JP2010175520A

JP2010175520A - 超音波検査装置

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Publication number: JP2010175520A
Application number: JP2009021783A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kizu; 健一木津; Tomoyuki Sawayama; 智之澤山
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】ノイズを受信超音波信号から除去して正確な超音波検査結果を得る。
【解決手段】超音波検査装置は、測定対象物に超音波を入射させ、前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子１０と、超音波探触子１０が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔を測定し、当該ピークの間隔を用いて測定対象物の厚さを算出する計算部２８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、超音波探傷試験や板厚測定等に好ましく使用することができる超音波検査装置に関する。

従来から、種々の分野において、金属部品等の厚さを測定するため、あるいは、表面または内部の亀裂の発生やその大きさを調べるため、超音波を用いた検査が行われている（例えば、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。超音波による厚さの測定は、測定対象物に超音波を入射し、測定対象物の底面で反射した超音波を受信することにより行うことができる。

また、特許文献２には、一対の車輪の内部に送信用探触子及び受信用探触子をそれぞれ内蔵した超音波探傷装置が開示されている。また、特許文献３には、超音波振動子と測定対象物との間に回転可能に保持された球体を備える超音波探触子が開示されている。このような超音波探傷装置によれば、送信用探触子及び受信用探触子、あるいは超音波探触子を測定対象物から離すことなくその位置を移動させることができるので、効率よく連続して測定を行うことができる。
特開昭５４−１５０１８８号公報特開２００５−３１５８００号公報特開２００８−５１５５７号公報「ブリティッシュ・スタンダード(BRITISH STANDARD)」、１９９３年、ＢＳ７７０６ジョセフ・クラウトクレーマ(Josef Krautkramer)、ヘルベルト・クラウトクレーマ(Herbert Krautkramer)著、「ウルトラソニック・テスティング・オブ・マテリアルズ(Ultrasonic Testing of Materials)」、スプリンガー・ベルラーグ(Springer Verlag)、１９９０年、ｐ．３２３「超音波探傷試験III」、社団法人日本非破壊検査協会、１９８９年２月１日、ｐ１３３−１３４

しかしながら、上記従来技術のように、車輪や球体などの断面円形の回転体を超音波が通過する場合、回転体内部で超音波の多重エコーが発生しやすい。この多重エコーは、超音波検査の結果の精度を下げるノイズとなる。

ゆえに、本発明は、ノイズを受信超音波信号から除去して正確な超音波検査結果を得ることができる超音波検査装置を提供することを目的とする。

本願明細書に開示の超音波検査装置は、測定対象物に超音波を入射させ、前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子と、前記超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔を測定し、当該ピークの間隔を用いて前記測定対象物の厚さを算出する計算部を備える。

計算部は、信号のスペクトルにおける周波数のピークの間隔に基づいて測定対象物の厚さを計算するので、ノイズの影響の少ない正確な検査結果を得ることができる。

本願明細書の開示の超音波検査装置によれば、ノイズを受信超音波信号から除去して正確な超音波検査結果を得ることが可能になる。

本発明の実施形態において、前記計算部は、前記超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔の平均値Δｆを計算し、平均値Δｆ及び前記超音波の音速ｖ_sを用いて、下記式（１）により、前記測定対象物の厚さＤを計算することができる。

Ｄ＝ｖ_s／（２Δｆ） ―――（１）
上記式（１）を用いることにより、超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトルにおけるピークの間隔から、測定対象物の厚さＤを計算することができる。そのため、ノイズの影響の少ない正確な検査結果が得られる。

本発明の実施形態において、前記超音波探触子は、超音波振動子と、前記超音波振動子と前記測定対象物との間に回転可能に配置され、超音波が通過する断面円形の回転体を有してもよい。

超音波探触子と測定対象物との間に配置された回転体により、超音波探触子は、測定対象物との密着状態を維持して、超音波を入射ながら測定対象物の表面上を移動することができる。そのため、超音波探触子を測定対象物から離すことなく、効率よく連続して測定ができる。

本発明の実施形態において、超音波検査装置は、前記超音波探触子が受信した前記超音波の信号から、予め設定された上限周波数より高い周波数成分及び予め設定された下限周波数より低い周波数成分の少なくともいずれかを除去する信号処理部をさらに有してもよい。

