JP2016156692A - 超音波探傷システム及び超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】感度の向上を図ることができる超音波探傷システム及び超音波探傷方法を提供する。【解決手段】超音波探傷システムは、複数の超音波素子１を有するアレイセンサ２と、アレイセンサ２と検査対象物７の間で超音波を伝播させるためのフレキシブルシュー３と、超音波探傷装置５と、コンピュータ６とを備える。コンピュータ６は、検査対象物７に押し当てられて変形したシュー３の形状を解析するシュー形状解析部１６と、シュー３の変形形状に基づき、シュー３内の音速分布を解析する音速分布解析部１７と、シュー３の変形形状及びシュー３内の音速分布に基づき、遅延時間を演算する遅延時間演算部１８とを有する。超音波探傷装置５は、遅延時間演算部１８で演算された遅延時間に従い、複数の超音波素子１を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、アレイセンサ及びフレキシブルシューを備えた超音波探傷システム、並びに超音波探傷方法に関する。

検査対象物の表面が曲面である場合に、検査対象物を超音波伝播媒質となる液体中に浸漬させ、検査対象物に超音波を入射させる超音波探傷方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、検査対象物の表面とアレイセンサの間に超音波伝播媒質となるシューを介在させる方法も知られている。アクリル等の固体からなるシューでは、その表面が、検査対象物の表面の設計形状と同じになるように形成される。ところが、検査対象物に製造公差がある場合は、検査対象物とシューの間に隙間が生じ、超音波の伝播効率が低下する。

そこで、フレキシブルシューを用いる方法が提唱されている（例えば特許文献２参照）。フレキシブルシューは、ソナゲル（登録商標）等で代表される柔軟性のゲル材からなり、その変形によって検査対象物の表面に密着させることで、超音波の伝播効率を向上させることが可能である。

特開２０１４−７７８０４号広報 特開２０１２−７８３２２号公報

フレキシブルシューを用いても、アレイセンサの遅延時間は、検査対象物の表面に製造公差が無い場合を想定して設定されている。そのため、公差がある場合は、前述した遅延時間に従って超音波探傷すると、超音波の位相が所望の焦点で合致しないため、感度が低下する。

このため、特許文献１に記載のように、検査対象物の形状を超音波探傷で計測し、計測された形状に基づき、遅延時間を演算する技術が開発されている。検査対象物の形状に応じた遅延時間で探傷可能となるので感度が向上される。

しかしながら、特許文献１に記載の技術を採用した場合でもフレキシブルシューを用いて超音波探傷をする場合、変形率（＝圧縮変形量／変形前の大きさ）が大きい部分ほど音速が早くなるため、シューの変形によりシュー内の音速が不均一となる。そのため、音速分布を考慮していない前述した遅延時間に従って超音波の送受信タイミングを制御すると、超音波の位相が所望の焦点で合致しないため、感度が低下する。

本発明の目的は、感度の向上を図ることができる超音波探傷システム及び超音波探傷方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、複数の超音波素子を有するアレイセンサと、前記アレイセンサと検査対象物の間で超音波を伝播させるためのフレキシブルシューと、を備えた超音波探傷システムにおいて、前記検査対象物に押し当てられて変形した前記フレキシブルシューの形状を解析するシュー形状解析部と、前記シュー形状解析部で解析された前記フレキシブルシューの変形形状に基づき、前記フレキシブルシュー内の音速分布を解析する音速分布解析部と、前記シュー形状解析部で解析された前記フレキシブルシューの変形形状及び前記音速分布解析部で解析された前記フレキシブルシュー内の音速分布に基づき、遅延時間を演算する遅延時間演算部と、前記遅延時間演算部で演算された遅延時間に従い、超音波探傷を行う超音波探傷装置と、を備える。

