JP2010071920A - 超音波探傷法、該方法に用いる超音波探傷プログラム、及び該プログラムを記録した記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 縦波およびSV波超音波では探傷が困難な場所でも、表面ＳＨ波探触子を用いて、比較的遠い場所を探傷することができる超音波探傷方法を提供する。
【解決手段】 被検体の表面に配置された複数の表面ＳＨ波探触子の各々から得られる超音波受信波形信号をモニターに表示させ、基準となる超音波受信波形信号以外の超音波受信形信号を複素周波数スペクトルに変換し、基準となる超音波受信波形信号と他の超音波受信波形信号のピークの時間ずれを補正するために、入力手段を通じて入力された時間ずれに対応する入力値に基づき前記複素周波数スペクトルに対して位相補正計算を行い、前記位相補正計算後の各複素周波数スペクトルを時間を変数とする超音波受信信号に再変換し、前記再変換された超音波受信波形信号と前記基準となる超音波受信波形信号とを合成し、合成した超音波受信波形をモニターに表示させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、表面ＳＨ波を用いた超音波探傷法に係り、特に、超音波受信波形信号の画像処理による超音波探傷法に関する。

従来、超音波探傷法として、超音波の縦波あるいは横波を用いる探傷法が知られている。超音波の入射方法が制限されるような場所、たとえば、原子力発電所の床部コンクリート埋設鋼板等で、鋼板表面の一部だけしか床コンクリートから露出させることができないために、超音波を鋼板側面または端面から入射させての測定ができない場合がある。このような場合、超音波を被検体の表面から入射して、被検体の表面に沿って伝搬させることにより探傷することが行われ得る。超音波として、縦波と横波があり、横波には、ＳＶ波とＳＨ波とがある。縦波またはＳＶ波による斜角探傷法やＳＨ波による超音波探傷法（例えば、特許文献１〜３）が知られている。縦波を利用する斜角探傷法は，表面における横波への振動モードの変換による損失により、あまり遠方まで超音波を伝搬させることができない。超音波の振動方向が被検体の表面に垂直なＳＶ波を利用する斜角探傷法は、被検体の表面に塗装等の表面付着物や構造物があるとあまり遠方まで超音波を伝搬させることができない。一方、ＳＨ波は、表面付着物の影響をあまり受けずにある程度遠方（１ｍ以上）まで伝搬可能である。ＳＨ波が遠方まで伝搬可能といっても測定部位によっては伝播距離が不足する場合がある。そのような場合に伝搬距離を長くするには、大型のＳＨ波用素子を用いることが考えられる。

ところが、ＳＨ波用超音波素子は縦波用素子を素子の伸縮方向に沿って切断したものであり、製造技術上の問題で、実際に製造されているＳＨ波用探触子は最大のものでも幅４ｃｍ程度である。そのため、最大サイズのＳＨ波探触子を用いても伝搬距離に限界があり、伝搬距離が足りない場合が生じる。

そこで、超音波探触子を複数個使用し、各超音波探触子の受信波をデジタルでキャプチャし、合成処理を行うフェーズドアレイ法を用いることにより、受信波を拡大することが考えられる（特許文献３等）。フェーズドアレイ法は、個々の探触子から探傷の狙いとする欠陥までの距離に応じて、超音波伝搬速度によって理論的に算出される伝搬時間の差を送信及び受信時刻に対して与える方法である。
特開平９−８００３１号公報 特開平９−３１８６０５号公報 特開２００７−３２２３５０号公報

しかしながら、フェーズドアレイ法を用いた超音波探傷装置では、実施の距離の違い、探触子の配置のズレ、各探触子の製造誤差等は考慮されていないため、デジタル合成処理の際に、例えば極端な場合には、各反射波（エコー）の山と谷で打ち消し合う場合が生じ得る。特に、表面ＳＨ波探触子は、一般に、大量に量産されるものではなく、個々の探触子毎に、寸法等のバラツキがあり、性能にバラツキがある。

