JP2020176916A - 空中超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体内部の欠陥を高い精度で検出できる空中超音波探傷装置を実現する。【解決手段】受信超音波探触子から出力された信号を受信する受信部と、受信部により受信された電気信号の信号レベルに基づき、被検体の欠陥の有無を示す画像を出力する出力部とを備え、受信超音波探触子の受信面は、送信超音波探触子により被検体に向けて送信されて、当該被検体内で反射せずに透過した超音波を受信し、かつ当該被検体内での反射を経て当該被検体から送られた超音波を受信しない、送信面より小さい面積を有する。【選択図】図１４

Description

本発明は、空中超音波探傷装置に関わり、特に被検体に対して非接触で超音波探傷を実施できる空中超音波探傷装置に関する。

超音波による計測は、非破壊検査、医用超音波など広く利用されている。通常は、空気が探触子（プローブ）と検査対象である被検体（試験体）の間に入らないように、検査対象に接触媒質、例えば水、油、グリセリンなどを塗布する。しかし、接触媒質の状態により検査結果の誤差が発生したり、検査後の接触媒質の除去を要したりするため、このような検査の安定性、コストの問題を解消するために、接触媒質を使わずに超音波計測を行なうことが望まれている。

そこで、本出願人は空中超音波により試験体の欠陥を画像化する空中超音波検査法を開発し、リチウムイオン電池、CFRP（炭素繊維強化プラスチック）、自動車のブレーキパッドなどへ適用してきた。また、医用超音波では、踵の計測に空中超音波を利用することが研究されている。

特開昭６０−１７１４５５号公報

空中超音波探傷で被検体内部の欠陥の有無を示す画像、ここではＣモード画像を表示するときに、一般的には、送信超音波探触子と受信超音波探触子の両方に、一定の曲率半径を有する凹面集束超音波探触子を用いる。しかし、この集束超音波探触子を用いた場合、画像に示される欠陥の近傍に虚像が発生することがある。欠陥の位置、大きさなどを正確に検出するためには、この虚像が発生しないようにする必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、被検体内部の欠陥を高い精度で検出実現できる空中超音波探傷装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置は、被検体に空気を介して対向配設され、パルス状の超音波を送信面から前記被検体に送信する送信超音波探触子と、前記被検体に空気を介して対向配設され、当該被検体を伝搬した超音波を前記送信面より小さい面積を有する受信面により受けて振動子で電気信号に変換して出力する受信超音波探触子と、前記受信超音波探触子から出力された信号を受信する受信部と、前記受信部により受信された電気信号の信号レベルに基づき、前記被検体の欠陥の有無を示す画像を出力する出力部とを備え、前記受信超音波探触子の受信面は、前記送信超音波探触子により前記被検体に向けて送信されて、当該被検体内で反射せずに透過した超音波を受信し、かつ当該被検体内での反射を経て当該被検体から送られた超音波を受信しない、前記送信面より小さい面積を有する。

本発明においては、被検体内部の欠陥を高い精度で検出できる。

本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置の概略構成例を示す図。 矩形波バースト信号の一例を示す図。 表示部に表示された各信号の波形の一例を示す図。 空中超音波探傷装置に組込まれた信号発生部の回路の一例を示す図。 超音波探触子の一例を示す断面図。 信号発生部に組込まれたゲート信号発生回路の詳細構成を示すブロック図。 信号発生部の動作の一例を示すタイムチャート。 一般的な空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子および受信超音波探触子の一例を示す図。 本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子および受信超音波探触子の一例を示す図。 空中超音波用の被検体の写真の一例を示す図。 一般的な空中超音波探傷装置に用いられる受信超音波探触子による受信信号に基づくＣモード画像の一例を示す図。 本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置に用いられる受信超音波探触子による受信信号に基づくＣモード画像の一例を示す図。 一般的な空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子と受信超音波探触子との間で伝搬される超音波の伝搬経路の一例を示す図。 本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子と受信超音波探触子との間で伝搬される超音波の伝搬経路の一例を示す図。 受信超音波探触子の変形例を示す図。 受信超音波探触子の変形例を示す図。 受信面積が可変である受信超音波探触子の一例を示す図。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置の概略構成例を示す模式図である。図２は矩形波バースト信号の一例を示す図である。
この実施形態に係る空中超音波探傷装置は、大きく分けて、図２に示す矩形波バースト信号ａを出力するとともに受信信号ｂを入力するパルス送受信器１０と、矩形波バースト信号ａを受けて、空気を介して被検体へ向けて超音波パルス（以下、単に超音波と称することもある）を送信する送信超音波探触子１２と、被検体内を透過した、または被検体内で反射したのちに透過した超音波パルスを空気を介して受けて受信信号ｂを出力する受信超音波探触子１３と、受信信号ｂに基づいて被検体内の欠陥の有無を示す画像を出力するとともに、パルス送受信器１０に各種設定を行なう探傷制御解析器１４とで構成されている。

