JP2021081189A - 欠陥検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造の超音波プローブを用いて超音波プローブと検査対象との接触状態の高精度な判定と欠陥の検知との双方が可能な欠陥検知方法を提供すること。【解決手段】欠陥検知方法であって、超音波プローブ（１）として、送信振動子（１０）と、受信振動子（２０）と、検査対象（Ｔ）の音速よりも小さな音速を有する吸収部（３０）と、くさび（４０）と、を備えるものを準備する準備工程と、非接触状態において超音波が吸収部（３０）の下面を経由して受信振動子（２０）で受信された際の参照信号と、超音波が吸収部（３０）の下面と検査対象（Ｔ）との境界を経由して受信振動子（２０）で受信された際の表面ノイズと、を比較することによってくさび（４０）と検査対象（Ｔ）とが接触しているか否かを判定する判定工程と、探傷信号に基づいて検査対象（Ｔ）に存在する欠陥を検知する検知工程と、を備えること。【選択図】図１

Description

本発明は、検査対象の欠陥を検査する超音波プローブに関するものである。

従来、非破壊で鋼材等の検査対象の欠陥を検査する方法として、超音波プローブを用いた検査方法が知られている。この検査では、超音波プローブと検査対象とが良好に接触していることが求められる。例えば、特許文献１では、検査対象（鋼管や鋼板等）に存在する欠陥を検知するためのＳＨ波振動子に加え、検査対象に接触していることを判断するための接触検知振動子を備えた複合探触子が開示されている。この複合探触子では、接触検知振動子から送信された接触探知超音波ビームにより、検査対象に接触しているか否かを判断する。

特開２００８−２３２６２２号公報

特許文献１に記載される複合探触子では、当該複合探触子が検査対象に接触していることの厳密な判断が困難である。具体的に、この複合探触子では、接触検知振動子によって当該複合探触子が検査対象に接触していると判断された場合であっても、それは、当該複合探触子のうち接触検知振動子により送信される超音波が伝播する部位と検査対象とが接触していることを示すものであって、複合探触子のうちＳＨ波振動子により送信される超音波が検査対象に入射する部位と検査対象とが接触していることを示すものではない。

また、この複合探触子では、欠陥を検知するための振動子に加えて接触状態を検知するための振動子を備える必要があるので、探触子の構造が複雑になる。

本発明の目的は、簡素な構造の超音波プローブを用いて超音波プローブと検査対象との接触状態の高精度な判定と欠陥の検知との双方が可能な欠陥検知方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明者らは、いわゆる二振動子垂直プローブでの欠陥の検査時に生じる表面ノイズに着目した。表面ノイズは、吸収部（コルクやゴム等からなる超音波を吸収する部材）を挟んだ位置に配置された送信振動子と受信振動子とを結ぶ最短距離を伝播した超音波が受信振動子で受信された際に生成される信号、つまり、送信振動子から送信された超音波が吸収部の下面と検査対象との境界を経由して受信振動子で受信された際に生成される信号を意味する。この表面ノイズは、送信振動子から送信された超音波が検査対象の欠陥で反射することにより生じた超音波が受信振動子で受信された際に生成される信号である探傷信号とは別の信号として検出される。

そして、本発明者らは、超音波プローブと検査対象とが接触している場合、前記最短距離を伝播する超音波のうち吸収部と検査対象との境界を伝播する超音波については、吸収部の音速よりも検査対象の音速の方が大きいために吸収部の下面ではなく検査対象の表面を伝播する成分が主となるため、前記境界での伝播速度が大きくなる一方、超音波プローブが検査対象から離間している場合、前記最短距離を伝播する超音波は、吸収部の下面を伝播するために伝播速度が小さくなること、つまり、超音波プローブが検査対象に接触しているか否かによって最短距離を伝播した超音波（表面ノイズ）が受信振動子で受信されるまでの時間に差が生じること、及び、その差に基づいて接触状態を判定可能であること、に想到した。

