JP2010107284A - 超音波探傷装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサ情報設定部102Fは、超音波アレイセンサ101を構成する複数個の圧電素子に対して、送信及び受信する複数個からなる素子群(素子クラスタ)を複数個設定する。計算機102Gは、送信用の素子クラスタから超音波を送信し、受信用の素子クラスタにより超音波を受信したときの受信波を第一の受信信号として記録し、送信用の素子クラスタ及び受信用の素子クラスタを切り替えて、別の第一の受信信号を記録する手順を繰り返す。この繰り返しにより得られた複数の前記第一の受信信号を加算して、第二の受信信号を得る。第二の受信信号は中心位置を基準として表示部103に表示される。
【選択図】図1
Description
このとき、被検体に入射する超音波の角度や振動方式(縦波、横波等)を適切に選択し、また、超音波センサを移動させることで、欠陥からの反射波(エコー)が十分な強さで得られる位置を求め、検査対象の底面(遠い方の境界面)又は表面(近い方の境界面)からの反射波の受信時間の差と、材料音速(検査対象材料中の音速)の積算により、当該欠陥の寸法を同定している。
一方、近年では、フェーズドアレイ法など検査対象内部を高精度に画像化して検査する探傷方法が開発されている(たとえば、非特許文献1参照)。
ここで、フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を数十個程度配列した、いわゆる超音波アレイセンサを使用し、各圧電振動素子から送信される超音波の波面が干渉し合成波面を形成して伝播していくという原理に基づいたものであり、従って、各圧電振動素子の超音波送信タイミングを遅延制御し、それぞれのタイミングをずらすことで、超音波の入射角度が制御でき、超音波を集束させることができる。
また、超音波の受信に際しても、各圧電振動素子で受信した反射超音波をずらして加算することで、送信時と同様、超音波の受信入射角度を制御したり、焦点を合わせて超音波を受信したりすることができる。
そして、このフェーズドアレイ法としては、圧電振動子を直線的に走査するリニアスキャン方式や、超音波の送信と受信方向を扇状に変化させるセクタスキャン方式が一般的に知られているが、いずれの方式の場合も、超音波センサを動かすことなく超音波を高速に走査したり、超音波センサを交換することなく超音波の入射角度や集束深さの位置を任意に制御したりすることができ、従って高速且つ高精度の検査が可能な技術であるということができる。
上記従来技術の中で、フェーズドアレイ法の場合、超音波の入射角度や集束位置を複数の圧電振動素子により任意に制御し、高速且つ高精度の検査が行える利点がある。
一方、集束深さは、アレイセンサの開口(すなわち、アレイセンサを構成する圧電素子の寸法に素子数を乗算した値にほぼ等しい)によって決定されるため、例えば、被検体内の伝搬経路が長い場合や、被検体の板厚が厚い場合などは、その寸法に応じた集束深さを持つような大型(すなわち、多素子)のアレイセンサが必要となる。
例えば、周波数2MHzのアレイセンサを使って、鋼材(縦波超音波の音速が6000m/s、波長3mm)を探傷する場合を考える。一般に、開口の寸法がA(mm)の超音波探触子からは、以下の式(1)で表わされる近距離音場限界距離(NF)の近傍で超音波が強い強度を持つことが知られている。したがって、より厚い部材を検査するためには、より大きな開口の超音波探触子が必要となる。アレイセンサを用いる場合には、通常、周波数や圧電素子間のピッチは一定であるため、圧電素子の数を増やした多素子のアレイセンサを用いて探傷することとなる。
このような課題を克服するために、超音波アレイセンサの一部の素子数に対応した少数のパルサーとレシーバを用いた画像化手法として、たとえば、開口合成法と呼ばれる方法がある(非特許文献2)。
開口合成法では、通常、センサ開口の小さな単一の超音波探触子を用いて、被検体内に波動が広く拡散するようにして超音波を送信し、同一または異なる超音波探触子によって、被検体内部からの反射超音波信号(エコー)を受信する。
このとき、受信された反射超音波の音源となる欠陥の位置は、超音波の伝搬路程が既知であることから、超音波を送信し受信した圧電振動素子の位置を中心とし、反射超音波の伝播距離を半径とした円弧上(または、送信用と受信用の圧電振動子が異なる場合には、送信用圧電振動子と受信用圧電振動子を焦点位置とする楕円弧上)に存在することが原理的にみちびかれる。
