JP2017009313A - 超音波探傷装置、データ処理装置および超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波探傷上ノイズの大きな対象でも欠陥エコーとノイズの判別を効果的に行う。
【解決手段】実施形態による超音波探傷装置１００は、複数の超音波素子１１を有する超音波アレイプローブ１０と、超音波素子１１に振動を生ぜしめる電位差を印加可能な電位差印加部２１と、超音波素子１１が超音波を送受信するタイミングをずらすための遅延時間を算出する遅延時間演算部３１と、電位差印加部２１が超音波素子１１に電位差を印加した状態と印加しない状態とを切り替える切り替え部２２と、遅延時間にしたがって合成した合成エコーに関する特徴量を算出する特徴量算出部３５と、検査対象１への超音波に入射条件の変化に対する特徴量の変化を算出する特徴量変化算出部３６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波探傷装置、データ処理装置および超音波探傷方法に関する。

超音波探傷試験（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）は、非破壊で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。小型の超音波送受信用の圧電素子を並べ、圧電素子ごとにタイミング（遅延時間）をずらして超音波発信することにより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 ＵＴ）は、工業用途でも広く用いられている。

所定の角度しか超音波を発信できない単眼プローブに比べ、１回の探傷で広範囲を探傷したり、複数の角度で探傷したり、複雑形状に対応できる可能性があり、作業工数低減が可能な点が大きな魅力となっている。フェーズドアレイ超音波探傷技術は、さらに検査を高速化するために、さまざまな取り組みがなされている。本来、フェーズドアレイ超音波探傷試験では複数個の素子群にそれぞれ時間的な遅延をかけて励起することで、自由に探傷屈折角や焦点深さを制御するものである。

この場合、１つの素子群に１セットの遅延時間を与えて１波形の探傷結果を得る（以後これを１シーケンスと呼称する）が、シーケンス数が複数例えば１０００を超えるようになってくると、測定時間が長くなってしまう。そこで、超音波を送受信する回数をなるべく減らして、測定時間を減らす試みがなされている。

そもそも上述のフェーズドアレイ超音波探傷試験では、送受信素子がｎ個のとき、１送信素子につき受信素子ｎ個分の生波形すなわちｎ×ｎ個の生波形が収録できていれば、遅延時間に従って波形の時間軸をずらし、足し合わせることで全条件がオフラインで再構成できる。この考え方を利用して、フェーズドアレイ超音波探傷試験を高速化する試みはいくつか試されてきた。

例えば、超音波送受信を一度だけ行い、そこで得た受信信号を任意の探傷条件で合成する技術や、１つの素子で超音波を送信して複数の素子で超音波を受信するシーケンスを、超音波を送信する素子を変えて繰返して、得られた波形を合成することで擬似的な送受信フォーカスが可能となる技術が知られている。

また、溶接部など、異方性があったり結晶粒が粗大化していたりする検査対象においてノイズを欠陥と誤認識することを防ぐため、信号ノイズ比（ＳＮ比）の向上が課題とされている。例えば溶接部検査において、データベースやシミュレーションを用いる技術のほか、専用のプローブを設計する技術なども知られている。また、最近では、アレイ素子の大きさなどを変化させた探傷法も知られている。

特許第３７０４０６５号公報 特開２００９−２８１８０５号公報 特許第５５８８９１８号公報

しかしながら、上述の、ノイズを欠陥に誤認識することを防ぐ種々の対策は、あくまでファンダメンタルな信号ノイズ比（ＳＮ比）の向上を目指したもので、欠陥エコー（欠陥で反射した超音波の反射波）とノイズを効果的に判別することは、依然困難である。

以上を踏まえ、本発明の実施形態は、溶接部等の超音波探傷上のノイズの大きな対象においても欠陥エコーとノイズの判別を効果的に行うことを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る超音波探傷装置は、検査対象に超音波を送信し検査対象で反射した超音波を受信する複数の互いに並列に配された超音波素子を有する超音波アレイプローブと、前記超音波素子に振動を生ぜしめる電位差を印加可能な電位差印加部と、前記超音波素子が前記超音波を送受信するタイミングをずらすための遅延時間を算出する遅延時間演算部と、前記電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加した状態と、前記電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加しない状態とを切り替える切り替え部と、前記超音波素子が受信した受信波を前記遅延時間にしたがって合成した合成エコーに関する特徴量を算出する特徴量算出部と、前記検査対象への前記超音波の入射条件の変化に対する前記特徴量の変化を算出する特徴量変化算出部と、を備えることを特徴とする。

また、本実施形態は、複数の超音波素子を有する超音波アレイプローブによって検査対象に送信され受信された信号データを処理するデータ処理装置において、前記超音波素子が超音波を送受信するタイミングをずらすための遅延時間を算出する遅延時間演算部と、電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加した状態と、前記電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加しない状態とを切り替える切り替え部と、前記超音波素子が受信した受信波を前記遅延時間にしたがって合成した合成エコーに関する特徴量を算出する特徴量算出部と、前記検査対象への前記超音波に入射条件の変化に対する前記特徴量の変化を算出する特徴量変化算出部と、を備えることを特徴とする。

