JP5497448B2 - 超音波試験の干渉保護を強化する方法及びこの方法を実行する装置 - Google Patents

Description

本発明は、非破壊試験の分野に関するものであり、超音波試験システム、主には、シート及びロール材並びにパイプの自動超音波試験装置において使用可能である。

超音波試験のプロセスにおいては、超音波探傷器トランスデューサにより、高周波数の弾性振動パルスを被検体内に放射している。主に被検体表面に垂直に、１秒当たりに数百回、場合によっては、数千回のレートで、プロービングパルスを放射している。そして、これに相応し、受信トランスデューサにより（受信及び放射は、しばしば、１つの同一のトランスデューサを使用して実行されている）、被検体から、１秒当たりに数百回又は数千回のレートで、応答を受信しており、この応答は、「表現（ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ）」とも呼ばれている。

それぞれの表現は、ロール材の表面及び欠陥から反射された信号と、更には、その大部分が音響的又は電磁的なものに由来する干渉によって生成されたパルスと、を含んでいる（Ｊ．Ｋｒａｕｔｋｒａｍｅｒ及びＨ．Ｋｒａｕｔｋｒａｍｅｒによる「Ｗｅｒｋｓｔｏｆｆｐｒｕｆｕｎｇ ｍｉｔ Ｕｌｔｒａｓｃｈａｌｌ」（Ｂｅｒｌｉｎ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、１９６１年）を参照されたい）。

干渉が存在していない場合には、それぞれの表現は、トランスデューサが配設された場所における被検製品の厚さに関する情報や不連続性の存在又は不存在に関する情報などの判定を実現する情報を含んでいる。干渉によって受信情報が歪む可能性があり、この結果、被検製品の物理特性及び有用な品質に関する誤った判定が下されることになる。

干渉のレベルを低減するべく、様々な方法が使用されており、例えば、真の欠陥のない場所に対して予め超音波検査を実施することにより、受信信号のスペクトルのコードを蓄積ユニット内に記録し、このコードを検査対象の製品のエリアのエコー信号のスペクトルのコードと比較することにより、試験の結果を評価している（ソビエト連邦特許第１３４１５７１号（ＳＵ１３４１５７１））。

更には、露国特許第２１２３４０１号（ＲＵ２１２３４０１）の方法においては、電磁−音響トランスデューサによる試験における干渉のレベルを低減するべく、被検材料の磁気的状態のパルス正規化と、表現のコヒーレント及び非コヒーレントな蓄積を利用している。プロービングパルスに対して「ロック」されており、従って、有用な信号は、１つの表現から次のものへと相対的に低速で変化する振幅及び位相を具備しており、効果的に１つに加算されて、迅速に「成長」している。一方、干渉は、大部分のケースにおいて、その到着時間、振幅、及び位相がランダムであり、ストレージ装置内における集約は、効率的ではなく、格段に低速で「増加」することになる。この結果、大部分のケースにおいて、コヒーレントな（並びに、非コヒーレントな）蓄積により、「有用な信号／干渉」比を効果的に増大させることが可能である。

ソビエト連邦特許第１３４１５７１号（ＳＵ１３４１５７１）、ソビエト連邦特許第９３２３９１号（ＳＵ９３２３９１）、英国特許第１０３４７２４号（ＧＢ１０３４７２４）に開示されている方法、並びに、特に、露国特許第２１２３４０１号（ＲＵ２１２３４０１）に開示されている方法では、プロービングパルスと、従って、有用な信号と部分的に又は完全に同期した（そのスペクトルが、しばしば、有用な信号のスペクトルと一致している）超音波試験に固有の特定の干渉と闘うことを可能とすることができない。このような干渉は、誤動作を引き起こすと共に、ストレージ装置内に蓄積することによって「有用な信号／干渉」比を低下させる可能性があるため、非常に危険である。同期干渉の原因の一例が、最近のあらゆる自動超音波試験のマルチチャネルシステムに具備されている制御演算複合体のコンピュータである。又、多くの場合に、同期干渉は、以前のプロービングパルスによって発生した製品内における非減衰振動又は超音波トランスデューサの動作エリア内に進入したスケール粒子又は気泡の寄生振動に由来している。

