JP4323293B2

JP4323293B2 - 超音波探傷装置

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Publication number: JP4323293B2
Application number: JP2003383411A
Authority: JP
Inventors: 友則木村; 幸一郎三須; 修三和高
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: JP2005147784A

Description

この発明は、固体と固体との接合部を非破壊に検査する超音波探傷装置に関するもので、特に、面状きずを検出する超音波探傷装置に関するものである。なお、試験体中に発生する音響的不連続部を「割れ」、「欠陥」などで呼ぶ場合があるが、本明細書においては、試験体中に発生する音響的不連続部を全て「きず」と呼ぶ。

この種の従来の超音波探傷装置を実現するための方法としては、例えばタンデム探傷法がある（例えば、非特許文献１参照）。

送信探触子から試験体の中に送信された超音波は、試験体の中にある面状きずで反射され、試験体の底面の方向へ伝搬する。底面で反射された超音波は、送信探触子と一定の距離間隔で設置された受信探触子で受信される。送信探触子と受信探触子を、一定の距離間隔を保ったままて平行に走査することにより、試験体中のきずを検出することができる。

しかし、通常のタンデム探傷法では、底面が複雑な形状の場合には、底面からの反射波が予想外の方向へ伝搬するので検出することは難しい。また、面状きずが試験体に対して垂直でなく、傾斜角を有する場合にも、検出困難となる。これらを回避するには、送信探触子と受信探触子との距離間隔を変えたり超音波が伝搬していく屈折角を変えたりする必要があるが、その都度、走査して検査を行う必要があるので、装置構成が複雑となり検査時間も膨大となる。

タンデム探傷法で検出困難な面状きずが存在する原因は、面状きずで反射される超音波が強い指向性を持つためである。すなわち、光が鏡に入射されたときと同様に鏡面反射のような状態となるので、超音波はある一定方向に強く反射する。このため、受信探触子で超音波を受信するための条件が制約される。

この問題を解決するための探傷法として、例えば散乱波法（ＴＯＦＤ法）がある（例えば、非特許文献２参照）。

このＴＯＦＤ法について説明する。送信探触子で送信された超音波は、試験体の中を伝搬し、面状きずに到達する。超音波は広がりながら伝搬するので、面状きずの上端部および下端部に超音波は照射される。面状きずの上端部および下端部では、散乱波と言われる微弱な超音波が発生する。散乱波は指向性が弱く、どの方向にもある程度伝搬していく。すなわち、受信探触子の方向にも散乱波が伝搬していく。

受信探触子では、面状きずの上端部および下端部からの散乱波を受信する。また、送信探触子および受信探触子を、水平および垂直に走査することにより、試験体中の面状きずを検出することができる。ＴＯＦＤ法は、上端部からの散乱波と下端部からの散乱波から、面状きずの寸法計測を行う方法であるが、傾斜した面状きずからのエコーも受信できるので、面状きずの検出にも適用できる。ＴＯＦＤ法のきず検出能力は高いという報告もある。

しかし、ＴＯＦＤ法は、２つの探触子の位置関係を固定したまま走査し、受信信号を画像化して面状きずを評価する方法であるので、送信探触子と受信探触子の２つの探触子を走査するスペースが必要である。また、底面の形状が平坦でなく複雑である場合には、面状きずからの微弱な散乱波と底面での反射波との区別がつきにくく、検出が困難となると考えられる。さらに、微弱な散乱波を感度良く受信できるよう、探傷装置のパラメータ設定を慎重に行う必要がある。

（社）日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、日刊工業新聞社、１９９２年１０月１５日発行、第１０１４頁−第１０１５頁（社）日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、日刊工業新聞社、１９９２年１０月１５日発行、第３３０頁

以上説明したように、タンデム探傷法では、面状きずの傾斜角が不明である場合や試験体の底面が複雑な形状である場合には、２つの探触子の間隔を変化させたり、探触子の屈折角を変化させたりする必要があるので、装置構成が複雑となり検査時間も膨大となる。

また、ＴＯＦＤ法では、２個の探触子を走査するスペースが無い場合や試験体底面の形状が複雑な場合には、面状きずを検出することが困難となる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、面状きずの傾斜角が不明な場合でも比較的簡単な装置構成で検出でき、２個の探触子を走査するスペースが無い場合や試験体底面の形状が複雑でも面状きずを検出することができる超音波探傷装置を得るものである。