本発明は、縦波およびＳＶ波超音波では探傷が困難な場所でも、表面ＳＨ波探触子を用いて、比較的遠い場所を探傷することができる超音波探傷方法、該方法に用いる超音波探傷プログラム、及び該プログラムを記録した記録媒体を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の手段として、複数の表面ＳＨ波探触子を被検体の表面の適宜位置に配置するステップと、前記複数の表面ＳＨ波探触子の各々から得られる超音波受信波形信号をコンピュータによりデジタル信号処理するステップとを有し、前記超音波受信波形信号のコンピュータによるデジタル信号処理は、前記複数の表面ＳＨ波探触子の各々から得られる超音波受信波形信号をモニターに表示させるステップと、前記各超音波受信波形信号のうち、基準となる超音波受信波形信号以外の超音波受信形信号を、複素周波数スペクトルに変換するステップと、前記基準となる超音波受信波形信号のピークと他の超音波受信波形信号とピークの時間ずれを補正するために、入力手段を通じて入力された時間ずれに対応する入力値に基づき、前記複素周波数スペクトルに対して位相補正計算を行うステップと、前記位相補正計算後の各複素周波数スペクトルを、時間を変数とする超音波受信信号に再変換するステップと、前記再変換された超音波受信波形信号と前記基準となる超音波受信波形信号とを合成するステップと、合成した超音波受信波形をモニターに表示させるステップと、を有することを特徴とする超音波探傷方法を提供する。

また、本発明は、第２の手段として、前記第１の手段において、前記合成した波形のピーク高さから、被探傷欠陥の劣化を判定するステップを更に有することが好ましい。

前記デジタル信号処理による各ステップは、専用の超音波探傷プログラムを用いてコンピュータにより実行され、該プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して提供される。

本発明によれば、被検体の欠陥と表面ＳＨ波探触子の各々との距離の違い、各表面ＳＨ波探触子の製造誤差等による特性のバラツキ、被検体への各表面ＳＨ波探触子の配置のバラツキ等により現れる超音波受信波形信号における受信時刻の違いを、個別の調整により取り除き、加算することでより強度の大きい波形を得ることができる。そのため、各表面ＳＨ波探触子から被検体の欠陥までの距離が大きく、反射波が微弱であっても、適切な波形合成により、合成波形のエコー高さ（反射波強度）を大きくモニターに表示でき、視覚的に認識容易となる。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に、図１〜８を参照して説明する。

図１は、本発明に係る超音波探傷方法を実施するためのシステム構成図である。このシステム例は、複数個の表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅと、表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅに制御信号を送信するとともに表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅから反射波信号を受信し出力する多チャンネル送受信装置２と、Ａ／Ｄ変換器３と、多チャンネル送受信装置２を制御するための制御用コンピュータ４と、多チャンネル送受信装置２からの出力を受信可能に接続されたデジタルオシロスコープ２０と、を備えている。なお、図示例で表面ＳＨ波探触子は５個であるが、５個に限られない。

多チャンネル送受信装置２は、図２に示すように、表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅのそれぞれに対応する送受信部２ａ〜２ｅを備える。それぞれの送受信部２ａ〜２ｅは、パルス発生回路２ｆ〜２ｊを内蔵しており、制御用コンピュータ４からパルス電圧及びパルス発生タイミングに関する制御信号を受けて、パルス発生回路２ｆ〜２ｊのそれぞれに対し、所定のタイミング及び電圧のパルス信号を送る。各々の表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅは、パルス電圧が印加されることにより表面ＳＨ波（超音波）を発生させる。

表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅから発振された表面ＳＨ波は、被検体５の表面に沿って伝播し、被検体の欠陥５ａ（腐食等による減肉窪み等）で反射する。その反射波は表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅで受信される。表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅが受信した反射波（エコー）は、電圧に変換されて、対応する各々の送受信部２ａ〜２ｅで受信する。