ランダムであるが十分に強力であって長時間にわたって作用する干渉の場合には、ストレージユニットを「突破（ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ）」する可能性も存在しており、この結果、露国特許第２１２３４０１号（ＲＵ２１２３４０１）による方法の有効性は、低下することになる。これは、以下のような状況においてもまた同様である。

概して、超音波探傷器のパルス信号の記録には、広帯域フィルタの使用を想定しており、これは、一般に強力な「ベースエコー」信号を成形する自然の反射体にかなり近接して位置する欠陥を選び出す必要性によるものである。

広帯域フィルタは、そのエッジのドルーピングを伴うことなしに信号の受信を提供しており、これは、分解能の観点においては好都合である。しかしながら、このようなフィルタの干渉耐性は、いくつかの実際的なケースにおいて不十分であることが立証されよう。

フィルタ特性を受信信号のスペクトルと整合させるべく試みた場合には、後者の形状が大幅に歪むことになる。信号エッジが「ドルーピング」し、これは、特に、相対的に薄い厚さの平らな製品を試験する際に、欠陥の検出可能性の観点において不都合である。

干渉が存在しない状態においては、広帯域受信は、次のような基本的な利点を提供している。

・広帯域受信機の出力信号の「デッドゾーン」が相当に短い（しばしば、数分の１の）。

・自然の反射体に近接して位置する欠陥を検出可能である。

・広いレンジの厚さのロール材を試験可能である。

広帯域受信機の更なる１つの利点は、本質的に高い精度において「ベースエコー」パルス間の距離を判定するその能力にある。これは、例えば、超音波による厚さ計測を実行する際に極めて重要である。

しかしながら、これらの利点のすべてが顕在化するのは、干渉が存在していない状態においてのみである。

例えば、産業的なパルス電磁障害の干渉が存在している場合には、広帯域受信は、探傷装置の誤動作に結び付くことになる。これらの誤動作は、超音波探傷への根拠のない拒絶をもたらすと共に、大部分のケースにおいて、金属製品の製造者にとって、絶対的に許容できるものではない。

これは、特に、ロール材を製造する単一のプロセスフローに直接内蔵された超音波試験の高性能マルチチャネル自動システムを使用するケースに関係している。手動による探傷器とは対照的に、このようなシステムの重要な特性は、「ワンパス」で試験を実行することを要するという点にあり、試験されていないエリアに戻ることが非常に困難であり、しばしば、これが不可能である場合も存在している。

一方、受信域の通過帯域の最適化は、常に、妥協であって、いくつかのケースにおいては、望ましい結果をもたらさない。通常、このようなシステムは、必要とされる干渉耐性を具備しておらず、満足のゆく分解能をも具備していない。

本発明によれば、これらの矛盾を解消可能である。

本発明の主な目的は、干渉保護が強化された超音波試験法を提供することにあり、この方法によれば、高い時間分解能を有しており、従って、デッド試験ゾーンが最大限に低減されていると共に厚さ計測精度を保持しており、同時に、試験結果の高い信頼性を提供する試験を実行可能である。又、このような方法を実現する装置を提供することも、本発明の目的の１つである。

この目的は、超音波試験の干渉保護を強化する本発明の方法によって実現されており、この方法は、超音波トランスデューサによる広帯域受信段階と、超音波信号を記録及び処理する段階を有しており、超音波トランスデューサによって受信した信号をいくつかの時間ゾーンに分割し、この信号を欠陥から反射された信号の待機ゾーン内に配置されているその成分から分離し、プロービングパルスの作用ゾーンから及びベースエコー信号の待機ゾーンから広帯域増幅器に信号を送信することにより、異なる時間ゾーンからの信号に個別の処理を施し、対応する装置の出力において最大信号／干渉比を提供するべく、欠陥から反射された信号の待機ゾーンから到来する信号にフィルタリングを施し、欠陥から反射された信号の待機ゾーン内の最大信号振幅を判定し、この振幅の値を最大許容可能値と比較し、且つ、この比較の結果から欠陥の存在／不存在を判定している。欠陥から反射された信号の待機ゾーン内において、プロービングパルスのスペクトルの又は受信している有用な信号のスペクトルの特性を示す周波数成分の振幅をプロービンパルスのスペクトルの又は受信している有用な信号のスペクトルの特性を示していない周波数成分の振幅と比較することにより、欠陥の存在／不存在の判定の信頼性を評価している。受信信号から同期干渉（即ち、規則的な成分）を除去するべく、受信信号の（コヒーレント又は非コヒーレントな）蓄積の主及び副サイクルを実行し、且つ、蓄積の主及び副サイクルを実行した結果として得られた合計信号を減算することにより、同期干渉が除去された受信信号を取得している。