本発明によれば、フレキシブルシューの変形形状及びフレキシブルシュー内の音速分布を考慮して演算された遅延時間を用いるので、超音波の位相を所望の焦点で合致させることができ、感度の向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態における超音波探傷システムの構成を検査対象物とともに表す概略図である。 本発明の第１の実施形態における超音波探傷装置及びコンピュータの機能的構成を表すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における超音波探傷方法の詳細を表すフローチャートである。 図３のステップ１０２におけるアレイセンサの検査対象物に対する移動手順の概略説明図である。 図３のステップ１０４におけるフレキシブルシューと検査対象物との接触範囲の評価方法の説明図である。 図３のステップ１０６におけるフレキシブルシューの表面の変形形状の解析方法の説明図である。 図３のステップ１０７における有限要素法の説明図である。 図３のステップ１０７の演算で用いるシュー内音速のシュー変形率依存性を表す図である。 図３のステップ１０８における遅延時間の演算方法の説明図である。 異音速境界における超音波の屈折方向の説明図である。 本発明の第２の実施形態における超音波探傷装置及びコンピュータの機能的構成を表すブロック図である。 本発明の第２の実施形態における超音波探傷方法の詳細を表すフローチャートである。

本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における超音波探傷システムの構成を検査対象物とともに表す概略図である。図２は、本実施形態における超音波探傷装置及びコンピュータの機能的構成を表すブロック図である。

本実施形態の超音波探傷システムは、複数の超音波素子１を有するアレイセンサ２と、アレイセンサ２に付設されたフレキシブルシュー（以下、シューと称する。）３と、フレキシブルシュー３と共にアレイセンサ２を移動させるアクチュエータ４と、超音波探傷装置５と、コンピュータ６とを備えている。なお、コンピュータ６は、図示しないものの、ＣＰＵ（演算部）、ＨＤＤ（ハードディスク）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、及びＲＯＭ（リードオンリメモリ）等を備えている。

フレキシブルシュー３は、例えばソナゲル（登録商標）又は超音波透過ゴム等からなり、アレイセンサ２と検査対象物７との間で超音波を伝播させるもので、検査対象物３の表面９が変化しても、シュー３が検査対象物７に押し当てられて変形することにより、シュー３の表面８と検査対象物７の表面９を密着させることが可能になっている。

アレイセンサ２の超音波素子１は、超音波探傷装置５から印加された電圧によって発振し、超音波を送信する。また、反射された超音波を受信し電圧に変換して超音波探傷装置５へ出力するようになっている。

超音波探傷装置５は、遅延時間記憶部１０、遅延制御部１１、パルサ１２、及びレシーバ１３を有している。遅延時間記憶部１０は、後述の遅延時間を記憶している。遅延制御部１１は、遅延時間記憶部１０で記憶された遅延時間に基づいて、パルサ１２を制御し、レシーバ１３の信号を処理する。

コンピュータ６は、機能的構成として、アクチュエータ４を駆動制御する移動制御部１４と、超音波探傷装置５のレシーバ１３からの波形データ等を収録するデータ収録部１５とを有している。また、検査対象物７に押し当てられて変形したフレキシブルシュー３の形状を解析するシュー形状解析部１６と、シュー形状解析部１６で解析されたフレキシブルシュー３の変形形状に基づき、フレキシブルシュー３内の音速分布を解析する音速分布解析部１７と、シュー形状解析部１６で解析されたフレキシブルシュー３の変形形状及び音速分布解析部１７で解析されたフレキシブルシュー３内の音速分布に基づき、遅延時間を演算する遅延時間演算部１８とを有している。

次に、本実施形態の超音波探傷方法を説明する。図３は、本実施形態における超音波探傷方法の詳細を表すフローチャートである。

まず、ステップ１０１にて、入力部１９で探傷条件を入力する。入力部１９としては、キーボード又は記録メディア等を用いる。探傷条件としては、シュー３の表面８と検査対象物７の表面９が接触したか否かを判定するための反射強度の閾値Ｔ（後述の図５参照。詳細には、固定値でもよいし、あるいは、シュー３の変形に応じて変動する値でもよい）、図８に示す音速のシュー３変形率依存性と、検査対象物７の音速、検査対象物７の形状データ、及び検査対象物７の検査位置又は検査範囲等がある。入力された探傷条件は、ＨＤＤ、ＲＡＭ、又はＲＯＭ等で記録される。

