JP5904331B2 - アレイ探傷装置および方法 - Google Patents

Description

この発明は、超音波を用いた測定装置および方法に関するものであり、特にアレイ探触子を用いて試験体に発生した腐食量を求める装置および方法に関するものである。なおこの発明は、試験体の凹部の凹み量測定全般に適用できるものであるが、以下では試験体の腐食量測定を例として説明する。さらに、腐食量測定は「探傷」という文言の意味に含まれるとする。

近年構造物の老朽化が問題となっており、適切な維持管理が要求されている。鋼板の腐食についても同様であり、検査を行って腐食があれば修理を行う必要がある。したがって、腐食量を定量的に求める検査装置および方法が必要となってきている。従来、鋼板の腐食検査法として、例えば超音波斜角探触子を用いた方法がある(非特許文献１)。非特許文献１では、鋼部材中に超音波を斜めに伝搬させ、腐食で反射されたエコーの大きさから腐食量を推定するというものである。

また従来法として、ＳＨ波を用いた方法もある(非特許文献２)。非特許文献２では、試験体の探傷面に対してほぼ平行にＳＨ波が伝搬するようにして、腐食からのエコーを受信し、エコーの大小から腐食の大小を推定するという検査法が開示されている。

特開平１１−２８１６３０号公報

安波博道 他著、「トラス橋床版埋設鋼部材の腐食調査への超音波探傷法の適用」、防錆管理、pp.1-5、２０１１年８月 辻英朗 他著、「鋼管ポール埋設部腐食判定・診断システムの紹介」、NIPPON DENRO TECHNICAL REPORT, NO.45, pp.23-28、２００７年７月 木村友則 他著、「ＳＨ板波の発生に必要な振動子寸法に関する検討」、日本非破壊検査協会、平成２３年秋季講演大会講演概要集、pp. 95-96、２０１１年１０月

以上のような従来の探傷方法において、例えば上記非特許文献１の方法では、探触子と鋼材との接触状況によりエコーの大きさが変わるという問題があった。すなわち、腐食量が一定であっても、探触子と鋼材との接触状況が良好な場合には大きなエコーが受信され、不良な場合には小さなエコーが受信される。このため、腐食量の定量的な評価は困難という問題があった。

また上記非特許文献２のような検査法では、ＳＨ波を用いており、ＳＨ波を非特許文献２に示されているような斜角探触子で送受信する場合、非常に粘度の高い接触媒質が必要である。このような接触媒質を用いる場合、エコー高さを安定させて保つことが困難である。すなわち非特許文献１と同様に、腐食量以外にもエコーの大きさを左右する要因が大きく、このため定量的な評価は困難であった。

このように、探触子と試験体との接触状態によってエコーの大きさは変化するので、エコーの大きさから腐食量を求めると精度が良くないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解消し、探触子と試験体との接触状態等によって生じるエコーの変化に影響されずに精度が良く腐食量を求める等の探傷が行えるアレイ探傷装置および方法を提供することを目的とする。

この発明は、電気信号によって駆動され超音波を試験体中に伝搬させ、かつ前記試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換する複数の素子を並べて設けたアレイ探触子と、
前記アレイ探触子の各素子を駆動しかつ前記各素子からの電気信号を受信してアレイ探傷を行う送受信器と、を備え、前記送受信器は、前記アレイ探触子の各素子をそれぞれ所望のタイミングで駆動し各素子で得られる電気信号を受けて、送信時に所望の角度で超音波が伝搬された場合に生じる前記電気信号を求めさらに合成波を生成し、角度に対する前記合成波の振幅の角度特性を求めて振幅が相対的に大きく変化する角度から前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とするアレイ探傷装置にある。

この発明では、探触子と試験体との接触状態等によって生じるエコーの変化に影響されずに精度が良く腐食量を求める等の探傷が行えるアレイ探傷装置および方法を提供できる。

この発明によるアレイ探傷装置のアレイ探触子における角度制御を説明するための図である。 この発明における腐食量測定を説明するための図である。 この発明におけるカットオフ角θ_ｃの求め方を説明するための図である。 この発明の実施の形態１によるアレイ探傷装置の構成図である。 この発明の実施の形態１によるアレイ探傷方法を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションでの鋼板における３次モードの位相速度分散特性と腐食部の分散特性を併せて示した図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションで用いたアレイ探触子の周波数応答特性を示す図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける角度θと３次モードのＳＨ板波の周波数との関係を示した図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける音場シミュレーション結果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける音場シミュレーション結果の別の例を示す図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける受信された合成波の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける受信された合成波の別の例を示す図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションで得られた角度θに対する合成波の振幅の角度特性を示す図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法における基準の角度特性を求めるための構成を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションで得られた基準の角度特性の一例を示す図である。 図１３の角度特性を図１５の基準の角度特性で正規化した結果を示す図である。 この発明の実施の形態１による探傷方法における基準の角度特性を求めるための別の構成を説明するための概略図である。 この発明によるアレイ探傷装置のアレイ探触子の素子ピッチについて説明するための図である。 この発明によるアレイ探傷装置のアレイ探触子の素子ピッチについて説明するための図である。 この発明の実施の形態２における送信時における超音波の重ね合わせを説明するための図である。 この発明の実施の形態２における超音波の送信について説明するための図である。 この発明の実施の形態２における超音波の受信について説明するための図である。 この発明の実施の形態２によるアレイ探傷装置の構成図である。 この発明の実施の形態２によるアレイ探傷方法を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態２による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける音場シミュレーション結果の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける各素子における受信信号を示す図である。 この発明の実施の形態２による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける各素子における受信信号を合成した波形の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおける各素子における受信信号の合成波の波形の一例を示す図である。 この発明の実施の形態２による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションで得られた角度θに対する合成波の振幅の角度特性を示す図である。 この発明の実施の形態２による探傷方法に基づく腐食測定のシミュレーションにおいて透過法で求めた基準の角度特性の一例を示す図である。 図２９の角度特性を図３０の基準の角度特性で正規化した結果を示す図である。 この発明の実施の形態３によるアレイ探傷装置の構成図である。 この発明の実施の形態３によるアレイ探傷方法を説明するためのフローチャートである。 一般的なＳＨ板波の概念図である。 一般的な位相速度の分散特性の例を示す図である。 一般的な群速度の分散特性の例を示す図である。 一般的なＳＨ板波の周波数と伝搬状況を説明するための図である。 斜角探触子により試験体中にＳＨ板波を励振する状況を説明する図である。

この発明は、単純にエコーの大きさから腐食量を求めるのではなく、アレイ探触子によって超音波の送信および受信の角度を変化させ、受信信号の振幅が大きく変化する角度を見出すことにより腐食量等を求めるアレイ探傷装置および方法に関するものである。

この発明は、超音波のカットオフ現象を利用して腐食量を求める。この発明による装置および方法を説明する前に、まずＳＨ板波およびカットオフ現象について図３４−図３７を参照しながら説明する。図３４はＳＨ板波の概念図である。図３５は位相速度の分散特性の例である。図３６は群速度の分散特性の例である。図３７はＳＨ板波の周波数と伝搬状況を説明する図である。図３４−図３７において、１は試験体、２は探触子、３は腐食部(凹部)である。

ＳＨ板波とは、図３４に示すように、紙面に対して垂直に振動しながら、上下両側を気体や液体で満たされた試験体内を伝搬する板波である。図３４では(ａ)−(ｃ)に１次モードから３次モードのＳＨ板波を示しており、波長をλ_ｐで示している。ＳＨ板波の波数βは、下記式(１)に示す分散方程式で与えられることが広く知られている。

ここで、ωは各周波数、Ｖ_ｓは横波音速、ｔは試験体の板厚である。またｎは整数であり、モードの次数に対応する。

またＳＨ板波に限らず、一般的に波の位相速度Ｖ_ｐおよび群速度Ｖ_ｇは、それぞれ、以下の式(２)(３)で与えられる。

式(１)−式(３)を用い、試験体をｔ＝１９ｍｍの鋼板とした場合の位相速度Ｖ_ｐおよび群速度Ｖ_ｇを計算した結果(周波数に対する変化)を、それぞれ、図３５および図３６に示す。ここでは、鋼の横波音速を３２４０ｍ／ｓとして計算した。図３５，３６では、２次モードから７次モードまでの位相速度および群速度を示している。

図３６に示すように、各モードには群速度が零となる周波数が存在する。群速度が零ということは、波として伝搬しないことを意味している。すなわち、群速度が零となる周波数以下では、ＳＨ板波は伝搬しない。この周波数をカットオフ周波数と呼ぶ。一方、式(１)を整理して周波数ｆを求める式に変形すると、

