JP5345096B2

JP5345096B2 - アレイ超音波探傷装置

Info

Publication number: JP5345096B2
Application number: JP2010081113A
Authority: JP
Inventors: 友則木村; 光詞井幡; 朗細谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214891A

Description

本発明は、固体に発生したきずを、非破壊で検査する超音波探傷に関し、特に、ＳＮ比の向上を図ったアレイ超音波探傷装置に関するものである。

まず、従来の自動探傷装置による探査方法について、試験体対象が丸棒である場合を例に説明する。図４は、従来の自動探傷装置における丸棒自動探傷を行う際の垂直探傷の説明図であり、図５は、従来の自動探傷装置における丸棒自動探傷を行う際の斜角探傷の説明図である（例えば、非特許文献１参照）。図４および図５においては、丸棒１の自動探傷に用いられる垂直探触子１１、および斜角探触子１２が示されている。なお、図５における斜角探触子１２は、２つ配置されており、それぞれ１２ａおよび１２ｂとして示している。

丸棒の自動探傷は、図４に示すように、垂直探触子１１を用いて丸棒１内に超音波ビームを垂直に入射して、丸棒１の内部を探傷する。または、図５に示すように、斜角探触子１２ａおよび１２ｂを用いて丸棒１に対して斜めに超音波ビームを入射して、丸棒１の表層部を探傷する。この際、図示はしていないが、丸棒１の周囲には接触媒質として水などの液体が満たされている。

従来の丸棒自動探傷では、丸棒の周囲を探触子が回転することにより、全面探傷を行っている。この方式に対し、近年では、アレイ探触子を周囲に配置し、探触子が回転する代わりに、超音波ビームの励振位置を回転させる方式の自動探傷装置がある（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、アレイ探触子を丸棒周囲に配置し、表層部のきずを探傷する装置が示されており、超音波ビームを斜めに入射している。これは、先の図５に示した斜角探傷に相当する。当然、図４に示した垂直探傷も、アレイ探触子を丸棒周囲に配置することにより実現できる。

図６は、従来のアレイ超音波探傷装置による垂直探傷の説明図である。図６に示す従来のアレイ超音波探傷装置は、アレイ探触子１０および送受信器２０を有しており、アレイ探触子１０を丸棒１の周囲に配置することで、丸棒１の中心にあるきず２を垂直探傷する状況を示している。

ここで、アレイ探触子１０は、外部からの励振信号を受信することにより駆動される複数の励振素子を有している。さらに、アレイ探触子１０は、水などの接触媒質を介して超音波ビームを試験体である丸棒１へ向けて照射し、試験体表面および試験体内部の音響的不連続部で反射された超音波を、接触媒質を介して受信して電気信号に変換する。

一方、送受信器２０は、励振信号を送信することでアレイ探触子１０を駆動し、その応答として、アレイ探触子１０で変換された電気信号を受信することで、試験体である丸棒１の探傷を行う。

図６では、時間経過に伴う（ａ）〜（ｃ）の３つの状態が示されている。図６（ａ）は、アレイ探触子１０の左側にある素子を励振し、探傷する状態を示している。同様に、図６（ｂ）は、アレイ探触子１０の中央付近にある素子を励振し、探傷する状態を示しており、図６（ｃ）は、アレイ探触子１０の右側にある素子を励振し、探傷する状態を示している。

これら（ａ）〜（ｃ）の状態を連続的に行うことにより、励振位置が丸棒周囲を回転することになるので、探触子が回転する代わりとなる。励振素子数は、システムで要求されるビーム幅を満足するように決められる。励振素子数がカバーする範囲を、ここでは、カバー範囲と呼ぶことにする。なお、励振位置を移動させる距離やスピードは、システムによって異なる。