信号処理部のフィルタは、超音波探触子が受信した超音波から、上限周波数より高い周波数成分及び下限周波数より低い周波数成分の少なくともいずれかを除去する。これにより、受信超音波信号からノイズを除去することができる。その結果、さらに正確な検査結果を得ることができる。なお、超音波探触子が、前記超音波振動子と、前記回転体とを有する構成においては、特に、前記回転体で生じる多重エコーによるノイズを信号処理部のフィルタで除去することができるので、さらに、効率よくノイズを除去することができるとともに、効率のよい連続測定が可能になる。

本発明の実施形態において、超音波検査装置は、前記上限周波数及び下限周波数の少なくともいずれかの入力を、ユーザから受け付けて、前記信号処理部の前記フィルタの前記上限周波数及び下限周波数として記録する設定部をさらに備えてもよい。設定部により、ユーザは、ノイズを除去するのに適切な、前記上限周波数及び下限周波数の少なくともいずれかの値を設定することができる。

測定対象物に超音波を入射させ、前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子と通信可能なコンピュータに処理を実行させる超音波検査プログラムであって、前記超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔を計算する処理と、当該ピークの間隔を用いて前記測定対象物の厚さを算出する処理をコンピュータに実行させる超音波検査プログラムも本発明の実施形態に含まれる。また、そのようなプログラムを記録した記録媒体、及びそのようなプログラムに従ってコンピュータが実行する超音波検査方法も本発明の実施形態に含まれる。

（第１の実施形態）
［超音波検査装置の構成］
図１は、本実施形態にかかる超音波検査装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。図１に示す超音波検査装置は、超音波探触子１０とコンピュータ２とを備える。超音波探触子１０とコンピュータ２は配線ケーブル１４で接続される。コンピュータ２には、入力装置５１と表示装置５２が接続されている。

超音波探触子１０は、測定対象物に接触して超音波を入射し、測定対象物において反射した超音波を受信する。超音波探触子１０の詳細な構成は後述する。なお、コンピュータ２に接続される超音波探触子１０の数は、１つに限られず、複数の超音波探触子１０がコンピュータ２に接続される構成であってもよい。

コンピュータ２は、入力装置を介したユーザからの指示に従って、超音波探触子１０を制御する。また、コンピュータ２は、超音波探触子１０が受信した超音波の信号処理及び解析処理を実行し、その結果を表示装置へ出力する。コンピュータ２は、ＣＰＵ及びメモリを備えるパーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータで構成されてもよいし、超音波検査装置専用の集積回路により構成されてもよい。なお、本実施形態では、超音波探触子１０とコンピュータ２がそれぞれ別の筐体で形成されて配線ケーブル１４により接続されるが、超音波探触子１０とコンピュータ２は、１つの筐体に形成されてもよい。また、コンピュータ２と超音波探触子１０は、無線により信号またはデータの送受信を行ってもよい。

入力装置５１は、例えば、マウス、キーボード、タブレットあるいはボタン等を含む。表示装置５２は、例えば、液晶パネル、ＳＥＤ、有機ＥＬ等を含む。

コンピュータ２は、記録部２５、制御部２６、計算部２８及びユーザインタフェース部（ＵＩ部）２９を備える。制御部２６、計算部２８、ユーザインタフェース部（ＵＩ部）２９の各機能部は、コンピュータ２が備えるプロセッサが所定のプログラムを実行することにより実現することができる。記録部２５は、例えば、コンピュータ２に内蔵されたメモリ、ハードディスク等の内部記録装置の他、コンピュータ２がアクセス可能な外部記録装置により実現することができる。なお、上記各機能部の処理をコンピュータ２に実行させるプログラム、及びそのようなプログラムを記録した記録媒体も本発明の実施形態に含まれる。

［コンピュータ２の各機能部の説明］
ＵＩ部２９は、ユーザとのコンピュータ２との間の情報のやりとりを可能にするインタフェースである。ＵＩ部２９は、例えば、入力装置５１を介してユーザからの入力を受け付けて、制御部２６に渡す。また、ＵＩ部２９は、計算部２８の計算結果を受け取り、表示装置５２へ表示する。