となる。カットオフ周波数では群速度が零となり、位相速度(図３５参照)が無限大になるので、式(４)においてＶ_ｐ→∞とすることで求めることができる。すなわち、板厚が腐食によりｔからｔ’になった場合のカットオフ周波数をｆ_ｃとすると、

となる。

さて、ＳＨ板波の周波数とｆ_ｃとの関係について図３７を参照しながら説明する。図３７は、周波数によりＳＨ板波が反射される場合(図３７の(ａ))と透過する場合(図３７の(ｂ))を示す。(ａ)に示すように、ｆ_ｃ以下の周波数のＳＨ板波が腐食部３に伝搬してきた場合、腐食部３では群速度が零であるため伝搬していかない。このため、探触子２の方向に戻っていく。すなわち、腐食部３からの反射波が受信される。これに対し(ｂ)に示すように、ｆ_ｃを超える周波数のＳＨ板波が腐食部３に伝搬してきた場合、群速度はある値を持つので腐食部３を伝搬し、透過していく。このように、ＳＨ板波の周波数を変化させながら試験体１中を伝搬させ、腐食部３からの反射波が受信される場合はＳＨ板波の周波数がｆ_ｃ以下とし、腐食部３からの反射波が受信されない場合はＳＨ板波の周波数がｆ_ｃを超えると判断することができる。すなわちＳＨ板波の周波数を変化させ、反射波の振幅が大きく変化(周囲と比べて相対的に大きく変化)する周波数を求め、これをｆ_ｃとすれば式(５)からｔ’を求めることができ、ｔ−ｔ’という簡単な式から腐食部３の腐食量(傷の凹み量)を求めることができる。

しかし従来は、このような検査方法は行われていなかった。その理由を、図３８を参照しながら説明する。図３８は斜角探触子により試験体１中にＳＨ板波を励振する状況を説明する図である。図中、４は斜角探触子のくさび、５はＳＨ波用探触子である。

従来のＳＨ板波発生方法は、図３８に示すようにＳＨ波用探触子５をくさび４上に設置し、くさび４内の波長λ_ｉと試験体１内のＳＨ板波の波長λ_ｐとが、下記式(６)に示す関係になるように、くさび４の入射角αを設定していた。

このような関係を満足すれば、位相速度Ｖ_ｐのＳＨ板波が強く励振される。また式(６)は、下記の式(７)のように書き換えることができる。

ここでＶ_ｉは、くさび４を伝搬するＳＨ波の音速である。Ｖ_ｉおよびαはくさび４の固有の値であり、温度などによる微小な変動を除けば常に一定の値を保つ。すなわち、式(７)から分かるように、試験体１中に伝搬されるＳＨ板波の位相速度Ｖ_ｐは、温度などによる微小な変動を除け常に一定である。

位相速度が常に一定であれば、図３５に示した位相速度の計算例から分かるように、ＳＨ板波の周波数も各モード毎に単一となる。図３５の例の場合、例えば位相速度を６２００ｍ／ｓとすると、２次モードは０．２ＭＨｚ(スケールアウトしているが予測可能)、３次モードは０．３ＭＨｚ、４次モードは０．４ＭＨｚの周波数のＳＨ板波が励振される。すなわち、従来の斜角探触子では入射角αが一定であるために単一の位相速度のＳＨ板波しか伝搬させることができず、結果として周波数を変えることが困難であった。可変角の斜角探触子を用いて入射角αを変えることにより周波数を変化させるという方法も考えられるが、上述のようにＳＨ波の接触媒質は非常に粘性の高いものが必要であるので、可変角斜角探触子でＳＨ波を送受することは現実的ではない。したがって従来では、ＳＨ板波の周波数を変化させながらの探傷は、行われていなかった。

この問題を解決するため、この発明では、アレイ探触子を用い角度を変化させることによりＳＨ板波の周波数を変化させ、カットオフ現象を利用して腐食部３の腐食量を測定するというものである。なお、アレイ探触子に相当するセンサを用いて腐食の検査を行うという従来技術は、例えば上記特許文献１に記載されている。しかしこの従来技術はカットオフ現象を利用するものではなく、この発明とは原理が異なり、装置構成や方法も異なるものである。

以下、この発明によるアレイ探傷装置および方法を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
この発明に係わる実施の形態１によるアレイ探傷装置および方法に関して説明する。まずアレイ探触子による角度制御について、図１を参照しながら説明する。図１は、アレイ探触子により伝搬方向θを変える様子を説明する図であり、図中、１は試験体、６はアレイ探触子である。図１では、超音波送受信素子からなる８つの素子６ａが直線上(ここでは伝搬方向を傾ける方向)に沿って並べて設けられたアレイ探触子６を、試験体１に設置した状態を示している。図１では、アレイ探触子６の一番左側の素子が最初に(一番時間的に早く)励振され、以降右隣の素子が順次時間を遅延させて励振され、一番右側の素子が最後に(一番時間的に遅く)励振された状態である。図１の(ａ)では、各素子に与える励振の遅延時間差は少なく、このためＳＨ波の伝播方向を示した角度θも小さくなっている。一方、図１の(ｂ)では、各素子の与える励振の遅延差が大きいため、角度θも大きくなっている。なお角度θはアレイ探触子６の面、試験体１の面の垂直線とのなす角を示す。

このように、アレイ探触子６の各素子６ａの励振タイミングを変化させるというフェーズドアレイ方式を用いれば、角度θを変化させることができる。角度θと腐食量(すなわち凹み量)との関係について、以下に説明する。

(ＳＨ波の伝播方向(θ)と腐食量との関係)
アレイ探触子６で励振されたＳＨ波の角度をθとすると、スネルの法則より下記式(８)が成り立つ。

ここで、ｋ_ｓおよびｋ_ｐは、それぞれ、ＳＨ波および板波の波数である。式(８)を展開すると、次式を得る。

式(９)を式(４)に代入すると、

となる。式(１０)から分かるように、角度θを変化させるとＳＨ板波の周波数が変化する。従って、フェーズドアレイ方式で各素子の励振タイミングを制御し、角度θを変化させることより、周波数を変えることができる。

(腐食量測定の具体例)
具体的な方法について、図２を参照しながら説明する。図２は腐食量測定を説明するための図であり、試験体１の健全部における位相速度の分散特性Ａと、腐食部３における位相速度の分散特性Ｂを示している。またアレイ探触子６の周波数応答特性Ｃも併せて示している。この発明に用いるアレイ探触子６は、図２に示すように、試験体１の健全部におけるカットオフ周波数以上で動作し、腐食部３のカットオフ周波数ｆ_ｃを跨ぐような広帯域な特性を持つものとする。このような周波数特性を有するアレイ探触子６の励振タイミングを制御し、角度θを変化させ、ＳＨ板波の周波数を変化させる。ＳＨ板波の周波数がｆ_ｃ以下の場合には腐食部３からの反射波をアレイ探触子６で受信できるが、ｆ_ｃを超える場合には板波は腐食部３を透過するため、反射波を受信できない。この発明は、このような原理に基づきｆ_ｃを求め、腐食量を求めるものである。

ここまで、ＳＨ板波のカットオフ周波数、フェーズドアレイ方式によるＳＨ板波の周波数変化方法について説明した。以下では、腐食量を求める具体的な方法を示す。角度θを変化させ、ＳＨ板波の周波数がｆ_ｃと一致した場合、式(１０)の右辺と式(５)の右辺が等しくなるので、

となる。ここで、θ_ｃはｆ＝ｆ_ｃとなる角度である。この角度を、この発明ではカットオフ角と呼ぶことにする。上式を整理すると、下記式(１１)を得る。

カットオフ角θ_ｃは、腐食部３からの反射波の振幅が急激に変化する角度である。式(１１)から分かるように、カットオフ角θ_ｃを求めることができれば、健全部の厚さｔは既知であるので、腐食部３における厚さｔ’を求めることができる。また腐食量は、ｔ−ｔ’という簡単な引き算で求めることができる。このように、カットオフ角θｃから腐食量を求めるという方法は、反射波の大きさから腐食量を求める方法と比較すると、アレイ探触子６と試験体１との接触状態の影響を受けづらい。したがって、従来よりも精度良く腐食量を測定することが可能となる。なお、角度θと位相速度Ｖ_ｐとの間には式(９)の関係式があるので、角度θに対応した位相速度が存在し、カットオフ角θ_ｃに対応したカットオフ位相速度も存在する。この発明では角度θを変化させた場合について説明するが、位相速度を用いても同様である。すなわち位相速度Ｖｐを変化させ、合成波の振幅が相対的に大きく変化する位相速度から腐食量を求めることも可能である。

