JP4939165B2

JP4939165B2 - 超音波探傷方法

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Publication number: JP4939165B2
Application number: JP2006289125A
Authority: JP
Inventors: 高弘林; 守正村瀬; 光伸瀧川; 司阿部
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: JP2008107165A

Description

本発明は、超音波を用いて鉄道用レールの探傷を行う超音波探傷方法に関するものである。

従来、超音波を用いて鉄道用レールの探傷を簡便かつ高速に行う技術として、下記非特許文献１に記載のレール探傷車を用いた探傷方法が知られている。このようなレール探傷車は、レール上に接触するタイヤ探触子を備えており、このタイヤ探触子によってレール内部に向けて探傷用の超音波が入射され、反射波が検出される。
瀧川光伸，本卓也，尾高達男，「レール探傷車の探傷能力向上」，JR EAST Technical Review，No.02-Winter，２００３年，Ｐ３５．

しかしながら、タイヤ探触子からの超音波は、レール頭部から下方に入射されるので、レール底端部までは超音波が届き難い。従って、上記レール探傷車を用いた方法においては、レール底端部の損傷の検出は十分にできなかった。敷設されたレールの底端部は、枕木に強く締結され、また、踏切等において地中に埋められる場合もあるので、電触や腐食等による損傷が発生し易い箇所である。従って、レール底端部の損傷は、特に効率よく検出することが求められる。

本発明は、鉄道用レールの底端部の損傷を効率よく検出することができる超音波探傷方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波探傷方法は、超音波を用いてＪＩＳ５０Ｎ規格又はＪＩＳ６０ｋｇ規格の鉄道用レールの底端部の探傷を行う超音波探傷方法において、鉄道用レールの底端部を、当該鉄道用レールの幅方向に伸縮振動させるように加振する加振工程と、加振工程により発生する所定の周波数及び所定の群速度をもつ反射超音波を検出して鉄道用レールの底端部の損傷の位置を検知する検知工程と、を備え、所定の周波数は、７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であり、所定の群速度は、２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下であり、加振工程では、鉄道用レールの底端部の側面に、斜角探触子を成す超音波探触子を設置し、当該超音波探触子の斜角ウェッジ部から、当該鉄道用レールの長手方向に対して所定の入射角θで所定の周波数の超音波を鉄道用レールに入射させ、所定の入射角θは、斜角ウェッジ部における縦波音速ｃｗと、超音波の位相速度ｃｐと、に基づいて、θ＝ｓｉｎ−１（ｃｗ／ｃｐ）で表されることを特徴とする超音波探傷方法。

この超音波探傷方法では、鉄道レールの底部がレールの幅方向に振動するような加振工程が行われる。このような加振工程によれば、周波数が７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であり、群速度が２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下において、レールの底端部が幅方向に振動するようなガイド波のモードが発生することが、本発明者らの鋭意研究により見出された。従って、この方法によれば、レール底部には幅方向の振動が伝播するので、レール底端部における損傷を効率よく検出することができ、かつ、上記群速度に基づいて、損傷の位置を同定することができる。

加振工程では、鉄道用レールの底端部の側面に、斜角探触子を成す超音波探触子を設置し、当該超音波探触子の斜角ウェッジ部から、当該鉄道用レールの長手方向に対して所定の入射角θで所定の周波数の超音波を鉄道用レールに入射させ、所定の入射角θは、斜角ウェッジ部における縦波音速ｃｗと、超音波の位相速度ｃｐと、に基づいて、θ＝ｓｉｎ−１（ｃｗ／ｃｐ）で表される。

このような方法によれば、超音波探触子に入射された超音波振動により、レールの底端部が幅方向に振動するように加振される。また、上記のような入射角θで超音波が入射されると、スネルの法則に従って、超音波はレールの長手方向に伝播するので、効率のよい探傷が可能になる。