制御部２６は、ユーザからの入力にしたがって、超音波探触子１０の動作を制御する。例えば、制御部２６は、超音波探触子１０へ超音波の発信及びその停止を指示する信号を送ることにより、超音波入射のタイミングを制御することができる。本実施形態では、超音波探触子１０をユーザが直接操作して測定位置を決定する場合について説明するが、超音波探触子１０の位置、超音波を測定対象物へ入射する角度等を、制御部２６が自動的に制御してもよい。

超音波探触子１０が受信した超音波は、電気信号に変換されて、記録部２８に記録される。

計算部２８は、記録部２５に記録された信号に基づいて、測定対象物の構造を示す値を計算する。計算された値は、ＵＩ部２９を通じて表示装置５２へ表示することができる。計算部２８は、例えば、超音波が超音波探触子１０から測定対象物へ入射されてから超音波探触子１０で受信されるまでの時間を計算し、この時間から超音波の進んだ距離を計算することができる。これにより、例えば、測定対象物の板厚や、亀裂の深さ等を求めることができる。

計算部２８は、測定対象物の厚さを求める際に、超音波探触子１０が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、この信号のスペクトルにおけるピークの間隔を測定し、当該ピークの間隔を用いて測定対象物の厚さを算出する。なお、計算部２８による厚さ算出の詳細については後述する。

［超音波探触子１０の構成］
図２は超音波探触子１０の概略構成の一例を示した断面図、図３はその外観斜視図、図４はその分解斜視図である。

超音波探触子１０は、超音波を放出し及び／又は超音波を受信する超音波振動子１１と、超音波振動子１１と測定対象物１００との間に配置される球体１２とを備える。球体１２は、回転体の一例である。

超音波振動子１１は、吸音材などを含む振動子ホルダ１３の下端に固定されている。振動子ホルダ１３から導出された配線ケーブル１４を介して超音波振動子１１に対して電気信号の授受が行われる。振動子ホルダ１３は、略円柱状の第１支持部材２１の中心軸にほぼ沿って形成された貫通孔２１ａ内に挿入され、固定ネジ１５を用いて第１支持部材２１に固定される。

中空円筒形状の第２支持部材２２の一方の側の開口から、球体１２及び複数の支持ボール１６が順に挿入され、更に第１支持部材２１が嵌入される。第２支持部材２２の他方の側の開口近傍の内壁面にはシール２３が環状に突出して形成されている。シール２３が、この他方の側の開口から球体１２が脱落するのを防止している。複数の支持ボール１６及びシール２３により、球体１２は第１支持部材２１及び第２支持部材２２により形成されたカップ状の空間内に任意の方向に自由に回転可能に保持される。

図２に示すように、超音波振動子１１と球体１２とは互いに近接し且つ対向して配置されている。超音波振動子１１と球体１２との間の隙間を含む、球体１２が収納されたカップ状の空間内には液状媒体１７が充填されている。液状媒体１７は、第２支持部材２２の側壁に形成された貫通孔に挿入された注入パイプ１８を介して注入される。シール２３は液状媒体１７が漏出するのを防止している。

球体１２の材料は特に限定されないが、ゴム系材料であることが好ましい。ゴム系材料としては、例えばシリコンゴム、ＮＢＲゴム、ウレタンゴム、バイトンゴムなどを使用することができる。ゴム系材料を用いることにより、測定に際して球体１２が測定対象物１００の表面に押し付けられると、球体１２が変形して測定対象物１００の表面に密着してある面積を有する接触領域１１０が形成される。これにより、接触領域１１０を介して測定対象物１００と球体１２との間での超音波の伝播が容易になり、超音波探傷において通常必要である超音波探触子と測定対象物との間に付与される接触媒質が不要になる。

超音波振動子１１から放出された超音波は、球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域１１０内又はその近傍にビーム状に集束されることが好ましい。これにより、より強い超音波を測定対象物１００内に入射させることができる。また、超音波が測定対象物１００に入射せず、球体１２の表面で反射することで発生するノイズを抑制することができる。

超音波を集束するための方法は特に限定されない。例えば、図２に示すように、超音波振動子１１としてコンポジット振動子を用い、その球体１２に対向する面が凹曲面となるようにコンポジット振動子を変形させてもよい。コンポジット振動子とは、ポリマーなどのシート状物に多数の微小な圧電セラミックを格子点状に埋め込んだ複合振動子である。コンポジット振動子は可撓性を有し、任意の３次元曲面に容易に成形することができる。特に１−３コンポジット振動子はエネルギー変換効率が高く、高感度であるので好ましい。コンポジット振動子の球体１２に対向する面が凹曲面となるようにコンポジット振動子を変形させることにより、球体１２に対する超音波の入射角が小さくなるので、球体１２
の表面で反射され、球体１２内に入射しない超音波を低減できるという効果も得られる。