矩形波バースト信号ａは、従来の一つ（１周期分）のサイン波からなるパルス信号ではなくて、例えば、図２に示すように、連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号である。

このように、送信超音波探触子内の振動子に印加するパルス信号を、連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号とすることによって、振動子における電気信号から超音波への高い変換効率を実現できる。

具体的には、送信超音波探触子内の振動子に印加される矩形波バースト信号における一つの矩形波が有する電気エネルギＷは、矩形波におけるパルス幅（Ｔ／２）に電圧Ｖ_Hが乗算された矩形波の面積Ｓ_Aに相当する。この矩形波の面積Ｓ_Aは、従来の一つ（１周期分）のサイン波からなるパルス信号の面積と比較して格段に大きい。

さらに、図２に示す矩形波バースト信号における、連続する負の矩形波の周期Ｔを振動子の厚みの１倍又は整数倍に設定することによって、厚みで定まる共振周波数を有する振動子を共振振動状態とすることができる。

このように、連続する所定個数の負の矩形波で構成された矩形波バースト信号が振動子に印加された場合における、振動子から出力される超音波パルスのレベルは、一つのサイン波からなるパルス信号が振動子に印加された場合における、振動子から出力される超音波パルスのレベルと比較して格段に大きい。

図１に示すように、パルス送受信器１０内には、矩形波バースト信号ａを作成する信号発生部１５、信号発生部１５から出力された矩形波バースト信号ａを信号ケーブル１７を介して送信超音波探触子１２へ送信する送信部１６、受信超音波探触子１３から信号ケーブル１８を介して受信信号ｂを受信する受信部１９、および受信部１９により受信された受信信号ｂを増幅して探傷制御解析器１４へ送出する増幅部２０がそれぞれ設けられている。

また、例えば市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等で構成された探傷制御解析器１４内には、解析部２１、周波数変換部（ＦＦＴ）２２、液晶ディスプレイ等からなる表示部２３、測定条件設定部２４、及びキーボード、マウス等からなる操作部２５等が設けられている。なお、ＰＣは、メモリ、ＣＰＵ、通信インターフェイス、記憶装置などを備え、本発明の一実施形態にかかる情報処理は、記憶装置に記憶された、本発明の一実施形態に係る情報処理を実現するプログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。

解析部２１は、パルス送受信器１０の増幅部２０から出力された増幅後の受信信号ｂ₁の信号レベル、実際には、信号発生部１５から出力された矩形波バースト信号ａの信号レベルとの比に基づいて、被検体内の欠陥の有無を示すＣモード画像を表示部２３に表示出力する。

周波数変換部（ＦＦＴ）２２は、パルス送受信器１０の増幅部２０から出力された増幅後の受信信号ｂ₁に対し、測定条件設定部２４で指定された周波数範囲（ｆ₁〜ｆ₂）で周波数変換である高速フーリエ変換を行ない、周波数変換された受信信号ｂ₂としてＣモード画像とは別に表示部２３に表示出力することができる。

図３は、表示部に表示された各信号の波形の一例を示す図である。表示部２３は、図３（ａ）に示す矩形波バースト信号ａ、図３（ｂ）に示す増幅後の受信信号ｂ₁、図３（ｃ）に示す周波数変換された受信信号ｂ₂をそれぞれ表示できる。よって、探傷実施者は各種信号の詳細を確認できる。

図４は、空中超音波探傷装置に組込まれた信号発生部の回路の一例を示す図である。この図４では、矩形波バースト信号ａを発生する信号発生部１５の詳細な回路について示す。
測定条件設定部２４は、図４に示すように、操作部２５を介して探傷実施者が操作入力した測定条件、ここでは図２に示す矩形波バースト信号ａにおける電圧Ｖ_H、周波数ｆ、波数Ｎ、開始信号Ｓを含む測定条件をパルス送受信器１０の信号発生部１５へ送出する。さらに、測定条件設定部２４は、測定条件で指定された周波数ｆに対応する周波数範囲（ｆ₁〜ｆ₂）を周波数変換部（ＦＦＴ）２２へ設定する。