また、本実施形態に係る超音波探傷方法は、超音波アレイプローブの超音波素子から検査対象に送信した超音波の受信波の合成波形に基づいて前記検査対象内部の映像を作成する映像作成ステップと、前記映像に基づいて、特徴量を算出する特徴量算出ステップと、探傷条件の変化に対して前記特徴量の変化を算出する特徴量変化算出ステップと、前記特徴量の変化を表示する表示ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、欠陥エコーとノイズの判別を効果的に行うことができる。

第１の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の超音波の送信を示す概念的縦断面図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の超音波の進行状態を示す概念図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置の超音波の進行方向を説明するための概念図である。 第１の実施形態に係る超音波探傷装置によるエコー信号の合成信号の時間的変化を示すグラフである。 探傷空間領域内に欠陥がある場合を示す概念図である。 探傷空間領域内に欠陥がある場合の探傷空間領域の映像化結果である。 探傷空間領域内に欠陥の他に溶接部がある場合を示す概念図である。 探傷空間領域内に欠陥の他に溶接部がある場合の探傷空間領域の映像化の結果得られる画像である。 第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷空間領域の映像化結果からの有意エコー領域の抽出を説明する第１の画像であり、（ａ）は有意エコー領域の抽出前、（ｂ）は有意エコー領域の抽出後を示す。 第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷空間領域の映像化結果からの有意エコー領域の抽出を説明する第２の画像であり、（ａ）は有意エコー領域の抽出前、（ｂ）は有意エコー領域の抽出後を示す。 第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域の映像化によるエコー強度分布の画像であり、（ａ）はβが２０°、（ｂ）はβが３０°、（ｃ）はβが４０°の場合である。 第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、エコー強度の変化を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波探傷方法における手順を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域のエコー領域の中心位置の変化を示す画像であり、（ａ）はβが２０°、（ｂ）はβが３０°、（ｃ）はβが４０°の場合である。 第２の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域のエコー領域の中心位置の変化を示すグラフである。 第３の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域内の各画素における輝度値の頻度分布の変化であって、ノイズの場合を示すグラフである。 第３の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域内の各画素における輝度値の頻度分布の変化であって、欠陥の場合を示すグラフである。 第４の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る超音波探傷方法における手順を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る超音波探傷方法における超音波の各送信の状態を示すブロック図である。 第４の実施形態に係る超音波探傷方法における超音波の送信によるエコー波形の一部を示す波形図である。 第４の実施形態に係る超音波探傷方法における超音波の送信および受信時の遅延時間を説明する波形図である。 第４の実施形態に係る超音波探傷方法によるエコーの合成波形を示す波形図である。 第５の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超音波探傷装置、データ処理装置および超音波探傷方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。超音波探傷装置１００は、超音波アレイプローブ１０、受発信部２０、演算部３０、記憶部４０、制御演算部５０、および表示部６０を有する。超音波探傷装置１００は、検査対象１に内在する欠陥２を検出することを目的としている。

超音波アレイプローブ１０は、複数の超音波素子１１を有する。超音波素子１１は、互いに一定の間隔をあけて１次元的（一方向）に配列されている。超音波素子１１は、セラミクス製や複合材料、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出来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み合わせからなる構成とし、一般的に超音波探触子と称されるものとする。

なお、超音波アレイプローブ１０が、１次元的に配列されている超音波素子１１を有する例を説明したが、これに限定されない。たとえば、リニアアレイプローブの奥行き方向に圧電素子を不均一な大きさで分割した１．５次元アレイプローブ、圧電素子が２次元的に配列されたマトリクスアレイプローブ、リング状の圧電素子が同心円状に配列されたリングアレイプローブ、リングアレイプローブの圧電素子を周方向で分割した分割型リングアレイプローブ、圧電素子が不均一に配置された不均一アレイプローブ、円弧の周方向位置に素子を配置した円弧状アレイプローブ、球面の表面に素子を配置した球状アレイプローブなどでもよい。

また、これらのアレイプローブを、種類を問わずに複数組合せて使用する所謂タンデム探傷でもよい。また上記のアレイプローブはコーキングやパッキングにより気中、水中を問わず利用できるものも含まれる。

検査対象１の検査時に、超音波探傷装置１００と検査対象１との間に、楔ともよばれる音響伝搬媒質５が設けられている。音響伝搬媒質５は、指向性の高い角度で超音波を検査対象１へ入射するためのものである。音響伝搬媒質５としては、超音波が伝搬可能で音響インピーダンスが把握できている等方材を用いる。なお、検査対象１の面が平坦である場合などでは、音響伝搬媒質５は使用しなくともよい。