コンポジット振動子の球体１２に対向する面の曲率半径は、球体１２の外表面の曲率半径よりやや大きいことが好ましい。これにより、集束された超音波ビームの焦点位置を、球体１２と測定対象物１００の表面との接触領域１１０にほぼ一致させることができる。なお、超音波を集束するための方法は、上記に限定されない。

液状媒体１７は、超音波振動子１１と球体１２との間での超音波の伝播を容易にする。液状媒体１７の材料は特に制限はないが、例えばグリース、グリセリンなどを使用することができる。液状媒体１７中を伝播する超音波の伝播速度が球体１２中を伝播する超音波の伝播速度及び／又は支持部材中を伝播する超音波の伝播速度と同じになるように液状媒体１７の材料を選択すれば、超音波探触子１０の各部での超音波の反射によるノイズを低減することができる。

支持ボール１６は球体１２より小径の球状体である。支持ボール１６の材料は特に制限はないが例えばステンレス鋼を用いることができる。支持ボール１６の個数も特に制限はない。なお、球体１２を自由に回転させることができれば、複数の支持ボール１６以外の方法により球体１２を支持してもよい。

［測定対象物の厚さ測定方法の例］
次に、超音波探触子１０を用いた測定対象物１００の厚さ測定方法の一例を説明する。図５は、測定対象物１００の厚さ測定時における超音波探触子１０の配置を説明するための図である。図５に示す厚さ測定の例では、１つの超音波探触子１０が用いられる。まず、ユーザは、図２に示すように、接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線上に超音波振動子１１がほぼ位置するように、超音波探触子１０を測定対象物１００に押し付ける。次いで、コンピュータ２の制御部２６からの指示により、超音波振動子１１を振動させる。超音波振動子１１から放出された超音波は、液状媒体１７、球体１２を順に通過して、接触領域１１０を介して測定対象物１００に入射する。入射した超音波は測定対象物１００の入射面とは反対側の面に到達し、ここで反射されて、上記と逆の経路を通って超音波振動子１１に入射してこれを振動させる。超音波振動子１１はこの振動を電気信号に変換して、コンピュータ２へ出力する。コンピュータ２において、前記電気信号を信号処理部２４でフィルタ通過させてから、超音波振動子１１による超音波の送信から受信までの時間を計測すれば、測定対象物１００の厚さを計算することができる。

測定対象物１００上の測定位置を変えるには、超音波探触子１０を測定対象物１００に押し付けたままで超音波探触子１０を任意の方向に移動させればよい。移動中、球体１２は測定対象物１００の表面との密着状態を維持しながら測定対象物１００上を転がる。従って、移動中も超音波の送信と受信とを繰り返し行えば、厚さ測定を次々に連続的に行うことができる。記録部２５には、例えば、超音波探触子１０の測定対象物１００上の位置と、その位置において受信した超音波の信号とが対応付けられて記録される。

［測定対象物の亀裂深さの測定方法の例］
次に、超音波探触子１０を用いた、測定対象物１００上に形成された亀裂深さの測定方法の例を説明する。亀裂深さ測定では２つの超音波探触子１０を備えた超音波検査装置を用いる。２つの超音波探触子１０のうちの一方を、超音波を送信する送信用探触子（送波子）とし、他方を超音波を受信する受信用探触子（受波子）とする。図６は、亀裂深さの測定時の超音波探触子１０の配置例を示す図である。図６に示す例では、送信用探触子１０−１と受信用探触子１０−２とをあらかじめ定めた距離を隔てて測定対象物１００の表面上に配置する。このとき、送信用探触子１０−１と受信用探触子１０−２との間を測定対象物１００の表面に形成されている亀裂１０１が横切るように、２つの超音波探触子１０−１，１０−２の位置を調整する。

