JP6393639B2

JP6393639B2 - 超音波厚さ測定方法及び装置並びに欠陥位置検出方法

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Publication number: JP6393639B2
Application number: JP2015058917A
Authority: JP
Inventors: 雅則北岡; 裕久溝田
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Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2018-09-19
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Also published as: JP2016176884A

Description

本発明は、超音波厚さ測定方法及び装置並びに欠陥位置検出方法に関する。

金属材などの板厚や寸法測定には、超音波の縦波あるいは横波を用いた超音波厚さ測定方法が知られている。パルス状の縦波あるいは横波の音波を被検体の表面から被検体の内部へ送信し、被検体の底面から反射される反射波を受信し、この際の伝搬時間、または多重反射波間の伝搬時間差を計測し、被検体の厚さの伝搬時間と音速を乗算することで超音波の伝搬距離を算出し、厚さを測定する。

被検体の金属材の結晶組織が均一であれば、超音波の音速は、伝搬方向に依らずほぼ一定の値を取る。このような特性を持つ材料を等方性材と呼び、等方性を持つ材料については、上記の方法により高精度に厚さを測定することができる。

一方、結晶組織が不均一な場合は、超音波の音速は、伝搬方向に依存して異なる値をとる。例えば、ステンレス鋼やニッケル基合金等のオーステナイト系の材料の場合、結晶粒は立方晶の単結晶であり、冷却過程において結晶方位が特定の方向に揃いながら凝固する。この方向を結晶成長方向という。結晶組織は複数の結晶粒から構成されているため、結晶成長方向は平均値として特定の方位に向いており、結晶成長方向に直交する方向については、それぞれの結晶粒において、結晶方位がランダムな方向を向くことが知られている。

したがって、鋳造物や溶接部などの凝固組織からなる被検体の厚さを測定する場合には、板厚方向に関して、結晶方位がランダムとなり、音響異方性により超音波の伝搬方向によって超音波音速の値が変化するために、精度のよい厚さ測定が困難となる。

また、圧延材などの集合組織を有する被検体の厚さを測定する場合には、超音波の音速は、集合組織の状態と伝搬方向に依存して、異なる値をとる。これにより、精度の良い厚さ測定が困難となる。

これに対して、被検体と同等の結晶方位をもつ校正用の試験体により、予め実効的な音速値を測定し、厚さ測定をする方法も知られている。しかしながら、結晶方位がランダムとなっているため、校正試験体によって被検体の音速を再現することは困難である。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。この公報には、送信用と受信用の２つの超音波探触子を結晶成長方向に平行方向に対向させ、被検体の結晶方位方向と、２つの超音波探触子が設置される設置面に直交する方向とによって形成される面において、前記設置面の法線方向に対して３０度〜６０度の範囲の斜め方向に縦波超音波を伝搬させ、前記縦波超音波の音速として、結晶方位方向に対して４５度の方向に伝搬する縦波音速の最大値と最小値の平均音速を用いるようにした超音波厚さ測定方法について記載がある。

特開２０１２−０５３０２７号公報

しかしながら、結晶粒の結晶方位や集合組織の状態は統計的なばらつきを持つために、異方性が大きな被検体においては、仮定した音速と実際の音速との誤差が大きく、精度良く厚さを測定できないという課題がある。精度のよい測定を行うためには、被検体を構成する結晶粒の結晶方位を予め測定する必要があり、例えば、被検体の断面観察などによって結晶方位をあらかじめ測定する必要がある。しかし、このような測定を実施すると、測定時間が大幅に増大してしまうなど、簡便な測定ができないという課題が発生する。

上述の特許文献１記載の厚さ測定方法では、結晶方位方向に対して４５度の方向に伝搬する縦波音速の最大値と最小値の平均音速を用い、結晶方位（結晶成長方向と直交する成分）について、統計的なランダムさの影響を受けにくい斜め方向に伝搬する超音波の伝搬時間に注目して、平均的な伝搬時間を計測することで、簡便に厚さを測定することができるようにしているものの、音速として平均音速を代表値として選択しているため、結晶方位が不明な場合、音速は平均値から大きくバラつき、精度のよい測定が困難であるという課題がある。また、結晶方位があらかじめ分かっている校正試験体を用意する必要があるという課題がある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、金属の結晶組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であるような被検体においても、簡便にかつ精度良く厚さを測定する超音波厚さ測定方法及び装置並びに欠陥位置検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、超音波を利用して被検体の厚さや欠陥位置を検出する方法において、二乗平均平方根音速を設定するステップと、垂直偏波横波及び水平偏波横波を被検体に伝搬させ、垂直偏波横波及び水平偏波横波のそれぞれの伝搬時間を測定するステップと、縦波超音波を被検体に伝搬させ、縦波伝搬時間を測定するステップと、前記垂直偏波横波伝搬時間、前記水平偏波横波伝搬時間及び前記縦波伝搬時間から実効伝搬時間を算出するステップと、前記二乗平均平方根音速と前記実効伝搬時間から被検体の厚さや欠陥位置を算出することを特徴とする。

