JP6111325B2 - 超音波検査方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波検査方法および装置に関わり、特に、欠陥評価が困難とされる非均質な被検体や音響異方性を有する被検体を検査するに好適な超音波検査方法および装置に関する。

構造物の健全性評価における代表的な非破壊検査方法の一つとして、超音波検査が用いられている。超音波検査は、超音波センサ内部に備わる電気機械変換効率を持つ圧電素子（以下、素子）に電圧を与えることで超音波を発振し、この振動を検査対象物中に伝搬させ、超音波が物質の境界面などで反射する性質を利用し、その一部の反射波による振動を再び素子により電圧に変換し、収録、グラフ化、或いは画像化して検査する方法である。 近年、超音波検査手法の一つであるフェーズドアレイ（Phased Array 以下、ＰＡ）法や開口合成（Synthetic Aperture 以下、ＳＡ）法の適用拡大がなされている。

ＰＡ法は、超音波センサ内部に配列された各素子を励振させるために与えるパルス電圧のタイミング（遅延）制御により、集束超音波ビームの走査が可能となり、複数の反射源を可視化する手法である。強い集束超音波によりＳＮ比が良く、複雑な波形処理が不要であるため高速に画像化することができるが、遅延回路や多くの増幅器を必要とし、高価で可搬性が悪い。

ＳＡ法は、超音波センサ内部に配列された一部の素子を用いて広いビームを電子走査して送信し、全ての素子で受信することで多数の経路で超音波を受信した波形をサンプリング後、波形毎に波源の存在し得る楕円体を求め、楕円体上に振幅値を重ね合わせることで、同じく複数の反射源を画像化する手法である。波形収録した後、ＰＣで処理するため、ＰＡ法用の装置と比べて遅延回路や多くの増幅器を必要とせず、可搬性に優れた装置を実現できるが、一般に拡散超音波を用いるためＳＮ比が悪く、さらに、複雑な波形処理が必要となるため高速化の工夫が必要となる。

どちらの手法も、殆ど超音波の音速やエネルギーの伝搬方向は一定という仮定の下で画像化しているため、均一等方性材料の検査に対しては、画像上の反射源位置と実際の反射源位置は良く一致する。しかし、一度溶けた金属が柱状結晶化することにより音響異方性を有する材料（以下、異方性材料と呼ぶ）では、音速やエネルギーの伝搬方向が変化するため、等方性を仮定して出力した画像上の反射源位置と実際の反射源位置で差異が生じ、測定精度が低下する。

この対策として、ＰＡ法のように素子に与える電気パルスのタイミングを制御することによって、物理的に超音波を集束させて検査する方法においては、予め異方性材料の性状を、理論値や文献値、断面計測などによってモデル化し、作成したモデル上でレイトレース法を用いて伝搬経路や伝搬時間を求め、高精度の検査結果画像を構成する手法が知られている（非特許文献１）。

また、ＳＡ法のように波形サンプリング方式によって計測された波形データを処理し、波形強度を平面・空間に重ね合わせる方法においても、予め異方性材料の性状を、理論値や文献値、断面計測などによってモデル化し、波形毎に適切な位置に波形強度情報を与え、それら強度を重ね合わせることで高精度の検査結果画像を構成する手法が開発されている（特許文献１）。

さらに近年、全波形サンプリング処理方式により収録した波形から必要な波形を取り出して処理し、処理した波形を時間反転して荷重条件を作成し、数値解析することにより、欠陥を画像化する手法が知られている。以下、波形を時間反転して数値解析して画像を再構成する手法を逆伝搬解析法と呼ぶこととする。数値解析アルゴリズムには、動弾性有限積分法や有限要素法など適用可能である。逆伝搬解析法を用いれば、被検体性状情報を含んだモデル上（解析領域）で逆伝搬解析することにより、複雑な被検体でも高精度で欠陥を評価できる利点がある（非特許文献２）。

時間反転をシミュレーション以外に応用した例としては、超音波で送受信を実施し、受信した波形を時間反転して処理し、処理した情報から作成したパルス電圧パターンを再び素子に与え、この操作を繰り返し実施することで高精度の超音波検査を実施するという手法がある（非特許文献３、４）。

米国特許第６７１９６９３号明細書

S. Pudovikov, A. Bulavinov, M. Kroning、「Ultrasonic inspectability of austenitic stainless steel and dissimilar metal weld joints」 中畑和之・木本和志、「超音波アレイセンサを用いた非均質材料中の欠陥映像化の試み」、第60回理論応用力学講演会、平成23年3月 Mathias Fink、「Time Reversal of Ultrasonic Fields-Part I:Basic Principles」、IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL. 39, NO.5, SEPTEMBER 1992 Najet Chakroun, Mathias A. Fink, and Francois Wu、「Time Reversal Processing in Ultrasonic Nondestructive Testing」、IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS, FERROELECTRICS, AND FREQUENCY CONTROL, VOL. 42, NO.6, NOVEMBER 1995