この原理を用いて、送信及び受信用の超音波探触子の位置を順次変えながら、超音波の送信と受信を行い、各探触子位置における受信信号を、電子計算機上で演算して円弧状(または楕円弧状)に拡張ことにより、真の反射源位置(欠陥の存在する位置など)には、前記の円弧の交点が集中し、欠陥の位置が特定されるような画像化結果を得るものである。
本発明の目的は、アレイセンサを構成する素子と比較して、少ないパルサー及びレシーバにより構成しつつ、多素子の圧電素子を駆動して画像化することにより、高分解能・高SN比である探傷結果を得られるようにした超音波探傷装置及び方法を提供することにある。
かかる構成により、アレイセンサを構成する素子と比較して、少ないパルサー及びレシーバにより構成しつつ、多素子の圧電素子を駆動して画像化することにより、高分解能・高SN比である探傷結果を得られるものとなる。
かかる方法により、アレイセンサを構成する素子と比較して、少ないパルサー及びレシーバにより構成しつつ、多素子の圧電素子を駆動して画像化することにより、高分解能・高SN比である探傷結果を得られるものとなる。
最初に、図1を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の構成について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。
超音波アレイセンサ101は、図示のように、基本的には1次元または2次元的に配列された、超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子104で構成される。超音波アレイセンサ101は、被検体100の探傷面に、接触媒質(水、グリセリンなどの液体)またはシュー(アクリル等の合成樹脂製)を介して設置される。超音波アレイセンサ101は、送受信部102から供給される駆動信号により超音波105を発生し、これを被検体100内に伝搬させ、これにより現れる反射波(エコー)106を検知して受信信号を送受信部102に入力する。
なお、図1のアレイセンサ101は、N個(N=Na+Nb+Nc+Nd)の圧電素子から構成されているものとし、コネクタやケーブルを介して送受信部102に接続されている。ここで、個数Na,Nb,Nc,Ndは、全て等しく、たとえば、64個とし、個数Nが256個とする。ただし、個数Na,Nb,Nc,Ndは、必ずしも等しい個数でなくてもよいものである。
送受信部102は、超音波アレイセンサ101により超音波の送受信を行うものである。送受信部102は、送信切替回路102Aと、受信切替回路102Bと、パルサー102Cと、レシーバ102Dと、遅延時間制御部102Eと、センサ情報設定部102Fと、計算機102Gと、データ記録部102Hと、画像処理部102Mとを備える。センサ情報設定部102Fは、送信に用いるための素子群(素子クラスタ)を決定し、それに基づき、送信切替回路102Aで使用する素子クラスタとパルサーを電気的に接続する。これにより、パルサー102Cから駆動信号が超音波アレイセンサ101に供給され、超音波アレイセンサのうち、送信用の素子クラスタ101Aから超音波105が送信される。被検体100の内部に送信された超音波は、たとえば、反射源111によって反射波(エコー)が生じ、超音波106が発生する。次に、送信の場合と同様に、センサ情報設定部102Eで決定され、受信切替回路102Bにより素子クラスタとレシーバが接続されることで、受信用の素子クラスタ101Dで受信された信号が、レシーバ102Cで処理される。
計算機102Gは、送信切替回路102A、受信切替回路102B、パルサー102C、レシーバ102D、遅延時間制御部102E、データ記録部102H、画像処理部Mを制御し、必要な動作が得られるようにするものであり、また、データ収録部102Cで受信された信号を合成して画像化を行うものである。
センサ情報設定部102Fは、超音波アレイセンサ101を構成するN個の圧電素子を、複数の圧電素子群(素子クラスタ)に分割するように設定する。また、センサ情報設定部102Fは、において遅延時間及び表示の基準となるセンサ中心位置103Aを設定し、アレイセンサ101に与える遅延時間を計算機102Gで計算するかあるいは計算済みのデータを保管する。この遅延時間に基づき、遅延時間制御部102Eから、アレイセンサ101に対する遅延パターンを与える。なお、センサ情報設定部102Fによって、素子クラスタが設定されると、計算機102Gが、設定された圧電素子群の中央の位置を、センサ中心位置103Aと設定するようにしてもよいものである。