本発明によれば、金属の結晶組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であるような被検体においても、簡便にかつ精度良く厚さや欠陥位置を測定することができる。

実施例１による超音波厚さ測定方法の手順を示すフローチャートである。超音波厚さ測定の原理を示す概念図である。測定対象とする単結晶被検体の結晶方位と超音波伝搬方向の関係を示す概念図である。測定対象とする単結晶被検体の超音波伝搬方向と音速の関係を示す概念図である。測定対象とする被検体の溶接部の結晶方位と超音波伝搬方向の関係を示す概念図である。測定対象とする被検体の溶接部の超音波伝搬方向と音速の関係を示す概念図である。実施例１による超音波厚さ測定装置の全体構成を示すブロック図である。実施例１の超音波厚さ測定装置の詳細構成を示すブロック図である。実施例２における音速設定方法の手順を示すフローチャートである。実施例３における音速設定方法の手順を示すフローチャートである。実施例４の超音波欠陥位置検出装置の詳細構成を示すブロック図である。

以下、実施例を、図面を用いて説明する。

以下、図１〜図６を用いて、実施例１による探傷装置について説明する。

最初に、実施例で用いる超音波厚さ測定方法について図２で簡単に説明する。図２は従来の超音波厚さ測定方法を用いた超音波厚さ測定装置の説明図である。超音波厚さ測定装置は、超音波探触子１０４により電圧を物理的な力に変換して超音波を被検体１０６中に送受信する。超音波モードは、伝播方向と同じ方向に振動する縦波と、伝播方向と垂直方向に振動する横波がいずれも用いられる。超音波探触子１０４は、遅延材１０５を介して、被検体１０６に接触している。被検体１０６は、結晶方位１１４が未知である音響異方性材からなる。遅延材１０５は、ポリスチレン等の合成樹脂性のブロックであり、被検体１０６の表面からの反射波１０７を得るために用いられる。超音波探触子１０４と遅延材１０５との間、及び遅延材１０５と被検体１０６との間は、それぞれ、接触媒質を介して接触させるようにする。なお、被検体の表面が平面加工されてない場合は、被検体との接触性改善を図るために、遅延材１０５の形状を例えば曲面形状に加工してもよいものである。超音波送受信器１０１は、パルサー１０２と、レシーバ１０３とを備えている。

超音波は、被検体１０６の表面に対して垂直方向に送信され、被検体１０６の表面で反射される反射波１０７と、底面で反射される反射波１０８が生成される。反射した超音波は、再び超音波探触子１０４で電気信号に変換される。受信された電気信号は、超音波送受信器１０１のレシーバ１０３で受信され、表示器１０９に波形信号として表示される。ここで、波形信号１１０は被検体の表面からの反射波１０７の波形であり、波形信号１１１は被検体の底面からの反射波１０８の波形である。これらの波形信号１１０、１１１から、被検体１０６を伝搬した時間差１０９を測定して、超音波音速に時間差１０９を乗算することで、厚さ１１３を評価することができる。

図３及び図４を用いて、実施例１による超音波検査方法の検査対象である被検体中を伝搬する超音波の音速について説明する。

被検体である音響異方性材は、単結晶材や、例えば肉盛り溶接部や鋳造品などのようにある特定の結晶方位が揃った複数の結晶粒から構成される一方向凝固材、圧延工程によりミクロな結晶が統計的なバラつきを持って形成される圧延集合組織を持つ多結晶体などである。一方向凝固材は、特定の結晶方位を回転中心とし、回転対称なモデルとして取り扱うことができる。圧延集合組織は、圧延方向、圧延直交方向を主軸とする斜方晶モデルとして取り扱うことができる。