前述の本発明の方法を実行するための装置は、超音波振動信号を受信し、これを処理及び記録するユニットを有しており、この装置は、４つのスイッチング装置、帯域通過及び阻止フィルタ、６つのピーク検出器、信号遅延装置、信号レベルの比率を計測する２つのユニット、２つの閾値装置、信号加算及び信号減算装置を有している。受信信号は、第１の２つのスイッチング装置を介して第１の２つのピーク検出器の入力に、そして、増幅器及び第３のスイッチング装置を介して帯域通過及び阻止フィルタの入力に到来している。帯域通過フィルタの出力は、信号遅延装置の入力及び第３ピーク検出器の入力に結合されており、阻止フィルタの出力は、第４ピーク検出器の入力に結合されている。信号レベルの比率を計測する両方のユニットの出力は、閾値装置を通じて信号加算装置の入力に結合されており、信号加算装置の出力は、第４スイッチング装置の制御入力に結合されおり、この信号入力は、信号遅延装置の出力に結合されている。スイッチング装置の出力は、第１及び第２蓄積ユニットの入力に結合されており、第１及び第２蓄積ユニットの出力は、信号減算装置の入力に結合されている。信号減算装置の出力は、第６ピーク検出器の入力に結合されており、第１蓄積ユニットの出力は、第５ピーク検出器の入力に結合されおり、このピーク検出器の出力から、処理済みの干渉が除去された信号の振幅値を取得している。

添付の図面を参照し、その特定の実施例について記述することにより、本発明について更に説明することとする。

図１及び図２に示されているのは、整合フィルタリングを有する受信機を使用した場合（図１）及び広帯域受信機を使用した場合（図２）のシート型及び断面がロール状の材料の特徴を示す信号の図である。プロービングパルスが参照符号１によって示されており、第１及び第２ベースエコー信号が、それぞれ、参照符号２及び３によって示されており、欠陥からの信号が参照符合４によって示されている。広帯域受信機の出力における信号が、相当に（いくつかのケースにおいては、数分の１の）短い「デッドゾーン」を持っている。図２において、プロービングパルス１は、図１の類似したパルスよりも格段に短くなっている。これに起因し、図２において可視状態にあるパルス４の中の１つが、図１においては、実際に弁別不可能である（最初のプロービングパルスの後のパルス）。図１にその図が示されている信号内に明瞭に定義されているはずの欠陥から反射されたいくつかの信号の存在又は不存在の事実を、図１に示されている信号の形状によって確定することができないのである。

広帯域受信によれば、相対的に広いレンジの厚さのロール材を試験可能である。例えば、厚さが１／４に低減された場合には、整合受信機を使用する試験は、不可能であって、図３のパルス２及び３は、事実上、マージしている。一方、広帯域受信機の場合には（図４）、試験が可能であって、この理由は、パルス２及び３の間のギャップが、欠陥から反射されたパルスをその内部に記録するのに十分なものになっているためである。

広帯域受信機によって受信した信号をいくつかの時間ゾーンＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤ（図２）に分割している（図２）。プロービングパルスの作用ゾーンから及びベースエコー信号の待機ゾーンから広帯域増幅器に信号を送信することにより、異なる時間ゾーンからの信号に個別の処理を施し、対応する装置の出力において最大信号／干渉比を提供するべく、欠陥から反射された信号の待機ゾーンからの信号にフィルタリングを施し、欠陥から反射された信号の待機ゾーン内における最大信号振幅を判定し、この振幅の値を最大許容可能値と比較し、且つ、この比較の結果から欠陥の存在／不存在を判定している。

