JP2013217830A - 超音波探傷方法及び超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の超音波探傷で発生するノイズをより低減することの可能な超音波探傷方法を提供する。
【解決手段】複数の振動子から構成されるアレイ探触子を介して前記被検体内に、チャープ波からなる超音波を伝搬し、被検体内に内在する欠陥部から反射した超音波を複数の振動子を介して受信する検査工程(S1)と、複数の振動子で受信したそれぞれの受信波を合成する合成処理工程(S2)と、合成した受信波と、予め設定された参照波との相関処理を行い、前記合成した受信波に含まれるノイズを低減する相関処理工程(S3)とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波探傷方法及び超音波探傷装置に係り、詳しくは構造物に内在するきず等の欠陥の深さや大きさ等を超音波を用いて検査する超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。

超音波探傷の１つであるフェーズドアレイ探傷法は、複数の振動子を配置し、振動子に印加する入力信号電圧のタイミングをずらすことで、超音波ビームの向きを変えたり、超音波ビームを絞ったりすることができる。このようなフェーズドアレイ探傷法では高検出、高精度の探傷が可能であり、探傷結果の画像化も可能であるため、構造物等の被検体内部に存在する欠陥の検査等に使用され、例えばボイラや原子力プラント等、多くの製品で利用されている。

ところで、超音波を入射させると減衰する高減衰材、例えば粉末成型体や多孔質成型体等は超音波の透過性が悪いため、感度を上げて超音波探傷を行う必要がある。しかしながら、感度を上げるとノイズの影響も大きくなるため、高減衰材に内在する欠陥部から反射した超音波による信号がノイズに埋もれてしまうことがあり、欠陥部を検出しにくいという問題がある。
このようなノイズを低減する信号処理の手法として、従来、ウェーブレットを使用する方法や（特許文献１）、超音波としてバースト波やチャープ波を使用する方法（特許文献２）、及び周波数フィルタを使用する方法等が知られている。

特許第４３７１３６４号 特開２０１２−３２２８５号公報

しかしながら、上述した特許文献１では、ウェーブレットの計算に必要な各パラメータについて開示されていないため、計測者による算出誤差が大きくなり、必ずしもノイズを良好に低減できるわけではないという問題がある。
また、上記特許文献２では、バースト波やチャープ波を超音波として用いて非破壊検査を行うことが開示されているが、例えばパルス波を用いた場合に比べてＳＮ比は向上するものの、ノイズによる影響は依然として残っているため、ノイズの更なる低減が求められている。
また、周波数フィルタを使用する場合、周波数フィルタの種類は非常に多いため、受信した出力信号に含まれるノイズの低減に好適なフィルタの調査が必要となり、調査に時間を要するため作業効率が悪くなり好ましくない。

本発明は、上述した課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、被検体の超音波探傷で発生するノイズをより低減することの可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１の超音波探傷方法は、フェーズドアレイ法を用いて被検体内に超音波を伝搬させて前記被検体を検査する超音波探傷方法において、複数の振動子から構成されるアレイ探触子を介して前記被検体内に、チャープ波からなる超音波を伝搬し、前記被検体内に内在する欠陥部から反射した超音波を前記複数の振動子を介して受信する検査工程と、前記複数の振動子で受信したそれぞれの受信波を合成する合成処理工程と、合成した受信波と、予め設定された参照波との相関処理を行い、前記合成した受信波に含まれるノイズを低減する相関処理工程と、を有することを特徴とする。

請求項２の超音波探傷方法では、請求項１において、前記参照波は、前記被検体内で反射した超音波であることを特徴とする。

請求項３の超音波探傷装置は、フェーズドアレイ法を用いて被検体内に超音波を伝搬させて前記被検体を検査する超音波探傷装置において、複数の振動子から構成されるアレイ探触子を介して前記被検体内に、チャープ波からなる超音波を伝搬させ、前記被検体内に内在する欠陥部から反射された超音波を前記複数の振動子を介して受信する検査手段と、前記複数の振動子で受信したそれぞれの受信波を合成する合成処理手段と、合成した受信波と、予め設定された参照波との相関処理を行い、前記合成した受信波に含まれるノイズを低減する相関処理手段と、を有することを特徴とする。

