を図１３に示す。この測定結果によれば、層間剥離欠陥４８が存在する資料４７の中央部は、透過波信号ｂ₁の信号レベルが極端に低いことが理解できる。

図１２（ａ）は資料４７の中央部以外の健全部における透過波信号ｂ₁であり、図１２（ｂ）は資料４７の中央部の層間剥離欠陥４８部における透過波信号ｂ₁である。このように、両者の相違が明確になった。

図１４（ａ）に示すように、図１に示した垂直型の送信超音波探触子１２及び垂直型の受信超音波探触子１３を用いて、被検体１１に垂直方向に縦波の超音波パルスｃを印加したときには、図１４（ｂ）に示す透過波信号ｂ₁が得られる。

一方、図１４（ｃ）に示すように、斜角型の送信超音波探触子５０及び斜角型の受信超音波探触子５１を用いて、被検体１１に傾斜方向に横波の超音波パルスを印加したときには、図１４（ｄ）に示す透過波信号ｂ₁が得られる。

このように、横波の超音波パルスｈを送受信する斜角型の送信超音波探触子５０及び斜角型の受信超音波探触子５１を採用することによって、透過波信号ｂ₁の信号レベルが上昇し、結果として高い超音波探傷精度を得ることができる。

図１５（ａ）は、表面波を利用した空中超音波探傷手法を示す図である。被検体としてのアクリル板からなる資料５２の一方の表面５２ａの上方に、斜角型の送信超音波探触子５０及び斜角型の受信超音波探触子５１が対向して配設されている。斜角型の送信超音波探触子５０から出力された超音波パルスは入射角θ₁で資料５２の表面５２ａに入射して、この資料５２の表面５２ａを表面波５４として距離Ｌだけ伝搬し、出射角θ₁で出射して、斜角型の受信超音波探触子５１へ入射する。

なお、この表面波５４は資料５２の表面５２ａ内で振動する横波である。そして、表面波５４として資料５２の表面５２ａを伝搬する超音波パルスも伝搬過程で減衰するので、斜角型の受信超音波探触子５１で受信された超音波パルスのレベルが所定のＳ／Ｎ比を確保できる距離Ｌに設定する。また、入射角θ₁、出射角θ₁は、空気の音響インピーダンスと資料５２の音響インピーダンスで定まる臨界角度に設定されている。

このような空中超音波探傷手法においては、超音波パルスはこの資料５２の表面５２ａを表面波５４として伝搬するので、資料５２の表面５２ａに存在する欠陥のみを効率的に検出する。図１５（ｂ）に、資料５２の表面５２ａの健全部を探傷した場合における、斜角型の受信超音波探触子５１で得られた透過波信号ｂ₁を示す。また、図１５（ｃ）に、資料５２の表面５２ａの溝５３を含む部分を探傷した場合における、斜角型の受信超音波探触子５１で得られた透過波信号ｂ₁を示す。溝５３に超音波パルスが遮られて、透過波信号ｂ₁の信号レベルが低下するので、欠陥の検出が可能である。

図１６（ａ）、（ｂ）は、板波を利用した空中超音波探傷手法を示す図である。被検体としての厚さ１ｍｍのステンレス鋼板からなる資料５５の一方面の上方に、斜角型の送信超音波探触子５０及び斜角型の受信超音波探触子５１が対向して配設されている。斜角型の送信超音波探触子５０から出力された超音波パルスは入射角θ₂で厚さ１ｍｍの資料５５内に入射して、この資料５５内を表面に平行に板波５６として距離Ｌだけ伝搬し、出射角θ₂で出射して、斜角型の受信超音波探触子５１へ入射する。

なお、この板波５６は資料５２の表面に平行する面内で振動する横波である。そして、板波５６として資料５５内を伝搬する超音波パルスも伝搬過程で減衰するので、斜角型の受信超音波探触子５１で受信された超音波パルスのレベルが所定のＳ／Ｎ比を確保できる距離Ｌに設定する。また、入射角θ₂、出射角θ₂は、空気の音響インピーダンスと資料５５の音響インピーダンスで定まる臨界角度より若干大きい値である。さらに、板状の資料５５内に有効な板波５６が生じるためには資料５５の厚みに一定の制限がある。

