JP2009063372A - 空中超音波探傷装置及びその方法 - 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を実現する。
【解決手段】連続する所定個数Ｎの矩形波１１からなる矩形波バースト信号ａを、被検体取付治具１５に装着された送信超音波探触子１６へ送信して超音波ｃを被検体２３に斜め方向に入射する。そして、被検体２３を透過した超音波ｄを受信超音波探触子２０で電気信号の透過波信号ｂに変換する。この透過波信号の信号レベルで欠陥判定を実施する。この場合、被検体取付治具１５に装着された被検体２３に対する超音波ｃの入射角θ₁を最適入射角度θ_Mに自動設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波探傷装置及び超音波探傷方法に関わり、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装置、及び空中超音波探傷方法に関する。

一般的に、超音波探傷手法においては、測定器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の表面に対して垂直に超音波パルスが印加される。被検体に入射した超音波パルスが、被検体内を表面に対して垂直方向に伝搬する過程で、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測定器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 pp2２７5(2004年) 超音波探傷の理論と基礎に関する研究報告書 昭和４９年８月１日 日本学術振興会 製鋼第１９委員会 超音波探傷法協議会 基礎問題小委員会 層状平面板における音波の透過 鳥飼安生 日本機械学誌 第８巻 第１号 （１９５２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１６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面に垂直に入射して、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。この場合、超音波の伝搬モードは「縦波」である。

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
＝４（Ｚ₁・Ｚ₂）／（Ｚ₂＋Ｚ₁）］²
…(5)
このように、図１６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。

なお、音響インピーダンスＺは、当該物質の密度ρと当該物質中を伝搬する音（周波数に依存しない）の音速Ｃとを乗算することによって、(6)式で求める。

Ｚ＝ρ・Ｃ …(6)
例えば、被検体４が鉄鋼の場合、空気の密度ρ＝１．３ｋｇ／ｍ³、空気の音速（縦波）Ｃ＝３４０ｍ／ｓであり、鉄鋼の密度ρ＝７８００ｋｇ／ｍ³、鉄鋼の音速（縦波）Ｃ＝５９００ｍ／ｓである。したがって、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×１．３ｋｇ／ｍ³＝０．０００４４２×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
Ｚ₂＝５９００ｍ／ｓ×７８００ｋｇ／ｍ³＝４６．０２０×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
であるので、(5)式の図１６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＝２７６３×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
程度であるので、(5)式の図１６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。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被検体内を伝搬する超音波の伝搬モードを制御でき、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装置、及び空中超音波探傷方法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請求項１の空中超音波探傷装置は、連続する所定個数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、この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、この送信超音波探触子から出力されて被検体内を横波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ空間を伝搬する超音波の経路に対して被検体を回動自在に支持する被検体取付治具と、受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、被検体を回動して超音波の被検体に対する入射角を順次変化させた場合における信号レベル検出部で検出された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定部と、被検体に対する超音波の入射角を最適入射角に設定した状態で、受信超音波探触子を被検体に沿って移動させた場合における信号レベル検出部で検出された透過波信号の信号レベルが最大となる移動位置を最適位置と設定する最適位置設定部と、入射角及び受信超音波探触子がそれぞれ最適入射角及び最適位置に設定された状態で、信号レベル検出部で検出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探傷解析部とを備えている。

また、請求項２の空中超音波探傷装置は、連続する所定個数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、この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、この送信超音波探触子から出力されて被検体内を板波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ空間を伝搬する超音波の経路に対して被検体を回動自在に支持する被検体取付治具と、受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、被検体を回動して超音波の被検体に対する入射角を順次変化させた場合における信号レベル検出部で検出された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定部と、入射角が最適入射角に設定された状態で、信号レベル検出部で検出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探傷解析部とを備えている。

このように構成された請求項１と請求項２における空中超音波探傷装置においては、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２に示すように、連続する所定個数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、本発明においては、送信超音波探触子から出力される超音波は、例えば、図５に示すように、被検体の一方の表面に対して、垂直ではなくて、所定の入射角θ₁で入射して、被検体内を斜め方向に伝搬して、この被検体の底面（他方面）に到達して、被検体から出射して、受信超音波探触子へ入力する。

そして、請求項１においては、入射角θ₁を、超音波が被検体内を斜め方向に伝搬する「横波」の伝搬モードなるように設定する。また、請求項２においては、入射角θ₁を超音波が被検体内を表面に平行する向に伝搬する「板波」の伝搬モードになるように設定する。

この場合、「横波」の伝搬モードにおいても超音波の（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12S1は、後述するように、空気、被検体の音速、密度等の物理特性の他に、入射角θ₁に応じて変化することが知られている。したがって、請求項１においては、受信超音波探触子で最大信号レベルが得られる入射角θ₁を採用している。また、受信超音波探触子の位置は、入射角θ₁が定まれば、屈折角θ_S等で一義的に定まるが、請求項１においては、その位置を実験的に求めている。

また、「板波」の伝搬モードにおいても超音波の（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12T1は、後述するように、空気、被検体の音速、密度、被検体の厚み、超音波の振動周波数ｆ（＝ω／２π）等の物理特性の他に、入射角θ₁に応じて変化することが知られている。したがって、請求項２においても、受信超音波探触子で最大信号レベルが得られる入射角θ₁を採用している。

また、請求項３の空中超音波探傷装置においては、連続する所定個数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、この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、この送信超音波探触子から出力されて被検体内を横波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ空間を伝搬する超音波の経路に対して被検体を、予め空気及び被検体の音速、密度等の音響パラメータを用いて算出された最適入射角に支持する被検体取付治具と、受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、この信号レベル検出部で検出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探傷解析部とを備えている。