特開２００９−１５０６７９号公報

（社）日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」ｐ９７２、日刊工業新聞社（１９９２）

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来のアレイ超音波探傷装置では、垂直探傷を行う際に、丸棒表面で反射された表面エコーが、探傷ゲート内に侵入することによるＳＮ比の劣化が問題であった。ここで、信号成分Ｓはきずエコーであり、ノイズ成分Ｎは表面エコーの尾引きである。ＳＮ比を向上させるには、表面エコーをきずエコーに対して相対的に低減させる必要があり、ＳＮ比の改善によるアレイ超音波探傷装置の性能向上が望まれている。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、アレイ探触子を用いた自動探傷を行う際に、表面エコーをきずエコーに対して相対的に低減させ、ＳＮ比の改善を図ったアレイ超音波探傷装置を得ることを目的とする。

本発明に係るアレイ超音波探傷装置は、励振信号を受信することにより駆動される複数の励振素子を有し、接触媒質を介して超音波ビームを試験体へ向けて照射し、試験体表面および試験体内部の音響的不連続部で反射された超音波を、接触媒質を介して受信して電気信号に変換するアレイ探触子と、励振信号を送信してアレイ探触子を駆動し、アレイ探触子で変換された電気信号を受信することで試験体の探傷を行う送受信器とを備えたアレイ超音波探傷装置において、送受信器は、複数の励振素子の中で、試験体の探傷に要求されるビーム幅を満足するようなカバー範囲の励振素子を特定して励振信号の送信および電気信号の受信を行う際に、カバー範囲の励振素子のうち、真ん中の数素子あるいは単一素子を励振せず、両端の数素子あるいは単一素子に相当する部分的励振素子に対して励振信号を送信し、部分的励振素子で変換された電気信号を受信するものである。

本発明に係るアレイ超音波探傷装置によれば、アレイ探触子においてカバー範囲内の真ん中の数素子あるいは単一素子を励振しないことにより、アレイ探触子を用いた自動探傷を行う際に、表面エコーをきずエコーに対して相対的に低減させ、ＳＮ比の改善を図ったアレイ超音波探傷装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるアレイ超音波探傷装置による垂直探傷の説明図である。本発明の実施の形態１におけるアレイ超音波探傷装置のＳＮ比向上に関する説明図である。本発明の実施の形態１における表面エコーおよびきずエコーのシミュレーション結果を示した図である。従来の自動探傷装置における丸棒自動探傷を行う際の垂直探傷の説明図である。従来の自動探傷装置における丸棒自動探傷を行う際の斜角探傷の説明図である。従来のアレイ超音波探傷装置による垂直探傷の説明図である。

以下、本発明のアレイ超音波探傷装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるアレイ超音波探傷装置による垂直探傷の説明図である。この図１は、従来法を説明した図６に対応するものであり、アレイ探触子１０の励振方法が相違している。

まず、図１を参照して、本実施の形態１におけるアレイ超音波探傷装置の構成について説明する。図１に示した本実施の形態１におけるアレイ超音波探傷装置は、アレイ探触子１０および送受信器２０を備えており、被探傷対象である丸棒１の中心にあるきず２の検出を行う。ここで、丸棒１とアレイ探触子１０は、同じ方向の曲率を有しているものとする。すなわち、図１を示した紙面と垂直方向には曲がっておらず、曲率中心は、図１の下側にあるものとする。

送受信器２０は、アレイ探触子１０を電気的に励振するとともに、アレイ探触子１０からの電気信号を処理する。図１では、従来法を説明した図６と同様に、時間経過に伴う（ａ）〜（ｃ）の３つの状態が示されている。

次に、本実施の形態１におけるアレイ超音波探傷装置の動作について説明する。送受信器２０は、電気的な励振信号をアレイ探触子１０に送信する。先の図６を用いて説明した従来法における送受信器２０は、励振信号をカバー範囲内のアレイ素子へ伝達していた。これに対して本発明における送受信器２０は、カバー範囲は同じであるが、真ん中の数素子あるいは単一素子を励振せず、両端の数素子あるいは単一素子を励振するような励振信号を伝達する。