このような空中超音波探傷手法においては、超音波パルスはこの資料５５内を板波５６として伝搬するので、資料５５の内部に存在する欠陥を効率的に検出する。図１６（ｃ）に、資料５５の健全部を探傷した場合における、斜角型の受信超音波探触子５１で得られた透過波信号ｂ₁を示す。また、図１６（ｄ）に、資料５５の内部に存在する欠陥５７を含む部分を探傷した場合における、斜角型の受信超音波探触子５１で得られた透過波信号ｂ₁を示す。欠陥５７に超音波パルスが遮られて、透過波信号ｂ₁の信号レベルが低下するので、欠陥５７の検出が可能である。

本発明の一実施形態に係わる空中超音波探傷システムの概略構成を示す図。 同空中超音波探傷システムに組込まれた信号発生部の回路図。 同信号発生部に組込まれたゲート信号発生回路の詳細構成を示すブロック図。 同信号発生部の動作を示すタイムチャート。 矩形波バースト信号を示す図。 超音波探触子の断面図。 表示部に表示された各信号の波形図。 表示部に表示された透過波信号を示す図。 同じく表示部に表示された透過波信号を示す図。 波数と透過波信号レベルとの関係を示す図。 層間剥離欠陥が形成された資料を示す図。 同資料の探傷で得られた透過波信号を示す図。 同資料の探傷で得られた透過波信号レベルの特性図。 垂直探傷と斜角探傷との比較を示す図。 表面波を利用した空中超音波探傷手法を示す図。 板波を利用した空中超音波探傷手法を示す図。 超音波の経路に空気が存在する場合における超音波の減衰を説明するための図。

符号の説明

９…欠陥、１０…パルス送受信器、１１…被検体、１２…送信超音波探触子、１３…受信超音波探触子、１４…探傷制御解析器、１５…信号発生部、１６…送信部、１９…受信部、２０…増幅部、２１…欠陥判定部、２２…周波数変換部、２３…表示部、２４…測定条件設定部、２５…操作部、２６…高電圧発生回路、２７ａ，２７ｂ…スイッチング素子、２８…電源供給抵抗、２９…カップリングコンデンサ、３０…ダンピング抵抗、３２…ゲート信号発生回路、４２…振動子、４３…ケース、４５…前面板、４６…空気

Claims (3)

1. 連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号を作成して出力する信号発生部と、
   前記矩形波バースト信号における矩形波の数、矩形波の電圧、及び矩形波のパルス幅を、被検体の材質、被検体の寸法形状に応じて設定する測定条件設定部と、
   前記被検体に空気を介して対向配設され、前記信号作成部から出力された矩形波バースト信号を振動子で超音波に変換して前記被検体に印加する送信超音波探触子と、
   前記被検体に空気を介して対向配設され、前記被検体に印加され当該被検体を伝搬した超音波を振動子で透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   この受信超音波探触子から出力された透過波信号を受信する受信部と、
   この受信部で受信された透過波信号の信号レベルに基づき前記被検体の欠陥の有無を判定する欠陥判定部と
   を備え、
   前記送信超音波探触子及び前記受信超音波探触子は、前記振動子及び当該振動子の超音波の送受信側に取付られた前面板の音響インピーダンスを、被検体に当接して使用する接触型超音波探触子に比較して低く設定されている
   ことを特徴とする空中超音波探傷システム。
2. 前記受信部で受信された透過波信号を周波数変換する周波数変換部と、
   信号発生部から出力された矩形波バースト信号、前記受信された透過波信号、及び前記周波数変換部で周波数変換された透過波信号を表示する表示部と
   を備え、
   前記測定条件設定部は、前記矩形波のパルス幅の変更に合わせて、前記周波数変換部における変換周波数範囲を設定する
   ことを特徴とする請求項１記載の空中超音波探傷システム。
3. 前記信号発生部は、
   前記測定条件設定部で設定された矩形波の電圧に対応する直流高電圧を発生する高電圧発生回路と、
   前記高電圧発生回路の高圧出力端子と接地間に介挿された一対のスイッチング素子からなる直列回路と、
   前記測定条件設定部で設定されたパルス幅、矩形波の数に対応する一対のゲート信号で前記一対のスイッチング素子の各スイッチング素子を交互に通電制御するゲート信号発生回路と、
   前記直列回路の一対のスイッチング素子の中間点と前記高圧出力端子との間に接続された電源供給抵抗と、
   前記一対のスイッチング素子の中間点と出力端子簡に接続されたカップリングコンデンサと、
   前記出力端子と接地間に接続されたダンピング抵抗と
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の空中超音波探傷システム。

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