JP2014186029A - 超音波探傷装置およびその評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波と非線形の超音波を用いて、被検査対象の欠陥の位置を広域で検出するとともに、欠陥の長さ、深さ等の情報が得られる超音波探傷技術。
【解決手段】本発明に係る超音波探傷装置１０は、電圧波形を生成する信号発生機構１１と、被検査対象に所定よりも低い周波数の超音波振動を励起させる超音波送信機構１４と、前記被検査対象からの超音波応答を受信する超音波受信機構１５と、受信された超音波信号をデジタル化するＡＤ変換機構１９と、デジタル化されたデジタル超音波波形を周波数解析する解析機構２０と、周波数解析で得られたデジタル超音波の周波数成分の中から非線形超音波成分の変化量を抽出し、欠陥情報データベースの欠陥データ情報と比較して被検査対象の欠陥情報の物理量を同定し、前記被検査対象の欠陥を評価する評価機構２１と、計測系の一部もしくは全体を制御する制御機構１７とから構成されることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検査対象に対して広範囲な探傷を行うことができる超音波探傷装置およびその評価方法に関する。

超音波探傷試験は、非破壊で被検査対象物である構造材の表面および内部の健全性を確認できる技術であり、様々な分野で欠かせない検査技術となっている。特に近年はプラント構造物などの安全性確保のため、これまで求められていなかった箇所への検査も要求されてきている。それに伴い、検査の確実性だけでなく効率化が求められてきている。

構造物に存在する体積欠陥を正確にサイジングしようとする場合、放射線透過試験（ＲＴ：Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）や超音波探傷試験（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）が有効な技術として挙げられる。ＲＴは構造物内部に存在する空孔などの体積をもった欠陥検出には有効だが、き裂や剥離など体積のない欠陥の検出には適さない。また、ＲＴは露光や現像といった検査工程があるため効率化には制限がある。

一方、ＵＴは構造物内部の空孔だけでなくき裂や剥離といった面欠陥に対する適用性が高く、検査結果もリアルタイムで取得可能である。

近年では、一般的に使われている単眼プローブだけでなく、小型の圧電素子を並べ素子毎にタイミング（遅延時間）をずらして超音波を発信することで任意の波形を形成できるフェーズドアレイ超音波探傷試験（ＰＡＵＴ：Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｕｌｔｒａ−ｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）なども実用化されており、ますます適用の幅が拡がっている。よって、構造物の表面および内部の健全性を確認する検査技術において、検査の効率化はＵＴをベースに行うのが最も有効と考えられる。

ここで、検査技術における検査の効率化とはトータルでの検査時間短縮を意味する。検査時間短縮に寄与するのは、１測定点あたりの検査時間と１測定点当たりの検査範囲である。１測定点あたりの検査時間は探傷装置の繰返し周波数、信号処理速度、およびプローブの走査速度に依存する。探傷装置の繰返し周波数は１ｋＨｚ以上をもつものが一般的であり、信号処理速度もそれに準ずる速度をもつ。プローブの走査速度は検査対象や検査手法により千差万別であり、一般的に高速化を論じることが困難である。

ここで、検査技術におけるもう一方の検査の効率化に寄与する１測定点あたりの検査範囲について述べる。あくまで超音波探傷試験（ＵＴ）は、欠陥などに入射した超音波が起こす反射や回折などの現象を利用している。ＵＴは入射する超音波と欠陥由来の信号が時間もしくは空間的に分解できることが必須である。ＵＴは、指向性を維持し時間情報を用いて欠陥を評価できるオーダの周波数帯域を用いていることを意味する（一般的な構造材のＵＴは０．５ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度の周波数帯域を使用する）。

この場合、ＵＴでは１度に検査できる範囲が超音波プローブサイズに依存することになる。単眼プローブなどは一般的には２インチ径のものなどが最大である。単純にプローブサイズを大きくしても分解能が低下するため、それ以上の大きさにするのは構造物探傷などでは実用に耐えない。

一方、ＰＡＵＴはセンサ数を際限なく増やしていけば検査範囲も増大するが、アレイプローブ体積が増大してハンドリングが困難になるうえ、信号処理量も膨大となり超音波探傷器等のハードウェアにかかる負担が大きくなる。また、アレイプローブの素子１ｃｈあたりを大きくして面積を増やすことも考えられるが、波長の半分以上に素子ピッチをあけるとビーム制御が困難になっていくため、現実的ではない。これによりＰＡＵＴをもっても数千ｍｍ^２オーダの面積が一度に検査できる範囲となる。よって、ＰＡＵＴでも検査範囲拡大量には自ずと限界が生じる。

センサ数を増やしたり、センサ径を大きくするというアプローチ以外に構造物の検査範囲を広げる手法としては、上述の超音波探傷で用いられている縦波や横波などの体積波とは異なるモードの波を用いること、単純に周波数を低下させて体積波の到達する範囲を拡大することが挙げられる。

前者の超音波探傷の代表例は、ガイド波や表面波を用いた探傷である。表面波を用いた探傷は、基本的に対象表面に存在する欠陥のみが対象となる。そのため、構造材に内在する欠陥やき裂深さに関する情報は得られない。ガイド波による探傷は、基本的にラム波等の板波から表面波を用いたものまで幅広いが、被検査対象が厚板の場合ある程度の深さに存在する欠陥には効果がない。

後者の周波数を低下させ、体積波の到達する範囲を拡大する手法を用いれば、検査対象の構造材表面および内部の両方に超音波が伝播できる。しかし、周波数低下にともない欠陥検出感度は低下する。そこで、超音波の変位振幅を大きくすることでき裂部分に開閉挙動を誘起し、そこで発生する非線形周波数成分（入射周波数ｆに対して、２ｆ、３ｆ、…ｎｆ、もしくはｆ／２、ｆ／３…ｆ／ｎの応答がある）に着目した。非線形成分はき裂などの構造材の欠陥からのみ発生する成分であり、高精度な欠陥の検出や評価、材料劣化計測などに応用できる可能性がある。検査対象（構造物）の接合界面の欠陥を非破壊で検出する超音波探傷技術は、特許文献１等で知られており、特許文献２では、非線形超音波を用いて通常の超音波探傷では検出できない閉じたき裂を高精度に検出もしくはサイジングする超音波探傷技術が知られている。

特開２００４−３４０８０７号公報 特開２００５−３１５６３６号公報

特許文献１に開示された超音波探傷技術は、構造材（物）における接合界面の微小欠陥を定性的に検出する検査技術であり、この超音波探傷技術は、構造材の接合界面の欠陥検出にのみ有効であり、欠陥サイズの定量評価には用いられていない。

また、特許文献２記載の超音波探傷技術では、使用している周波数帯域や時間軸情報を使って欠陥の深さ情報を取得し、評価していることから、検査範囲の観点では検査範囲の拡大は困難であり、従来の超音波探傷と何ら変わりはなく広範囲に対して探傷を行えるものではない。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、低周波と非線形超音波を用いて、被検査対象の欠陥の位置を広域で検出するとともに、欠陥の長さ、深さ等の物理情報が得られる超音波探傷装置およびその評価方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る超音波探傷装置は、上述した課題を解決するために、電圧波形を生成する信号発生機構と、被検査対象に所定より低い周波数の超音波振動を励起させる超音波送信機構と、前記被検査対象からの超音波応答を受信する超音波受信機構と、受信された超音波信号をデジタル化するＡＤ変換機構と、デジタル化されたデジタル超音波波形を周波数解析する解析機構と、周波数解析で得られたデジタル超音波の周波数成分の中から非線形超音波成分の変化量を抽出し、欠陥情報データベースの欠陥データ情報と比較して被検査対象の欠陥情報の物理量を同定し、前記被検査対象の欠陥を評価する評価機構と、計測系の一部もしくは全体を制御する制御機構とから構成されることを特徴とするものである。

また、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置の評価方法は、上述した課題を解決するために、被検査対象に所定よりも低い周波数の超音波を送信し、前記被検査対象から超音波応答を超音波受信機構で受信し、受信されたアナログ超音波波形をデジタル超音波波形に変換し、変換されたデジタル超音波波形を解析機構で周波数解析し、周波数解析された前記被検査対象のデジタル超音波波形の周波数情報から非線形超音波成分の変化量を抽出して評価機構で欠陥情報データベースの既知の欠陥データ情報と照合し、前記被検査対象の欠陥情報の物理量を同定し、前記被検査対象の欠陥を評価することを特徴とする評価方法である。

