JP4396169B2 - 超音波探傷装置、超音波探傷プログラム及び超音波探傷方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検材の表層部に超音波の表面波を透過させ、その透過波に基づいて被検材の表層部に存在する傷を検出する超音波探傷装置、超音波探傷プログラム及び超音波探傷方法に関する。

従来の超音波の表面波を用いた超音波探傷装置は、表面波の被検材への浸透深さがその表面波の波長に依存しており、被検材の表層部に存在する傷の表面波に対する反応が表面波の周波数に応じて変化する特性を有することから、所定の周波数の表面波となる送信波としてトーンバースト波を用いている。そして、この送信波に対応した透過波の減衰量が所定のしきい値を越えるときは開口傷と推定し、上記減衰量が所定のしきい値を越えないときは非開口傷と推定している（例えば、特許文献１参照。）。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。

また、従来の超音波探傷装置には、被検材内にパルス波の超音波を伝搬させ、被検材の内部に存在する傷で反射した超音波信号に対応する探傷信号を、それぞれ中心周波数が異なり、周波数特性の形状がほぼ同一である複数の狭帯域バンドパスフィルタによりろ波し、ろ波された探傷信号のうち最もＳ／Ｎが高い探傷信号を選択し、選択された探傷信号を用いて傷の判別を行っているものもある（例えば、特許文献２参照。）。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。

特開平１０−２１３５７３号公報（請求項１，［００１１］〜［００２０］、図１〜図５） 特開昭６４−３８６５２号公報（第１頁，第４頁右上欄第１１行目〜第５頁右下欄第１行目、第１図〜第３図）

ところで、上記した第１の従来例では、複数の正弦波を２００Ｖｐ−ｐ程度まで増幅するゲーティッドアンプを用いてトーンバースト波を生成する必要である。このため、第１の従来例による装置を、探触子を被検材の幅方向に並列に複数並べて被検材を同時に広範囲にわたって探傷するマルチチャネル化した場合には、装置が高価になるという課題があった。

一方、上記した第２の従来例では、探触子の周波数特性の谷間において狭帯域バンドパスフィルタを通過した探傷信号の強度が非常に弱くなるため、外来ノイズの影響を受けやすく、探傷信号のＳ／Ｎが悪くなるという課題があった。また、この装置を実際に現場で使用する際に探触子を装置に接続するケーブルが長い場合には、探傷信号の高周波域が減衰したり、探傷信号のＳ／Ｎが悪くなるという課題があった。さらに、この第２の従来例による装置をマルチチャネル化して表面波を用いた超音波探傷に適用した場合、上記したように、被検材の表層部に存在する傷の表面波に対する反応が表面波の周波数に応じて変化する特性を有することから、個々の超音波探触子の周波数特性のバラツキが、バンドパスフィルタの周波数帯域内においても影響し、各チャネルの検出能が一定にならないという課題があった。これは、一般的な超音波探傷で使われる反射法の場合、時間軸分解能を確保するために、バンドパスフィルタの帯域をあまり狭くできないからである。
さらに、上記した第１及び第２の従来例のいずれにおいても、傷のない健全面であっても被検材の表面粗さに応じて探傷信号の信号強度やそのバラツキ具合が異なるため、最適な探傷条件を設定することができないという課題があった。

本発明は、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、安価にマルチチャネル化することができるとともに、マルチチャネルの個々の検出能を一定にすることができ、さらに表面粗さが異なる被検材でも最適な探傷条件を設定でき、高感度で探傷することができる超音波探傷装置、超音波探傷プログラム及び超音波探傷方法を得るものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波探傷装置は、所定パルス幅のパルス信号を発生する送信部と、上記パルス信号を超音波の表面波に変換して、被検材の表層部に透過させる送信探触子と、上記表層部を透過した超音波の表面波を透過信号に変換する受信探触子と、上記表層部に存在する傷の検出能に対応して中心周波数が設定されるとともに、上記傷の透過信号のマルチチャネルにおけるバラツキ及び上記被検材の健全面の上記透過信号のＳ／Ｎとが上記傷とノイズとの識別が可能となる所定の値になるように、帯域幅を上記中心周波数で除算した比帯域幅が設定された複数の狭帯域バンドパスフィルタと、上記被検材の表面粗さに基づき、上記傷と上記ノイズとの識別が可能となるように、上記複数の狭帯域バンドパスフィルタのいずれかを選択して上記透過信号を供給する選択スイッチと、上記選択された狭帯域バンドパスフィルタから出力された上記透過信号について、上記被検材の健全面の上記透過信号の信号強度と、予め設定した上記傷のしきい値とに基づいて、上記傷の有無を判定する評価部とを備えていることを特徴としている。

また、本発明に係る超音波探傷装置は、所定パルス幅のパルス信号を発生する送信部と、上記パルス信号を超音波の表面波に変換して、被検材の表層部に透過させる送信探触子と、上記表層部を透過した超音波の表面波を透過信号に変換する受信探触子と、上記表層部に存在する傷の検出能に対応して中心周波数が設定されるとともに、上記傷の透過信号のマルチチャネルにおけるバラツキ及び上記被検材の健全面の上記透過信号のＳ／Ｎとが所定の値になるように、帯域幅を上記中心周波数で除算した比帯域幅が設定された複数の狭帯域バンドパスフィルタと、上記複数の狭帯域バンドパスフィルタのいずれかを選択して上記透過信号を供給する選択スイッチと、上記被検材の表面粗さを測定する表面粗さ計と、上記表面粗さと、上記表面粗さに対応して選択すべき上記狭帯域バンドパスフィルタとの組み合わせに関するフィルタ選択テーブルと、上記表面粗さ計の測定結果に基づいて上記フィルタ選択テーブルを参照して選択すべき上記狭帯域バンドパスフィルタを決定し、この決定に基づいて上記選択スイッチを切り換える制御部と、上記選択された狭帯域バンドパスフィルタから出力された上記透過信号について、上記被検材の健全面の上記透過信号の信号強度と、予め設定した上記傷のしきい値とに基づいて、上記傷の有無を判定する評価部とを備えていることを特徴としている。