本発明の超音波探傷方法は、超音波を用いて鉄道用レールの探傷を行う超音波探傷方法において、鉄道用レールの底部を、当該鉄道用レールの幅方向に振動させるように加振する加振工程と、加振工程により発生する所定の周波数及び所定の群速度をもつ反射超音波を検出して鉄道用レールの損傷の位置を検知する検知工程と、を備え、所定の周波数は、７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であり、所定の群速度は、２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下であり、加振工程では、鉄道用レールの底端部の側面に、斜角探触子を成す超音波探触子を設置し、当該超音波探触子の斜角ウェッジ部から、当該鉄道用レールの長手方向に対して所定の入射角θで所定の周波数の超音波を鉄道用レールに入射させ、所定の入射角θは、斜角ウェッジ部における縦波音速ｃｗと、超音波の位相速度ｃｐと、に基づいて、θ＝ｓｉｎ−１（ｃｗ／ｃｐ）で表され、加振工程では、第１の探触子と当該第１の探触子よりも９０°遅れた位相で振動させる第２の探触子とを含む複数の超音波探触子が用いられ、第１の探触子と第２の探触子とを、鉄道用レールの底端部の側面に長手方向に交互に直線状に配列し、超音波探触子から入射させる超音波の波長をλとしたとき、第１の探触子同士は、間隔ｍλ（但し、ｍ＝１，２，…）で等間隔に配列され、各第２の探触子は、隣接する各第１の探触子から（１／４＋ｎ／２）・λ（但し、ｎ＝０，１，２，…）だけ離れて配置されることを特徴とする。
本発明の超音波探傷方法は、超音波を用いて鉄道用レールの探傷を行う超音波探傷方法において、鉄道用レールの底部を、当該鉄道用レールの幅方向に振動させるように加振する加振工程と、加振工程により発生する所定の周波数及び所定の群速度をもつ反射超音波を検出して鉄道用レールの損傷の位置を検知する検知工程と、を備え、所定の周波数は、７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であり、所定の群速度は、２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下であり、加振工程では、鉄道用レールの底端部の側面に超音波探触子を設置し、超音波探触子を設置面に垂直な方向に振動させて所定の周波数の超音波を入射させ、加振工程では、第１の探触子と当該第１の探触子よりも９０°遅れた位相で振動させる第２の探触子とを含む複数の超音波探触子が用いられ、第１の探触子と第２の探触子とを、鉄道用レールの底端部の側面に長手方向に交互に直線状に配列し、超音波探触子から入射させる超音波の波長をλとしたとき、第１の探触子同士は、間隔ｍλ（但し、ｍ＝１，２，…）で等間隔に配列され、各第２の探触子は、隣接する各第１の探触子から（１／４＋ｎ／２）・λ（但し、ｎ＝０，１，２，…）だけ離れて配置されることを特徴とする。

このような探触子の配列及び探触子の振動によれば、鉄道用レールの長手方向の一方方向にのみ振動のエネルギーを伝播させ、反対の方向には振動のエネルギーを伝播させないという状態が作り出される。従って、この構成によれば、探傷に係る超音波をレール内に高いエネルギーで伝播させ、反射波を高いエネルギーで得ることができるので、より良好なレールの探傷を行うことができる。

本発明の超音波探傷方法によれば、鉄道用レールの底端部の損傷を効率よく検出することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る超音波探傷方法の好適な実施形態について詳細に説明する。以下の説明においては、図１等に示すように、鉄道用レール１の幅方向をｘ方向、レール１の高さ方向をｙ方向、レール１の長手方向をｚ方向とする。また、このような鉄道用レール１は、頭部１ａ、腹部１ｂ、及び底部３の部位から構成されており、底部３のうち両端に近い部位５は、底端部と呼ばれる。また、本発明において、「底部３の（又は底端部５の）上面５ａ」、「底部３の（又は底端部５の）下面５ｂ」等の語を用いる場合の上下の概念は、図１に示すようなレール１の通常の使用状態での上下に従うものとする。

（第１実施形態）
図１に示すような鉄道用レール１において、底部３の底端部５の損傷を効率よく検出することが望まれている。このようなレール１において、底端部５の損傷を効率よく検出するためには、底端部５にエネルギーが集中しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、レール１に発生させる必要がある。そのようなモードの一つとして、本発明者らは、図２に示すようにレール１の底端部３がレール１の高さ方向（ｙ方向）に上下振動するようなガイド波のモードに着目した。本発明者らはレール１の断面形状データに基づく数値解析により、まず、レール１の底部３が上下に大きく振動するガイド波のモードについての群速度分散曲線（図３）及び位相速度分散曲線（図４）を作成した。

そして、本発明者らは種々の実験により、この群速度分散曲線上に対応するガイド波のうち、特に、周波数：３０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下、かつ、群速度：２０００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下の領域のものが、底端部５を効率よく上下振動（高さ方向に振動）させ、底端部５の探傷に適していることを見出した。更には、その中でも、周波数：５０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下、かつ、群速度：２５００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下の領域に対応するガイド波が、特に、底端部５の探傷に適していることを見出した。なお、ガイド波の周波数が２００ｋＨｚを超えると、ガイド波の減衰が大きいので、探傷には適さない。また、ガイド波の周波数が３０ｋＨｚ未満であると、入射ノイズのため入射位置から数ｍの近距離場での検査が不可能であったり、欠陥検出能力が低下したりするので、探傷には適さない。