溶接部のように非均質で音響異方性を有する箇所を特に対象とし、センサを走査して検査を実施する場合、高精度な検査画像を出力するためには、準備を含めた検査時間が膨大になるという問題があった。

ＰＡ法においてはセンサ設置位置と音響異方性部分の相対位置が変化するたびに伝搬経路や伝搬時間が異なるため、各測定点における設定した全焦点の遅延時間パターンを予め準備し、適宜、遅延時間を読みこみ画像化する必要がある。このため、検査時間が膨大になるという問題があった。

また、ＳＡ法や特許文献１、非特許文献１に記された方法においても、センサを走査して検査を実施する場合には、同じく、センサ設置位置と音響異方性部分の相対位置が変化するたびに伝搬経路や伝搬時間が異なるため、各測定点における出力画像の全ピクセルにおける伝搬時間のシミュレーション（Reverse Phase Matching）を予め準備し、適宜画像化する必要がある。このため、やはり検査時間が膨大になるという問題があった。

非特許文献２に記された逆伝搬解析法による高精度画像化技術は、欠陥位置と被検体性状が大凡分かっていることを前提とし、逐次解析して画像を再構成するため、高精度の画像を即時には出力できないという問題があった。

非特許文献３や非特許文献４に記された時間反転法による高精度画像化技術は、繰り返し送受信するうちに発散する場合もあり、高精度な検査を実施できない問題があった。

そこで本発明は、非均質で音響異方性を有する材料においても、欠陥位置を高精度に、かつ、検査時間を短縮することが可能な超音波検査方法および装置を提供することにある。

このような課題を解決するために本発明の超音波検査方法は、収録した超音波波形から第一の探傷画像を作成するステップと、収録した超音波波形から求めた荷重条件を含む逆伝搬解析モデルを作成するステップと、前記逆伝搬解析モデル上で逆伝搬解析を実施した結果から第二の探傷画像を作成するステップと、を有することを特徴とする超音波検査方法である。

本発明によれば、被検体の超音波検査において、被検体が非均質で音響異方性を有する材料においても、欠陥位置を高精度に、かつ、検査時間を短縮して実施することが可能な超音波検査方法および装置を提供することができる。

数値解析アルゴリズムを用いた検査装置の構成図 数値解析アルゴリズムを用いた検査装置による検査方法を示すフロー図 検査方法の説明を示す補助図 数値解析アルゴリズムを切り替える検査装置の構成図 数値解析アルゴリズムを切り替える検査装置による検査方法を示すフロー図 開口合成処理を併用した本発明の検査装置の構成図 開口合成処理を併用した本発明の検査装置による検査方法を示すフロー図 本発明を用いた検査方法を示すフロー図 モデル作成方法を示すフロー図 モデル作成の概念図 詳細モデルの作成方法を示すフロー図 詳細モデル作成の概念図 溶接境界の説明図 表面波の合成方法の説明図 荷重条件の説明図 逆伝搬解析の説明図

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１に本発明の超音波検査装置１を示す。基本の装置構成要素は、センサ２、探傷器３、制御器４・解析器９（ＰＣ）、表示器１５（ディスプレイ）の４つで構成されている。超音波を発振するセンサ２としてアレイセンサを用いる。探傷器３、制御器４では、探傷器３を制御器４で制御することで、選択的にアレイセンサの各素子にパルス電圧を与えて超音波を発振することができ、かつ、選択的に反射波を受信して波形データ収録することができる。

探傷器３にはパルサ・レシーバを備え、制御器４からの信号を受信してセンサに電圧を与え超音波を送信し、センサで受信した超音波を電圧へ変換して受信する。

制御器４には、駆動機構１７よりセンサの位置情報を取得する為の位置検出部５を有する。また制御部６からの信号により使用する素子を選択する使用素子選択部７を有し、受信した信号を解析器９へと送信する信号処理部８を有する。

解析器９には、記憶部１０、モデル作成部１１、順伝搬解析部１２、逆伝搬解析部１３、解析結果評価部１４がある。本実施例においては、特に記憶部１０に数値解析アルゴリズムとしては、１種類のみ有する場合について述べる。

記憶部１０は、数値解析を実施するアルゴリズムの他、収録波形データ、センサ２および素子位置、素子と被検体の間のウェッジ（シュー又はくさび）や水などの接触媒体、被検体の形状と、被検体を構成する材料データ（密度、スティフネス係数、粒径分布、等）を保有する。保有する数値解析アルゴリズムとしては、有限積分法や有限要素法など波動方程式を取り扱うことができる様々なアルゴリズムが挙げられるうち、一種類となる。