また、本発明は、上記の超音波探傷装置に係り、上記送信部と上記送信探触子とを接続するケーブルの長さは、上記ケーブルの伝搬特性と上記狭帯域バンドパスフィルタの個数に対応して設定されることを特徴としている。

また、本発明は、上記の超音波探傷装置に係り、上記受信探触子から出力される上記透過信号を所定の増幅度で増幅して上記選択スイッチに供給するプリアンプを備え、上記受信探触子と上記プリアンプとを接続するケーブルの長さは、上記ケーブルの伝搬特性と上記狭帯域バンドパスフィルタの個数に対応して設定されることを特徴としている。

また、本発明に係る超音波探傷プログラムは、コンピュータを上記制御部として機能させることを特徴としている。

また、本発明に係る超音波探傷方法は、被検材の表層部に存在する傷の検出能に対応して中心周波数が設定されるとともに、上記傷の透過信号のマルチチャネルにおけるバラツキ及び上記被検材の健全面の上記透過信号のＳ／Ｎとが上記傷とノイズとの識別が可能となる所定の値になるように、帯域幅を上記中心周波数で除算した比帯域幅が設定された複数の狭帯域バンドパスフィルタを備え、所定パルス幅のパルス状の超音波の表面波を上記被検材の表層部に透過させ、上記表層部を透過した超音波の表面波を透過信号に変換し、上記被検材の表面粗さ及び上記検出能に基づき、上記傷と上記ノイズとの識別が可能となるように、上記複数の狭帯域バンドパスフィルタの中からいずれかを選択して上記透過信号を通過させ、上記選択された狭帯域バンドパスフィルタから出力された上記透過信号について、上記被検材の健全面の上記透過信号の信号強度と、予め設定した上記傷のしきい値とに基づいて、上記傷の有無を判定することを特徴としている。

本発明は以上説明したように、所定パルス幅のパルス信号を発生する送信部と、パルス信号を超音波の表面波に変換して、被検材の表層部に透過させる送信探触子と、表層部を透過した超音波の表面波を透過信号に変換する受信探触子と、表層部に存在する傷の検出能に対応して中心周波数が設定されるとともに、上記傷の透過信号のマルチチャネルにおけるバラツキ及び上記被検材の健全面の上記透過信号のＳ／Ｎとが所定の値になるように、帯域幅を中心周波数で除算した比帯域幅が設定された複数の狭帯域バンドパスフィルタと、複数の狭帯域バンドパスフィルタのいずれかを選択して透過信号を供給する選択スイッチと、選択された狭帯域バンドパスフィルタから出力された透過信号について、被検材の健全面の透過信号の信号強度と、予め設定した傷のしきい値とに基づいて、傷の有無を判定する評価部とを備えている。
したがって、安価にマルチチャネル化することができるとともに、マルチチャネルの個々の検出能を一定にすることができ、さらに表面粗さが異なる被検材でも最適な探傷条件を設定でき、高感度で探傷することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における超音波探傷装置を示すブロック図である。
この実施の形態１の超音波探傷装置は、送信部１と、ケーブル２〜４と、送信探触子５と、受信探触子６と、プリアンプ７と、選択スイッチ８及び９と、狭帯域バンドパスフィルタ（ＮＷＢＰＦ）１０₁〜１０₅と、メインアンプ１１と、評価部１２とから構成されている。送信部１は、パルス幅が０nsecより大きく１００nsec以下（好ましくは、０nsecより大きく５０nsec以下）のパルス信号Ｓ_Pを発生する。これは、超音波探傷の対象である被検材１３が鋼材からなる場合、１０MHz程度以下の周波数帯域の探傷信号が得られれば良いからである。ケーブル２及び３の長さは２m以内であることが望ましい一方、ケーブル４の長さは数m以上でも良い。

送信探触子５は、被検材１３と水などで音響接触されており、送信部１からケーブル２を介して供給される電気的なパルス信号Ｓ_Pをパルス状の超音波の表面波に変換して、被検材１３の表層部に透過させる。受信探触子６は、被検材１３と水などで音響接触されており、被検材１３の表層部を透過した超音波の表面波を電気的な透過信号Ｓ_Tに変換してケーブル３を介してプリアンプ７に供給する。プリアンプ７は、透過信号Ｓ_Tを所定の増幅度で増幅して増幅後の透過信号Ｓ_T1をケーブル４を介して選択スイッチ８に供給する。

選択スイッチ８は、入力端にケーブル４が接続されるとともに、５つの出力端にそれぞれＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の入力端が接続され、操作者の操作により選択スイッチ９と連動して切り換えられ、ケーブル４を介してプリアンプ７から供給された増幅後の透過信号Ｓ_T1をＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅のいずれか１つに供給する。選択スイッチ９は、５つの入力端にそれぞれＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の出力端が接続されるとともに、出力端にメインアンプ１１の入力端が接続され、操作者の操作により選択スイッチ８と連動して切り換えられ、ＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅のいずれか１つから出力された、ろ波された透過信号Ｓ_SLをメインアンプ１１に供給する。ＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅は、コイルとコンデンサとにより構成されるＬＣ型のアナログフィルタからなる。ＮＷＢＰＦ１０₁の中心周波数ｆ_c1は３．０MHz、ＮＷＢＰＦ１０₂の中心周波数ｆ_c2は３．６MHz、ＮＷＢＰＦ１０₃の中心周波数ｆ_c3は４．５MHz、ＮＷＢＰＦ１０₄の中心周波数ｆ_c4は６．０MHz、ＮＷＢＰＦ１０₅の中心周波数ｆ_c5は９．０MHzである。ＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の比帯域幅は２５％以下（好ましくは、２０％以下）であることが望ましい。ここで、比帯域幅とは、あるＮＷＢＰＦが図２に示す周波数特性を有する場合、帯域幅Ｂを中心周波数ｆ_cで除算した結果（Ｂ／ｆ_c）をいう。なお、ここで、比帯域幅の下限は、透過信号以外の、例えば、送信パルスや雑エコーなどと干渉して計測できなくなる比率の値とする。