このような知見に基づいて、本発明者らは、群速度分散曲線上（図３）から、周波数：５０ｋＨｚ，群速度：２８４０ｍ／ｓの点Ｑ１を選択し、この点に相当するガイド波のモードを用いてレール１の超音波探傷を行うこととした。

この超音波探傷方法においては、図１に示すように、鉄道用レール１の底端部５の上面５ａにおいて、縦波を励振するための垂直探触子が設置される。ここでは、垂直探触子７ａ〜９ａと、垂直探触子７ｂ〜９ｂとの２種類の垂直探触子が、レール１の長手方向（ｚ方向）に平行な直線上に、交互に配置される。なお、垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂの詳細な位置関係については後述する。そして、垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂにそれぞれ制御装置（図示せず）からの駆動信号が送信されると、上面５ａに垂直な矢印Ａ方向に垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂが周波数５０ｋＨｚで振動し、超音波がレール１に入射される。

このような超音波が入射されることにより、超音波振動で底端部５が上下方向に加振され、上述の通り、レール１の底端部５がｙ方向に上下振動するようなガイド波のモードが発生する（加振工程）。このガイド波の周波数は５０ｋＨｚであり、群速度（音速）は、２８４０ｍ／ｓである。続いて、垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂは、それぞれ、レール１の損傷で反射された反射波（反射超音波）を受信する。そして、受信された反射波の時間位置の情報がコンピュータ等で処理される。上記のとおり、探傷に用いるガイド波の群速度が特定されているので、ここでは、レール１の損傷からの反射波が現れる時間位置を計測することで損傷の位置を同定することができる（検知工程）。

また、図４に示すレール１の位相速度分散曲線では、このガイド波は点Ｑ２に相当し、位相速度は２５９０ｍ／ｓである。また、このガイド波の波長λは、上記周波数と上記位相速度から算出されるように、λ＝２５９０（ｍ／ｓ）／５０（ｋＨｚ）＝５２（ｍｍ）である。そして、図１に示すように、上記垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂの配置は、上記ガイド波の波長λに基づいて以下のように決定されている。すなわち、探触子７ａ，８ａ，９ａは等間隔に配置され、当該間隔Ｐ１は波長λの整数倍とされている（Ｐ１＝ｍλ：ｍ＝１，２，…）。例えばｍ＝２を採用した場合は、Ｐ１＝１０４となるので、探触子７ａ，８ａ，９ａは１０４ｍｍ間隔で配列すればよい。また、隣接する探触子７ａ，７ｂ、探触子８ａ，８ｂ、及び探触子９ａ，９ｂの間の距離Ｐ２は、すべてＰ２＝（１／４＋ｎ／２）・λに設定されている（ｎ＝０，１，２，…）。例えばｎ＝０を採用した場合は、Ｐ２＝１３となるので、隣接する探触子７ａ，７ｂ、探触子８ａ，８ｂ、及び探触子９ａ，９ｂの間隔は、１３ｍｍとすればよい。

更に、探触子７ａ，８ａ，９ａには同じ駆動信号が分岐されて入力され、探触子７ａ，８ａ，９ａは同位相で振動する。同様に、探触子７ｂ，８ｂ，９ｂには同じ駆動信号が分岐されて入力され、探触子７ｂ，８ｂ，９ｂは同位相で振動する。そして、探触子７ｂ，８ｂ，９ｂに入力される駆動信号は、探触子７ａ，８ａ，９ａに入力される駆動信号を反転させ、位相をT/4（Tは中心周波数に対する1周期の時間）分遅らせた波形とされている。従って、探触子７ｂ，８ｂ，９ｂは、探触子７ａ，８ａ，９ａよりも位相が９０°遅れて振動する。また、探触子７ｂ，８ｂ，９ｂの振幅と探触子７ａ，８ａ，９ａの振幅とが同じになるように、駆動信号が制御される。このような駆動信号及び探触子の上記の配置により、これらの探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂからは、レール１の長手方向における矢印Ｂ方向にのみ振動のエネルギーが伝播し、反対の方向にはエネルギーが伝播しないという状態が作り出される。

また、反射波の受信についても、探触子７ａ，８ａ，９ａと探触子７ｂ，８ｂ，９ｂとで反射波を独立に受信し、探触子７ｂ，８ｂ，９ｂで受信された波形を９０°位相を遅らせて足し合わせる処理を行えばよい。このような構成によれば、探傷に係る超音波をレール１内に高いエネルギーで伝播させ、反射波を高いエネルギーで得ることができるので、より良好なレール１の探傷を行うことができる。なお、垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂは、上記の間隔で、底端部５の下面５ｂに設置してもよく、上面５ａ、下面５ｂの両方に設置してもよい。