超音波の音速は、被検体の密度と、弾性スティフネスと呼ばれる６×６成分の行列ｃと超音波伝搬方向とから、いわゆるクリストッフェル方程式と呼ばれる固有値方程式により、理論的に取り扱うことができる。

音響異方性材を等方材と同様に、ある一定の音速を仮定して、縦波あるいは横波を利用して厚さ１１３を測定すると、仮定した音速と実際の音速が異なり、厚さ測定の精度が低下する。

図３を用いて、立方晶の単結晶２０１中を伝搬する超音波の音速について説明する。図３（Ａ）は立方晶単結晶２０１中を伝搬する超音波２０２のモデルを示している。例えば図３（Ｂ）に、クリストッフェル方程式を用いて立方晶２０１材である純鉄中の音速を計算した例を示している。立方晶のある方向、例えば＜１００＞を結晶方位とし、結晶方位と超音波伝搬方向のなす角度１１５をθとすると、縦波音速２０４および横波音速（垂直偏波横波音速２０５、水平偏波横波音速２０６）はθに依存して変化する。また横波超音波は垂直偏波横波と水平偏波横波に分離して伝搬し、それぞれ異なる垂直偏波横波音速２０５および水平偏波横波音速２０６を示す。

図３（Ｂ）で例示した純鉄では、被検体の結晶方位がランダムあるいは不明な場合、立方晶の音速として平均音速を仮定して厚さ１１３を測定すると、縦波を用いた場合は最大±８．０％程度、垂直偏波横波を用いた場合は最大±２１．７％程度、水平偏波横波を用いた場合は最大±１４．７％程度の誤差が生じる。

また、図４を用いて、立方晶がある特定の結晶方位に揃いながら凝固した、複数の結晶粒から構成される一方向凝固材３０１中を伝搬する超音波の音速について説明する。図４（Ａ）は一方向凝固材３０１中を伝搬する超音波３０２のモデルを示している。例えば図４（Ｂ）に、クリストッフェル方程式を用いて一方向凝固材３０１であるステンレス鋼中の溶接部の音速を計算した例を示している。結晶成長方向を結晶方位とし、結晶方位と超音波伝搬方向のなす角度１１５をθとすると、図３を用いて説明した立方昌単結晶の場合と同様に、縦波音速３０４および横波音速（垂直偏波横波音速３０５、水平偏波横波音速３０６）はθに依存して変化する。

図４（Ｂ）で例示したステンレス鋼の一方向凝固材では、被検体の結晶方位がランダムあるいは不明な場合、一方向凝固材の音速として平均音速を仮定して厚さ１１３を測定すると、縦波を用いた場合は最大±７．０％程度、垂直偏波横波を用いた場合は最大±１８．０％程度、水平偏波横波を用いた場合は最大±８．７％程度の誤差が生じる。

以上の例と同様に、圧延集合組織を有するような被検体についても、圧延集合組織の形成状態が不明な場合、縦波および横波音速に変化が生じるため、等方材の音速を平均音速として厚さを測定すると、精度が低下する。

このため、音速の代表値として平均音速を用いても厚さ測定の精度を確保して精度良く厚さ１１３を測定することは困難である。しかし、超音波による厚さ測定は、超音波音速と伝搬時間１１２の乗算により計算されるので、音速の代表値を決められないと、厚さ１１３を決めることができない。また、被検体１０６にはランダム性が存在するため、有意な平均音速値を得るためには、複数の校正試験体で複数箇所の測定を行う必要があり簡便に厚さを決定することができない。

そこで、本実施例では、音速値として縦波音速、垂直偏波横波音速、水平偏波横波音速の３種類の音速から算出した二乗平均平方根音速を利用して、厚さを測定する。図３（Ｂ）、図４（Ｂ）に示している通り、例えば、純鉄の単結晶およびステンレス鋼の一方向凝固材の二乗平均平方根音速２０７、３０７は、結晶方位と超音波伝搬方向のなす角度θに影響を受けない。圧延集合組織についても同様に二乗平均平方根音速は結晶方位に依存しない一定の値になる。また、厚さ１１３を算出するためには二乗平均平方根音速と乗算することで厚さを算出することができる実効伝搬時間を用いる。実効伝搬時間も結晶方位と超音波伝搬方向のなす角度θに影響を受けない。

このように、二乗平均平方根音速とそれに対応する実効伝搬時間は、超音波伝搬方向と結晶方位のなす角度１１５の変化に対して影響を受けにくいので、金属の結晶組織を構成する結晶粒が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であるような被検体１０６においても、簡便にかつ精度良く厚さを測定することが可能となる。