メインアンプ１１は、選択スイッチ９から供給される、ろ波された透過信号Ｓ_SLを所定の増幅度で増幅して増幅後の透過信号Ｓ_SL1を評価部１２に供給する。評価部１２は、メインアンプ１１から供給される増幅後の透過信号Ｓ_SL1に基づいて被検材１３の表層部に存在する開口傷１４を検出する。具体的には、評価部１２は、メインアンプ１１から供給される増幅後の透過信号Ｓ_SL1について、被検材１３の健全面の透過信号の信号強度と、予め設定した開口傷のしきい値とに基づいて、開口傷１４の有無を判定する。なお、図１には、送信部１がパルス信号を送信探触子５に送信するタイミングを決定する同期信号を生成する同期信号生成回路や、透過信号Ｓ_Tを各周波数の到達時刻に合わせて各周波数ごとに分割して抽出するゲート回路などは図示されていない。

図３は、この実施の形態１における超音波探傷装置をマルチチャネル化する場合に、送信探触子５及び受信探触子６を被検材１３上に配置する際の一例を示す図である。図３から分かるように、送信探触子５及び受信探触子６は、被検材１３の幅方向（図３において紙面内の上下方向）に、所定間隔でｎ（ｎは自然数）個ずつ配置する。送信探触子５及び受信探触子６の幅は約１０mmであり、ｎは、通常、１６〜３２程度である。したがって、この実施の形態１における超音波探傷装置をマルチチャネル化すれば、被検材１３を幅方向に約１６０〜３２０mmにわたって、同時に又は各チャネルごとに順次に、探傷することができる。なお、ｎ個の送信探触子５及び受信探触子６を用いて開口傷を同時に探傷する場合には、図１に示す送信探触子５及び受信探触子６以外の構成要素はｎチャネル分設ける必要がある。一方、ｎ個の送信探触子５及び受信探触子６を用いて開口傷をチャネルごとに順次に探傷する場合には、図１に示す送信探触子５及び受信探触子６以外の構成要素は１チャネル分設けるだけで良い。

次に、評価部１２におけるしきい値の設定方法について説明する。上記したように、超音波の表面波は、浸透深さがその表面波の波長に依存しているため、開口傷の深さｈ₁と透過波の信号強度について、図４に示すような関係がある。図４において、透過波信号強度の比Ｔとは、被検材において、超音波の表面波が健全面を透過した透過波の信号強度に対する、同表面波が傷面で減衰しながら透過した透過波の信号強度の比をいう。また、開口傷の深さ／波長（ｈ₁／λ）とは、探傷された開口傷の深さｈ₁をその開口傷を探傷した超音波の表面波の波長λで除算した結果をいう。図４から分かるように、透過波信号強度の比Ｔ、すなわち、正規化された透過信号の信号強度は、開口傷の深さ／波長（ｈ₁／λ）が０から０．５までは比較的略直線的に減少した後、透過波の回折の影響により、開口傷の深さ／波長（ｈ₁／λ）が０．５近傍以降で一定値（約０．２）となっている（上記特許文献１参照）。一方、被検材１３は、健全面であっても、その表面粗さの影響により、透過信号の信号強度が増減するため、しきい値の比率を透過波信号強度の比Ｔが１．０に近くに設定すると、誤検出となる場合がある。したがって、しきい値の比率は、上記透過波信号強度の比Ｔの０．３〜０．９が良く、特に、０．４〜０．６が最も適している。

また、しきい値を設定するタイプとしては、正規化タイプと実値タイプとがある。以下では、上記しきい値の比率として０．５を設定する場合について説明する。正規化タイプは、メインアンプ１１から供給される増幅後の透過信号Ｓ_SL1のうち、被検材１３の健全面の透過信号の信号強度が一定の値、例えば、１Vになるように、プリアンプ７の増幅度又はメインアンプ１１の増幅度のいずれか一方若しくは両方を調整し、例えば、上記１Vの信号強度の０．５である０．５Vをしきい値とするものである。一方、実値タイプは、プリアンプ７及びメインアンプ１１の増幅度を調整することなく、メインアンプ１１から供給される増幅後の透過信号Ｓ_SL1のうち、被検材１３の健全面の透過信号の実測された信号強度（実値）の０．５をしきい値とするものである。すなわち、実値タイプでは、例えば、上記実値が１．２Vである場合には、その０．５である０．６Vがしきい値となる。

次に、上記したＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の中心周波数ｆ_c1〜ｆ_c5の設定方法について説明する。上記した特許文献１によれば、図４に示す曲線の傾斜部分Ｌは、上記透過波信号強度の比をＴとし、探傷された開口傷の深さをｈ₁とし、その開口傷を探傷した超音波の表面波の波長をλとした場合に、以下に示す式（１）で近似できるとする。
Ｔ＝１−（１／０．６）・（ｈ₁／λ） ・・・（１）
したがって、しきい値の比率を０．５とすると、透過波信号強度の比Ｔが０．５となる表面波の波長λ_0.5は、式（２）で表される。
λ_0.5＝ｈ₁／０．３ ・・・（２）
今、表面波の音速を３０００m/sとすると、超音波の波長λ、周波数ｆ及び速度ｖとの間には式（３）に示す関係があるから、透過波信号強度の比Ｔが０．５となる表面波の周波数、すなわち、ＮＷＢＰＦの中心周波数ｆ_cは、式（４）で表される。
λ＝ｖ／ｆ ・・・（３）
ｆ_c＝０．９／ｈ₁［MHz］ ・・・（４）