以上のような超音波探傷方法によれば、レール１に超音波を入射したときに、底端部５が上下振動しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、レール１に発生させることができるので、レール１の底端部５の損傷を効率よく検出することができる。

なお、上述の領域Ｓ１（図３）には、主に２つの曲線が見られるが、そのうちの一つは、図２に示すような、左右の底端部５が同じ方向に上下振動するモードに対応し、他の一つは、図５に示すような、左右の底端部５が逆の方向に上下振動するモードに対応する。実際には、これら２つのモードは混在しており、群速度の差も小さいので、レール１において同時に伝播する。このことから、例えば、レール１の右側の底端部５のみに垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂを設置して励振すると、励振された右側底端部５のみが振動して、長手方向に伝播していく。これは、レール右側底端部５を励振したため、上記２つのモードが足しあわされたモードが現れた結果、左側底端部５の振動は抑制され、右側底端部５の振動が大きくなったためである。同様に、左側底端部５のみを振動させることも可能である。図３を見て分かるように、これら２つのモードは，周波数による音速差（分散性）が小さい。これは、伝播に伴う波形の崩れが小さいことを意味しており、このようなガイド波のモードを用いれば、長距離伝播後もＳＮ比が大きい波形が得られることを意味している。

本発明者らは、上述の超音波探傷方法によるレール１の探傷試験を行った。試験に用いたレール１は、長さ４ｍのＪＩＳ５０Ｎ規格のものであり、このレール１の端部から約１．９ｍの位置には、底端部５の損傷が存在していた。また、探触子７ａ〜９ｂは、レール１の端部直近に設置し、各探触子の配置に係る上記パラメータｍ，ｎは、ｍ＝１，ｎ＝０とした。図６に示すように、この試験により得られた受信波形によれば、時間１３００μｓ付近に大きな反射波が検出されている。この反射波は、上記の群速度２８４０ｍ／ｓに基づいて距離に換算され、レール１端部から約１．９ｍの位置の上記底端部５の損傷に対応することが判る。このように、上述の超音波探傷方法によれば、底端部５の損傷を検出し、その損傷の位置を同定できることが判った。

（第２実施形態）
本発明者らは、底端部５にエネルギーが集中しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードの更に他の例として、図７に示すようにレール１の底端部３がレール１の幅方向（ｘ方向）に伸縮振動するようなガイド波のモードに着目した。本発明者らは、数値解析により、まず、レール１の底部３がｘ方向に大きく伸縮振動するモードについての群速度分散曲線（図８）及び位相速度分散曲線（図９）を作成した。

そして、本発明者らは種々の実験により、この群速度分散曲線上に対応するガイド波のうち、特に、周波数：７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下、かつ、群速度：２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下の領域のものが、底端部５が効率よくｘ方向に伸縮振動し、底端部５の探傷に適していることを見出した。上記の領域中でも、周波数：７０ｋＨｚ以上１２０ｋＨｚ以下、かつ、群速度：２４００ｍ／ｓ以上３２００ｍ／ｓ以下の領域に対応するガイド波が、特に、底端部５の探傷に適していることを見出した。なお、ガイド波の周波数が２００ｋＨｚを超えると、ガイド波の減衰が大きいので、探傷には適さない。また、ガイド波の周波数が７０ｋＨｚ未満であると、波長が大きくなって超音波のエネルギーが底端部側面５ｃ近傍に集中しないので、底端部５の探傷には適さない。

このモードは、材料表面上を横波音速より１０％程度遅い音速で伝播するレイリー波に似た伝播モードであり、材料表面の半波長程度にエネルギーが集中する性質を持つ波動であることが明らかになった。レール１の底端部側面５ｃにこのレイリー波に似たモードを励振する場合、側面５ｃ近傍にエネルギーが集中して伝播することから、側面５ｃにある傷の検出能力に優れている。

また、使用状態におけるレール１は、パンドロール型や犬釘型の締結装置により上下に締め付けられているが、このモードは、側面５ｃを幅方向に振動させることにより、締結による減衰が小さい。従って、このモードによる探傷は、強い締結状態の締結装置が使用されている箇所にも適用することができる。

このような知見に基づいて、本発明者らは、群速度分散曲線上（図８）の周波数：１００ｋＨｚ，群速度：２７６０ｍ／ｓの点Ｑ２１を選択し、この点に相当するガイド波のモードを用いてレール１の超音波探傷を行うこととした。なお、このガイド波のモードは、位相速度分散曲線（図９）上では点Ｑ２２に相当し、位相速度は、３３００ｍ／ｓである。