さらに、請求項４の空中超音波探傷装置においては、連続する所定個数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、この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、この送信超音波探触子から出力されて被検体内を板波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、送信超音波探触子と受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ空間を伝搬する超音波の経路に対して被検体を、予め空気及び被検体の音速、密度、被検体の厚み、超音波の振動周波数等の音響パラメータを用いて算出された最適入射角に支持する被検体取付治具と、受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、この信号レベル検出部で検出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探傷解析部とを備えている。

このように構成された請求項３、及び請求項４の空中超音波探傷装置の特徴は、超音波を被検体に入射する場合の最適入射角を、予め、空気及び被検体の音速、密度等の音響パラメータを用いて算出しておくことである。

周知のように、物質内を伝搬する超音波の伝搬モードの主なものは、「縦波」、「横波」、「板波」等が存在する。そして、「縦波」はどのような物質内も伝搬可能であるが、「横波」、「板波」は、固体内にのみ存在可能である。

そして、空気中を縦波の伝搬モードで伝搬している超音波が被検体に入射角θ₁で入射した場合において被検体内を超音波が「縦波」、「横波」又は、「板波」の伝搬モードで伝搬する場合の入射角θ₁と縦波屈折角θ_L、横波屈折角θ_Sとの関係を図６を用いて説明する。

空気の音速（縦波）Ｃ₁、被検体の縦波音速Ｃ_2L、被検体の横波音速Ｃ_2S、被検体の縦波屈折角θ_L、被検体の横波屈折角θ_Sとすると、スネルの法則で(7)式が成立する。

Ｃ₁／sinθ₁＝Ｃ_2L／sinθ_L＝Ｃ_2S／sinθ_S …(7)
そして、入射角θ₁が小さいときは、超音波は、被検体内を縦波状態を維持して屈折角θ_L方向へ伝搬していくが、入射角θ₁が大きくなり、屈折角θ_Lが９０°になると、縦波状態を維持できなくなり、横波状態になる。したがって、伝搬モードが「縦波」から「横波」に転換する転換入射角θ_SCは、(8)式で求まる。

θ_SC＝Ｓin^-1[(Ｃ₁／Ｃ_2L)sinθ_L]＝Ｓin^-1[(Ｃ₁／Ｃ_2L)] …(8)
さらに、入射角θ₁を増加していくと、被検体の横波屈折角θ_Sが大きくなるが、屈折角θ_Sが９０°になると、横波状態を維持できなくなり、板波状態になる。したがって、伝搬モードが「横波」から「板波」に転換する転換入射角θ_ＴCは、(9)式で求まる。

θ_TC＝Ｓin^-1[(Ｃ₁／Ｃ_2S)sinθ_S]＝Ｓin^-1[(Ｃ₁／Ｃ_2S)] …(9)
被検体がアクリルの場合は、図９の計算結果に示すように、各転換入射角θ_SC、θ_TCは、転換入射角θ_SC＝７．１５°、転換入射角θ_TC＝１３．２８°となる。

さらに、被検体がＳＵＳ（ステンレス）の場合は、図１０の計算結果に示すように、各転換入射角θ_SC、θ_TCは、転換入射角θ_SC＝３．２°、転換入射角θ_TC＝６．０４°となる。

次に、超音波が空中から入射角θ₁（θ_SC＜θ₁＜θ_TC）で被検体へ入射して、被検体内を「横波」の伝搬モードで伝搬して、被検体から空中へ出力された場合の超音波の（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12S1は、超音波が空中から被検体へ入射したときの透過率Ｔ_12Sに、超音波が被検体から空中へ入射したときの透過率Ｔ_2S1を乗算したものである。

Ｔ_12S1＝Ｔ_12S×Ｔ_2S1
そして、この「横波」の伝搬モード時における（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12S1は(10)式で示されることが知られている（非特許文献２参照）。

Ｔ_12S1＝Ｔ_12S×Ｔ_2S1
＝［（ρ₂・Ｃ₁・cosθ_S）/（ρ₁・Ｃ_2S・cosθ₁）］×（Ｃ_2S／Ｃ_1S）⁴
×［２（ｈ²―１）／Ｄ］² …(10)
但し、
Ｄ＝［（ｈ²―１）／２ｇ］＋２ｈ
＋[（ρ₂・Ｃ_2S ²）／（ρ₁・Ｃ_1S ²）]×［{（ｈ’²―１）²／２ｇ’}＋２ｈ’］
Ｃ＝Ｃ₁／sinθ₁
ｇ＝（Ｃ²／Ｃ₁ ²―１）^1/2
ｇ’＝（Ｃ²／Ｃ_2L ²―１）^1/2 但し θ₁≪臨界角
ｈ＝（Ｃ²／Ｃ_1S ²―１）^1/2
ｈ’＝（Ｃ²／Ｃ_2S ²―１）^1/2
なお、実際には、前述したように空気中の超音波が「横波」の伝搬モードで伝搬することはないので、この実施形態では、空気の横波の音速Ｃ_1Sは、Ｃ_1S＝０，１（ｍ／ｓ）として計算した。そのため、
ｈ＝（Ｃ²／0.1²―１）^1/2
となる。

したがって、(10)式は(11)式となる。

Ｔ_12S1＝［（ρ₂・Ｃ₁・cosθ_S）/（ρ₁・Ｃ_2S・cosθ₁）］×（Ｃ_2S／0.1）⁴
×［２（ｈ²―１）／Ｄ］²
…(11)
この(11)式に示すように、「横波」の伝搬モード時における（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12S1は、空気、被検体の密度、音速、被検体に対する入射角等の音響パラメータを用いて示される。

そして、被検体としてアクリルを採用した場合における、この(11)式で示される「横波」の伝搬モード時における（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12S1を算出した理論特性を図９に示す。この理論特性においては、例えば、横波は、入射角θ₁が、転換入射角θ_SC＝７．１５°から転換入射角θ_TC＝１３．２８°までの角度範囲において、入射角θ₁が転換入射角θ_SC＝７．１５°より僅かに大きい最適入射角θ_M＝７．５°において、透過率が最大値を示す。