以上のことから、この実施の形態１において、検出すべき開口傷の大きさ、すなわち、所望の検出能をそれぞれ０．３０mm、０．２５mm、０．２０mm、０．１５mm、０．１０mmとすると、式（４）より、ＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の中心周波数ｆ_c1〜ｆ_c5は、上記したように、それぞれ３．０MHz、３．６MHz、４．５MHz、６．０MHz、９．０MHzに設定されることになる。

次に、上記構成の超音波探傷装置の動作について説明する。まず、送信部１は、例えば、周期が４０nsecのパルス信号Ｓ_Pを発生し、ケーブル２を介して送信探触子５に供給する。これにより、送信探触子５がパルス信号Ｓ_Pを超音波の表面波に変換して、被検材１３の表層部に透過させるので、被検材１３の表層部、特に、開口傷１４を経て伝達された表面波、すなわち、透過波が受信探触子６によって受信される。受信探触子６は、被検材１３の表層部を透過した透過波を透過信号Ｓ_Tに変換してケーブル３を介してプリアンプ７に供給する。プリアンプ７は、透過信号Ｓ_Tを所定の増幅度で増幅して増幅後の透過信号Ｓ_T1をケーブル４を介して選択スイッチ８に供給する。

この場合、この装置の操作者は、被検材１３の表面粗さを、例えば、触針式又はレーザ式の表面粗さ計を用いて予め測定しておく。そして、操作者は、被検材１３の表面粗さが粗いときは中心周波数が低いＮＷＢＰＦ、例えば、中心周波数ｆ_c1が３．０MHzであるＮＷＢＰＦ１０₁を選択するために、選択スイッチ８及び９を連動させて切り換える。一方、操作者は、被検材１３の表面粗さが粗くないときは中心周波数が高いＮＷＢＰＦ、例えば、中心周波数ｆ_c5が９．０MHzであるＮＷＢＰＦ１０₅を選択するために、選択スイッチ８及び９を連動させて切り換える。

これにより、被検材１３の表面粗さが粗いときは、プリアンプ７から出力された増幅後の透過信号Ｓ_T1は、選択スイッチ８を経てＮＷＢＰＦ１０₁において３．０MHzを中心周波数ｆ_c1としてろ波され、選択スイッチ９を経てメインアンプ１１に供給される。一方、被検材１３の表面粗さが粗くないときは、プリアンプ７から出力された増幅後の透過信号Ｓ_T1は、選択スイッチ８を経てＮＷＢＰＦ１０₅において９．０MHzを中心周波数ｆ_c5としてろ波され、選択スイッチ９を経てメインアンプ１１に供給される。これにより、メインアンプ１１が選択スイッチ９から供給される、ろ波された透過信号Ｓ_SLを所定の増幅度で増幅して増幅後の透過信号Ｓ_SL1を評価部１２に供給するので、評価部１２は、メインアンプ１１から供給される増幅後の透過信号Ｓ_SL1について、被検材１３の健全面の透過信号の信号強度と、予め設定した開口傷のしきい値とに基づいて、開口傷１４の有無を判定する。
以上説明した動作を、被検材１３を幅方向に約１６０〜３２０mmにわたって、ｎ個のチャネルについて、同時に又は各チャネルごとに順次に行う。

ここで、図５及び図６にマルチチャネル化し、ＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）を変化させた場合の実験結果の一例を示す。図５において、サンプルＳＰ₀はＮＷＢＰＦを使用しなかった場合、サンプルＳＰ₁はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が１００％である場合、サンプルＳＰ₂はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が５０％である場合、サンプルＳＰ₃はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が２５％である場合、サンプルＳＰ₄はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が１０％である場合の、それぞれの開口傷を透過した透過波に対応した透過信号の信号強度の一例である。一方、図６において、サンプルＳＰ₀はＮＷＢＰＦを使用しなかった場合、サンプルＳＰ₁はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が１００％である場合、サンプルＳＰ₂はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が５０％である場合、サンプルＳＰ₃はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が２５％である場合、サンプルＳＰ₄はＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が１０％である場合の、被検材の健全面を透過した透過波に対応した透過信号のＳ／Ｎの一例である。

図５を参照すると、送信探触子５及び受信探触子６の各周波数特性のバラツキが影響して、同一の深さの開口傷を探傷した場合であっても、ＮＷＢＰＦを使用しなかった場合やＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が大きい場合には、開口傷を透過した透過波に対応した透過信号の信号強度（開口傷の透過信号強度）にバラツキがあるが、ＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が２５％以下である場合には、開口傷の透過信号強度はほとんどばらつくことなく、一定の検出能が得られることが分かる。また、図６を参照すると、ＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）を狭くするに従って、被検材の健全面を透過した透過波に対応した透過信号のＳ／Ｎ（健全面Ｓ／Ｎ）が上昇し、ＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が２５％以下である場合には、実用上十分な健全面Ｓ／Ｎが得られることが分かる。バンドパスフィルタの帯域幅をこのように狭くすると、反射法を用いた超音波探傷では信号の幅が長くなって時間軸分解能が悪化するが、透過法を用いた超音波探傷では、時間的に透過信号を他のエコー（例えば、被検材の裏面における反射エコーなど）と分離する必要がないので、バンドパスフィルタの帯域幅を狭帯域にすることは問題にならない。

また、図７及び図８は、様々な表面粗さを有する被検材１３上で操作者が送信探触子５及び受信探触子６を移動させつつ、開口傷を探傷した場合の検出結果の一例を示す図である。図７は中心周波数が６．０MHzであるＮＷＢＰＦを用いた場合の検出結果である。図７において、波形ａ及び波形ｂは表面粗さが小さい被検材に存在する深さがそれぞれ０．１５mm及び０．２０mmである開口傷の透過信号強度、波形ｃ及び波形ｄは表面粗さが大きい被検材に存在する深さがそれぞれ０．１５mm及び０．２０mmである開口傷の透過信号強度の一例である。図７を参照すると、中心周波数が６．０MHzであるＮＷＢＰＦを用いた場合には、被検材の表面が粗くなければ深さが０．１５mmである開口傷まで検出することができるが、被検材の表面が粗いと深さが０．２０mmである開口傷も検出することができないことが分かる。これは、被検材の表面が粗い場合には、健全面での透過信号強度の低下も大きくなるため、ノイズと識別できないからである。