この超音波探傷方法においては、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、鉄道用レール１の底端部側面５ｃに、上記のガイド波モード（図８の点Ｑ２１）を励振するための発信用斜角探触子３７ａと、受信用斜角探触子３７ｂと、の２つの斜角探触子が配置される。斜角探触子３７ａ，３７ｂの先端には、超音波をレール１に伝達するためのアクリル製の斜角ウェッジ部３１が設けられている。この斜角ウェッジ部３１は、所望の超音波入射角θに合わせて傾斜先端面の傾斜が調整されており、この傾斜先端面をレール１の底端部上面５ａに沿わせて設置することで、斜角探触子３７ａは入射角θでレール１に超音波を入射することができる。上記斜角探触子３７ａと同一の構成を有する斜角探触子３７ｂは、斜角探触子３７ａの近傍において平行に設置され、反射超音波の受信用として使用される。この超音波探傷方法において、斜角探触子３７ａ，３７ｂは、斜角ウェッジ３１の先端がレール１の長手方向（ｚ方向）を指すようにして配置され、超音波の出射方向が、ｚｘ平面に平行であるような姿勢で設置される。

この方法における斜角探触子３７ａからの超音波の好ましい入射角θは、以下のように定められる。入射角θは、斜角ウェッジ３１の音速ｃｗ（ここでは、アクリルの縦波音速：ｃｗ＝約２６００ｍ／ｓ）と、上記点Ｑ２１に対応するガイド波モードの位相速度ｃｐ＝３３００ｍ／ｓと、に基づいて、数式θ＝ｓｉｎ^−１（ｃｗ／ｃｐ）により、θ＝５２°と決定される。このように定めた入射角θで超音波をレール１に入射すれば、スネルの法則により屈折角が９０°となるので、すなわち、レール１の長手方向（ｚ方向）に伝播するガイド波が得られ、高いエネルギーの超音波により探傷を効率よく行うことができる。

このような配置において、斜角探触子３７ａに駆動信号が送信されると，探触子３７ａが側面５ｃに超音波振動を与える。このとき，ｃｐ＝３３００ｍ／ｓの上記Ｑ２１に対応するモードが、スネルの法則にしたがって大きく励振される。そして斜角探触子３７ａが側面５ｃに垂直な矢印Ｄ方向に周波数１００ｋＨｚで振動し、超音波がレール１に入射される。このような超音波が入射されることにより、上述の通りレール１の底端部５がｘ方向に振動する成分が支配的なガイド波のモードが発生し、底端部５の幅方向の振動がＢ方向に伝播する。次に、受信用の斜角探触子３７ｂでは、同じくスネルの法則に従って、高いエネルギーの反射波を受信することができる。そして、この反射波を解析し、上記群速度に基づいてレール１の損傷の位置を同定することができる。

以上のような超音波探傷方法によれば、底端部５が幅方向（ｘ方向）に伸縮振動しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、レール１に発生させることができるので、レール１の底端部５の損傷を効率よく検出することができる。なお、この実施形態に係る超音波探傷方法において、第１実施形態と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。

なお、上述した斜角探触子３７ａ，３７ｂと同様の斜角探触子を送信受信兼用として用い、底端部側面５ｃに配列される斜角探触子を１個としてもよい。また、そのような送信受信兼用の斜角探触子を、底端部側面５ｃにおいて、ｚ方向に複数配列してもよい。この場合、第１実施形態と同様に、第１の斜角探触子同士を、間隔ｍλ（但し、ｍ＝１，２，…）で等間隔に配列し、第１の探触子よりも９０°遅れた位相で振動させる第２の探触子を、隣接する各第１の探触子から（１／４＋ｎ／２）・λ（但し、ｎ＝０，１，２，…）だけ離れて配置することとしてもよい。このような方法によれば、探傷に係る超音波をレール１内に高いエネルギーで伝播させ、反射波を高いエネルギーで得ることができるので、より良好なレール１の探傷を行うことができる。

本発明者らは、上述の超音波探傷方法によるレール１の探傷試験を行った。試験に用いたレール１は上記第１実施形態の探傷試験と同じであるが、ここでは、そのレール１が締結装置により締結された状態で試験を行った。なお、このような締結がされている場合、第１実施形態の探傷方法では、欠陥エコーを得ることが出来なかった。図１１に示すように、この試験により得られた受信波形によれば、時間１５００μｓ付近に大きな反射波が得られている。この反射波は、上記の群速度２７６０ｍ／ｓに基づいて距離に換算され、レール１端部から約２ｍの位置の上記底端部５の損傷に対応することが判る。このように、上述の超音波探傷方法によれば、締結装置により底端部５が締め付けられた状態であっても、底端部５の損傷を検出し、その損傷の位置を同定できることが判った。