具体的には、電圧Ｖ_Hは、図２に示す矩形波バースト信号ａにおける負の矩形波４０の電圧である。図５は、超音波探触子の一例を示す断面図である。送信超音波探触子１２の構成及び受信超音波探触子１３の構成の詳細は後述する。周波数ｆは、図５に示す送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３内の振動子４２に印加される矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波４０の周期Ｔに対応する周波数ｆ（＝１／２πＴ）に設定される。また、波数Ｎは、矩形波バースト信号ａにおける連続する負の矩形波４０の数に設定される。さらに、開始信号Ｓには、被検体に向けて、矩形波バースト信号ａが所定周期Ｔ_Sで繰返し送られる場合における矩形波バースト信号ａの出力タイミングと出力周期Ｔ_Sがそれぞれ設定される。

高電圧発生回路２６は、測定条件設定部２４から指定された電圧Ｖ_Hに等しい、例えば、６００Ｖ（ボルト）の直流高電圧Ｅ_Hを出力する。この高電圧発生回路２６の高電圧出力端子と接地間には２つのスイッチング素子２７ａ、２７ｂの直列回路が介挿されている。

高電圧発生回路２６の高電圧出力端子とスイッチング素子２７ａ、２７ｂの中間点３３との間に電源供給抵抗２８（Ｒｓ）が接続され、スイッチング素子２７ａ、２７ｂの中間点３３と信号発生部１５の（＋）側出力端子３１ａとの間にカップリングコンデンサ２９（Ｃｃ）が介挿され、信号発生部１５の（＋）側出力端子３１ａと接地間にダンピング抵抗３０（Ｒｄ）が接続されている。

信号発生部１５の（＋）側出力端子３１ａと接地側出力端子３１ｂとの間に、図２に示す矩形波バースト信号ａが出力される。各スイッチング素子２７ａ、２７ｂはゲート信号発生回路３２から出力されるゲート信号ｇ₁、ｇ₂にて通電制御される。

図６は、ゲート信号発生回路３２の詳細構成例を示すブロック図である。図７は、信号発生部の動作の一例を示すタイムチャートである。
正弦波発振回路３４は、時刻ｘ₁にて測定条件設定部２４から開始信号Ｓを入力すると、図７のタイムチャートに示すように、測定条件設定部２４から指定された周波数ｆ（周期Ｔ）を有する正弦波信号ｈを発振して出力開始する。

正弦波発振回路３４から出力された正弦波信号ｈは、次の段に設けられる２値化回路３５で２値化信号ｊに変換される。２値化信号ｊは、「＋」部分をＨ（ハイ）レベルとし、「−」部分をＬ（ロー）レベルとする信号である。２値化回路３５から出力された２値化信号ｊは、第１のゲート回路３６、及びパルス数カウンタ３９へそれぞれ入力される。さらに、２値化回路３５から出力された２値化信号ｊは、反転回路（インバータ回路）３７でＨレベルとＬレベルとにレベル変換されて、反転２値化信号ｋとして第２のゲート回路３８へ入力される。

パルス数カウンタ３９には、測定条件設定部２４から波数Ｎが設定されている。本実施形態においては、Ｎ＝２である。そして、パルス数カウンタ３９は、時刻ｘ₁にて測定条件設定部２４から開始信号Ｓを入力すると、図７のタイムチャートに示すように、２値化回路３５から出力された２値化信号ｊのパルス数の計数を開始し、時刻ｘ₂にて、計数値が測定条件設定部２４から設定された波数Ｎに達すると、計数を終了し、計数値を「０」にクリアする。そして、パルス数カウンタ３９は、時刻ｘ₁から時刻ｘ₂までの計数期間中においてＨレベルとなるゲート信号ｍを各ゲート回路３６，３８へ送出する。

第１のゲート回路３６は、パルス数カウンタ３９からのゲート信号ｍがＨレベルの期間において、２値化回路３５から出力された２値化信号ｊを通過させて、ゲート信号ｇ₁として、図４に示すスイッチング素子２７ａのゲート端子へ印加する。同様に、第２のゲート回路３８は、パルス数カウンタ３９からのゲート信号ｍがＨレベルの期間において、反転回路３７から出力された反転２値化信号ｋを通過させて、ゲート信号ｇ₂として、図４に示すスイッチング素子２７ｂのゲート端子へ印加する。

