JP2016042039A - 超音波探傷方法および超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触式の超音波探傷においてノイズ反射波の影響を受けない正確な欠陥検出を行う。
【解決手段】被検体１の一方の面に空気層を介して超音波発振器２を対向させるとともに、前記被検体の他方の面に空気層を介して超音波受振器３を対向させ、前記超音波発振器２から発振された発振波が前記被検体を透過した透過波を前記超音波受振器３で受振し、この際の透過波の強度検知を前記透過波の到達からノイズ反射波が到達する時以前までの間に制限して、検知時間内に受振された透過波の強度より前記被検体内の欠陥の有無を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波探傷方法および超音波探傷装置に関し、特に水や油等の接触媒質を使用しない非接触式の超音波探傷に関するものである。

被検体内に生じた欠陥を超音波で検出する超音波探傷においては、超音波を被検体内に効率的に入射させあるいは被検体内から効率的に出射させるために、超音波発振器や超音波受振器と被検体表面との間に通常は水や油等の接触媒質を介在させる。しかし、高温の被検体や高速移動する被検体等では接触媒質を介在させることが難しく、上記発振器や受振器を被検体から離間させてこれらの間に空気層を介在させた、いわゆる非接触式の超音波探傷を行う必要がある。

なお、特許文献１には、非接触式の超音波探傷において、空気層で超音波が減衰することによる探傷精度の低下を防止する工夫が開示されている。

特開２００８−１２８９６５

しかし、発明者等の知見によれば、非接触式の超音波探傷において、通常使用されている超音波を焦点へ収束させるようにしたフォーカスプローブ等を用いると、往々にして欠陥の有無が正確に判定できないことがあった。

そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、非接触式の超音波探傷において正確な欠陥検出ができる超音波探傷方法および超音波探傷方法を提供することを目的とする。

非接触式超音波探傷において欠陥の有無が正確に判定できない理由について鋭意検討を加えた結果、発明者等は以下の理由を見出した。すなわち、空気層での音速が被検体内の音速に比して非常に遅いことによって、スネルの法則により、入射角が小さい場合でも被検体内で超音波は大きく屈折する。この際、縦波はその屈折角が速やかに臨界角以上となって被検体の表面でその殆どが反射するが、被検体への入射時に生じる横波は反射することなく屈折波となって被検体の側面等で反射し、この反射波（ノイズ反射波）が被検体内を透過する透過波に干渉することによって、欠陥の有無の判定を行うに際して誤判定を招くのである。

本発明は以上の知見に基づいてなされたもので、本第１発明の超音波探傷方法では、被検体の一方の面に空気層を介して超音波発振器を対向させるとともに、前記被検体の他方の面に空気層を介して超音波受振器を対向させ、前記超音波発振器から発振された発振波が前記被検体を透過した透過波を前記超音波受振器で受振し、この際の透過波の強度検知を前記透過波の到達からノイズ反射波が到達する時以前までの間に制限して、検知時間内に受振された透過波の強度より前記被検体内の欠陥の有無を判定する。

本第1発明においては、透過波の強度検知をする時間を、透過波の到達からノイズ反射波が到達する時以前までの間に制限しているから、透過波にノイズ反射波が干渉する前に透過波の強度検知が行われる。したがって、透過波に対するノイズ反射波の影響が排除されて、透過波の強度より正確に被検体内の欠陥の有無を判定することができる。

本第２発明の超音波探傷装置では、被検体の一方の面に空気層を介して対向して設けられ、前記被検体に向けてバースト超音波を発振波として発振する超音波発振器と、前記被検体の他方の面に空気層を介して対向して設けられ、前記被検体を透過した前記発振波を透過波として受振する超音波受振器と、透過波の強度検知を前記透過波の到達からノイズ反射波が到達する時以前までの間に制限する検知制限手段と、検知時間内に受振された透過波の強度より前記被検体内の欠陥の有無を判定する判定手段とを備える。

本第２発明によっても本第１発明と同様の作用効果を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、非接触式の超音波探傷においてノイズ反射波の影響を受けない正確な欠陥検出をすることができる。

本発明の一実施形態を説明する概略断面図である。 透過波の進行経路を示すシミュレーションモデルを示す図である。 ノイズ反射波の進行経路を示すシミュレーションモデルを示す図である。 本発明の強度検知時間を設定した受振波形の一例を示す図である。 超音波探傷の走査経路を示す被検体の概略平面図である。 本発明の強度検知時間で得られる透過波の強度分布を示す図である。 従来の強度検知時間を設定した受振波形の一例を示す図である。 従来の強度検知時間で得られる透過波の強度分布を示す図である。

なお、以下に説明する実施形態はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が行う種々の設計的改良も本発明の範囲に含まれる。

図１には非接触式超音波探傷によって被検体内の欠陥検出を行う場合の例を示す。図１において、一定厚の板状の被検体１に対し、一方の板面１ａには間隔をおいて超音波発振器２を対向させ、被検体１の他方の板面１ｂには間隔をおいて超音波受振器３を対向させてある。したがって、超音波発振器２から発振された超音波（図中の太矢印）は空気層を経て被検体１の板面１ａから被検体１内に入射し、被検体１内を透過して板面１ｂから出射して空気層を経て超音波受振器３に受振される。被検体１内に欠陥があると、超音波受振器３で受振される透過波の強度が低下するため、これを検出することで欠陥の有無を判定できる。

このような非接触式超音波探傷のシミュレーションモデルを図２、図３で考える。図２、図３において、超音波発振器２はその発振面２ａが発振超音波を収束させるような曲率半径Ｒの円弧面となっている。超音波受振器３もその受振面３ａが上記発振面２ａと同様の円弧面となっている。