ユーザは、２つの超音波探触子１０−１，１０−２を測定対象物１００に同時に押し付ける。このとき、測定対象物１００に対する超音波探触子１０−１，１０−２の角度は、垂直、即ち、図２に示すように接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線上に超音波振動子１１が位置する角度であってもよい。しかしながら、２つの超音波探触子１０−１，１０−２の間の亀裂に向かって超音波が送信され、且つこの亀裂からの超音波が受信されるように、図７に示すように、測定対象物１００の表面に対して２つの超音波探触子１０を互いに反対方向に傾斜させることが好ましい。測定中に２つの超音波探触子１０−１，１０−２の相対的位置関係（間隔及び傾斜角度など）が一定に維持されるように、２つの超音波探触子１０はホルダ（図示せず）で一体に保持されていることが好ましい。

図８に一方の超音波探触子１０−１についての測定対象物１００と球体１２と超音波振動子１１との相対的位置関係を示す。図２と異なり、図８に示すように超音波探触子１０−１を傾斜させると、接触領域１１０での測定対象物１００の表面に対する法線からずれた位置に超音波振動子１１が配置される。このとき、図８に示した超音波振動子１１と球体１２との間の間隔ｄ１，ｄ２がｄ１＜ｄ２を満足すると、超音波振動子１１から放出された超音波を接触領域１１０内に集束させやすくなるので好ましい。亀裂の深さが相対的に深い場合には超音波の減衰が大きくなるので、図７のように超音波探触子１０−１，１０−２を傾斜させること、更に、超音波振動子１１から放出された超音波を接触領域１１０内に集束させることは、亀裂深さを正確に測定するのに効果的である。

ユーザは、送波子から超音波を放出させながら、２つの超音波探触子１０−１，１０−２を測定対象物１００に同時に押し付けたまま移動させる。２つの超音波探触子１０−１，１０−２間に亀裂がなければ受波子（受信用探触子１０−２）は測定対象物１００の表面に沿って直進する超音波を受信し、２つの超音波探触子１０−１，１０−２間に亀裂があれば受波子は亀裂の底部（図６の底部１０１ａを参照）を回折した超音波を受信する。亀裂が深いほど受波子が受信する超音波のエネルギーは小さくなるので、コンピュータ２は、受信した超音波の振幅から亀裂の深さを測定することができる。また、深い亀裂であれば、超音波が送波子（送信用探触子１０−１）から送信された後、亀裂の底部を回折して受波子に受信されるまでの時間が長くなるので、コンピュータ２は、厚さ測定の場合と同様に、超音波の送信から受信までの時間を計測することにより、亀裂の深さを算出することもできる。

また、測定対象物１００の裏面で反射した超音波を受波子で受信し、超音波の送信から受信までの時間を計測することにより、２つの超音波探触子１０を用いて測定対象物１００の厚さを測定することもできる。

［厚さの計算例］
図９は、計算部２８が、測定対象物の厚さを計算する際の、動作の一例を示すフローチャートである。図９に示す例は、計算部２８が、超音波探触子１０から出力された信号を用いて、測定対象物の厚さを計算する場合の例である。

超音波探触子１０からの出力信号は、記録部２５に記録される。図９に示す例では、まず、計算部２８は、記録部２５に記録された前記出力信号を読み出して、スペクトル解析を実行する（Ｓ１）。計算部２８は、例えば、出力信号に対してＤＦＴ(Discrete Fourier Transform)、特に、ＦＦＴ(Fast Fourier Transform)等の演算を実行することにより、出力信号を時系列波形からスペクトルに変換することができる。

次に、計算部２８は、スペクトルにおける各ピークの間隔の平均Δｆを計算する（Ｓ２）。例えば、計算部２８は、スペクトル強度が所定値より高い点の周波数を抽出し、抽出した周波数のうち、隣り合う周波数の差の平均Δｆを計算する。

計算部２８は、Ｓ２で計算したピーク間隔の平均Δｆを用いて、測定対象物の厚さを計算する（Ｓ３）。例えば、計算部２８は、ピーク間隔の平均Δｆと超音波の音速ｖ_sを用いて、下記（１）式により測定対象物の厚さＤを計算することができる。
Ｄ＝ｖ_s／（２・Δｆ） ―――（１）
このように、本実施形態によれば、計算部２８は、信号のスペクトルにおける周波数のピークの間隔に基づいて測定対象物の厚さを計算するので、ノイズの影響の少ない正確な検査結果を得ることができる。特に、本実施形態のように、球型超音波探触子にて測定を行う場合、球体１２の内部で超音波が反射することによりノイズが発生しやすくなる。これに対処する方法として、上記のように、周波数変換してピークの間隔から厚さを計算することにより、ノイズの影響を受けないで厚さを計算することができる。そのため、より正確な探傷結果を得ることが可能になる。