また、被検体としてＳＵＳを採用した場合における透過率Ｔを算出したＴ_12S1を算出した理論特性を図１０に示す。この場合においては、横波は、入射角θ₁が、転換入射角θ_S＝３．２°から転換入射角θ_TC＝６．０４°までの角度範囲において、入射角θ₁が転換入射角θ_SC＝３．２°より僅かに大きい最適入射角θ_M＝３．４°において、透過率が最大値を示す。

したがって、超音波を被検体に斜めに入射させるとともに、入射角θ₁を空気、被検体の音響パラメータを用いて算出した最適入射角θ_Mに設定することによって、高い超音波探傷精度を実現できる。

次に、超音波が空中から入射角θ₁（θ_TC＜θ₁）で被検体へ入射して、被検体内を「板波」の伝搬モードで伝搬して、被検体から空中へ出力された場合の超音波の（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12T1は、(12)式で示されることが知られている（非特許文献３参照）。

Ｔ_12T1＝４Ｋ²／［４Ｍ²＋（Ｋ²―Ｍ²＋１）］
…(12)
但し、
Ｋ＝［（Ｚ_2L・cos²２θ_L）＋（Ｚ_2S・sin²２θ_S）］／（Ｚ₁・sinｋ_LYｔ）］
Ｍ＝［（Ｚ_2L・cos²２θ_L）＋（Ｚ_2S・sin²２θ_L）］／（Ｚ₁・tanｋ_SYｔ）］
Ｚ₁＝ρ₁・Ｃ₁／cosθ₁
Ｚ_2L＝ρ₂・Ｃ_2L／cosθ_L Ｚ_2S＝ρ₂・Ｃ_2S／cosθ_S
ｋ_LY＝（ω／Ｃ_2L）cosθ_L ｋ_SY＝（ω／Ｃ_2S）cosθ_S
sinθ_L＝（Ｃ_2L／Ｃ₁）sinθ₁ sinθ_S＝（Ｃ_2S／Ｃ₁）sinθ₁
ここで、
ｔ ；被検体の厚さ
ω ；超音波の振動周波数（ω＝２πｆ）
ｋ_LY ；被検体の厚さ方向の「縦波」の波数成分
ｋ_SY ；被検体の厚さ方向の「横波」の波数成分
Ｚ₁ ；空気の音響インピーダンス
Ｚ_2L ；被検体の「縦波」時の音響インピーダンス
Ｚ_2S ；被検体の「横波」時の音響インピーダンス
この(12)式に示すように、「横波」の伝搬モード時における（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12T1は、空気、被検体の密度、音速、被検体の厚さ、超音波の振動周波数、被検体に対する入射角等の音響パラメータを用いて示される。

そして、被検体としてＳＵＳを採用した場合における、(12)式で示される「板波」の伝搬モード時における（空気→被検体→空気）の透過率Ｔ_12T1を、入射角θ₁、被検体の厚さ方向の超音波の波数Ｎ_Wを示す振動周波数ｆに被検体の厚みｔを乗算した乗算値［ｆ・ｔ］を、横軸及び縦軸とする理論特性を図１４に示す。

この理論特性においては、超音波の振動周波数ｆと被検体の厚みｔが定まれば、乗算値［ｆ・ｔ］が定まる。そして、入射角θ₁が、転換入射角θ_TC＝６．０４°以上の角度範囲において、透過率が最大値を示す特性（Ｔ＝−５０ｄＢ）における先に定めた乗算値［ｆ・ｔ］に対応する入射角θ₁を最適入射角θ_Mとする。

図１５に、超音波の振動周波数ｆ＝３３０ｋHz、被検体の厚みｔ＝１ｍｍに設定した場合（乗算値［ｆ・ｔ］＝０．３３ＭHz―mm）における、「板波」の伝搬モード時における（空気→被検体→空気）の透過率Ｔの理論特性を実線で示す。この場合の最大の透過率Ｔが得られる最適入射角θ_Mは約１２°である。なお、図１５における黒点で示す特性は、実測された特性である。このように、透過率Ｔの理論特性は、実測値とよく一致する。

したがって、超音波を被検体に斜めに入射させるとともに、入射角θ₁を空気、被検体、板厚、超音波の振動周波数等の音響パラメータを用いて算出した最適入射角θ_Mに設定することによって、高い超音波探傷精度を実現できる。

請求項５の空中超音波探傷方法においては、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を、被検体の一方面に空気を介して対向配設された送信超音波探触子で超音波に変換してこの超音波を前記被検体の一方面に対して斜めに印加する超音波送信ステップと、被検体の他方面に空気を介して対向配設された受信超音波探触子で、被検体に印加され当該被検体内を横波の伝搬モードで伝搬して他方面から出力した超音波を透過波信号に変換する超音波受信ステップと、被検体に対する超音波の入射角を順次変化させた場合における超音波受信ステップで変換された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定ステップと、被検体に対する超音波の入射角を前記最適入射角に設定した状態で、受信超音波探触子を被検体に沿って移動させた場合における前記超音波受信ステップで変換された透過波信号の信号レベルが最大となる移動位置を最適位置と設定する最適位置設定ステップと、超音波の入射角及び受信超音波探触子の位置がそれぞれ最適入射角及び最適位置に設定された状態で、超音波受信ステップで変換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探傷解析ステップと備えている。

