JP5295531B2

JP5295531B2 - 表面傷検出用超音波探傷方法及び装置

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Publication number: JP5295531B2
Application number: JP2007220059A
Authority: JP
Inventors: 哲生福地; 武志奥山; 広幸福冨; 隆志緒方
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: JP2009053043A

Description

本発明は、超音波探傷方法及び装置に関する。更に詳述すると、本発明は、表面傷特に微小な表面傷の検出に好適な超音波探傷方法及び装置に関する。

表面傷の傷深さの推定には、パルス表面波を利用したTOFD法が一般に用いられている（非特許文献１）。ＴＯＦＤ法によれば、傷のない場合のパルス表面波のビーム路程Ｔ_０と、傷のある場合のパルス表面波のビーム路程Ｔ_１との間に生じる路程差（Ｔ_１−Ｔ_０）を利用して、それらの差分を２等分することで傷深さｄを求める。パルス表面波は傷部分では傷に沿って伝播するため、表面傷の深さ分だけ迂回するためビーム路程が長くなる。そこで、超音波の入射位置と検出位置との間隔を一定にした状態で、傷のない場合のパルス表面波のビーム路程Ｔ_０を予め求めておき、被検査物のパルス表面波のビーム路程Ｔ_１との差分から表面傷の有無とその傷深さの推定を行う。ここで、ビーム路程とは、送信側探触子と受信側探触子との間でビームが経由する距離をいう。

また、接触型探触子を用いた他の表面探傷技術としては、クリーピング探触子を用いた手法や、斜角探触子を用いた斜角探傷法のような、反射波の検出による傷高さ測定が行われることもある。

しかし、上述の圧電素子型探触子で超音波の送受信を行なう一般的な超音波探傷では、探触子と検査対象が適切に接触している必要があり、多くの場合、液状の接触媒体を介す必要がある。そのため、検査対象が複雑形状である場合や高温である場合など、特に動作中の被検査物や原子力発電設備などへの適用が難しいなど、検査対象に制約を受ける問題がある。

そこで、非接触型の表面傷の測定手法の開発が望まれている。非接触型の超音波探傷法としては、従来より、レーザ超音波法がある。このレーザー超音波法は、レーザを試験体に照射することで、試験体の表面を局所的に高温にし、熱弾性あるいはアブレーションによって超音波を発生させる技術であり、非接触性とともに遠隔性の特徴を有することから、検査対象が複雑な形状であったり、高温である場合などへの適用が期待される。また、レーザ超音波で送受信される超音波は広帯域であり、微小な亀裂と相互作用し易い高周波数成分（短波長成分）を含む。このことに着目し、レーザー励起広帯域表面波を利用して微小亀裂の検出とその深さの高精度測定ができるようにしたレーザー超音波法を用いた亀裂探傷法が提案されている（非特許文献２，３）。このレーザー励起広帯域表面波を用いた微小傷サイジング手法によると、レーザー照射で発生した表面波のエネルギーが表層約１波長分に局在するため、対象表面に亀裂がある場合には、表面を伝播する高周波数表面波がその開口部で反射され、受信レーザーにより検出される。したがって、亀裂からの反射波の有り、無しで亀裂の有無を知ることができる（反射法（パルスエコー）：反射モード，図２０（Ａ）参照）。一方、亀裂がある場合、表面波信号の低周波成分は亀裂を透過する。この表面波透過成分を検出しその周波数を分析することにより亀裂の深さを測定することができる（透過法：透過モード，図２０（Ｂ）参照）。

社団法人日本非破壊検査協会発行「日本非破壊検査協会規格 TOFD法による傷高さの測定方法」平成１３年１２月１日発行落合誠他、レーザー超音波探傷技術の開発と原子炉内保全への適用、東芝レビュー、Vol.61、No.1、pp.44-47、(2006)。落合誠他、レーザー励起広帯域表面波を用いた微小傷サイジング手法、日本原子力学会誌、Vol.43、No.3、pp.91-97、(2001)。