なお、計算部２８による、スペクトルにおける周波数のピークの間隔に基づく測定対象物の厚さの計算は、上記のＳ２、Ｓ３で示した計算に限られない。

（第２の実施形態）
図１０は、本実施形態にかかる超音波検査装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。図１０において、図１と同じ機能ブロックには同じ番号を付す。図１０に示す超音波検査装置では、コンピュータ２が、信号処理部２４及び設定部２７をさらに備える。

信号処理部２４は、超音波探触子１０が受信した超音波の信号を受け取り、解析に適した状態に加工して記録部２５へ記録する。本実施形態では、信号処理部２４は、超音波の信号から、予め設定された上限周波数より高い周波数成分及び予め設定された下限周波数より低い周波数成分の少なくともいずれかを除去する。すなわち、信号処理部２４は、上限周波数と下限周波数との間の帯域の信号のみを通過させるバンドパスフィルタとして機能する。上限周波数と下限周波数の値は、予め記録部２５に記録しておくことができる。

設定部２７は、上限周波数と下限周波数の値の入力を、入力装置５１及びＵＩ部２９を介して、ユーザから受け付けて、記録部２５に記録する。信号処理部２４は、記録部２５に記録された上限周波数及び下限周波数の間の帯域の信号を通過させるフィルタとして動作することができる。

ここで、上限周波数及び下限周波数は、超音波の信号に含まれるノイズが除去されるように設定されることが好ましい。特に、後述するように、超音波探触子１０が備える球体内で発生した多重エコーが効率よく除去されるような、上限周波数及び下限周波数を設定することが好ましい。

例えば、ユーザは、超音波検査装置による検査を実施する場合、事前に検査の対象物と同じ材料で製作した試験片を用いて超音波検査装置を校正することができる。本実施形態の超音波検査装置の場合、試験片を用いた校正時に、ユーザが、上限周波数及び下限周波数を決定することができる。例えば、設定部２７は、校正時に、試験片から超音波探触子１０が受信した超音波の信号波形と、信号処理部２４を通過した超音波の信号波形とを、ＵＩ部２９を介して表示装置５２へ表示させてもよい。ユーザは、これらの信号波形を見ながら、ノイズが最も少なくなるように、信号処理部２４のフィルタの上限周波数及び下限周波数の値を調整することができる。

すなわち、設定部２７は、超音波探触子１０が受信した超音波の信号波形と、信号処理部２４で処理された超音波の信号波形とを表示装置５２に表示させるとともに、ユーザから、信号処理部２４の上限周波数及び下限周波数の値の入力を受け付ける機能を備えることができる。これにより、ユーザは、例えば、校正時に、信号波形を見ながらフィルタの制限周波数の値を設定することができる。なお、校正時には、超音波探触子１０における球体（後述）の材質及び寸法、感度などの、測定のためのパラメータも設定されてもよい。

なお、本実施形態では、信号処理部２４は、上限周波数及び下限周波数の間の帯域を通過帯域とするバンドパスフィルタとして機能する場合を説明したが、信号処理部２４の機能はこれに限られない。例えば、上限周波数より高い帯域の信号をカットするローパスフィルタとして機能してもよいし、下限周波数より低い帯域の信号をカットするハイパスフィルタとして機能してもよい。また、信号処理部２４は、フィルタの機能以外の信号処理を行ってもよい。

計算部２８は、信号処理部２４によって加工されて記録部２５に記録された信号に基づいて、測定対象物の構造を示す値を計算する。計算された値は、ＵＩ部２９を通じて表示装置５２へ表示することができる。計算部２８は、例えば、超音波が超音波探触子１０から測定対象物へ入射されてから超音波探触子１０で受信されるまでの時間を計算し、この時間から超音波の進んだ距離を計算することができる。これにより、例えば、測定対象物の板厚や、亀裂の深さ等を求めることができる。