表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅは、被検体５の表面の適宜位置に設置されている。一般に、表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅが固定される被検体５の表面には、超音波を被検体５に伝搬させるため、表面ＳＨ波専用接触媒質が塗布される。

表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅを個別に配置する場合、例えば、表面ＳＨ波探触子１ａを大まかな位置に配置し、表面ＳＨ波探触子１ａにパルス電圧を与え、反射波をデジタルオシロスコープ２０に表示させた状態で、表面ＳＨ波探触子１ａの位置をずらして欠陥が認識可能な受信波形がデジタルオシロスコープ２０に現れる位置を探り、欠陥が認識可能な受信波形が表れた位置に表面ＳＨ波探触子１ａを設置する。

一般に、表面ＳＨ波探触子から欠陥までの距離が離れるに従い、欠陥として認識可能な受信波形のエコー高さは小さくなる反面、ノイズが大きくなるため、出来るだけエコー高さが高く表れる位置に表面ＳＨ波探触子を配置するようにする。また、表面ＳＨ波探触子は、発生させた横波を粘性の高い接触媒質を介して被検体に伝搬させるために、他の斜角探触子等に比べてエコー高さが安定するまで数ｋｇの力で数十分程度、押し続けなければないが、押し続けることにより安定したエコー高さが得られるようになると被検体に対する密着性が高まり、表面ＳＨ波探触子を容易に移動させることができない。そのため、不安定なエコー高さの状態で、出来るだけエコー高さが高く表れる位置に表面ＳＨ波探触子を位置決めする必要がある。

上記のようにして複数の表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅは、個別に適宜位置に配置される。こうして複数の表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅの各々を適宜位置に配置した後、被検体５に専用の固定具（図示せず。）を用いて、表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅを被検体５に対して押し付けるようにして固定することができる。このような固定具は、例えば被検体５が鋼板の場合、被検体である鋼板に対し強力に磁着可能な磁石と、表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅの各々を押圧する押圧手段とを備えることができる。図示例の表面ＳＨ波探触子は、周波数０．５ＭＨｚ、超音波振動子の寸法４０ｍｍ（高さ）×４０ｍｍ（幅）のジルコンチタン酸鉛系圧電素子を用いている。なお、図１中、符号Ｂは、コンクリート構造物を示す。

送受信部２ａ〜２ｅで受信された反射波の超音波受信波形信号（実時間波形信号）は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器３において、ローパスフィルター３ａ及びハイパスフィルター３ｂで不要な高周波成分および低周波成分を除かれた後、増幅器３ｃで増幅され、Ａ／Ｄ変換部３ｄでアナログ入力をデジタル信号に変換し出力されて、制御用コンピュータ４のメモリ６ａ〜６ｅにそれぞれ記憶される。増幅器３ｃの増幅率は、制御用コンピュータ４によって設定することができる。

制御用コンピュータ４は、図２に示すように、メモリ６ａ〜６ｅ、６ｆ、ＣＰＵ７、モニター８、入力手段９、ハードディスク１０等を備え、ハードディスク１０に、Ａ／Ｄ変換器３でＡ／Ｄ変換された超音波受信波形信号をデジタル処理するための超音波探傷プログラムが記録されている。超音波探傷プログラムは、該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体から、制御用コンピュータ４のハードディスクにインストールすることができる。図示例で制御用コンピュータは、ノート型パソコンを使用している。

以下に、超音波探傷プログラムによる制御フローを、図２の機能ブロック図、図３のフローチャート、および、図４〜７のグラフを参照して説明する。なお、説明の簡単のため、図３のフローチャートでは、２信号の場合について説明する。

デジタル信号に変換されてメモリ６ａ〜６ｅに記憶されている超音波受信波形信号（実時間波形信号）は、実時間波形表示手段１１ａ〜１１ｅによって、モニター８（図２）上に表示される（ステップＳ１）。図４のグラフは、２信号の超音波受信波形信号（実時間波形信号）を示すグラフであり、横軸が時間（μｓ）、縦軸が反射波（エコー）強度（ｄＢ）である。図４に示すグラフでは、基準となる波形１のピークに対し波形２のピークが時間ずれ量Δｔだけ、右側へ時間シフトしていることが分かる。