その結果、図７のタイムチャートに示すように、ゲート信号ｇ₁がＨレベルの期間においては、スイッチング素子２７ａが導通し、スイッチング素子２７ｂが遮断されているので、スイッチング素子２７ａ、２７ｂの中間点３３の電圧信号ｎは、直流高電圧Ｅ_Hに等しい電圧Ｖ_Hとなる。
また、ゲート信号ｇ₂がＨレベルの期間においては、スイッチング素子２７ｂが導通し、スイッチング素子２７ａが遮断されているので、中間点３３の電圧信号ｎは、接地（アース）電位（０Ｖ（ボルト）となる。

この中間点３３の電圧信号ｎは、電源供給抵抗２８（Ｒ_ｓ）、カップリングコンデンサ２９（Ｃｃ）、ダンピング抵抗３０（Ｒ_ｄ）にて、スイッチング素子２７ａの通電期間における極性が反転される。図７のタイムチャートに示す、連続する２個（Ｎ＝２）の負の矩形波４０からなる矩形波バースト信号ａが、出力端子３１ａ、３１ｂ間から出力される。

したがって、信号発生部１５から出力される、図２に示す矩形波バースト信号ａにおける負の矩形波４０の電圧Ｖ_Hは、高電圧発生回路２６から出力される６００Ｖ（ボルト）の直流高電圧Ｅ_Hとなる。

このように、探傷実施者は、操作部２５から測定条件設定部２４に、矩形波バースト信号ａにおける、負の矩形波４０の電圧Ｖ_H、負の矩形波４０の波数Ｎ、負の矩形波４０の周期Ｔ（矩形波４０のパルス幅Ｔ／２）、矩形波バースト信号ａの送信周期Ｔ_S等の測定条件を任意に設定可能である。

信号発生部１５から出力された矩形波バースト信号ａは、送信部１６にて、信号ケーブル１７を介して送信超音波探触子１２へ送信される。本実施形態では、送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３とは、被検体を挟むように配設されて用いられる。送信超音波探触子１２は、被検体の一方の表面に対して例えば４０ｍｍ（ミリメートル）等の空気の層を介して対向配設される。また、受信超音波探触子１３は、被検体の上記の一方の表面に対する反対側の表面に対して例えば５０ｍｍ等の空気の層を介して対向配設される。

送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３とが、被検体を挟むように配設された場合、送信超音波探触子１２の振動子４２は、矩形波バースト信号ａが印加されると超音波パルスｃを接触媒質である空気を介して被検体へ入射する。超音波パルスｃは被検体内を伝搬して、又は被検体内で反射したのちに当該被検体を透過して、被検体の反対面から受信超音波探触子１３へ向けて送られる。この超音波パルスｃは、受信超音波探触子１３の振動子４２にて受信信号である透過光信号に変換されて、信号ケーブル１８を介してパルス送受信器１０の受信部１９へ入力される。

次に、図５を参照して、送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３の構成について説明する。本実施形態における送信超音波探触子１２における送信面、および受信超音波探触子１３における受信面として適する、実際の形状、寸法などは、この図５とは別の図面により後述する。送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３とは送信面、受信面の違いを除いて同一構成であり、図５に示すように、下端開口４４を有する金属製の筒状のケース４３の下端開口４４の近傍に振動子４２が配設されている。この振動子４２の下方、すなわち、超音波パルスの入出力側に前面板４５が貼り付けられている。この前面板４５は、送信超音波探触子１２における送信面、又は受信超音波探触子１３における受信面に対応する。

そして、この実施形態の送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３においては、振動子４２及び前面板４５の音響インピーダンスは、被検体に当接して使用される接触型超音波探触子と比較して低く設定されている。具体的には、前面板４５の材料を従来のセラミックス系から樹脂系に変更することによって、音響インピーダンスＺを低下させて、空気の音響インピーダンスに近づけている。また、前面板４５の材料として、比重が例えば０．７〜０．８程度の多孔性構造を有した樹脂材料を採用することができる。

その結果、各超音波探触子と空気との接続部分における超音波の透過率が向上して、超音波パルスのレベル低下が防止される。さらに、受信超音波探触子１３においては、超音波パルスが効率的に振動子４２に入射されるので、受信超音波探触子１３から出力される受信信号の信号レベルの低下を抑制できる。