カットオフ角θ_ｃを求める様子を、図３に示す。式(９)から分かるように、θが小さい場合にはｓｉｎθ／Ｖ_ｓが小さくなり、したがって位相速度Ｖ_ｐは速い。位相速度が速いと、図２に示した分散特性の計算例から分かるように周波数は低くなり、ｆ_ｃ以下だと腐食部で反射されるので大きな反射波が受信される。θを大きくしていくと位相速度が遅くなり、周波数は高くなっていく。ｆ_ｃより高いと腐食部を透過するので、反射波の振幅は低下する。カットオフ角θ_ｃは、反射波の振幅が大幅に変化する角度として求めることができる。図３では、振幅が約半減した角度をθ_ｃとしているが、必ずしも半減した角度である必要はない。

(アレイ探傷装置の構成および動作)
これまでは、腐食量測定法の原理について説明した。この原理に基づいて腐食量を測定するアレイ探傷装置の構成および動作について以下に説明する。図４はこの発明の実施の形態１におけるアレイ探傷装置の構成図である。図４において、７は送受信器、８は信号源、９は送信用遅延回路、１０は受信用遅延回路、１１はＡ／Ｄ変換器、１２は加算器、１３はメモリ、２０は信号処理部、７０は制御部である。図４では、例として８素子のアレイ探触子６を用いた場合の構成図を示しているが、８素子でなくても構わない。

まず、送受信器７の構成について説明する。信号源８からの信号線は、アレイ探触子６の素子数の分だけ分配され、送信用遅延回路９(各送信用遅延回路部(Delay))に接続される。送信用遅延回路９は、アレイ探触子６の各素子６ａへ接続される。アレイ探触子６の各素子６ａは受信用遅延回路１０(各受信用遅延回路部(Delay))にも接続されており、受信用遅延回路１０はＡ／Ｄ変換器１１(各Ａ／Ｄ変換器(A/D))に接続される。またＡ／Ｄ変換器１１は加算器１２(各加算部(＋))に接続され、加算器１２はメモリ１３に接続される。そしてメモリ１３は、信号処理部２０に接続される。

また、７０は送受信器７の探傷動作の全体を制御する制御部であり、各部に所望の動作を行わせるための制御信号を送り(信号線は図が見辛くなるので省略)、また探傷のための設定した情報(例えば角度θ等)をメモリ１３に格納する。制御部７０，信号処理部２０は例えばコンピュータで構成される(同一のコンピュータでも構成可能)。

次に、制御部７０からの制御信号による制御によるアレイ探傷装置の動作について説明する。制御部７０からの制御信号に従って信号源８からアレイ探触子６の各素子を励振するための信号が発せられ、送信用遅延回路９に伝達される。送信用遅延回路９では各回路部(Delay)に、試験体１中に伝搬するＳＨ波が所望の角度θで伝搬するようにそれぞれに遅延時間が設定され(制御部７０による)、遅延を与えられた励振信号はアレイ探触子６の各素子６ａに伝達され、ＳＨ波を角度θで伝搬させる励振タイミングで各素子６ａが励振される。この際、必要があれば増幅器で信号を増幅する。図４では、送信用増幅器ＴＡを含んだ構成図を示している。なお、アレイ探触子６の各素子６ａから送信された直後の超音波は単なるＳＨ波であり、ＳＨ板波ではない。試験体１の底面や上面で反射されながら伝搬して初めてＳＨ板波となる。したがって、送信および受信においては、あえて「ＳＨ波」という文言を使用して説明する。

アレイ探触子６の各素子６ａから送信されたＳＨ波は、伝搬過程でＳＨ板波となり、試験体１中を伝搬し、腐食部３の場所に到達する。ＳＨ板波の周波数が腐食部３におけるカットオフ周波数ｆ_ｃより高いと腐食部３を透過し、アレイ探触子６の方向にはＳＨ波は伝搬してこない。一方、ＳＨ板波の周波数ｆ_ｃ以下だと反射し、アレイ探触子６の方向に伝搬してくる。

伝搬してきたＳＨ板波は、アレイ探触子６の各素子でＳＨ波として受信され電気信号に変換され、受信用遅延回路１０に伝達される。この際、必要があれば増幅器で信号を増幅する。図４では、受信用増幅器ＲＡを含んだ構成図を示している。受信用遅延回路１０では各回路部(Delay)に、送信時と対応して所望の角度θで受信するように遅延量が設定され(制御部７０による)、遅延を与えられた受信信号がＡ／Ｄ変換器１１に伝達される。Ａ／Ｄ変換器１１でディジタル化された受信信号は、加算器１２に伝達され、合成波となる。この合成波が、探傷に必要な各種ファクタを予め格納したメモリ１３に保存される。メモリ１３には、合成波に併せて制御部７０からの設定した上記角度θの値が例えばそれぞれ組み合わせて保存される。従ってメモリ１３は編集機能も含む記憶部で構成される。

ここまでの動作で、メモリ１３には角度θと合成波が保存される。この動作を制御部７０の制御により、送信用遅延回路９および受信用遅延回路１０の各回路部(Delay)での遅延時間を変化させ、予め設定した角度範囲において角度θを走査しながら行う。すなわち、角度θと合成波が１つのセットとしてメモリ１３に保存され、角度走査終了時には、このセットが走査した数だけ存在する。なお角度θの走査ピッチや走査方法、走査範囲などについては、この発明では限定しない。試験状況に応じた角度走査を行えばよい。

信号処理部２０において、メモリ１３に保存された合成波の振幅を求め、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める。この角度特性において、振幅が大きく(周囲と比べて相対的に大きいまたは閾値との比較に基づく)変化する角度を見出し、これをカットオフ角θ_ｃとする。信号処理部２０においては、式(１１)にθ_ｃを代入してｔ’を求める計算を行う。さらにｔ−ｔ’という計算を行うことにより(ｔも例えば予めメモリ１３に格納)、腐食量が求まる。

なお、メモリ１３に保存する合成波の情報として合成波全てを保存しなくても、実施の形態１における腐食量測定は可能である。合成波の最大振幅だけを保存しておけば、合成波の角度特性を求めることができる。すなわち、合成波の振幅だけをメモリ１３に保存する装置や方法でもよい。さらに、合成波の振幅の最大値だけをメモリに保存する装置や方法でも、構わない。

以上動作を説明したが、探傷方法の要旨をフローチャートで説明する。図５は、探傷方法説明用のフローチャートである。まずｓｔｅｐ１として、アレイ探触子６の各素子６ａから送信されるＳＨ波の角度が所望の角度になるよう、送信用遅延回路９および受信用遅延回路１０の各回路部(Delay)にそれぞれの遅延条件が設定される。これによりｓｔｅｐ２で、送信用遅延回路９での上記遅延条件に従ってアレイ探触子６の各素子６ａが励振される。ｓｔｅｐ３ではアレイ探触子６で腐食部３からの反射波が受信される。ｓｔｅｐ４では、受信用遅延回路１０での上記遅延条件の遅延量が受信信号に与えられる。ｓｔｅｐ５では、Ａ／Ｄ変換された各素子からの信号が加算器１２で加算されて合成波が求められ、メモリ１３に保存される。メモリ１３には、角度θと合成波がセットで保存される。

ｓｔｅｐ６では、予め設定した角度範囲を走査したかどうか、判断される(設定値との比較)。判断の結果、走査していない場合にはｓｔｅｐ７として遅延条件を変えてｓｔｅｐ１に戻り、送信用遅延回路９および受信用遅延回路１０での遅延時間を変化させる。走査していた場合にはｓｔｅｐ８で、アレイ探触子６の送信および受信を終了する。

ｓｔｅｐ９では、カットオフ角θ_ｃを求め(合成波の振幅を求め、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求め、この角度特性において、振幅が大きく変化する角度を見出し、これをカットオフ角θ_ｃとする)、ｓｔｅｐ１０では、腐食量を求められ(式(１１)にθ_ｃを代入してｔ’を求め、さらにｔ−ｔ’を計算して腐食量を求める)、これらの処理は、信号処理部２０において行われる。

