JP3674131B2 - 配列形超音波探触子による超音波探傷方法及び超音波探傷装置 - Google Patents
配列形超音波探触子による超音波探傷方法及び超音波探傷装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管等の被検体の超音波自動探傷システムに利用される超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波自動探傷システムとしては、図１１に示すようなものがあり、このシステムでは、回転しながら軸方向（矢印）に移動する鋼管に対して、軸方向に１列に配列された４個の超音波探触子２（２1、２2、２3、２4）を使用して探傷している。ここで、符号２2の超音波探触子によって探傷される領域は網目模様が付された帯状の螺旋の領域であり、４個の超音波探触子２を軸方向に配列させる事で鋼管の全面を探傷できるようにしている。各超音波探触子２から送信される超音波は図１１（ｂ）に示すように主として管壁１内を周方向に伝搬し、主に管壁１の管軸方向に走っている亀裂の様な欠陥に対して反射され、この反射波を超音波探触子で受信することにより欠陥を検知している。
【０００３】
また、管壁１の周方向に走っている亀裂のような欠陥を感度良く検知するためには、図１２に示したように、複数の超音波探触子３（３1、３2、３3、３4）を管軸を含む面内において予め傾けて設置し、超音波を管壁１の管軸方向に伝搬させている。
従って、周方向及び軸方向の両方に超音波を伝搬させるためには、図１１の周方向伝搬用の複数の超音波探触子２と、図１２の軸方向伝搬用の複数の超音波探触子３を目的別に別々に用意していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような超音波探傷方法及び装置では、隣合う超音波探触子が形成する音場の境界で音場強度が低下し、検出感度の低下を来すという問題がある。即ち、図１３は超音波探触子２の面から約３０ｍｍ離れている所での音場強度を模擬的に示しているが、例えば超音波探触子の幅を１５ｍｍとすると、隣合う超音波探触子の境界では超音波探触子の中央部分で形成される音場強度に対して１０ｄＢ近く低くなっている。
【０００５】
一般に超音波探触子の近くに形成される近距離音場では、実効ビーム幅（超音波探触子の中央部分で得られる音場強度のピーク値に対してレベルが３ｄＢ低下するまでの幅と定義する）が超音波探触子１個の幅より小さくなってしまうので、従来の方法では隣合う超音波探触子の境界の音場強度の低下が避けられない。これにより、隣合う超音波探触子の境界に対応する探傷領域が螺旋状に細く抜け落ちるという問題があり、この境界に相当する領域にセンサーを増設して対応している。
【０００６】
また、従来の方法では、周方向及び軸方向の両方の探傷を行うためには、周方向伝搬用の複数の超音波探触子と、軸方向伝搬用の複数の超音波探触子を狭い空間内にそれぞれ設置しなければならず、その設置に手間がかかると共に部品点数も増加するため、コストも高くなるという問題があった。
本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、従来のような音場強度の低下のない超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、同じ配列形超音波探触子を用いて周方向及び軸方向の両方の探傷を兼用できる超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のうち請求項１記載の超音波探傷方法では、
一直線上に配列されている複数の超音波探触子を、一定数の連続する超音波探触子によって構成される組ごとに使用し、
任意の組とその隣合う組に属する超音波探触子のうち必ず１個以上の超音波探触子が重複するようにして前記組を配列方向に沿って順次切り替えて、１つの組に属する超音波探触子群の幅が前記切り替えの送りピッチよりも大きくなるようにし、且つ、前記切り替えの送りピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さとすると共に、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るようにする、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のうち請求項２記載の超音波探傷方法では、請求項１記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に組の両端部に位置する１個以上の超音波探触子の送信感度または受信感度を低下させる重み付けを行うことを特徴とする。
また、本発明のうち請求項３記載の超音波探傷方法では、請求項１または２記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームを送受信する方法と、
該組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にして、超音波探触子の正面方向の超音波ビームを送受信する方法と、
のいずれか一方の方法を適宜選択して行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のうち請求項４記載の超音波探傷方法では、請求項１または２記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、同じ組の超音波探触子を２度連続して使用し、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームを送受信する方法と、
該組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にして、超音波探触子の正面方向の超音波ビームを送受信する方法と、
の両方の方法をいずれか一方を先にして連続して行うことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のうち請求項５記載の超音波探傷方法では、請求項１または２記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させて励振ピッチｐがｐ＝λ／sinθ0（λは超音波の波長）を満足するようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を同時に送信し、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に受信のタイミングをピッチｐで遅延させて超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を受信すると共に、該組に属する超音波探触子の受信のタイミングをすべて同時にして超音波探触子の正面方向の超音波ビームを受信する、
ことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のうち請求項６記載の超音波探傷装置では、
一直線上に配列されている複数の超音波探触子と、
前記複数の超音波探触子を励振させる送信器と、
前記複数の超音波探触子からの信号を受信する受信器と、
前記複数の超音波探触子と前記送信器及び前記複数の超音波探触子と前記受信器との接続を切り替える切り替え器とを備え、
前記切り替え器は、一定数の連続する超音波探触子によって構成される組ごとに前記複数の超音波探触子を前記送信器及び前記受信器に接続し、任意の組とその隣合う組に属する超音波探触子のうち必ず１個以上の超音波探触子が重複するようにして前記組を配列方向に沿って順次切り替えて、１つの組に属する超音波探触子群の幅が前記切り替えの送りピッチよりも大きくなるようにし、且つ、前記切り替えの送りピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さとすると共に、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るように切り替えを行う、
ことを特徴とする。
【００１３】
本発明のうち請求項７記載の超音波探傷装置では、請求項６記載の前記送信器または前記受信器において、組の両端部に位置する１個以上の超音波探触子の送信感度または受信感度を低下させる重み付けを行うことを特徴とする。