しかしながら、ＴＯＦＤ法では、受信する表面波のエコーも弱く、推定を精度良く行うことが不可能であった。また、斜角探傷法やクリーピング法などの反射波を用いて表面傷の下端の検出を行う場合でも、傷の下端からの回折波のエコーを検出することが難しく、浅い表面傷の深さの推定が難しい。これは、斜め上方への回折波のエネルギーが元々弱いうえに、ビーム路程が長くなる分だけ拡散減衰することにより、検出可能な程度の回折波エコーが得られないことに起因する。大きく減衰し検出することができない。つまり、オシロスコープ上で見え難い。さらに、反射波を用いて表面傷を検出する方法では、欠陥の方向に依存して欠陥検出能が変わってしまったり、検出された欠陥深さを推定できないなどの問題がある。

また、非特許文献２，３記載のレーザーにより励起される超音波の広帯域の周波数特性を利用したレーザー超音波法によると、亀裂からの反射波を検出する反射モードと、亀裂を透過する表面波を検出する透過モードとを使い分ける手間がかかる。しかも、表面傷を透過した表面波の高周波側成分の減衰に着目して周波数解析を行ない、周波数特性の変化を確認する必要があり、表面傷の深さが或る値以上であるか否かを単に検出する場合には、周波数解析処理が面倒であるばかりか検出能も劣るという問題を伴う。また、一般的に、レーザによって励起される超音波は同時に縦波・横波・表面波などが発生し、伝播モードの選択および指向性の制御が困難であることが知られており、欠陥検出能が低下する虞がある。

そこで本発明は、より浅い表面傷を簡単に検出することができる超音波探傷方法及び装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の超音波探傷方法は、複数のレーザー光の被検査物に対する照射のタイミングに時間遅延を相互に与えて前記被検査物に超音波を励起させることにより、前記被検査物に対して基本周波数とその高調波成分とが明瞭に得られる狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト波形の表面波を伝播させ、表面傷を透過する透過波を受信用探触子で検出し、前記受信用探触子から出力されるＲＦ波形の振幅の変化で表面傷の有無を判断するようにしている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波探傷方法において、トーンバースト波の周波数を変化させ、透過波の消失時の周波数から表面傷の深さの推定を行うものである。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の超音波探傷方法において、トーンバースト波の発生位置と検出位置との間隔を固定して、一定方向に走査して波形を収集し、透過波が消失あるいは出現したときに、表面傷の有無を推定するものである。

また、請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探傷方法において、トーンバースト波を８波以上としたものである。

さらに、本発明にかかる超音波探傷装置は、複数のレーザー光の被検査物に対する照射のタイミングに時間遅延を相互に与えて基本周波数とその高調波成分とが明瞭に得られる狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト波形の表面波を前記被検査物に対し伝播させる送信用探触子と、前記時間遅延を与える遅延発生器と、二光波混合型レーザ干渉計を用いる受信用探触子と、前記受信用探触子が受信した前記トーンバースト波の透過ＲＦ波形を表示する表示器とを備え、前記ＲＦ波形の振幅の変化から表面傷の有無並びに深さを判断可能とするものである。

請求項１記載の発明にかかる超音波探傷方法によれば、表示されるＲＦ波形の振幅のみを観測するだけで、トーンバースト表面波の基本周波数と相関のある深さ以上の傷の有無の検出が十分可能である。このことから、亀裂からの反射波を検出する反射モードと、亀裂を透過する表面波を検出する透過モードとを使い分ける手間が不要であると共に、周波数解析を行なって周波数特性の変化を確認する必要がなく、簡単に傷の有無を判断できる。しかも、表面波の深さ方向の音圧分布は周波数に依存することから、複数のレーザー光に与えられる時間遅延の制御によって任意の狭帯域の周波数特性を持つトーンバースト表面波を生成することで、表面微小傷の検出能力を高めることができる。例えば、深さ1〜2mm以下の疲労傷でも検出が容易に可能である。基本周波数2.5MHz のトーンバースト表面波を用いた場合、深さ0.25mmという微小な傷の検出が可能であった。特に、傷の深さが重要な因子となる場合においては、その傷深さに対応する周波数のトーンバースト波を用いることで、ＲＦ波形の振幅の変化即ち透過波の有無だけで所定の深さの傷の有無、さらにはその傷深さに起因する被検査物の安全性等を判断することが簡単にできる。しかも、本発明者等の知見によると、レーザにより励起された超音波を用いる場合には、圧電素子を用いて超音波を入射する場合に比べて、強い表面波の受信信号が存在することから、より浅い表面傷を求める場合に好適である。