本発明は、このような観点に基づいてなされたものである。具体的に、本発明は、超音波プローブを用いて検査対象に存在する欠陥を検知する欠陥検知方法であって、前記超音波プローブとして、超音波を送信する送信振動子と、超音波を受信する受信振動子と、超音波を吸収する吸収部であって前記検査対象の音速よりも小さな音速を有するものと、前記送信振動子、前記受信振動子及び前記吸収部を保持するくさびと、を備え、前記くさびは、前記送信振動子から送信された超音波が前記検査対象の内部に入射する角度で当該送信振動子を保持する第１保持部と、前記送信振動子から送信された超音波が前記検査対象の内部領域に存在する欠陥で反射することにより生成された反射超音波を前記受信振動子が受信可能な角度で当該受信振動子を保持する第２保持部と、前記第１保持部と前記第２保持部との間で前記吸収部を保持する吸収部保持部と、を有するものを準備する準備工程と、前記くさびの底面が前記検査対象から離間した状態である非接触状態において前記送信振動子から送信された超音波が前記吸収部の下面を経由して前記受信振動子で受信された際に生成される信号であって予め取得された参照信号と、前記送信振動子から送信された超音波が前記吸収部の下面と前記検査対象との境界を経由して前記受信振動子で受信された際に生成される信号である表面ノイズと、を比較することによって前記くさびと前記検査対象とが接触しているか否かを判定する判定工程と、前記受信振動子が前記反射超音波を受信した際に生成される探傷信号に基づいて前記検査対象に存在する欠陥を検知する検知工程と、を備える、欠陥検知方法を提供する。

本欠陥検知方法では、簡素な構造のいわゆる二振動子垂直プローブを用いて、当該プローブと検査対象との接触状態の高精度な判定と検査対象に存在する欠陥の検知との双方を達成することが可能となる。具体的に、非接触状態のときに吸収部の下面を伝播する超音波の伝播速度よりも、接触状態（くさびが検査対象に接触した状態）のときに吸収部と検査対象との境界を伝播する超音波の伝播速度の方が大きいので、判定工程では、表面ノイズの受信時間が参照信号の受信時間よりも短い場合に、超音波プローブが検査対象に接触していると判定することが可能となる。

また、前記準備工程で準備される前記吸収部の厚さは、前記送信振動子から送信された超音波の半波長の偶数倍ではない寸法に設定されていることが好ましい。

このようにすれば、接触状態での表面ノイズが非接触状態での参照信号に重ならないので、判定工程において、超音波プローブと検査対象とが接触しているか否かをより明確に判定することが可能となる。

さらに、前記送信振動子から送信された超音波の波長をλとし、前記吸収部の厚さをＷとすると、前記準備工程で準備される前記吸収部の厚さは、以下の式の関係を満たす範囲の寸法に設定され、
１／２λ（２ｎ＋１）−１／４λ≦Ｗ≦１／２λ（２ｎ＋１）＋１／４λ （ただし、ｎ＝０，１，２…）
前記判定工程では、前記表面ノイズと前記参照信号との差が設定値以上であるときに前記くさびと前記検査対象とが接触していると判定してもよい。

吸収部の厚さが上記関係式を満たす範囲で設定されることにより、表面ノイズと参照信号とが概ね半波長分ずれることになる。よって、表面ノイズと参照信号との差を取得することにより、くさびと検査対象とが接触しているか否かを明確に判定することが可能となる。

また、前記検知工程では、前記表面ノイズと前記参照信号との和に基づいて前記検査対象に存在する欠陥を検知することが好ましい。

このようにすれば、検知工程において欠陥の有無を明確に検知することができる。具体的に、表面ノイズと参照信号とが概ね半波長分ずれているため、表面ノイズと参照信号との和を取得することにより、表面ノイズが概ねキャンセルされ、欠陥に起因する探傷信号のＳＮ比が向上する。よって、検知工程において、明確に欠陥を検知することが可能となる。

また、前記欠陥検知方法において、前記準備工程で準備される前記吸収部は、前記送信振動子から送信された超音波のうち高周波成分を吸収する部材からなり、前記判定工程では、前記表面ノイズをローパスフィルタでフィルタリングすることにより得られる信号に基づいて前記くさびと前記検査対象とが接触しているか否かを判定し、前記検知工程では、前記受信振動子で受信された探傷信号をハイパスフィルタでフィルタリングすることにより得られる信号に基づいて前記検査対象に存在する欠陥を検知してもよい。