請求項４の超音波探傷装置では、請求項３において、前記参照波は、前記被検体内または同質の試験体内で反射した超音波であることを特徴とする。

請求項１の超音波探傷方法、請求項３の超音波探傷装置によれば、チャープ波からなる超音波を被検体内に伝搬して欠陥部から反射した超音波を各振動子で受信し、受信した受信波を合成した後に参照波を用いて相関処理を行う。

従って、ノイズの影響を低減できるチャープ波による超音波を用いて被検体に向けて送信し、受信した受信波を相関処理することでさらにノイズを低減できるので、被検体に内在する欠陥部を精度よく検出することができる。

本発明に係る超音波探傷装置の概略構成図である。 フェーズドアレイ探触子を用いて被検体の超音波探傷を行う一例を示す図である。 本発明に係る超音波探傷方法を示すフローチャートである。 水浸法で行う被検体の超音波探傷の概略図である。 （Ａ）は超音波としてチャープ波を用い、得られた信号を相関処理した結果を示す探傷波形の一例、（Ｂ）は超音波としてパルス波を用いて探傷を行った結果を示す探傷波形の一例、（Ｃ）は超音波としてパルス波を用い、得られた信号に周波数フィルタを適用した結果を示す探傷波形の一例、（Ｄ）は超音波としてパルス波を用い、得られた信号を相関処理した結果を示す探傷波形の一例である。 （Ａ）は超音波としてチャープ波を用い、得られた信号を相関処理した探傷結果から得られた探傷画像を模式的に表した図の一例、（Ｂ）は超音波としてパルス波を用いた探傷結果から得られた探傷画像を模式的に表した図の一例、（Ｃ）は超音波としてパルス波を用い、得られた信号を相関処理した探傷結果から得られた探傷画像を模式的に表した図の一例を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る超音波探傷装置を含む概略構成図である。
超音波探傷装置１は、例えば構造物等の被検体２に存在する割れや穴等の欠陥部２ａの欠陥情報を取得するための装置である。

超音波探傷装置１は、パルス発生器４、フェーズドアレイ探触子６、パルスレシーバ８、アナログ／デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）１０、演算処理装置１２、及びモニタ１８を備えている。
パルス発生器４は、フェーズドアレイ探触子６に接続されており、フェーズドアレイ探触子６への入力信号としてチャープ波を発生する。チャープ波とは、時間経過に伴い周波数が変化する信号である。

図２に示すように、フェーズドアレイ探触子６には、内部に振動子６ａが複数配置して設けられており、パルス発生器４から入力された入力信号により各振動子６ａが振動してチャープ波の超音波を発生する。発生した超音波は被検体２内を伝搬し、欠陥部２ａや被検体２の底面等によって反射した超音波（以下、エコーという）を各振動子６ａで受信する。パルス発生器４から振動子６ａに入力信号を入力するタイミングをずらすことによって、超音波ビームの方向や焦点深度Ｐ_fを変えることができる。なお、振動子６ａは直線状に配置されていてもよく、格子状や円形状に配置されていてもよい。

各振動子６ａが受信したエコー（受信波）は、パルスレシーバ８で電気信号に変換される。変換されたエコーはＡ／Ｄ変換器１０でデジタル変換される。演算処理装置１２は中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと略す）１４やメモリ１６から構成される。メモリ１６はＲＡＭ、ＲＯＭ等を含んで構成されており、各プログラムが格納されている。Ａ／Ｄ変換器１０で変換されたエコーは、演算処理装置１２で信号処理されてエコー波形としてモニタ１８に表示される。

被検体２は高減衰材料からなる高減衰体であり、例えばステンレス、チタン合金、ニッケル合金、鋳鋼品、ゴム組成物からなる弾性体、圧粉成型されたセラミックスグリーン体等の粉末成型体、コンクリートまたはセラミックス系複合材料等の多孔質成型体、または炭素繊維強化炭素複合材料等からなる炭素繊維構造体等である。なお、図１では被検体２にフェーズドアレイ探触子６を直接配置して探傷する直接接触法の構成としているが、本発明で利用可能な超音波探傷の試験方法としては、他に水浸法、局部水浸法、ギャップ法、噴流法、タイヤ探触子接触法、非接触法等、全ての接触方式を利用することができる。