さらに、請求項６の空中超音波探傷方法においては、連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を、被検体の一方面に空気を介して対向配設された送信超音波探触子で超音波に変換してこの超音波を被検体の一方面に対して斜めに印加する超音波送信ステップと、前記被検体の他方面に空気を介して対向配設された受信超音波探触子で、前記被検体に印加され当該被検体内を横波の伝搬モードで伝搬して他方面から出力した超音波を透過波信号に変換する超音波受信ステップと、被検体に対する超音波の入射角を順次変化させた場合における超音波受信ステップで変換された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定ステップと、入射角が最適入射角に設定された状態で、超音波受信ステップで変換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探傷解析ステップとを備えている。

このように構成された各空中超音波探傷方法においても、先に説明した各空中超音波探傷装置とほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。

本発明においては、送信超音波探触子に連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を印加するとともに、被検体に対して、超音波を斜め入射して、被検体内を「横波」の伝搬モードで伝搬させることによって、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探傷方法が適用される空中超音波探傷装置の概略構成を示す模式図である。

信号発生回路１０は、図２に示すように、連続する所定個数Ｎの矩形波１１からなる矩形バースト信号ａを作成して送信部１３、信号ケーブル４を介して被検体取付治具１５に組込まれた送信超音波探触子１６へ送信する。

例えばコンピュータ等の情報処理装置で形成された探傷制御解析装置１７内に設けられた測定条件設定部１８は、測定者による操作部１９からの操作指示に基づいて、信号発生部１０が出力する図２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の測定条件を設定して信号発生部１０へ送出する。

具体的には、電圧Ｖ_Hは矩形波バースト信号ａにおける負の矩形波１１の電圧であり、例えば、最大６００Ｖ（ボルト）まで設定可能である。周波数Ｆは、被検体取付治具１５内に組込まれた図３に示す送信超音波探触子１６及び受信超音波探触子２０における送信超音波探触子１６内の振動子２１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１１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１１の数に設定する。

被検体取付治具１５は、送信超音波探触子１６と受信超音波探触子２０とを空間（空気）２２を介して対向させて支持し、かつ空間２２を伝搬する超音波パルスｃの経路に対して被検体２３を回動自在に支持する機能を有する。・
具体的には、送信超音波探触子１６からの超音波パルスｃの厚みｔの板状の被検体２３に対する入射角θ₁、及び、受信超音波探触子２０の送信超音波探触子１６からの距離Ｘを任意に設定できる。

ベース２４の上面の両端位置に、支持部材２５ａ、２５ｂが固定されており、この支持部材２５ａ、２５ｂの上方位置に可動部材２６ａ、２６ｂが上下移動自在に設けられている。そして、この可動部材２６ａ、２６ｂの互いに対向する面に、送信超音波探触子１６、及び受信超音波探触子２０が取付けられている。

ベース２４に設けられた回動軸２７に対して被検体２３の下端が枢支されており、ベース２４に矢印方向に摺動自在に設けられたＬ字部材２８に被検体２３の下部位置が枢支されている。したがって、Ｌ字部材２８を矢印方向に摺動させると、送信超音波探触子１６から出力された超音波パルスｃの被検体２３に対する入射角θ₁が変化する。

さらに、可動部材２６ｂを上下方（Ｘ方向）に移動させることによって、受信超音波探触子２０の送信超音波探触子１６からの距離Ｘを任意に設定可能である。そして、このＬ字部材２８による入射角θ₁の設定は探傷制御解析装置１７内に設けられ入射角設定部２９にて実施される。また、可動部２６ｂによる、受信超音波探触子２０の送信超音波探触子１６からの距離Ｘの設定は、同じく探傷制御解析装置１７内に設けられ最適位置設定部３０にて実施される。

入射角θ₁は、前述した(11)式の透過率Ｔ12S1の理論特性における、「横波」の最適入射角θ_Mに探傷制御解析装置１７における入射角設定部２９で設定されている。距離Ｘも最適位置設定部３０にて最適位置Ｘ_Mに設定されている。

送信超音波探触子１６と受信超音波探触子２０とは同一構成であり、図３に示すように、下端開口３１を有する金属製の筒状ケース３２の下端開口３１近傍に振動子２１が配設されている。この振動子２１の下方、すなわち、超音波パルスｃ、ｄの入出力側に振動子２１と空気２２との間の音響インピーダンスＺの急激な変化を抑制するための多孔性構造を有した樹脂材料からなる前面板３３が取付けられている。

送信部１３から信号ケーブル１４を介して入力された矩形波バースト信号ａは被検体取付治具１５に組込まれた送信超音波探触子１６の振動子２１に印加される。その結果、振動子２１が振動して、超音波パルスｃを空気２２中に出力する。この超音波パルスｃの空気２２中における伝搬モードは「縦波」である。

図５に示すように、送信超音波探触子１６は、被検体２３の一方の表面に対して、探傷制御解析装置１７の入射角設定部２９にて設定された入射角θ₁で超音波パルスｃを印加する。超音波パルスｃは、空気２２の音速Ｃ₁と被検体２３の横波に対する音速Ｃ_2Sと入射角θ₁にて定まる屈折角θ_Sで屈折して、被検体２３内を伝搬する。

sinθ_S＝（Ｃ_2S／Ｃ₁）sinθ₁ …(13)
この入射角θ₁は前述したように、横波の伝搬モードにおける最適入射角θ_Mに設定されているので、超音波パルスｅは「横波」の伝搬モードで伝搬する。超音波パルスｅは、被検体２３の底面に当接して、被検体２３の他方面から、出射角θ₁で空気２２中へ出射する。

sinθ₁＝（Ｃ₁／Ｃ_2S）sinθ_S …(14)
空気２２中へ出射した超音波パルスｄは、伝搬モードが元の「縦波」に変換されて、受信超音波探触子２０に入射する。