さらに、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置は、電圧波形を生成する信号発生機構と、被検査対象に所定よりも低い周波数の超音波振動を励起させる超音波送信機構と、前記被検査対象からの超音波応答を受信する超音波受信機構と、受信された超音波信号をデジタル化するＡＤ変換機構と、デジタル化された超音波波形から強度空間分布を逆問題演算する演算機構と、任意の周波数成分でフィルタリングした前記強度空間分布を演算するフィルタリング機構と、非線形超音波成分の強度変化量を抽出する変化量抽出機構と、前記フィルタリング機構からのフィルタリングされた前記強度空間分布を少なくとも表示する表示機構と、計測系の一部もしくは全体を制御する制御機構とから構成されることを特徴とするものである。

本発明の実施形態においては、低周波と非線形超音波を用いて、被検査対象の欠陥を広域で検出するとともに、欠陥の長さ、深さ等の情報を取得できる。

本発明の超音波探傷装置の第１の実施形態を示す基本的な構成図。 超音波探傷装置の第１の実施形態の第１変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第１の実施形態の第２変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第１の実施形態の第３変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第１の実施形態の第４変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の超音波送信機構から送信される低周波で高振幅の超音波の伝播例を示す図。 超音波探傷装置の超音波送信機構から送信される高周波の超音波の伝播例を示す図。 被検査対象の欠陥部のき裂面における入射超音波による開閉挙動例を示す説明図。 被検査対象の欠陥部のき裂面における入射超音波の高調波と分調波による非線形現象の説明図。 （Ａ）は被検査対象の欠陥部における欠陥情報の説明図、（Ｂ）は被検査対象の欠陥部を上面から見た部分的上面図。 （Ａ）および（Ｂ）は被検査対象の異なる欠陥部の存在により発生する非線形成分の発生効率例をそれぞれ説明する説明図。 超音波探傷装置の第２の実施形態を示す構成図。 超音波探傷装置の第２の実施形態の第１変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第２の実施形態の第２変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第３の実施形態を示す構成図。 超音波探傷装置の第３の実施形態の第１変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第４の実施形態を示すもので、（Ａ）は信号発生機構にチャープ波を使用した例、（Ｂ）は信号発生機構にミキシング波を使用した例、をそれぞれ示す図。 被検査対象の欠陥部からの非線形成分の発生効率と周波数との関係を示す説明図。 超音波探傷装置の第５の実施形態を示す構成図。 超音波探傷装置の第６の実施形態を示す構成図。 超音波探傷装置の第６の実施形態の第１変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第６の実施形態の第２変形例を示す構成図。 超音波探傷装置の第７の実施形態を示す構成図。 被検査対象の形状と欠陥からの超音波エコーの伝播例を説明する図。 被検査対象の形状と欠陥からの超音波エコーの位置特性を示すイメージ図。 被検査対象からの欠陥エコーと形状エコーとから非線形超音波強度の違いを説明する説明図。

以下、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、超音波探傷装置の第１実施形態を示すもので、被検査対象の表面および内部欠陥（体積欠陥）を非破壊で広域で検出でき、かつ欠陥の位置や長さ、深さ、欠陥開口幅等の欠陥情報を取得できる超音波探傷装置の代表的な構成例を示す構成図である。

この超音波探傷装置１０は、電源（図示せず）から電圧の供給を受けて、電圧波形を生成する信号発生機構１１と、生成される電圧波形の振幅を変更する印加電圧増幅機構１２と、被検査対象１３の広範囲へ超音波振動を励起させて送信する超音波送信機構１４と、前記被検査対象１３からの超音波応答を受信する超音波受信機構１５と、受信された超音波信号を信号処理し、構造物である被検査対象１３の欠陥の位置、長さ、深さ情報を取得する信号処理装置１６と、計測系の一部もしくは全体を制御する制御機構１７とを備えて構成される。

また、信号処理装置１６は、超音波受信機構１５で受信されたアナログな超音波（波形）信号を増幅する受信信号増幅機構１８と、増幅されたアナログ超音波信号をデジタル化するＡＤ変換機構１９と、デジタル化されたデジタル超音波波形を周波数解析する解析機構２０と、周波数解析で得られたデジタル超音波の周波数成分の中から非線形超音波成分の変化量を抽出し、欠陥情報データベースにある既知の欠陥データ情報と比較して照合し、被検査対象１３の欠陥情報（欠陥の位置、長さ、深さや欠陥開口幅等）を同定する評価機構２１とを有する。

さらに、制御機構１７は、超音波探傷装置１０の計測系構成要素の同期を取るなど計測系のシステムを制御するだけでなく人間がシステムを制御するためのユーザインタフェースおよび表示部を備える。制御機構１７は、設定値の変更や測定結果の確認等も容易に行なうことができる。さらに、制御機構１７はシステムの一部もしくは全体を制御可能だが、各構成要素は別個に独立して調整および駆動させることもできる。

ここで、超音波探傷装置１０の信号発生機構１１は、制御機構１７からデジタル制御あるいはアナログ制御により作動制御され、アナログ電圧信号の電圧波形が出力される。このアナログ電圧波形は、基本的な正弦波、矩形波、ノコギリ波、三角波であっても、これらの出力波形に加えて、周波数が連続的に変化するチャープ波、ランダムに変化するＭ系列波形、複数周波数の重ね合せからなるミキシング波であっても、あるいは他の波形を用いてもよい。出力波形の波数については、パルス波、連続波、バースト波などの任意の波数による送信が可能である。信号発生機構１１の出力系統は１系統以上であればよく、複数台の信号発生機構１１で超音波探傷装置１０のシステムを構成してもよい。

信号発生機構１１で生成された電圧波形の信号を増幅する印加電圧増幅機構１２は、電圧波形を任意の強度まで増幅させることができる。印加電圧増幅機構１２は、入力された電圧波形の印加電圧を、時間窓で区切ることもでき、部分的に高強度化（増幅）して、複数系統の電圧波形信号を増幅できる構成としてもよい。印加電圧増幅機構１２は、複数系統のアナログ電圧波形信号を増幅できる構成としてもよい。信号発生機構１１と印加電圧増幅機構１２は図１に示すように別個の独立した構成ではなく、ユニットに組み込まれていてもよい。

また、増幅された電圧波形信号を入力して低周波での大振幅の超音波を励起させて発振する超音波送信機構１４は、セラミックス製や複合材料、またはそれ以外の圧電効果により超音波を発生することができる圧電素子や高分子フィルムによる圧電素子またはそれ以外の超音波を発生できる機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の発振面に取り付けられた前面板と、いずれかの構成もしくはその組合せからなる構成とされる。

超音波送信機構１４は、電磁式あるいは圧電式の超音波トランスジューサで構成される。超音波トランスジューサは、磁歪効果を持つアクチュエータなども超音波発生機構として使用できる。

さらに、信号発生機構１１と印加電圧増幅機構１２と超音波送信機構１４との組合せに変えて、図２に、第１実施形態の第１変形例で示すように、超音波送信機構１４ＡとしてパルスレーザＬａを被検査対象１３表面に照射して弾性波を励起するレーザ超音波などを用いても良い。このとき使用するレーザは、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザおよびエキシマレーザなどが挙げられ、勿論これ以外のレーザ光源も考えられる。

一方、超音波探傷装置１０は、第１実施形態の第２変形例を図３に示すように、超音波送信機構１４を複数用いて構成することもできる。このとき、超音波受信機構１５Ａは、超音波トランスジューサで構成してもよく、超音波を受信できるものであれば特に制限はない。セラミックス製や複合材料、またはそれ以外の圧電効果により超音波を発生することができる圧電素子や高分子フィルムによる圧電素子またはそれ以外の超音波を受信できる機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の発振面に取り付けられた前面板と、いずれかの構成もしくはその組合せからなる構成の一般に超音波探触子２３と呼ばれるものを用いてもよい。またはランジュバン振動子や、磁歪効果をもつアクチュエータなども超音波発生機構として使用できる。

また、超音波探傷装置１０は、図４に第１実施形態の第３変形例に示すように、超音波受信装置１５Ｂは、レーザ光Ｌｂを被検査対象１３に照射し、そのドップラシフトを観察するレーザ干渉計２４や振動計を用いてもよい。

レーザ干渉計２４としては、例えばマイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダ干渉計、ファブリ＝ペロー干渉計およびフォトリフラクティブ干渉計などが挙げられ、もちろんこれ以外のレーザ干渉計も考えられる。

さらに、超音波探傷装置１０は、レーザ干渉計２４による計測以外の方法として、例えば、第１実施形態の第４変形例を図５に示すように、超音波受信機構１５Ｂは、ナイフエッジ法による計測を用いてもよい。この場合、いずれの超音波受信機構１５Ｂ，１５Ｂも複数台使用して計測が行なわれる。