一方、図８は中心周波数が４．５MHzであるＮＷＢＰＦを用いた場合の検出結果である。図８において、波形ａ及び波形ｂは表面粗さが小さい被検材に存在する深さがそれぞれ０．１５mm及び０．２０mmである開口傷の透過信号強度、波形ｃ及び波形ｄは表面粗さが大きい被検材に存在する深さがそれぞれ０．１５mm及び０．２０mmである開口傷の透過信号強度の一例である。図８を参照すると、中心周波数が４．５MHzであるＮＷＢＰＦを用いた場合には、中心周波数が６．０MHzであるＮＷＢＰＦを用いた場合とは逆に、被検材の表面が粗くなくても深さが０．１５mmである開口傷が検出することができない一方、被検材の表面が粗くても深さが０．２０mmである開口傷も検出することができることが分かる。このように、中心周波数が異なる複数のＮＷＢＰＦを設けることにより、被検材の表面粗さに応じて最適な検出能で開口傷を探傷することができる。

さらに、図９は、ケーブル２及び３の長さを変化させた場合の透過信号の周波数特性の一例を示す図である。図９において、曲線ａ〜曲線ｄはケーブル２及び４の長さをそれぞれ１０m、５m、２m、０．５mとした場合の透過信号の周波数特性の一例である。図９を参照すると、ケーブル２及び４の長さを２m以内にすれば、高周波帯域まで良好な特性が得られるので、ＮＷＢＰＦの個数を増加させることができる。

このように、この実施の形態１の構成によれば、被検材の表層部に超音波の表面波を透過させ、その透過波に基づいて被検材の表層部に存在する傷を検出する超音波探傷装置において、パルス状の表面波を用いるとともに、比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が２５％以下（好ましくは、２０％以下）である複数のＮＷＢＰＦを設けている。そして、被検材の表面粗さや所望とする検出能に応じて上記複数のＮＷＢＰＦの中から１個のＮＷＢＰＦを選択可能に構成し、選択されたＮＷＢＰＦでろ波された透過信号に基づいて、被検材１３の健全面の透過信号強度を測定し、その透過信号強度を基準としたしきい値を用いて開口傷１４の有無を検出している。

したがって、マルチチャネル化した場合であっても、上記した第１の従来例のようにゲーティッドアンプを用いる必要がないので、装置が高価になることはない。また、送信探触子５及び受信探触子６の周波数特性の谷間において透過信号の信号強度が弱くなったとしても、比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）が２５％以下（好ましくは、２０％以下）であるＮＷＢＰＦを用いているため、外来ノイズも抑制され、ＮＷＢＰＦからは高いＳ／Ｎの透過信号を得ることができる。さらに、この実施の形態１の構成によれば、複数のＮＷＢＰＦを設けているため、被検材の健全面の表面粗さに応じて探傷信号強度やそのバラツキ具合が異なった場合であっても、測定者は、被検材１３の表面粗さが粗いときは中心周波数が低いＮＷＢＰＦを、被検材１３の表面粗さが粗くないときは中心周波数が高いＮＷＢＰＦを選択することができるため、常に最適な検出能で開口傷を探傷することができる。

また、この実施の形態１の構成によれば、ＮＷＢＰＦを選択した後に、その選択されたＮＷＢＰＦでろ波された、被検材１３の健全面の透過信号の信号強度を測定し、その透過信号強度を基準としたしきい値を用いて開口傷１４の有無を検出しているため、ＮＷＢＰＦを選択した後の検出能を一定にすることができる。さらに、この実施の形態１の構成によれば、検出を所望する開口傷の深さｈ₁に応じて、図４に示す、開口傷の深さ／波長（ｈ₁／λ）と透過波信号強度の比Ｔとの関係を利用して、所望の検出能に応じたＮＷＢＰＦの中心周波数を適切に設定することができる。

また、この実施の形態１の構成によれば、ケーブル２及び３の長さを２m以内としているので、高周波帯域まで良好な特性が得られ、高い周波数まで信号強度が大きい透過信号が得られるようになり、高周波数帯域のＮＷＢＰＦを用いることができ、より適切な周波数間隔でＮＷＢＰＦの個数を増加させることができる。
以上説明したように、この実施の形態１の構成によれば、超音波の表面波の透過法による被検材の表層部の開口傷の検出において、様々な被検材に対し、常に最適な探傷条件で所望の検出能が得られるようになり、かつ低いコストで装置を実現することができる。

実施の形態２．
図１０は、本発明の実施の形態２における超音波探傷装置を示すブロック図である。図１０において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。図１０に示す超音波探傷装置においては、制御部２１、記憶部２２及び表面粗さ計２３が新たに設けられている。また、この実施の形態２においては、鋼材からなる被検材２４の表層部には、非開口傷２５が存在するものとする。

制御部２１は、ＣＰＵ（中央処理装置）等からなり、記憶部２２に記憶された超音波探傷プログラムを実行することにより、超音波探傷処理を実行し、装置全体を制御する。すなわち、超音波探傷プログラムが記憶部２２から読み出されると、制御部２１に読み込まれ、制御部２１の動作を制御する。制御部２１は、超音波探傷プログラムが起動されると、超音波探傷プログラムの制御により、後述する超音波探傷処理を実行するのである。記憶部２２は、ＲＯＭやＲＡＭ等の半導体メモリ、ＦＤ（フロッピー（登録商標）・ディスク）が装着されるＦＤドライブ、ＨＤ（ハード・ディスク）が装着されるＨＤドライブ、ＭＯ（光磁気）ディスクが装着されるＭＯディスクドライブ、あるいはＣＤ（コンパクト・ディスク）−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ（Recordable）、ＣＤ−ＲＷ（ReWritable）やＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ等が装着されるＣＤ／ＤＶＤドライブ等からなる。記憶部２２には、上記した制御部２１が実行すべき超音波探傷プログラム及び後述するフィルタ選択テーブルが予め記憶されているとともに、制御部２１が上記した超音波探傷プログラムを実行する際に作業用として用いられる。