（第３実施形態）
上記第１実施形態で示したような、底端部５がｙ方向に振動するガイド波のモード（周波数：５０ｋＨｚ、群速度：２８４０ｍ／ｓ、位相速度ｃｐ：２５９０ｍ／ｓ）を励振させるためには、図１２に示すように、第２実施形態で用いた上記斜角探触子３７ａ，３７ｂを用いることができる。この超音波探傷方法においては、斜角探触子３７ａ，３７ｂは、レール１の底端部上面５ａに取り付けられる。そして、この斜角探触子３７ａ，３７ｂは、超音波入射角θ＝ｓｉｎ^−１（ｃｗ／ｃｐ）＝ｓｉｎ^−１（２６００／２５９０）となるように調整された斜角ウェッジ３１を備えており、斜角ウェッジ３１の先端がレール１の長手方向（ｚ方向）を指すようにして配置され、５０ｋＨｚの超音波が送受信される。

このような方法によれば、スネルの法則に従って、ｚ方向に伝播する高いエネルギーの超音波を発生させることができる。そして、底端部５がｙ方向に上下振動しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、レール１に発生させることができるので、レール１の底端部５の損傷を効率よく検出することができる。なお、この実施形態に係る超音波探傷方法において、上記各実施形態と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。

（第４実施形態）
また、上記第１実施形態で示したような、底端部５がｙ方向に振動するガイド波のモード（周波数：５０ｋＨｚ、群速度：２８４０ｍ／ｓ、位相速度ｃｐ：２５９０ｍ／ｓ）を励振させるためには、垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂに代えて、図１３に示すように、底端部上面５ａに対して、ハンマー４１で下向きに打撃を加える方法を採用することもできる。この場合、５０ｋＨｚの超音波を受信するように設計された受信専用の斜角探触子４７が底端部上面５ａに設置される。

この斜角探触子４７は、第２実施形態と同様に、超音波入射角θ＝ｓｉｎ^−１（ｃｗ／ｃｐ）＝ｓｉｎ^−１（２６００／２５９０）となるように調整された斜角ウェッジ３１を備えており、斜角ウェッジ３１の先端がレール１の長手方向（ｚ方向）を指すようにして配置される。上記のようなハンマー打撃によれば、上記モードを含んだ様々な周波数の波が混在して伝播するが、その波の中から上記斜角探触子４７により５０ｋＨｚの所望のモードの超音波のみを選択的に大きく受信することができる。

また、コンピュータを用いて、受信した反射超音波からその群速度に基づいて損傷の位置を同定するにあたっては、ガイド波が発生した瞬間、すなわちハンマー打撃が加えられた瞬間を、コンピュータが認識する必要がある。このため、底端部上面５ａには、ハンマー打撃による応力波を検出するための垂直探触子４８が設置されている。ハンマー打撃が行われると、打撃で発生した応力波が垂直探触子４８に検出され、損傷の位置同定に係る上記コンピュータにトリガ信号が送信される（打撃検知工程）。このような打撃検知工程により、上記コンピュータは、ガイド波が発生した瞬間を認識することができるので、受信信号波形を表示することができ、損傷の位置の同定のための演算を行うことができる。また、上記のような底部の打撃を複数回繰り返してもよく、各回の受信信号波形を加算平均することで、ランダムノイズが消えたきれいな波形を得ることができ、レール損傷の位置の同定を良好に行うことができる。なお、ハンマー打撃の瞬間を検知するためには、ハンマー４１に代えて、圧電センサが内蔵されたインパクトハンマーを用い、圧電センサからの電気信号をコンピュータに送信してもよい。

この超音波探傷方法によれば、ハンマー打撃を用いることにより、探触子を用いる場合に比べて大きなエネルギーのガイド波を発生させることができる。そして、底端部５がｙ方向に上下振動しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、斜角探触子４７により選択的に受信することで、レール１の底端部５の損傷を効率よく検出することができる。なお、この実施形態に係る超音波探傷方法において、上記各実施形態と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。

（第５実施形態）
また、上記第２実施形態で示したような、底端部５がｘ方向に振動するガイド波のモード（周波数：１００ｋＨｚ、群速度：２７６０ｍ／ｓ、位相速度ｃｐ：３３００ｍ／ｓ）を励振させるためには、図１４に示すように、第１実施形態の垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂを用いることができる。この超音波探傷方法においては、設置面に対して垂直に１００ｋＨｚで振動する垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂが、レール１の底端部側面５ｃに取り付けられる。そして、この垂直探触子７ａ〜９ａ，７ｂ〜９ｂの配列に係るパラメータＰ１，Ｐ２は、第１実施形態と同様に決定される。