(シミュレーション結果)
以上、アレイ探傷装置の構成および動作について説明した。この原理を確認するため、厚さ１９ｍｍの鋼板に発生した５ｍｍの腐食を測定するシミュレーションを行った。以下、シミュレーション結果について図６−図１６を参照しながら説明する。図６は、厚さ１９ｍｍの鋼板における３次モードの位相速度分散特性であり、５ｍｍの腐食部(厚さは１４ｍｍ)の分散特性を併せて示している。図７は、シミュレーションで用いたアレイ探触子の周波数応答特性である。図８は、角度θと３次モードのＳＨ板波の周波数との関係を示した図である。図９は、角度θを３８°とした場合の音場シミュレーション結果である。図１０は、角度θを４８°とした場合の音場シミュレーション結果である。図１１は、角度θを３８°とした場合に受信された合成波である。図１２は、角度θを４８°とした場合の合成波である。図１３は、角度に対する合成波の振幅の角度特性である。図１４は、基準の角度特性を求める構成図である。図１４において、１４は試験片である。図１５は、基準の角度特性である。図１６は、正規化された角度特性である。

(アレイ探触子の応答特性)
まず、アレイ探触子の応答特性について説明する。図２で説明したように、アレイ探触子６は、試験体の健全部のカットオフ周波数よりも高い領域で動作し、かつ、腐食部のカットオフ周波数を跨ぐような周波数特性が必要である。そこで、まず厚さ１９ｍｍの鋼板における健全部のカットオフ周波数および腐食部３でのカットオフ周波数ｆ_ｃを求めた。図６に、その様子を示す。図に示すように、試験体１を鋼として厚さを１９ｍｍとした場合、健全部および腐食部のカットオフ周波数ｆ_ｃは、それぞれ、０．２６ＭＨｚおよび０．３５ＭＨｚである。そこで上記条件を満足するように、０．２６ＭＨｚより高い周波数領域で動作し、かつ、０．３５ＭＨｚを跨ぐ(含む)ように、図７に示す特性を有する探触子をシミュレーションに用いた。

上述したように、角度θを変えるとＳＨ板波の周波数も変化する。厚さ１９ｍｍの鋼板で３次モードの場合の周波数を、式(４)を用いて計算した結果を図８に示す。図に示すように、角度θが３８°の場合には周波数は０．３２４ＭＨｚであるので、この角度であれば健全部のカットオフ周波数(０．２６ＭＨｚ)より大きいのでＳＨ板波は伝搬可能である。また角度θが４８°の場合には周波数は０．３８２ＭＨｚとなるので、腐食部３でのカットオフ周波数(ｆ_ｃ＝０．３５ＭＨｚ)よりも大きい。したがって、これまで述べてきた腐食量測定原理によると、θ＝３８°では腐食部３を透過せずに反射し、θ＝４８°では腐食部３を透過する。この様子を、音場シミュレーションで確認した。

角度θを３８°とし、図７に示した周波数応答特性を有する信号でアレイ探触子を励振した場合の音場シミュレーション結果を、図９に示す。アレイ探触子６の素子数は３２、配列ピッチは２．２８ｍｍ、開口面寸法(アレイ探触子６の素子６ａが並べられた面の長さ)は約７１ｍｍとした。図９では、左端の素子を励振してから１０μｓ〜１７０μ後の粒子速度の振幅の大きさを濃淡で示している。図９の１０μｓの図に示すように、アレイ探触子６からは斜めに超音波が伝搬する。この時点は送信直後であり、未だＳＨ板波になっていない様子が分かる。３０μｓの図から、ＳＨ板波が形成されている様子が分かる。また、板厚方向に対し、振幅の弱い場所が３箇所存在する様子も分かる。図３４に示したように、これは３次モードである。すなわち、設計通りのＳＨ板波が形成されている。

７０μｓの時点でＳＨ板波が腐食部３に到達する。角度θが３８°で周波数が０．３２４ＭＨｚであり、腐食部３におけるカットオフ周波数(ｆ_ｃ＝０．３５ＭＨｚ)以下なので、ＳＨ板波は腐食部３の部分を伝搬しない。このためＳＨ板波のエネルギーの多くはアレイ探触子６の方向へ戻ってくる。結果として、腐食部３からの反射波を、アレイ探触子６で受信することができる。なお図９ではエネルギーが透過しているようにも見えるが、透過するエネルギーは反射するエネルギーに比べて小さいものである。

角度θを４８°とし、図７に示した周波数応答特性を有する信号でアレイ探触子を励振した場合の音場シミュレーション結果を、図１０に示す。アレイ探触子６の構成は、θ＝３８°の場合と同じである。アレイ探触子６から４８°の角度で送信されたＳＨ波は伝搬過程で３次モードのＳＨ板波となり、腐食部３に到達する。しかし周波数が０．３８２ＭＨｚであり、カットオフ周波数(ｆ_ｃ＝０．３５ＭＨｚ)よりも大きい。したがって図１０の９０μｓ以降の音場に示すように、ＳＨ板波のエネルギーの多くは腐食部３を透過していく。結果として、腐食部３からの反射を、アレイ探触子６では殆ど受信できない。

シミュレーションで得られた合成波を、図１１および図１２に示す。図１１が角度θを３８°とした場合の合成波であり、図１２が角度θを４８°として場合の合成波である。これらの図に示すように、角度θが３８°の場合には大きな信号が受信されているが、角度θが４８°の場合には小さな信号しか受信されない。

図１１および図１２は、角度θを３８°および４８°とした場合の受信信号であるが、角度θを１０°から７０°まで１°間隔で変化させて受信信号を計算し、角度に対する合成波の振幅の角度特性を求めた結果を図１３に示す。図１３に示すように、θが４０°を越えると合成波の振幅が急激に小さくなる。振幅がピークから半減した角度をカットオフ角θ_ｃとすると、θ_ｃ＝４３°であった。鋼板の厚さが１９ｍｍであるので、式(１１)から腐食部３の厚さを求めると、ｔ’＝１３．９ｍｍである。すなわち腐食量測定結果としては、ｔ−ｔ’＝５．１ｍｍである。一方シミュレーションで与えた腐食部３の腐食量は５ｍｍであるので、この発明で示した腐食量測定方法が妥当であることが示された。

(角度θに対する合成波の振幅の角度特性の求め方)
上述した腐食量測定では、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求め、ピークから半減した角度をカットオフ角θ_ｃとした。θ_ｃの求め方として、試験片を用いて角度特性を正規化する方法も考えられる。例えば試験体１に対して上述した作業を行う前に、図１４(アレイ探触子のみ示し送受信器の図示は省略されている)に示すように同じ材料で同じ厚さの試験片を用い、基準反射面として端面を対象として同様の作業を行い、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求めておく。これを基準の角度特性とし、例えば一時、メモリ１３に格納しておく。その後、試験体１に対して上述した作業を行い、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求め、基準の角度特性で正規化し、この正規化された角度特性からカットオフ角θ_ｃを求めるというものである。

試験片１４を用いてカットオフ角θ_ｃを求める方法の妥当性を確認するため、同様のシミュレーションを行った。厚さ１９ｍｍの鋼板に対し、角度θを１０°から７０°まで１°間隔で変化させ、端面からの反射波を基にして合成波を求め、基準の角度特性を求めた。結果を図１５に示す。また、図１３に示した角度特性を、図１５に示した基準の角度特性で正規化した結果を、図１６に示す。図１６に示すように、相対振幅が半減する角度をカットオフ角θ_ｃとすると、θ_ｃ＝４２．７°となる。式(１１)から腐食部３の厚さを求めると、ｔ’＝１４ｍｍである。すなわち腐食量測定結果としては、ｔ−ｔ’＝５ｍｍである。一方、シミュレーションで与えた腐食部３の腐食量は５ｍｍであるので、正規化された角度特性を用いても精度良く腐食量を測定できることが確認された。

さらに試験片１４を用いず、試験体１を用いて基準の角度特性を求める方法もある。この方法について、図１７を参照しながら説明する。図１７(アレイ探触子のみ示し２つのアレイ探触子に接続された送受信器の図示は省略されている)は、２つのアレイ探触子６，１５を用いて基準の角度特性を求める方法を説明する図である。図中、１５は受信用アレイ探触子である。図１７に示すように、アレイ探触子６とは異なる場所に、受信用アレイ探触子１５を設置する。そしてアレイ探触子６から受信用アレイ探触子１５の方向に、ＳＨ板波を伝搬させる。この場合の角度θは、腐食部３の腐食量測定の場合と逆向きになる。受信用アレイ探触子１５では、伝搬してきたＳＨ板波を受信する。図１７では図示はしていないが、受信用アレイ探触子１５は送受信器７に接続されており、送受信器７において合成波を求め、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める。これを基準の角度特性とし、腐食部３を対象として角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求め、基準の角度特性で正規化し、この正規化された角度特性からカットオフ角θ_ｃを求めることも可能である。