この態様では、吸収部としてコルクやゴム等からなる部材を用いることにより、くさびが検査対象に接触しているか否かの判定に用いる信号（表面ノイズ）と欠陥の検知に用いる探傷信号とが明確に区別される状態で取得される。具体的に、表面ノイズのうちの高周波成分は、吸収部の下面を伝播する際に吸収部に吸収されているので、このノイズがローパスフィルタでフィルタリングされることにより、表面ノイズとして低周波成分を主とする信号が取得される。一方、検査対象に存在する欠陥に起因する探傷信号は、ハイパスフィルタでフィルタリングされることによって高周波成分を主とする信号となる。よって、表面ノイズと探傷信号とが明確に区別可能な状態で取得され、また、表面ノイズに起因する探傷信号のＳＮ比の低下が抑制される。

また、前記欠陥検知方法において、前記判定工程では、前記参照信号の正成分及び前記表面ノイズの正成分のみを検出し、前記表面ノイズの正のピーク値の受信時間と前記参照信号の正のピーク値の受信時間との差が所定時間以上であるときに前記くさびと前記検査対象とが接触している判定してもよい。

この態様では、超音波プローブと検査対象とが接触しているか否かをより明確に判定することが可能となる。

あるいは、前記欠陥検知方法において、前記判定工程では、前記参照信号の負成分及び前記表面ノイズの負成分のみを検出し、前記表面ノイズの負のピーク値の受信時間と前記参照信号の負のピーク値の受信時間との差が所定時間以上であるときに前記くさびと前記検査対象とが接触している判定してもよい。

この態様においても、超音波プローブと検査対象とが接触しているか否かをより明確に判定することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、簡素な構造の超音波プローブを用いて超音波プローブと検査対象との接触状態の高精度な判定と欠陥の検知との双方が可能な欠陥検知方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の欠陥検知方法の概要を示す図である。 図１に示される超音波プローブが検査対象から離間した状態の超音波の伝播経路の概要を示す図である。 表面ノイズを含む信号と参照信号との関係を示す図である。

本発明の一実施形態の超音波プローブ１を用いた欠陥検知方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。以下、まず、超音波プローブ１について説明し、その後、その超音波プローブ１を用いた欠陥検知方法について説明する。

本欠陥検知方法で用いる超音波プローブ１は、いわゆる二振動子垂直プローブ、すなわち、鋼材等の検査対象Ｔの表面ないしその近傍の領域よりも深い領域に存在する欠陥ｆを検査可能なプローブである。具体的に、この超音波プローブ１は、図１に示されるように、送信振動子１０と、受信振動子２０と、吸収部３０と、くさび４０と、を備えている。

送信振動子１０は、超音波を送信する。受信振動子２０は、超音波を受信するとともに、その超音波に対応した信号を生成する。この信号は、ケーブルを介して図示略の探傷装置に送られる。

吸収部３０は、超音波を吸収する。本実施形態では、吸収部３０は、高周波成分を吸収する部材（コルクやゴム等）からなる。吸収部３０の厚さ（送信振動子１０と受信振動子２０とを結ぶ方向（図１の左右方向）における吸収部３０の寸法）Ｗは、送信振動子１０から送信された超音波の半波長の偶数倍ではない寸法に設定されている。この厚さＷは、送信振動子１０から送信される超音波の波長をλとすると、以下の式の関係を満たす範囲の寸法に設定されることが好ましい。

１／２λ（２ｎ＋１）−１／４λ≦Ｗ≦１／２λ（２ｎ＋１）＋１／４λ （ただし、ｎ＝０，１，２…）

本実施形態では、吸収部３０の厚さＷは、送信振動子１０から送信される超音波の半波長１／２λの奇数倍に設定されている。

くさび４０は、各振動子１０，２０及び吸収部３０を保持する。具体的に、くさび４０は、送信振動子１０を保持する第１保持部４１と、受信振動子２０を保持する第２保持部４２と、吸収部３０を保持する吸収部保持部４３と、を有する。