この発明に係る超音波探傷装置は、送信信号によって励振され超音波を第１のタイミングで試験体の表面に対して第１の斜め方向に送信する第１の送信探触子と、前記送信信号によって励振され超音波を第２のタイミングで前記試験体の表面に対して第２の斜め方向に送信する第２の送信探触子と、前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信探触子と、前記試験体上の前記第１及び第２の送信探触子の間で前記受信探触子を走査させる走査機構部と、前記送信信号を発生し、前記発生した送信信号に基づいて前記第１の送信探触子を前記第１のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第１の受信信号を前記受信探触子の第１の位置情報と併せて記憶するとともに、前記発生した送信信号に基づいて前記第２の送信探触子を前記第２のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第２の受信信号を前記受信探触子の第２の位置情報と併せて記憶し、記憶された前記第１及び第２の受信信号、並びに前記第１及び第２の位置情報に基づいて、前記試験体中にある音響的不連続部の有無及び位置を判定する送受信装置とを設けたものである。

この発明に係る超音波探傷装置は、面状きずの傾斜角が不明な場合でも比較的簡単な装置構成で検出でき、２個の探触子を走査するスペースが無い場合や試験体底面の形状が複雑でも面状きずを検出することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置について図１から図４までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、本実施の形態１に係る超音波探傷装置は、試験体３の表面に設置された送信探触子１と、試験体３の表面に設置された受信探触子２と、試験体３の表面に設置された送信探触子６と、これら送信探触子１、６、及び受信探触子２を保持する走査機構部７と、送受信装置８とが設けられている。

また、送受信装置８は、走査機構部７及び以下の各部に接続され、走査機構部７及び各部の動作を司る制御部８１と、この制御部８１に接続されている信号発生部８２と、入力側が制御部８１及び信号発生部８２に接続され、出力側が送信探触子１及び６に接続されている送信部８３と、受信探触子２に接続されている受信部８４と、制御部８１及び受信部８４に接続されている信号処理部８５とから構成されている。

つぎに、この実施の形態１に係る超音波探傷装置の動作について図面を参照しながら説明する。

送受信装置８の制御部８１からの信号により、信号発生部８２では送信信号が作成され、送信部８３に送られる。この送信部８３では、送信信号を増幅し、送信探触子１を励振する。励振された送信探触子１は、試験体３中に超音波を送信する。この超音波は、試験体３の表面に対して受信探触子２がある方向へ斜めに伝搬するようにする。超音波は、面状きず４に到達すると反射され、試験体３の表面の方向に伝搬し、受信探触子２で受信される。受信探触子２で受信された受信信号は、受信部８４で増幅され、信号処理部８５へ送られる。信号処理部８５内には図示はしないがメモリが搭載されており、受信信号がメモリ内に保存される。

受信信号がメモリに保存された後、送信部８３は、送信探触子６を励振する。励振された送信探触子６は、試験体３中に超音波を送信する。この超音波は、送信探触子１で送信された超音波とは反対の角度を持つように、試験体３の表面に対して受信探触子２がある方向へ斜めに伝搬するようにする。超音波は、面状きず４に到達すると反射され、試験体３の表面の方向に伝搬し、受信探触子２で受信される。受信探触子２で受信された受信信号は、受信部８４で増幅され、信号処理部８５へ送られ、メモリに保存される。

以上の動作を、受信探触子２を走査しながら繰り返し行う。受信探触子２の走査は、走査機構部７を用いて行う。信号処理部８５内のメモリには、送信探触子１で送信し受信された受信信号、送信探触子６で送信し受信された受信信号、および受信探触子２の位置情報が保存される。信号処理部８５では、これらのメモリに保存された情報を用いて、面状きず４の有無を判定する処理を行う。判定は、受信信号の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず４があるとする方法と、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず４があるとする方法とがある。