例えば、ゾーンＢ及びＤにおいて受信した信号のスペクトルにおいて、有用な信号の特性を示していない周波数成分が優勢である場合には、欠陥（不連続性）の検出に関する決定の信頼性が低いという結論が下される。許容可能な閾値の超過が干渉によって発生した可能性が非常に高い。

更には、欠陥から反射されたパルスの待機ゾーン内の信号から有用な信号と同期した干渉を除去しており、この干渉は、ロール材製品内において、例えば、非減衰振動により、又は圧電又は電磁音響トランスデューサによって励起された寄生波の存在によって発生可能である。このような信号処理を実現するべく、受信信号の主及び副蓄積サイクルを実行し、この主及び副蓄積サイクルの結果として１つに加算された信号を減算することにより、同期干渉が存在しない受信信号を取得している。信号蓄積サイクルは、対応する時間ゾーン（ゾーンＢ及びＤ）の信号のいくつかの連続した表現を記憶する段階と、これに後続する様々な放射−受信サイクルに属する欠陥の同一名称の待機ゾーンの信号の相互間における履歴的な加算段階、並びに、主蓄積サイクルの結果との関係における副蓄積サイクルの後続の正規化段階を有している。

一般的なケースにおいては、製品の品質を評価するべく、ベースエコー信号２、３の振幅（それぞれ、図５のゾーンＣ及びＥ内の信号）とゾーンＢ及びＤ内の信号の振幅というパラメータを少なくとも知る必要がある。

図８に示されているのは、信号に伴う前述の動作の実行を実現する装置の構造図である。この装置は、広帯域増幅器６、スイッチング装置７、８、９、及び１０、最大振幅値を計測するピーク検出器１１、１２、１３、１４、１５、及び１６、有用な信号スペクトルの最適な分離を実現する帯域通過フィルタ１７、有用な信号阻止のために適合された阻止フィルタ１８、それぞれ、ユニット１１及びユニット１４の出力信号の振幅に対するユニット１３の出力信号の振幅の比率を計測する動作を実行するユニット１９及び２０、閾値装置２３及び２４、加算器装置２５（論理「ＥＮＤ」回路）、信号遅延装置２６、それぞれ、蓄積数Ｎ１及びＮ２を有する蓄積ユニット２７及び２８（ここで、Ｎ１は、Ｎ２よりも格段に小さい）、蓄積ユニット２７を通過した信号から蓄積装置２８を通過した信号の減算を実行する減算装置２９を有している。

更には、この構造図内には、入力信号の入力地点５、第１ベースエコー信号の振幅を計測する地点２１、第２ベースエコー信号の振幅を計測する地点２２、ゾーンＢ（又はＤ）の第１蓄積ユニット２７の出力における有用な信号の振幅を計測する地点３０、同期干渉が除去されたゾーンＢ（又はＤ）からの有用な信号の振幅を計測する地点３１が示されている。

図５に示されている入力情報信号５（参照符号３６によって示されている干渉パルス）は、スイッチング装置７及び８の入力と、更には、２つの第１ベースエコー信号２１及び２２の振幅値の計測を実行するピーク検出器１１及び１２と、に到来している。この後に、これらの信号を使用することにより、不連続性を検出するミラー−シャドー及び複数ミラーシャドー法を実現可能である。これに加えて、第１ベースエコーパルスの振幅の値は、限定的な状態において、被検体（ＯＴ）内に導入されたエネルギーの量を特徴付けている。この値に照らして、すべての残りの受信信号の振幅の計測を実行するのが便利である。同時に、入力信号５は、整合（又は、最適）フィルタリングの場合には不可避であるゾーンＢ及びＤから受信された信号の振幅の縮小を補償するべく機能する広帯域増幅器６の入力に到来している。有用な信号と干渉の混合物は、帯域通過及び阻止フィルタ１７、１８を通過しているが、これらの入力に対しては、スイッチング装置９を通じて到来している。干渉が存在していない場合及び干渉が作用している場合の信号スペクトルが、それぞれ、図６及び図７に示されており、この場合に、有用な信号のスペクトルは、参照符号３３によって示されており、干渉のスペクトルは、参照符号３４によって示されている。