この受信超音波探触子２０に入射した超音波パルスｄは、図３の振動子２１で電気信号の透過波信号ｂに変換され、信号ケーブル３４を介して受信部３５へ入力する。受信部３５は受信した透過波信号ｂを増幅して新たな透過波信号ｂ₁として、信号レベル検出部３６へ送出するとともに、探傷制御解析装置１７へ送出する。信号レベル検出部３６は透過波信号ｂ₁の信号レベルを検出して、探傷制御解析装置１７内の欠陥判定部３７、表示部３８、入射角設定部２９、最適位置設定部３０へ送出する。

欠陥判定部３７は、信号レベル検出部３６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１０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２３内の欠陥の有無を判定して判定結果を表示部３８に表示出力する。

具体的には、欠陥が存在すれば、被検体２３内を伝搬する超音波パルスｅは、欠陥で反射又は吸収されるので、被検体２３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）３９は、受信部３５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１８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３８に表示出力する。

したがって、表示部２３には、図４（ａ）に示す矩形波バースト信号ａ、図４（ｂ）に示す増幅後の透過波信号ｂ₁、図４（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。

このように構成された空中超音波探傷装置においては、図２に示すように、信号発生部１０から出力される矩形波バースト信号ａは、連続する所定個数（波数Ｎ）の矩形波１１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１６内の振動子２１に印加するパルス信号を図２の矩形波バースト信号ａとすることによって、振動子２１における電気信号である矩形波バースト信号ａの超音波パルスｃへの高い変換効率を実現できる。

次に、送信超音波探触子１６から超音波パルスｃを被検体２３の表面に、空気２２と当該被検体２３の密度、音速等の音響パラメータを用いて算出した(11)式で示す最適入射角θ_Mで入射し、被検体２３内を「横波」の伝搬モードで伝搬する超音波パルスｅとした技術的効果を実験的に確認した。

すなわち、被検体取付治具１５における入射角θ₁、移動位置Ｘを調整して、この空中超音波探傷装置の探傷手法を、「垂直入射」手法、及び本発明の「斜入射」手法で、以下の各物理特性を有するアクリル及びＳＵＳ（ステンレス）の各被検体２３に対する透過波信号レベル（ゲイン：ｄＢ）測定、超音波の透過量、透過率等を算出した。

空気 ： 密度ρ₁＝１．３ｋｇ／ｍ³、音速Ｃ₁＝３４０ｍ／ｓ、
音響インピーダンスＺ₁＝０．０００４４２×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ、
アクリル ： 厚さｔ＝３０ｍｍ、密度ρ₂＝１１８０ｋｇ／ｍ3 、
「縦波」時の音速Ｃ_2L＝２７３０ｍ／ｓ、
「横波」時の音速Ｃ_2S＝１４８０ｍ／ｓ、
音響インピーダンスＺ₂＝３．２×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
ＳＵＳ ： 厚さｔ＝１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、
密度ρ₂＝７７００ｋｇ／ｍ3 、
「縦波」時の音速Ｃ_2L＝５９００ｍ／ｓ、
「横波」時の音速Ｃ_2S＝３２８０ｍ／ｓ、
音響インピーダンスＺ₂＝４５．７×１０⁶ｋｇ／ｍ²・ｓ
なお、この実施形態においては、超音波の周波数ｆは３２０ｋHzに設定し、送信超音波探触子１６に供給する矩形波バースト信号ａの波数Ｎ＝５、電圧Ｖ_H＝―２００Ｖと設定している。

図７（ａ）は、送信超音波探触子１６から、アクリルの被検体２３の表面に垂直（入射角θ₁＝０）に超音波パレスｃを印加して、受信超音波探触子２０で被検体２３を垂直に透過した超音波パルスｄを受信する「垂直入射」手法を示す模式図である。そして、図７（ｂ）は、探傷制御解析装置１７の表示部３８に示す、被検体２３に対する超音波の透過量を示す透過波信号ｂ_１の波形図である。この透過波信号ｂ_１の矢印で示す波形が被検体２３の厚みｔ＝３０ｍｍに相当する（１２０ｍｓの時間位置に相当する）。

この場合、送信超音波探触子１６から出力された超音波パルスｃは「縦波」の伝搬モードである。被検体２３内を垂直方向に伝搬する超音波パルスｇは「縦波」の伝搬モードを維持する。そして、被検体２３から空気２２へ出力されて受信超音波探触子２０へ入射される超音波パルスｄは、「縦波」の伝搬モードを維持する。このように、超音波パルスの伝搬モードは、図７（ａ）に示すように、全部「縦波」の伝搬モードとなる。そして、図７（ｂ）に示すように、透過波信号ｂ_１の信号レベル（利得、ゲイン）は、Ｇ＝８０．５ｄＢとなる。

一方、図８（ａ）は、送信超音波探触子１６から、同一のアクリルの被検体２３の表面に入射角θ₁＝９°の斜め方向に超音波パレスｃを印加して、被検体２３の反対面に角度θ₁だけ傾斜して配置された受信超音波探触子２０で被検体２３を斜め方向に伝搬して、被検体２３の反対面から出力された超音波パルスｄを受信する「斜入射」手法を示す模式図である。そして、図８（ｂ）は、探傷制御解析装置１７の表示部３８に表示された透過波信号ｂ_１の波形図である。この透過波信号ｂ_１の矢印で示す波形が被検体２３の厚みｔ＝３０ｍｍに相当する（１２０ｍｓの時間位置に相当する）。

この場合、送信超音波探触子１６から出力された超音波パルスｃは「縦波」の伝搬モードであるが、入射角θ₁＝９°の斜め方向に入射されて屈折角θ₂方向に伝搬する超音波パルスｅの伝搬モードは「横波」である。被検体２３内を斜め方向に伝搬する超音波パルスｅは被検体２３の反対面から空気２２へ出力されて超音波パルスｄとして受信超音波探触子２０へ入射される。この場合、超音波パルスｄの伝搬モードは、元の「縦波」の伝搬モードに戻る。そして、図８（ｂ）に示すように、透過波信号ｂ_１の信号レベル（利得、ゲイン）は、８０．５ｄＢとなる。