ステップ１０２に進み、移動制御部１４でアクチュエータ４を駆動制御し、検査対象物７に所定の距離だけ、アレイセンサ２をフレキシブルシュー３と共に近接させる。

近接後、ステップ１０３に進み、移動制御部１４から超音波探傷装置５の遅延時間制御部１１に指令を出力し、超音波を電子走査する。レシーバ１３で取得された受信データは、移動制御部１４から取得されたアレイセンサ２と検査対象物７間の位置とともに、データ収録部１５に収録し、表示部（モニタ）２０で表示する。また、アレイセンサ２と検査対象物７の相対位置変更毎の受信信号を、データ収録部１５に収録し、表示部２０で表示する。

そして、ステップ１０４に進み、シュー形状解析部１６で、前述のステップ１０３で得られたシュー表面反射波データ２１に基づき、シュー３の表面８と検査対象物７の表面９との接触範囲を評価する。図４（ａ）で示すように、シュー３の表面８の縁部だけが検査対象物７の表面９と接触させたとき、シュー３の表面８上の位置Ｘmin，Ｘmaxにそれぞれ対応する超音波の反射強度が低下して所定の閾値Ｔ以下となるので、位置Ｘmin，Ｘmaxが接触していると評価する。シュー３と検査対象物７が接触しない部分では、シュー３の表面８における超音波の反射強度が強く、シュー３と検査対象物７が接触する部分では、検査対象物７に超音波が入射するため、シュー３の表面８における超音波の反射強度が低下する。この反射強度の違いを利用して、シュー３と検査対象物７が接触しているか否かを評価することが可能である。

接触範囲評価後、図４（ｂ）で示すように、図４（ａ）に対してアレイセンサ２の位置をΔＺ１近接させた場合、シュー３の表面８の接触範囲が拡大する。このとき、図５（ａ）に示すようにシュー３の表面８上の位置Ｘminと位置Ｘ１間及び位置Ｘ２と位置Ｘmax間の超音波反射強度が閾値Ｔ以下となるので接触していると評価する。

その後、ステップ１０５に進み、シュー形状解析部１６で、図５（ｂ）に示すようにシュー表面全体における反射強度が閾値Ｔ以下となるか否かから、シュー３の表面８の全範囲が検査対象物７の表面９に接触しているか否かを判定する。そして、ステップ１０５の判定が満たされるまで、上述したステップ１０２〜１０４の手順を繰り返す。

シューの全面が接触したとの評価後にステップ１０６にて、シュー形状解析部１６で、シュー３の初期形状と前述したステップ１０４の評価結果に基づき、検査対象物７に押し当てられて変形したシュー３の形状を解析する。

この形状解析のアルゴリズムを図４及び図６を用いて説明する。図４（ａ）に示したようにシュー３の表面８上の位置Ｘmin，Ｘmaxが検査対象物７と接触するので、シュー３の表面８上の位置Ｘmin，Ｘmaxの公差を０と評価する。図４（ｂ）に示したようにアレイセンサ２をΔＺ１移動させたとき、図６に示すようにシュー３の表面８上の位置Ｘ１，Ｘ２が検査対象物７と接触するので、Ｘ１とＸ２の公差をΔＺ１と評価する。さらにアレイセンサ２をΔＺ２移動させたとき、図６に示すようにシュー３の表面８上の位置Ｘ３が検査対象物７と接触することから、シュー３の表面８上の位置Ｘ３の公差をΔＺ２と評価する。このようにセンサ移動量に応じた接触範囲の変化から公差を評価する。また、本実施形態で得られた形状が公称公差の範囲内にあるか否かから形状解析結果の妥当性を判定して形状解析精度を向上してもよい。最後に、シュー３の全体の形状をコンピュータ６に記憶するとともに、表示部２０で表示する。