また、請求項２記載の発明にかかる超音波探傷方法によれば、トーンバースト波の周波数を変化させ、透過波の消失時の周波数から表面傷の深さの推定を行うことができる。即ち、励起するトーンバースト波の周波数を選択することによって、周波数解析せずに超音波波形のみを観測することにより、ある閾値以上の深さの傷の検出を行なうことができる。

また、請求項３記載の発明にかかる超音波探傷方法によれば、傷の位置が予め判明していない状況においても、走査中にＲＦ波形の振幅に変化が顕れるときには、トーンバースト波の発生位置と検出位置との間に傷が存在することがわかる。

また、請求項４記載の発明にかかる超音波探傷方法によれば、８波以上のトーンバースト波とすることにより、鋭いピークを有する狭帯域な周波数特性が得られることから、微小表面傷の有無が明瞭にＲＦ波形の振幅の変化として表れるため浅い傷を容易に検出できると共に、傷深さを推定する場合の精度が高くなる。つまり、傷の検出能力を高めることができる。

さらに、請求項５記載の発明にかかる超音波探傷装置によれば、各レーザービームの照射時間を電子的に制御することにより異なる周波数特性の表面波を容易に得ることができるので、励起するトーンバースト波の周波数を自在に変更することによって、周波数解析せずに超音波波形のみを観測することによって、ある深さ以上の傷の有無を検出したり、傷のサイジングを行なうことができる。しかも、表面傷を透過したトーンバースト表面波のＲＦ波形をそのまま表示するだけで表面傷の有無を判断することができ、周波数解析のためのスペクトラムアナライザや演算装置などを必要とせず、設備コストも安価にできると共に、操作手順も簡単なものとなる。さらに、亀裂からの反射波を検出する反射モードと、亀裂を透過する表面波を検出する透過モードとを使い分ける必要がないので、モード切替毎に受信レーザの位置を変更するなどの手間がかからない。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の一形態に基づいて詳細に説明する。

図１に本発明の超音波探傷装置の一実施形態を示す。この超音波探傷装置は、被検査物に対し前記被検査物の表面に沿って伝播するトーンバースト波を形成する複数のレーザ１から成る送信用探触子と、複数のレーザ１の照射間隔を互いにずらすことにより発生した超音波が複数波となる時間遅延を与える遅延発生器７と、二光波混合型レーザ干渉計１２を用いる受信用探触子と、受信用探触子が受信したトーンバースト波の透過ＲＦ波形を表示する表示器１４とを備え、ＲＦ波形の振幅の変化から表面傷の有無並びに深さを判断可能とするものである。

この実施形態における送信側のレーザ１としては、Ｑスイッチを備えるＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、エキシマレーザ等が用いられている。そして、励起用レーザにはそれぞれ時間遅延発生装置（遅延発生器）７が接続されており、遅延発生器７によって検出用レーザ１０のトリガ信号に対する各送信側レーザ１のＱスイッチの遅延時間が設定されることにより、レーザパルス４が時間を遅らせて照射される。

励起用レーザ光４は偏光プリズム２および円柱レンズ３を通して線状に集光される。そして、ミラー５及び集光用レンズ６を介して被検査物８の表面に照射される。その照射エネルギは偏光プリズム２によって調整でき、超音波の強度や発生方式（熱弾性型あるいはアブレーション型）を制御できる。本発明では表面波のみを利用するため、それぞれ励起用レーザの出力は熱弾性による超音波を発生させる程度、例えば30mW 程度（1パルスあたり約1.5mJ ）に調整されている。この場合、照射エネルギが小さいため、試験片にはほとんど損傷を与えない。