このように、試験体１を用いて基準の角度特性を求めることも可能である。この方法であれば、試験片１４は不要である。

カットオフ角θ_ｃの求め方についてまとめる、以下のようになる。
(ｉ) 予め閾値を設定し、ピークに対して閾値以下になった角度をθ_ｃとする。
(ｉｉ) 試験片を用いて基準の角度特性を求め、実際の試験体での角度特性を正規化し、正規化した特性において予め設定した閾値以下になった角度をθ_ｃとする。
(ｉｉｉ) 受信用アレイ探触子を用いて基準の角度特性を求め、実際の試験体での角度特性を正規化し、正規化した特性において予め設定した閾値以下になった角度をθ_ｃとする。
以上の３通りの求め方がある。３つの内、どれを採用してもよい。また閾値は試験状況に適した値を用いればよい。ここでの説明は半減値としが、半減値でなくても構わない。

(アレイ探触子の構成)
これまでは、腐食量測定のための装置構成や方法について説明してきた。この方法では、試験体１に対してＳＨ板波を伝搬させる必要があるが、そのためにはアレイ探触子６の構成が重要である。ここでは、アレイ探触子６の構成について説明する。まず、アレイ探触子６の素子ピッチについて、図１８および図１９を参照しながら説明する。図１８および図１９は、アレイ探触子６の素子ピッチをそれぞれ、λ_ｐ／３およびλ_ｐ／４とした場合の音場シミュレーション結果である。図１８，１９では、アレイ探触子６の左端を励振してから８０μｓ後までの音場を、粒子速度の振幅を濃淡で示している。試験体１は厚さ１９ｍｍの鋼板とした。周波数は０．４ＭＨｚとし、４次モードのＳＨ板波を伝搬させた。図３５に示したように、この場合の位相速度は６２００ｍ／ｓとなるので、波長λ_ｐは１５．５ｍｍとなる。これらの図に示すように、図１８のλ_ｐ／３配列では右側にＳＨ板波が伝搬し、左側には明確なモードとならない波動が伝搬する。図１９のλ_ｐ／４配列にすることで、右側にＳＨ板波が伝搬し、左側には殆ど波動が伝搬しない。このように、素子ピッチをλ_ｐ／４以下にするとＳＨ板波を片側だけに伝搬させることができる。したがって、アレイ探触子６の素子ピッチをλ_ｐ／４以下とすると、精度の良い腐食量測定が可能となる。

また、アレイ探触子の開口面寸法について説明する。斜角探触子を用いた場合では、ＳＨ板波の発生に必要な振動子寸法は、上記非特許文献３に示されている。アレイ探触子を用いた場合は、斜角探触子の振動子寸法を試験体に投影した値が指標となるので、非特許文献３に示されている式を応用して、下記式(１２)

とする。ここでａは、アレイ探触子６の開口面寸法である。したがってアレイ探触子６の開口面寸法を、式(１２)を満足する値にすると、精度の良い腐食量測定が可能となる。

(超音波のモード)
最後に、超音波のモードについて説明する。これまでは、試験体１にＳＨ板波を伝搬させ、カットオフ現象を利用して腐食量を測定する装置および方法について説明した。しかしカットオフ現象はＳＨ板波だけに起こるものではなく、ラム波と呼ばれている板波でも起こる現象である。したがってこの発明によるアレイ探傷装置および方法において、ラム波を用いても構わない。ラム波の場合には式(１１)の関係式をそのまま使用することはできないが、角度θを変えることで周波数を変化させ、受信信号が大きく変化する角度θから腐食量を求めることは可能である。もちろん、角度θの替わりに位相速度を用いても同様である。

以上説明したように、アレイ探触子を用いて角度θを変えながら試験体中に超音波を伝搬させ、腐食部からの反射波を合成し、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求め、カットオフ角θ_ｃから腐食量を測定することにより、反射波の大きさから腐食量を求める従来技術とは異なり探触子と試験体との接触状態の影響を少なくすることができるので、腐食量を精度良く測定できるという効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１は、送信時および受信時に遅延を与え、角度θを変えながら合成波を求めるという装置および方法であった。しかしＳＨ板波をＳＨ波の重ね合わせと考えると、必ずしも送信時および受信時において遅延を与える必要はなく、送信および受信を別個に行って受信信号をメモリに保存してから遅延を与えて合成し、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求めるという方法も考えられる。実施の形態２は、このようにして求めた合成波の振幅の角度特性から腐食量を求めるという装置および方法に関するものである。

(実施の形態２における腐食測定の原理)
実施の形態２における腐食測定の原理を、図２０−図２２を参照しながら説明する。図２０は、送信時における超音波の重ね合わせを説明する図である。図２１は、超音波の送信を説明する図である。図２２は、超音波の受信を説明する図である。

まず、超音波の重ね合わせについて説明する。図１で説明したように、アレイ探触子６を用いれば角度θを変化させて超音波を試験体１中へ伝搬させることが可能である。この場合、アレイ探触子６の各素子の励振タイミングを素子毎に変えて送信し、各素子から送信された超音波が重ね合わさって波面を構成し、角度θで伝搬していく。すなわち試験体１中を伝搬する超音波は、アレイ探触子６の各素子で送信された超音波の重ね合わせで構成されていると考えることができる。この様子を図２０に示す。図２５では、試験体１中の超音波が重ね合わせで形成されている状況を示しており、(ａ)は図１に示した図と同様である。図１ではアレイ探触子６の各素子６ａを＃１−＃８として示しており、(ｂ)−(ｅ)の各素子から送信された超音波の重ね合わせで、(ａ)のように試験体１中の超音波が構成される様子を示している。

アレイ探触子６で送信されたＳＨ波が重ね合わせで形成されると考えると、試験体１中を伝搬するＳＨ板波もこれらの重ね合わせとして考えることができる。すなわち、アレイ探触子６の各素子を個別に送信して腐食部３からの反射波を受信し、最終的に合成波を求める時点で伝搬が角度θとなるように励振タイミングに遅延を与えれば、実施の形態１と同様の合成波が得られる。個別に送信する様子を図２１に示す。図２１では、(ａ)の構成で、(ｂ)−(ｅ)に示すようにアレイ探触子６の各素子＃１〜＃８から別個に送信されるＳＨ波を示している。

アレイ探触子６の各素子＃１〜＃８における受信も、送信と同様である。受信の様子を図２２に示す。図２２では、アレイ探触子６の一番左側の素子＃１で送信し、各素子＃１−＃８で受信した場合の状況を示している。(ｂ)に示すように、＃１は腐食部３から一番遠いので、受信信号は時間的に一番遅れたものになる。また(ｅ)に示すように、＃８は腐食部３に一番近いので、受信信号は時間的に一番早いものになる。これらの受信信号に対して角度θに対応した遅延を与え、合成する。素子数は８個の場合は、８個の受信信号を合成することになる。なお受信時は、送信時と逆になるので遅延量は負となる。

図２２では８個の受信信号の合成を示したが、これは１回の送信で得られるものである。この作業を送信回数だけ繰り返すので、８素子で送信する場合は送信回数は８回となる。結局、受信信号は８×８＝６４個となる。これらに対し、角度θに対応した送信時の遅延および受信時の遅延を与え、全てを合成することにより、合成波を得られる。この最終的な合成波は、実施の形態１における角度θの合成波と同じものとなる。

また送信時および受信時の遅延量は、送信素子および受信素子の位置が分かれば、素子ピッチと音速および角度θから算出する。素子ピッチと音速は探傷を行う前から既知の値であるため、受信信号の合成時に必要な情報は、送信素子および受信素子の位置情報となる。これらの情報を用いて角度θを変化させて合成波を求め、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める。その後の処理は、実施の形態１と同様である。

(アレイ探傷装置の構成および動作)
次に、アレイ探傷装置の構成について説明する。図２３はこの発明の実施の形態２におけるアレイ探傷装置の構成図である。図２３において、１６は送信切り替えスイッチである。なお図２３ではアレイ探触子６は８素子の構成となっているが、実施の形態１と同様に８素子でなくても構わない。信号源８からの信号線は、送信切り替えスイッチ１６に接続される。送信切り替えスイッチ１６からの信号線は、アレイ探触子６の各素子６ａへ接続される。またアレイ探触子６の各素子６ａはＡ／Ｄ変換器１１される。またＡ／Ｄ変換器１１はメモリ１３に接続される。メモリ１３は、信号処理部２０に接続される。制御部７０は送受信器７の探傷動作の全体を制御する。実施の形態１と異なる点は、送信切り替えスイッチ１６があること、送信用遅延回路９、受信用遅延回路１０、および加算器１２がないことである。制御部７０は送信切り替えスイッチ１６での切り替えタイミングの制御も行う。