［測定結果の例］
図１１は、本実施形態における超音波検査装置で板厚測定を実施した場合の超音波探触子１０からの出力信号の例を示す図である。図１１に示すグラフでは、縦軸が信号の大きさ、横軸が時間を示している。図１２は、設定部２７が、ユーザからの下限周波数及び上限周波数の入力を受け付ける際に、表示装置５２に表示される画面の例である。図１２に示す画面は、下限周波数（低域遮断周波数）及び上限周波数（高域遮断周波数）の入力エリアＮ１、Ｎ２を含んでいる。また、超音波探触子１０からの出力信号の周波数特性Ｓ１を示すグラフに、ユーザが入力した下限周波数Ｌ１及び上限周波数Ｈ１を示す線が表示されている。

図１３は、図１１に示す出力信号が、信号処理部２４のフィルタで処理された後の信号を表すグラフである。信号処理部２４のフィルタは、超音波探触子１０の出力信号から、球体１２内部での多重エコーを除去する。その結果、図１３に示すようなノイズが低減された信号が得られ、記録部２５に記録される。計算部２８は、ノイズが低減された信号を基に、測定対象物の板厚を計算するので、より正確な計算が可能になる。

なお、ユーザは、図１１の受信波形（超音波探触子１０からの出力信号）、図１２に示す周波数特性Ｓ１、及び図１３の信号波形を見て、板厚の多重エコーが明確になるように、適切な下限周波数及び上限周波数の値を決定することができる。ユーザは、決定した下限周波数及び上限周波数の値を、図１２に示す画面で入力することができる。

図１４は、本実施形態における超音波検査装置で亀裂深さ測定を実施した場合の超音波探触子１０−２からの出力信号の例を示す図である。図１５は、設定部２７が、ユーザからの下限周波数及び上限周波数の入力を受け付ける際に、表示装置５２に表示される画面の例である。図１５に示す画面は、下限周波数及び上限周波数の入力エリアＮ１、Ｎ２を含んでいる。また、超音波探触子１０−２からの出力信号の周波数特性Ｓ２を示すグラフに、ユーザが入力した下限周波数Ｌ２を示す線が表示されている。

図１６は、図１４に示す出力信号が、信号処理部２４のフィルタで処理された後の信号を表すグラフである。信号処理部２４のフィルタは、超音波探触子１０−２の出力信号から、球体１２内部での多重エコーを除去する。その結果、図１６に示すようなノイズが低減された信号が得られる。その結果、より正確な亀裂深さの計算が可能になる。

なお、ユーザは、例えば、図１４に示す超音波探触子１０−２からの出力信号、図１５に示す周波数特性Ｓ２、及び図１６に示す信号処理部２４のフィルタで処理された後の信号を見て、低周波ノイズが除去されるように、適切な下限周波数及び上限周波数の値を決定し、図１５に示す画面で入力することができる。

以上のように、信号処理部２４のフィルタにより、超音波探触子からの出力信号のノイズが低減されるので、より精密にゲート測定をすることが可能になる。

［計算部２８の動作例］
本実施形態では、計算部２８は、信号処理後の出力信号を記録部２５から読み出して、スペクトル解析を実行する。計算部２８は、例えば、出力信号に対してＦＦＴなどの演算を実行することにより、出力信号を時系列波形からスペクトルに変換する。図１７は、図１３に示すフィルタ処理後の信号に対するスペクトル解析結果の例を示すグラフである。すなわち、図１７は、図１３に示す信号を周波数表示（スペクトル表示）したものである。図１７に示すように、出力信号のスペクトルにおいては、周期的にピークが現れる。

次に、計算部２８は、スペクトルにおける各ピークの間隔の平均Δｆを計算する（図９のＳ２に相当）。そして、計算部２８は、計算したピーク間隔の平均Δｆを用いて、測定対象物の厚さを計算する（図９のＳ３に相当）。例えば、計算部２８は、ピーク間隔の平均Δｆと超音波の音速ｖ_sを用いて、上記（１）式により測定対象物の厚さＤを計算することができる。

図１７に示す場合、周波数ピーク間隔の平均Δｆ及び板厚Ｄは下記のようになる。
Δｆ＝９９４．７ｋＨｚ
Ｄ＝５９２０×１０³／（２×９９４．７×１０³）＝２．９７６［ｍｍ］
上記結果は、実際の板厚３ｍｍと略一致している。