このような超音波探傷方法によっても、底端部５が幅方向に伸縮振動しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、レール１に発生させることができるので、レール１の底端部５の損傷を効率よく検出することができる。なお、この実施形態に係る超音波探傷方法において、上記各実施形態と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。

（第６実施形態）
また、上記第２実施形態で示したような、底端部５がｘ方向に振動するガイド波のモード（周波数：１００ｋＨｚ、群速度：２７６０ｍ／ｓ、位相速度ｃｐ：３３００ｍ／ｓ）を励振させるためには、図１５に示すように、底端部側面５ｃに対して、ハンマー４１でｘ方向に打撃を加える方法を採用することもできる。この場合、１００ｋＨｚの超音波を受信するように設計された受信専用の斜角探触子６７が底端部側面５ｃに設置される。この斜角探触子６７は、第２実施形態の斜角探触子３７ａ，３７ｂと同様に、超音波入射角θ＝ｓｉｎ^−１（ｃｗ／ｃｐ）＝ｓｉｎ^−１（２６００／３３００）となるように調整された斜角ウェッジ３１を備えており、斜角ウェッジ３１の先端がレール１の長手方向（ｚ方向）を指すようにして配置される。

上記のようなハンマー打撃によれば、上記モードを含んだ様々な周波数の波が混在して伝播するが、その波の中から上記斜角探触子６７により１００ｋＨｚの所望のモードの超音波のみを選択的に大きく受信することができる。また、底端部側面５ｃには、ハンマー打撃による応力波を検出し、電気信号を送出する垂直探触子６８が設置されている。ハンマー打撃が行われると、打撃で発生した応力波が垂直探触子６８に検出され、損傷の位置同定に係るコンピュータに送信される（打撃検知工程）。このような打撃検知工程により、上記コンピュータは、ガイド波が発生した瞬間を認識することができ、損傷の位置の同定のための演算を行うことができる。

この超音波探傷方法によれば、ハンマー打撃を用いることにより、探触子を用いる場合に比べて大きなエネルギーのガイド波を発生させることができる。そして、底端部５が幅方向に伸縮振動しながらレール１の長手方向に伝播するガイド波のモードを、斜角探触子６７により選択的に受信することで、レール１の底端部５の損傷を効率よく検出することができる。なお、この実施形態に係る超音波探傷方法において、上記各実施形態と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。

本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第１，５実施形態においては、６個の探触子が用いられているが、ガイド波の波長λに応じた間隔で複数の探触子を配列すれば、探触子の個数を増減してもよい。また、一般に、主な鉄道用レールの種類としては、ＪＩＳ６０ｋｇとＪＩＳ５０Ｎとが存在するが、両者の断面形状及び材質に大きな差はないので、本発明は、上記両方の種類の鉄道用レールに対して、同じように適用することができる。

本発明の超音波探傷方法の第１実施形態を示す鉄道用レールの斜視図である。鉄道用レールの底端部の振動の一形態を表した断面図である。鉄道用レールの底部が上下に大きく振動するガイド波のモードの群速度分散曲線を示す図である。鉄道用レールの底部が上下に大きく振動するガイド波のモードの位相速度分散曲線を示す図である。鉄道用レールの底端部の振動を表した断面図である。第１実施形態に係る鉄道用レールの探傷試験によって得られた受信波形を示す図である。鉄道用レールの底端部の振動の他の形態を表した断面図である。鉄道用レールの底部が幅方向に大きく振動するガイド波のモードの群速度分散曲線を示す図である。鉄道用レールの底部が幅方向に大きく振動するガイド波のモードの位相速度分散曲線を示す図である。（ａ）は、本発明の超音波探傷方法の第２実施形態を示す鉄道用レールの斜視図であり、（ｂ）は、その平面図である。第２実施形態に係る鉄道用レールの探傷試験によって得られた受信波形を示す図である。（ａ）は、本発明の超音波探傷方法の第３実施形態を示す鉄道用レールの斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）における斜角探触子を側面から見た図である。本発明の超音波探傷方法の第４実施形態を示す鉄道用レールの斜視図である。本発明の超音波探傷方法の第５実施形態を示す鉄道用レールの斜視図である。本発明の超音波探傷方法の第６実施形態を示す鉄道用レールの斜視図である。