ここで、各レーザ１から異なるタイミングで励起用のレーザ光４を送信し、超音波を発生させることで、励起された波の伝播方向の制御が可能となる。しかも、複数のレーザ光４に与えられる遅延時間により、励起された波の到達順序を制御して波を合体させることで基本周波数付近にエネルギーの集中した狭帯域超音波を発生させることができる。

また、送信用探触子を構成する干渉計１２としては、例えば二光波混合干渉計が用いられている。二光波混合型レーザ干渉計１２（フォトリトラクティブ型レーザ干渉計）は測定用レーザ光源１０を用いて被検査体８へ照射するレーザ光１１と、被検査体８からの反射光１１’を結晶内で混合し、この際に発生する回折光と反射光の干渉信号を得る。マイケルソン型等のレーザ干渉計は反射光と照射光をそのまま干渉させるため、試料表面の粗さによって反射光の位相分布に大きな変化が生じると干渉信号が得られない短所があるが、二光波混合型レーザ干渉計１２は反射光の位相分布に大きな変化が生じても干渉信号が得られる利点がある。干渉計１２としては、二光波混合干渉計の使用が好ましいが、これに限られるものではなく、ファブリ・ペロー型干渉計（ＣＦＰＩ）等の他の公知のまたは新規の干渉計を用いるようにしても良い。さらに、干渉計１２にはバンドパスフィルタ１３を介してオシロスコープ１４が接続される。そして、干渉計１２により検出された信号は、バンドパスフィルタ１３を通じてオシロスコープ１４に表示される。バンドパスフィルタ１３は、例えばローバンドパスフィルタであり、ノイズの除去等に用いる。また、本装置では感度向上のために二光波混合型レーザ干渉計１２の測定用レーザ光の光源１０には、パルス動作が可能なロングパルスレーザが用いられている。尚、図中の符号９はプローブ、５はミラー、６は集光用レンズである。

被検査物８を伝播するトーンバースト波が表面傷を透過すると、検出位置における被検査物表面がｎｍ以下の微小な変位で振動する。そこで、検出用レーザ光１１とその反射光１１’には微小な光周波数遷移（ドップラーシフト）が発生する。レーザ光の周波数と位相の安定度が十分高ければ、この微小な光周波数遷移が干渉効果を用いて計測できる。

このように構成された超音波探傷装置によれば、複数波となるトーンバースト表面波が被検査体８の表面に沿って伝播し検出用レーザーで検出される際に、表面傷が存在すると、その透過波の振幅に変化が生じる。この透過波の振幅の変化はオシロスコープ１４のモニタリングにより簡便に行うことができる。

本実施形態において、励起用レーザ光４の照射地点と検出用レーザ光１１の照射地点とは一定の間隔Ｓを保ちながら、同じ方向に同量ずつ移動するものとしている。この場合、一体的に励起用レーザ光４の照射地点と検出用レーザ光１１の照射地点とを移動させながら走査するだけで信号が得られるので、励起用レーザ光照射地点と検出用レーザ光照射地点との間に表面傷が存在したときにのみこれを検出することができる。これにより、目視で判別できないような表面傷でも発見することが可能となる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では複数のレーザ１のそれぞれの照射のタイミングに時間遅延を与えることにより、ビームの選択性、指向性を実現しているが、場合によっては１つのレーザー源に繋がる長さの異なる光ファイバを用いることなどで導波路の長さを変えることで励起するタイミングに時間遅延を与えるようにしても良い。

マルチビームレーザ超音波測定システムによるトーンバースト表面波の形成と表面微小傷の検出について実験を行った。
実験は、図１に概要を示すマルチビームレーザ超音波測定システムを用いて行った。このシステムは超音波の励起源である8台のNd:YAG レーザ（No.1からNo.8）１と超音波を検出するフォトリフラクティブ型干渉計（フォトリトラクティブ型レーザ干渉計：TECNAR製TWM）１２から成る。8台の励起用レーザ１としてはNd:YAGレーザ（Big Sky Laser製CFR200、波長532nm、最大パルスエネルギー120mJ、パルス幅約10ns、繰り返し20Hz）を用い、検出用レーザ１０としてはパルス動作が可能なロングパルスレーザ（TECNAR製PDL、波長1064nm、ピーク出力500W、繰り返し20Hz）を用いた。また、二光波混合型レーザ干渉計３の出力信号はノイズを除去するためのバンドパスフィルタ（NF Electronic Instruments製FV-628S、透過帯域0.8MHz〜5MHzに設定）を介し、デジタルオシロスコープ（テクトロニクス製TDS5054、帯域500MHz、サンプリング速度5GS/s）によって測定した。