以上説明した超音波探傷装置の構成および動作の結果、面状きず４が傾斜角に依らず検出可能となる理由を説明する。

図２は、面状きず４が傾斜した状態において超音波が反射する様子を示したものである。図２に示すように、送信探触子１で送信された超音波は、面状きず４で反射され、試験体３の表面方向へ伝搬する。面状きず４の傾斜角により反射の方向が異なるので、受信探触子２の位置によっては反射された超音波は受信されないことがある。しかし、受信探触子２を走査しているため、図２に示した位置に受信探触子２があるときに超音波が受信される。すなわち、受信探触子２を走査することにより、面状きず４の傾斜角が不明であっても検出することが可能となる。なお、受信探触子２は、どの方向から超音波が伝搬してきてもある程度の受信感度を有している必要がある。すなわち、指向性の弱い探触子を、受信探触子２に用いる。

このように受信探触子２だけを走査すれば良いので、送信探触子１および６を走査するスペースが不要である。

また、微弱な散乱波を利用していないので、底面の形状が複雑な場合でも底面からの反射波との区別が比較的容易となる。また、超音波探傷装置のパラメータ設定も比較的容易となる。

次に、送信探触子を２個用いる理由について説明する。

図２では、送信探触子１で送信された超音波が面状きず４に対して入射する場合を示したものである。しかし、面状きず４の位置によっては、送信探触子１で送信された超音波が殆ど入射しない場合がある。

図３は、面状きず４が送信探触子１の有効ビーム幅の外にある状態を示したものである。この場合には、受信探触子２で受信される受信信号は非常に小さくなり、面状きず４の検出は困難となるので、送信探触子６で送信された超音波を利用する。すなわち、送信探触子１で送信された超音波で検出できない位置に面状きず４があっても、送信探触子６で送信された超音波を利用することにより、検出が可能となる。送信探触子６を用いた超音波の場合でも、面状きず４の傾斜角により反射の方向が異なるので、受信探触子２の位置によっては受信されないことがあるが、受信探触子２を走査しているため、図３に示した位置に受信探触子があるときに超音波が受信される。

また、面状きず４の傾斜角によっては、送信探触子１で送信された超音波が試験体３の表面方向へ殆ど反射しない場合がある。図４は、面状きず４が、送信探触子１で送信された超音波ビームとほぼ平行となる状態を示したものである。この場合、送信探触子１で送信された超音波の反射波は、試験体３の表面の方向には伝搬しないので、受信探触子２で受信される受信信号は面状きず４の端部で発生した微弱な散乱波だけとなる。微弱な散乱波だけでは検出は困難であるので、この場合にも送信探触子６で送信された超音波を用いる。すなわち、送信探触子１で送信された超音波で検出できない傾斜角の面状きず４があっても、送信探触子６で送信された超音波を利用することにより、検出が可能となる。

図３および図４を用いて、送信探触子１で送信した超音波で検出できない面状きず４について説明したが、当然この逆も成立する。すなわち、送信探触子６で送信した超音波で検出できない面状きず４は、送信探触子１で送信した超音波を利用して検出することができる。

受信探触子２の位置情報は、面状きず４の位置の推定に用いる。また、送信探触子１の送信信号で受信された場合の受信信号と、送信探触子６の送信信号で受信された場合の受信信号が別個に保存されているので、どちらの受信信号の方が大きいかで面状きず４の位置を概略把握できる。

また、信号処理部８５で受信探触子２の位置情報と受信信号を用いて開口合成処理を行うことにより、面状きず４の位置はさらに明確になり、傾斜角も概略把握できる。

なお、送信探触子１および６が試験体３中に送信する超音波の屈折角は、図１に示したような対称であっても良いし、対称で無くても良い。例えば、送信探触子１に屈折角７０°の斜角探触子を用いた場合、送信探触子６に屈折角７０°の斜角探触子を用いても良いし、屈折角６０°の斜角探触子を用いても良い。また、探傷領域を確保できるように設定できれば、試験体３の状態によって適宜変えても構わない。

以上説明したように、異なるタイミングで２個の送信探触子１、６を励振し、送信探触子１、６の間に設けた１個の受信探触子２を走査しながら探傷を行うことにより、比較的簡単な装置構成で傾斜角に依らず面状きず４を検出できるという効果がある。また、送信探触子１、６を走査するスペースが無い場合でも面状きず４を検出できるという効果がある。さらに、底面の形状が複雑である場合でも、面状きず４を検出できるという効果がある。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る超音波探傷装置について図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。