音響伝搬媒質５として用いる等方材としては、たとえば、アクリル、ポリイミド、ゲル、その他高分子などがある。超音波素子１１の前面板（図示せず）と音響インピーダンスが近い、もしくは同じ材質を用いることもできるし、検査対象１と音響インピーダンスが近い、もしくは同じ材質を用いることもできる。また、段階的もしくは漸次的に音響インピーダンスを変化させる複合材料でもよい。

また、音響伝搬媒質５内の多重反射波が探傷結果に影響を与えないように、音響伝搬媒質５内外にダンピング材を配置したり、山型の波消し形状を設けたり、多重反射低減機構を有する場合もある。なお、以下の説明では、超音波アレイプローブ１０から検査対象１へ超音波を入射させる際の説明図において音響伝搬媒質５の表示を省略している場合もある。

超音波アレイプローブ１０から検査対象１に至る経路の接触部、すなわち、超音波アレイプローブ１０と音響伝搬媒質５との接触部、および音響伝搬媒質５と検査対象１との接触部、あるいは、音響伝搬媒質５を使用しない場合の超音波アレイプローブ１０と検査対象１との接触部には、超音波を伝搬させるために音響接触媒質（図示せず）が用いられる。音響接触媒質は、例えば水やグリセリン、マシン油、ひまし油、アクリル、ポリスチレン、ゲル等、超音波を伝搬できる媒質である。

受発信部２０は、電位差印加部２１、切り替え部２２、およびＡＤ変換部２３を有する。電位差印加部２１は、印加可能に接続された超音波素子１１に対して、超音波素子１１に振動を生ぜしめる電位差を印加する。切り替え部２２は、制御演算部５０からの指令に基づいて、超音波素子１１のそれぞれについて、電位差印加部２１に接続される状態と電位差印加部２１に接続されない状態との間の相互の切り替えを行う。ＡＤ変換部２３は、超音波素子１１のそれぞれが受信した信号（エコー信号）のディジタル化を行い、ディジタル超音波波形として記憶部４０に出力する。

図２は、超音波の送信を示す概念的縦断面図である。一般的なフェーズドアレイを用いた場合の探傷を示す。検査対象１の内部に、超音波を任意の探傷屈折角βおよび焦点位置で入射するために、超音波アレイプローブ１０であるフェーズドアレイの超音波プローブ内に定義した駆動素子群を構成する各超音波素子１１に適切な時間遅延を付与し発振させていく。これにより、超音波の検査対象１への入射角αや焦点位置の制御が可能になる。

フェーズドアレイの超音波アレイプローブ１０内の駆動素子群を走査していくことで、超音波素子１１の並んでいる方向の断面図を得るリニアスキャン法、駆動素子群の位置を固定して探傷屈折角のみを走査して扇状の断面図を得るセクタスキャン法等がある。本実施形態では、代表的にリニアスキャン法を例に取って説明するが、セクタスキャン法に加え、測定したい領域に合わせて焦点深さを変化させるＤｙｎａｍｉｃ Ｄｅｐｔｈ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ（ＤＤＦ）等、複数の超音波素子１１を遅延時間制御して実施する他の探傷方法でもよい。

演算部３０は、遅延時間演算部３１、信号合成部３２、映像化部３３、抽出部３４、特徴量算出部３５としての強度分布算出部３５ａ、および特徴量変化算出部３６としての強度分布変化算出部３６ａを有する。

遅延時間演算部３１は、超音波を、所定の探傷屈折角βおよび焦点深さに集束させるために、駆動素子群としての複数の超音波素子１１に、電位差印加部２１から電圧を印加するように切り替えるタイミング、すなわち超音波の発信のタイミングをずらすための遅延時間を計算する。この遅延時間に基づいて、切り替え部２２は切り替えを行い、それぞれの超音波素子１１を、電圧印加状態とする。

遅延時間の算出は、超音波アレイプローブ１０と検査対象１との相対位置関係、探傷屈折角β、フォーカス深さ、検査対象１の表面形状、音響伝搬媒質５および検査対象１における音速から求められる。

この際、検査対象１の表面形状が一般的な平面や傾いた平面でなく曲率や凹凸部があっても、それを考慮した幾何計算を行うこともできる。検査対象１の表面形状は、超音波素子１１から発せられた超音波の飛行時間を用いて計算してもよいし、既存の図面等の形状データを読み込むことでもできる。また、カメラやレーザ距離計等の検査対象表面形状計測手段を、超音波アレイプローブ１０に付属させたり、その近くに別途設けたりしてもよい。また、遅延時間自体、予め計算してあるものを読込んで使用することもできる。

検査対象１を検査するにあたって、たとえば、検査対象１の領域ごとに検査する場合があり、超音波アレイプローブ１０が有する全ての超音波素子１１を使用するのではなく、その一部の超音波素子１１を同じグループとして同時に用い、グループを順次移動する場合がある。このように、同じグループに用いられる超音波素子１１のことを、前述のように、駆動素子群と呼ぶこととする。なお、駆動素子群が、超音波アレイプローブ１０内の全ての超音波素子１１の場合であってもよい。