以下、このように構成された超音波探傷装置１の本発明に係る超音波探傷方法について説明する。
図３は、被検体２の超音波探傷方法を示すフローチャートであり、以下同フローチャートに基づいて説明する。なお、以下に述べるステップＳ２、Ｓ３の各処理は、メモリ１６に格納されているプログラムをＣＰＵ１４で実行することによって行われる。

ステップＳ１では、パルス発生器４で発生させたチャープ波の超音波をフェーズドアレイ探触子６を介して被検体２内に伝搬させ、欠陥部２ａでのエコーをフェーズドアレイ探触子６で受信した後、パルスレシーバ８で電気信号に変換する。そして、当該信号はＡ／Ｄ変換器１０でアナログ−デジタル変換されて演算処理装置１２に入力される（検査工程、検査手段）。

ステップＳ２では、演算処理装置１２に入力された各出力信号に対して合成処理を行い、１つの出力信号に合成する。
詳しくは、複数の振動子６ａから超音波を被検体２内に伝搬させると、欠陥部２ａからのエコーも振動子６ａの数だけ受信されるため、次のステップで説明する相関処理を行う前に複数の信号を１つの信号に合成する。

ステップＳ３では、上記ステップＳ２で合成された信号に対して相関処理を行う（ノイズ低減工程、ノイズ低減手段）。本ステップで相関処理関数として使用するのは、メモリ１６に格納されている参照波である。本ステップで使用する参照波は、例えば被検体２の底面からの反射信号や、模擬欠陥部からの反射信号等、被検体２内で反射した超音波、または被検体２と同質の試験体の底面からの反射信号や、当該試験体に形成した模擬欠陥部からの反射信号等を用いることができ、ＳＮ比が２以上の信号を用いるのが好ましい。なお、参照波を模擬欠陥部からの反射信号とする場合、参照波のＳＮ比をより高くするためにはノイズを抑制する必要があるので、模擬欠陥部の深さは比較的浅い方がよい。その後、相関処理を行ったエコー波形をモニタ１８に表示する。

上述した超音波探傷方法を用いて、欠陥部２ａが形成された被検体２の超音波探傷を入力信号を変えて水浸法で行い、出力信号のノイズ処理方法をそれぞれ変えて調査を行った。図４に当該調査の概略図を示すように、水槽２０の水中に被検体２を入れて、被検体２の上方にフェーズドアレイ探触子６を配置した。フェーズドアレイ探触子６の位置は、被検体２に超音波を伝搬させ、欠陥部２ａからのエコーが最大となる位置である。被検体２としてチタン合金からなる厚肉構造物を使用した。被検体２に形成された欠陥部２ａは直径０．４ｍｍの円形の穴であり、被検体２の上面２ｂからの深さＤは７５ｍｍである。相関処理に使用した参照波は、図示しないが被検体２の上面２ｂからの深さ６１ｍｍに設けられた底面に向けて超音波を伝搬し、当該底面から反射した超音波のエコー波形である。

調査結果を図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す。図５（Ａ）は、上述した本発明の超音波探傷方法で処理を行ったグラフである。図５（Ｂ）〜（Ｄ）は図５（Ａ）の比較例であり、図５（Ｂ）はパルス波を入力信号として使用し、ノイズ処理を行わなかった場合の処理結果を示すグラフ、図５（Ｃ）はパルス波を入力信号として使用し、周波数フィルタを用いてノイズ処理した場合の処理結果を示すグラフ、図５（Ｄ）はパルス波を入力信号として使用し、相関処理を行ってノイズ処理した場合の処理結果を示すグラフである。なお、図５（Ｂ）〜図５（Ｄ）はそれぞれ合成処理を行っている。なお、図５（Ａ）で相関処理に使用した参照波のＳＮ比は４３である。また、図５（Ｃ）で使用した周波数フィルタは、５〜１５ＭＨｚのバンドパスフィルタである。

図５（Ａ）に示すように、入力信号としてチャープ波を用い、得られた出力信号を相関処理することで、ノイズ処理を行わなかった図５（Ｂ）と比べてノイズＳｎが良好に低減され、欠陥信号Ｓｄが精度よく検出されていることが判る。また、周波数フィルタを使用してノイズ処理を行った図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に比べてノイズＳｎが低減されているものの、図５（Ａ）の低減幅には及ばない。そして、入力信号にパルス波を用い、出力信号を相関処理した図５（Ｄ）は、図５（Ｃ）に比べてノイズＳｎがさらに低減されているが、図５（Ａ）よりはノイズが大きいことが判る。