本発明のうち請求項８記載の超音波探傷装置では、請求項６または７記載のものにおいて、前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させるように送信器に接続すると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるように受信器に接続する場合と、該組に属する超音波探触子を同時に励振させるように送信器に接続すると共に受信のタイミングを同時にさせるように受信器に接続する場合と、いずれか一方の場合を適宜選択して接続することを特徴とする。
【００１４】
本発明のうち請求項９記載の超音波探傷装置では、請求項６または７記載のものにおいて、前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させるように送信器に接続すると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるように受信器に接続する場合と、該組に属する超音波探触子を同時に励振させるように送信器に接続すると共に受信のタイミングを同時にさせるように受信器に接続する場合と、の両方の場合をいずれか一方を先にして連続して行うように接続することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のうち請求項１０記載の超音波探傷装置では、請求項６または７記載のものにおいて、前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させて励振ピッチｐがｐ＝λ／sinθ0（λは超音波の波長）を満足するように送信器に接続して超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を同時に送信させ、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に受信のタイミングをピッチｐで遅延させるように複数の受信器の中の第１受信器群に接続して超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を受信させると共に、該組に属する超音波探触子の受信のタイミングをすべて同時になるように複数の受信器の中の第２受信器群に接続して超音波探触子の正面方向の超音波ビームを受信させることを特徴とする。
【００１６】
請求項１または６記載の発明では、組の切り替えの送りピッチを１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るようにするために、ある組に属する超音波探触子とその隣合う組に属する超音波探触子によってそれぞれ探傷される領域の境界において音場強度の低下が少なくなり、従って欠陥検出性能を保証することができる。
【００１７】
また、請求項２または７記載の発明では、重み付けを行うことで、１つの組に属する一定数の超音波探触子によって得られる超音波ビームの音場強度をその実効ビーム幅範囲内で平坦にすることができる。
また、請求項３、４または８、９記載の発明では、１つの組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにすることで、超音波探触子の正面から所定角度ずれた方向へ超音波を伝搬させることができると共に、所定角度ずれた方向から入射してくる超音波を効率良く受信することができるので、鋼管等の軸方向伝搬用として使用することができる。また、１つの組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にさせることにより、超音波探触子の正面方向に伝搬する超音波を用いて円周方向の入射角度を機械的に与えることで鋼管等の周方向伝搬用として使用することができる。従って、これらを適宜選択することにより、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷ができる。
【００１８】
また、請求項５または１０記載の発明では、一度に超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を送受信することができるので、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷ができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の配列形超音波探触子を用いた超音波探傷方法または、本発明の超音波探傷方法に使用される超音波探傷装置を示す概略ブロック図であり、超音波探傷装置は配列形超音波探触子及びその送受信回路を備えている。
【００２０】
図１に示したように、本例の超音波探傷装置は、非常に小さい幅の細長い短冊状の超音波探触子Ｅ1，Ｅ2、・・・Ｅnを多数配列しており、後で詳述するように、切り替え器１８によって一定数（ｊ個）の組毎に使用される。
各超音波探触子の各組は、それぞれ送受信回路１０に接続される。送受信回路１０は、主制御器１２と、主制御器１２からのトリガ信号により送信パルスを送出する送信器１４と、超音波探触子Ｅからの受信信号を受信し増幅する受信器１６と、主制御器１２からの制御信号によって切り替え動作を行う切り替え器１８と、を備える。
【００２１】
以上のように構成された超音波探傷装置において、切り替え器１８は、複数の超音波探触子Ｅ1，Ｅ2、・・・Ｅnを一定数（ｊ個）の組毎に使用するように、送信器１４と超音波探触子の組との接続及び受信器１６と超音波探触子の組との接続を切り替える。このとき、例えば超音波探触子Ｅ1〜Ｅjによって構成される１つの組に隣合う組は超音波探触子Ｅi〜Ｅi+j-1で構成されるように、必ずそれらの組の境界部分にある１個以上の超音波探触子Ｅi〜Ｅjが重複して使用されるように切り替える。
【００２２】
図２は、具体的な超音波探触子の組の切り替えと、各組によって形成される音場の様子を示しており、細長い箱の中に書いた数字は使用している超音波探触子の番号を示している。図２は、幅０．２２mmの超音波探触子を５０４個一直線上に配列した場合のものであり、従来例で説明した１５mmと同程度の実効ビーム幅を得ようとするために、各組に属する超音波探触子群の幅Ｗが約２０mm程度になるように、１つの組を９６個の連続する超音波探触子によって構成している。そして、その隣合う組の超音波探触子群の幅Ｗも約２０mm程度になるよう、９６個の連続する超音波探触子で構成し、切り替えの送りピッチ、即ち送受信の送りピッチを実効ビーム幅と等しいか、やや下回る１５mm程度になるように、重複して用いられる超音波探触子の幅を５mm程度（即ち、２８個の超音波探触子（６９番〜９６番）を重複して用いる）としている。さらに次次回に使用する超音波探触子群の幅も２０mm（９６個）で重複する超音波探触子の幅を５mm（１３７番〜１６４番）とし、これを繰り返している。
【００２３】
図３に図２の例における９６個の超音波探触子を１組にして送受信を行った場合に得られる超音波探触子の面から約３０ｍｍ離れている所での音場強度の計算例を示す。この場合、実効ビーム幅は１８mmと広いものが得られる。従って、送りピッチが１５mmであれば、実効ビーム幅が送りピッチよりやや上回るようにすることができ、従って、ある組とその隣合う組に属する超音波探触子によってそれぞれ探傷される領域の境界において音場強度の低下が少なくなり、従って欠陥検出性能を保証することができる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
前例で示した図３の結果は、それ自体十分な性能であるが、両端に音場強度がやや強くオーバーシュートしている部分があり、音場の平坦性が少し損なわれている。そこで、本例では、１組の超音波探触子群の両端の数個の超音波探触子の受信感度を低下させる重み付けをすることにより、平坦な音場分布を得るようにしたものである。本例に使用される超音波探傷装置の概略ブロック図を図４に示す。図４の装置では、１回に使用する（即ち１組の）超音波探触子に対応した数の異なる利得で増幅する受信器１６1，・・・１６jを備えており、各受信器１６1，・・・１６jは各超音波探触子からの信号を増幅し、それらの出力が加算器２０によって加算される。尚、図１と同一の部品には同一の符号を付している。
【００２５】
図５に、１組９６個の超音波探触子に対する受信利得の重み付け量の一例を示し、図６に、この重み付け量を用いた場合に得られる音場強度の計算例を示す。図６では、実効ビーム幅は１６mm近くあり、図３において両端に現れたリップルが小さくなり、非常に平坦な音場分布が得られることが分かる。
本例では、重み付けを受信の際の利得において行ったが、これに限るものではなく、送信の際の励振振幅に重み付けをすることももちろん考えられる。この場合には、複数の受信器を設ける代わりに、複数の送信器を１回で使用する超音波探触子に対応して設け、１組の超音波探触子群の両端の数個の超音波探触子の励振振幅を低下させる重み付けを行えばよい。