第１保持部４１は、送信振動子１０から送信された超音波が検査対象Ｔの内部に入射する角度で当該送信振動子１０を保持する。

第２保持部４２は、送信振動子１０から送信された超音波が検査対象Ｔの内部領域に存在する欠陥ｆで反射することにより生成された反射超音波を受信振動子２０が受信可能な角度で受信振動子２０を保持する。受信振動子２０が反射超音波を受信した際に生成される信号である探傷信号は、受信振動子２０から前記探傷装置に送られる。

吸収部保持部４３は、第１保持部４１と第２保持部４２との間で吸収部３０を保持する。吸収部保持部４３に吸収部３０が保持されることにより、送信振動子１０からくさび４０内に送信された超音波が検査対象Ｔを経由することなく受信振動子２０に至るのが抑制される。

次に、超音波プローブ１を用いた欠陥検知方法について説明する。具体的に、本欠陥検知方法は、超音波プローブ１（二振動子垂直プローブ）を準備する準備工程と、この超音波プローブ１を用いてくさび４０と検査対象Ｔとが接触しているか否かを判定する判定工程と、前記探傷信号に基づいて検査対象Ｔに存在する欠陥ｆを検知する検知工程と、を備える。

ここで、この超音波プローブ１で欠陥ｆを検出する際、表面ノイズ（送信振動子１０と受信振動子２０とを結ぶ最短距離を伝播した超音波（図１で太線で示される超音波）が受信振動子２０で受信された際に生成される信号、つまり、送信振動子１０から送信された超音波が吸収部３０の下面と検査対象Ｔとの境界を経由して受信振動子２０で受信された際に生成される信号）が検出されることが知られている。この表面ノイズは、前記探傷信号とは別の信号として探傷信号よりも早くに検出される。

前記判定工程では、この表面ノイズを利用することによってくさび４０が検査対象Ｔに接触しているか否かが判定される。具体的に、コルクやゴムからなる吸収部３０の音速よりも鋼材等からなる検査対象Ｔの音速の方が大きいため、図１に示されるような接触状態（くさび４０の底面が検査対象Ｔに接触している状態）では、表面ノイズのうち吸収部３０と検査対象Ｔとの境界を伝播する超音波については、吸収部３０の下面ではなく検査対象Ｔの表面を伝播する成分が主となる。このため、前記境界での伝播速度が大きくなる。一方、図２に示されるような非接触状態（くさび４０の底面が検査対象Ｔから離間した状態）では、前記最短距離を伝播する超音波は、吸収部３０の下面を伝播するために伝播速度が小さくなる。つまり、超音波プローブ１が検査対象Ｔに接触しているか否かによって受信振動子２０で前記最短距離を伝播した超音波（表面ノイズ）が受信されるまでの時間に差が生じる。よって、非接触状態において送信振動子１０から送信された超音波が吸収部３０の下面を経由して受信振動子２０で受信された際に生成される信号であって予め取得された参照信号と表面ノイズとを比較することによって、くさび４０が検査対象Ｔに接触しているか否かが判定される。なお、前記参照信号は、欠陥ｆの検査の度に取得されてもよいし、事前に取得して前記探傷装置に格納しておき、その格納された信号が参照されてもよい。

本実施形態では、判定工程では、表面ノイズと参照信号との差が設定値以上であるときにくさび４０と検査対象Ｔとが接触していると判定される。

また、検知工程では、表面ノイズと参照信号との和に基づいて検査対象Ｔに存在する欠陥ｆが検知される。

以上に説明したように、本実施形態の欠陥検知方法では、簡素な構造のいわゆる二振動子垂直プローブを用いて、当該プローブと検査対象Ｔとの接触状態の高精度な判定と検査対象Ｔに存在する欠陥ｆの検知との双方を達成することが可能となる。具体的に、非接触状態（図２に示される状態）のときに吸収部３０の下面を伝播する超音波の伝播速度よりも、接触状態（図１に示される状態）のときに吸収部３０と検査対象Ｔとの境界を伝播する超音波の伝播速度の方が大きいので、判定工程では、表面ノイズの受信時間が参照信号の受信時間よりも短い場合に、超音波プローブ１が検査対象Ｔに接触していると判定することが可能となる。

また、吸収部３０の厚さＷは、送信振動子１０から送信される超音波の半波長１／２λの奇数倍に設定されている。このため、接触状態での表面ノイズが非接触状態での参照信号に重ならないので、判定工程において、超音波プローブ１と検査対象Ｔとが接触しているか否かをより明確に判定することが可能となる。