表面粗さ計２３は、例えば、触針式やレーザー方式からなり、制御部２１の制御の下、被検材２４の表面粗さを測定し、その測定結果を制御部２１に供給する。この実施の形態２においては、表面粗さ計２３を用いて様々な被検材の表面粗さを予め測定するとともに、各表面粗さを有する被検材の表層部に存在する非開口傷２５を探傷するのに最適なＮＷＢＰＦを予め決定する。そして、各表面粗さと最適なＮＷＢＰＦとの組み合わせに関するフィルタ選択テーブルを予め作成し、上記記憶部２２に記憶しておくものとする。

この実施の形態２における超音波探傷装置をマルチチャネル化する場合は、上記実施の形態１において図３を用いて説明したように、被検材２４の幅方向（図１０において紙面に直交する方向）に、所定間隔でｎ（ｎは自然数）個ずつの送信探触子５及び受信探触子６を配置する。なお、ｎ個の送信探触子５及び受信探触子６を用いて非開口傷を同時に探傷する場合には、図１０に示す送信探触子５及び受信探触子６以外の構成要素はｎチャネル分設ける必要がある。一方、ｎ個の送信探触子５及び受信探触子６を用いて非開口傷をチャネルごとに順次に探傷する場合には、図１０に示す送信探触子５及び受信探触子６以外の構成要素は１チャネル分設けるだけで良い。

次に、評価部１２におけるしきい値の設定方法について説明する。超音波の表面波は、浸透深さがその表面波の波長に依存しているため、非開口傷の深さｈ₂と透過波の信号強度について、図１１に示すような関係がある。図１１において、透過波信号強度の比Ｔは、図４に示す透過波信号強度の比Ｔと同様の意味である。また、非開口傷の深さ／波長（ｈ₂／λ）とは、探傷された非開口傷の深さ位置ｈ₂をその非開口傷を探傷した超音波の表面波の波長λで除算した結果をいう。図１１から分かるように、透過波信号強度の比Ｔ、すなわち、正規化された透過信号の信号強度は、非開口傷の深さ／波長（ｈ₂／λ）が０から０．３までは比較的略直線的に上昇した後、透過波の回折の影響により、非開口傷の深さ／波長（ｈ₂／λ）が０．５近傍以降徐々に飽和に向かっている（上記特許文献１参照）。

次に、上記したＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の中心周波数ｆ_c1〜ｆ_c5の設定方法について説明する。上記した特許文献１によれば、図１１に示す曲線の傾斜部分Ｌについて、上記透過波信号強度の比をＴとし、探傷された非開口傷の深さ位置をｈ₂とし、その非開口傷を探傷した超音波の表面波の周波数をｆとした場合に、非開口傷の深さ位置ｈ₂は、以下に示す式（５）で近似できるとする。
ｈ₂＝１．８Ｔ／ｆ ・・・（５）
ただし、透過波信号強度の比Ｔは、式（６）に示す範囲で推定することができる。
０＜Ｔ＜０．５ ・・・（６）
したがって、しきい値の比率を０．２とすると、透過波信号強度の比Ｔが０．２となる表面波の周波数、すなわち、ＮＷＢＰＦの中心周波数ｆ_cは、式（５）を周波数ｆについて変形するとともに、透過波信号強度の比Ｔに０．２を代入すると、式（７）で表される。
ｆ_c＝０．３６／ｈ₂ ・・・（７）

以上のことから、この実施の形態２において、検出すべき非開口傷の深さ位置、すなわち、所望の検出能をそれぞれ０．３０mm、０．２５mm、０．２０mm、０．１５mm、０．１０mmとすると、式（７）より、ＮＷＢＰＦ１０₁〜１０₅の中心周波数ｆ_c1〜ｆ_c5は、それぞれ１．２MHz、１．４４MHz、１．８MHz、２．４MHz、３．６MHzに設定されることになる。

次に、上記構成の超音波探傷装置を構成する制御部２１の超音波探傷処理について説明する。まず、制御部２１は、非開口傷２５を探傷する前に、表面粗さ計２３に対して被検材２４の表面粗さの測定を指示する。表面粗さ計２３は、制御部２１からの指示に応じて、触針式又はレーザ式で被検材２４の表面粗さを測定し、その測定結果を制御部２１に供給する。これにより、制御部２１は、表面粗さ計２３から供給された測定結果に基づいて、記憶部２２に記憶されているフィルタ選択テーブルを参照して、最適なＮＷＢＰＦを検索し、その検索結果に基づいて選択スイッチ８及び９を連動させて切り換える。

例えば、制御部２１は、表面粗さ計２３から供給された測定結果が被検材２４の表面粗さが粗いことを示している場合には、上記フィルタ選択テーブルを参照して、中心周波数が低いＮＷＢＰＦ、例えば、中心周波数ｆ_c1が１．２MHzであるＮＷＢＰＦ１０₁を選択するために、選択スイッチ８及び９を連動させて切り換える。一方、制御部２１は、表面粗さ計２３から供給された測定結果が被検材２４の表面粗さが粗くないことを示している場合には、上記フィルタ選択テーブルを参照して、中心周波数が高いＮＷＢＰＦ、例えば、中心周波数ｆ_c5が２．４MHzであるＮＷＢＰＦ１０₅を選択するために、選択スイッチ８及び９を連動させて切り換える。