続いて、アレイ探傷装置の動作について説明する。信号源８からはアレイ探触子６の各素子６ａを励振するための信号は発せられ、送信切り替えスイッチ１６に伝達される。この際、必要があれば増幅器で信号を増幅する。図２３では、送信用増幅器ＴＡを含んだ構成図を示している。送信切り替えスイッチ１６では、アレイ探触子６の内の１個の素子だけからＳＨ波が送信するように信号が出力される。そして、アレイ探触子６の１個の送信素子から試験体１中へＳＨ波が送信される。図２３では、アレイ探触子６の一番左側の素子を送信素子とした場合の様子を示している。

アレイ探触子６の内の１素子から送信されたＳＨ波は、明確なＳＨ板波にはならずに試験体１中を伝搬するので、実施の形態２では伝搬時においてもＳＨ波という文言を用いて説明する。伝搬したＳＨ波は腐食部３の場所に到達する。腐食部３で反射される成分もあれば、透過する成分もある。ＳＨ波の重ね合わせによりＳＨ板波としての性質を有することになるので、反射および透過の条件は、実施の形態１で示したＳＨ板波の伝搬の時と同様である。反射されたＳＨ波は、アレイ探触子６の方向へ伝搬してくる。

伝搬してきたＳＨ板波は、アレイ探触子６の各素子で受信され電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器１１に伝達される。この際、必要があれば増幅器で信号を増幅する。図２３では、受信用増幅器ＲＡを含んだ構成図を示している。Ａ／Ｄ変換器１１でディジタル化された受信信号は、メモリ１３に保存される。メモリ１３には各素子からの受信信号と、この受信信号を得たときの受信素子の位置情報および送信素子の位置情報が保存される。

具体的な一例として、例えば送受信器７に入力部(図示省略)を設けて、オペレータによりアレイ探触子６の各素子の位置情報が予め入力されメモリ１３に格納される。また、その他の探傷に必要な素子ピッチと音速等は予めメモリ１３に格納されている、または入力部から入力してメモリ１３に設定しておく(他の実施の形態でも同様)。制御部７０は送信素子の切り替え制御を行うため、選択した送信素子を示す情報をその時の各素子での受信信号と組み合わせて逐次、メモリ１３に格納する。
信号処理部２０では、受信信号を得たときの送信素子の位置情報は制御部７０からの選択した送信素子を示す情報と各素子の位置情報から求めることができ、受信素子の位置情報は受信信号を受信した順番に基づく各素子の並び順に従った素子の位置情報から求めることができる。なお各素子の位置情報は１つの素子の位置情報とし他の素子の位置情報は素子ピッチから求めてもよい。そして受信信号と、求めた受信素子の位置情報および送信素子の位置情報をメモリに保存する。
なお上記処理は制御部７０で行ってもよい。
さらにメモリ１３を上記信号処理部２０での処理を行う編集機能を含む記憶部とし、各素子からの受信信号とこの受信信号を得たときの受信素子の位置情報および送信素子の位置情報を組み合わせて保存するようにしてもよい。

ここまでの動作で、メモリ１３には送信素子および受信素子の位置情報と、各素子での受信信号が保存される。この動作を、送信切り替えスイッチ１６で送信素子を切り替えて行う。なお、送信素子の切り替える順番は、この発明では限定しない。試験状況に応じて送信を切れ変えればよい。

信号処理部２０では、角度θと、送信素子および受信素子の位置情報から遅延量を算出し、受信信号に遅延を与える。遅延を与えられた受信信号を加算して合成波を求め、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める。角度特性を求めた後は実施の形態１と同様であり、カットオフ角θ_ｃを求め、式(１１)にθ_ｃを代入してｔ’を求める計算を行い、ｔ−ｔ’という計算を行うことにより、腐食量が求まる。
なお、角度θを変化させた場合について説明しているが、位相速度を用いても同様である。すなわち位相速度Ｖｐを変化させ、合成波の振幅が相対的に大きく変化する位相速度から腐食量を求めることも可能である。

以上動作を説明したが、探傷方法の要旨をまとめて説明する。図２４は探傷方法説用のフローチャートである。まずｓｔｅｐ１として、アレイ探触子６の内の１素子だけで送信が行われる。次にｓｔｅｐ２で、アレイ探触子６の各素子６ａで反射波が受信される。ｓｔｅｐ３では送信素子および受信素子の位置情報と、各素子の受信信号がメモリ１３に保存される。その具体的形態は上述の通りである。

ｓｔｅｐ４では、アレイ探触子６の各素子で送信したかどうか判断する。この際、必ずしも全ての素子で送信しなくても良く、必要な素子数で励振すればよい。ｓｔｅｐ４での判断の結果(設定値との比較)、送信していない場合にはｓｔｅｐ５として送信素子を変えてｓｔｅｐ１に戻る。送信していた場合にはｓｔｅｐ６に進む。ｓｔｅｐ６では、アレイ探触子６での送信および受信を終了する。

ｓｔｅｐ７では、送信素子および受信素子の位置情報と、角度θから遅延量を算出し、受信信号に対して遅延量を与えて合成波を求める。そして角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める(合成波の振幅を求め、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める)。

ｓｔｅｐ８では、角度特性からカットオフ角θ_ｃを求める(角度特性において、振幅が大きく変化する角度を見出しカットオフ角θ_ｃとする)。そしてｓｔｅｐ９では、腐食量を求める(式(１１)にθ_ｃを代入してｔ’を求め、さらにｔ−ｔ’を計算して腐食量を求める)。ｓｔｅｐ７からｓｔｅｐ９の処理は、信号処理部２０において行う。また信号処理部２０で、メモリ１３に蓄積された情報からｓｔｅｐ３の送信素子および受信素子の位置情報と各素子の受信信号を求める処理を行ってからｓｔｅｐ７からｓｔｅｐ９の処理を行うようにしてもよい。

(シミュレーション結果)
以上、アレイ探傷装置の構成および動作について説明した。この原理を確認するため、実施の形態１と同様のシミュレーションを行った。試験体１の厚さ、腐食部３の腐食量、アレイ探触子６の構造、およびアレイ探触子６の応答特性は、実施の形態１と同じとした。以下、図２５〜図３１を参照しながらシミュレーション結果について説明する。図２５は、アレイ探触子６の一番左端を送信素子とした場合の音場シミュレーション結果である。図２６は、アレイ探触子６の一番左端を送信素子として場合の、各素子(３２個)における受信信号である。図２７は、アレイ探触子６の一番左端を送信素子とした場合の受信信号を、角度θを３８°として合成した波形である。図２８は、角度θを３８°とした場合の合成波である。図２９は、角度θに対する合成波の振幅の角度特性である。図３０は、透過法で求めた基準の角度特性である。図３１は、正規化された角度特性である。

図２５では、アレイ探触子６の一番左端の素子を励振してから１０μｓ−１００μｓの音場を示している。実施の形態１とは異なり、ＳＨ板波の伝搬を明確には確認できない。また腐食部３からの反射波も、ＳＨ板波として確認はできない。なお合成波の振幅の角度特性を正規化するため、図２５では受信用アレイ探触子１５を設置した様子を示している。

アレイ探触子６の各素子を左側から＃１，＃２，＃３，…，＃３２とし、各素子で受信された信号を図２６に示す。図２６に示すように、受信信号は確認できるが、腐食部３からの反射波を特定できない。これらを、角度θを３８°として合成した結果を、図２７に示す。アレイ探触子６の素子数が３２なので、図２７は３２個の受信信号に対して遅延を与えて合成したものとなる。図２７に示すように、合成して得られた波形は腐食部３からの反射波を明確に特定できる。

アレイ探触子６の各素子＃１〜＃３２を送信素子として受信信号を求め、角度θを３８°として各受信信号に遅延を与え、最終的に得られた合成波を図２８に示す。ここでは、３２個の素子全てを送信素子としたので、受信信号は３２×３２＝１０２４個となる。図２８の合成波は、これら全ての受信信号に遅延を与えて合成したものである。図２８の合成波と、実施の形態１で示した図１１の合成波を比較すると、殆ど同じとなっている。これは、ＳＨ板波が重ね合わせで成り立つという考えが正しいことを意味している。