モデル作成部１１は、超音波の伝搬現象を数値解析する際に必要な解析領域を定義する機能を有する。すなわち、解析領域を定義するため、センサ構造、ウェッジなどの接触媒体、被検体などの形状・性状を入力情報として境界条件を作成し、解析領域をメッシュに分割するような機能や、入力波形を処理して荷重条件を作成する機能を有する。

順伝搬解析部１２は、例えば、モデル作成部により作成した解析領域上に波源（荷重条件）を与えたモデルで伝搬解析を実施し、波源が素子位置にたどりついた時間を求める機能を有する。処理のアルゴリズムは様々な例が挙げられ、記憶部１０に保有する数値解析アルゴリズムを用いて順伝搬解析を実施する。

逆伝搬解析部１３は、例えば、モデル作成部１１により作成したモデル上において、収録した波形を荷重条件として、数値計算する機能を有する。ここでの数値計算には、有限積分法や有限要素法など波動方程式を取り扱うことができる様々なアルゴリズムが挙げられ、同じく記憶部１０に保有する数値解析アルゴリズムを用いて順伝搬解析を実施する。特に、非均質で異方性を有する被検査体に対しては、有限要素法のアルゴリズムが好適である。

解析結果評価部１４には、逆伝搬解析により再構成された画像を評価し、被検体が健全な状態においては反射源が無い場所に、反射源が存在するかを判断する機能を有する。

表示器１５における表示部１６では解析結果を表示する。

図１の装置構成により検査を実施するに好適な検査方法を、図２と図３を用いて示す。ここでは、簡単のため、センサ２は被検体上で固定されているものとする。

Ｓ０００で、検査を開始する。

Ｓ００１で、波形を収録する。波形の収録時間（波形の全長）をＴ、アレイセンサを構成する素子数をＮとして、素子に１からＮまでの番号を付けたとする。全波形サンプリング方式なら、番号Ｊ（１≦Ｊ≦Ｎ）の素子で超音波を送信し、番号Ｋ（１≦Ｋ≦Ｎ）の素子で超音波受信するため、素子番号の組み合わせ（Ｊ，Ｋ）のＮ×Ｎ個の全組み合わせによる波形収録を実施する。この時の収録波形をφ_JK（ｔ）とする。また、ＳＡ法で用いられるようなサンプリング方式なら、送信時にはＮ素子全てを用いて同時に超音波を送信し、受信時には各素子で受信するＮ個の波形収録を実施する。この時の収録波形をφ_K（ｔ）とする。波形収録は、全波形サンプリング方式でも良いし、サンプリング方式でも良い。例えば、全波形サンプリング方式で収録した波形から、サンプリング方式で収録した波形を合成することが可能である。これは、数式１の関係を有するからである。

例えば、アレイセンサが３素子で構成されている場合、サンプリング方式による波形と全波形サンプリング方式による波形は、φ₁=φ₁₁＋φ₂₁＋φ₃₁となる。全波形サンプリング方式は、サンプリング方式と比べて情報量が多いため、当然、波形処理の自由度が高いのが特徴である。以下は簡単のため、サンプリング方式で収録した波形を用いた場合に限定して説明する。

Ｓ００２で、記憶部１０に予めインプットしているセンサ仕様、ウェッジ仕様、被検体仕様などを用い、収録波形を荷重情報として逆伝搬解析を実施する解析領域を作成し、逆伝搬解析モデルとする。ここで、荷重情報は、Ｓ００１における収録波形を時間反転し、数式２として作成したものである。

αは、例えば、素子面積を解析領域のメッシュ単位に分割して荷重条件とするための定数や、レーダーや超音波による画像化技術で一般に用いられる、素子位置Ｋによって変化するような重みづけするための定数である。作成した荷重情報Ｉ_K（ｔ）は、各素子位置に相当する解析領域に与える。ここで、解析領域は、ウェッジや被検体の材質や形状などから境界条件を作成、解析領域を決定してメッシュに分割したものである。この段階では、被検体の溶接部の溶接境界や音響異方性を考慮せず、音響的に等方性を仮定した解析領域を設定する。

Ｓ００３で、記憶部１０に保有する数値解析アルゴリズムにより、作成した逆伝搬解析モデルで逆伝搬解析を実施する。

ここで、荷重条件と逆伝搬解析について詳細を説明する。図１５を用いて荷重条件について説明する。ある素子ＡでφＡ（ｔ）の波形を収録したとする。この収録波形を時間反転させて、定数αを加味する。これにより荷重条件が得られる。逆伝搬解析では、この得られた荷重条件ＩＡ（ｔ）がφＡ（ｔ）の波形を収録した素子に与えられたとして解析を行なう。