他方、超音波探傷装置１０の信号処理装置１６を構成する受信信号増幅機構１８は、俗にプリアンプと呼ばれる信号増幅器であり、信号処理装置１６内に組み込まれていても、別個に構成されてもよい。受信信号増幅機構１８は、超音波受信機構１５Ｂ，１５Ｂからの受信超音波信号が複数系統ある場合、複数系統の信号をそれぞれ増幅することができる。

また、ＡＤ変換機構１９は、アナログ電圧信号である受信した超音波アナログ信号をデジタル化する機能を有する。このＡＤ変換機構１９も、複数系統のアナログ信号をデジタル化できる。複数チャンネルをもったり、切替機にて複数信号を順番に変換していったり、もしくはその両方を用いて複数系統の信号を処理できる。

解析機構２０は、デジタル化された超音波信号の波形を周波数解析するもので、周波数解析は一般的な高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のほか、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）、ウェーブレット変換、ウィグナ分布といった時間情報を扱える周波数解析処理やそのほかの信号処理を用いてもよい。

評価機構２１は、解析機構２０から得られた周波数情報を、これまでに得られた既知の試験片やサンプルの欠陥データ情報を備えた欠陥情報データベースに照会して最も傾向の近い欠陥データ情報を抽出できる。このとき得られる既知の欠陥データ情報は被検査対象１３の欠陥長さ、欠陥深さ、欠陥開口幅、欠陥にかかっている応力状態に対応するものであり、他の数々の欠陥情報も取得できる。

加えて、超音波探傷装置１０の制御機構１７は、超音波探傷装置１０の各構成要素を制御するだけでなく、人間の超音波探傷装置１０の各構成要素（システム）を制御するためのユーザインタフェースおよび表示部を備える。制御機構１７は、超音波探傷装置１０における設定値の変更や測定結果の確認などを容易に行なうことができる。制御機構１７は、超音波探傷装置１０の計測系（各構成要素）の一部もしくは全体を制御可能であり、各構成要素は別個に独立して調査および駆動させることもできる。

［第１の実施形態の作用］
次に、超音波探傷装置１０の作用を説明する。

超音波探傷装置１０は、図示しない電源からの電圧印加により、信号発生機構１１からアナログ電圧波形が出力され、出力された印加電圧波形は、印加電圧増幅機構１２により所要の電圧強度まで増幅される。印加電圧増幅機構１２で増幅された電圧は、ケーブル２５を介して超音波送信機構１４に送られる。

超音波送信機構１４は、印加電圧増幅機構１２で増幅された印加電圧波形を入力して、低周波で大振幅の超音波を励起させ、この低周波大振幅の超音波を発振させ、被検査対象１３に入射超音波Ｕｉとして送信される。この入射超音波Ｕｉは、周波数が２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、好ましくは２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの所定よりも低い周波数で、振幅が５０ｎｍ〜１０μｍ、好ましくは１００ｎｍ〜５μｍの大振幅の超音波である。なお、本実施形態では、被検査対象１３は数ｃｍ、例えば４０ｍｍの厚さを有する板材とする。

超音波送信機構１４から発振される低周波で大振幅の入射超音波Ｕｉは、低周波大振幅の超音波であるために、図６に示すように、入射超音波Ｕｉの指向性が低く、かつ伝播減衰率が低い。このため、被検査対象１３に入射された入射超音波Ｕｉは、低周波大振幅の超音波であるため、大きな拡がりをもって被検査対象１３の表面および内部全域に亘って広範囲に伝播していく。

伝播される入射超音波Ｕｉは、超音波受信機構１５に受信超音波Ｕｒとなって受信される。超音波受信機構１５で受信したアナログな受信超音波Ｕｒは、ケーブル２６を通して受信信号増幅機構１８に送られ、ここで増幅される。増幅された受信超音波Ｕｒは続いてＡＤ変換機構１９に送られ、このＡＤ変換機構１９でアナログな受信超音波Ｕｒはデジタル化され、デジタル超音波に変換され、信号処理可能なデジタル超音波波形信号となる。

ＡＤ変換機構１９でデジタル化処理されたデジタル超音波波形は、続いて解析機構２０に送られ、この解析機構２０でデジタル超音波波形Ｕｒは信号処理され、超音波の周波数解析が行なわれる。解析機構２０での周波数解析は、一般的な高速フーリエ変換（ＦＦＴ）のほか、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）、ウェーブレット変換、ウィグナ分布といった時間情報を抑える処理やその他の信号処理が行なわれる。

解析機構２０による信号解析処理の一例を説明する。

被検査対象１３の表面や内部に存在する欠陥Ｄの位置は、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５間の距離および超音波の伝播速度等が既知であるため、超音波送信機構１４からの入射超音波Ｕｉが欠陥Ｄに到達するまでの時間、欠陥Ｄから超音波受信機構１５に到達するまでの時間を知り、この時間軸情報を解析処理することで、解析機構２０は、被検査対象１３の欠陥の位置を知ることができる。また、解析機構２０は、ＡＤ変換機構１９からのデジタル超音波波形に相関処理をかけることで、欠陥位置を特定する位置特定手段として機能する。

さらに、被検査対象１３のサイジングを目的とした従来の超音波探傷では、１ＭＨｚ〜５ＭＨｚの高い周波数の超音波を使用するため、指向性が高く、超音波の伝播形態は、図７に示すように伝播される。このため、被検査対象１３に存在する欠陥Ｄをサーチするのに時間がかかり、被検査対象１３の欠陥Ｄ探傷を効率的に行なうことは困難である。

これに対し、第１実施形態の超音波探傷装置１０は、入射超音波Ｕｉに低周波で大振幅の超音波Ｕｉを使用しているために、入射超音波Ｕｉの指向性が低く、広範囲に伝播され、かつ、伝播減衰率も低く、入射超音波Ｕｉや受信超音波Ｕｒは殆ど減衰しない。被検査対象１３に欠陥Ｄが存在すると、入射超音波Ｕｉが欠陥Ｄに到達したとき、入射超音波Ｕｉの大振幅により、図８に示すように、被検査対象１３のき裂面でクラッピング等と呼ばれる開閉挙動が生ずる。

また、被検査対象１３に出力される入射超音波Ｕｉは、一般的に縦波の粗密波で表わされ、図８に示すように、被検査対象１３の欠陥Ｄであるき裂面の欠陥界面Ｄ_１，Ｄ_２に圧縮相と引張相が作用する。被検査対象１３の欠陥Ｄの界面Ｄ_１，Ｄ_２に生じるクラッピング等の開閉挙動により、大振幅の入射超音波Ｕｉを受けて、き裂面の欠陥界面Ｄ_１とＤ_２が叩き合ったり、擦り合ったりする開閉挙動（クラッピング）現象が起こる。開閉挙動現象は、入射超音波Ｕｉの圧縮相のみを透過させ、引張相は透過させない超音波の整流効果を生じさせる。

開閉挙動現象による整流効果の他に、さらに、開閉挙動現象時には、き裂面のＤ_１界面とＤ_２界面の欠陥界面に働く剪断成分が作用して欠陥界面Ｄ_１，Ｄ_２に生ずる応力状態Ｄｐに依存して滑りを生じさせたり、一方の欠陥界面Ｄ_１の振動が他方の欠陥界面Ｄ_２を跳ね上げるような挙動を生じさせることが知られていた。

き裂面の欠陥界面Ｄ_１，Ｄ_２の開閉挙動や滑りおよび跳ね上げ挙動の現象により、図９に示すように、入射超音波Ｕｉの入射周波数ｆｉが２倍（２次），３倍（３次），４倍（４次），…，ｎ倍（ｎ次）になる高調波Ｕｈや入射周波数ｆｉが１／２倍，１／３倍，１／４倍，…，１／ｎ倍となる分調波Ｕｓが発生する非線形現象が起きる。図９では高調波と分調波の特徴を分けて図示しているが、当然高調波と分調波は複合的に発生する場合もある。非線形現象は、超音波送信機構内部や、超音波送信機構１４と被検査対象１３の界面や、音響媒質中などでも発生するが、被検査対象１３に生じている欠陥Ｄの有無によって観察される発生効率に変化が生じる。

被検査対象１３に欠陥Ｄが存在すると、欠陥Ｄによる非線形現象の発生効率は、入射超音波Ｕｉの入射周波数ｆｉ、入射振幅Ａｉ、欠陥の長さＤｌ、欠陥の深さＤａ、欠陥の開口幅Ｄｗおよび欠陥の応力状態Ｄｐに依存して発生効率が変化する（図１０（Ａ），（Ｂ）参照）。

この非線形現象による周波数変化は、被検査対象１３に欠陥Ｄが存在すると、受信超音波Ｕｒの高調波成分は周波数成分変化となって、図１１（Ａ），（Ｂ）に示すように表わされる。