また、遅延時間演算部３１は、受信側のタイミングをずらすための遅延時間も同様に計算する。

信号合成部３２は、駆動素子群の超音波素子１１が受信したそれぞれのディジタル超音波波形（エコー波形）のデータを用いて、それぞれの超音波素子１１の受信側の遅延時間にしたがって受信したそれぞれのディジタル超音波波形データ（エコー波形信号）を時間軸移動して、加算もしくは加算平均して合成信号（合成エコーの信号）を得る。なお、合成は、加算や加算平均以外の方法であってもよい。

図３は、第１の実施形態に係る超音波探傷装置の超音波の進行状態を示す概念図である。超音波の経路を示すそれぞれの線は、それぞれの駆動素子群に属する複数の超音波素子１１のそれぞれに、遅延時間演算部３１で算出した遅延時間分を遅らせて発信したものである。

図４は、超音波の進行方向を説明するための概念図である。今、駆動素子群に属する超音波素子１１が４つある場合を例に説明する。超音波素子１１のそれぞれから超音波が発せられる発信位置をＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４、これらの発信位置から発せられた超音波をＣ１、Ｃ２、Ｃ３およびＣ４とする。

遅延時間を設けなければ超音波は、超音波アレイプローブ１０の正面、すなわち、超音波素子１１の並びの直線Ｌ０に平行のままに進行しながら伝搬する。

一方、それぞれの発信位置からの発信時刻が、Δｔずつずれているとすると、それぞれの超音波の進む距離が段々遅れてくる。すなわち、Ｐ１から発せられた超音波はＣ１まで進行するが、最も遅くＰ４から発せられた超音波はＣ４までしか進行しない。この結果、包絡線ＬＣは、超音波素子１１の並びの直線Ｌ０から傾く。駆動素子群に属する超音波素子１１の中央から、包絡線ＬＣに垂直の方向に延びたベクトルを主ビームＬ１とすると、主ビームＬ１は、直線Ｌ０に垂直な方向から傾いている。このように順次遅延時間を設けることによって、合成された超音波の方向に角度を付けることができる。

なお、以上が、リニアスキャン法であるが、前述のように、駆動素子群の位置を固定して探傷屈折角βのみを走査して扇状の断面図を得るセクタスキャン法、あるいはＤＤＦ等、複数の超音波素子を遅延時間制御して実施する他の探傷方法でもよい。

図５は、超音波素子１１の受信信号であるエコー信号の合成信号（合成エコーの信号）の時間的変化を示すグラフである。横軸は時間を、また縦軸は、受信波（エコー）である超音波の合成波形（合成エコー）の振動強度を示す。時間変化の前半は、音響伝搬媒質５内での伝搬、後半は検査対象１内での伝搬を示す。

映像化部３３は、超音波アレイプローブ１０と、検査対象１の相対位置関係および検査対象１の形状に基づいて、駆動素子群の中心から超音波の主ビームＬ１が伝搬する音線を計算し、その音線に従って合成信号の強度を検査対象１の探傷空間領域にプロットし、探傷空間領域における信号強度のコンター図を生成する。

図６は、探傷空間領域内に欠陥がある場合を示す概念図である。欠陥２が検査対象１内に存在している場合である。この画像化の際には、振動の振幅、あるいは振動の振幅の二乗を、輝度に置き換えることが行われている。

画像化は、一般的にＢ−ｓｃａｎやＳ−ｓｃａｎと呼ばれる方法である。この画像は、探傷時の探傷条件に応じた屈折角や探傷屈折角により再構成される。以下の実施例についてはＢ−ｓｃａｎを用いて説明する。

図６に示すように、超音波アレイプローブ１０と検査対象１の間に音響伝搬媒質５がある場合、その伝播位置も合わせて映像化することができる。音響伝搬媒質５中の伝播速度はたとえば水の場合、約１５００ｍ／秒である。また、検査対象１の材質がたとえば鉄の場合、検査対象１中の伝播速度は約５９００ｍ／秒である。

音響伝搬媒質５の寸法、入射角α、探傷屈折角βは既知であり、音響伝搬媒質５および検査対象１内での超音波の伝搬速度も既知である。したがって、合成波形に関する各時刻は、探傷空間領域における、音響伝搬媒質５内の伝搬位置および検査対象１内の伝搬位置と一対一に対応し、合成波形の時間的変化は、探傷空間領域における各位置に置き換えることができる。

図７は、探傷空間領域内に欠陥がある場合の探傷空間領域の映像化結果である。映像化部３３は、Ｂ−ｓｃａｎの場合、このように、超音波アレイプローブ１０内の超音波素子１１の並びに平行な面内において、超音波の伝搬の過程における超音波信号の強弱を輝度の変化で示すものである。図７のＥｄで表示している部分が欠陥に対応している。

図８は、探傷空間領域内に欠陥の他に溶接部がある場合を示す概念図である。また、図９は、この場合の探傷空間領域の映像化結果である。図９のＥｄで表示している部分が欠陥２に対応している。一方、Ｅｎで表示している部分は、溶接部３に対応している。このように、映像化結果を一見しては、欠陥２と溶接部３の区別をするのは非常に難しい。