素子切替部(送信用102A、受信用102B)は、送信及び受信に用いる素子クラスタを切り替える。たとえば、超音波アレイセンサ101がN個の圧電振動素子群で、4個の素子クラスタ101A〜101Dから構成される場合、1)素子クラスタ101Aで送信し、素子クラスタ101Aで受信する、2)素子クラスタ101Aで送信し、素子クラスタ101Bで受信する、…という動作をセンサ情報設定部102Fで決定されるパターンについて繰り返す。たとえば、図1のように、アレイセンサ101を4つの素子クラスタ101A〜101Dに分割する場合には、送信用素子クラスタとして4パターン、受信用クラスタとして4パターン、合計4×4=16パターンについて、送受信の素子クラスタの組み合わせを切り替えることとなる。
なお、受信用素子クラスタを構成するそれぞれの圧電素子で受信した信号はAD変換などを行い、さらに、遅延時間パターンに基づいた遅延を与えられて、ひとつの受信信号(第一の受信信号)として加算・合成される。したがって、たとえば、送受信それぞれ4パターン(計16パターン)を切り替える場合、合計で16個の第一の受信信号がデータ記録部102Hに記録される。
計算機102Aは、データ記録部102Hに記録されている第一の受信信号を加算・合成することで、第二の受信信号とする。この第二の受信信号を、表示部103に超音波画像として表示する。このとき、遅延時間の基準であるセンサ中心位置103Aが表示においても同様に基準位置となる。
ここで、図2〜図9を用いて、本実施形態による超音波探傷装置の動作について説明する。
最初に、図2を用いて、本実施形態による超音波探傷装置にて設定される焦点位置について説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置にて設定される焦点位置の説明図である。
センサ情報設定部102Fにおいて、被検体100を探傷するために、超音波ビームを集束させるための位置(すなわち、焦点)として、焦点位置Fが設定されているとして、以下説明する。
N個の圧電素子から構成される超音波アレイセンサ101のうち、1〜Na個までの部分を素子クラスタ101Aとする。また、センサ情報設定部102Fにおいて、センサ中心位置を点Cに設定する。例として、素子クラスタAのi番目の素子に対する遅延時間の求め方は以下のようになる。
センサ中心Cと焦点位置Fの往復伝搬時間Tを求めると、線分CFの2倍を被検体中の超音波音速で除算した値となる。また同様に、圧電素子Iと焦点Fの往復伝搬時間Tは、線分I−Fの2倍を音速で除算した値となる。
焦点Fに超音波を集束させるためには、各圧電素子からの超音波ビームが焦点Fで同位相、すなわち、伝搬時間が等しくならなければならない。また、最終的な超音波画像の基準位置を点Cに設定したため、超音波アレイセンサ101によって焦点Fを計測した場合、超音波伝搬距離が線分C−Fと一致する必要がある。以上から、各素子から焦点までの伝搬時間を、センサ中心位置とした場合の伝搬時間と一致させるように、伝搬時間に対して遅延処理をかければよいものである。
次に、図3〜図5を用いて、本実施形態による超音波探傷装置における伝搬時間及び遅延時間について説明する。
図3及び図4は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置における伝搬時間の説明図である。図5は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置における遅延時間の説明図である。
図3は、センサ中心Cと焦点位置Fの往復伝搬時間Tと、圧電素子Iと焦点Fの往復伝搬時間Tを模式的に示している。図3(A)は、経路CF→FCの伝搬時間を示し、図3(B)は、経路IF→FIの伝搬時間を示し、図3(C)は、経路IF→FIに対する遅延時間を示している。
図4は、圧電素子の番号と焦点までの伝搬時間Tの関係を示している。センサ中心位置103Aの伝搬時間T0を基準として、各圧電素子に対する伝搬時間Tから減算する。
このように遅延時間ΔT(I)を各圧電素子に与えた後、第一の受信信号を順次記録する。
次に、図6及び図7を用いて、本実施形態による超音波探傷装置における複数の素子クラスタの組み合わせにより得られる受信信号について説明する。
図6及び図7は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置における複数の素子クラスタの組み合わせにより得られる受信信号の説明図である。
図8〜図10は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置における画像表示の説明図である。