帯域通過フィルタ１７の振幅−周波数特性（ＡＦＣ）が、図９及び図１０に示されている。フィルタ通過帯域の外に位置した信号周波数成分の弱化を特徴付けるパラメータがＡ₁として示されており、フィルタ通過帯域内の振幅−周波数特性（ＡＦＣ）の不均一性を特徴付けるパラメータが、Ａ₂として示されている。

帯域通過フィルタ１７の出力においては、有用な信号（図１１及び図１２）が、そして、阻止フィルタ１８の出力においては、干渉が、既に優勢である。有用な信号は、遅延装置に、そして、更には、スイッチング装置１０を介して蓄積ユニット２７及び２８に到来している。ここで、有用な信号は、信号／干渉比を向上させるべく、（蓄積ユニット２７によって）更に処理されており、且つ、（蓄積ユニット２７及び２８並びに減算装置２９よって）同期干渉が信号から分離されている。

図８の装置によって処理された受信信号のスペクトルが図１２に示されており、この場合に、処理後のゾーンＢ及びＤ内の有用な信号のスペクトルは、参照符号３３によって示されており、処理後の干渉のスペクトルは、参照符号３４によって示されており、帯域通過フィルタの振幅−周波数特性が、参照符号３５によって示されている。

スイッチング装置１０は、信頼性の低いデータを遮断するべく機能しており、それらが蓄積ユニット２７及び２８に到来することを妨げている。

計測された特定レベルの干渉振幅が、第１ベースエコー信号２１及びピーク計測検出器１３の出力において成形された（主に有用である）信号の振幅値を超過していることは、データの信頼性が低いことと装置２６において遅延された信号内において干渉が優勢であることの徴候である。

従って、装置１０、１７、１８、１９、２０、２４、２５、２６は、データの信頼性をチェックするためにのみ機能している。帯域通過フィルタ１７の出力における干渉の存在の可能性を無視できる状態においては、これらのユニットを除去可能である。

完全に処理された信号３０及び同期干渉が除去された後の同一の信号３１の振幅値が、それぞれ、ピーク検出器１５及び１６の出力に現れている。

又、ベースエコーパルスの隠蔽作用によって発生した「デッドゾーン」を最大限に低減するべく、ベースエコーパルスの作用ゾーンからの信号を増幅器及び第３スイッチング装置に送信し、ここで、欠陥待機ゾーンからの信号において実行したものと類似の処理をこれらの信号に施すことも可能である。

本発明による装置によれば、欠陥待機ゾーン内におけるそのスペクトル的な処理により、計測された有用な信号の干渉保護を実現可能であり、且つ、試験の感度を制限するか又は誤動作を発生させる可能性がある有用な信号と同期した干渉の信号を抑圧可能である。これに加えて、本装置によれば、表面近傍の欠陥からの信号を隠蔽可能であるベースエコー信号に対する同期干渉を除去する手順を使用することにより、ベースエコー信号の存在によって発生するデッド試験ゾーンを除去することも可能である。

超音波試験の干渉保護を強化する本装置は、既知の電子装置及びコンポーネント、並びに、コンピュータハードウェアを利用して実現可能である。

整合フィルタリングを有する受信機の使用に伴う干渉が存在していない状態における信号の図である。 広帯域受信機の使用に伴う干渉が存在していない状態における受信信号の図である。 整合フィルタリングを有する受信機の使用に伴うロール材の厚さが１／４に低減された状態における受信信号の図である。 広帯域受信機の使用に伴うロール材の厚さが１／４に低減された状態における受信信号の図である。 広帯域受信機の使用に伴う干渉が存在している状態における受信信号の図である。 干渉が存在していない状態における信号スペクトルである。 干渉が存在している状態における信号スペクトルである。 提案された装置の構造図である。 帯域通過フィルタの一般化された伝送特性である。 実際の帯域通過フィルタの振幅−周波数特性の一例である。 干渉が除去された信号の図である。 図８に示されている装置によってフィルタリング及び処理された信号のスペクトルである。

Claims (2)