また、吸収部３０の厚さＷが超音波の半波長１／２λの奇数倍に設定されることにより、表面ノイズと参照信号とが概ね半波長分ずれることになる。よって、判定工程において表面ノイズと参照信号との差を取得することにより、くさび４０と検査対象Ｔとが接触しているか否かを明確に判定することが可能となる。

また、検知工程では、表面ノイズと参照信号との和に基づいて検査対象Ｔに存在する欠陥ｆを検知する。このため、検知工程において欠陥ｆの有無を明確に検知することができる。具体的に、表面ノイズと参照信号とが概ね半波長分ずれているため、表面ノイズと参照信号との和を取得することにより、表面ノイズが概ねキャンセルされ、欠陥ｆに起因する探傷信号のＳＮ比が向上する。よって、検知工程において、明確に欠陥ｆを検知することが可能となる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、判定工程では、表面ノイズをローパスフィルタでフィルタリングすることにより得られる信号に基づいてくさび４０と検査対象Ｔとが接触しているか否かが判定されてもよい。この場合、検知工程では、受信振動子２０で生成された探傷信号をハイパスフィルタでフィルタリングすることにより得られる信号に基づいて検査対象Ｔに存在する欠陥ｆが検知されることが好ましい。この態様では、表面ノイズのうちの高周波成分は、吸収部３０の下面を伝播する際に吸収部に吸収されているので、このノイズがローパスフィルタでフィルタリングされることにより、表面ノイズとして低周波成分を主とする信号が取得される。一方、検査対象Ｔに存在する欠陥ｆに起因する探傷信号は、ハイパスフィルタでフィルタリングされることによって高周波成分を主とする信号となる。よって、表面ノイズと探傷信号とが明確に区別可能な状態で取得され、また、表面ノイズに起因する探傷信号のＳＮ比の低下が抑制される。

あるいは、判定工程では、参照信号の正成分及び表面ノイズの正成分のみを検出し、表面ノイズの正のピーク値の受信時間と参照信号の正のピーク値の受信時間との差が所定時間以上であるときにくさび４０と検査対象Ｔとが接触している判定してもよい。この態様では、超音波プローブと検査対象Ｔとが接触しているか否かをより明確に判定することが可能となる。

あるいは、判定工程では、参照信号の負成分及び表面ノイズの負成分のみを検出し、表面ノイズの負のピーク値の受信時間と参照信号の負のピーク値の受信時間との差が所定時間以上であるときにくさび４０と検査対象Ｔとが接触している判定してもよい。この態様においても、超音波プローブと検査対象Ｔとが接触しているか否かをより明確に判定することが可能となる。

次に、上記実施形態の実施例について説明する。この実施例では、各振動子１０，２０として５ＭＨｚ用のものを備え、吸収部３０として厚さＷが約０．７ｍｍでコルクからなるものを備える超音波プローブ１（二振動子垂直プローブ）が用いられた。また、検査対象Ｔとして鋼材が用いられた。

この超音波プローブ１で検査対象Ｔを検査したときに受信振動子２０から得られた信号が図３に示されている。図３より、接触状態のときに得られる表面ノイズ（実線）の方が非接触状態のときに得られる参照信号（破線）よりも早いことが分かる。また、本実施例では、吸収部３０の厚さＷは、検出される表面ノイズの約半波長に設定されているので、表面ノイズの信号は、参照信号と位相が反転したような波形となった。

また、送信振動子１０から送信された超音波の高周波成分は、吸収部３０の下面と検査対象Ｔとの境界を通過する際に吸収部３０に吸収され、受信振動子２０では、表面ノイズとして低周波成分（この実施例では約１ＭＨｚ）のみが検出された。そして、受信振動子２０から得られる信号（表面ノイズや探傷信号を含む）は、例えば２ＭＨｚ程度のローパスフィルタ及びハイパスフィルタでフィルタリングすることにより、約１ＭＨｚの表面ノイズと約５ＭＨｚの探傷信号とに分けられた。このため、表面ノイズと探傷信号とが明確に区別可能であった。