図２は試験片表面の拡大図である。それぞれの励起用レーザ４の照射点の間隔は1mmであり、検出用レーザ１１に最も近い励起用レーザ（#8のレーザ）４と検出用レーザ１１の間隔は50mmである。また、検出波形には透過周波数帯域0.8MHz〜5MHz のバンドパスフィルタ１３を適用し、オシロスコープ１４で100回平均した後、収集する。本実験では表面波のみを利用するため、それぞれ励起用レーザの出力は30mW 程度（1パルスあたり約1.5mJ ）に調整し、熱弾性による超音波を発生させる。照射エネルギが小さいため、試験片にはほとんど損傷を与えない。

（トーンバースト表面波の発生方法）
マルチビームレーザ超音波測定システムを用いたトーンバースト表面波の発生手順を示す。
（１）基準とするレーザ光（例えば、#1のレーザ）のみを試験片に照射して、超音波波形を測定する。
（２）基準以外のレーザ（#2から#8）を個別に照射したときのそれぞれの超音波波形と上記で測定した超音波波形を比較して表面波に対応する波形が重なるようにそれぞれの照射タイミングを決定する。
（３）基準以外からの表面波の振幅を基準の波形の振幅と一致するように偏光プリズムで照射エネルギを調節する。
（４）発生させたいトーンバースト表面波の基本周波数をfとした場合、#Nのレーザには、（N-1)/fの時間遅延を（２）で決定したタイミングに加算する。
以上の手順で基本周波数fのトーンバースト表面波が発生し、トーンバースト波の周波数特性を制御することができる。上記手順で発生するトーンバースト波は8波であるが、2台の励起用レーザに同じ時間遅延を与えることで、4波の超音波を発生することもできる。同様に2波の超音波も発生できる。また、時間遅延を0にすることで、すべてを重ね合わせた１つのパルス超音波も発生できる。これらの超音波は、複数台のレーザからのエネルギが1つの波に与えられるので大きな振幅を得ることができる。尚、予め計算により被検査物６の材質、照射位置間隔毎に、レーザの遅延時間を予め求めておいても良い。

（トーンバースト表面波の周波数特性）
マルチビームレーザ超音波測定システムで発生させたパルス表面波の周波数特性を測定した。試験片にはアルミニウム製ブロックを用いた。図３に１台の励起用レーザのみによる超音波波形と時間遅延なしの８台の励起用レーザによる超音波波形を示し、図４（Ａ），（Ｂ）にそれぞれの高速フーリエ変換による周波数解析結果を示す。図３から明らかなように８台の励起用レーザを用いることでパルス表面波の振幅を増加させることができた。また、その周波数特性を１台のみの場合と比較すると、傾向はほぼ一致していることが確認でき、パルス表面波は3MHz以下において広帯域の周波数特性を有することがわかった。

次に、トーンバースト表面波の波形と周波数特性を確認した。図５に8波、4波、2波の1MHzトーンバースト表面波の波形を示し、それぞれの周波数特性を図６に示す。図６(Ａ) が8波の場合の周波数解析結果であるが、1MHz の周波数成分に鋭いピークが見られ、これを基本周波数として、2MHz、3MHz、4MHz、5MHzに高調波成分が現れた。同図(Ｂ)、(Ｃ)はそれぞれ4波および2波の場合であるが、ともに１MHz にピークを持つが、そのピークの幅は8波の場合よりも広くなり、波の数が減少するほど周波数特性が広帯域になる傾向があることがわかった。高調波成分についても同様な傾向であった。

これらの結果から、測定感度の向上の観点では少ない波の数の方が大きな振幅が得られるので有利であるが、周波数特性が鈍化することがわかった。非特許文献２、３のレーザー励起広帯域表面波を用いた微小傷サイジング手法はこの問題を周波数解析により解決しようとしたものである。