また、この実施形態の送信超音波探触子１２及び受信超音波探触子１３においては、振動子４２の上側においては、接触型超音波探触子の振動子の上側に設けられていたアクリル製のダンパ部材が除去されている。

次に、本実施形態に係る各探触子の構成、特に受信超音波探触子１３の受信面の構成について説明する。
ここでは、本実施形態の理解を容易にするために、一般的な受信超音波探触子１３ａの構成と対比しながら説明する。
図８は、一般的な空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子および受信超音波探触子の一例を示す図である。
図８に示した、一般的な空中超音波探傷装置における例では、本実施形態に係る送信超音波探触子と同じ送信超音波探触子１２の送信面と、本実施形態に係る受信超音波探触子と異なる受信超音波探触子１３ａの受信面との間に、平板状の被検体１００が配置される。送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３ａとの間の媒質は空気である。被検体１００は、例えば所定の厚さ、例えば５ｍｍの厚さを有する樹脂であり、この被検体１００内には、一定の深さ、例えば１ｍｍの深さを有する欠陥１０１が存在するものとする。

送信超音波探触子１２は、振動面である送信面が、一定の直径、例えば３０ｍｍの直径を有し、かつ一定の曲率半径、例えば５０ｍｍの曲率半径を有する凹面集束超音波探触子であり、この凹面が被検体１００の一方の表面に対向するように配置される。送信超音波探触子１２の送信面からは被検体１００の一方の表面を例えば４５ｍｍ離す。

また、受信超音波探触子１３ａは、振動面である受信面が、送信超音波探触子１２と同じく一定の直径、例えば３０ｍｍの直径を有し、かつ一定の曲率半径、例えば５０ミリメートルの曲率半径を有する凹面集束超音波探触子であり、この凹面が被検体１００の他方の表面に対向するように配置される。受信超音波探触子１３ａの受信面からは被検体１００の他方の表面を例えば５０ｍｍ離す。
なお、送信超音波探触子１２、受信超音波探触子１３ａの間で、直径、曲率半径は一致していなくともよい。

ここでは、空中超音波探傷装置は、各探触子同士の位置関係、および各探触子と被検体との間隔を保ったままで、超音波の送受信によって被検体１００の表面を二次元走査し、超音波が被検体１００に向けて送られた結果、この被検体１００の反対面から受信超音波探触子１３ａへ向けて送られた超音波を上記走査と同期して計測して、Ｃモード画像を表示する。

図９は、本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子および受信超音波探触子の一例を示す図である。この図９に示す例において、図８に示した例にかかる説明と重複する説明は省略する。
図９に示した例では、送信超音波探触子１２の送信面と受信超音波探触子１３の受信面との間に、上記と同じ被検体１００が配置される。送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３との間の媒質は上記と同じく空気である。

本実施形態では、受信超音波探触子１３は、受信超音波探触子１３ａと比較して大幅に小さい、例えば３ｍｍの大きさの受信面を有する。この受信面が被検体１００の他方の表面に対向するように配置される。受信超音波探触子１３の受信面からは被検体１００の他方の表面を例えば図８に示した例と同様に５０ｍｍ離す。
ここでは、空中超音波探傷装置は、各探触子同士の位置関係、および各探触子と被検体との間隔を保ったままで、超音波の送受信によって被検体１００の表面を二次元走査し、超音波が被検体１００に向けて送られた結果、この被検体１００の反対面から受信超音波探触子１３へ向けて送られた超音波を上記走査と同期して計測して、Ｃモード画像を表示する。

図１０は、空中超音波用の被検体の写真の一例を示す図である。
図１０に示した例では、被検体１００ａは、５ｍｍの厚さを有する樹脂で、厚さ方向の中央に、空隙である０．５ｍｍの深さを有する欠陥１０１ａ、１０１ｂが存在する。
欠陥１０１ａは、直径２０ｍｍの円状の欠陥１１１、直径１０ｍｍの円状の欠陥１１２を含む。また、欠陥１０１ｂは、一辺２０ｍｍの正方形状の欠陥１１３、および長軸２５ｍｍで円形部の直径１５ｍｍのカプセル形状の欠陥１１４を含む。

次に、同じ被検体に対する、一般的な空中超音波探傷装置に用いられる受信超音波探触子による受信信号に基づくＣモード画像と、本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置に用いられる受信超音波探触子による受信信号に基づくＣモード画像とを比較して説明する。