図１に示した抽出部３４は、合成信号もしくは映像化結果に基づいて、探傷空間領域において、受信波であるエコーを合成した合成エコーの強度が所定以上となる（または、所定の強度を超える）領域（エコー領域）を有意エコー領域として抽出する。所定の強度のしきい値は、たとえば、内部状態が既知の試験体を用いた試験でのエコー強度分布などの経験に基づいて設定することができる。

図１０は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷空間領域の映像化結果からの有意エコー領域の抽出を説明する第１の画像であり、（ａ）は有意エコー領域の抽出前、（ｂ）は有意エコー領域の抽出後を示す。このように、しきい値を設けてそれに満たないエコーを全て消去する。

図１１は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷空間領域の映像化結果からの有意エコー領域の抽出を説明する第２の画像であり、（ａ）は有意エコー領域の抽出前、（ｂ）は有意エコー領域の抽出後を示す。これも、しきい値を設けてそれに満たないエコーを全て消去するものである。

図１に示す特徴量算出部３５としての強度分布算出部３５ａは、映像化部３３で映像化された画像の輝度、すなわち合成信号の各位置における強度分布を算出する。特徴量変化算出部３６としての強度分布変化算出部３６ａは、探傷条件の変化に対応する強度分布の変化を算出する。

あるエコー領域Ｅｊにおけるエコー強度をＥＩｊとする。このときｊは自然数で、ある探傷空間領域におけるエコー領域のインデックスを表す。合成エコーの強度は、たとえば、画像化された状態での輝度で表すことができる。インデックスｊのエコー領域内のそれぞれの点の輝度は、その点における超音波の振動の振幅、あるいは振幅の二乗などに比例して設定される。インデックスｊのエコー領域Ｅｊのエコー強度ＥＩｊは、エコー領域Ｅｊ内の各点での輝度の加算、加算平均、ピーク値、またはその他の代表値などで定義される。このエコー強度ＥＩｊは、探傷屈折角βや、焦点の位置などの探傷条件によって変化するため、これらを変数として探傷条件θとすると、各探傷条件におけるエコー強度ＥＩｊ（θ）と表される。

図１２は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域の映像化によるエコー強度分布の画像であり、（ａ）はβが２０°、（ｂ）はβが３０°、（ｃ）はβが４０°の場合である。すなわち、探傷条件を探傷屈折角とした場合である。図１２では、エコー領域として、Ｅ１およびＥ２が表示されている。探傷屈折角βを２０°から４０°まで増加させると、いずれも輝度の代表値に対応するエコー強度が減少する。

図１３は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、エコー強度の変化を示すグラフである。横軸は、探傷条件θとしての探傷屈折角β、縦軸は、エコー領域のエコー強度ＥＩである。曲線Ｅ１、曲線Ｅ２はそれぞれ、図１２のエコー領域Ｅ１、Ｅ２に対応する。

ここで、探傷屈折角βを２０°から４０°まで１°刻みで連続的に変化する場合、θは０から２０までの全２１パターンあることになり、エコー強度ＥＩｊ（θ）の変化は、図１３のような模式図で表される。このように、θに対する変化傾向がＥ１とＥ２とで明瞭に異なることから、この２つのエコー領域において抽出された有意エコー領域はその由来が異なることが認識できる。例えば、探傷条件依存性の大きいＥ１は不確定要素の大きいノイズであり、少ないＥ２は安定した散乱源である欠陥であり、Ｅ１はノイズ、Ｅ２は欠陥エコーという判別も可能となる。

記憶部４０は、エコー信号記憶部４１を有する。エコー信号記憶部４１は受発信部２０が受信した超音波のエコー信号（ディジタル超音波波形データ）を記憶する。

表示部６０は、強度分布変化算出部３６ａで算出した探傷条件の変化に対するエコー強度の変化を表示する。なお、表示部６０は、さらに、超音波エコーの合成信号、映像化結果、超音波アレイプローブ１０の座標および検査対象１との相対位置、遅延時間、焦点深さ、探傷屈折角等の探傷条件などをさらに表示してもよい。

制御演算部５０は、受発信部２０、演算部３０、記憶部４０、および表示部６０を制御し、これらの相互間のタイミングの整合を図る。

図１４は、第１の実施形態に係る超音波探傷方法における手順を示すブロック図である。まず、検査対象１に超音波アレイプローブ１０を設置する（ステップＳ０１）。次に、遅延時間演算部３１が探傷条件に応じた遅延時間を算出する（ステップＳ０２）。発信側の遅延時間にしたがって、順次、各超音波素子１１から超音波を発信する（ステップＳ０３）。