（トーンバースト表面波による微小傷の検出）
本発明者等は、上述のトーンバースト表面波の周波数特性から、特定の周波数成分のみを有するトーンバースト表面波を発生させ、これを用いることで効率よく表面傷の検出を行うことができることを知見するに至った。図７にその概念図を示す。同図(Ａ)のパルス波の場合、励起される超音波は広帯域の周波数特性を有するため、低い周波数成分は透過し、検出される。一方、狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト表面波の場合、同図(Ｂ)のように低い周波数では透過波を検出できるが、同図(Ｃ)のように、高い周波数では、超音波は傷によって遮断されて、透過波が消失することになる。また、その周波数をより高くすることで、より微小な傷の検出も可能になる。

（実験方法）
図８に示す、長さ100mm、幅50mm、厚み20mmのアルミニウム製ブロックに0.25mm、0.5mm、1mmの深さのスリット１５を導入した３種類の試験片と参照用としてスリットのない試験片とを製作した。また、励起および検出用レーザとスリット１５との位置関係は図９に示すとおりである。励起用レーザと検出用レーザのほぼ中間にスリットを配置してスリット１５を透過する超音波を検出した。実験は図９(Ａ) の配置で、参考のために#1のレーザのみを用いた場合、1MHz、2MHz、2.5MHzのトーンバースト表面波の場合を行なった。また、同図(Ｂ)に示すスリットが30度傾斜した場合について、1MHzのトーンバースト表面波を用いて実験した。

（結果）
図１０に１台の励起用レーザによるパルス表面波のスリット透過波の波形を示す。上からスリットなし、深さ0.25mm、0.5mm、1mmのスリットの場合の波形である。また、図１１にそれぞれの周波数解析結果を示す。スリットなしの場合の波形は広帯域の周波数特性を示すが、スリットの深さが増加するに伴って、その幅広いピークの高周波側から徐々に低下することが確認された。深さ１mmのスリットの場合は、ピークの確認が困難となった。図１０の波形からも透過波の振幅が徐々に低下し、深さ1mm では透過波が消失することがわかった。そして、スリット無しの場合と深さ0.25mmのスリット有りとの場合とではその透過波の波形・振幅にはそれほど違いがなく、判別しがたい。また、深さ0.5mmのスリット有りの場合でも透過波の存在が確認でき、スリット無しの参照データが存在しないと、傷の有無は簡単には判別できないことが明らかである。これらの結果より、スリットの深さに応じて周波数特性および波形が変化することがわかり、1mm以上の傷の検出は波形のみからでも可能であると考えられるが、より微小な傷の検出には周波数解析が必要であることがわかった。

次に、トーンバースト表面波の結果の一例として2.5MHz トーンバースト表面波の場合について図１２および図１３にまとめる。スリットなしの場合の周波数解析では、基本周波数2.5MHz において明瞭なピークが確認でき、その高調波成分である5MHz においてもピークを確認できた。波形において20μs〜25μs付近にトーンバースト表面波が確認できた。しかし、0.25mm以上のスリットの測定では2.5MHzのピークは無くなり、超音波波形においても、透過波が消失した。即ち、透過波の振幅の変化即ち有り無しが明瞭に差がでる。これらの結果から、2.5MHzトーンバースト表面波は0.25mm以上のスリットを透過できないことがわかった。よって、2.5MHzトーンバースト表面波を走査することで超音波波形のみから深さ0.25mm以上の微小な傷を検出できることがわかった。同様に1MHzでは深さ1mmで、2MHzでは深さ0.5mm以上で透過波が消失することがわかった。

また、図９(Ｂ)の30度スリットを傾斜させた場合の1MHz トーンバースト表面波の結果を図１４および図１５に示す。スリットなしの場合、1MHz の基本周波数の以外に2MHz、3MHz、4MHzの高調波成分が確認できたが、0.25mmのスリットによって3MHz 以上の成分が遮断され、0.5mm のスリットで、2MHz が遮断され、最終的に1mm のスリットで、基本周波数である1MHzも透過できなくなっていることが確認できた。この結果は図９(Ａ)の場合でも同様であったことから、スリットの傾斜に関係なく、本手法を適用できることを確認した。

