JP2015102405A - 検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】傷等をより正確に検出することができる検査方法および検査装置を提供する。
【解決手段】測定対象となる構造物に超音波ガイド波を送信するとともに、その超音波ガイド波が構造物で反射した反射波を受信する送受信部１１と、構造物の端部で反射した超音波ガイド波の反射波の信号強度を検出する第１の検出部１３と、構造物の端部以外の箇所で反射した超音波ガイド波の反射波の信号強度を検出する第２の検出部１４と、第１の検出部１３が検出した信号強度と第２の検出部１４が検出した信号強度とに基づいて、構造物の傷等の有無を判断する判断部１５とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、検査方法および検査装置に関し、特に、超音波ガイド波を用いた非破壊検査方法および非破壊検査装置に関するものである。

従来より、構造物中に超音波を発信して反射波を受信することにより、各種構造物の傷、へこみ、欠陥、減肉等（以下、「傷等」とも言う。）を検出したり、特定構造を探索したりする超音波探傷法が知られている。この超音波探傷法に用いられる超音波ガイド波は、媒質中を球面波状に伝播する超音波バルク波よりも距離による波の減衰が小さいため、長距離の検査に有利であるので、例えばパルスエコー法を利用したパイプ等の検査など、各種検査技術に用いられるようになっている（例えば、非特許文献１参照。）。

亀山俊平、その他、ガイド波探傷システム、（社）日本非破壊検査協会、非破壊検査、第５２巻、第１２号、６７２−６７８頁、平成１５年１２月１日発行

超音波ガイド波は、空気中に設置された構造物に対しては波動のエネルギーがその構造物中にほぼ完全に閉じ込められるため、距離減衰が小さく長距離伝播させることができるので、長距離／広範囲の検査に用いることができる。

しかしながら、超音波ガイド波は、構造物が固体中に埋設されていると密度の差が小さいため一般に振動エネルギーが周囲の媒質に漏洩することにより減衰が大きくなるので、検査の精度が低下してしまう。

例えば、地中等に埋設され構造物等に対しては波動エネルギーがその構造物周囲の土中に漏洩するため、空気中よりも構造物中での減衰が大きくなってしまう。このため、検査可能な距離内であっても、相対的に信号強度が低下するため、ＳＮ比の悪化により傷等を正確に検出することが困難となっていた。

そこで、本発明は、傷等をより正確に検出することができる検査方法および検査装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る検査方法は、媒質中に埋設された長尺の構造物の長手方向に超音波ガイド波を伝達させたときの反射波を受信する受信ステップと、受信ステップで受信した反射波から、構造物の端部で反射した反射波の信号強度を検出する第１の検出ステップと、受信ステップで受信した反射波から、構造物の端部以外の箇所で反射した反射波の信号強度を検出する第２の検出ステップと、第１の検出ステップ検出した信号強度と第２の検出ステップで検出した信号強度とに基づいて、構造物の傷の有無を判断する判断ステップとを有することを特徴とするものである。

上記検査方法において、受信ステップは、反射波の信号強度の時間変化を受信し、第１の検出ステップは、構造物の端部で反射した反射波に対応する時間帯に受信した反射波の信号強度を検出し、第２の検出ステップは、構造物の端部以外の箇所で反射した反射波に対応する時間帯に受信した反射波の信号強度を検出するようにしてもよい。

また、上記検査方法において、第１の検出ステップおよび第２の検出ステップは、反射波の振幅の絶対値を積分した値または反射波の振幅の二乗値を積分した値を信号強度として検出するようにしてもよい。

また、上記検査方法において、判断ステップは、第２の検出ステップで検出した信号強度である第２の値に対する第１の検出ステップで検出した信号強度である第１の値、または、第２の値に対する第１の値と第２の値の和に基づいて、構造物の傷の有無を判断するようにしてもよい。

また、上記検査方法において、時間帯を予め設定する設定ステップをさらに備え、第１の検出ステップは、設定ステップで設定された時間帯に受信した反射波の信号強度を検出するようにしてもよい。

また、上記検査方法において、超音波ガイド波のモードは、Ｌモードであるようにしてもよい。

また、本発明に係る検査装置は、媒質中に埋設された長尺の構造物の長手方向に超音波ガイド波を伝達させたときの反射波を受信する受信部と、受信部で受信した反射波から構造物の端部で反射した反射波の信号強度を検出する第１の検出部と、受信部で受信した反射波から構造物の端部以外の箇所で反射した反射波の信号強度を検出する第２の検出部と、第１の検出部が検出した信号強度と第２の検出部が検出した信号強度とに基づいて、構造物の傷の有無を判断する判断部とを備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、構造物の端部で反射した反射波の信号強度と、構造物の端部以外の箇所で反射した反射波の信号強度とに基づいて構造物の傷の有無を判断することにより、傷等の有無をより正確に検出することができる