図２８は、角度θを３８°とした場合の合成波であるが、θを１°から９０°まで１°間隔で変化させて受信信号を計算し、角度に対する合成波の振幅の角度特性を求めた結果を図２９に示す。図２９と、実施の形態１で示した図１３の角度特性を比較すると、やはり殆ど同じになっている。

受信用アレイ探触子１５を用いて、透過法により基準となる角度特性を求めた結果を、図３０に示す。また、図２９に示した角度特性を、図３０に示した基準となる角度特性で正規化した結果を、図３１に示す。図３１に示すように、相対振幅が半減した角度をカットオフ角θ_ｃとすると、θ_ｃ＝４２．３°であった。鋼板の厚さが１９ｍｍであるので、上記式(１１)から腐食部３の厚さを求めると、ｔ’＝１４ｍｍである。すなわち腐食量測定結果としては、ｔ−ｔ’＝５ｍｍである。一方シミュレーションで与えた腐食部３の腐食量は５ｍｍであるので、この発明で示した腐食量測定方法が妥当であることが示された。なお、正規化された角度特性を用いてカットオフ角θ_ｃを求めたが、正規化しなくてもθ_ｃが求まるのであれば、正規化しなくてもよい。さらに、受信用アレイ探触子１５で透過波による角度特性を求めず、試験片１４の端面反射を用いて基準となる角度特性を求めても構わない。

また実施の形態２においても、アレイ探触子６の構成は実施の形態１と同様のものとする。さらに、ラム波も重ね合わせで考えることができるので、対象とする超音波のモードは実施の形態１と同様にラム波でも構わないものとする。

以上説明したように、アレイ探触子を用いて試験体中に超音波を伝搬させ、腐食部からの反射波を合成し、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求め、カットオフ角θ_ｃから腐食量を測定することにより、探触子と試験体との接触状態の影響を少なくすることができるので、実施の形態１と同様に腐食量を精度良く測定できるという効果がある。さらに送受信器に遅延回路を含まず、送信用増幅器が１個で済むので装置構成が簡単になるという効果もある。

実施の形態３．
実施の形態２は、送信時および受信時において遅延を与える代わりに、１素子毎に送信して受信信号をメモリに保存し、送信素子を切り替えて同様の処理を行い、メモリに保存した受信信号に遅延を与えて合成し、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求めるという装置および方法である。このような装置構成にすると実施の形態１よりも簡単になるという効果があるが、受信素子も切り替える方式にすれば、さらに装置構成が簡単になる。実施の形態３は、このような装置および方法に関するものである。

(アレイ探傷装置の構成および動作)
この発明に係わる実施の形態３に関し、図３２および図３３を参照しながら説明する。図３２はこの発明の実施の形態３におけるアレイ探傷装置の構成図である。図３２において、１７は受信切り替えスイッチである。制御部７０は受信切り替えスイッチ１７での切り替えタイミングの制御も行う。なお図３２ではアレイ探触子６は８素子の構成となっているが、実施の形態１，２と同様に８素子でなくても構わない。また図３３は探傷方法説明用のフローチャートである。

まず、アレイ探傷装置の構成について説明する。信号源８からの信号線は、送信切り替えスイッチ１６に接続される。送信切り替えスイッチ１６からの信号線は、アレイ探触子６の各素子６ａへ接続される。アレイ探触子６の各素子は、受信切り替えスイッチ１７に接続される。受信切り替えスイッチ１７からの信号線は、Ａ／Ｄ変換器１１に接続される。またＡ／Ｄ変換器１１はメモリ１３に接続される。メモリ１３は、信号処理部２０に接続される。実施の形態２と異なる点は、受信切り替えスイッチ１７があること、さらにＡ／Ｄ変換器１１が１個であるということである。

次に、アレイ探傷装置の動作について説明する。信号源８からはアレイ探触子６の各素子を励振するための信号が発せられ、送信切り替えスイッチ１６に伝達される。この際、必要があれば増幅器で信号を増幅する。図３２では、送信用増幅器ＴＡを含んだ構成図を示している。送信切り替えスイッチ１６では、アレイ探触子６の内の１つの素子だけからＳＨ波が送信するように信号が出力される。そして、アレイ探触子６の１個の送信素子から試験体１中へＳＨ波が送信される。図３２では、アレイ探触子６の一番左側の素子を送信素子とした場合の様子を示している。

アレイ探触子６の内の１素子から送信されたＳＨ波は、試験体１中を伝搬し、腐食部３の場所に到達する。腐食部３で反射される成分もあれば、透過する成分もある。ＳＨ波の重ね合わせによりＳＨ板波としての性質を有することになるので、反射および透過の条件は、実施の形態１で示したＳＨ板波の伝搬の時と同様である。反射されたＳＨ波は、アレイ探触子６の方向へ伝搬してくる。

伝搬してきたＳＨ板波は、受信切り替えスイッチ１７で指定されたアレイ探触子６の内の１個の受信素子で受信され電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器１１に伝達される。この際、必要があれば増幅器で信号を増幅する。図３２では、受信用増幅器ＲＡを含んだ構成図を示している。Ａ／Ｄ変換器１１でディジタル化された受信信号は、メモリ１３に保存される。メモリ１３には実施の形態２と同様にして(但し受信素子毎に受信信号を保存)、送信素子および受信素子の位置情報と、受信信号が保存される。

ここまでの動作で、メモリ１３には送信素子および受信素子の位置情報と、受信信号が保存される。この動作を、送信切り替えスイッチ１６を用いて送信素子を切り替え、さらに受信切り替えスイッチ１７を用いて受信素子を替えながら繰り返し行う。送信素子および受信素子の切り替えは、必要な送信素子数および必要な受信素子数だけ行う。なお、送信素子および受信素子の切り替える順番は、この発明では限定しない。試験状況に応じて送信および受信を切り替えればよい。送信および受信の繰り返しが終了すると、メモリ１３には、送信素子および受信素子の位置情報と、各素子からの受信信号が保存される。

信号処理部２０では、角度θと送信素子および受信素子の位置情報から遅延量を算出し、各素子での受信信号に遅延を与え、信号処理部２０において合成波を作成する。そして、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める。角度特性を求めた後は実施の形態１と同様であり、カットオフ角θ_ｃを求め、上記式(１１)にθ_ｃを代入してｔ’を求める計算を行い、ｔ−ｔ’という計算を行うことにより、腐食量が求まる。
なお、角度θを変化させた場合について説明しているが、位相速度を用いても同様である。すなわち位相速度Ｖｐを変化させ、合成波の振幅が相対的に大きく変化する位相速度から腐食量を求めることも可能である。

実施の形態２との差異は、受信素子も切り替えて行うという点である。受信素子も切り替えるということは、１回の送信で１回の受信しかできないので、測定に要する時間は長くなる。例えばアレイ探触子６の素子数が８とし、全ての素子で送受信する場合には、実施の形態２では８回の送信で済むが、実施の形態３では８×８＝６４回の送信が必要となる。しかし、実施の形態２よりも装置構成がさらに簡単になるという利点がある。

以上動作を説明したが、探傷方法の要旨をまとめて図３３に示したフローチャートを参照しながら説明する。まずｓｔｅｐ１として、アレイ探触子６の内の１素子だけで送信する。次にｓｔｅｐ２として、アレイ探触子６の内の１素子だけで反射波を受信する。ｓｔｅｐ３では、送信素子および受信素子の位置情報と、受信信号をメモリ１３に保存する。

ｓｔｅｐ４では、必要な素子数で受信したかどうか、判断する(設定値との比較)。判断の結果、受信していない場合にはｓｔｅｐ５として受信素子を変えてｓｔｅｐ２に戻る。受信していた場合にはｓｔｅｐ６に進む。

ｓｔｅｐ６では、必要な素子数で送信したかどうか、判断する(設定値との比較)。判断の結果、送信していない場合にはｓｔｅｐ７として送信素子を変えてｓｔｅｐ１に戻る。送信していた場合にはｓｔｅｐ８に進む。ｓｔｅｐ８では、アレイ探触子６の送信および受信を終了する。

ｓｔｅｐ９では、角度θと送信素子および受信素子の位置情報から遅延量を算出し、各受信信号に遅延量を与えて合成波を求める。そして角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求める。

ｓｔｅｐ１０では、角度特性からカットオフ角θ_ｃを求める。そしてｓｔｅｐ１１では、腐食量を求める。ｓｔｅｐ９からｓｔｅｐ１１の処理は、信号処理部２０において行う。なお図３３に示したフローチャートでは、受信を切り替えるループを内側にし、送信を切り替えるループを外側にして説明したが、これらのループが逆になっても構わない。すなわち、送信の切り替えを先に行い、受信の切り替えを後にしても同様の結果が得られる。