【００２６】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
前例では、超音波探触子の正面方向に超音波を伝搬させるのに適した超音波探傷装置について説明したが、本例はその方向のみならず、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波を伝搬させることができるものであり、周方向及び軸方向の両方の探傷を兼用できるようにしたものである。
【００２７】
本例に使用される超音波探傷装置の概略ブロック図を図７に示す。図７において、２２は送信タイミング制御器、１４1，・・・１４8は送信器、１６1，・・・１６8は受信器、２４1，・・・２４8は切り替え器１８と受信器１６1，・・・１６8との間に配された遅延線であり、２６1，・・・２６8は切り替え器１８と受信器１６1，・・・１６8を直接接続するバイパス回路である。本例では、切り替え器１８は、主制御器１２からの制御信号によって、１組の超音波探触子の送受信において、各送信器１４が２つの隣合う超音波探触子を励振した後に２つの隣合う超音波探触子からの受信信号が各遅延線２４を経由してまたは各バイパス回路２６を経由して各受信器１６へ送られるように、切り替え器１８の接点を接続する。
【００２８】
まず、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波を伝搬させる場合について説明すると、送信タイミング制御器２２は一定の時間間隔τずつずらして複数の送信器１４1，・・・１４8（１４8から順に遅延させる）へトリガ信号を送ることにより送信のタイミングを制御し、超音波探触子Ｅの励振タイミングをτずつずらす。
【００２９】
今、超音波探触子Ｅ1からＥ16によって１組の超音波探触子群が構成され、この組の送受信を行うものとすると、送信器１４1は超音波探触子Ｅ1、Ｅ2を、送信器１４2は超音波探触子Ｅ3、Ｅ4を、送信器１４8は超音波探触子Ｅ15、Ｅ16をそれぞれ励振する。従って、超音波探触子Ｅ15、Ｅ16が最初に励振されてから７τ遅れて超音波探触子Ｅ1、Ｅ2が励振される事となる。こうすることによって、送信された超音波の波面は超音波探触子Ｅの正面方向から一定角度θずれた方向へ伝搬するように形成される。このとき、角度θと時間遅れτとは次の関係になる。
【００３０】
【数１】
Ｃ・τ＝ｎｄ・ｓｉｎθ
ここで、Ｃは媒体の音速、ｄは超音波探触子の配列ピッチ、ｎは同時に励振させる超音波探触子Ｅの個数であり、この例ではｎ＝２である。
受信時には、送信器１４1で励振された超音波探触子Ｅ1、Ｅ2で受信された信号が各遅延線２４1を経由して受信器１６1に入力され、送信器１４8で励振された超音波探触子Ｅ15、Ｅ16で受信された信号が各遅延線２４8を経由して受信器１６8に入力される。各遅延線２４1〜２４8は、各々τずつずれた遅延時間を持ち、２４8の遅延量に比べ２４1の遅延時間は７τ多くなっている。これら遅延線２４1〜２４8を経由した信号を加算器２０で加算する事で、超音波探触子Ｅの正面方向からθずれた方向から入射してくる超音波を効率よく受信することができる。
【００３１】
このように超音波ビームを角度θだけ管軸方向に傾けて照射すると図８に示すように超音波は管壁１を管軸方向に伝搬するので、管壁１の周方向に走っている亀裂のような欠陥を感度良く検知できるようになる。
以上の動作を次の組、例えば超音波探触子Ｅ13〜Ｅ28（超音波探触子Ｅ13〜超音波探触子Ｅ16が重複して使用される）に対して行えば、別の超音波ビームを照射することができ、そして、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅が組毎の切り替えの送りピッチと等しいか、やや上回るようにすれば、隣合う組の境界に対応する探傷領域でも音場強度の低下が少なく、欠陥検出性能が保証される。
【００３２】
また、超音波探触子の正面方向に超音波を伝搬させる場合には、送信タイミング制御器２２からのトリガ信号を同時に複数の送信器１４1，・・・１４8へ送ることにより１つの組に属する超音波探触子Ｅを同時に励振する。受信時には、切り替え器１８が各超音波探触子Ｅとバイパス回路２６1・・・２６8とを接続すれば、バイパス回路２６1・・・２６8を経由して受信器１６1・・・１６8に入力された信号を加算器２０で加算する事で、超音波探触子の正面方向から入射してくる超音波を効率よく受信することができ、前例で述べた周方向の探傷を行うことができる。
【００３３】
このように、超音波の伝搬方向を適宜選択することができるので、ある時には周方向伝搬用、次の機会には軸方向伝搬用として交互に繰り返すことによって、１つの配列形超音波探触子によって周方向と軸方向の２つの探傷を兼用させることができる。さらに、管壁全体を探傷するためには、管を回転しながら前進させるか、あるいは配列形超音波探触子を回転させながら管を前進させればよい。
【００３４】
周方向伝搬用と軸方向伝搬用とを交互に繰り返す方法としては、例えば、１つの組に対して、軸方向伝搬用として使用した後、同じ組で周方向伝搬用として使用し（この順序はどちらでもよい）、次に隣合う組に対して軸方向伝搬用そして周方向伝搬用として２度連続して使用する方法が考えられる。また別の方法としては、１つの組に対して軸方向伝搬用として使用した後、順次隣合う組に対して軸方向伝搬用として使用し、すべての組に対して軸方向伝搬用として使用した後、最初の組に戻って周方向伝搬用として使用し、順次隣合う組に対して周方向伝搬用として使用する方法等が考えられる。
【００３５】
尚、図７において、さらに、図４のような送信感度または受信感度の重み付けを行うと良い。
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
前述の各例では、超音波探触子の配列ピッチｄは、その励振ピッチｎｄが基本的にｎｄ＜λ／２（λは超音波の波長）の関係を満たすことが望ましく、この条件を満足することによって、複数の超音波探触子から出力される各超音波の位相が主方向（即ち、超音波探触子の正面方向、または第３の実施の形態にあっては超音波探触子の正面方向からθずれた方向または超音波探触子の正面方向）に沿ってのみ一致するように構成することができる。本例では、この条件を敢えて外して、超音波探触子の正面方向及び正面方向からθ0ずれた方向の両方に超音波ビームを伝搬させることによって、一度に周方向伝搬と軸方向伝搬を行わせるようにしたものである。
【００３６】
本例に使用される超音波探傷装置の概略ブロック図を図９に示す。図９において、切り替え器１８の受信用端子は、遅延線２４1・・・２４8を介して受信器１６11，・・・１６81（第１受信器群）に接続されると共に、遅延線なしに受信器１６12，・・・１６82に接続される。受信器１６11，・・・１６81の出力は加算器２０1で加算され、受信器１６12，・・・１６82（第２受信器群）の出力は加算器２０2で加算される。
【００３７】
第３の実施の形態と同様に、送信タイミング制御器２２は一定の時間間隔τずつずらして複数の送信器１４1，・・・１４8（１４8から順に遅延させる）へトリガ信号を送ることにより送信のタイミングを制御し、超音波探触子Ｅの励振タイミングをτずつずらす。
このとき、τと超音波探触子の配列ピッチｄと、同時に励振させる超音波探触子Ｅの個数ｎとの間に、
【００３８】
【数２】
Ｃ・τ＝ｎｄ・ｓｉｎθ0＝λ
が満足されれば、超音波探触子の正面方向及び超音波探触子の正面方向からθ0ずれた方向に超音波ビームを伝搬させることができる。図１０を用いてこれを詳細に説明すると、１組の超音波探触子を模式的にｎｄの配列ピッチで並んだ音源と考えると、第１の音源からの波ｆ1及び第２の音源からの波ｆ2は、
【００３９】
【数３】
ｆ1＝sin｛ωｔ−ｋx・ｘ−ｋy・（ｙ−ｎｄ）｝
ｆ2＝sin｛ω（ｔ＋τ）−ｋx・ｘ−ｋy・ｙ｝
のように表される。超音波探触子の正面方向（ｘ軸）からθ0ずれた方向へ超音波を伝搬させるためには、θ0ずれた方向に垂直な線ｇ上で各波の位相が一致しなければならないから、
【００４０】
【数４】
ωτ−ｋx・ｘ2−ｋy・ｙ2＝−ｋx・ｘ1−ｋy・ｙ1＋ｋy・ｎｄ （１）
（ｘ2−ｘ1）／（ｙ2−ｙ1）＝−tanθ0 （２）
但し、ｋx＝ｋ・cosθ0，ｋy＝ｋ・sinθ0 （３）
が成り立ち、これら（２）、（３）式を用いて（１）を変形すると、
【００４１】
【数５】
ωτ＝ｋ・sinθ0・ｎｄ （４）
となり、さらに、
【００４２】
【数６】
ω／ｋ＝Ｃ
であるので、（４）式は、
【００４３】
【数７】
Ｃτ＝ｎｄ・sinθ0 （５）
となる。
次に、超音波探触子の正面方向へ超音波を伝搬させるためには、ｙ軸と平行な線上で各波の位相が一致しなければならないから、