図１６を用いて逆伝搬解析の詳細について示す。図１５で求めた荷重条件を各素子において求め、この荷重条件が各素子に与えられた場合の超音波の伝搬の様子を、記憶部１０に保有する数値解析アルゴリズムを用いて数値解析すると、図１６のような画像として描写される。図１６（ａ）にはある時刻ｔでの様子を示す。荷重情報ＩＡ（ｔ）が素子Ａに与えられた場合、ある時刻ｔでは素子Ａを中心に図１６（ａ）のように波形が伝わる。ここで、解析した情報は、実試験での伝搬をより忠実に反映している。

その後、時刻Δｔ（＝ｔ＋Δｔ）が経過すると、波形が伝搬して図１６（ｂ）に示すような画像となる。ここで素子Ｂからも波形が伝わる様子が分かる。この素子Ｂで入力される波形は、素子Ｂで観測された波形から求めた荷重条件Ｉ_B（ｔ）である。そして、時刻２Δｔ（＝ｔ＋２Δｔ）が経過すると図１６（ｃ）のように波が伝わる。ここで、素子Ａ及び素子Ｂから伝わる波によって箇所Ａ３０では波形の重ね合わせが生じて、画像としては波形が濃くなる。なお、解析器での処理は波形に対して処理がされているが、画像上ではこの波形の高さ（振幅）を複数のレベルに分けて濃淡で表すようにしている。

このような処理を波形の収録時間Ｔ分、全ての素子に対して実施することで、最終的には検査体の欠陥を画像化することが可能となる。これらの処理は実際に素子に波形を入力するのではなく、解析器９で処理をする。なお、処理は波形の収録時間Ｔ分全てではなく、予め欠陥の発生しそうな位置関係か分かっていれば、必要な時間分のみ抽出して処理するようにしても構わない。

Ｓ００４で、解析結果（例えば画像）を出力する。

Ｓ００５で、解析結果を評価し、有意な信号Ｓが検出されるか評価を実施し、有意な信号Ｓが検出された場合、にはＳ００６のステップへ進む。

Ｓ００６で、再解析が必要か判定する。再解析が必要と判定された場合にはＳ００７のステップへ進む。

Ｓ００７で、例えば音響異方性を有する被検体においては、音響異方性の情報を含む解析領域を作成する。また、Ｓ００５において有意な信号Ｓ中の場所ＳＸに、例えば、点音源を模擬した荷重条件を付与する。点音源を模擬した荷重条件を付与する場所ＳＸとしては、例えば、有意な信号Ｓ中、最も信号強度が強かった場所となる。

Ｓ００８で、順伝搬解析を実施し、点音源を模擬した荷重条件を付与した場所ＳＸから各素子位置までの伝搬時間を求める。ここで求める伝搬時間は被検体の持つ音響異方性の情報を含む伝搬時間である。例えば、接触媒質、ウェッジ、母材及び溶接部での超音波の伝搬速度の違いも付与したものである。なお、図３において有意な信号Ｓは被検体外に表示されているため、ここでの音響異方性情報としては、母材における音響異方性情報、又は最も近い部位における音響異方性情報を与えるようにする。

Ｓ００９で、Ｓ００８で求めた伝搬時間より遅延時間ｄｋを算出する。遅延時間の一例としては、点音源を模擬した場所ＳＸより、最も遠い、すなわち、波形の伝わる伝搬時間が最もかかる素子位置での伝搬時間を基準として、この基準の伝搬時間と各素子位置に波形が伝わるまでの伝搬時間の差分をとって、各素子位置での遅延時間と定義する。Ｓ００９において作成した荷重条件を算出した遅延時間ｄｋを用いて、新たな荷重条件ＩＫ（ｔ）・Ｄ（ｄｋ）を作成する。ここで、関数Ｄは遅延時間を与える関数とした。

Ｓ０１０で記憶部１０に保有する数値解析アルゴリズムにより、被検体性状を含む解析領域上で荷重条件Ｉ_K（ｔ）・Ｄ（ｄ_k）を各素子位置に与えて逆伝搬解析を実施する。ここでの処理は、Ｓ００３での逆伝搬解析に遅延時間Ｄ（ｄ_k）を加味した点が異なっている。