図11は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置における超音波探傷方法の内容を示すフローチャートである。図12及び図13は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置に用いるアレイセンサの説明図である。
図11に示す本実施形態による超音波探傷方法の処理内容は、大きく3つの部分で構成される。
N個の圧電素子で構成される超音波アレイセンサ101を被検体100に設置する。第一のステップ(S1101〜S1104)は、超音波アレイセンサの初期設定である。ステップS1101の初期設定では、N個のアレイセンサに関して、例えば、被検体の超音波音速、圧電素子の数(N個)、アレイセンサ101を構成する圧電素子104の配列や間隔を設定する。
さらに、これらN個の圧電素子に対して、遅延時間や画像表示の際の基準となるセンサ中心位置を設定する(図11のステップS1102)。一般的には、図12及び図13に示すように、圧電素子の中心(図12の中心線1203A及び1203Bの交点、または、図13の中心線1303A及び1303Bの交点)をセンサ中心Cとして設定する。
次に、図2〜図5を用いて説明したように、単一または複数個の焦点Fに対して、アレイセンサの各素子に対する遅延時間のパターンを計算する(ステップS1103)。
第一の受信信号を収録するにあたって、送信及び受信に用いるための素子または素子群(素子クラスタ)を設定する(ステップS1104)。例として、図6に示すように、N個の圧電素子を4つのグループに分けて使用する場合を考える。たとえば、図12の1次元配列のアレイセンサ1201において、N=256個の場合、1〜64番目の圧電素子をクラスタA、65〜128番目をクラスタB、129〜196番目をクラスタC、197〜256番目をクラスタDとする。また、図13の2次元配列のアレイセンサ1301において、N=256個(P=16、Q=16)の場合、P=1〜8かつQ=1〜8をクラスタA、P=1〜8かつQ=9〜16をクラスタB、P=9〜16かつQ=1〜8をクラスタC、P=9〜16かつQ=9〜16をクタスタDとする。
第二のステップ(ステップS1105〜ステップS1109)は、第一の受信信号に関する処理である。
第3のステップ(ステップS1110〜ステップS1114)は、第二の受信信号及び表示に関する処理である。
図14は、本発明の第1の実施形態による超音波探傷装置によって得られる焦点ビームの有効距離の説明図である。
図15及び図16は、本発明の第2の実施形態による超音波探傷装置におけるセンサ中心位置の設定の説明図である。
また、図16の場合のように、仮想的なアレイセンサが、実際の超音波アレイセンサの外側に設定されてもよい。この場合には、領域1601で示される部分が仮想的なアレイセンサとして機能し、中心線1602A及び1602Bの交点をセンサ中心位置C’として設定する。
このように、遅延時間及び画像表示の基準となるセンサ中心の設定に自由度を持たせることで、被検体の厚みに応じて、例えば、被検体の浅い(薄い)領域を画像化する場合は圧電素子数を少なくし、深い(厚い)領域を画像化する場合は圧電素子数を多くするなど、仮想的なアレイセンサを構成する圧電素子の使用する部分を変えることができ、たとえば、深さ方向に対する画像の分解能を一定に保つことができる。
図17は、本発明の第2の実施形態による超音波探傷装置におけるセンサ中心位置の設定の説明図である。
また、仮想的なアレイセンサを実際のアレイセンサの外側に設定することにより、より広い領域の画像を得ることができる。図17を用いて、広範囲の画像について模式図で説明する。
以上のように、本実施形態によれば、仮想的なアレイセンサを設定し、それに対するセンサ中心位置を設定することにより、深さ方向での分解能を調整することや、より広範囲の画像を得ることができる。
図18及び図20は、本発明の第3の実施形態による超音波探傷装置における素子クラスタの組み合わせ設定の説明図である。図19及び図21は、本発明の第3の実施形態による超音波探傷装置における表示画面の説明図である。
101…超音波アレイセンサ
101A〜101D…素子クラスタ
102…送受信部
102A…送信切替回路
102B…受信切替回路
102C…パルサー
102D…レシーバ
102E…遅延時間制御部
102F…センサ情報設定部
102G…計算機
102H…データ収録部
103…表示部
103A…センサ中心位置
104…圧電素子
110…焦点位置
111…反射源
Claims (6)
- 1次元または2次元的に配列された複数個の圧電素子からなる超音波アレイセンサを用いて、被検体に超音波を送信し、前記被検体の表面または内部からの反射波(エコー)により前記被検体の内部を検査する超音波探傷装置であって、