【００４４】
【数８】
ωτ−ｋx・ｘ2−ｋy・ｙ2＝−ｋx・ｘ1−ｋy・（ｙ1−ｎｄ）＋２π （６）
ｘ1＝ｘ2 （７）
ｙ2−ｙ1＝−ｎｄ （８）
ｋx＝ｋ、ｋy＝０ （９）
が成り立つ。ここで（６）式中の２πは、ｆ1とｆ2との間で２πの位相のずれがあることを表している。以上の式より、
【００４５】
【数９】
ωτ＝２π （１０）
となり、（１０）式は、
【００４６】
【数１０】
Ｃτ＝λ （１１）
となる。
従って、（５）式及び（１１）式を満足するようなτ及びｎｄは次式となる。
【００４７】
【数１１】
ｎｄ＝λ／sinθ0 （１２）
このような励振ピッチｐ＝ｎｄを選択したときに、超音波探触子の正面方向及び超音波探触子の正面方向からθ0ずれた方向に超音波ビームを伝搬させることができる。
【００４８】
受信時には、送信器１４1で励振された超音波探触子Ｅ1、Ｅ2で受信された信号が各遅延線２４1を経由して受信器１６11に入力され、順次、送信器１４8で励振された超音波探触子Ｅ15、Ｅ16で受信された信号が各遅延線２４8を経由して受信器１６81に入力される。各遅延線２４1〜２４8は、各々τずつずれた遅延時間を持ち、２４8の遅延量に比べ２４1の遅延時間は７τ多くなっている。即ち、受信器１６11〜１６81は、超音波探触子Ｅ1・・・Ｅ16で受信された信号をピッチｐ＝ｎｄで受信することになり、これら受信器１６11〜１６81からの出力を加算器２０1で加算する事で、超音波探触子Ｅの正面方向からθ0ずれた方向から入射してくる超音波及び超音波探触子Ｅの正面方向から入射してくる超音波を受信することができる。同時に、超音波探触子Ｅ1、Ｅ2で受信された信号が遅延されずに受信器１６12に入力され、超音波探触子Ｅ15、Ｅ16で受信された信号が遅延されずに受信器１６82に入力される。即ち、受信器１６12〜１６82は、超音波探触子Ｅ1・・・Ｅ16で受信された信号をピッチｐ＝ｄで受信することになり、これら受信器１６12〜１６82からの出力を加算器２０2で加算する事で、超音波探触子の正面方向から入射してくる超音波のみを受信する。
【００４９】
従って、加算器２０1の出力と加算器２０2の出力を差引回路３０で差し引くことで、超音波探触子Ｅの正面方向からθ0ずれた方向から入射してくる超音波のみを弁別することができる。尚、この際に加算器２０1の出力と加算器２０2の出力では、同じ超音波探触子の正面方向から入射してくる超音波に対応する信号について強度差が生じるので、信号同士の差引を行う際には、予め求めておいた係数を一方に乗算した後差し引くと良い。差引回路３０は、ハードウエアでもソフトウエアで構成することも可能である。
【００５０】
尚、図９において、さらに、図４のような送信感度または受信感度の重み付けを行うことも可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または６記載の発明によれば、ある組に属する超音波探触子とその隣合う組に属する超音波探触子によってそれぞれ探傷される領域の境界において音場強度の低下がなくなり、従って欠陥検出性能の低下を防止することができると共に、センサーの配置長さを半減化できる。
【００５２】
また、請求項２または７記載の発明によれば、１つの組に属する一定数の超音波探触子によって得られる超音波ビームの音場強度をその実効ビーム幅範囲内で平坦にすることができる。
また、請求項３、４、８または９記載の発明によれば、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷ができるので、部品点数を減少でき、また設置スペースも余裕を持たせることができる。
【００５３】
また、請求項５または１０記載の発明によれば、一度に超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を送受信することができるので、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷を兼用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の超音波探触子の組の切り替えについての具体的な説明図である。
【図３】第１の実施の形態によって得られる音場強度の計算例である。
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図５】第２の実施の形態における受信利得の重み付け量の一例を示す図である。
【図６】第２の実施の形態によって得られる音場強度の計算例である。
【図７】本発明の第３の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における超音波伝搬を示す説明図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態における超音波伝搬を示す説明図である。
【図１１】（ａ）は従来の超音波探傷装置の超音波探触子を示す斜視図であり、（ｂ）はその超音波の伝搬を示す断面図である。
【図１２】従来の軸方向伝搬用の超音波探触子を示す説明図である。
【図１３】図１１における超音波探触子の面から約３０ｍｍ離れている所での音場強度を模擬的に示したものである。
【符号の説明】
Ｅ（Ｅi） 超音波探触子
１６ i1 第１受信器群
１６ i2 第２受信器群
１４（１４i） 送信器
１６（１６i） 受信器
１８ 切り替え器
２４（２４i） 遅延線
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管等の被検体の超音波自動探傷システムに利用される超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の超音波自動探傷システムとしては、図１１に示すようなものがあり、このシステムでは、回転しながら軸方向（矢印）に移動する鋼管に対して、軸方向に１列に配列された４個の超音波探触子２（２1、２2、２3、２4）を使用して探傷している。ここで、符号２2の超音波探触子によって探傷される領域は網目模様が付された帯状の螺旋の領域であり、４個の超音波探触子２を軸方向に配列させる事で鋼管の全面を探傷できるようにしている。各超音波探触子２から送信される超音波は図１１（ｂ）に示すように主として管壁１内を周方向に伝搬し、主に管壁１の管軸方向に走っている亀裂の様な欠陥に対して反射され、この反射波を超音波探触子で受信することにより欠陥を検知している。
【０００３】
また、管壁１の周方向に走っている亀裂のような欠陥を感度良く検知するためには、図１２に示したように、複数の超音波探触子３（３1、３2、３3、３4）を管軸を含む面内において予め傾けて設置し、超音波を管壁１の管軸方向に伝搬させている。
従って、周方向及び軸方向の両方に超音波を伝搬させるためには、図１１の周方向伝搬用の複数の超音波探触子２と、図１２の軸方向伝搬用の複数の超音波探触子３を目的別に別々に用意していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような超音波探傷方法及び装置では、隣合う超音波探触子が形成する音場の境界で音場強度が低下し、検出感度の低下を来すという問題がある。即ち、図１３は超音波探触子２の面から約３０ｍｍ離れている所での音場強度を模擬的に示しているが、例えば超音波探触子の幅を１５ｍｍとすると、隣合う超音波探触子の境界では超音波探触子の中央部分で形成される音場強度に対して１０ｄＢ近く低くなっている。
【０００５】
一般に超音波探触子の近くに形成される近距離音場では、実効ビーム幅（超音波探触子の中央部分で得られる音場強度のピーク値に対してレベルが３ｄＢ低下するまでの幅と定義する）が超音波探触子１個の幅より小さくなってしまうので、従来の方法では隣合う超音波探触子の境界の音場強度の低下が避けられない。これにより、隣合う超音波探触子の境界に対応する探傷領域が螺旋状に細く抜け落ちるという問題があり、この境界に相当する領域にセンサーを増設して対応している。
【０００６】
また、従来の方法では、周方向及び軸方向の両方の探傷を行うためには、周方向伝搬用の複数の超音波探触子と、軸方向伝搬用の複数の超音波探触子を狭い空間内にそれぞれ設置しなければならず、その設置に手間がかかると共に部品点数も増加するため、コストも高くなるという問題があった。
本発明はかかる問題点に鑑みなされたもので、従来のような音場強度の低下のない超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、同じ配列形超音波探触子を用いて周方向及び軸方向の両方の探傷を兼用できる超音波探傷装置及び超音波探傷方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のうち請求項１記載の超音波探傷方法では、