次に、信号合成部３２が、超音波素子１１で受信した波形を、受信側の遅延時間に従って合成し、合成波形を導出する（ステップＳ０４）。次に、各合成波形に基づいて、映像化部３３が、映像化により画像を作成する（ステップＳ０５）。次に、必要な走査が完了したか否かを判定する（ステップＳ０６）。判定は、たとえば、全ての駆動素子群について完了したかを判定する。完了していない場合（ステップＳ０６ ＮＯ）は、ステップＳ０２以降を繰り返す。

走査が完了していると判定された場合（ステップＳ０６ ＹＥＳ）は、次に、抽出部３４が、抽出処理を行う（ステップＳ０７）。次に、特徴量算出部３５である強度分布算出部３５ａが、強度分布を算出する。また、特徴量変化算出部３６である強度分布変化算出部３６ａが、強度分布変化を算出する（ステップＳ０８）。表示部６０はこの強度分布変化を表示する（ステップＳ０８）。

以上のように、本実施形態は、溶接部等の超音波探傷上ではノイズの大きな対象における欠陥エコー（検査対象の欠陥で反射した超音波の反射波）とノイズの判別を行うことができる。

［第２の実施形態］
図１５は、第２の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、特徴量算出部３５としての中心位置算出部３５ｂを有し、特徴量変化算出部３６としての中心位置変化算出部３６ｂを有する。

あるエコー領域Ｅｊにおけるエコー領域の中心位置（エコー中心位置）はＥＰｊで表す。このときｊは自然数で、ある探傷空間領域におけるエコーのインデックスを表す。エコー中心位置は２次元の探傷画像であれば（Ｘｊ、Ｚｊ）、３次元の座標であれば（Ｘｊ、Ｙｊ、Ｚｊ）で表される。エコー中心位置は、エコー領域Ｅｊの中心位置を用いる。ただし、特徴量として探傷条件の変化に対応する変化が確認できるものであれば、必ずしもそのエコー領域Ｅｊの中心である必要はない。たとえば、エコー領域Ｅｊのそれぞれの点のうち合成エコーが最大強度を持つ座標でもよいし、あるしきい値を超える画素群の重心を用いてもよい、また、それぞれＸ、Ｙ、Ｚの最大値や最小値、中心値などを用いてもよい。すなわち特定のロジックによって一意に求められるものであればよい。

各探傷条件におけるエコー中心位置を、ＥＰｊ（θ）と表わし、座標としては、Ｘｊ（θ）、Ｙｊ（θ）、Ｚｊ（θ）と表わす。

たとえば、探傷条件θが探傷屈折角βの場合の例を示す。図１６は、第２の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域のエコー領域の位置の変化を示す画像であり、（ａ）はβが２０°、（ｂ）はβが３０°、（ｃ）はβが４０°の場合である。破線は、エコー中心位置を表す。

図１７は、第２の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域のエコー領域中心位置の変化を示すグラフである。βが２０°から４０°までたとえば１°刻みで連続的に変化させた場合、θは０から２０までの全２１パターンあることになり、エコー中心位置ＥＰｊ（θ）のＸｊ（θ）変化は図１７のような模式図で表される。

探傷屈折角βが大きくなるにつれて、エコー領域Ｅ１の位置は有意に移動している。一方、エコー領域Ｅ２の位置は大きく移動していない。この傾向を用いると例えば、探傷条件依存性の強いＥ１はビームの強い位置に現れるような材料固有のノイズであると推定される。一方、探傷条件依存性の弱いＥ２は安定した散乱源である欠陥と推定される。このように、Ｅ１はノイズ、Ｅ２は欠陥エコーという判別が可能となる。

［第３の実施形態］
図１８は、第３の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、特徴量算出部３５としての輝度値頻度分布算出部３５ｃを有し、特徴量変化算出部３６としての輝度値頻度分布変化算出部３６ｃを有する。

図１９は、第３の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域内の各画素（各点）における輝度値（すなわち合成エコーの強度）の頻度分布の変化であって、ノイズの場合を示すグラフである。ここで、輝度値の頻度分布は、注目するエコー領域の画像領域中の画素のそれぞれについての輝度値の、その画像領域中の出現頻度の分布である。図２０は、第３の実施形態に係る超音波探傷方法における探傷屈折角βを変化させた場合の、探傷空間領域内の各画素（各点）における輝度値（すなわち合成エコーの強度）の頻度分布の変化であって、欠陥の場合を示すグラフである。

このように、たとえば、位置や強度がビーム方向の影響を受けやすいノイズは、Ｅ１のように不規則な変化傾向をとる。これに対し、比較的安定した散乱源である欠陥エコーはＥ２で見られるように変化量が安定的に推移するなどの推定が可能となる。

この時変化傾向の比較には、相関量計算やピーク数、ピーク位置、オフセット量などが比較できるほか、フィルタによるグラフの平滑化、ガウス関数や指数対数関数の重ね合わせ等を用いた近似値化を行い、計算負荷を低減してもよい。

［第４の実施形態］
図２１は、第４の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態における切り替え部２２、遅延時間演算部３１および信号合成部３２に代えて、本第４の実施形態は、切り替え部２２ａ、遅延時間演算部３１ａおよび信号合成部３２ａを有する。それぞれの内容は、後述する。