図５において、本実施の形態２に係る超音波探傷装置は、試験体３の表面に設置された送信探触子１と、試験体３の表面に設置された受信探触子２と、試験体３の表面に設置された受信探触子２２と、これら送信探触子１及び受信探触子２、２２を保持する走査機構部７と、送受信装置８とが設けられている。

また、送受信装置８は、走査機構部７及び以下の各部に接続され、走査機構部７及び各部の動作を司る制御部８１と、この制御部８１に接続されている信号発生部８２と、入力側が制御部８１及び信号発生部８２に接続され、出力側が送信探触子１に接続されている送信部８３と、受信探触子２、２２に接続されている受信部８４と、制御部８１及び受信部８４に接続されている信号処理部８５とから構成されている。

つぎに、この実施の形態２に係る超音波探傷装置の動作について図面を参照しながら説明する。

送受信装置８の制御部８１からの信号により、信号発生部８２では送信信号が作成され、送信部８３に送られる。この送信部８３では、送信信号を増幅し、送信探触子１を励振する。励振された送信探触子１は、試験体３中に超音波を送信する。超音波は、面状きず４に到達すると反射され、試験体３の表面の方向に伝搬し、受信探触子２および２２で受信される。受信探触子２および２２で受信された受信信号は、受信部８４で増幅され、信号処理部８５へ送られる。信号処理部８５内には図示はしないがメモリが搭載されており、受信信号が保存される。この場合、受信探触子２で受信された受信信号と、受信探触子２２で受信された受信信号とは、別個に保存される。

以上の動作を、送信探触子１を走査しながら繰り返し行う。送信探触子１の走査は、走査機構部７を用いて行う。信号処理部８５内のメモリには、受信探触子２で受信された受信信号、受信探触子２２で受信された受信信号、および送信探触子１の位置情報が保存される。信号処理部８５では、これらのメモリに保存された情報を用いて、面状きず４の有無を判定する。判定は、受信信号の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず４があるとする方法と、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上である場合に面状きず４があるとする方法とがある。

以上説明した超音波探傷装置の構成および動作の結果、面状きず４が検出可能となる理由を説明する。

超音波探傷で受信される受信信号は可逆性があり、送信と受信を切り替えても受信信号は変らない。すなわち、受信探触子２で受信される受信信号は、上記実施の形態１における送信探触子１で送信し受信探触子２で受信される受信信号と同じとなる。また、受信探触子２２で受信される受信信号は、上記実施の形態１における送信探触子６で送信し受信探触子２で受信される受信信号と同じとなる。したがって、上記実施の形態１と同様の理由で面状きず４を検出することが可能となる。なお、送信探触子１は、どの方向にも超音波をある程度の強さで送信する必要がある。すなわち、指向性の弱い探触子を、送信探触子１に用いる。また、受信探触子２および２２の指向性は、上記実施の形態１における送信探触子１および６と同様とする。

送信探触子１の位置情報は、面状きず４の位置の推定に用いる。また、受信探触子２で受信された受信信号と、受信探触子２２で受信された受信信号が別個に保存されているので、どちらの受信信号の方が大きいかで面状きず４の位置を概略把握できる。

また、信号処理部８５を用いて送信探触子１の位置情報と受信信号を用いて開口合成処理を行うことにより、面状きず４の位置はさらに明確になり、傾斜角も概略把握できる。

なお、受信探触子２および２２の指向性は、上記実施の形態１の送信探触子１および６と同様に、対称であっても良いし、対称で無くても良い。例えば、受信探触子２に屈折角７０°の斜角探触子を用いた場合、受信探触子２２に屈折角７０°の斜角探触子を用いても良いし、屈折角６０°の斜角探触子を用いても良い。また、探傷領域を確保できるように設定できれば、試験体３の状態によって適宜変えても構わない。受信探触子２、２２は、受信する超音波の角度特性が、送信探触子１がある方向にピークを有する。