図１は、本発明の実施の形態に係る検査装置とこの検査装置の検査対象となる構造物の状態を説明するための図である。 図２は、図１の検査装置の構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る検査装置による検査方法を説明するフローチャートである。 図４Ａは、反射波の一例を示す図である。 図４Ｂは、時間帯の設定方法を説明するための図である。 図５は、傷等を有する構造体からの反射波の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る検査装置について詳細に説明する。

＜検査装置の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る検査装置１は、媒質に埋設された円筒形または円柱形の長尺の構造物１０について、傷、へこみ、欠陥、減肉などの傷等の有無を検査するものである。このような検査装置１は、図２に示すように、送受信部１１と、記憶部１２と、第１の検出部１３と、第２の検出部１４と、判断部１５と、出力部１６とを備えている。
ここで、構造物１０が埋設される媒質としては、土壌、泥、砂礫、水、コンクリート、モルタル、アスファルトまたはいずれかの混合物などがある。

送受信部１１は、測定対象となる長尺の構造物１０に、その長手方向に伝播する超音波、すなわち超音波ガイド波を送信するとともに、その超音波ガイド波が構造物１０で反射した反射波を受信する。このような送受信部１１には、測定対象となる構造物１０の任意の位置に固定される探触子１１１と、この探触子１１１を駆動するとともに探触子１１１によって検出された信号を送受信部１１を介して記憶部１２に出力する送受信回路１１２とが接続されている。

探触子１１１は、例えば超音波の送受信を行う圧電素子のアレイによって実現することができる。この探触子１１１は、例えば土中に埋設された金属棒の地表に露出した部分などに取り付けられて、送受信回路１１２からの指示に基づいて、構造物１０に固定された位置から構造物１０の延在方向に伝播する超音波ガイド波の波束を送信し、この超音波ガイド波が構造物１０の端部などで反射したエコーを受信する。この受信した反射波の波形、すなわち、反射波の信号強度の時間変化は、後述する図４Ａ，図４Ｂの波形４００のように表れる。このような反射波の信号強度の時間変化は、送受信部１１を介して記憶部１２に出力されて後述する反射波データ１２１として記憶される。

送受信回路１１２は、任意の波形を発生させる波形発生器と、この波形に基づいて探触子１１１の圧電素子を駆動する電力増幅回路と、探触子１１１により受信した弾性波の信号を増幅する受信増幅器とを有する。
本実施の形態において、波形発生器は、Ｌ（Longitudinal）モードの超音波ガイド波の波形を発生させる。すると、電力増幅回路は、その波形に基づいて探触子１１１の圧電素子を駆動させる。この結果、探触子１１１が取り付けられた構造物１０には、Ｌモードの超音波ガイド波が伝播することとなる。
なお、Ｌモードとは、長尺の構造物の中心軸に対して振動モードが軸対称である縦波のモードである。このＬモードは、任意の時および距離における振動が長尺構造物の周方向に異方性を有しないので、その距離に存在する傷等について周方向の位置情報の取得が困難である一方、その周方向のいずれかに傷等が存在すれば高精度で検出することができる。

記憶部１２は、送受信回路１１２から受信した反射波の波形、すなわち反射波の信号強度の時間変化に関する反射波データ１２１と、その反射波の信号強度の時間変化における構造物１０の端部やこの端部以外の箇所で反射した反射波の時間帯に関する時間帯データ１２２と、判断部１５による傷の有無の判断に用いられるしきい値データ１２３とを記憶している。ここで、時間帯データ１２２およびしきい値データ１２３は、予め記憶部１２に記憶されている。

第１の検出部１３は、構造物１０の端部で反射した超音波ガイド波の反射波の信号強度を検出する。本実施の形態では、信号強度として、記憶部１２の反射波データ１２１および時間帯データ１２２とに基づき、反射波データ１２１のうち構造物１０の端部で反射した反射波の振幅の絶対値を積分した値またはその振幅の二乗値を積分した値を算出する。この算出した値（以下、「第１の値」と言う。）は、判断部１５に出力される。