受信超音波Ｕｒの高調波Ｕｈ成分は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の周波数解析により、受信超音波Ｕｒの周波数成分変化となって表われる。ある被検査対象１３例では、図１１（Ａ）に示すように、高調波Ｕｈ成分の縦軸のスケール強度は、入射周波数ｆｉから２倍（２次），３倍（３次）の周波数２ｆｉ，３ｆｉが順次小さくなり、４倍（４次）の周波数４ｆｉは３ｆｉより若干大きくなる。この高調波成分の周波数成分は入射周波数ｆｉに比較して２倍の周波数２ｆｉのスケール強度はやや小さいが、他の３ｆｉや４ｆｉに較べて大きい。

また、他の被検査対象１３例では、図１１（Ｂ）に示すように、高調波Ｕｈ成分の縦軸のスケール強度は、入射周波数ｆｉから２倍および３倍の周波数２ｆｉ，３ｆｉが急激に低下し、４倍の周波数４ｆｉは３ｆｉに較べてスケール強度が大きくなる。

例えば、被検査対象１３の欠陥Ｄがある場合、図１１（Ａ）に示すように、２次高調波および４次高調波の周波数２ｆｉ，４ｆｉは双方とも観察することができるが、欠陥長さＤｌが半分である別の被検査対象１３の欠陥Ｄでは、図１１（Ｂ）に示すように、４次高調波の周波数４ｆｉの発生効率が高くなる。

一般に、例えば被検査対象１３に存在する欠陥Ｄの大きさが小さい場合には、欠陥Ｄの大きさが大きい場合に較べ、２次周波数２ｆｉが大きくなり、欠陥Ｄの大きさが大きくなると、４次周波数４ｆｉが大きくなる傾向にある。

このように、信号処理装置１６の解析機構２０で周波数解析された解析傾向から、被検査対象１３の欠陥サイズ（物理量）を評価することができる。

本実施形態の超音波探傷装置１０では、超音波受信機構１５により受信された受信超音波Ｕｒは、受信信号増幅機構１８により指定した感度に増幅され、ＡＤ変換機構１９にてデジタル化される。デジタル超音波波形は、解析機構２０で周波数解析され、被検査対象１３に由来する欠陥由来の周波数情報となって出力される。

解析機構２０は、ＡＤ変換機構１９から得られたデジタル超音波波形の周波数成分から非線形超音波成分の発生効率を解析している。解析機構２０で周波数解析された欠陥由来の周波数情報は、評価機構２１に送られる。評価機構２１には、欠陥情報データベースに試験片やサンプルの欠陥情報と周波数との既知関係が蓄積されていて、欠陥情報データベースが構成されている。この欠陥情報データベースの情報は欠陥データ情報として、被検査対象１３の材料に対応する試験片やサンプル毎に欠陥の長さ、深さ、開口幅等の既知の欠陥データ情報（物理量）が蓄積され、保存されている。

そして、解析機構２０でデジタル化された被検査対象１３のデジタル超音波波形は、周波数解析され、被検査対象１３における欠陥由来の周波数情報となって評価機構２１に送られる。評価機構２１では、周波数解析で得られた欠陥由来の周波数情報が、欠陥情報データベースに蓄積されている既知の欠陥データ情報と照合され、比較されて評価され、被検査対象１３の欠陥情報、すなわち、欠陥の長さ、深さ、開口幅もしくは応力状態の物理量が少なくとも１つ以上取得される。評価機構２１で照合され、評価される被検査対象１３の欠陥情報の物理量は同定されて、図示しない表示装置に出力され、表示されたり、記録される。なお、評価機構２１に収容されている欠陥情報データベースにも欠陥表示や欠陥深さ、欠陥開口幅等の物理量が既知の欠陥データ情報として納められている。

［第１の実施形態の効果］
評価機構２１で得られる被検査対象１３の欠陥情報には、被検査対象１３の欠陥長さＤｌ、欠陥深さＤａ、欠陥開口幅（開口量）Ｄｗ、欠陥Ｄに作用している応力状態Ｄｐなどの物理量がある。したがって、解析機構２０で周波数解析された被検査対象１３における欠陥由来の周波数情報を評価機構２１で欠陥データ情報と照合することにより、被検査対象の欠陥の長さ、欠陥深さ等の物理量情報を取得し、被検査対象１３の欠陥Ｄ等の物理量を広域かつ高精度に定量的に評価することができる。

本実施形態の超音波探傷装置１０では、低周波で大振幅の入射超音波Ｕｉを用いて被検査対象１３の欠陥Ｄを広域かつ高精度に定量的に評価し、検査することができる。超音波探傷装置１０は、被検査対象１３の欠陥Ｄを低周波・大振幅の超音波探傷により評価し、欠陥の物理量サイジングができることに加え、応力状態Ｄｐから欠陥Ｄが進展する傾向があるか否かを判断することもできる。例えば、被検査対象１３の欠陥Ｄに引張応力（引張相）が作用する場合には、欠陥Ｄの進展があると判断し、欠陥Ｄに圧縮応力（圧縮相）が作用する場合には、進展する傾向が少ないあるいはないと判断する。

本実施形態の超音波探傷装置１０は、被検査対象１３内を広域に伝播する低周波と欠陥Ｄでのみ発生効率が変化する非線形超音波を用いることで、被検査対象１３のき裂サイジングを広域かつ高精度に評価でき、被検査対象１３の欠陥を定量的に検出することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を図１２ないし図１４を参照して説明する。

図１２は、超音波探傷装置の第２の実施形態を示す構成図である。第２実施形態の超音波探傷装置１０Ａを説明するに当たり、第１実施形態の超音波探傷装置１０と同じ構成および作用には、同一符号を付して重複する説明を省略、あるいは簡略化する。

第２実施形態の超音波探傷装置１０Ａは、図１に示す超音波探傷装置１０の中から超音波送信機構１４、超音波受信機構１５および被検査対象１３を水２８中に設置して、被検査対象１３の欠陥Ｄの超音波探傷を示す例である。このとき水は純水だけでなく、市水、工業用水、海水およびそれらに電気化学的特性が類似する液体全般を用いてもよい。この際、超音波送信機構１４、超音波受信機構１５およびそれらを接続するケーブル２５，２６は防水機構を有するものとする。

防水機構については、ケーブル２５，２６の場合には、ケーブル２５，２６を防水性素材による被覆を行なえばよく、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５については水密に密閉してケーシングされる。超音波送信機構１４および超音波受信機構１５を、ケーブル２５，２６との接続部を樹脂などを充填して液密状態を維持したり、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５の全体をカバーで覆って液密状態を保持してもよい。いずれの場合も、電圧印加部分やケーブル部分が水から分離され、絶縁状態に保たれていればよい。

他の構成は、図１に示される超音波探傷装置１０と異ならない。

［第１変形例］
図１３に示す超音波探傷装置１０Ａは、第２実施形態の第１変形例を示すものである。

この第１変形例に示された超音波探傷装置１０Ａは、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５を水２８中に設置すると、水２８が音響媒質として機能するために、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５は、被検査対象１３からギャップＧを置いて設置してもよい。その際、ギャップＧは水やヒマシ油、グリセリンペーストなどのように一般的に使われる超音波伝播媒質と呼ばれるもの、もしくはそれらに音響特性が等しいか近似する媒質で満たされていることが必要である。

［第２変形例］
図１４に示す超音波探傷装置１０Ａは、第２実施形態の第２変形例を示すものである。

この第２変形例に示された超音波探傷装置１０Ａは、超音波送信機構１５は、水２８中で超音波計測ができるものであればよい。例えば、超音波受信機構１５は、ハイドロフォンやレーザ干渉計および振動計を用いてもよい。

超音波受信機構１５としてレーザ干渉計や振動計を用いる場合、被検査対象１３の表面にレーザ光を照射してもよく、また、水２８中に反射体２９を別途配置して、欠陥Ｄから水２８中に漏洩してくる振動の変化を観察してもよい。水中に漏洩してくる振動の漏洩分の観察はハイドロフォンで実施してもよい。

［第２実施形態の作用と効果］
第２実施形態における超音波探傷装置１０Ａでは、超音波送信機構１４と被検査対象１３が水２８中に存在するために、水２８が音響媒質（カップリング）として機能し、被検査対象１３に超音波送信機構１４が密着していなくても、超音波Ｕｉが伝播するメリットがある。

また、被検査対象１３に欠陥Ｄが存在すると、欠陥部分のみから発生した非線形超音波成分が水２８中に漏洩するために、超音波受信機構１５における受信においても、欠陥Ｄからの応答を検出することができる。