形状解析後にステップ１０７に進み、音速分布解析部１７で、ステップ１０６で解析されたシュー３の変形形状に基づき、シュー３内の音速分布を解析する。解析方法としては、図７で示すような有限要素法を用いる。シュー３の初期形状と前述のステップ１０６で解析されたシュー３の変形形状に基づき、シュー３の各要素の変形率を解析し、音速の変形率依存性を用いて、各要素の音速を演算する。この音速分布をコンピュータ６に記憶するとともに、表示部２０で表示する。

音速分布解析後、ステップ１０８に進み、遅延時間演算部１８で、前述のステップ１０６で解析されたシュー３の変形形状及び前述のステップ１０７で解析されたシュー３内の音速分布に基づき、遅延時間を演算する。

シュー３内の超音波の伝播経路は、シュー３内の音速が一定の場合、図９中の点線で示すように直線となる。これに対し、シュー３内の音速が不均一の場合、図９中の実線で示すように音速が異なる領域の境界で図１０のスネルの法則に基づいて屈折する。この超音波の屈折角は、スネルの法則（下記の式（１））を用いて演算される。ここで、θ１は、音速Ｖ１の要素から音速Ｖ２の要素への入射角であり、θ２は、屈折角である。
sinθ１／Ｖ１＝sinθ２／Ｖ２・・・（１）

このようにして超音波の屈折角を順次演算してシュー３内の超音波の伝播経路を求め、各超音波素子１から焦点までの超音波の伝播経路を求め、超音波の到達時間を演算し、それらのうちの最小の超音波の到達時間と他の超音波の到達時間との差（遅延時間）をそれぞれ演算して、遅延時間記憶部１０に記憶させる。

遅延時間演算後、ステップ１０９に進み、超音波探傷装置５で、超音波探傷を実行する。

このように本実施形態においては、シュー３の変形形状及びシュー３内の音速分布を考慮して演算された遅延時間を用いるので、複数の超音波素子１で送受信する超音波の位相を焦点で合致させることができる。したがって、感度の向上を図ることができる。例えば検査対象物７の一つであるタービンの動翼は、その表面（曲面）の製造公差でシュー３の変形量も変化する。しかし、このような場合でも、感度の向上を図ることができる。

なお、上記第１の実施形態において、ステップ１０３（シュー３の表面８を対象とした超音波の電子走査）で用いる遅延時間は、初期設定のもの、すなわち、シュー３の変形形状やシュー３内の音速分布を考慮していないものである。そのため、ステップ１０６で解析されたシュー３の変形形状及びステップ１０７で解析されたシュー３内の音速分布に基づき、ステップ１０３で用いる遅延時間を演算し、この遅延時間を用いてステップ１０２〜１０５を再度行い、その結果に基づき、ステップ１０６〜１０８を再度行ってもよい。この場合、時間を要するものの、シュー３の変形形状の解析精度を高めることができ、シュー３内の音速分布の解析精度及び超音波の収束度を高めることができる。したがって、感度をさらに高めることができる。

本発明の第２の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態とは音速分布の解析方法が異なる実施形態である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

図１１は、本実施形態における超音波探傷システムの構成を検査対象物とともに表す概略図である。図１２は、本実施形態における超音波探傷方法の詳細を表すフローチャートである。

本実施形態では、上記第１の実施形態と同様、ステップ１０１〜１０５を経てステップ１０６に進み、シュー形状解析部１６で、検査対象物７に押し当てられて変形したフレキシブルシュー３の形状を解析する。

シュー形状解析後、ステップ１１０及び１１１に進み、Ｋ×Ｌ個に分割されたシュー内の等音速領域の界面で、スネルの法則に従い等音速領域の境界で屈曲する伝播距離ＸＬを数式（２）で演算する。
ＸＬ＝ΣΔｘ（ｋ’、ｌ’）・・・（２）

ここで、ｘ（ｋ’、ｌ’）：等音速領域（ｋ’、ｌ’）における超音波伝播距離を表す。この距離は等音速領域（ｋ’−１、ｌ’−１）から等音速領域（ｋ’、ｌ’）への入射位置と屈折、等音速領域（ｋ’−１、ｌ’−１）の音速Ｖ（ｋ’−１、ｌ’−１）と、等音速領域（ｋ’、ｌ’）の音速Ｖ（ｋ’、ｌ’）から決定される等音速領域（ｋ’、ｌ’）内における超音波進行方向と、等音速領域（ｋ’、ｌ’）から等音速領域（ｋ’＋１、ｌ’＋１）への入射点で決定される。