最後に、1MHz、2MHz、2.5MHzでトーンバースト表面波の透過波の振幅および基本周波数のピーク値とスリット深さの関係をそれぞれ図１６および図１７に示す。振幅はスリットなしの結果を基準に規格化した。また、深さ1mm スリットの場合は、透過波の振幅の信号がノイズレベル以下であったため、0とした。これらの結果から、１MHz の場合、深さ1mm 以上においては透過性がほとんど無く遮断されるのに対して、周波数を高くすると2MHzの場合は、0.5mm以上、2.5MHzの場合は0.25mm以上で超音波が遮断されることがわかる。

このことから、トーンバースト表面波を用いることにより、トーンバースト表面波の基本周波数と、この表面波が透過し得る表面傷の深さとの間には相関関係があり、特定の周波数によってある閾値以上の深さの傷の検出を行なうことが出来ることが明らかとなった。つまり、振幅のみを観測することで傷の検出が十分可能であり、検出できるスリットの深さは、トーンバースト表面波の周波数によって選択できることがわかった。基本周波数2.5MHz のトーンバースト表面波を用いた場合、深さ0.25mm という微小な傷の検出が可能であった。この手法の利点は周波数解析せずに超音波波形のみを観測して検出が行なえる点である。

（疲労傷への適用）
次に、本発明の提案したトーンバースト表面波による微小傷の検出手法を疲労傷に適用し、その有効性を検討した。

（実験方法）
長さ148mm、幅15mm、厚さ34mmのステンレス鋼製ブロックから成る図１８に示す疲労傷試験片を用いて、疲労傷の検出に有効か否かを確認した。ブロックの中央には深さが1〜2mm 程度の疲労傷１６が設けられている。深さが1〜2mmであるので、上述の実験の結果から1MHz のトーンバースト表面波を用いることとした。励起用および検出用レーザの位置関係は図１８のとおりである。同図に示すように、励起用レーザと検出用レーザの間隔を固定して、傷の方へ向かって1mmずつ走査して、波形を収集した。走査範囲はスリットを基準に両側に5mmずつとした。

（結果）
図１９にトーンバースト表面波による探傷結果を示す。図中のxは走査位置を表し、x＝0のとき検出用レーザが傷開口部直上であることを示す。つまり、x＝-5から-1は励起用レーザと検出用レーザの間に傷はなく、1MHzのトーンバースト表面波の透過波が観測されていることがわかる。一方、x＝0以上では、透過波が消失していることから、励起用レーザと検出用レーザ間に深さ1mm 以上の傷が存在することを示している。これらの結果から、トーンバースト表面波を用いた表面探傷によってＲＦ波形の振幅の変化から疲労傷を検出できることを確認した。