また実施の形態３においても、アレイ探触子６の構成は実施の形態１と同様のものとする。さらに、ラム波も重ね合わせで考えることができるので、対象とする超音波のモードは実施の形態１と同様にラム波でも構わないものとする。

以上説明したように、アレイ探触子を用いて試験体中に超音波を伝搬させ、腐食部からの反射波を合成し、角度θに対する合成波の振幅の角度特性を求め、カットオフ角θ_ｃから腐食量を測定することにより、探触子と試験体との接触状態の影響を少なくすることができるので、実施の形態１と同様に腐食量を精度良く測定できるという効果がある。また送受信器に遅延回路を含まず送信用増幅器も１個で済み、さらにＡ／Ｄ変換器や受信用増幅器が１個で済むので、装置構成がさらに簡単になるという効果もある。

なお上述のようにこの発明は、試験体の腐食量測定のみならず、傷等も含む試験体の凹部の凹み量測定全般に適用可能である。

１ 試験体、３ 腐食部、６ アレイ探触子、６ａ 素子、７ 送受信器、８ 信号源、９ 送信用遅延回路、１０ 受信用遅延回路、１１ Ａ／Ｄ変換器、１２ 加算器、１３ メモリ、１４ 試験片、１５ 受信用アレイ探触子、１６ 送信切り替えスイッチ、１７ 受信切り替えスイッチ、２０ 信号処理部、７０ 制御部、ＲＡ 受信用増幅器、ＴＡ 送信用増幅器。

Claims (18)

1. 電気信号によって駆動され超音波を試験体中に伝搬させ、かつ前記試験体中を伝搬した超音波を電気信号に変換する複数の素子を並べて設けたアレイ探触子と、
   前記アレイ探触子の各素子を駆動しかつ前記各素子からの電気信号を受信してアレイ探傷を行う送受信器と、
   を備え、
   前記送受信器は、前記アレイ探触子の各素子をそれぞれ所望のタイミングで駆動し各素子で得られる電気信号を受けて、送信時に所望の角度で超音波が伝搬された場合に生じる前記電気信号を求めさらに合成波を生成し、角度に対する前記合成波の振幅の角度特性を求めて振幅が相対的に大きく変化する角度から前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とするアレイ探傷装置。
2. 前記送受信器は、送信時には所望の角度で超音波が伝搬するように前記アレイ探触子の各素子の励振タイミングに遅延量を与え、受信時には送信時に対応した遅延量を各素子からの受信信号に与え、遅延量を与えられた各素子からの受信信号を合成し合成波とし、前記合成波と前記角度を記憶部に保存し、さらに予め設定した範囲内で前記角度を走査して同じ処理を繰り返し、
   前記記憶部に保存された角度と合成波から、角度に対する合成波の振幅の角度特性を求めて振幅が相対的に大きく変化する角度から前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求める、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレイ探傷装置。
3. 前記送受信器は、送信切り替えスイッチにより前記アレイ探触子中の素子を送信素子として指定し、前記アレイ探触子の各素子からの受信信号と、前記送信素子および受信素子の位置情報を記憶部に保存し、さらに前記送信素子を切り替えて所定の素子数だけ同じ処理を繰り返し、
   所望の角度と前記送信素子および受信素子の位置情報から遅延量を算出し、算出された遅延量を前記受信信号に与えて合成し合成波とし、角度に対する前記合成波の振幅の角度特性を求めて振幅が相対的に大きく変化する角度から前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求める、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレイ探傷装置。
4. 前記送受信器は、送信切り替えスイッチにより前記アレイ探触子中の素子を送信素子として指定し、受信切り替えスイッチにより前記アレイ探触子中の素子を受信素子として指定し、前記受信素子からの受信信号と、前記送信素子および受信素子の位置情報を記憶部に保存し、さらに前記送信素子および受信素子を切り替えて所定の素子数だけ同じ処理を繰り返し、
   所望の角度と前記送信素子および受信素子の位置情報から遅延量を算出し、算出された遅延量を前記受信信号に与えて合成し合成波とし、角度に対する前記合成波の振幅の角度特性を求めて振幅が相対的に大きく変化する角度から前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求める、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレイ探傷装置。
5. 前記アレイ探触子で送信および受信される超音波はＳＨ波であり、前記試験体中を伝搬するときにはＳＨ板波としての性質を有しており、前記送受信器は、前記試験体の厚さをｔ、前記凹部の厚さをｔ’、前記角度特性で合成波の振幅が相対的に大きく変化する角度をθ_ｃとすると、
   

   

   の関係式からｔ’を求め、前記試験体の厚さｔおよびｔ’から、前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とする請求項２から４までのいずれか１項に記載のアレイ探傷装置。
6. 前記送受信器は、前記合成波の振幅が相対的に大きく変化する角度θ_ｃの替わりに、前記合成波の振幅が相対的に大きく変化する位相速度を用いて、前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とする請求項５に記載のアレイ探傷装置。
7. 前記送受信器は、前記試験体のための予め実験で得た基準の角度特性をメモリに格納し、前記試験体で得られた合成波の振幅の角度特性を、前記基準の角度特性で正規化し、この正規化された角度特性において振幅が相対的に大きく変化する角度から前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とする請求項５または６に記載のアレイ探傷装置。
8. 前記基準の角度特性は、別途用意した試験片の基準反射面を対象とした実験によるものであることを特徴とする請求項７記載のアレイ探傷装置。
9. 前記試験体上に設置された送信用と受信用の２つのアレイ探触子を設け、前記送受信器が、前記２つのアレイ探触子により透過法で合成波を求め、求めた合成波の振幅の角度特性を前記基準の角度特性としたことを特徴とする請求項７に記載のアレイ探傷装置。
10. 前記アレイ探触子は、前記試験体の健全部におけるカットオフ周波数より高い周波数帯域で動作し、かつ前記試験体中に存在する凹部のカットオフ周波数を含んだ帯域幅を有することを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載のアレイ探傷装置。
11. 前記アレイ探触子の素子配列ピッチが、前記試験体中を伝搬するＳＨ板波の波長の４分の１以下であることを特徴とする請求項５または６に記載のアレイ探傷装置。
12. 前記アレイ探触子の開口面寸法をａとし、前記試験体の厚さをｔとし、前記試験体の横波音速をＶ_ｓとし、前記試験体中を伝搬するＳＨ板波の位相速度をＶ_ｐとすると、
    

    

    という関係を満足することを特徴とする請求項５または６に記載のアレイ探傷装置。
13. アレイ探触子から角度を変えながら試験体中へ超音波を送信し、かつ前記試験体中を伝搬した超音波を送信時の角度に対応して受信し、前記アレイ探触子の各素子で受信した信号を合成して合成波の振幅の角度特性を求め、角度特性において振幅が相対的に大きく変化する角度から前記試験体の凹部の凹み量を求めることを特徴とするアレイ探傷方法。
14. 前記アレイ探触子で送信および受信される超音波はＳＨ波であり、前記試験体中を伝搬するときにはＳＨ板波としての性質を有しており、前記試験体の厚さをｔ、前記凹部の厚さをｔ’、前記角度特性で振幅が大きく変化する角度をθ_ｃとすると、
    

    

    の関係式からｔ’を求め、前記試験体の厚さｔおよびｔ’から、前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とする請求項１３に記載のアレイ探傷方法。
15. 前記合成波の振幅が相対的に大きく変化する角度θ_ｃの替わりに、合成波の振幅が相対的に大きく変化する位相速度を用いて、前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とする請求項１４に記載のアレイ探傷方法。
16. 予め行った実験により基準の角度特性を求めておき、前記試験体で得られた合成波の振幅の角度特性を、前記基準の角度特性で正規化し、この正規化された角度特性において振幅が相対的に大きく変化する角度を求め、求めた角度から前記試験体内に存在する凹部の凹み量を求めることを特徴とする請求項１４または１５に記載のアレイ探傷方法。
17. 前記基準の角度特性は、別途用意した試験片の基準反射面を対象とした実験によるものであることを特徴とする請求項１６に記載のアレイ探傷方法。
18. 前記試験体上に送信用と受信用のアレイ探触子を２個設置し、前記２つのアレイ探触子を透過法で用いて合成波を求め、求めた合成波の振幅の角度特性を前記基準の角度特性とすることを特徴とする請求項１６に記載のアレイ探傷方法。

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