図２２は、第４の実施形態に係る超音波探傷方法における手順を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態と内容の同じステップは、第１の実施形態と同じ番号を付している。以下、第１の実施形態と異なるステップについて説明する。

図２３は、第４の実施形態に係る超音波探傷方法における超音波の各送信の状態を示すブロック図である。超音波アレイプローブ１０の有する超音波素子１１のうち、使用するものは、第１素子ないし第Ｎ素子のＮ個であるとする。使用する超音波素子１１は、超音波アレイプローブ１０の有する超音波素子１１の全てであってもよい。

ステップＳ０１の後に、受発信部２０の切り替え部２２ａは、使用する全ての超音波素子１１、すなわち、第１素子ないし第Ｎ素子について、１つずつ順番に超音波の送信を行う（ステップＳ１１）。図２３の（ａ）は第１素子からの送信、（ｂ）は第２素子からの送信、（ｃ）は第Ｎ素子からの送信を示す。それぞれから送信した超音波は、超音波素子１１自身を含めて、全ての超音波素子１１が受信する。第１素子ないし第Ｎ素子からの送信の都度、全ての超音波素子１１が受信した波形を、記憶部４０のエコー信号記憶部４１が記憶する。

次に、受発信部２０は、全ての超音波素子１１についての送信を完了したか否かを判定する（ステップＳ１２）。完了していないと判定した場合（ステップＳ１２ ＮＯ）は、ステップＳ１１を繰り返す。すべてについて完了したと判定した場合（ステップＳ１２ ＹＥＳ）は、次のステップに進む。

次に、遅延時間演算部３１ａは、検査対象１を分割した部分ごとに、送信した超音波素子１１と受信した超音波素子１１のそれぞれの組合せについて、送信から受信までの時間の、基準となる時間（基準時間）に対する増減分を遅延時間として算出する（ステップＳ１３）。このようにして得られた各波形を合成する（ステップＳ１４）。

図２４は、第４の実施形態に係る超音波探傷方法における超音波の送信によるエコー波形（受信波形）の一部を示す波形図である。説明を簡略化するために、図２４に示すように素子の数が３つの場合で説明する。いま、検査対象１を分割した部分が欠陥２の場合を示す。すなわち、第１素子から送信し欠陥２に到達し第１素子で受信する場合、あるいは、第３素子から送信し欠陥２に到達し第３素子で受信する場合など、９つの組合せがある。

まず、遅延時間を考慮せず、そのままの波形を基本波形と呼ぶこととする。第１素子から送信し第１素子ないし第３素子で受信した超音波を、それぞれＵｆ１，１、Ｕｆ１，２、Ｕｆ１，３と表記する。第２素子から送信し第１素子ないし第３素子で受信した超音波を、それぞれＵｆ２，１、Ｕｆ２，２、Ｕｆ２，３と表記する。同様に、第３素子から送信し第１素子ないし第３素子で受信した超音波を、それぞれＵｆ３，１、Ｕｆ３，２、Ｕｆ３，３と表記する。

図２５は、超音波の送信および受信時の遅延時間を説明する波形図である。図２５は、第１素子から送信し、欠陥２に到達し、欠陥２で反射したエコーを第１素子が受信する場合の往復の所要時間を基準にしている。

図２４に示すように、第１素子から欠陥２までの距離に比べて、第２素子から欠陥２までの距離は短く、第３素子から欠陥２までの距離は更に短い。したがって、各素子からの超音波が同時に欠陥２に到達するには、第１素子からの送信の時点より、第２素子からの送信の時点を遅らせる必要がある。また、第３素子からの送信の時点はさらに遅らせる必要がある。

復路についても同様に、欠陥２から第１素子までの距離に比べて、欠陥２から第２素子までの距離は短く、欠陥２から第３素子までの距離は更に短い。この結果、それぞれの波を重ね合わせるためには、第２素子の受信の時点を遅らせる必要がある。また、第３素子の受信の時点はさらに遅らせる必要がある。

図２５に示す送信用遅延時間、受信用遅延時間は、以上のように導き出された遅延時間である。図２６は、エコーの合成波形を示す波形図である。遅延時間演算部３１ａで到達時点を一致させているため、信号合成部３２ａでの合成は、大きなＳＮ比の下に合成波形を算出できる。

本実施形態においては、各超音波素子１１について１回ずつ送信を実施することによって、その後の演算部３０での信号処理によって、探傷屈折角βやフォーカス深さなどを変化させた探傷条件を網羅的に得られる。具体的には、遅延時間演算部３１ａで目的に応じた遅延時間を設定すれば、信号合成部３２ａにより合成波形を得ることができる。

すなわち、実際に検査対象１についてのオンラインの検査は、各超音波素子１１についての送信を１回ずつ実施するのみであり、かつ、その都度の演算等が不要であるため、連続して実施することができる。その後の処理はオフラインで行うことができ、現場での検査作業の時間を大幅に短縮することができる。