被検体上の各探触子の走査と同期して、解析部２１にて、受信超音波探触子による受信信号の振幅と所定の閾値とが比較され、この閾値を超えた振幅については、Ｃモード画像において、欠陥に対応する像として表現される。また、閾値を超えない振幅については、Ｃモード画像において、欠陥でない健全部に対応する像として表現される。

図１１は、一般的な空中超音波探傷装置に用いられる受信超音波探触子による受信信号に基づくＣモード画像の一例を示す図である。
図１１に示した画像は、図８に示した送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３ａとの間に、図１０に示した被検体１００ａが配置されたときの、受信超音波探触子１３ａによる受信信号に基づくＣモード画像の一例である。

この画像では、欠陥１１１、１１２、１１３、１１４に１対１で対応する、像１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａが表れている。しかし、この画像では、像１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａの端部付近に線状の虚像が発生しているため、探傷実施者は、欠陥１１１、１１２、１１３、１１４の正確な位置、大きさが把握できない。

図１２は、本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置に用いられる受信超音波探触子による受信信号に基づくＣモード画像の一例を示す図である。
図１２に示した画像は、図９に示した送信超音波探触子１２と受信超音波探触子１３との間に、図１０に示した被検体１００ａが配置されたときの、受信超音波探触子１３による受信信号に基づくＣモード画像の一例である。

この画像では、欠陥１１１、１１２、１１３、１１４に１対１で対応する、像１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂが表れている。この画像では、像１１１ｂ、１１２ｂ、１１３ｂ、１１４ｂには、上記の像１１１ａ、１１２ａ、１１３ａ、１１４ａでみられた虚像が大幅に低減、又は発生しておらず、像の端部が鮮明であるため、探傷実施者は、欠陥１１１、１１２、１１３、１１４の正確な位置、大きさを把握することができる。

次に、図８、９に示した被検体１００を例にとり、この被検体１００を送信超音波探触子と受信超音波探触子の間に配置したときの超音波の伝搬経路について説明する。
図１３は、一般的な空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子と受信超音波探触子との間で伝搬される超音波の伝搬経路の一例を示す図である。
図１３に示した例では、送信超音波探触子１２からの超音波が被検体１００の一方の面から被検体１００内に入射し、この被検体１００内を透過して、又は被検体１００内に存在する欠陥１０１に当接して拡散した超音波Ａ、Ｂ、Ｃとして、被検体１００の他方の面から、受信超音波探触子１３ａへ向けて送られて、受信超音波探触子１３ａの凹面の受信面により受信される。受信信号は微小部の受信信号の集合、つまり各受信点で受信した信号の合成であるが、ここでは便宜上、上記の超音波Ａ、Ｂ、Ｃに区分して受信されるとして説明する。

超音波Ｂは、被検体１００内で反射せずに透過した超音波である。一方、超音波Ａ、Ｃは、被検体１００内に存在する欠陥１０１により内部で反射した上で、この被検体１００内を透過して他方の面から拡散した超音波である。

この例では、受信超音波探触子１３ａは凹面の受信面を有するため、超音波Ｂだけでなく、送信超音波探触子１２からの超音波が欠陥１０１へ当接することによる被検体１００内部での反射の影響による超音波Ａ、Ｃも受信してしまう。
このため、同じ被検体に対する各探触子の位置関係により、受信超音波探触子１３ａによる受信信号の振幅が欠陥の有無に対応せず、欠陥の有無に対応する振幅に比して大幅な変動（ずれ）が生じる。この結果、閾値の設定次第で、Ｃモード画像において図１１に示すような虚像が発生する。

図１４は、本発明の一実施形態に係る空中超音波探傷装置に用いられる送信超音波探触子と受信超音波探触子との間で伝搬される超音波の伝搬経路の一例を示す図である。
図１４に示した例では、図１３に示した超音波Ａ、Ｂ、Ｃが被検体１００の他方の面から、受信超音波探触子１３ａと異なる受信超音波探触子１３へ向けて送られ、この受信超音波探触子１３の受信面により受信される。