前記超音波アレイセンサを構成する複数個の圧電素子に対して、送信及び受信する複数個からなる素子群(素子クラスタ)を複数個設定するセンサ情報設定手段と、
複数個設定された前記素子クラスタに対して、送信する前記素子クラスタを切り替える送信切替手段と、
複数個設定された前記素子クラスタに対して、受信する前記素子クラスタを切り替える受信切替手段と、
送信用圧電素子及び受信用圧電素子に対して前記遅延時間の基準となるセンサ中心位置を基準とした遅延時間を与える遅延時間制御手段と、
送信用に設定された素子クラスタから超音波を送信し、受信用に設定された素子クラスタにより超音波を受信したときの受信波を第一の受信信号として記録し、
送信用に設定された素子クラスタ及び受信用に設定された素子クラスタを切り替えて、別の第一の受信信号を記録する手順を繰り返し、
この手順の繰り返しにより得られた複数の前記第一の受信信号を加算して、第二の受信信号を得る計算機と、
前記第二の受信信号を前記中心位置を基準として表示する表示手段を備えることを特徴とする超音波探傷装置。 - 請求項1に記載の超音波探傷装置において、
前記計算機は、遅延時間の基準となるセンサ中心位置として、仮想アレイセンサを設定し、前記仮想アレイセンサの中心位置を用いることを特徴とした超音波探傷装置。 - 請求項1記載の超音波探傷装置において、
前記計算機は、
送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとを組み合わせるパターンであって、送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとが同一の素子クラスタである場合を含む第1のパターンと、
送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとを組み合わせるパターンであって、送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとが異なる素子クラスタである第2のパターンとに対して、
前記第1のパターンと前記第2のパターンを切り替えることを特徴とする超音波探傷装置。 - 1次元または2次元的に配列された複数個の圧電素子からなる超音波アレイセンサを用いて、被検体に超音波を送信し、前記被検体の表面または内部からの反射波(エコー)により前記被検体の内部を検査する超音波探傷方法であって、
前記超音波アレイセンサを構成する複数個の圧電素子に対して、送信及び受信する複数個からなる素子群(素子クラスタ)を複数個設定し、
複数個設定された前記素子クラスタに対して、送信する前記素子クラスタを切り替え、また、複数個設定された前記素子クラスタに対して、受信する前記素子クラスタを切り替え、
遅延時間の基準となるセンサ中心位置を基準として、送信用圧電素子または受信用圧電素子のいずれかまたは両方に対して前記遅延時間を与え、
送信用に設定された素子クラスタから超音波を送信し、受信用に設定された素子クラスタにより超音波を受信したときの受信波を第一の受信信号として記録し、
送信用に設定された素子クラスタ及び受信用に設定された素子クラスタを切り替えて、別の第一の受信信号を記録する手順を繰り返し、
この手順の繰り返しにより得られた複数の前記第一の受信信号を加算して、第二の受信信号を得た上で、
前記第二の受信信号を前記中心位置を基準として表示することを特徴とする超音波探傷方法。 - 請求項4に記載の超音波探傷方法において、
遅延時間の基準となるセンサ中心位置として、仮想アレイセンサを設定し、前記仮想アレイセンサの中心位置を用いることを特徴とした超音波探傷方法。 - 請求項4に記載の超音波探傷方法において、
送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとを組み合わせるパターンであって、送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとが同一の素子クラスタである場合を含む第1のパターンと、
送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとを組み合わせるパターンであって、送信するに用いる素子クラスタと受信に用いる素子クラスタとが異なる素子クラスタである第2のパターンとに対して、
前記第1のパターンと前記第2のパターンを切り替えることを特徴とする超音波探傷方法。
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