Ｓ０１１で、解析結果を出力し、Ｓ０１２で、検査を終了する。図３に示すように、被検体を等方性で近似し、遅延時間を加味しないで逆伝搬解析により探傷結果を画像化した場合に比べて、被検体の詳細情報と遅延時間を加味することで、正しい位置で高精度な欠陥表示が実現している。被検体の詳細情報を加味し、遅延時間を加味しない処理の場合も考えられるが、この場合は、順伝搬解析が不要な分だけ処理時間が早くなり、遅延時間を加味せず被検体を等方性で近似した場合と比べると精度は高いが、被検体の詳細情報と遅延時間を加味する場合と比べると集束効果が得られないため精度は若干低下する。

ここで、Ｓ００５で、有意な信号が無い場合、または、Ｓ００６で再解析の必要性が無いと判断された場合も、Ｓ０１２で検査を終了する。また、図２中、Ｓ０１３として、Ｓ０１１の解析結果の出力後に再度Ｓ００７に戻ることによって、複数の有意な信号が検出された場合や、画像をさらに高精度化したい場合に対応することが可能となる。

このような処理を行うことで、音響異方性を加味した高精度な探傷結果を得られるため、欠陥位置を高精度に求めることが可能となる。高速だが低精度のＳ００５の処理における粗い画像化結果と、Ｓ０１０の処理での高精度の検査とを併用することで、欠陥位置を高精度に、かつ、短時間で検査することができる。

図４に、記憶部１０に数値解析アルゴリズムを２つ以上有する場合の装置構成を示す。数値解析アルゴリズムには、等方性として作成したモデル上において高速に解析できるが、音響異方性として作成したモデル上においては高速に解析することが困難なアルゴリズムや、等方性・音響異方性に関わらず解析可能であるが、解析速度が相対的に遅いアルゴリズム、また、波動現象を取り扱えるアルゴリズムと取り扱えないアルゴリズムがある。そこで、図１の装置構成に加え、記憶部１０に２種以上の数値解析アルゴリズムをもち、解析結果評価部１４によって数値解析アルゴリズムを変更して数値解析を実施するための演算選択部１８が制御器４に必要となる。

例えば、等方性として作成したモデル上において高速に解析できるアルゴリズムには動弾性有限積分法、等方性・音響異方性に関わらず解析可能なアルゴリズムには有限要素法がある。また、動弾性有限積分法や有限要素法は波動方程式を解くため、波動現象を取り扱えるが、取り扱えないアルゴリズムとして、例えば幾何光学的な伝搬経路を求めて、伝搬時間や遅延時間を算出できるレイトレース法がある。

図４の装置構成を用いて、検査を実施するのに好適な検査方法を図５に示す。ここでも、簡単のため、センサは被検体上で固定されているものとする。

Ｓ１００からＳ１０２は、Ｓ０００からＳ００２と同じである。Ｓ１０３で、記憶部１０に保有する数値解析アルゴリズムにより、作成した逆伝搬解析モデル上で逆伝搬解析を実施する（ここで逆伝搬解析を実施するアルゴリズムをアルゴリズムＡとする。）。

Ｓ１０４からＳ１０６は、Ｓ００４からＳ００６と同じである。Ｓ１０６で、再解析が必要とされた場合、Ｓ１０７でアルゴリズムＡを他のアルゴリズム、例えば異方性材料の解析が可能なアルゴリズムＢに変える必要があるかを判別する。このようにすることで、記憶部１０に新規開発した数値解析アルゴリズムを記憶させるだけで、装置の改良が図れる。例えばアルゴリズムＡは、高速に等方性材料における解析を実施できるが、異方性材料における解析は困難である場合、Ｓ１０７でアルゴリズムが再選択必要と判断し、Ｓ１０８で、異方性材料における解析が可能な別のアルゴリズムBを選択する。

Ｓ１０９で、Ｓ００８と同様にＳ１０５において検出された信号の場所ＳＸに、点音源を模擬した荷重条件を付与する。

Ｓ１１０で、アルゴリズムＢにより、順伝搬解析を実施し、点音源を模擬した荷重条件を付与した位置から各素子位置までの伝搬時間を求める。

Ｓ１１１で、求めた伝搬時間より遅延時間ｄ_kを算出する。Ｓ００２において作成した荷重条件を算出した遅延時間ｄ_kを用いて、新たな荷重条件Ｉ_k（ｔ）・Ｄ（ｄ_k）を作成する。作成した新たな荷重条件を各素子位置に与える。

Ｓ１１２で、アルゴリズムＢにより、被検体性状を含む解析領域上で逆伝搬解析を実施する。

Ｓ１１３で、解析結果を出力し、Ｓ１１４で、検査を終了する。

Ｓ１０５で、有意な信号が無い場合、または、Ｓ１０６で再解析の必要性が無いと判断された場合も、Ｓ１１４で検査を終了する。図５中、Ｓ１１５として、Ｓ１１３の解析結果の出力後に再度Ｓ１０９に戻ることによって、複数の有意な信号が検出された場合や、画像をさらに高精度化したい場合に対応することが可能となる。