その際、超音波受信機構１５として広帯域を検出するハイドロフォンを使用することができる他、レーザ干渉計でも広帯域の応答を検出することができる。

さらに、被検査対象１３の表面に超音波受信機構１５からレーザ光を直接照射して被検査対象表面の振動を計測しても、受信超音波Ｕｒの超音波情報が得られるが、図１４に示すように超音波受信機構１５から別途設置された反射体２９からの反射を観察することで、被検査対象１３の欠陥Ｄから水中に漏洩した弾性波による光路変化を安定した感度で計測することができる。

制御機構１７による超音波送信機構１４、印加電圧増幅機構１２、信号処理装置１６の受信信号増幅機構１８、ＡＤ変換機構１９、解析機構２０および評価機構２１の働きや作用は、第１実施形態で説明した超音波探傷装置１０と同様であり、異ならない。

［第３の実施形態］
図１５および図１６は、本発明の第３の実施形態を示す構成図である。

第３実施形態に示された超音波探傷装置１０Ｂは、図１５に示すように超音波送信機構１４および超音波受信機構１５Ｂの少なくとも一方を、複数設置した構成図である。超音波探傷装置１０Ｂの他の構成は、第１実施形態および第２実施形態に示される超音波探傷装置１０，１０Ａと異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略あるいは簡略化する。

図１５に示された超音波探傷装置１０Ｂは、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５Ｂを複数個、例えば２個ずつ設置した例である。

［第１変形例］
図１６に示された第３実施形態の第１変形例は、超音波探傷装置１０Ｂの超音波送信機構１４および超音波受信機構１５にそれぞれ走査機構３０を設けた構成を示すもので、他の構成は、第１実施形態に示された超音波探傷装置１０と異ならないので、同じ構成には、同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１６に示された超音波探傷装置１０Ｂでは、超音波送信機構１４と超音波受信機構１５が被検査対象１３に密着しているが、水中での構成や、レーザ超音波を用いた第２実施形態の超音波探傷装置１０Ａに利用することができる。

第３実施形態の超音波探傷装置１０Ｂでは、図１５に示すように、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５Ｂの少なくとも一方を有することによって得られた複数の信号から、相関処理や飛行時間法などの時間情報を信号処理する方法を用いて欠陥Ｄの信号発生位置を同定する解析機構２０を備えている。

［第３実施形態の作用と効果］
第３実施形態に示された超音波探傷装置１０Ｂでは、図１５に示すように、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５Ｂを複数備えることで、複数点で受信超音波Ｕｒ信号が得られる。または、図１６に示すように、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５を、走査機構３０をそれぞれ用いて走査することでも複数点での信号が得られる。

ここで、検査において複数点で得られた受信波形と、予め記録手段に記録しておいた被検査対象１３に欠陥がない場合、すなわち、無欠陥の被検査対象から得られる受信波形（以下、参照波形という。）とを用い、相関処理を行なう。

参照波形は、例えば被検査対象１３のき裂が生じていない時期（例えば、製造直後や、使用が開始されて間もない頃）に取得する、被検査対象１３のモックアップに対して行なったり、シミュレーションにより生成すること等によって用意される。

参照波形からは、超音波送信機構１４から欠陥を経由せずに直接超音波受信機構１５に到達した参照超音波信号が得られる。実際の検査信号の受信波形Ｕｒには欠陥Ｄに到達した超音波による欠陥信号（欠陥エコーＵｄ）、超音波送信機構１４から欠陥Ｄを経由せずに直接受信位置に到達する超音波信号や、被検査対象１３の角など欠陥ではない端面から反射して得られる超音波信号が含まれる。欠陥信号以外は、参照波形から得られる参照超音波信号と相関処理を施すことで強い相関が得られる。

一方、欠陥信号は、上述の通り、非線形な周波数超音波成分を持つので相関を示さない。したがって、相関処理によって、所定値以上の相関を示した参照波形の信号をデジタル超音波波形から除去する除去処理を行なうことで、欠陥に起因する特徴超音波信号のみを抽出することができる。これらの超音波信号を実際の検査によるデジタル超音波受信波形から除くことで、欠陥からの特徴超音波信号を抽出できる。

このようにして得られる欠陥Ｄからの特徴超音波信号を含むデジタル超音波受信波形を複数点分利用し、解析機構２０で開口合成法など時間領域を利用した画像化や、飛行時間法などの位置同定処理を行なうことで、（所定値以上の相関を示した信号を除去処理後）欠陥のデジタル超音波波形の特徴超音波信号に基づいて欠陥Ｄの位置を特定できる。これにより、超音波探傷装置１０Ｂは、被検査対象１３の欠陥Ｄの欠陥位置の同定が可能となる。

［第４の実施形態］
図１７および図１８は、本発明の第４の実施形態を説明する図である。

第４実施形態に示された超音波探傷装置１０Ｃは、全体的構成は、第１実施形態〜第３実施形態に示された超音波探傷装置１０〜１０Ｂと異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略あるいは簡略化する。

第４実施形態の超音波探傷装置１０Ｃは、図１７（Ａ）に示すように、信号発生機構１１に送信波形をチャープ波のように走査する機構および図１７（Ｂ）に示すように、送信波形の複数周波数成分をミキシングする機構を備えたものである。

信号発生機構１１に発生する送信波形の走査方法としては、チャープ波のように周波数が連続的に変化するもので、Ｍ系列のようにランダムに変化するものがある。ミキシング波に関しては、周波数の異なる正弦波（Ｓｉｎ波）の掛け合せで構成して対応させてもよい。

この信号発生機構１１は、送信波形である電圧波形の周波数を走査する機能を有し、超音波受信機構１５からＡＤ変換機構１９を経て得られたデジタル超音波波形から解析機構２０で周波数変化に応じた非線形超音波成分発生効率の傾向を解析している。評価機構２０は、解析されたデジタル超音波波形の周波数情報が欠陥情報データベースの既知の欠陥データ情報と照合され、被検査対象１３の欠陥の長さ、深さ、開口幅もしくは閉口応力の物理量を少なくとも１つ以上取得する機能を有する。

また、信号発生機構１１は、複数周波数のミキシングで電圧波形を生成する機能を有し、超音波受信機構１５からＡＤ変換機構１９を経て得られたデジタル超音波波形から解析機構２０で周波数変化に応じた非線形超音波成分の発生効率の傾向を解析している。評価機構２０は、解析されたデジタル超音波波形の周波数情報が欠陥情報データベースの既知の欠陥データ情報と照合されて被検査対象１３の欠陥の長さ、深さ、開口幅もしくは閉口応力の物理量を少なくとも１つ以上取得する機能を有する。

［第４実施形態の作用と効果］
第４実施形態の超音波探傷装置１０Ｃにおいても、信号発生機構１１で発生する送信波形の周波数を変化させることで、特定周波数や特定周波数の組合せでの非線形現象における発生効率の観察が可能となる。被検査対象１３の欠陥Ｄからの非線形成分の発生効率は、欠陥形状などの欠陥プロファイルに対する入射周波数ｆｉで決定される。これにより、図１８に示すように、縦軸にスケール強度を示し、横軸に周波数をとった発生効率の解析が可能となり、被検査対象１３の欠陥Ｄの欠陥サイジングの精度がより向上する。

［第５の実施形態］
図１９は、本発明の第５の実施形態を示す構成図である。

第５実施形態に示された超音波探傷装置１０Ｄは、超音波送信機構１４および超音波受信機構１５の少なくとも一方と被検査対象１３との間に、超音波伝播効率を向上させる音響インピーダンスマッチング層（カップリングレイヤー）３２を設けたもので、他の構成は、第１実施形態ないし第４実施形態に示される超音波探傷装置１０，１０Ａ〜１０Ｃと構成および作用を同じくするので、同じ構成には同一符号を付し、重複説明を省略あるいは簡素化する。

図１９に示された超音波探傷装置１０Ｄは、超音波送信機構１４と被検査対象１３の間および超音波受信機構１５と被検査対象１３の間にカップリングレイヤー３２をそれぞれ設けたものである。カップリングレイヤー３２は超音波探傷技術に用いられるシューと呼ばれる高分子材料や、水、ゲルなどのカップリング部材で構成される。カップリングレイヤー３２は超音波送信機構１４および超音波送信機構１５と被検査対象１３とを音響インピーダンス的に結合する目的で設けられる。

カップリングレイヤー３２は、超音波送信機構１４や超音波受信機構１５と被検査対象１３との間に空気等の層が形成され、超音波伝播が妨げられるのを防ぐためである。

［第５実施形態の作用と効果］
第５実施形態の超音波探傷装置１０Ｄにおいては、超音波送信機構１４から被検査対象１３への超音波送信もしくは、被検査対象１３から超音波受信機構１５への超音波受信を、カップリングレイヤー３２を介在させて音響的カップリングをとることにより、より効率的に実施できる効果がある。