第２の検出部１４は、構造物１０の端部以外の箇所で反射した超音波ガイド波の反射波の信号強度を検出する。本実施の形態では、信号強度として、記憶部１２の反射波データ１２１および時間帯データ１２２とに基づき、反射波データ１２１のうち構造物１０の端部以外の箇所で反射した反射波の振幅の絶対値を積分した値またはその振幅の二乗値を積分した値を算出する。この算出した値（以下、「第２の値」と言う、）は、判断部１５に出力される。

判断部１５は、第１の検出部１３が検出した信号強度と第２の検出部１４が検出した信号強度とに基づいて、構造物１０の傷等の有無を判断する。具体的には、判断部１５は、第２の値に対する第１の値の比、または、第２の値に対する第１の値と第２の値の和の比を算出し、この算出した比と記憶部１２のしきい値データ１２３とを比較し、この比較結果に基づいて構造物１０の傷等の有無を判断する。

出力部１６は、判断部１５による構造物１０の傷等の有無の判断結果をモニタ等に出力する。

このような検査装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、外部との情報の送受を行うＩ／Ｆ（Interface）装置と、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)や有機ＥＬ(Electro Luminescence)等の表示装置とを備えたコンピュータから構成されている。すなわち、検査装置１では、そのコンピュータにインストールされたプログラムにより上述したようなハードウェア資源が制御されて、ハードウェア装置とソフトウェアが協働することにより、上述した送受信部１１、記憶部１２、第１の検出部１３、第２の検出部１４、判断部１５および出力部１６が実現されている。
＜検査方法＞
次に、図３を参照して、本実施の形態に係る検査方法について説明する。

構造物１０の傷の有無を検査する場合、まず、送受信部１１は、探触子１１１および送受信回路１１２を用いて、その検査対象となる構造物１０に超音波ガイド波を送信する（ステップＳ１）。そして、送受信部１１は、その超音波ガイド波が構造物１０で反射した反射波を受信し（ステップＳ２）、この反射波を記憶部１２に出力する。すると、記憶部１２は、入力された反射波に関する情報、すなわち、反射波の信号強度の時間変化に関する情報を反射波データ１１１として記憶する（ステップＳ３）。

続いて、第１の検出部１３は、記憶部１２の反射波データ１２１および時間帯データ１２２とに基づいて、構造物１０の端部で反射した超音波ガイド波の反射波の信号強度を検出する（ステップＳ４）。具体的には、第１の検出部１３は、記憶部１２の反射波データ１２１および時間帯データ１２２とに基づいて、反射波データ１２１のうち構造物１０の端部で反射した反射波の振幅の絶対値を積分した値またはその振幅の二乗値を積分した値である第１の値を算出する。この第１の値の算出方法の一例を、図４Ａ，図４Ｂを参照して説明する。

まず、図４Ａ，図４Ｂに示す波形４００について説明する。この波形４００は、長さ２．４ｍ、直径１３ｍの亜鉛めっきを施した傷等が無い状態の棒鋼にＬモードの超音波ガイド波を送信したときの反射波の信号強度の時間変化である。なお、図４Ａ，図４Ｂにおいて、波形４００は同一のものである。また、図４Ａ，図４Ｂにおいて、縦軸は信号強度、横軸は時間を示しており、横軸に対応する信号強度の値０に対して、横軸よりも上方の信号強度の符号を正、横軸よりも下方の信号強度の符号を負とする。

図４Ａに示すように、波形４００のうち符号４０１で示す範囲の波が構造物１０の端部からの反射波（以下、「反射波４０１」と言う。）である。これは、構造物１０に送信する超音波ガイド波の速度と探触子１１１から構造物１０の端部までの距離とから算出することができる。送信する超音波ガイド波は波束であり、いくつかの波の集まりであるから、端部からの反射波４０１もいくつかの波を含んでいる。反射波４０１に含まれる波のうち、最も振幅が大きい波のピークをＰ（０）とする。このＰ（０）が検出される時刻ｔ０についても、超音波ガイド波の速度と探触子１１１から構造物１０の端部までの距離とから算出することができる。また、信号強度の正負に関わらず、Ｐ（０）を基準に、Ｐ（０）から数えて早い時刻に検出されるピークをＰ（−１）、Ｐ（−２）、Ｐ（−３）、Ｐ（−４）、同様に遅い時刻についても、Ｐ（１）・・・とする。

このような反射波に対して、記憶部１２には、超音波ガイド波が構造物１０の端部や端部以外の箇所で反射した時間帯に関する時間帯データ１２２が予め記憶されている。この時間帯データ１２２の設定方法の一例を次に説明する。