ここで、順伝搬解析に用いたアルゴリズムＢには、アルゴリズムＡでもＢでもないアルゴリズムＣを用いても良い。例えば、アルゴリズムＡには動弾性有限積分法、アルゴリズムＢには有限要素法、アルゴリズムＣにはレイトレースを用いると良い。レイトレース法を選択した場合は、場所ＳＸを起点とし、各素子までのレイトレース法による幾何光学的な伝搬時間を求めて遅延時間を算出する。

実施例２では記憶部１０に複数のアルゴリズムを有するため、検査体の材質に最適なアルゴリズムを選択することで、高速に、かつ高精度に検査か可能となる。

図６に、図１や図４に示した装置構成に加え、記憶部１０に開口合成処理を実施する合成処理アルゴリズムと、実際に合成を行なう合成処理部１９と、開口合成処理結果を評価するための処理結果評価部２０を具備する場合の装置構成を示す。開口合成処理を実施することにより、等方性材料であるとの仮定の下、高速に画像化できる。

図６の装置構成を用いて、検査を実施するのに好適な検査方法を図７に示す。ここでも、簡単のため、センサ２は被検体上で固定されているものとする。

Ｓ２００からＳ２０１は、Ｓ０００からＳ００１と同じである。Ｓ２０２で、記憶部１０中、開口合成アルゴリズムが演算選択部１８で選択される。

Ｓ２０３で、収録波形を開口合成処理する。

Ｓ２０４で、開口合成処理による結果、例えば画像を出力し、Ｓ２０５で、処理結果評価部２０により、有意な信号Ｓが検出されるか評価を実施し、有意な信号Ｓが検出された場合、Ｓ２０６で、解析が必要か判定する。解析が必要と判定された場合、演算選択部１８により記憶部中、数値解析アルゴリズムが選択され、Ｓ２０７では、Ｓ００８と同様に、Ｓ２０５において検出された信号の場所ＳＸに、点音源を模擬した重条件を付与する。以下、Ｓ２０８からＳ２１２は、Ｓ００８からＳ０１２と同じである。

Ｓ２０５で、有意な信号Ｓが無い場合、または、Ｓ２０６で再解析の必要性が無いと判断された場合も、Ｓ２１２で検査を終了する。また、Ｓ２１３として、Ｓ２１１の解析結果の出力後に再度Ｓ２０７に戻ることによって、複数の有意な信号が検出された場合や、画像をさらに高精度化したい場合に対応することが可能となる。

本実施例では、開口合成処理を実施することにより、等方性材料であるとの仮定の下、高速に画像化できる。

以上は簡単のため、センサを固定した場合を想定して記載したものである。実際の超音波検査は、センサを被検体上で移動させて実施することが多い。センサを移動させて検査する場合の検査フローについて図８に示す。

Ｓ３００で、センサを被検体上に設置し、検査を開始する。

Ｓ３０１では、センサは初期位置にある。

Ｓ３０２で、制御器からの命令により、超音波の送受信を開始し、Ｓ３０３で、Ｓ００１、Ｓ１０１、Ｓ２０１に相当するステップとなる波形収録を実施する。

Ｓ３０４で、Ｓ００４、Ｓ１０４、Ｓ２０４に相当する画像を出力する。

Ｓ３０５で、前記画像上に有意な信号が無いか判別し、有意な信号が無い場合は、Ｓ３０７で、検査すべき全領域を検査し終わったか判定し、検査完了の場合、Ｓ３０９で、検査を終了する。

Ｓ３０５で有意な信号があった場合はＳ３０６で、Ｓ００７−Ｓ０１１、Ｓ１０９−Ｓ１１３、Ｓ２０７−Ｓ２１１に相当する被検体の詳細情報を含んだモデルでの数値解析を実施し、画像化する。Ｓ３０６のステップは、Ｓ３０３においで実施した収録波形データがあれば、検査中、終了後を問わず実施できる。

Ｓ３０７において未完了の場合はＳ３０８で、制御器からの命令により、センサの走査軌道・走査ピッチに従ってセンサは移動し、全領域を検査するまでＳ３０２−３０７を繰り返す。

本実施例では、センサを被検体上で移動させて実施するため、広い検査範囲をカバーすることが可能である。

以上、発明を実施するための実施例１−４において、図３における有意な信号Ｓを評価し、順伝搬解析において、場所ＳＸの荷重条件あるいは、レイトレース法の起点ＳＸを決定する代わりに、予め欠陥が予測される場合は、この予め欠陥が予測される場所をＳＸとすればよい。