また、センサを構成するｉ個の超音波素子のうちｍ個の超音波素子を用いてフェーズドアレイ超音波探傷を実施し、特徴エコー屈折角及び伝播距離を測定する。この素子の使用方法でｊ個の特徴エコー源の伝播距離の測定数は、（ｉ−ｍ＋１）×ｊ個となる。シュー内の等音速領域数Ｋ×Ｌ個に対して、（ｉ−ｍ＋１）×ｊ≧Ｋ×Ｌの条件を満たすよう超音波伝播距離と見かけの屈折角とを測定することで、各等音速領域における音速を逆問題解析する。

そして、上記第１の実施形態と同様、ステップ１０８に進み、遅延時間演算部１８では、前述のステップ１０６で解析されたシュー３の変形形状及び前述のステップ１１０で解析されたシュー３内の音速分布に基づき、遅延時間を演算して、遅延時間記憶部１０に記憶させる。

そして、上記第１の実施形態と同様、ステップ１０９に進み、超音波探傷装置５では、検査対象物７の超音波探傷を実行する。

このような本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、感度の向上を図ることができる。

なお、上記第２の実施形態において、ステップ１０３（シュー３の表面８を対象とした超音波の電子走査）で用いる遅延時間とステップ１１０（検査対象物７の特徴部を対象とした超音波の電子走査）で超音波素子１の選択数ｍ≧２である場合に用いる遅延時間は、初期設定のもの、すなわち、シュー３の変形形状やシュー３内の音速分布を考慮していないものである。そのため、ステップ１０６で解析されたシュー３の変形形状及びステップ１１１で解析されたシュー３内の音速分布に基づき、ステップ１０３で用いる遅延時間を演算してステップ１０２〜１０５を再度行い、その結果に基づき、ステップ１０６を再度行ってもよい。また、ステップ１０６で解析されたシュー３の変形形状及びステップ１１１で解析されたシュー３内の音速分布に基づき、ステップ１１０で超音波素子１の選択数ｍ≧２である場合に用いる遅延時間を演算してステップ１１０を再度行い、その結果及び前述した再実行のステップ１０６の結果に基づき、ステップ１１１を再度行ってもよい。この場合、時間を要するものの、シュー３の変形形状及びシュー３内の音速分布の解析精度を高めることができ、超音波の収束度を高め、感度をさらに高めることができる。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、検査対象物７の表面９は、曲率が連続的に変化する曲面であり、フレキシブルシュー３の表面８は、検査対象物７の表面９の最小曲率より小さな曲率を有する曲面である場合を例にとって説明している。すなわち、最初に、上述の図４（ａ）で示すようにシュー３の表面８の縁部だけが検査対象物７の表面９と接触し、最後に、上述の図４（ｃ）で示すようにシュー３の表面８の中央部が検査対象物７の表面９と接触する場合を例にとって説明している。しかし、これに限られず、フレキシブルシュー３の表面８は、検査対象物７の表面９の最大曲率より大きな曲率を有する曲面であってもよい。すなわち、最初に、シュー３の表面８の中央部だけが検査対象物７の表面９と接触し、最後に、シュー３の表面８の縁部が検査対象物７の表面９と接触してもよい。

１ 超音波素子
２ アレイセンサ
３ フレキシブルシュー
５ 超音波探傷装置
７ 検査対象物
８ フレキシブルシューの表面
９ 検査対象物の表面
１６ シュー形状解析部
１７，１７Ａ 音速分布解析部
１８ 遅延時間演算部

Claims (9)