まず、図４Ｂに示すように、Ｐ（０）を通りＰ（−４）を通る直線４０２を引き、この直線４０２と横軸との交点の時刻ｔ２を求め、時刻ｔ２から時刻ｔ０までの時間を算出する。続いて、時刻ｔ０から、その時刻ｔ２から時刻ｔ０までの時間だけ経過した時刻ｔ３を求める。そして、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間帯が、構造体１０の端部で反射した反射波に対応する時間帯として、時間帯データ１２２に記憶される。
また、時刻ｔ２よりも早い時間帯は、構造物１０の端部以外の箇所で反射した反射波の時間帯である。そこで、探触子１１１の位置に対応する反射波の時刻をｔ１とすると、この時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間帯が、構造物１０の端部以外の箇所で反射した反射波に対応する時間帯として、時間帯データ１２２に記憶される。なお、探触子１１１の位置に対応する反射波の時刻ｔ１は、超音波ガイド波の速度と探触子１１１から構造物１０の端部までの距離とから算出することができる。
なお、時間帯データ１２２に記憶される構造体１０の端部や端部以外の箇所で反射した反射波の時間帯は、探触子１１１から超音波ガイド波を送信した時刻を基準に設定されている。

また、本実施の形態では、直線４０２を引く場合を例に説明したが、直線の代わりに曲線を用いてもよい。また、Ｐ（０）とＰ（−４）の２点を用いる場合について説明したが、多数のピークを通る曲線を用いるようにしてもよい。例えば、Ｐ（０）、Ｐ（−２）、Ｐ（−４）の３点を通る二次曲線やスプライン曲線を用いてもよい。

このように予め設定された時間帯データ１２２と、図４Ａ，図４Ｂに示すような反射波の波形からなる反射波データ１２１とに基づいて、第１の検出部１３は、第１の値を算出する。具体的には、まず、第１の検出部１３は、反射波データ１２１から、時間帯データ１２２で特定される時間帯の波形、すなわち、構造体１０の端部で反射した反射波に対応する波形を抽出する。続いて、この抽出した波形に対して、振幅の絶対値を積分した値またはその振幅の二乗値を積分した値を算出する。この算出した値、すなわち第１の値は、判断部１５に出力される。

続いて、第２の検出部１４は、第１の検出部１３の場合と同様に、記憶部１２の反射波データ１２１および時間帯データ１２２とに基づいて、構造物１０の端部以外の箇所で反射した超音波ガイド波の反射波の信号強度を検出する（ステップＳ５）。具体的には、まず、第２の検出部１４は、反射波データ１２１から、時間帯データ１２２で特定される時間帯の波形、すなわち、構造体１０の端部以外の箇所で反射した反射波に対応する波形を抽出する。続いて、この抽出した波形に対して、振幅の絶対値を積分した値またはその振幅の二乗値を積分した値を算出する。この算出した値、すなわち第２の値は、判断部１５に出力される。

このように、第２の検出部１４は、時間帯データ１２２で特定される時間帯の波形を反射波データ１２１から抽出している。これにより、構造体１０に発生した傷等によって超音波ガイド波の伝搬時間が変化しても、第２の値には、発生した傷等による強度の変化の他に、端部からの反射波の一部成分も含まれる場合があり、傷等による反射波の強度の変化のみよりも正常な状態からの差異がより表れることとなる。

第１の値および第２の値が算出されると、判断部１５は、それらの値に基づいて、構造物１０の傷等の有無を判断する（ステップＳ６）。
構造物１０からの反射波には、必ず端部からの反射波が含まれており、その波形は安定した形状を有している。そこで、その端部からの反射波の信号強度を基準として、構造物１０の端部以外の箇所の反射波の信号強度と比較することにより、判断部１５は、構造物１０の傷等の有無を判断する。

具体的には、判断部１５は、第２の値に対する第１の値の比（以下、「第１の比」と言う。）、または、第２の値に対する第１の値と第２の値の和の比（以下、「第２の比」と言う。）を算出し、この算出した比と記憶部１２のしきい値データ１２３とを比較し、この比較結果に基づいて構造物１０の傷等の有無を判断する。この判断の一例について、図４Ａ，４Ｂおよび図５を参照して説明する。なお、図５に示す波形４１０は、図４Ａ，図４Ｂに示した波形４００を検出した棒鋼と同様、長さ２．４ｍ、直径１３ｍの亜鉛めっきを施してあるが、傷等が有る棒鋼であって、Ｌモードの超音波ガイド波を送信したときの反射波の信号強度の時間変化である。