なお、受信超音波探触子２０の被検体２３の水平方向位置（図５の距離Ｘ）は、(7)、(8)式から屈折角θ_Sが求まるので、被検体２３の厚みｔ＝３０ｍｍを用いて計算的に求めることが可能であるが、最適位置設定部３０にて、受信超音波探触子２０をＸ方向に移動させて、信号レベル検出部３６で透過波信号ｂ_１の最大信号レベルが得られる位置に設定している。

このように、被検体２３に対して超音波パルスｃを、斜め方向から入射させて、被検体２３内を「横波」の伝搬モードで伝搬させることによって、透過波信号ｂ_１の信号レベルを４ｄＢ以上上昇させることが可能となる。

図９は、被検体２３に前述した厚みｔ＝３０ｍｍのアクリルを採用した場合における、超音波の被検体２３に対する入射角θ₁を変化させた場合における「縦波」時、「横波」時における各透過率Ｔの理論特性である。

入射角θ₁で被検体２３の表面に入射する場合に、境界面で「縦波」の伝搬モードが変化しない条件を維持した場合には、入射角θ₁が大きくなると、境界面での反射率が大きくなり、超音波の透過率は低下する。そして、入射角θ₁が転換入射角θ_SC＝７．１５°を超えると、伝搬モードが「横波」となる。

伝搬モードが「横波」となると、被検体２３内の音速が低下するので、屈折角θ_2Sが低下し、音響インピーダンスＺ₂も低下するので、透過率Ｔ₁₂₃は急激に上昇する。そして、前述した最適入射角θ_M＝７．５°で、最大値の０．０００８となる。そして、さらに、入射角θ₁が大きくなると、境界面での反射率が大きくなり、超音波の透過率は低下する。

そして、この被検体２３が薄い板状の場合、転換入射角θ_TC＝１３．２８°において伝搬モードが「板波」に転換する。この伝搬モードが「板波」に転換する条件は、被検体２３の音響インピーダンスＺ₂、板厚ｔにも影響され、入射角θ₁のみでは一義的に定まらない。

この図９における入射角θ₁＝０の透過率Ｔ₁₂₃＝０．０００５が「垂直入射」手法による値となる。この透過率Ｔ₁₂₃＝０．０００５と「横波」の透過率Ｔ₁₂₃＝０．０００８とをデシベル単位［２０log(0.0008/0.005)］に変換すると、４ｄＢとなる。図７と図８の透過波信号ｂ₁の大きさを比較すると、図８の透過波信号ｂ₁の方が図７の１．６倍であるので、デシベル単位で２０log(１．６)＝４ｄＢとなり、実験結果と計算とが一致することが確認できた。

さらに、入射角θ₁＝９°における透過率Ｔ₁₂₃＝０．０００８をデシベル単位［２０log(0.0008)］に変換すると、図８に示す「斜入射」手法の実験結果（８０．５ｄＢ）に近似することが確認できた。

次に、被検体２３として、前述した厚みｔ＝１ｍｍ〜８ｍｍのＳＵＳ（ステンレス）の中の厚みｔ＝４ｍｍのＳＵＳを採用した場合における、超音波の被検体２３に対する入射角θ₁を変化させた場合における各透過率Ｔの計算結果を図１０に示す。図９のアクリルに比較して、透過率Ｔが約１桁、デシベル単位に変換して２０ｄＢ近く低い。また、被検体２３内の伝搬モードが「縦波」から「横波」に変換する転換入射角θ_SCは３．４°とアクリルに比較して小さい。また、「横波」から「板波」に転換する転換入射角度θ_TCも６．０４°とアクリルに比較して小さい。

図１１は、図７（ａ）の「垂直入射」手法、及び図８（ａ）の「斜入射」手法において、被検体２３としてのＳＵＳの厚みｔをｔ＝１ｍｍ〜ｔ＝８ｍｍと変化させた場合における受信超音波探触子２０から出力されて、受信部３５で増幅された後の透過波信号ｂ₁の信号レベル（デシベル単位）で示した測定結果を示す図である。当然ながら、図７（ａ）の「垂直入射」手法においては、入射角θ₁＝０である。図８（ａ）の「斜入射」手法においては、図１０の特性から、最適入射角θ_M＝３．４°に設定している。

また、図１２（ａ）〜（ｄ）は「垂直入射」手法における厚ｍみｔ＝１ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍの各ＳＵＳの透過波信号ｂ₁の波形を示す。さらに、図１２（ｅ）〜（ｈ）は「斜入射」手法における厚みｔ＝１ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍの各ＳＵＳの透過波信号ｂ₁の波形を示す。

この実験結果に示すように、超音波パルスｃが垂直入射する「垂直入射」手法より、超音波パルスｃが斜入射する「斜入射」手法の方が、厚みｔ＝１ｍｍ〜６ｍｍの範囲で、約１５〜２０ｄＢ大きい。図１１に示すように、被検体２３の厚みｔが変化すると、透過波信号ｂ₁の信号レベル（デシベル単位）も変化することは、被検体２３内の伝搬モードが「縦波」から「横波」や「板波」に変換するため、厚みｔに応じて変化することに起因すると考えられる。

図１３に、被検体２３がＳＵＳである場合における、各厚みｔ＝１ｍｍ〜ｔ＝８ｍｍにおける図７（ａ）の「垂直入射」手法における透過波信号ｂ₁の信号レベル（デシベル単位）と、図８（ａ）の「斜入射」手法における透過波信号ｂ₁の最大信号レベル（デシベル単位）及び当該厚みｔにおける最大信号レベルが得られる入射角θ₁を示す。