符号の説明

１…鉄道用レール、３…底部、３ａ…底部の上面、３ｂ…底部の下面、５…底端部、５ｃ…底端部の側面、７ａ，８ａ，９ａ…垂直探触子（第１の探触子）、
７ｂ，８ｂ，９ｂ…垂直探触子（第２の探触子）、３１…斜角ウェッジ部、３７ａ，３７ｂ，４７，６７…斜角探触子。

Claims

超音波を用いてＪＩＳ５０Ｎ規格又はＪＩＳ６０ｋｇ規格の鉄道用レールの底端部の探傷を行う超音波探傷方法において、
前記鉄道用レールの底端部を、当該鉄道用レールの幅方向に伸縮振動させるように加振する加振工程と、
前記加振工程により発生する所定の周波数及び所定の群速度をもつ反射超音波を検出して前記鉄道用レールの前記底端部の損傷の位置を検知する検知工程と、を備え、
前記所定の周波数は、７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であり、前記所定の群速度は、２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下であり、
前記加振工程では、前記鉄道用レールの底端部の側面に、斜角探触子を成す超音波探触子を設置し、当該超音波探触子の斜角ウェッジ部から、当該鉄道用レールの長手方向に対して所定の入射角θで前記所定の周波数の超音波を前記鉄道用レールに入射させ、
前記所定の入射角θは、
前記斜角ウェッジ部における縦波音速ｃｗと、前記超音波の位相速度ｃｐと、に基づいて、θ＝ｓｉｎ−１（ｃｗ／ｃｐ）で表されることを特徴とする超音波探傷方法。
超音波を用いて鉄道用レールの探傷を行う超音波探傷方法において、
前記鉄道用レールの底部を、当該鉄道用レールの幅方向に振動させるように加振する加振工程と、
前記加振工程により発生する所定の周波数及び所定の群速度をもつ反射超音波を検出して前記鉄道用レールの損傷の位置を検知する検知工程と、を備え、
前記所定の周波数は、７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であり、前記所定の群速度は、２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下であり、
前記加振工程では、前記鉄道用レールの底端部の側面に、斜角探触子を成す超音波探触子を設置し、当該超音波探触子の斜角ウェッジ部から、当該鉄道用レールの長手方向に対して所定の入射角θで前記所定の周波数の超音波を前記鉄道用レールに入射させ、
前記所定の入射角θは、
前記斜角ウェッジ部における縦波音速ｃｗと、前記超音波の位相速度ｃｐと、に基づいて、θ＝ｓｉｎ−１（ｃｗ／ｃｐ）で表され、
前記加振工程では、第１の探触子と当該第１の探触子よりも９０°遅れた位相で振動させる第２の探触子とを含む複数の前記超音波探触子が用いられ、
前記第１の探触子と前記第２の探触子とを、前記鉄道用レールの底端部の側面に長手方向に交互に直線状に配列し、
前記超音波探触子から入射させる前記超音波の波長をλとしたとき、
前記第１の探触子同士は、間隔ｍλ（但し、ｍ＝１，２，…）で等間隔に配列され、
各前記第２の探触子は、隣接する各前記第１の探触子から（１／４＋ｎ／２）・λ（但し、ｎ＝０，１，２，…）だけ離れて配置されることを特徴とする超音波探傷方法。
超音波を用いて鉄道用レールの探傷を行う超音波探傷方法において、
前記鉄道用レールの底部を、当該鉄道用レールの幅方向に振動させるように加振する加振工程と、
前記加振工程により発生する所定の周波数及び所定の群速度をもつ反射超音波を検出して前記鉄道用レールの損傷の位置を検知する検知工程と、を備え、
前記所定の周波数は、７０ｋＨｚ以上２００ｋＨｚ以下であり、前記所定の群速度は、２４００ｍ／ｓ以上３５００ｍ／ｓ以下であり、
前記加振工程では、前記鉄道用レールの底端部の側面に超音波探触子を設置し、前記超音波探触子を設置面に垂直な方向に振動させて前記所定の周波数の超音波を入射させ、
前記加振工程では、第１の探触子と当該第１の探触子よりも９０°遅れた位相で振動させる第２の探触子とを含む複数の前記超音波探触子が用いられ、
前記第１の探触子と前記第２の探触子とを、前記鉄道用レールの底端部の側面に長手方向に交互に直線状に配列し、
前記超音波探触子から入射させる前記超音波の波長をλとしたとき、
前記第１の探触子同士は、間隔ｍλ（但し、ｍ＝１，２，…）で等間隔に配列され、
各前記第２の探触子は、隣接する各前記第１の探触子から（１／４＋ｎ／２）・λ（但し、ｎ＝０，１，２，…）だけ離れて配置されることを特徴とする超音波探傷方法。