図１４に示した例では、受信超音波探触子１３は、超音波Ａ、Ｂ、Ｃのうち拡散した超音波Ａ、Ｃを受信せず、超音波Ｂのみを受信する。このため、位置関係が同じ条件下において、上記の受信信号の振幅の変動は大幅に低減、又は発生しなくなる。この結果、同じ閾値の条件下で、Ｃモード画像は、図１２に示すような、虚像が大幅に低減、又は発生しない画像となる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る超音波探傷システムでは、送信超音波探触子の送信面の構成に対し、受信超音波探触子の受信面の構成を異ならせ、この結果、受信信号に基づくＣモード画像における虚像が大幅に低減、又は発生しないようにできるので、探傷実施者は、被検体に存在する欠陥の正確な位置、大きさを把握することができる。

次に、本発明の一実施形態の変形例について説明する。
図１５、図１６は、受信超音波探触子の変形例を示す図である。
上記説明した実施形態では、受信超音波探触子１３の製作にあたり、上記小さい受信面を有する受信超音波探触子として個別に製作される例について説明したが、これに限らず、図１５、１６に示すように、受信超音波探触子１３の受信面に、穴が開けられたカバー１２１を被せることで、上記のように小さい受信面を有する受信超音波探触子が製作されてもよい。

本発明の一実施形態では、受信超音波探触子１３の受信面を、一般的な受信超音波探触子より小さくしたので、受信面積が小さくなり、受信信号の強度が低下する。このため受信信号のＳ／Ｎ比が低下する。この低下を補うためには、例えば、高感度の空中超音波探触子を受信超音波探触子１３として用いることが挙げられる。

図１７は、受信面積が可変である受信超音波探触子の一例を示す図である。
パルス送受信器１０の個体により、受信信号のノイズのレベルは異なるため、受信超音波探触子１３に最適な受信面積はパルス送受信器１０の個体ごとに異なる。しかしながら、受信面の面積が受信超音波探触子１３、またはカバー１２１をパルス送受信器１０の個体ごとに製作するのは困難である。

そこで、図１７に示すように、穴の径が可変である、光学レンズの絞り１３１を受信超音波探触子１３の受信面に取り付けることで、受信超音波探触子１３の受信面の面積を可変とすることができる。これにより、パルス送受信器１０の個体に応じて、受信超音波探触子１３の受信面の面積を容易に最適化することができる。

なお、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。

１０…パルス送受信器、１２…送信超音波探触子、１３，１３ａ…受信超音波探触子、１４…探傷制御解析器、２２…周波数変換部、２７ａ，２７ｂ…スイッチング素子、２８…電源供給抵抗、２９…カップリングコンデンサ、３０…ダンピング抵抗、４２…振動子、４３…ケース、４５…前面板、１００，１００ａ…被検体、１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１１１，１１２，１１３，１１４…欠陥、１１１ａ，１１１ｂ，１１２ａ，１１２ｂ，１１３ａ，１１３ｂ，１１４ａ，１１４ｂ…像、１２１…カバー、１３１…レンズ絞り。

Claims (4)

1. 被検体に空気を介して対向配設され、パルス状の超音波を送信面から前記被検体に送信する送信超音波探触子と、
   前記被検体に空気を介して対向配設され、当該被検体を伝搬した超音波を前記送信面より小さい面積を有する受信面により受けて振動子で電気信号に変換して出力する受信超音波探触子と、
   前記受信超音波探触子から出力された信号を受信する受信部と、
   前記受信部により受信された電気信号の信号レベルに基づき、前記被検体の欠陥の有無を示す画像を出力する出力部と
   を備え、
   前記受信超音波探触子の受信面は、前記送信超音波探触子により前記被検体に向けて送信されて、当該被検体内で反射せずに透過した超音波を受信し、かつ当該被検体内での反射を経て当該被検体から送られた超音波を受信しない、前記送信面より小さい面積を有する、
   空中超音波探傷装置。
2. 前記受信超音波探触子の受信面に、前記受信面の面積に応じた穴が開けられたカバーが取り付けられた、
   請求項１に記載の空中超音波探傷装置。
3. 前記受信超音波探触子の受信面に、前記受信面の面積に応じた穴の径が可変である光学絞りが取り付けられた、
   請求項１に記載の空中超音波探傷装置。
4. 連続する所定個数の負の矩形波からなる矩形波バースト信号を作成して出力する信号発生部をさらに備え、
   前記送信超音波探触子は、
   前記信号発生部から出力された矩形波バースト信号を振動子で超音波に変換して送信面から前記被検体に送信する、
   請求項１に記載の空中超音波探傷装置。