このように、本実施形態によれば、計算部２８は、信号処理部２４でフィルタリングされた信号のスペクトルにおける周波数のピークの間隔に基づいて測定対象物の厚さを計算するので、ノイズの影響の少ない正確な検査結果を得ることができる。なお、計算部２８による、スペクトルにおける周波数のピークの間隔に基づく測定対象物の厚さの計算は、上記の計算例に限られない。

また、上記第１及び第２の実施形態では、板厚と亀裂深さ測定について説明したが、本発明に係る超音波検査装置の用途は、これらの測定に限られない。例えば、材料粗度の測定、材料または材質の判別、あるいは材料内部欠陥（ラミネーション、ボイド等）の推定も可能である。

第１の実施形態にかかる超音波検査装置の構成の一例を示す機能ブロック図超音波探触子１０の概略構成の一例を示した断面図図２に示す超音波探触子の外観斜視図図２に示す超音波探触子の分解斜視図測定対象物の厚さ測定時における超音波探触子の配置を説明するための図亀裂深さの測定時の超音波探触子１０の配置例を示す図２つの超音波探触子を互いに反対方向に傾斜させた構成を示す図測定対象物と球体と超音波振動子との相対的位置関係を示す計算部が、測定対象物の厚さを計算する際の動作の一例を示すフローチャート第２の実施形態にかかる超音波検査装置の構成の一例を示す機能ブロック図板厚測定を実施した場合の超音波探触子からの出力信号の例を示す図設定部が、ユーザからの下限周波数及び上限周波数の入力を受け付ける際に、表示装置に表示される画面例を示す図図１１に示す出力信号が信号処理部のフィルタで処理された後の信号を表すグラフ亀裂深さ測定を実施した場合の超音波探触子からの出力信号の例を示す図設定部が、ユーザからの下限周波数及び上限周波数の入力を受け付ける際に、表示装置に表示される画面例を示す図図１４に示す出力信号が、信号処理部のフィルタで処理された後の信号を表すグラフ図１３に示すフィルタ処理後の信号に対するスペクトル解析結果の例を示すグラフ

２コンピュータ
１０超音波探触子
１１超音波振動子
１２球体
１３振動子ホルダ
１４配線ケーブル
１５固定ネジ
１６支持ボール
１７液状媒体
１８注入パイプ
２１支持部材
２１ａ貫通孔
２２支持部材
２３シール
２４信号処理部
２５記録部
２５計算部
２６制御部
２７設定部
２８計算部
２９ＵＩ部
５１入力装置
５２表示装置
１００測定対象物

Claims

測定対象物に超音波を入射させ、前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔を測定し、当該ピークの間隔を用いて前記測定対象物の厚さを算出する計算部を備える、超音波検査装置。
前記計算部は、前記超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔の平均値Δｆを計算し、平均値Δｆ及び前記超音波の音速ｖ_sを用いて、下記式（１）により、前記測定対象物の厚さＤを計算する、請求項１に記載の超音波検査装置。
Ｄ＝ｖ_s／（２Δｆ） ―――（１）
前記超音波探触子は、
超音波振動子と、
前記超音波振動子と前記測定対象物との間に回転可能に配置され、超音波が通過する断面円形の回転体を有する、請求項１または２に記載の超音波検査装置。
前記超音波探触子が受信した前記超音波の信号から、予め設定された上限周波数より高い周波数成分及び予め設定された下限周波数より低い周波数成分の少なくともいずれかを除去する信号処理部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波検査装置。
前記上限周波数及び下限周波数の少なくともいずれかの入力を、ユーザから受け付けて、前記信号処理部の前記フィルタの前記上限周波数及び下限周波数として記録する設定部をさらに備える、請求項４に記載の超音波検査装置。
測定対象物に超音波を入射させ、前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子と通信可能なコンピュータに処理を実行させる超音波検査プログラムであって、
前記超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔を計算する処理と、
当該ピークの間隔を用いて前記測定対象物の厚さを算出する処理をコンピュータに実行させる、超音波検査プログラム。
測定対象物に超音波を入射させ、前記測定対象物からの超音波を受信する超音波探触子と通信可能なコンピュータが実行する超音波検査方法であって、
前記超音波探触子が受信する超音波の信号のスペクトル解析を実行して、前記信号のスペクトルにおけるピークの間隔を計算するステップと、
当該ピークの間隔を用いて前記測定対象物の厚さを算出するステップとを含む、超音波検査方法。