一直線上に配列されている複数の超音波探触子を、一定数の連続する超音波探触子によって構成される組ごとに使用し、
任意の組とその隣合う組に属する超音波探触子のうち必ず１個以上の超音波探触子が重複するようにして前記組を配列方向に沿って順次切り替えて、１つの組に属する超音波探触子群の幅が前記切り替えの送りピッチよりも大きくなるようにし、且つ、前記切り替えの送りピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さとすると共に、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るようにする、
ことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のうち請求項２記載の超音波探傷方法では、請求項１記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に組の両端部に位置する１個以上の超音波探触子の送信感度または受信感度を低下させる重み付けを行うことを特徴とする。
また、本発明のうち請求項３記載の超音波探傷方法では、請求項１または２記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームを送受信する方法と、
該組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にして、超音波探触子の正面方向の超音波ビームを送受信する方法と、
のいずれか一方の方法を適宜選択して行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のうち請求項４記載の超音波探傷方法では、請求項１または２記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、同じ組の超音波探触子を２度連続して使用し、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームを送受信する方法と、
該組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にして、超音波探触子の正面方向の超音波ビームを送受信する方法と、
の両方の方法をいずれか一方を先にして連続して行うことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のうち請求項５記載の超音波探傷方法では、請求項１または２記載のものにおいて、前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させて励振ピッチｐがｐ＝λ／sinθ0（λは超音波の波長）を満足するようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を同時に送信し、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に受信のタイミングをピッチｐで遅延させて超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を受信すると共に、該組に属する超音波探触子の受信のタイミングをすべて同時にして超音波探触子の正面方向の超音波ビームを受信する、
ことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のうち請求項６記載の超音波探傷装置では、
一直線上に配列されている複数の超音波探触子と、
前記複数の超音波探触子を励振させる送信器と、
前記複数の超音波探触子からの信号を受信する受信器と、
前記複数の超音波探触子と前記送信器及び前記複数の超音波探触子と前記受信器との接続を切り替える切り替え器とを備え、
前記切り替え器は、一定数の連続する超音波探触子によって構成される組ごとに前記複数の超音波探触子を前記送信器及び前記受信器に接続し、任意の組とその隣合う組に属する超音波探触子のうち必ず１個以上の超音波探触子が重複するようにして前記組を配列方向に沿って順次切り替えて、１つの組に属する超音波探触子群の幅が前記切り替えの送りピッチよりも大きくなるようにし、且つ、前記切り替えの送りピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さとすると共に、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るように切り替えを行う、
ことを特徴とする。
【００１３】
本発明のうち請求項７記載の超音波探傷装置では、請求項６記載の前記送信器または前記受信器において、組の両端部に位置する１個以上の超音波探触子の送信感度または受信感度を低下させる重み付けを行うことを特徴とする。
本発明のうち請求項８記載の超音波探傷装置では、請求項６または７記載のものにおいて、前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させるように送信器に接続すると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるように受信器に接続する場合と、該組に属する超音波探触子を同時に励振させるように送信器に接続すると共に受信のタイミングを同時にさせるように受信器に接続する場合と、いずれか一方の場合を適宜選択して接続することを特徴とする。
【００１４】
本発明のうち請求項９記載の超音波探傷装置では、請求項６または７記載のものにおいて、前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させるように送信器に接続すると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるように受信器に接続する場合と、該組に属する超音波探触子を同時に励振させるように送信器に接続すると共に受信のタイミングを同時にさせるように受信器に接続する場合と、の両方の場合をいずれか一方を先にして連続して行うように接続することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明のうち請求項１０記載の超音波探傷装置では、請求項６または７記載のものにおいて、前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させて励振ピッチｐがｐ＝λ／sinθ0（λは超音波の波長）を満足するように送信器に接続して超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を同時に送信させ、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に受信のタイミングをピッチｐで遅延させるように複数の受信器の中の第１受信器群に接続して超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を受信させると共に、該組に属する超音波探触子の受信のタイミングをすべて同時になるように複数の受信器の中の第２受信器群に接続して超音波探触子の正面方向の超音波ビームを受信させることを特徴とする。
【００１６】
請求項１または６記載の発明では、組の切り替えの送りピッチを１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るようにするために、ある組に属する超音波探触子とその隣合う組に属する超音波探触子によってそれぞれ探傷される領域の境界において音場強度の低下が少なくなり、従って欠陥検出性能を保証することができる。
【００１７】
また、請求項２または７記載の発明では、重み付けを行うことで、１つの組に属する一定数の超音波探触子によって得られる超音波ビームの音場強度をその実効ビーム幅範囲内で平坦にすることができる。
また、請求項３、４または８、９記載の発明では、１つの組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにすることで、超音波探触子の正面から所定角度ずれた方向へ超音波を伝搬させることができると共に、所定角度ずれた方向から入射してくる超音波を効率良く受信することができるので、鋼管等の軸方向伝搬用として使用することができる。また、１つの組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にさせることにより、超音波探触子の正面方向に伝搬する超音波を用いて円周方向の入射角度を機械的に与えることで鋼管等の周方向伝搬用として使用することができる。従って、これらを適宜選択することにより、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷ができる。
【００１８】
また、請求項５または１０記載の発明では、一度に超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を送受信することができるので、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷ができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の配列形超音波探触子を用いた超音波探傷方法または、本発明の超音波探傷方法に使用される超音波探傷装置を示す概略ブロック図であり、超音波探傷装置は配列形超音波探触子及びその送受信回路を備えている。
【００２０】
図１に示したように、本例の超音波探傷装置は、非常に小さい幅の細長い短冊状の超音波探触子Ｅ1，Ｅ2、・・・Ｅnを多数配列しており、後で詳述するように、切り替え器１８によって一定数（ｊ個）の組毎に使用される。
各超音波探触子の各組は、それぞれ送受信回路１０に接続される。送受信回路１０は、主制御器１２と、主制御器１２からのトリガ信号により送信パルスを送出する送信器１４と、超音波探触子Ｅからの受信信号を受信し増幅する受信器１６と、主制御器１２からの制御信号によって切り替え動作を行う切り替え器１８と、を備える。
【００２１】
以上のように構成された超音波探傷装置において、切り替え器１８は、複数の超音波探触子Ｅ1，Ｅ2、・・・Ｅnを一定数（ｊ個）の組毎に使用するように、送信器１４と超音波探触子の組との接続及び受信器１６と超音波探触子の組との接続を切り替える。このとき、例えば超音波探触子Ｅ1〜Ｅjによって構成される１つの組に隣合う組は超音波探触子Ｅi〜Ｅi+j-1で構成されるように、必ずそれらの組の境界部分にある１個以上の超音波探触子Ｅi〜Ｅjが重複して使用されるように切り替える。
【００２２】
図２は、具体的な超音波探触子の組の切り替えと、各組によって形成される音場の様子を示しており、細長い箱の中に書いた数字は使用している超音波探触子の番号を示している。図２は、幅０．２２mmの超音波探触子を５０４個一直線上に配列した場合のものであり、従来例で説明した１５mmと同程度の実効ビーム幅を得ようとするために、各組に属する超音波探触子群の幅Ｗが約２０mm程度になるように、１つの組を９６個の連続する超音波探触子によって構成している。そして、その隣合う組の超音波探触子群の幅Ｗも約２０mm程度になるよう、９６個の連続する超音波探触子で構成し、切り替えの送りピッチ、即ち送受信の送りピッチを実効ビーム幅と等しいか、やや下回る１５mm程度になるように、重複して用いられる超音波探触子の幅を５mm程度（即ち、２８個の超音波探触子（６９番〜９６番）を重複して用いる）としている。さらに次次回に使用する超音波探触子群の幅も２０mm（９６個）で重複する超音波探触子の幅を５mm（１３７番〜１６４番）とし、これを繰り返している。
【００２３】
図３に図２の例における９６個の超音波探触子を１組にして送受信を行った場合に得られる超音波探触子の面から約３０ｍｍ離れている所での音場強度の計算例を示す。この場合、実効ビーム幅は１８mmと広いものが得られる。従って、送りピッチが１５mmであれば、実効ビーム幅が送りピッチよりやや上回るようにすることができ、従って、ある組とその隣合う組に属する超音波探触子によってそれぞれ探傷される領域の境界において音場強度の低下が少なくなり、従って欠陥検出性能を保証することができる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
前例で示した図３の結果は、それ自体十分な性能であるが、両端に音場強度がやや強くオーバーシュートしている部分があり、音場の平坦性が少し損なわれている。そこで、本例では、１組の超音波探触子群の両端の数個の超音波探触子の受信感度を低下させる重み付けをすることにより、平坦な音場分布を得るようにしたものである。本例に使用される超音波探傷装置の概略ブロック図を図４に示す。図４の装置では、１回に使用する（即ち１組の）超音波探触子に対応した数の異なる利得で増幅する受信器１６1，・・・１６jを備えており、各受信器１６1，・・・１６jは各超音波探触子からの信号を増幅し、それらの出力が加算器２０によって加算される。尚、図１と同一の部品には同一の符号を付している。
【００２５】
図５に、１組９６個の超音波探触子に対する受信利得の重み付け量の一例を示し、図６に、この重み付け量を用いた場合に得られる音場強度の計算例を示す。図６では、実効ビーム幅は１６mm近くあり、図３において両端に現れたリップルが小さくなり、非常に平坦な音場分布が得られることが分かる。
本例では、重み付けを受信の際の利得において行ったが、これに限るものではなく、送信の際の励振振幅に重み付けをすることももちろん考えられる。この場合には、複数の受信器を設ける代わりに、複数の送信器を１回で使用する超音波探触子に対応して設け、１組の超音波探触子群の両端の数個の超音波探触子の励振振幅を低下させる重み付けを行えばよい。
【００２６】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
前例では、超音波探触子の正面方向に超音波を伝搬させるのに適した超音波探傷装置について説明したが、本例はその方向のみならず、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波を伝搬させることができるものであり、周方向及び軸方向の両方の探傷を兼用できるようにしたものである。
【００２７】
本例に使用される超音波探傷装置の概略ブロック図を図７に示す。図７において、２２は送信タイミング制御器、１４1，・・・１４8は送信器、１６1，・・・１６8は受信器、２４1，・・・２４8は切り替え器１８と受信器１６1，・・・１６8との間に配された遅延線であり、２６1，・・・２６8は切り替え器１８と受信器１６1，・・・１６8を直接接続するバイパス回路である。本例では、切り替え器１８は、主制御器１２からの制御信号によって、１組の超音波探触子の送受信において、各送信器１４が２つの隣合う超音波探触子を励振した後に２つの隣合う超音波探触子からの受信信号が各遅延線２４を経由してまたは各バイパス回路２６を経由して各受信器１６へ送られるように、切り替え器１８の接点を接続する。
【００２８】
まず、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波を伝搬させる場合について説明すると、送信タイミング制御器２２は一定の時間間隔τずつずらして複数の送信器１４1，・・・１４8（１４8から順に遅延させる）へトリガ信号を送ることにより送信のタイミングを制御し、超音波探触子Ｅの励振タイミングをτずつずらす。
【００２９】
今、超音波探触子Ｅ1からＥ16によって１組の超音波探触子群が構成され、この組の送受信を行うものとすると、送信器１４1は超音波探触子Ｅ1、Ｅ2を、送信器１４2は超音波探触子Ｅ3、Ｅ4を、送信器１４8は超音波探触子Ｅ15、Ｅ16をそれぞれ励振する。従って、超音波探触子Ｅ15、Ｅ16が最初に励振されてから７τ遅れて超音波探触子Ｅ1、Ｅ2が励振される事となる。こうすることによって、送信された超音波の波面は超音波探触子Ｅの正面方向から一定角度θずれた方向へ伝搬するように形成される。このとき、角度θと時間遅れτとは次の関係になる。
【００３０】
【数１】
Ｃ・τ＝ｎｄ・ｓｉｎθ
ここで、Ｃは媒体の音速、ｄは超音波探触子の配列ピッチ、ｎは同時に励振させる超音波探触子Ｅの個数であり、この例ではｎ＝２である。
受信時には、送信器１４1で励振された超音波探触子Ｅ1、Ｅ2で受信された信号が各遅延線２４1を経由して受信器１６1に入力され、送信器１４8で励振された超音波探触子Ｅ15、Ｅ16で受信された信号が各遅延線２４8を経由して受信器１６8に入力される。各遅延線２４1〜２４8は、各々τずつずれた遅延時間を持ち、２４8の遅延量に比べ２４1の遅延時間は７τ多くなっている。これら遅延線２４1〜２４8を経由した信号を加算器２０で加算する事で、超音波探触子Ｅの正面方向からθずれた方向から入射してくる超音波を効率よく受信することができる。
【００３１】
このように超音波ビームを角度θだけ管軸方向に傾けて照射すると図８に示すように超音波は管壁１を管軸方向に伝搬するので、管壁１の周方向に走っている亀裂のような欠陥を感度良く検知できるようになる。