このようにして部分的に励振された素子からは、超音波ビームが放射され、丸棒１の中心にあるきず２へ超音波ビームが照射される。そして、丸棒１の中心にあるきず２で反射された超音波は、伝搬経路を逆に辿って、アレイ探触子１０で受信される。

受信時においても、カバー範囲内の素子の内、真ん中の数素子あるいは単一素子を無視して受信する。このような励振および受信を、図１（ａ）〜（ｃ）で示すように、時間的に連続的に行うことにより、励振位置が丸棒１の周囲を回転することになるので、探触子が回転する代わりとなる。

次に、本発明におけるアレイ超音波探傷装置において、垂直探傷のＳＮ比が向上する理由を説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるアレイ超音波探傷装置のＳＮ比向上に関する説明図である。図１を用いて説明したように、本発明では、カバー範囲内の真ん中の数素子あるいは単一素子を励振しないことを技術的特徴としている。そこで、励振しない素子を挟んで左側の数素子をアレイＡ、右側の数素子をアレイＢとする。この場合、送受の状態としては、
（ケース１）アレイＡで送受信
（ケース２）アレイＢで送受信
（ケース３）アレイＡで送信、アレイＢで受信
（ケース４）アレイＢで送信、アレイＡで受信
という４ケースに分けて考えることができる。

（ケース１）および（ケース２）は、表面エコーときずエコーが同様に受信されるので、両エコーに差異はない。しかしながら、（ケース３）および（ケース４）は、両エコーに差異が生じる。そこで、（ケース３）の場合を例に、両エコーに差が生じることを、図２を参照しながら説明する。

まず、きずエコーの受信について、図２（ａ）を用いて説明する。アレイＡで励振された超音波ビームは、音軸中心の主成分が丸棒１の中心部へ向かって伝搬し、丸棒１の中心にあるきず２で反射される。丸棒１の中心にあるきず２は、小さいので、反射波は、四方八方へ伝搬し、指向性がないような状態となる。したがって、アレイＢでも十分受信可能となり、きずエコーは、アレイＡで受信した場合と同様に、大きな振幅でアレイＢにより受信される。

これに対し表面エコーは、状況が異なることを、図２（ｂ）を用いて説明する。アレイＡで励振された超音波ビームは、丸棒１の表面で反射されるが、音軸中心の主成分は、アレイＢの方向へは伝搬しない。一方、音軸から少し異なる角度で伝搬した成分が、丸棒１の表面で反射され、アレイＢで受信され、表面エコーとなる。音軸から少し異なる方向で伝搬した成分は、音軸中心の主成分に比べてビーム強度が小さいので、きずエコーと比較すると相対的に振幅は小さくなる。

（ケース４）は、（ケース３）と送受が反転しているだけなので、同様に、表面エコーの振幅は、きずエコーと比較すると相対的に小さくなる。したがって（ケース３）および（ケース４）の全体として考えても、表面エコーの振幅は、きずエコーと比較して小さくなる。ここで、表面エコーは、ノイズ成分であり、きずエコーは、信号成分であるので、結果としてＳＮ比が向上することになる。

カバー範囲内の真ん中の数素子あるいは単一素子を励振しないと、表面エコーがきずエコーと比較して相対的に小さくなることを確認するため、シミュレーションでエコーを求めた。図３は、本発明の実施の形態１における表面エコーおよびきずエコーのシミュレーション結果を示した図である。

アレイ探触子１０の応答特性は、周波数７ＭＨｚで広帯域なものとし、丸棒１は、直径２０ｍｍとした。また、アレイ探触子１０のカバー範囲は、１６チャンネル分とし、
（パターン１）１６チャンネル全てを送受信
（パターン２）１６チャンネルの内、真ん中の６チャンネルを無視して送受信
という２つのパターンで、エコーを求めた結果が図３に示されている。

図３（ａ）は、表面エコーおよびきずエコーを示している。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）だけでは、きずエコーの比較が困難なため、図３（ａ）の縦軸を拡大したものを示している。