時間ずれ量Δｔは、モニター８の横軸の時間表示からオペレータが読み取ることによって検出される。検出された時間ずれ量Δｔは、オペレータによって入力手段９を通じて入力され、メモリ６ｆに記憶される。

波形２の超音波受信波形信号（実時間波形信号）を、変換手段１２によってＦＦＴアルゴリズムによるＤＴＦＴ変換（離散時間フーリエ変換）を行う（ステップＳ２）。ＤＴＦＴ変換により周波数領域に変換された波形２の複素周波数スペクトルを図５に示す。図５で横軸は周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸は強度である。

次に、波形１のピークと波形２のピークの時間ずれを補正するため、時間シフト手段１３によって、メモリ６ｆから時間ずれ量Δｔを読み出し、ＤＴＦＴ変換により得られた複素周波数スペクトルに対して、時間領域で時間ずれ量Δｔだけ時間シフトすることによる位相補正計算を行う（ステップＳ３）。複素周波数スペクトルを用いた離散時間データの時間シフトは定理により次式（１）により記述される。下記式（１）に右辺のΔｔに、メモリ６ｆから読み込んだ時間ずれ量Δｔを代入することにより、複素周波数スペクトルに対して位相補正計算を行う。

ｙ（ｔ＋Δｔ）＝Ｙ（ｆ）ｅｘｐ（２πｆｉΔｔ） ・・・ （１）
ここで、ｔ：時間
ｆ：周波数
Δｔ：時間ずれ量
ｙ（ｔ）：時系列のデータ
Ｙ（ｆ）：周波数スペクトル
ｉ：虚数単位
次に、再変換手段１４により、ステップ３で時間シフトした波形２の周波数スペクトルをＦＦＴアルゴリズムによる逆ＤＴＦＴ変換を行う（ステップＳ４）。逆ＤＴＦＴ変換により時間領域に再変換され、時系列データ化した波形２を、基準波形１とともに表示したグラフが図６である。図６のグラフで横軸は時間軸である。図６のグラフから、図４のグラフと比較して、最大ピーク信号の時間ずれが除去されていることが分かる。

次に、波形合成手段１５により、図６に示されている波形１と波形２とを合成し（ステップＳ５）、合成波形表示手段１６により合成した波形をモニター８に表示させる（ステップＳ６）。図７は、合成した波形を示している。

比較例として、図４の波形１と波形２とをそのまま合成した波形を、図８に示す。図８と比べ、図７の波形のピークが大きく表示されていることが分かる。

上記の説明から明らかなように、本発明によれば、モニターに表示された実時間波形を見て時間ずれ量を調整することができる。従って、表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅと被検体の欠陥との距離の違い、表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅの特性のバラツキ、配置のバラツキ等により現れる受信信号における受信時刻の違いを、個別に調整により取り除き、加算することでより強度の大きい受信信号を得ることができる。欠陥までの距離が大きく、反射波が微弱であっても適切な波形合成により、合成波形を大きくしてモニターに表示できる。

上記実施例において、複数の表面ＳＨ波探触子で受信した波形信号の全てを合成処理せずに、一部の複数の受信波形信号を合成処理することもできる。例えば、５つの表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｅから表面ＳＨ波を発信させ、３つの表面ＳＨ波探触子１ａ〜１ｃで受信した受信波形信号を合成処理することもできる。それにより、モニターに表示された複数の実時間波形の中から、ピークの大きい波形だけを取り出して合成することもできるため、より大きいピーク高さの波形に合成することが可能となる。

なお、上記ステップＳ４において逆ＤＴＦＴ変換により時間領域に再変換され、時系列データ化した波形２と、波形１との間に未だ時間ずれ量Δｔ’がある場合に、その時間ずれ量Δｔ’を、その再変換された波形２の波形信号と波形１の波形信号ととの相互相関関数を求めることにより求める時間ずれ量検出手段を制御プログラムに付加することもできる。一般に、信号波形ｇ（ｉ）と信号波形ｈ（ｉ）の相互相関関数Ｃ（ｔ）は、下記計算式（２）によって求めることができる。