１ 超音波プローブ
１０ 送信振動子
２０ 受信振動子
３０ 吸収部
４０ くさび
４１ 第１保持部
４２ 第２保持部
４３ 吸収部保持部

Claims (7)

1. 超音波プローブを用いて検査対象に存在する欠陥を検知する欠陥検知方法であって、
   前記超音波プローブとして、
   超音波を送信する送信振動子と、
   超音波を受信する受信振動子と、
   超音波を吸収する吸収部であって前記検査対象の音速よりも小さな音速を有するものと、
   前記送信振動子、前記受信振動子及び前記吸収部を保持するくさびと、を備え、
   前記くさびは、
   前記送信振動子から送信された超音波が前記検査対象の内部に入射する角度で当該送信振動子を保持する第１保持部と、
   前記送信振動子から送信された超音波が前記検査対象の内部領域に存在する欠陥で反射することにより生成された反射超音波を前記受信振動子が受信可能な角度で当該受信振動子を保持する第２保持部と、
   前記第１保持部と前記第２保持部との間で前記吸収部を保持する吸収部保持部と、を有するものを準備する準備工程と、
   前記くさびの底面が前記検査対象から離間した状態である非接触状態において前記送信振動子から送信された超音波が前記吸収部の下面を経由して前記受信振動子で受信された際に生成される信号であって予め取得された参照信号と、前記送信振動子から送信された超音波が前記吸収部の下面と前記検査対象との境界を経由して前記受信振動子で受信された際に生成される信号である表面ノイズと、を比較することによって前記くさびと前記検査対象とが接触しているか否かを判定する判定工程と、
   前記受信振動子が前記反射超音波を受信した際に生成される探傷信号に基づいて前記検査対象に存在する欠陥を検知する検知工程と、を備える、欠陥検知方法。
2. 請求項１に記載の欠陥検知方法において、
   前記準備工程で準備される前記吸収部の厚さは、前記送信振動子から送信された超音波の半波長の偶数倍ではない寸法に設定されている、欠陥検知方法。
3. 請求項２に記載の欠陥検知方法において、
   前記送信振動子から送信された超音波の波長をλとし、前記吸収部の厚さをＷとすると、前記準備工程で準備される前記吸収部の厚さは、以下の式の関係を満たす範囲の寸法に設定され、
   １／２λ（２ｎ＋１）−１／４λ≦Ｗ≦１／２λ（２ｎ＋１）＋１／４λ （ただし、ｎ＝０，１，２…）
   前記判定工程では、前記表面ノイズと前記参照信号との差が設定値以上であるときに前記くさびと前記検査対象とが接触していると判定する、欠陥検知方法。
4. 請求項３に記載の欠陥検知方法において、
   前記検知工程では、前記表面ノイズと前記参照信号との和に基づいて前記検査対象に存在する欠陥を検知する、欠陥検知方法。
5. 請求項１又は２に記載の欠陥検知方法において、
   前記準備工程で準備される前記吸収部は、前記送信振動子から送信された超音波のうち高周波成分を吸収する部材からなり、
   前記判定工程では、前記表面ノイズをローパスフィルタでフィルタリングすることにより得られる信号に基づいて前記くさびと前記検査対象とが接触しているか否かを判定し、
   前記検知工程では、前記受信振動子で受信された探傷信号をハイパスフィルタでフィルタリングすることにより得られる信号に基づいて前記検査対象に存在する欠陥を検知する、欠陥検知方法。
6. 請求項１又は２に記載の欠陥検知方法において、
   前記判定工程では、前記参照信号の正成分及び前記表面ノイズの正成分のみを検出し、前記表面ノイズの正のピーク値の受信時間と前記参照信号の正のピーク値の受信時間との差が所定時間以上であるときに前記くさびと前記検査対象とが接触している判定する、欠陥検知方法。
7. 請求項１又は２に記載の欠陥検知方法において、
   前記判定工程では、前記参照信号の負成分及び前記表面ノイズの負成分のみを検出し、前記表面ノイズの負のピーク値の受信時間と前記参照信号の負のピーク値の受信時間との差が所定時間以上であるときに前記くさびと前記検査対象とが接触している判定する、欠陥検知方法。

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