厚みｔ＝１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍの薄い範囲においては、最大信号レベルが得られる入射角θ₁は１０°以上であり、この状態においては、被検体２３内の超音波の伝搬モードは図１０から「板波」である。一方、厚みｔ＝４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍの範囲においては、最大信号レベルが得られる入射角θ₁は４°〜６°であり、この状態においては、被検体２３内の超音波の伝搬モードは図１０から「横波」である。

次に、図１０において、入射角θ₁が転換入射角度θ_TC＝６．０４°以上となり、伝搬モードが、「横波」から「板波」に転換した状態における実験結果を、前述した(12)式を示す図１４、図１５上に重ね表示した。

図１４においては、振動周波数ｆに被検体の厚みｔを乗算した各乗算値［ｆ・ｔ］毎に、当該［ｆ・ｔ］を固定して、入射角θ₁を順次変更していって、最大の透過率Ｔが得られる、入射角θ₁位置を□印で記入している。例えば、乗算値［ｆ・ｔ］＝０．３３（超音波の振動周波数ｆ＝３３０ｋHz、被検体の厚みｔ＝１ｍｍ）における最大の透過率Ｔが得られる入射角θ₁は図中Ｐ点で示す１２°である。図示するように、実験結果は、(12)式を示す各理論特性によく一致することが実証された。

図１５は、前述したように、超音波の振動周波数ｆ＝３３０ｋHz、被検体の厚みｔ＝１ｍｍに設定した場合（［ｆ・ｔ］＝０．３３ＭHz―mm）における、「板波」の伝搬モード時における透過率Ｔの理論特性である。図１５における黒点で示す特性は、超音波の振動周波数ｆ＝３３０ｋHz、被検体の厚みｔ＝１ｍｍに設定した場合（乗算値［ｆ・ｔ］＝０．３３ＭHz―mm）における、各入射角θ₁における各透過率Ｔを示す実検特性値である。実験結果は、(12)式を示す各理論特性によく一致することが実証された。

以上の説明は、被検体２３に対する超音波の入射角θ₁を予め理論的に算出された最適入射角θ_Mに設定したが、例えば、被検体２３の密度や音速等が不明の場合は、探傷制御解析装置１７の入射角設定部２９が、被検体取付治具１５を制御して、前記最適入射角θ_Mを実験的に求める。また、「横波」の場合は、最適入射角θ_Mに加えて、図５に示す最適位置Ｘ_Mも探傷制御解析装置１７の最適位置設定部３０が、被検体取付治具５を制御して実験的に求める。

（ａ） 「横波」の伝搬モードを選択する場合、被検体取付治具１５に被検体２３を装着する。次に、入射角設定部２９を起動する。すると、この入射角設定部２９は、Ｌ字部部材２８を移動させて、被検体２３を回動して超音波パルスｃの被検体２３に対する入射角θ₁を、例えば図９、図１０における縦波の透過率Ｔが横波の最大透過率以下と予想される２〜３°の初期値から、順次増加させた場合における信号レベル検出部３６で検出された透過波信号ｂ₁の信号レベルが最大となる入射角θ₁を最適入射角θ_Mと設定して、この最適入射角θ_Mを維持する。

次に、被検体２３に対する超音波パルスｃの入射角θ₁を最適入射角θに設定した状態で、最適位置設定部３０を起動する。すると最適位置設定部３０は、被検体取付治具１５における可動部材２６ｂをＸ方向に移動させて、信号レベル検出部３６で検出された透過波信号ｂ₁の信号レベルが最大となる位置Ｘを、受信超音波探触子２０の最適位置Ｘ_Mと設定する。

（ｂ） 「板波」の伝搬モードを選択する場合、被検体取付治具１５に被検体２３を装着する。次に、入射角設定部２９を起動する。すると、この入射角設定部２９は、Ｌ字部部材２８を移動させて、被検体２３を回動して超音波パルスｃの被検体２３に対する入射角θ₁を、例えば図１５における板波の生じる角度範囲と予想される角度範囲内で、順次変化させた場合における信号レベル検出部３６で検出された透過波信号ｂ₁の信号レベルが最大となる入射角θ₁を最適入射角θ_Mと設定して、この最適入射角θ_Mを維持する。

なお、板波の伝搬モードの場合は、超音波は板状の被検体２３内を表面に平行に伝搬するので、受信超音波探触子２０のＸ方向位置はそんなに重要でない。

このように、たとえ、被検体２３の密度や音速等が不明の場合であっても、「横波」、「板波」の各伝搬モードにおける最適最適入射角θ_Mを設定可能であるので、超音波の被検体２３に対する透過率を高い状態に維持でき、超音波探傷精度を向上できる。

以上のアクリル及びＳＵＳに対する各実験結果からも明らかなように、被検体２３内を伝搬する超音波パルスｅの伝搬モードが「横波」又は「板波」になるように、超音波パルスｃを被検体２３に対して斜め入射することによって、透過波信号ｂ₁の信号レベル（デシベル単位）を大きくでき、欠陥の探傷精度を大幅に向上できる。

本発明の一実施形態に係わる空中超音波探傷方法が適用される空中超音波探傷装置の概略構成図 波形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 送信超音波探触子と受信著音波探触子との位置関係を示す図 超音波の被検体に対する入射角と屈折角との関係を示す図 垂直入射手法と同垂直入射手法で測定された透過波信号を示す図 斜入射手法と同斜入射手法で測定された透過波信号を示す図 アクリルの被検体における計算で求めた超音波の入射角と透過率との関係を示す図 ＳＵＳの被検体における計算で求めた超音波の入射角と透過率との関係を示す図 ＳＵＳの被検体における各厚みにおける垂直入射手法と同垂直入射手法で測定された透過波信号のレベルを示す図 同各厚みにおける垂直入射手法と同垂直入射手法で測定された透過波信号の波形を示す図 被検体の各厚みにおける最大透過波信号レベルが得られる入射角を示す図 板波の伝搬モードにおける算出された透過率、入射角、乗算値［ｆ・ｔ］との関係を示す図 板波の伝搬モードにおける算出された透過率特性と実験結果との関係を示す図 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