なお、図３中、実線で示したエコーが、１６チャンネル全てを送受信した（パターン１）の場合に受信されたエコーである。また、点線で示したエコーが、１６チャンネルの内、真ん中の６チャンネルを無視して送受信した（パターン２）の場合に受信されたエコーである。

図３（ｂ）に示すように、表面エコーについて、（パターン１）による実線の振幅と（パターン２）による点線の振幅とを比較すると、真ん中の６チャンネルを無視して送受信することで、表面エコーの振幅は、−１３，９ｄＢとなる。一方、きずエコーについて、（パターン１）による実線の振幅と（パターン２）による点線の振幅とを比較すると、きすエコーの振幅は、−８．２ｄＢにとどまっている。このように、カバー範囲内の真ん中の数素子あるいは単一素子を励振しない（パターン２）の場合には、表面エコーの振幅がきずエコーの振幅と比較して、相対的に小さくなることが確認できた。

実際のシステムでは、探傷ゲート内にある表面エコーの尾引きがノイズ成分となるが、表面エコー自体が低減されれば、このような尾引きによるノイズ成分も低減される。したがって、カバー範囲内の真ん中の数素子あるいは単一素子を励振しないことにより、ＳＮ比の向上を図ることができる。

なお、図３におけるシミュレーション結果では、１６チャンネルの内の真ん中の６チャンネルを無視して送受信した場合を示したが、このような励振条件が最適であるとは限らない。丸棒１の径や周波数によって最適条件は変化すると考えられる。従って、送受信器２０は、丸棒１の径や周波数によって励振条件を変更して設定できる機能を有することで、丸棒１の径や周波数に応じた最適な探傷を実施することができる。

なお、上述した実施の形態１では、試験体が丸棒１である場合について説明したが、本発明は試験体が丸棒に限定されるものではない。パイプやビレット等の試験体の探傷にも、適用可能である。この場合、アレイ探触子１０の音響放射面の曲率は、試験体と同様である必要はない。

以上のように、実施の形態１によれば、アレイ探触子においてカバー範囲内の真ん中の数素子あるいは単一素子を励振しないことで自動探傷を行うことにより、表面エコーの振幅をきずエコーの振幅に対して相対的に低減させることができる。この結果、ＳＮ比の改善を図ったアレイ超音波探傷装置を実現することができる。

１０アレイ探触子、２０送受信器。

Claims

励振信号を受信することにより駆動される複数の励振素子を有し、接触媒質を介して超音波ビームを試験体へ向けて照射し、前記試験体表面および前記試験体内部の音響的不連続部で反射された超音波を、前記接触媒質を介して受信して電気信号に変換するアレイ探触子と、
前記励振信号を送信して前記アレイ探触子を駆動し、前記アレイ探触子で変換された前記電気信号を受信することで前記試験体の探傷を行う送受信器と
を備えたアレイ超音波探傷装置において、
前記送受信器は、前記複数の励振素子の中で、前記試験体の探傷に要求されるビーム幅を満足するようなカバー範囲の励振素子を特定して前記励振信号の送信および前記電気信号の受信を行う際に、前記カバー範囲内の励振素子のうち、真ん中の数素子あるいは単一素子を励振せず、両端の数素子あるいは単一素子に相当する部分的励振素子に対して前記励振信号を送信し、前記部分的励振素子で変換された前記電気信号を受信する
ことを特徴とするアレイ超音波探傷装置。
請求項１に記載のアレイ超音波探傷装置において、
前記送受信器は、前記試験体の特性および周波数に応じて励振条件を変更して前記励振信号を送信する機能を有することを特徴とするアレイ超音波探傷装置。
請求項１または２に記載のアレイ超音波探傷装置において、
前記アレイ探触子は、前記試験体と対向する音響放射面が前記試験体と同様の曲率を有するように構成されていることを特徴とするアレイ超音波探傷装置。