［第５の実施形態］
図２７は、第５の実施形態に係る超音波探傷装置の構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第５の実施形態における超音波探傷装置１００の演算部３０は、検査対象表面形状算出部３７を有する。

検査対象表面形状算出部３７は、検査対象１の表面が平面でなく複雑な曲面や凹凸面を持つ場合に、検査対象１の表面形状を取得する。具体的には、基本波形を用いた開口合成法などによって表面形状を映像化して、その結果から検査対象１の表面形状を得ることでよい。あるいは、設計図面から表面形状を読込んでもよい。もしくは、カメラやレーザ距離計等の検査対象表面形状計測手段を、超音波アレイプローブ１０に付属させたり、その近くに別途設けたりしてもよい。１度表面形状を得れば、遅延時間計算に繰り返し使用できる。

［その他の実施形態］
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。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第４の実施形態の特徴あるいは第５の実施形態の特徴を、第１ないし第３の実施形態と組み合わせてもよい。あるいは、第４と第５の実施形態をさらに組合せてもよい。

さらに、これらの実施形態は、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同様に、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ものである。

１…検査対象、２…欠陥、３…溶接部、５…音響伝搬媒質、１０…超音波アレイプローブ、１１…超音波素子、２０…受発信部、２１…電位差印加部、２２、２２ａ…切り替え部、２３…ＡＤ変換部、３０…演算部、３１、３１ａ…遅延時間演算部、３２、３２ａ…信号合成部、３３…映像化部、３４…抽出部、３５…特徴量算出部、３５ａ…強度分布算出部、３５ｂ…中心位置算出部、３５ｃ…輝度値頻度分布算出部、３６…特徴量変化算出部、３６ａ…強度分布変化算出部、３６ｂ…中心位置変化算出部、３６ｃ…輝度値頻度分布変化算出部、３７…検査対象表面形状算出部、４０…記憶部、４１…エコー信号記憶部、５０…制御演算部、６０…表示部、１００…超音波探傷装置

Claims (8)

1. 検査対象に超音波を送信し検査対象で反射した超音波を受信する複数の互いに並列に配された超音波素子を有する超音波アレイプローブと、
   前記超音波素子に振動を生ぜしめる電位差を印加可能な電位差印加部と、
   前記超音波素子が前記超音波を送受信するタイミングをずらすための遅延時間を算出する遅延時間演算部と、
   前記電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加した状態と、前記電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加しない状態とを切り替える切り替え部と、
   前記超音波素子が受信した受信波を前記遅延時間にしたがって合成した合成エコーに関する特徴量を算出する特徴量算出部と、
   前記検査対象への前記超音波の入射条件の変化に対する前記特徴量の変化を算出する特徴量変化算出部と、
   を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 前記特徴量は、前記合成エコーの強度であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
3. 前記特徴量は、前記合成エコーの強度が予め定めたしきい値を超えるか前記しきい値以上となるエコー領域の中心位置の変化であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
4. 前記特徴量は、前記合成エコーの強度が予め定めたしきい値を超えるか前記しきい値以上となるエコー領域の各点における前記合成エコーの前記強度の分布であることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
5. 前記切り替え部は、前記超音波素子が前記遅延時間に基づいて前記検査対象に超音波を送信し、前記超音波素子が前記遅延時間に基づいて前記検査対象からの前記超音波を受信するように前記超音波素子のそれぞれへの電位差の印加を切り替えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超音波探傷装置。
6. 信号合成部をさらに有し、
   前記切り替え部は、前記遅延時間なしに、前記超音波素子それぞれが、順番に超音波の送信を行うように切り替え、
   前記信号合成部が、前記超音波素子それぞれからの超音波の送信により前記超音波素子が受信した受信波を、それぞれの前記受信波に対応した前記遅延時間だけずらして合成する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の超音波探傷装置。
7. 複数の超音波素子を有する超音波アレイプローブによって検査対象に送信され受信された信号データを処理するデータ処理装置において、
   前記超音波素子が超音波を送受信するタイミングをずらすための遅延時間を算出する遅延時間演算部と、
   電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加した状態と、前記電位差印加部が前記超音波素子に電位差を印加しない状態とを切り替える切り替え部と、
   前記超音波素子が受信した受信波を前記遅延時間にしたがって合成した合成エコーに関する特徴量を算出する特徴量算出部と、
   前記検査対象への前記超音波に入射条件の変化に対する前記特徴量の変化を算出する特徴量変化算出部と、
   を備えることを特徴とするデータ処理装置。
8. 超音波アレイプローブの超音波素子から検査対象に送信した超音波の受信波の合成波形に基づいて前記検査対象内部の映像を作成する映像作成ステップと、
   前記映像に基づいて、特徴量を算出する特徴量算出ステップと、
   探傷条件の変化に対して前記特徴量の変化を算出する特徴量変化算出ステップと、
   前記特徴量の変化を表示する表示ステップと、
   を有することを特徴とする超音波探傷方法。

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