1. 超音波トランスデューサを利用した超音波信号の広帯域受信段階と、超音波信号の記録及び処理段階を有する超音波試験の干渉保護を強化する方法であって、
   超音波トランスデューサによって受信した信号をいくつかの時間ゾーン、ベースエコー信号の待機ゾーン、および、欠陥から反射された信号の待機ゾーンに分割し、
   ベースエコー信号の待機ゾーンからの成分は、前記受信した信号から直接分離され、
   欠陥から反射された信号の待機ゾーンからの前記成分は、広帯域増幅器を通して前記受信した信号から分離され、
   異なる時間ゾーンからの信号は、個別の処理が施され、
   欠陥から反射された信号の待機ゾーンからの前記信号は、最大信号／干渉比を提供するべく、フィルタリングが施され、
   該信号の最大の振幅が決定され、
   該振幅の値を最大許容可能値と比較し、
   該比較の結果から欠陥の存在／不存在を判定する方法であり、
   前記欠陥から反射された信号の待機ゾーン内において、プロービングパルスのスペクトルの又は有用な受信信号のスペクトルの特徴を示す周波数成分の振幅を、前記プロービングパルスの前記スペクトルの又は前記有用な受信信号の前記スペクトルの特性を示していない周波数成分の振幅と比較することにより、前記欠陥の存在／不存在の判定における信頼性を評価しており、
   更には、受信信号から同期した干渉を除去するべく、２つの蓄積サイクルを実行し、該２つのサイクルの結果として得られる合計信号を減算することにより、前記同期した干渉が除去された前記受信信号を入手している、ことを特徴とする、超音波試験の干渉保護を強化する方法。
2. 請求項１に記載の方法を提供する装置であって、
   ４つのスイッチング装置と、帯域通過フィルタ及び阻止フィルタと、６つのピーク検出器と、信号遅延装置と、信号レベルの比率を計測する２つのユニットと、２つの閾値装置と、信号加算及び信号減算装置と、を有し、
   第１のスイッチング装置及び第２のスイッチング装置は、ベースエコー信号の待機ゾーンからの前記受信した信号から信号成分を分離するように構成され、超音波トランスデューサにより受信された信号を受信するべく、前記装置の入力に結合された入力と、前記第１のスイッチング装置及び第２のスイッチング装置の入力と結合された出力と、を有し、
   第３のスイッチング装置の入力は、入力ポイントに結合された入力を有する前記広帯域増幅器の前記出力に結合された前記広帯域増幅器を通過して受信された前記信号から、欠陥から反射された信号の待機ゾーンからの信号成分を、分離するように構成され、
   前記第３のスイッチング装置の出力は、帯域通過及び阻止フィルタの入力に結合されており、
   前記帯域通過フィルタの出力は、前記信号遅延装置の前記入力と、第３ピーク検出器の前記入力に結合されており、
   前記阻止フィルタの出力は、第４ピーク検出器の前記入力に結合されており、
   前記第３ピーク検出器及び前記第４ピーク検出器の出力は、前記信号レベルを計測する第２ユニットの前記入力に結合されており、
   さらに、
   前記第３ピーク検出器の前記出力は、第１ピーク検出器の出力に結合した第２入力を有する第１信号レベルの計測ユニットの入力に結合され、
   信号レベルの前記比率を計測する両方のユニットの出力は、前記閾値装置を通じて信号加算装置の前記入力に結合されており、
   前記信号加算装置の出力は、第４スイッチング装置の制御入力に結合されており、
   前記第４スイッチング装置の信号入力は、前記信号遅延装置の出力に結合されており、
   前記スイッチング装置の出力は、第１蓄積ユニット及び第２蓄積ユニットの入力に結合されており、
   前記第１蓄積ユニット及び前記第２蓄積ユニットの出力は、減算装置の前記入力に結合されており、
   前記減算装置の前記出力は、第６ピーク検出器の前記入力に結合されており、
   前記第１蓄積ユニットの前記出力は、第５ピーク検出器の前記入力に結合されており、
   前記第５ピーク検出器及び前記第６ピーク検出器の出力から、処理済みの干渉が除去された信号の振幅値を取得している、装置。

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