特に、第５実施形態の超音波探傷装置１０Ｄを用いて、被検査対象１３の超音波探傷を気中で実施する場合、超音波送信機構１４を被検査対象１３に密着させる必要があり、両者の間にカップリングレイヤー３２を導入することで、気中空間をカップリングレイヤー３２が埋めてくれるため、密着度が低くても音響的整合性をとることができる。

被検査対象１３の表面が、曲面などの複雑形状であったり、表面が粗かったり、変形している場合でも、カップリングレイヤー３２を超音波送信機構１４と被検査対象１３との間に介装させることにより、超音波送信機構１４からの低周波で大振幅の入射超音波Ｕｉを被検査対象１３にスムーズに安定的に入射させることができる。

また、被検査対象１３と超音波受信機構１５との間にカップリングレイヤー３２を介装させることで、受信超音波Ｕｒを超音波受信機構１５にスムーズに安定的に受信させることができる。

［第６の実施形態］
図２０ないし図２２は、本発明の第６の実施形態を示す構成図である。

第６実施形態に示された超音波探傷装置１０Ｅは、第１実施形態ないし第５実施形態に示される超音波探傷装置１０，１０Ａ〜１０Ｄに遠隔目視機構３３を備えたものであり、他の構成は、第１実施形態ないし第５実施形態に示された超音波探傷装置１０，１０Ａ〜１０Ｄと異ならないので、同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略あるいは簡素化する。

図２０に示された超音波探傷装置１０Ｅは、被検査対象１３表面の光学的情報を記録可能な単眼の遠隔目視機構３３が、被検査対象１３の上方に設けられる。遠隔目視機構３３は一般的な光学カメラから内視鏡などの小型カメラで構成される。遠隔目視機構３３で目視される光学的情報は、種々の波長の光を用いて作成でき、３８０〜７８０ｎｍの可視光のみならず、赤外線、紫外線、Ｘ線等を用いたものでもよい。

また、信号処理装置１６の解析機構２０で得られた被検査対象１３の欠陥Ｄ位置などの情報は、遠隔目視機構３３で得られた画像に重畳させることで、被検査対象１３の欠陥Ｄ位置を具体的に同定する機能も有する。

さらに、図２０には超音波探傷装置１０Ｅに遠隔目視機構３３を独立して設置した例を示すが、遠隔目視機構３３は超音波送信機構１４あるいは超音波受信機構１５に付随させて設けてもよい。

［第１変形例］
図２１は、超音波探傷装置１０Ｅの第６実施形態の第１変形例を示す構成図である。

この第１変形例に示された超音波探傷装置１０Ｅは、図２０に示す超音波探傷装置１０Ｅが単眼の遠隔目視機構３３を備えたのに対し、遠隔目視機構３３，３３を複数備えて、ステレオ視した複眼の遠隔目視機構３３のアルゴリズムを構成したものである。他の構成は第６実施形態の超音波探傷装置１０Ｅと異なるところは存在しない。

［第２変形例］
図２２は、超音波探傷装置１０Ｅの第６実施形態の第２変形例を示す構成図である。

この第２変形例に示された超音波探傷装置１０Ｅは、遠隔目視機構３３をパターンレーザ３４と組み合せて使用したものである。他の構成は第６実施形態に示された超音波探傷装置１０Ｅと異ならない。

［第６実施形態の作用と効果］
第６実施形態に示された超音波探傷装置１０Ｅは、信号処理装置１６の解析機構２０で解析処理された被検査対象１３の欠陥Ｄ探傷結果と、遠隔目視機構３３で得られた被検査対象１３の遠隔目視画像を重畳して図示しない表示装置に表示することで、被検査対象１３の欠陥Ｄ位置や欠陥長さ、欠陥深さ等の定量的探傷結果がより明確に評価でき、検出することができる。

また、超音波探傷装置１０Ｅの遠隔目視機構３３でカメラによるステレオ視やパターンレーザと組み合せた形状計測により、被検査対象１３の表面形状を計測することで、欠陥Ｄ位置の同定精度を向上させることができる。

［第７の実施形態］
図２３は、超音波探傷装置の第７実施形態を示すもので、被検査対象１３の表面および内部欠陥（体積欠陥）を非破壊で広範囲に検出でき、かつ欠陥の長さや深さ等の欠陥情報の物理量を取得できる構成例を示すものである。第１実施形態に示された超音波探傷装置の構成および作用と同じ構成および作用には同一符号を付して重複説明を省略あるいは簡略化する。

第７実施形態に示される超音波探傷装置１０Ｆは、第１実施形態における信号処理装置１６に代えて、信号処理装置１６Ａを備える。また、信号処理装置１６Ａで処理された超音波波形や演算データ（物理情報）の一部あるいは全部を表示する表示機構４０をさらに備える。

信号処理装置１６Ａは、受信信号増幅機構１８と、ＡＤ変換機構１９と、デジタル超音波（波形）信号から高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の処理を行なって高調波成分または分調波成分を求め、得られた高周波成分等の（散乱源）強度空間分布を逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）等の処理を行なって欠陥位置を同定する逆問題演算（解析）を行なう演算機構４３と、任意の周波数成分（高調波または分調波成分のスケール強度が大きい次数の周波数）でフィルタリングした（散乱源）強度空間分布から欠陥の位置の物理量の演算を行なうフィルタリング機構４４と、非線形超音波成分の強度変化量を抽出する変化量抽出機構４５とを備える。

信号発生機構１１は、アナログ電圧信号の振幅を時間的に変化させる変調機構を備えている。

さらに、信号処理装置１６Ａの演算機構４３は、ＡＤ変換機構１９から送られるデジタル超音波波形である受信超音波信号Ｕｒエコーを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理して高調波または分調波成分を求め、この高周波成分等を逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）処理等で逆問題解析して被検査対象のどの（空間）位置から得られたエコー反射超音波か空間強度分布を演算する機能を有する。演算方法としては、基本的な飛行時間法のほか、複数の受信超音波信号Ｕｒを用いた相関処理や開口合成処理等の解析手法がある。勿論そのほかの信号処理方法でもよい。

一方、信号処理装置１６Ａのフィルタリング機構４４は、アナログ、デジタルのどちらでもよい。デジタルの場合は信号処理回路として存在しても良いし、制御機構１７等に組み込まれたソフトウエアでもよい。フィルタリング機構４４に用いられるフィルタの種類はハイパス、ローパス、バンドパス、バンドエリミネーションなどがある。伝達関数はバターワースフィルタ、ベッセルフィルタ、チェビシェフフィルタ、連立チェビシェフフィルタ、コムフィルタ、ＦＦＴ−ＩＦＦＴフィルタなどがあり、勿論これ以外のフィルタも考えられる。

フィルタリング機構４４は演算機構４３から得られたデジタル超音波波形の空間強度分布の高調波（分調波）成分を任意の周波数成分（スケール強度の大きな次数の周波数成分）でフィルタリングし、例えば図１１（Ａ）では２次の高調波２ｆｉの空間強度分布を演算して欠陥Ｄの空間位置等を同定する。

加えて、信号処理装置１６Ａの変化量抽出機構４５は、複数の測定点から得られる非線形超音波成分を抽出する機構であり、欠陥Ｄの有無によって変化する非線形超音波発生効率を計算することができる。

他方、超音波探傷装置１０Ｆの表示機構４０は、ＡＤ変換機構１９で処理されたデジタル超音波波形と、演算装置４３で処理された（散乱源）強度空間分布と、前記フィルタリング機構４４で処理された（散乱源）強度空間分布と、変化量抽出装置４５で処理された強度変化量の一部もしくは全部を表示する機能をもち、その他入射超音波周波数や計測条件なども表示できる。表示機構４０は、基本的にはフィルタリング機構４４および変化量抽出機構４５の出力信号が表示されるが、ＡＤ変換機構１９や演算機構４３からの出力を取り入れて表示させるようにしてもよい。表示機構４０には少なくともフィルタリング機構４４からのフィルタリングされた空間強度分布が表示される。また、表示機能はタッチパネルなどでもよく、画面から直接情報を入力する機能をもたせるようにしてもよい。

［第７実施形態の作用］
次に、超音波探傷装置１０Ｆの作用を説明する。

前述したとおり、高振幅超音波は、入射超音波Ｕｉが被検査対象１３内の広域に伝播するため、図２４に示すように、被検査対象１３の欠陥Ｄ以外からも応答が得られる場合がある。溶接部等を構成する組成変化によって発生する応答もあるが、大半は被検査対象１３の底面や縁、コーナから反射波のエコーである。これらを総称して形状エコーＵｃとする。形状エコーＵｃは欠陥Ｄの検出および評価に際しては形状エコーＵｃと欠陥エコーＵｄの分離が必要となる。