１０…信号発生部、１１…矩形波、１３…送信部、１４、３４…信号ケーブル、１５…被検体取付治具、１６…送信超音波探触子、１７…探傷制御解析装置、１８…測定条件設定部、１９…操作部、２０…受信超音波探触子、２１…振動子、２２…空気、２３…被検体、２４…ベース、２５ａ，２５ｂ…支持部材、２６ａ，２６ｂ…可動部材、２７…回動軸、２８…Ｌ字部材、２９…入射角設定部、３０…最適位置設定部、３５…受信部、３６…信号レベル検出部、３７…欠陥判定部、３８…表示部、３９…周波数変換部

Claims (6)

1. 連続する所定個数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、
   この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、
   この送信超音波探触子から出力されて被検体内を横波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   前記送信超音波探触子と前記受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ前記空間を伝搬する超音波の経路に対して前記被検体を回動自在に支持する被検体取付治具と、
   前記受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、
   前記被検体を回動して前記超音波の被検体に対する入射角を順次変化させた場合における前記信号レベル検出部で検出された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定部と、
   前記被検体に対する超音波の入射角を前記最適入射角に設定した状態で、前記受信超音波探触子を前記被検体に沿って移動させた場合における前記信号レベル検出部で検出された透過波信号の信号レベルが最大となる移動位置を最適位置と設定する最適位置設定部と、
   前記入射角及び受信超音波探触子がそれぞれ最適入射角及び最適位置に設定された状態で、前記信号レベル検出部で検出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探傷解析部と
   を備えたことを特徴とする空中超音波探傷装置。
2. 連続する所定個数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、
   この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、
   この送信超音波探触子から出力されて被検体内を板波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   前記送信超音波探触子と前記受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ前記空間を伝搬する超音波の経路に対して前記被検体を回動自在に支持する被検体取付治具と、
   前記受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、
   前記被検体を回動して前記超音波の被検体に対する入射角を順次変化させた場合における前記信号レベル検出部で検出された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定部と、
   前記入射角が前記最適入射角に設定された状態で、前記信号レベル検出部で検出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探傷解析部と
   を備えたことを特徴とする空中超音波探傷装置。
3. 連続する所定個数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、
   この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、
   この送信超音波探触子から出力されて被検体内を横波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   前記送信超音波探触子と前記受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ前記空間を伝搬する超音波の経路に対して前記被検体を、予め空気及び被検体の音速、密度等の音響パラメータを用いて算出された最適入射角に支持する被検体取付治具と、
   前記受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、
   この信号レベル検出部で検出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探傷解析部と
   を備えたことを特徴とする空中超音波探傷装置。
4. 連続する所定個数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、
   この信号発生部から出力された矩形波バースト信号を超音波に変換して出力する送信超音波探触子と、
   この送信超音波探触子から出力されて被検体内を板波の伝送モードで伝搬して透過した超音波を透過波信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   前記送信超音波探触子と前記受信超音波探触子とを空間を介して対向させて支持し、かつ前記空間を伝搬する超音波の経路に対して前記被検体を、予め空気及び被検体の音速、密度、被検体の厚み、超音波の振動周波数等の音響パラメータを用いて算出された最適入射角に支持する被検体取付治具と、
   前記受信超音波探触子から出力された透過波信号の信号レベルを検出する信号レベル検出部と、
   この信号レベル検出部で検出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探傷解析部と
   を備えたことを特徴とする空中超音波探傷装置。
5. 連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を、被検体の一方面に空気を介して対向配設された送信超音波探触子で超音波に変換してこの超音波を前記被検体の一方面に対して斜めに印加する超音波送信ステップと、
   前記被検体の他方面に空気を介して対向配設された受信超音波探触子で、前記被検体に印加され当該被検体内を横波の伝搬モードで伝搬して前記他方面から出力した超音波を透過波信号に変換する超音波受信ステップと、
   前記被検体に対する超音波の入射角を順次変化させた場合における前記超音波受信ステップで変換された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定ステップと、
   前記被検体に対する超音波の入射角を前記最適入射角に設定した状態で、前記受信超音波探触子を前記被検体に沿って移動させた場合における前記超音波受信ステップで変換された透過波信号の信号レベルが最大となる移動位置を最適位置と設定する最適位置設定ステップと、
   前記超音波の入射角及び受信超音波探触子の位置がそれぞれ最適入射角及び最適位置に設定された状態で、前記超音波受信ステップで変換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探傷解析ステップと
   を備えたことを特徴とする空中超音波探傷方法。
6. 連続する所定個数の矩形波からなる矩形波バースト信号を、被検体の一方面に空気を介して対向配設された送信超音波探触子で超音波に変換してこの超音波を前記被検体の一方面に対して斜めに印加する超音波送信ステップと、
   前記被検体の他方面に空気を介して対向配設された受信超音波探触子で、前記被検体に印加され当該被検体内を横波の伝搬モードで伝搬して前記他方面から出力した超音波を透過波信号に変換する超音波受信ステップと、
   前記被検体に対する超音波の入射角を順次変化させた場合における前記超音波受信ステップで変換された透過波信号の信号レベルが最大となる入射角を最適入射角と設定する入射角設定ステップと、
   入射角が最適入射角に設定された状態で、前記超音波受信ステップで変換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探傷解析ステップと
   を備えたことを特徴とする空中超音波探傷方法。

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