以上の動作を次の組、例えば超音波探触子Ｅ13〜Ｅ28（超音波探触子Ｅ13〜超音波探触子Ｅ16が重複して使用される）に対して行えば、別の超音波ビームを照射することができ、そして、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅が組毎の切り替えの送りピッチと等しいか、やや上回るようにすれば、隣合う組の境界に対応する探傷領域でも音場強度の低下が少なく、欠陥検出性能が保証される。
【００３２】
また、超音波探触子の正面方向に超音波を伝搬させる場合には、送信タイミング制御器２２からのトリガ信号を同時に複数の送信器１４1，・・・１４8へ送ることにより１つの組に属する超音波探触子Ｅを同時に励振する。受信時には、切り替え器１８が各超音波探触子Ｅとバイパス回路２６1・・・２６8とを接続すれば、バイパス回路２６1・・・２６8を経由して受信器１６1・・・１６8に入力された信号を加算器２０で加算する事で、超音波探触子の正面方向から入射してくる超音波を効率よく受信することができ、前例で述べた周方向の探傷を行うことができる。
【００３３】
このように、超音波の伝搬方向を適宜選択することができるので、ある時には周方向伝搬用、次の機会には軸方向伝搬用として交互に繰り返すことによって、１つの配列形超音波探触子によって周方向と軸方向の２つの探傷を兼用させることができる。さらに、管壁全体を探傷するためには、管を回転しながら前進させるか、あるいは配列形超音波探触子を回転させながら管を前進させればよい。
【００３４】
周方向伝搬用と軸方向伝搬用とを交互に繰り返す方法としては、例えば、１つの組に対して、軸方向伝搬用として使用した後、同じ組で周方向伝搬用として使用し（この順序はどちらでもよい）、次に隣合う組に対して軸方向伝搬用そして周方向伝搬用として２度連続して使用する方法が考えられる。また別の方法としては、１つの組に対して軸方向伝搬用として使用した後、順次隣合う組に対して軸方向伝搬用として使用し、すべての組に対して軸方向伝搬用として使用した後、最初の組に戻って周方向伝搬用として使用し、順次隣合う組に対して周方向伝搬用として使用する方法等が考えられる。
【００３５】
尚、図７において、さらに、図４のような送信感度または受信感度の重み付けを行うと良い。
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。
前述の各例では、超音波探触子の配列ピッチｄは、その励振ピッチｎｄが基本的にｎｄ＜λ／２（λは超音波の波長）の関係を満たすことが望ましく、この条件を満足することによって、複数の超音波探触子から出力される各超音波の位相が主方向（即ち、超音波探触子の正面方向、または第３の実施の形態にあっては超音波探触子の正面方向からθずれた方向または超音波探触子の正面方向）に沿ってのみ一致するように構成することができる。本例では、この条件を敢えて外して、超音波探触子の正面方向及び正面方向からθ0ずれた方向の両方に超音波ビームを伝搬させることによって、一度に周方向伝搬と軸方向伝搬を行わせるようにしたものである。
【００３６】
本例に使用される超音波探傷装置の概略ブロック図を図９に示す。図９において、切り替え器１８の受信用端子は、遅延線２４1・・・２４8を介して受信器１６11，・・・１６81（第１受信器群）に接続されると共に、遅延線なしに受信器１６12，・・・１６82に接続される。受信器１６11，・・・１６81の出力は加算器２０1で加算され、受信器１６12，・・・１６82（第２受信器群）の出力は加算器２０2で加算される。
【００３７】
第３の実施の形態と同様に、送信タイミング制御器２２は一定の時間間隔τずつずらして複数の送信器１４1，・・・１４8（１４8から順に遅延させる）へトリガ信号を送ることにより送信のタイミングを制御し、超音波探触子Ｅの励振タイミングをτずつずらす。
このとき、τと超音波探触子の配列ピッチｄと、同時に励振させる超音波探触子Ｅの個数ｎとの間に、
【００３８】
【数２】
Ｃ・τ＝ｎｄ・ｓｉｎθ0＝λ
が満足されれば、超音波探触子の正面方向及び超音波探触子の正面方向からθ0ずれた方向に超音波ビームを伝搬させることができる。図１０を用いてこれを詳細に説明すると、１組の超音波探触子を模式的にｎｄの配列ピッチで並んだ音源と考えると、第１の音源からの波ｆ1及び第２の音源からの波ｆ2は、
【００３９】
【数３】
ｆ1＝sin｛ωｔ−ｋx・ｘ−ｋy・（ｙ−ｎｄ）｝
ｆ2＝sin｛ω（ｔ＋τ）−ｋx・ｘ−ｋy・ｙ｝
のように表される。超音波探触子の正面方向（ｘ軸）からθ0ずれた方向へ超音波を伝搬させるためには、θ0ずれた方向に垂直な線ｇ上で各波の位相が一致しなければならないから、
【００４０】
【数４】
ωτ−ｋx・ｘ2−ｋy・ｙ2＝−ｋx・ｘ1−ｋy・ｙ1＋ｋy・ｎｄ （１）
（ｘ2−ｘ1）／（ｙ2−ｙ1）＝−tanθ0 （２）
但し、ｋx＝ｋ・cosθ0，ｋy＝ｋ・sinθ0 （３）
が成り立ち、これら（２）、（３）式を用いて（１）を変形すると、
【００４１】
【数５】
ωτ＝ｋ・sinθ0・ｎｄ （４）
となり、さらに、
【００４２】
【数６】
ω／ｋ＝Ｃ
であるので、（４）式は、
【００４３】
【数７】
Ｃτ＝ｎｄ・sinθ0 （５）
となる。
次に、超音波探触子の正面方向へ超音波を伝搬させるためには、ｙ軸と平行な線上で各波の位相が一致しなければならないから、
【００４４】
【数８】
ωτ−ｋx・ｘ2−ｋy・ｙ2＝−ｋx・ｘ1−ｋy・（ｙ1−ｎｄ）＋２π （６）
ｘ1＝ｘ2 （７）
ｙ2−ｙ1＝−ｎｄ （８）
ｋx＝ｋ、ｋy＝０ （９）
が成り立つ。ここで（６）式中の２πは、ｆ1とｆ2との間で２πの位相のずれがあることを表している。以上の式より、
【００４５】
【数９】
ωτ＝２π （１０）
となり、（１０）式は、
【００４６】
【数１０】
Ｃτ＝λ （１１）
となる。
従って、（５）式及び（１１）式を満足するようなτ及びｎｄは次式となる。
【００４７】
【数１１】
ｎｄ＝λ／sinθ0 （１２）
このような励振ピッチｐ＝ｎｄを選択したときに、超音波探触子の正面方向及び超音波探触子の正面方向からθ0ずれた方向に超音波ビームを伝搬させることができる。
【００４８】
受信時には、送信器１４1で励振された超音波探触子Ｅ1、Ｅ2で受信された信号が各遅延線２４1を経由して受信器１６11に入力され、順次、送信器１４8で励振された超音波探触子Ｅ15、Ｅ16で受信された信号が各遅延線２４8を経由して受信器１６81に入力される。各遅延線２４1〜２４8は、各々τずつずれた遅延時間を持ち、２４8の遅延量に比べ２４1の遅延時間は７τ多くなっている。即ち、受信器１６11〜１６81は、超音波探触子Ｅ1・・・Ｅ16で受信された信号をピッチｐ＝ｎｄで受信することになり、これら受信器１６11〜１６81からの出力を加算器２０1で加算する事で、超音波探触子Ｅの正面方向からθ0ずれた方向から入射してくる超音波及び超音波探触子Ｅの正面方向から入射してくる超音波を受信することができる。同時に、超音波探触子Ｅ1、Ｅ2で受信された信号が遅延されずに受信器１６12に入力され、超音波探触子Ｅ15、Ｅ16で受信された信号が遅延されずに受信器１６82に入力される。即ち、受信器１６12〜１６82は、超音波探触子Ｅ1・・・Ｅ16で受信された信号をピッチｐ＝ｄで受信することになり、これら受信器１６12〜１６82からの出力を加算器２０2で加算する事で、超音波探触子の正面方向から入射してくる超音波のみを受信する。
【００４９】
従って、加算器２０1の出力と加算器２０2の出力を差引回路３０で差し引くことで、超音波探触子Ｅの正面方向からθ0ずれた方向から入射してくる超音波のみを弁別することができる。尚、この際に加算器２０1の出力と加算器２０2の出力では、同じ超音波探触子の正面方向から入射してくる超音波に対応する信号について強度差が生じるので、信号同士の差引を行う際には、予め求めておいた係数を一方に乗算した後差し引くと良い。差引回路３０は、ハードウエアでもソフトウエアで構成することも可能である。
【００５０】
尚、図９において、さらに、図４のような送信感度または受信感度の重み付けを行うことも可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または６記載の発明によれば、ある組に属する超音波探触子とその隣合う組に属する超音波探触子によってそれぞれ探傷される領域の境界において音場強度の低下がなくなり、従って欠陥検出性能の低下を防止することができると共に、センサーの配置長さを半減化できる。
【００５２】
また、請求項２または７記載の発明によれば、１つの組に属する一定数の超音波探触子によって得られる超音波ビームの音場強度をその実効ビーム幅範囲内で平坦にすることができる。