一方の波形をずらした時間（遅れ時間）の関数として表したものが相関関数であるから、相互相関関数の値がもっとも大きい時間から時間ずれ量Δｔ’を算出することができる。そうして求めた時間ずれ量Δｔ’を用いることにより、上記ステップ２〜ステップ５と同様の操作により、さらに時間ずれを調整して波形を合成することも可能である。

さらに、合成波形のエコー高さと被検体の欠陥の深さとの関係をデータベース化し、合成波形の最大ピーク時のエコー高さから被検体の欠陥の深さをモニター８に表示させるようにしても良いし、劣化の有無や劣化の程度の判定するようにしても良い。また、合成波形の時刻から、表面ＳＨ波探触子から被検体の欠陥までの距離をモニター８に表示させるようにしても良い。

上記実施形態においては表面ＳＨ波探触子を個別に配置する例について説明したが、複数の表面ＳＨ波探触子が組み込まれて固定されている探触子アレイを用いることもできる。この場合、複数の表面ＳＨ波探触子の中には、その配置によって反射波を受信しないか或いは受信しても微弱であるものが含まれる場合があり、そのような場合に反射波を受信せずモニターに波形が表示されないか表示されてもピークが小さいものを除いて合成し、あるいは、モニター表示された反射波波形データのうちピークの大きい波形を幾つか選んで合成することにより、適切な合成が可能となる。

本発明に係る超音波探傷方法を実施するためのシステム構成例を示す斜視図である。 図１のシステム構成における超音波受信波形信号の処理を説明するための機能ブロック図である。 本発明に係る超音波探傷方法のデジタル信号処理における制御フローを示すフローチャートである。 本発明に係る超音波探傷方法を説明するためのモニター画像の一つである。 本発明に係る超音波探傷方法を説明するためのモニター画像の一つである。 本発明に係る超音波探傷方法を説明するためのモニター画像の一つである。 本発明に係る超音波探傷方法を説明するためのモニター画像の一つである。 本発明に係る超音波探傷方法との比較例を説明するための波形表示グラフである。

符号の説明

１ａ〜１ｅ 表面ＳＨ波探触子
２ 多チャンネル送受信装置
３ Ａ／Ｄ変換器
４ 制御コンピュータ
５ 被検体

Claims (4)

1. 複数の表面ＳＨ波探触子を被検体の表面の適宜位置に配置するステップと、
   前記複数の表面ＳＨ波探触子の各々から得られる超音波受信波形信号をコンピュータによりデジタル信号処理するステップとを有し、
   前記超音波受信波形信号のコンピュータによるデジタル信号処理は、
   前記複数の表面ＳＨ波探触子の各々から得られる超音波受信波形信号をモニターに表示させるステップと、
   前記各超音波受信波形信号のうち、基準となる超音波受信波形信号以外の超音波受信形信号を、複素周波数スペクトルに変換するステップと、
   前記基準となる超音波受信波形信号のピークと他の超音波受信波形信号とピークの時間ずれを補正するために、入力手段を通じて入力された時間ずれに対応する入力値に基づき、前記複素周波数スペクトルに対して位相補正計算を行うステップと、
   前記位相補正計算後の各複素周波数スペクトルを、時間を変数とする超音波受信信号に再変換するステップと、
   前記再変換された超音波受信波形信号と前記基準となる超音波受信波形信号とを合成するステップと、
   合成した超音波受信波形をモニターに表示させるステップと、を有することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記合成した波形のピーク高さから、被検体の劣化を判定するステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
3. 請求項１又は２に記載したデジタル信号処理の各ステップをコンピュータに実行させるための超音波探傷プログラム。
4. 請求項３に記載の超音波探傷プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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