本実施例では起点ＳＸを決定する必要が無いため、より高速に検査が実施できる。

センサを被検体上で移動させて本発明を実施するには、モデルを簡単にかつ精度良く作成する必要がある。モデル作成のために記憶部１０には、被検体の詳細な形状データや材料データ、センサ走査軌道、センサ走査ピッチ等を保持させておく。

被検体に対し、等方性材料を仮定した検査を実施する場合のモデルの作成方法を、図９と図１０に示す。

Ｓ４００で、モデル作成を開始する。Ｓ４０１で、センサの素子・ウェッジと被検体の位置関係を取得する。Ｓ４０２で、被検体の形状データを用いて、解析を実施する２次元あるいは３次元領域を設定する。Ｓ４０３で、被検体の材料データを領域に設定する。Ｓ４０４で、例えば、収録波形から作成した荷重条件を付与するための素子位置や、センサ構造としてバッキング（吸収境界）を考慮した解析領域、ウェッジの形状などから解析領域を設定する。Ｓ４０５で、バッキングやウェッジなどの材料データを付与し、モデルを作成すると良い。

次に、溶接部などの非均質で音響異方性を有する場合を想定した、詳細モデルの作成方法について、図１１と図１２を用いて説明する。Ｓ４００−４０５までは同じであるが、Ｓ４０６で、記憶部１０から、溶接部の境界情報を設定する。

Ｓ４０７で、記憶部１０から溶接部の詳細な材料データを読み出して付与することにより、溶接部を模擬したモデルを作成することができる。

一般に溶接部の材料データとしては、一度溶けた金属が固まるときに結晶化するため、各位置・領域における平均的な結晶成長方向、また、結晶化した金属種類に相当するスティフネス定数や密度を保持すると良い。

本実施例では予めモデルを有してしなくても、簡単な方法でモデルが作成できるようになるため、検査対象の汎用性を高めることか可能となる。

本実施例では、特に、溶接部が研磨されて肉眼で確認されにくい場合や、溶接部の精確な位置が不明な場合を想定した場合を説明する。Ｓ４０６で溶接部が肉眼で確認されにくい場合や、溶接部の位置が不明な場合、溶接部の境界情報を設定するための方法について図１３と図１４を用いて説明する。

溶接境界を判定するためには、Ｓ００１、Ｓ１０１、Ｓ１０２で収録した波形に遅延時間を与えて、表面波が強調されるように波形を合成し、溶接線を検出すればよい。表面波を強調するには、全波形サンプリング方式による収録波形を用いるとよい。図１４に示すように、隣り合う素子から発せられた超音波が、ウェッジ内を経由して被検体表面で表面波となり反射源に到達、反射源で反射されて再び被検体表面からウェッジを伝搬して素子に到達した場合の伝搬時間差Ｄ_Lは往復で、数式２のように表せる。

ここで、θはウェッジの傾き、Ｖ_Wはウェッジ内の縦波音速、Ｖ_Sは被検体内の横波音速であり、αは横波と表面波の音速の関係上、０．９から０．９５までの値をとる。ウェッジが無い場合、θ＝０を代入する。

例えば、この時間差Ｄ_Lを用いて、全波形サンプリング方式で収録した波形のうち、同一の素子で送受信をして収録した波形φ_ii（ｔ）（１≦ｉ≦Ｎ）に遅延時間を与え、

と合算した合成波形φ_sは、表面波成分を強めた波形となる。合成波形φ_sに出現する反射源からの信号により、センサ２と被検体表面２１の反射源（溶接線）の位置関係を求めることができる。この位置関係の情報を用いて、溶接部の詳細なモデルを作成することで、溶接部が研磨されて肉眼で確認されにくい場合や、溶接部の精確な位置が不明な場合においてもＳ４０６で、溶接部の境界情報を設定することが可能となる。

１・・・超音波検査装置
２・・・センサ
３・・・探傷器
４・・・制御器
５・・・位置検出部
６・・・制御部
７・・・使用素子選択部
８・・・信号処理部
９・・・解析器
１０・・・記憶部
１１・・・モデル作成部
１２・・・順伝搬解析部
１３・・・逆伝搬解析部
１４・・・解析結果評価部
１５・・・表示器
１６・・・表示部
１７・・・駆動機構
１８・・・演算選択部
１９・・・合成処理部
２０・・・処理結果評価部
２１・・・被検体表面
３０・・・箇所Ａ

Claims (11)