以上説明したように、２つの受信探触子２、２２の間に設けた送信探触子１を励振し、走査しながら探傷を行うことにより、比較的簡単な装置構成で傾斜角に依らず面状きず４を検出できるという効果がある。また、送信探触子１を走査するスペースが無い場合でも面状きず４を検出できるという効果がある。さらに、底面の形状が複雑である場合でも、面状きずを検出できるという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の動作を説明するための図である。この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の動作を説明するための図である。この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置の動作を説明するための図である。この発明の実施の形態２に係る超音波探傷装置の構成を示す図である。

符号の説明

１送信探触子、２受信探触子、３試験体、４面状きず、６送信探触子、７走査機構部、８送受信装置、２２受信探触子、８１制御部、８２信号発生部、８３送信部、８４受信部、８５信号処理部。

Claims

送信信号によって励振され超音波を第１のタイミングで試験体の表面に対して第１の斜め方向に送信する第１の送信探触子と、
前記送信信号によって励振され超音波を第２のタイミングで前記試験体の表面に対して第２の斜め方向に送信する第２の送信探触子と、
前記試験体中を伝搬した超音波を受信する受信探触子と、
前記試験体上の前記第１及び第２の送信探触子の間で前記受信探触子を走査させる走査機構部と、
前記送信信号を発生し、前記発生した送信信号に基づいて前記第１の送信探触子を前記第１のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第１の受信信号を前記受信探触子の第１の位置情報と併せて記憶するとともに、
前記発生した送信信号に基づいて前記第２の送信探触子を前記第２のタイミングで励振し、前記受信探触子からの第２の受信信号を前記受信探触子の第２の位置情報と併せて記憶し、
記憶された前記第１及び第２の受信信号、並びに前記第１及び第２の位置情報に基づいて、前記試験体中にある音響的不連続部の有無及び位置を判定する送受信装置と
を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
前記送受信装置は、記憶された前記第１の受信信号、あるいは前記第２の受信信号の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
前記送受信装置は、記憶された前記第１及び第２の受信信号、並びに前記第１及び第２の位置情報に基づいて、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
ことを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
前記第１の送信探触子は、第１の屈折角を有する第１の斜角探触子であり、
前記第２の送信探触子は、第２の屈折角を有する第２の斜角探触子である
ことを特徴とする請求項２又は３記載の超音波探傷装置。
前記第１の屈折角と前記第２の屈折角が同じである
ことを特徴とする請求項４記載の超音波探傷装置。
前記第１の屈折角と前記第２の屈折角が異なる
ことを特徴とする請求項４記載の超音波探傷装置。
送信信号によって励振され超音波を試験体中に送信する送信探触子と、
前記試験体の表面に対して第１の斜め方向に前記試験体中を伝搬した超音波を受信する第１の受信探触子と、
前記試験体の表面に対して第２の斜め方向に前記試験体中を伝搬した超音波を受信する第２の受信探触子と、
前記試験体上の前記第１及び第２の受信探触子の間で前記送信探触子を走査させる走査機構部と、
前記送信信号を発生し、前記発生した送信信号に基づいて前記送信探触子を励振し、前記第１の受信探触子からの第１の受信信号、及び前記第２の受信探触子からの第２の受信信号を前記送信探触子の位置情報と併せて記憶し、
記憶された前記第１及び第２の受信信号、並びに前記位置情報に基づいて、前記試験体中にある音響的不連続部の有無及び位置を判定する送受信装置と
を備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
前記送受信装置は、記憶された前記第１の受信信号、あるいは前記第２の受信信号の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
ことを特徴とする請求項７記載の超音波探傷装置。
前記送受信装置は、記憶された前記第１及び第２の受信信号、並びに前記位置情報に基づいて、開口合成処理を行って得られた像の振幅が予め設けた閾値以上の場合には、面状きずである前記音響的不連続部が有ると判定する
ことを特徴とする請求項７記載の超音波探傷装置。
前記第１の受信探触子は、第１の屈折角を有する第１の斜角探触子であり、
前記第２の受信探触子は、第２の屈折角を有する第２の斜角探触子である
ことを特徴とする請求項８又は９記載の超音波探傷装置。
前記第１の屈折角と前記第２の屈折角が同じである
ことを特徴とする請求項１０記載の超音波探傷装置。
前記第１の屈折角と前記第２の屈折角が異なる
ことを特徴とする請求項１０記載の超音波探傷装置。