また、請求項３、４、８または９記載の発明によれば、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷ができるので、部品点数を減少でき、また設置スペースも余裕を持たせることができる。
【００５３】
また、請求項５または１０記載の発明によれば、一度に超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を送受信することができるので、１つの配列形超音波探触子によって２つの方向の探傷を兼用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図２】図１の超音波探触子の組の切り替えについての具体的な説明図である。
【図３】第１の実施の形態によって得られる音場強度の計算例である。
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図５】第２の実施の形態における受信利得の重み付け量の一例を示す図である。
【図６】第２の実施の形態によって得られる音場強度の計算例である。
【図７】本発明の第３の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における超音波伝搬を示す説明図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態にかかる超音波探傷装置を示す概略ブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態における超音波伝搬を示す説明図である。
【図１１】（ａ）は従来の超音波探傷装置の超音波探触子を示す斜視図であり、（ｂ）はその超音波の伝搬を示す断面図である。
【図１２】従来の軸方向伝搬用の超音波探触子を示す説明図である。
【図１３】図１１における超音波探触子の面から約３０ｍｍ離れている所での音場強度を模擬的に示したものである。
【符号の説明】
Ｅ（Ｅi） 超音波探触子
１６ i1 第１受信器群
１６ i2 第２受信器群
１４（１４i） 送信器
１６（１６i） 受信器
１８ 切り替え器
２４（２４i） 遅延線
Claims (10)
- 一直線上に配列されている複数の超音波探触子を、一定数の連続する超音波探触子によって構成される組ごとに使用し、
任意の組とその隣合う組に属する超音波探触子のうち必ず１個以上の超音波探触子が重複するようにして前記組を配列方向に沿って順次切り替えて、１つの組に属する超音波探触子群の幅が前記切り替えの送りピッチよりも大きくなるようにし、且つ、前記切り替えの送りピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さとすると共に、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るようにする、
ことを特徴とする配列形超音波探触子による超音波探傷方法。 - 前記超音波探触子を組ごとに使用する際に組の両端部に位置する１個以上の超音波探触子の送信感度または受信感度を低下させる重み付けを行うことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
- 前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームを送受信する方法と、
該組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にして、超音波探触子の正面方向の超音波ビームを送受信する方法と、
のいずれか一方の方法を適宜選択して行うことを特徴とする請求項１または２記載の超音波探傷方法。 - 前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、同じ組の超音波探触子を２度連続して使用し、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向の超音波ビームを送受信する方法と、
該組に属する超音波探触子を同時に励振させると共に受信のタイミングを同時にして、超音波探触子の正面方向の超音波ビームを送受信する方法と、
の両方の方法をいずれか一方を先にして連続して行うことを特徴とする請求項１または２記載の超音波探傷方法。 - 前記超音波探触子を組ごとに使用する際に、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させて励振ピッチｐがｐ＝λ／sinθ0（λは超音波の波長）を満足するようにし、超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を同時に送信し、
該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に受信のタイミングをピッチｐで遅延させて超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を受信すると共に、該組に属する超音波探触子の受信のタイミングをすべて同時にして超音波探触子の正面方向の超音波ビームを受信する、
ことを特徴とする請求項１または２記載の超音波探傷方法。 - 一直線上に配列されている複数の超音波探触子と、
前記複数の超音波探触子を励振させる送信器と、
前記複数の超音波探触子からの信号を受信する受信器と、
前記複数の超音波探触子と前記送信器及び前記複数の超音波探触子と前記受信器との接続を切り替える切り替え器とを備え、
前記切り替え器は、一定数の連続する超音波探触子によって構成される組ごとに前記複数の超音波探触子を前記送信器及び前記受信器に接続し、任意の組とその隣合う組に属する超音波探触子のうち必ず１個以上の超音波探触子が重複するようにして前記組を配列方向に沿って順次切り替えて、１つの組に属する超音波探触子群の幅が前記切り替えの送りピッチよりも大きくなるようにし、且つ、前記切り替えの送りピッチを、複数個の超音波探触子の幅分の長さとすると共に、１つの組によって照射される超音波の実効ビーム幅と等しいか、下回るように切り替えを行う、
ことを特徴とする配列形超音波探触子を用いた超音波探傷装置。 - 前記送信器または前記受信器において、組の両端部に位置する１個以上の超音波探触子の送信感度または受信感度を低下させる重み付けを行うことを特徴とする請求項６記載の超音波探傷装置。
- 前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させるように送信器に接続すると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるように受信器に接続する場合と、該組に属する超音波探触子を同時に励振させるように送信器に接続すると共に受信のタイミングを同時にさせるように受信器に接続する場合と、いずれか一方の場合を適宜選択して接続することを特徴とする請求項６または７記載の超音波探傷装置。 - 前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させるように送信器に接続すると共に配列方向に沿って順々に受信のタイミングを遅延させるように受信器に接続する場合と、該組に属する超音波探触子を同時に励振させるように送信器に接続すると共に受信のタイミングを同時にさせるように受信器に接続する場合と、の両方の場合をいずれか一方を先にして連続して行うように接続することを特徴とする請求項６または７記載の超音波探傷装置。 - 前記送信器及び前記受信器は、それぞれ複数の送信器及び複数の受信器から構成され、
前記切り替え器は、前記組ごとに前記複数の超音波探触子を前記複数の送信器及び前記複数の受信器に接続する際に、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に励振のタイミングを遅延させて励振ピッチｐがｐ＝λ／sinθ0（λは超音波の波長）を満足するように送信器に接続して超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を同時に送信させ、該組に属する超音波探触子の配列方向に沿って順々に受信のタイミングをピッチｐで遅延させるように複数の受信器の中の第１受信器群に接続して超音波探触子の正面方向から所定角度ずれた方向θ0の超音波ビームと超音波探触子の正面方向の超音波ビームの両方を受信させると共に、該組に属する超音波探触子の受信のタイミングをすべて同時になるように複数の受信器の中の第２受信器群に接続して超音波探触子の正面方向の超音波ビームを受信させることを特徴とする請求項６または７記載の超音波探傷装置。
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