各グラフにおける欠陥信号ＳｄのＳＮ比は、図５（Ａ）が８．８であり、図５（Ｂ）が２．９、図５（Ｃ）が５．９、図５（Ｄ）が８．１であった。このようにそれぞれの欠陥信号ＳｄのＳＮ比を見ても、本発明の超音波探傷方法を適用することで、より精度よく欠陥信号を検出することができることが判る。

次に、図４に示した構成において、フェーズドアレイ探触子６で被検体２を２次元で、即ち被検体２の上面２ｂを走査してエコー波形を取得し、被検体２の上面２ｂから所定の深さにゲートを設け、そのゲートにおける信号強度を調査した。調査結果を図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す。図６（Ａ）は、本発明の超音波探傷方法を適用して得られた探傷画像を模式的に表した図、図６（Ｂ）は、入力信号としてパルス波を使用し、ノイズ処理を行わなかった場合の探傷画像を模式的に表した図、図６（Ｃ）は、入力信号としてパルス波を使用し、取得した出力信号を相関処理した場合の探傷画像を模式的に表した図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）において、色が濃くなるほどノイズが高いことを示している。

図６（Ａ）に示すように、入力信号にチャープ波を使用し、ノイズ処理に相関処理を使用することで、欠陥部２ａの位置を精度よく検出できていることが判る。一方、図６（Ｂ）に示すようにノイズ処理を行わなかった場合には、ノイズの影響が大きく、欠陥部２ａの位置を特定することも困難であることが判る。また、入力信号にパルス波を用いて相関処理を行った図６（Ｃ）は精度よく欠陥部２ａの位置を検出できているが、図６（Ａ）の方が図６（Ｃ）よりもより精度よく欠陥部２ａの位置を精度よく検出できていることが判る。

このように、本実施形態によれば、入力信号にチャープ波を使用して被検体２内にフェーズドアレイ探触子６を介して超音波を伝搬し、エコー波形を合成し、参照波を用いて受信したエコーに対して相関処理を行う。
これにより、ノイズＳｎを良好に低減して欠陥信号Ｓｄを精度よく検出することができるので、検査精度をより向上させることができる。

また、フェーズドアレイ探触子６で受信した各信号を１つの信号に合成処理した後に相関処理を行うので、相関処理に要する時間は１／振動子数となるので相関処理時間を短縮することができる。

また、相関処理に用いる参照波として、例えば所定の深さの被検体２の底面からのエコー波形等、ＳＮ比の高いエコー波形を用いることにより、欠陥部２ａからのエコー波形に含まれるノイズを良好に低減することができるので、検査精度をより向上させることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１ 超音波探傷装置
２ 被検体
２ａ 欠陥部
６ フェーズドアレイ探触子
６ａ 振動子
１２ 演算処理装置

Claims (4)

1. フェーズドアレイ法を用いて被検体内に超音波を伝搬させて前記被検体を検査する超音波探傷方法において、
   複数の振動子から構成されるアレイ探触子を介して前記被検体内に、チャープ波からなる超音波を伝搬し、前記被検体内に内在する欠陥部から反射した超音波を前記複数の振動子を介して受信する検査工程と、
   前記複数の振動子で受信したそれぞれの受信波を合成する合成処理工程と、
   合成した受信波と、予め設定された参照波との相関処理を行い、前記合成した受信波に含まれるノイズを低減する相関処理工程と、
   を有することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 前記参照波は、前記被検体内で反射した超音波であ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. フェーズドアレイ法を用いて被検体内に超音波を伝搬させて前記被検体を検査する超音波探傷装置において、
   複数の振動子から構成されるアレイ探触子を介して前記被検体内に、チャープ波からなる超音波を伝搬させ、前記被検体内に内在する欠陥部から反射された超音波を前記複数の振動子を介して受信する検査手段と、
   前記複数の振動子で受信したそれぞれの受信波を合成する合成処理手段と、
   合成した受信波と、予め設定された参照波との相関処理を行い、前記合成した受信波に含まれるノイズを低減する相関処理手段と、
   を有することを特徴とする超音波探傷装置。
4. 前記参照波は、前記被検体内または同質の試験体内で反射した超音波であることを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷装置。