例えば、しきい値データ１２３として、０．０１±０．０１（任意単位）が設定されていたとする。ここで、図４Ａ，図４Ｂに示すような傷等がないまたは少ない構造物１０に対して超音波ガイド波を送信して受信した反射波から、第１の値として９９（任意単位），第２の値として１（任意単位）が算出されたとする。このとき、第１の比は１／９９（≒０．０１０１）、第２の比は１／１００（＝０．０１）であり、何れもしきい値データ１２３の範囲内である。このような場合、判断部１５は、傷等が無いと判断する。

一方、図５に示す傷等がある構造物１０に対して超音波ガイド波を送信して受信した反射波の波形４１０から、第１の値として８０，第２の値として２０（任意単位）が算出されたとする。このとき、第１の比は２０／８０（＝０．２５）、第２の比は２０／１００（＝０．２）であり、何れもしきい値データ１２３の範囲内にない。このような場合、判断部１５は、傷等が有ると判断する。

判断部１５により傷等の有無について判断されると、出力部１６は、その判断結果をモニタ等に出力する（ステップＳ７）。

以上説明したように、本実施の形態によれば、構造物１０の端部で反射された反射波の信号強度と、構造物１０の端部以外の箇所で反射された反射波の信号強度とに基づいて構造物の傷の有無を判断することにより、傷等をより正確に検出することができる。

また、第１の値および第２の値を振幅の二乗値を積分して算出する場合には、よりＳＮ比を増した第１の値や第２の値を得ることができるので、結果として、より正確に傷等の有無を検出することができる。

本発明は、超音波ガイド波を送信する各種装置に適用することができる。

１…検査装置、１０…構造物、１１…送受信部、１２…記憶部、１３…第１の検出部、１４…第２の検出部、１５…判断部、１６…出力部、１１１…探触子、１１２…送受信回路、１２１…反射波データ、１２２…時間帯データ、１２３…しきい値データ。

Claims (7)

1. 媒質中に埋設された長尺の構造物の長手方向に超音波ガイド波を伝達させたときの反射波を受信する受信ステップと、
   前記受信ステップで受信した前記反射波から前記構造物の端部で反射した反射波の信号強度を検出する第１の検出ステップと、
   前記受信ステップで受信した前記反射波から前記構造物の前記端部以外の箇所で反射した反射波の信号強度を検出する第２の検出ステップと、
   前記第１の検出ステップ検出した信号強度と前記第２の検出ステップで検出した信号強度とに基づいて、前記構造物の傷の有無を判断する判断ステップと
   を有することを特徴とする検査方法。
2. 請求項１記載の検査方法において、
   前記受信ステップは、前記反射波の信号強度の時間変化を受信し、
   前記第１の検出ステップは、前記構造物の前記端部で反射した反射波に対応する時間帯に受信した前記反射波の信号強度を検出し、
   前記第２の検出ステップは、前記構造物の前記端部以外の箇所で反射した反射波に対応する時間帯に受信した前記反射波の信号強度を検出する
   ことを特徴とする検査方法。
3. 請求項１または２記載の検査方法において、
   前記第１の検出ステップおよび前記第２の検出ステップは、前記反射波の前記振幅の絶対値を積分した値または前記反射波の前記振幅の二乗値を積分した値を前記信号強度として検出する
   ことを特徴とする検査方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の検査方法において、
   前記判断ステップは、前記第２の検出ステップで検出した信号強度である第２の値に対する前記第１の検出ステップで検出した信号強度である第１の値、または、前記第２の値に対する前記第１の値と前記第２の値の和に基づいて、前記構造物の傷の有無を判断する
   ことを特徴とする検査方法。
5. 請求項２乃至４の何れか１項に記載の検査方法において、
   前記時間帯を予め設定する設定ステップをさらに備え、
   前記第１の検出ステップは、前記設定ステップで設定された前記時間帯に受信した前記反射波の信号強度を検出する
   ことを特徴とする検査方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の検査方法において、
   前記超音波ガイド波のモードは、Ｌモードである
   ことを特徴とする検査方法。
7. 媒質中に埋設された長尺の構造物の長手方向に超音波ガイド波を伝達させたときの反射波を受信する受信部と、
   前記受信部で受信した前記反射波から前記構造物の端部で反射した反射波の信号強度を検出する第１の検出部と、
   前記受信部で受信した前記反射波から前記構造物の端部以外の箇所で反射した反射波の信号強度を検出する第２の検出部と、
   前記第１の検出部が検出した信号強度と前記第２の検出部が検出した信号強度とに基づいて、前記構造物の傷の有無を判断する判断部と
   を備えることを特徴とする検査装置。

Images