1. 複数の超音波素子を有するアレイセンサと、前記アレイセンサと検査対象物の間で超音波を伝播させるためのフレキシブルシューと、を備えた超音波探傷システムにおいて、
   前記検査対象物に押し当てられて変形した前記フレキシブルシューの形状を解析するシュー形状解析部と、
   前記シュー形状解析部で解析された前記フレキシブルシューの変形形状に基づき、前記フレキシブルシュー内の音速分布を解析する音速分布解析部と、
   前記シュー形状解析部で解析された前記フレキシブルシューの変形形状及び前記音速分布解析部で解析された前記フレキシブルシュー内の音速分布に基づき、遅延時間を演算する遅延時間演算部と、
   前記遅延時間演算部で演算された遅延時間に従い、超音波探傷を行う超音波探傷装置と、を備えたことを特徴とする超音波探傷システム。
2. 請求項１記載の超音波探傷システムにおいて、
   前記シュー形状解析部は、前記アレイセンサと前記検査対象物の相対距離毎に得られた前記フレキシブルシューの表面からの反射強度のデータに基づき、前記フレキシブルシューと前記検査対象物との接触範囲を評価し、それらの評価結果と前記フレキシブルシューの初期形状に基づき、前記フレキシブルシューの変形形状を解析することを特徴とする超音波探傷システム。
3. 請求項１記載の超音波探傷システムにおいて、
   前記音速分布解析部は、前記フレキシブルシューの初期形状と前記シュー形状解析部で解析された前記フレキシブルシューの変形形状に基づき、前記フレキシブルシューの各要素の変形率を解析し、各要素の変形率から各要素の音速を演算することを特徴とする超音波探傷システム。
4. 請求項１記載の超音波探傷システムにおいて、
   前記音速分布解析部は、前記シュー形状解析部で解析された前記フレキシブルシューの変形形状と、前記被検査対象物の特徴部からの反射波のデータに基づき、逆問題解析法を用いて、前記フレキシブルシュー内の音速分布を解析することを特徴とする超音波探傷システム。
5. 請求項２記載の超音波探傷システムにおいて、
   前記フレキシブルシューの表面と接触する前記検査対象物の表面は、曲率が連続的に変化する曲面であり、
   前記フレキシブルシューの表面は、前記検査対象物の表面の最小曲率より小さな曲率を有するか若しくは前記検査対象物の表面の最大曲率より大きな曲率を有する曲面であることを特徴とする超音波探傷システム。
6. 複数の超音波素子を有するアレイセンサと、前記アレイセンサと検査対象物の間で超音波を伝播させるためのフレキシブルシューと、を用いる超音波探傷方法において、
   前記検査対象物に押し当てられて変形した前記フレキシブルシューの形状を解析する第１の手順と、
   前記第１の手順で解析された前記フレキシブルシューの変形形状に基づき、前記フレキシブルシュー内の音速分布を解析する第２の手順と、
   前記第１の手順で解析された前記フレキシブルシューの変形形状及び前記第２の手順で解析された前記フレキシブルシュー内の音速分布に基づき、遅延時間を演算する第３の手順と、
   前記第３の手順で演算された遅延時間に従い、超音波探傷を行う第４の手順と、を有することを特徴とする超音波探傷方法。
7. 請求項６記載の超音波探傷方法において、
   前記第１の手順は、前前記アレイセンサと前記検査対象物の相対距離毎に得られた前記フレキシブルシューの表面からの反射強度のデータに基づき、前記フレキシブルシューと前記検査対象物との接触範囲を評価し、それらの評価結果と前記フレキシブルシューの初期形状に基づき、前記フレキシブルシューの変形形状を解析することを特徴とする超音波探傷方法。
8. 請求項６記載の超音波探傷方法において、
   前記第２の手順は、前記フレキシブルシューの初期形状と前記第１の手順で解析された前記フレキシブルシューの変形形状に基づき、前記フレキシブルシューの各要素の変形率を解析し、各要素の変形率から各要素の音速を演算することを特徴とする超音波探傷方法。
9. 請求項６記載の超音波探傷方法において、
   前記第２の手順は、前記第１の手順で解析された前記フレキシブルシューの形状と、前記被検査対象物の特徴部からの反射波のデータに基づき、逆問題解析法を用いて、前記フレキシブルシュー内の音速分布を解析することを特徴とする超音波探傷方法。

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