1. 被検査体を超音波を用いて検査する超音波検査方法において、
   収録した超音波波形から第一の探傷画像を作成するステップと、
   前記第一の探傷画像から有意な反射信号を検出するステップと、
   前記有意な反射信号の位置から各超音波送信位置までのそれぞれの超音波の、前記被検査体の持つ音響異方性の情報を含む伝搬時間を求める第二の伝搬解析を実施するステップと、
   前記伝搬時間より各超音波送信位置における遅延時間情報を求めるステップと、
   前記遅延時間情報及び収録した超音波波形を時間反転した波形を入力として、前記被検査体への超音波の伝搬を解析する第一の伝搬解析モデルを作成するステップと、
   前記第一の伝搬解析モデル上で伝搬解析を実施した結果から第二の探傷画像を作成するステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
2. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   前記第一の探傷画像を作成するステップは、
   収録した超音波波形を時間反転した波形を入力として、前記被検査体への超音波の伝搬を解析する第三の伝搬解析モデルを作成するステップと、
   前記第三の伝搬解析モデル上で伝搬解析した結果を出力するステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
3. 請求項１又は２に記載の超音波検査方法において、
   前記第一の探傷画像を作成するステップは、
   数値解析アルゴリズムＡを選択するステップと、
   収録した超音波波形を時間反転した波形を入力として、前記被検査体への超音波の伝搬を解析する第一の伝搬解析モデルを作成するステップと、
   前記第一の伝搬解析モデル上で前記数値解析アルゴリズムＡを用いて伝搬解析して結果を出力するステップを有し、
   前記第二の伝搬解析を実施するステップは、
   前記数値解析アルゴリズムＡ以外の数値解析アルゴリズムを選択することが可能なステップと、
   前記有意な反射信号の位置から各超音波送信位置までのそれぞれの超音波の、前記被検査体の持つ音響異方性の情報を含む伝搬時間を求める第二の伝搬解析モデルを作成するステップと、
   前記数値解析アルゴリズムＡ以外の数値解析アルゴリズムを用いて第二の伝搬解析を実施するステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
4. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   前記第一の探傷画像を作成するステップは、
   開口合成アルゴリズムを選択するステップと、
   収録した超音波波形を用いて開口合成処理により結果を出力するステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の超音波検査方法において、
   前記有意な反射信号の位置は、あらかじめ有意な反射信号が検出されると想定される位置であることを特徴とする超音波検査方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の超音波検査方法において、
   前記被検査体上にセンサを初期位置に設置するステップと、
   モデルを作成するステップを有し、
   前記モデルを作成するステップは、
   前記センサ及び前記被検査体の位置関係を取得するステップと、
   前記被検査体の解析領域を設定するステップと、
   前記被検査体の材料データを設定するステップと、
   前記センサの構造及びウェッジの解析領域を設定するステップと、
   前記センサの構造及び前記ウェッジの材料データを設定するステップとを有することを特徴とする超音波検査方法。
7. 請求項６に記載の超音波検査方法において、
   前記モデルを作成するステップは、
   溶接境界情報を設定するステップと、
   溶接部の材料データを設定するステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
8. 請求項７に記載の超音波検査方法において、
   前記溶接境界情報を設定するステップは、
   表面波を用いて前記センサの中心位置と溶接部境界位置を決定するステップを有することを特徴とする超音波検査方法。
9. 被検査体を超音波を用いて検査する超音波検査装置において、
   解析器に、数値解析アルゴリズムを保持する記憶部と、
   前記数値解析アルゴリズムを用いて、所定の反射信号の位置から各超音波送信位置までのそれぞれの超音波の、前記被検査体の持つ音響異方性の情報を含む伝搬時間を解析する順伝搬解析部と、
   前記数値解析アルゴリズムを用いて、前記伝搬時間より求めた各超音波送信位置における遅延時間情報及び収録した超音波波形を時間反転した波形を入力として、前記被検査体への超音波の伝搬を解析する逆伝搬解析部と、
   順又は逆伝搬解析する際に解析領域と解析条件を作成するモデル作成部と、
   前記逆伝搬解析した結果を評価し、再度逆伝搬解析を実施するか判断する解析結果評価装置を具備することを特徴とする超音波検査装置。
10. 請求項９に記載の超音波検査装置において、
    制御部に、解析アルゴリズムを選択する演算選択装置を具備し、
    前記解析器に、解析アルゴリズムとして複数の数値解析アルゴリズムを保持する記憶部を具備することを特徴とする超音波検査装置。
11. 請求項９又は１０に記載の超音波検査装置において、
    前記記憶部に、開口合成アルゴリズムを保持し、
    前記解析器に、収録した超音波波形を用いて開口合成処理を実施する開口合成処理部と、
    前記開口合成処理した結果を評価し、逆伝搬解析を実施するか判断する合成結果評価部を具備することを特徴とする超音波検査装置。

Images