被検査対象１３の表面や内部全域に伝播される低周波・高周波超音波が入射されると、入射超音波Ｕｉの高調波成分Ｕｈは欠陥Ｄの存在しないはずの超音波送信機構１４の振動子内部、伝播媒質内、接触界面などでも発生するため、形状エコーＵｃからも検出される。しかし欠陥エコーＵｄに現れる高調波Ｕｈは、発生メカニズムが上述したように欠陥Ｄに依存するため、もともと発生している形状エコーＵｃの非線形超音波成分と発生効率が異なる。

また、分調波Ｕｓは欠陥Ｄと超音波の相互作用でのみ発生することが知られている。複数点で受信した受信超音波Ｕｒの波形を用いて演算機構４３で逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）等の逆問題解析を行うことで、図２５に示すように、各エコー発生源の特定が可能となる。被検査対象１３の欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃとでは、非線形超音波の高調波や分調波成分の出方が、図２５に示すように異なる。図２５において、丸表示の各模様は１次、２次、３次の高調波Ｕｈの周波数と分調波Ｕｓの周波数の例を示し、大きさは高周波Ｕｈや分調波Ｕｓの強度をそれぞれ示す。ここで、便宜的に被検査対象１３の角部や一部の辺を形状エコーＵｃの発生源としているが、勿論底面や他のエコー発生源も考えられる。エコーにおける欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃでは非線形超音波成分の発生効率は異なるため、図２６に示すように、非線形超音波成分発生効率｛高調波（Ｎｆ）成分の非線形超音波強度（スケール強度）｝を比較することで形状エコーＵｃと欠陥エコーＵｄの違いを判別できる。

一般的には、欠陥エコーＵｄは形状エコーＵｃに較べ、高調波（あるいは分調波）Ｎｆ成分の非線形超音波強度（発生効率）は大きくなる。欠陥エコーＵｄは入射波振幅Ａｉがあるしきい値を超えると、高調波Ｎｆ成分の非線形超音波強度が急速に立ち上がり大きくなる。これに対し、形状エコーＵｃの場合は、入射波振幅Ａｉの大きさに比例して高調波Ｎｆ成分の非線形超音波強度はリニアに大きくなるように変化する。

第７実施形態の超音波探傷装置１０Ｆでは、信号発生機構１１に発生した（アナログ）電圧波形信号の振幅を時間的に変化させる変調機構を備え、制御機構１７において、印加電圧による電圧波形信号の振幅の時間的変化と変化量抽出機構４５で得られた非線形超音波成分の強度変化とを同期させ、（アナログ）電圧波形信号の振幅と非線形超音波成分の発生タイミングとの関係を求める演算機能が備えられる。制御機構１７の演算機能により、被検査対象１３の欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃとを非線形超音波強度の違いから区別することができ、欠陥Ｄの欠陥開口幅Ｄｗ等の欠陥Ｄの物理量を求めることができる。

［第７実施形態の効果］
第７実施形態の超音波探傷装置１０Ｆでは、低周波で大振幅の超音波を被検査対象１３の入射超音波Ｕｉに使用するため、指向性の低さと伝播減衰率の低さから被検査対象１３の欠陥の位置、長さ、深さ、開口幅等の物理量を定量的に評価することができる。

被検査対象１３の欠陥の検出と評価に際して、ＡＤ変換機構１９からのデジタル超音波波形に含まれる欠陥による欠陥エコーＵｄと欠陥以外の形状エコーＵｃとは、非線形超音波成分の発生効率（強度）が異なることに着目する。そして、受信したデジタル超音波波形を用いて演算機構４３で逆問題解析を行なってエアー発生源の特定を行ない、非線形超音波成分の発生効率は形状エコーＵｃと欠陥エコーＵｄとが異なるため、非線形超音波成分の発生効率を比較することで、形状エコーＵｃと欠陥エコーＵｄの違いを判別することができ、欠陥Ｄの位置、欠陥長さＤｌ、欠陥深さＤａ、欠陥開口幅Ｄｗ等の物理量を広範囲に非破壊で探傷することができる。

なお、本実施形態では、第１実施形態の信号処理装置１６に代えて信号処理装置１６Ａとし、表示機構４０を追加した構成として説明したが、第１実施形態から第６実施形態の各実施形態および各実施形態の変形例についても、同様に信号処理装置１６Ａと表示機構４０を適用した構成とすることが可能である。

［第８の実施形態］
次に、超音波探傷装置の第８実施形態を、図２３から図２６を用いて説明する。
第８実施形態の超音波探傷装置１０Ｇの全体的なシステム構成は第７実施形態の超音波探傷装置１０Ｆと異ならないので、同じ構成、作用には同一符号を付して説明を省略する。

第８実施形態の超音波探傷装置１０Ｇでは、信号発生機構１１は生成されるアナログ電圧（波形）信号を時間的に振幅を変化させる変調波とする変調手段を備える。一方、信号処理装置１６Ａの変化量抽出機構４５では抽出される特定の非線形超音波成分の強度（発生効率）の時間的な変化を演算している。そして、制御機構１７において、アナログ電圧（波形）信号の時間的な振幅の変化と、変化量抽出機構４５で抽出された非線形超音波成分の強度変化とを入力し、この非線形超音波成分の強度変化を信号発生機構１１からのアナログ電圧波形信号と同期させ、非線形超音波成分の発生タイミングとアナログ電圧波形信号の振幅の関係を求める演算機構を備える。この演算機構は、欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃとを区別したり、欠陥Ｄの欠陥開口幅Ｄｗ等の物理量を演算する機能を備えている。

第８実施形態の超音波探傷装置１０Ｇでは、信号発生機構１１はアナログ電圧（波形）信号の振幅が時間的に変化する変調波とした例を説明したが、アナログ電圧波形信号として、例えば正弦波のバースト波の周波数を変化させること等で入射する超音波信号の強度が時間的に変化し、定量的に評価可能であれば変調手段の種類は問わない。

［第８実施形態の作用と効果］
第８実施形態の超音波探傷装置１０Ｇでは、欠陥エコーＵｄにおける非線形超音波の発生効率（非線形超音波強度）は、図２６（図１０（Ａ），（Ｂ）および図１１（Ａ），（Ｂ））に示すように、入射超音波Ｕｉの入射周波数ｆｉや入射波振幅Ａｉ、欠陥の長さＤｌ、欠陥深さＤａ、欠陥開口幅Ｄｗおよび欠陥の応力状態Ｄｐに依存して変化する。したがって、入射超音波Ｕｉの入射波振幅Ａｉが一定レベル（しきい値）以下、欠陥長さＤｌ、欠陥深さＤａ、欠陥開口幅Ｄｗおよび欠陥の応力状態Ｄｐが一定レベル以下の場合には、欠陥エコーＵｄによる非線形超音波は発生しない（図２６の右上段参照）。

一方、形状エコーＵｃにおける非線形超音波成分は、入射波振幅Ａｉに依存するものではなく、超音波送信機構１４（１４Ａ）からの超音波入射条件や被検査対象１３の形状条件等により、形状エコーＵｃに一定の割合で含まれているものと考えられる。したがって、入射波振幅Ａｉに対してあるタイミングを境にして非線形超音波成分が発生する信号は、高調波Ｎｆ成分の非線形超音波強度が連続的に変化する信号として表われ、この非線形超音波信号は形状エコーＵｃであると判断することができる（図２６参照）。

そして、制御機構１７において、アナログ電圧波形信号の振幅の変化と変化量抽出機構４５からの非線形超音波成分の強度の時間的変化とから、演算機構４３で非線形超音波成分の発生タイミングとアナログ電圧波形信号の振幅との関係を演算で求めることができる。

このようにして、制御機構１７において、電圧波形信号の振幅の時間的な変化と、変化量抽出機構４５からの非線形超音波成分の発生タイミングとから、被検査対象１３の欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃとを非線形超音波強度の違いから区別することができ、欠陥Ｄの欠陥開口幅Ｄｗ等の物理量を演算で求めることができる。