次に、制御部２１は、送信部１に対してパルス信号Ｓ_Pの発生を指示する。送信部１は、制御部２１からの指示に応じて、例えば、周期が４０nsecのパルス信号Ｓ_Pを発生し、ケーブル２を介して送信探触子５に供給する。これにより、送信探触子５がパルス信号Ｓ_Pを超音波の表面波に変換して、被検材２４の表層部に透過させるので、被検材２４の表層部、特に、非開口傷２５を経て伝達された表面波、すなわち、透過波が受信探触子６によって受信される。受信探触子６は、被検材２４の表層部を透過した透過波を透過信号Ｓ_Tに変換してケーブル３を介してプリアンプ７に供給する。プリアンプ７は、制御部２１によって設定された増幅度で透過信号Ｓ_Tを増幅して増幅後の透過信号Ｓ_T1をケーブル４を介して選択スイッチ８に供給する。

これにより、被検材２４の表面粗さが粗いときは、プリアンプ７から出力された増幅後の透過信号Ｓ_T1は、例えば、選択スイッチ８を経てＮＷＢＰＦ１０₁において１．２MHzを中心周波数ｆ_c1としてろ波され、選択スイッチ９を経てメインアンプ１１に供給される。一方、被検材２４の表面粗さが粗くないときは、プリアンプ７から出力された増幅後の透過信号Ｓ_T1は、例えば、選択スイッチ８を経てＮＷＢＰＦ１０₅において２．４MHzを中心周波数ｆ_c5としてろ波され、選択スイッチ９を経てメインアンプ１１に供給される。これにより、メインアンプ１１が選択スイッチ９から供給される、ろ波された透過信号Ｓ_SLを、制御部２１によって設定された増幅度で増幅して、増幅後の透過信号Ｓ_SL1を評価部１２に供給するので、評価部１２は、メインアンプ１１から供給される増幅後の透過信号Ｓ_SL1について、被検材２４の健全面の透過信号の信号強度と、予め設定した非開口傷のしきい値とに基づいて、非開口傷２５の有無を判定した後、制御部２１にその判定結果を通知する。
制御部２１は、評価部１２から判定結果の通知を受けると、以上説明した動作を、被検材２４を幅方向に約１６０〜３２０mmにわたって、ｎ個のチャネルについて、同時に又は各チャネルごとに順次に行う。

このように、この実施の形態２の構成によれば、装置各部を制御する制御部２１を設けるとともに、表面粗さ計２３を設けて被検材２４の表面粗さを測定し、その測定結果を制御部２１に供給するようにしたので、非開口傷２５の有無の判定がほとんど自動化される。これにより、測定者の手間が省けるとともに、測定時間が短縮される。もちろん、上記した実施の形態１で得られる効果も同様に得られる。

以上、本発明の実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の各実施の形態においては、ＮＷＢＰＦはアナログフィルタである例を示したが、これに限定されず、デジタルフィルタでも良い。その場合には、選択スイッチ８の前段に、アナログの透過信号Ｓ_T1をデジタルの透過データＤ_T1に変換するアナログ・デジタル変換器を設けるとともに、選択スイッチ９の後段に、ＮＷＢＰＦでろ波されたデジタルの透過データをアナログの透過信号に変換するデジタル・アナログ変換器を設ける必要がある。

また、上述の各実施の形態においては、被検材１３及び２３はいずれも鋼材からなる例を示したが、これに限定されず、被検材１３及び２３はアルミニウムやステンレスの圧延材でも良い。また、被検材１３及び２３が鋼材も含めた鋳造材からなる場合は、超音波の表面波は被検材の健全面であっても信号強度が大きいため、パルス信号Ｓ_Pの周波数は５MHz程度までで十分であり、パルス信号Ｓ_Pのパルス幅は２００nsec程度、例えば、１５０nsec以上２５０nsec以下で良い。また、被検材１３及び２３が表面粗さが少なく微小な傷までの検出が要求されるセラミックからなる場合は、パルス信号Ｓ_Pの周波数は５０MHz程度まで帯域が必要であり、パルス信号Ｓ_Pのパルス幅は０nsecより大きく１０nsec以下であることが望ましい。

また、上述の各実施の形態においては、探傷する前に表面粗さ計を用いて被検材の表面粗さを測定する例を示したが、これに限定されず、１個又は複数個のＮＷＢＰＦの中心周波数ｆ_cについて、予め被検材の表面粗さと表面波の透過信号強度との関係を測定してフィルタ選択テーブルとして印刷したり、記憶部２２に記憶しておいても良い。このように構成すれば、上述の実施の形態１では、測定者は、表面粗さ計を用いずに印刷されたフィルタ選択テーブルを参照してＮＷＢＰＦを選択することができるし、上述の実施の形態２では、制御部２１は、表面粗さ計を用いずに図示せぬフィルタ選択テーブルを参照してＮＷＢＰＦを選択することができる。

また、上述の各実施の形態においては、ＮＷＢＰＦ１０の個数は５個である例を示したが、これに限定されず、ＮＷＢＰＦ１０の個数は、２個、３個、４個、あるいは６個以上でも良い。
また、上述の各実施の形態においては、測定者が送信探触子５及び受信探触子６を被検材上で移動させる例を示したが、これに限定されず、送信探触子５及び受信探触子６を被検材上を摺動させる駆動部を設けても良い。さらに、上述の実施の形態２では、上記駆動部を制御部２１が制御するように構成しても良い。このように構成すれば、ほとんど自動化することができるので、測定時間を短縮することができるとともに、手間がかからない。

また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用することができる。例えば、上述の実施の形態１では被検材１３の表層部に存在する開口傷１４を探傷する例を示し、上述の実施の形態２では被検材２４の表層部に存在する非開口傷２５を探傷する例を示したが、これに限定されない。例えば、いずれの実施の形態においても、被検材の表層部に存在する開口傷及び非開口傷の両方を探傷するように構成しても良い。この場合、ＮＷＢＰＦは、いずれの実施の形態においても、図１に示す５個のＮＷＢＰＦと、図１０に示す５個のＮＷＢＰＦの計１０個を設けることになる。