本発明の超音波探傷測定システムの一実施形態を示す説明図である。被検査体の表面における励起用レーザと検出用レーザとの位置関係を拡大して示す説明である。単一レーザによるパルス表面波と８台レーザによるパルス表面波の波形とを示す波形図である。パルス表面波の周波数スペクトル図であり、（Ａ）は単一レーザによるパルス表面波のものを、（Ｂ）は８台レーザによるパルス表面波のものを示す。１ＭＨｚのトーンバースト表面波の波形を示す波形図であり、上から波数８、波数４並びに波数２の波形をそれぞれ示す。１ＭＨｚのトーンバースト表面波の周波数スペクトル図であり、（Ａ）は波数８、（Ｂ）は波数４並びに（Ｃ）は波数２の周波数スペクトルをそれぞれ示す。トーンバースト波による表面微小傷の検出原理を示す説明図であり、（Ａ）はパルス表面波、（Ｂ）は低い周波数のトーンバースト波、（Ｃ）は高周波のトーンバースト波である。試験片の斜視図である。試験片のレーザの照射位置とスリット（表面傷）の関係を示す説明図であり、（Ａ）は表面波の伝播方向に対して直交するスリット、（Ｂ）は表面波の伝播方向に対して斜交するスリットである。スリットを透過したパルス表面波の波形図であり、上からスリットなし、スリット深さ0.25mm、スリット深さ0.5mm並びにスリット深さ1mmの波形をそれぞれ示す。スリットを透過したパルス表面波の周波数スペクトルズであり、上からスリットなし、スリット深さ0.25mm、スリット深さ0.5mm並びにスリット深さ1mmのときの表面波のスペクトルの変化をそれぞれ示す。スリットを透過した2.5MHzのトーンバースト表面波の波形図であり、上からスリットなし、スリット深さ0.25mm、スリット深さ0.5mm並びにスリット深さ1mmの波形をそれぞれ示す。スリットを透過した2.5MHzのトーンバースト表面波の周波数スペクトルズであり、上からスリットなし、スリット深さ0.25mm、スリット深さ0.5mm並びにスリット深さ1mmのトーンバースト表面波のスペクトルの変化をそれぞれ示す。傾斜スリットを透過した1MHzのトーンバースト表面波の波形図であり、上からスリットなし、スリット深さ0.25mm、スリット深さ0.5mm並びにスリット深さ1mmの波形をそれぞれ示す。傾斜スリットを透過した1MHzのトーンバースト表面波の周波数スペクトルズであり、上からスリットなし、スリット深さ0.25mm、スリット深さ0.5mm並びにスリット深さ1mmのトーンバースト表面波のスペクトルの変化をそれぞれ示す。スリット深さとスリットを透過したトーンバースト表面波の振幅の関係を示すグラフであり、縦軸に振幅、横軸にスリットの深さをとって、1MHz、2MHz、2.5MHzの３つのトーンバースト表面波についてそれぞれ示す。スリット深さとスリットを透過したトーンバースト表面波の基本周波数成分の関係を示すグラフであり、縦軸に基本周波数のピーク値、横軸にスリットの深さをとって、1MHz、2MHz、2.5MHzの３つのトーンバースト表面波についてそれぞれ示す。疲労き裂試験片の斜視図である。疲労き裂の単子葉波形を示す波形図である。レーザー励起広帯域表面波を用いた微小傷サイジング手法を示す説明図であり、（Ａ）は反射モード、（Ｂ）は透過モードである。

符号の説明

１送信用探触子（励起用レーザ）
４励起用レーザー光
７遅延発生器
８被検査物
１０検出用レーザー源
１２干渉計
１３バンドパスフィルタ
１４オシロスコープ（表示装置）
１５スリット
１６疲労傷

Claims

複数のレーザー光の被検査物に対する照射のタイミングに時間遅延を相互に与えて前記被検査物に超音波を励起させることにより、前記被検査物に対して基本周波数とその高調波成分とが明瞭に得られる狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト波形の表面波を伝播させ、表面傷を透過する透過波を受信用探触子で検出し、前記受信用探触子から出力されるＲＦ波形の振幅の変化で表面傷の有無を判断するものである超音波探傷方法。
前記トーンバースト波の周波数を変化させ、透過波の消失時の周波数から表面傷の深さの推定を行うものである請求項１記載の超音波探傷方法。
前記トーンバースト波の発生位置と検出位置との間隔を固定して、一定方向に走査して波形を収集し、透過波が消失あるいは出現したときに、表面傷の有無を推定するものである請求項１または２記載の超音波探傷方法。
前記トーンバースト波は８波以上である請求項１から３のいずれか１つに記載の超音波探傷方法。
複数のレーザー光の被検査物に対する照射のタイミングに時間遅延を相互に与えて基本周波数とその高調波成分とが明瞭に得られる狭帯域の周波数特性を有するトーンバースト波形の表面波を前記被検査物に対し伝播させる複数のレーザから成る送信用探触子と、前記時間遅延を与える遅延発生器と、二光波混合型レーザ干渉計を用いる受信用探触子と、前記受信用探触子が受信した前記トーンバースト波の透過ＲＦ波形を表示する表示器とを備え、前記ＲＦ波形の振幅の変化から表面傷の有無並びに深さを判断可能とする超音波探傷装置。