さらに、第８実施形態の超音波探傷装置１０Ｇでは、信号発生機構１１は、アナログ電圧波形信号の振幅を時間的に変化させる機能に代えて、電圧波形信号として正弦波のバースト波を生成する機能を備えてもよい。そして、制御機構１７において、信号発生機構１１からのバースト波の周波数を制御し、このバースト波の周波数と、変化量抽出機構４５からの非線形超音波成分の発生時のバースト波の周波数とから、欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃとを非線形超音波強度の違いから区別させることができ、欠陥Ｄの欠陥開口幅Ｄｗを演算にて求めることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、各実施形態においては、超音波送信機構と超音波受信機構とをセパレートして設置した例を示したが、超音波送信機構と超音波受信機構は、電磁式あるいは圧電式の同じ超音波トランスジューサでそれぞれ構成してもよく、超音波送信機構と超音波受信機構は送受信を兼ねる単一の超音波トランスジューサで構成してもよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ…超音波探傷装置、１１…信号発生機構、１２…印加電圧増幅機構、１３…被検査対象、１４，１４Ａ…超音波送信機構、１５，１５Ａ，１５Ｂ…超音波受信機構、１６，１６Ａ…信号処理装置、１７…制御機構、１８…受信信号増幅機構、１９…ＡＤ変換機構、２０，２０Ｂ…解析機構、２１…評価機構、２３…超音波探触子、２４…レーザ干渉計（振動計）、２５，２６…ケーブル、２８…水、２９…反射体、３０…走査機構、３２…カップリングレイヤー、３３…遠隔目視機構、３４…パターンレーザ、４０…表示機構、４３…演算機構、４４…フィルタリング機構、４５…変化量抽出機構、Ｕｉ…入射超音波、Ｄ…欠陥、Ｄ_１…欠陥界面、Ｄ_２…欠陥界面、ｆｉ…入射周波数、Ｕｈ…高調波、Ｕｓ…分調波、Ａｉ…入射波振幅、Ｄｌ…欠陥長さ、Ｄａ…欠陥深さ、Ｄｗ…欠陥開口幅、Ｄｐ…欠陥の応力状態、Ｕｒ…受信超音波、Ｕｌ…漏洩超音波。

Claims (15)

1. 電圧波形を生成する信号発生機構と、
   被検査対象に所定よりも低い周波数の超音波振動を励起させる超音波送信機構と、
   前記被検査対象からの超音波応答を受信する超音波受信機構と、
   受信された超音波信号をデジタル化するＡＤ変換機構と、
   デジタル化されたデジタル超音波波形を周波数解析する解析機構と、
   周波数解析で得られたデジタル超音波の周波数成分の中から非線形超音波成分の変化量を抽出し、欠陥情報データベースの欠陥データ情報と比較して被検査対象の欠陥情報の物理量を同定し、前記被検査対象の欠陥を評価する評価機構と、
   計測系の一部もしくは全体を制御する制御機構とから構成されることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記超音波送信機構および超音波受信機構の少なくとも一方に複数個の超音波送信機構または超音波受信機構と、
   無欠陥の被検査対象から得られる参照波形が記録された記録手段と、を備え、
   前記解析機構は、前記超音波受信機構からＡＤ変換機構を経て得られた前記デジタル超音波波形を前記参照波形から得られる信号と相関処理を行ない、前記相関処理により所定値以上の相関を示した前記参照波形の信号を前記デジタル超音波波形から除去する除去処理を行ない、
   除去処理後の前記デジタル超音波波形の特徴超音波信号に基づいて欠陥位置を特定する請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 前記超音波送信機構および超音波受信機構の少なくとも一方に複数個の超音波送信機構または超音波受信機構を走査して相対的に進退させる走査機構を備え、前記超音波受信機構からＡＤ変換機構を経て得られた前記デジタル超音波波形に無欠陥の被検査対象の参照波形から得られる参照超音波信号と相関処理をかけることで、欠陥位置を特定する位置特定手段を有する請求項１に記載の超音波探傷装置。
4. 前記超音波受信機構から前記ＡＤ変換機構を経て得られた前記デジタル超音波波形の周波数成分から非線形超音波成分の発生効率を前記解析機構で解析する一方、
   前記評価機構は、解析された前記デジタル超音波波形の周波数情報が前記欠陥情報データベースの既知の欠陥データ情報と照合され、前記被検査対象の欠陥の長さ、深さ、開口幅もしくは閉口応力の物理量を少なくとも１つ以上取得する機能を有する請求項１に記載の超音波探傷装置。
5. 前記信号発生機構は、前記電圧波形の周波数を走査する機能を有し、前記超音波受信機構から前記ＡＤ変換機構を経て得られた前記デジタル超音波波形から前記解析機構で周波数変化に応じた非線形超音波成分発生効率の傾向を解析し、前記評価機構は、解析された前記デジタル超音波波形の周波数情報が前記欠陥情報データベースの既知の欠陥データ情報と照合され、前記被検査対象の欠陥の長さ、深さ、開口幅もしくは閉口応力の物理量を少なくとも１つ以上取得する機能を有する請求項１に記載の超音波探傷装置。
6. 前記信号発生機構は、複数周波数のミキシングで前記電圧波形を生成する機能を有し、前記超音波受信機構から前記ＡＤ変換機構を経て得られた前記デジタル超音波波形から前記解析機構で周波数変化に応じた非線形超音波成分の発生効率の傾向を解析し、前記評価機構は、解析された前記デジタル超音波波形の周波数情報が前記欠陥情報データベースの既知の欠陥データ情報と照合されて前記被検査対象の欠陥の長さ、深さ、開口幅もしくは閉口応力の物理量を少なくとも１つ以上取得する機能を有する請求項１に記載の超音波探傷装置。
7. 前記超音波受信機構はハイドロフォンで構成され、前記被検査対象の欠陥から水中に漏洩してきた超音波成分のみを解析に用いる請求項１に記載の超音波探傷装置。
8. 前記被検査対象の探傷範囲と同じ範囲を遠隔目視カメラで同時に観察し、前記被検査対象の欠陥情報を前記遠隔目視カメラで得られた映像に重畳して表示する機能を有する請求項１に記載の超音波探傷装置。
9. 前記超音波送信機構および前記超音波受信機構の少なくとも一方と、前記被検査対象間に超音波伝播効率を向上させる音響インピーダンスマッチング層を有する請求項１に記載の超音波探傷装置。
10. 被検査対象に所定よりも低い周波数の超音波を送信し、
    前記被検査対象から超音波応答を超音波受信機構で受信し、
    受信されたアナログ超音波波形をデジタル超音波波形に変換し、
    変換されたデジタル超音波波形を解析機構で周波数解析し、
    周波数解析された前記被検査対象のデジタル超音波波形の周波数情報から非線形超音波成分の変化量を抽出して評価機構で欠陥情報データベースの既知の欠陥データ情報と照合し、前記被検査対象の欠陥情報の物理量を同定し、前記被検査対象の欠陥を評価することを特徴とする超音波探傷装置の評価方法。
11. 電圧波形を生成する信号発生機構と、
    被検査対象に所定よりも低い周波数の超音波振動を励起させる超音波送信機構と、
    前記被検査対象からの超音波応答を受信する超音波受信機構と、
    受信された超音波信号をデジタル化するＡＤ変換機構と、
    デジタル化された超音波波形から強度空間分布を逆問題演算する演算機構と、
    任意の周波数成分でフィルタリングした前記強度空間分布を演算するフィルタリング機構と、
    非線形超音波成分の強度変化量を抽出する変化量抽出機構と、
    前記フィルタリング機構からのフィルタリングされた前記強度空間分布を少なくとも表示する表示機構と、
    計測系の一部もしくは全体を制御する制御機構とから構成されることを特徴とする超音波探傷装置。
12. 前記信号発生機構は、その電圧波形信号の振幅を時間的に変化させる機能を有し、
    前記制御機構において、前記電圧波形信号の振幅の変化と、前記変化量抽出機構からの非線形超音波成分の発生タイミングとから、欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃと区別する機能を有する請求項１１に記載の超音波探傷装置。
13. 前記信号発生機構は、その電圧波形信号の振幅を時間的に変化させる機能を有し、
    前記制御機構において、電圧波形信号の振幅の変化と、前記変化量抽出機構からの非線形超音波成分の発生タイミングとから、欠陥の開口幅を演算する機能を有する請求項１１に記載の超音波探傷装置。
14. 前記信号発生機構は、電圧波形信号として正弦波のバースト波を生成する機能を有し、
    前記制御機構において、前記バースト波の周波数を制御し、このバースト波の周波数と前記変化量抽出機構からの非線形超音波成分の発生時のバースト波の周波数とから、欠陥エコーＵｄと形状エコーＵｃと区別する請求項１１に記載の超音波探傷装置。
15. 前記信号発生機構は、電圧波形信号として正弦波のバースト波を生成する機能を有し、
    前記制御機構において、前記バースト波の周波数を制御し、このバースト波の周波数と前記変化量抽出機構からの非線形超音波成分の発生時のバースト波の周波数とから、欠陥の欠陥開口幅を演算する機能を有する請求項１１に記載の超音波探傷装置。

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