本発明の実施の形態１における超音波探傷装置を示すブロック図である。 ＮＷＢＰＦの周波数特性の一例を示す特性図である。 同装置をマルチチャネル化する場合に送信探触子５及び受信探触子６を被検材１３上に配置する際の一例を示す図である。 開口傷の深さｈ₁と透過波の信号強度との関係の一例を示す図である。 同装置をマルチチャネル化し、ＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）を変化させた場合の実験結果の一例を示す図である。 同装置をマルチチャネル化し、ＮＷＢＰＦの比帯域幅（Ｂ／ｆ_c）を変化させた場合の実験結果の一例を示す図である。 中心周波数が６．０MHzであるＮＷＢＰＦを用いた場合の被検材における開口傷の検出結果の一例を示す図である。 中心周波数が４．５MHzであるＮＷＢＰＦを用いた場合の被検材における開口傷の検出結果の一例を示す図である。 ケーブル２及び３の長さを変化させた場合の透過信号の周波数特性の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２における超音波探傷装置を示すブロック図である。 非開口傷の深さｈ₂と透過波の信号強度との関係の一例を示す図である。

符号の説明

１ 送信部、２〜４ ケーブル、５，５₁〜５_n 送信探触子、６，６₁〜６_n 受信探触子、７ プリアンプ、８，９ 選択スイッチ、１０₁〜１０₅ ＮＷＢＰＦ、１１ メインアンプ、１２ 評価部、１３，２４ 被検材、１４ 開口傷、２１ 制御部、２２ 記憶部、２３ 表面粗さ計、２５ 非開口傷。

Claims (6)

1. 所定パルス幅のパルス信号を発生する送信部と、
   前記パルス信号を超音波の表面波に変換して、被検材の表層部に透過させる送信探触子と、
   前記表層部を透過した超音波の表面波を透過信号に変換する受信探触子と、
   前記表層部に存在する傷の検出能に対応して中心周波数が設定されるとともに、前記傷の透過信号のマルチチャネルにおけるバラツキ及び前記被検材の健全面の前記透過信号のＳ／Ｎとが、前記傷とノイズとの識別が可能となる所定の値になるように、帯域幅を前記中心周波数で除算した比帯域幅が設定された複数の狭帯域バンドパスフィルタと、
   前記被検材の表面粗さに基づき、前記傷と前記ノイズとの識別が可能となるように、前記複数の狭帯域バンドパスフィルタのいずれかを選択して前記透過信号を供給する選択スイッチと、
   前記選択された狭帯域バンドパスフィルタから出力された前記透過信号について、前記被検材の健全面の前記透過信号の信号強度と、予め設定した前記傷のしきい値とに基づいて、前記傷の有無を判定する評価部と
   を備えていることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 所定パルス幅のパルス信号を発生する送信部と、
   前記パルス信号を超音波の表面波に変換して、被検材の表層部に透過させる送信探触子と、
   前記表層部を透過した超音波の表面波を透過信号に変換する受信探触子と、
   前記表層部に存在する傷の検出能に対応して中心周波数が設定されるとともに、前記傷の透過信号のマルチチャネルにおけるバラツキ及び前記被検材の健全面の前記透過信号のＳ／Ｎとが所定の値になるように、帯域幅を前記中心周波数で除算した比帯域幅が設定された複数の狭帯域バンドパスフィルタと、
   前記複数の狭帯域バンドパスフィルタのいずれかを選択して前記透過信号を供給する選択スイッチと、
   前記被検材の表面粗さを測定する表面粗さ計と、
   前記表面粗さと、前記表面粗さに対応して選択すべき前記狭帯域バンドパスフィルタとの組み合わせに関するフィルタ選択テーブルと、
   前記表面粗さ計の測定結果に基づいて前記フィルタ選択テーブルを参照して選択すべき前記狭帯域バンドパスフィルタを決定し、この決定に基づいて前記選択スイッチを切り換える制御部と、
   前記選択された狭帯域バンドパスフィルタから出力された前記透過信号について、前記被検材の健全面の前記透過信号の信号強度と、予め設定した前記傷のしきい値とに基づいて、前記傷の有無を判定する評価部と
   を備えていることを特徴とする超音波探傷装置。
3. 前記送信部と前記送信探触子とを接続するケーブルの長さは、前記ケーブルの伝搬特性と前記狭帯域バンドパスフィルタの個数に対応して設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探傷装置。
4. 前記受信探触子から出力される前記透過信号を所定の増幅度で増幅して前記選択スイッチに供給するプリアンプを備え、前記受信探触子と前記プリアンプとを接続するケーブルの長さは、前記ケーブルの伝搬特性と前記狭帯域バンドパスフィルタの個数に対応して設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波探傷装置。
5. コンピュータを請求項２乃至４のいずれかに記載の前記制御部として機能させるための超音波探傷プログラム。
6. 被検材の表層部に存在する傷の検出能に対応して中心周波数が設定されるとともに、前記傷の透過信号のマルチチャネルにおけるバラツキ及び前記被検材の健全面の前記透過信号のＳ／Ｎとが前記傷とノイズとの識別が可能となる所定の値になるように、帯域幅を前記中心周波数で除算した比帯域幅が設定された複数の狭帯域バンドパスフィルタを備え、
   所定パルス幅のパルス状の超音波の表面波を前記被検材の表層部に透過させ、前記表層部を透過した超音波の表面波を透過信号に変換し、前記被検材の表面粗さ及び前記検出能に基づき、前記傷と前記ノイズとの識別が可能となるように、前記複数の狭帯域バンドパスフィルタの中からいずれかを選択して前記透過信号を通過させ、前記選択された狭帯域バンドパスフィルタから出力された前記透過信号について、前記被検材の健全面の前記透過信号の信号強度と、予め設定した前記傷のしきい値とに基づいて、前記傷の有無を判定することを特徴とする超音波探傷方法。

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