超音波発振器２の発振面２ａの中心部から縦波として出射された超音波は図２の太矢印で示すように、距離Ａの空気層を経て幅２Ｘの被検体１の一方の面１ａの中央にほぼ垂直に入射し（入射角ゼロ）縦波のまま厚さＹの被検体１内を透過する。縦波の透過波は被検体１の他方の面１ｂの中央から再び距離Ａの空気層を経て超音波受振器３に入射する。

超音波発振器２の発振面２ａの中心部から離れた端部から，縦波として出射された超音波は図３の太矢印で示すように、距離Ｌ１の空気層を経て被検体１の一方の面１ａに入射角θ１で入射し、ここで屈折角θ２の横波屈折波を生じる。横波屈折波は被検体１内で距離Ｌ２を伝達して被検体１の側面に達しここで反射されて、ノイズ反射波として被検体１内で距離Ｌ３を伝達して図２に示した透過波に合流しこれに干渉した後、距離Ａの空気層を経て超音波受振器３に入射する。

上記距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ以下のように算出される。
Ｌ１＝（Ｒ−（Ｒ−Ａ）／cosθ１
Ｌ２＝（Ｘ＋（Ｒ−Ａ）＊tanθ１）／sinθ２
Ｌ３＝（（Ｙ−（Ｘ＋（Ｒ−Ａ）＊tanθ１））／tanθ２）／cosθ２
ここで、Ｃ＝３４０m/sとし、上記被検体をアクリル樹脂とすると、Ｃｔ＝２７３０m/s、Ｃｓ＝１４３０m/sである。また、図２、図３における各部の値を、Ｒ＝４０mm、２Ｘ＝３０mm、Ｙ＝３０mm、Ａ＝２５mm、θ１＝１０．２°、θ２＝４７．５９°とする。さらに、超音波として３３０ＫＨｚで６波のバースト波を使用し、その持続時間は１８．２μｓである。

そこで、上記バースト超音波の縦波が超音波発振器２から出射して図２の経路を経て透過波として超音波受振器３に入射している間に、図３の経路を経てノイズ反射波が超音波受振器３に入射するか否かを以下に計算する。

図２の経路を透過波が超音波受振器に入射するまでの時間ｔ１は下式（１）で算出される。
ｔ１＝Ａ／Ｃ＋Ｙ／Ｃｔ＋Ａ／Ｃ＝１５６．７６（μｓ）…（１）
これにバースト超音波の６波分の持続時間を考慮すると、図２の経路を経て透過波が超音波受振器に入射している時間は、超音波発振器からの出射後１５６．７６（μｓ）から１７４．９４（μｓ）の間である。

これに対してノイズ反射波が図３の経路を経て超音波受振器に到達入射するまでの時間ｔ２は下式（２）で算出される。
ｔ２＝Ｌ１／Ｃ＋Ｌ２／Ｃｓ＋Ｌ３／Ｃｓ＋Ａ／Ｃ＝１７０．２１（μｓ）…（２）
これによると、図３の経路を辿るノイズ反射波は、透過波の超音波受振器３への入射中にその４．４波目辺りで到達し入射することになり、透過波とノイズ反射波が干渉して強め合い、あるいは弱め合って透過波の強度が変動して、欠陥の有無の判定を誤る可能性がある。

そこで、本実施形態では、透過波の強度を検知する時間を、透過波の到達からノイズ反射波が到達する時以前までの間に制限する。すなわち、図４に示すように、透過波の強度検知時間ｔｄ1をノイズ反射波の影響を受けない透過波の先頭部（例えば透過波４波分）のみに限定する。なお、透過波の先頭部で十分な透過波強度を得るために受振感度は大きくしておく。このような設定で、図５にその平面図を示すように、被検体である矩形のアクリル板１の板面に対して上述したように超音波発振器２と超音波受振器３を対向させて、図中の矢印で示すように板面全体を走査すると、欠陥のないアクリル板では、透過波の強度分布は図６に示すように一様なものとなる。なお、図６中の濃淡は透過波の強弱を示している。ただしアクリル板周縁部の濃い部分は透過波強度が低い部分である。

これに対して従来のように、透過波の強度検知時間ｔｄ2を長く設定した場合（図７）には、ノイズ反射波が干渉することによって、欠陥のないアクリル板の板面全体を上記と同様に走査しても、透過波の強度分布は図８に示すように局所的に大きく変動し、欠陥の有無の判定が正確に行えない。なお、図８中の濃淡は透過波の強弱を示している。ただしアクリル板周縁部の濃い部分は透過波強度が低い部分である。

1…被検体、２…超音波発振器、３…超音波受振器。

Claims (2)

1. 被検体の一方の面に空気層を介して超音波発振器を対向させるとともに、前記被検体の他方の面に空気層を介して超音波受振器を対向させ、前記超音波発振器から発振された発振波が前記被検体を透過した透過波を前記超音波受振器で受振し、この際の透過波の強度検知を前記透過波の到達からノイズ反射波が到達する時以前までの間に制限して、検知時間内に受振された透過波の強度より前記被検体内の欠陥の有無を判定することを特徴とする超音波探傷方法。
2. 被検体の一方の面に空気層を介して対向して設けられ、前記被検体に向けてバースト超音波を発振波として発振する超音波発振器と、前記被検体の他方の面に空気層を介して対向して設けられ、前記被検体を透過した前記発振波を透過波として受振する超音波受振器と、透過波の強度検知を前記透過波の到達からノイズ反射波が到達する時以前までの間に制限する検知制限手段と、検知時間内に受振された透過波の強度より前記被検体内の欠陥の有無を判定する判定手段とを備える超音波探傷装置。