図５、図６を用いて、本実施例１による超音波厚さ測定装置について説明する。

図５は本実施例による超音波厚さ測定装置の全体構成の説明図である。超音波探触子１０４は縦波および横波を同一伝搬経路で被検体中を伝搬させる。超音波送受信器は超音波探触子から送受信される横波の振動方向を回転させる振動方向回転機構４０７を有している。縦波伝搬時間、垂直偏波横波伝搬時間、水平偏波横波伝搬時間をそれぞれ測定するため、縦波伝搬時間測定器４０２、垂直偏波横波伝搬時間測定器４０３、水平偏波横波伝搬時間測定器４０４を備えている。表示器１０９には、縦波の測定結果を表示する縦波表示器１０９Ａと横波の測定結果を表示する横波表示器１０９Ｂが備えられている。縦波横波のそれぞれについて、被検体１０６の表面からの反射波１０７に対応する縦波信号１１０Ａ、横波信号１１０Ｂと、被検体１０６の底面からの反射波１０８に対応する縦波信号１１１Ａおよび垂直偏波横波信号１１１Ｂ、水平偏波横波信号１１１Ｃが表示される。また、厚さ測定装置４０１は材質ごとの二乗平均平方根音速を保持しているデータベース４０５を備えている。

厚さ算出器４０６は、縦波伝搬時間測定器４０２、垂直偏波横波伝搬時間測定器４０３、水平偏波横波伝搬時間測定器４０４で測定した縦波伝搬時間１１２Ａ、垂直偏波横波伝搬時間１１２Ｂ、水平偏波横波伝搬時間１１２Ｃと二乗平均平方根音速から厚さ１１３を算出する。ただし、図５に示す例は、本発明の実施形態を限定するものではない。なお、図２、図５において、同一符号は、同一部分を示している。

図６は本実施例による超音波厚さ測定装置の超音波送受信器の振動方向回転機構の詳細構成の説明図である。縦波振幅設定部５０１および横波振幅設定部５０２には縦波および横波を生成するための超音波探触子１０４に印加する電圧値を設定する。回転角設定部５０３には横波振動方向を表す回転角φを設定する。超音波探触子１０４には、縦波および直交する２方向に振動する横波を生成する圧電素子１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃが具備されている。パルサー１０２Ａは縦波振幅設定部５０１で設定した電圧値に基づく電圧を生成し、縦波用圧電素子１０４Ａに印加する。横波振幅設定部４０２で設定した電圧値は回転角設定部５０３で設定した回転角φにもとづき、ｃｏｓφおよびｓｉｎφを乗算する乗算器５０４Ａ、５０４Ｂで電圧値に変換され、パルサー１０２Ｂおよびパルサー１０２Ｃに送られる。パルサー１０２Ｂおよびパルサー１０２Ｃは受信した電圧値に基づく電圧を生成し、横波用圧電素子１０４Ｂ、１０４Ｃに印加する。縦波と横波の送受信はタイミングをずらしても良いし、同時に行っても良い。反射波１０７、１０８を受信した圧電素子１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃは変換した電気信号をレシーバ１０３Ａ、１０３Ｂ、１０３Ｃに送る。縦波用レシーバ１０３Ａは受信した信号を縦波表示器１０９Ａに送る。横波用レシーバ１０９Ｂと横波用レシーバ１０９Ｃは受信した信号ＲＢ、ＲＣを横波波形算出部５０５へ送る。横波波形算出部５０５では、（ＲＢ²＋ＲＣ²）^1/2を計算し、横波表示器１０９Ｂへ送る。表示器１０９は受信信号を、例えば液晶ディスプレイなどに表示する。ただし、図６に示す例は、本発明の実施形態を限定するものではない。例えば、超音波探触子は縦波、横波のそれぞれの測定ごとに専用の超音波探触子に置き換えても良いし、横波振動方向は一方向に振動方向を有する超音波探触子を使用し、超音波探触子自体を機械的に回転させることによって回転させても良い。

次に、図１を用いて、本実施例による超音波厚さ測定方法の動作手順について説明する。まず、横波のうち、垂直偏波横波と水平偏波横波の振動方向を求める。ステップＳ１０１で超音波探触子１０４から横波超音波を送受信する。縦波振幅は被検体１０６の底面からの反射波１０８が超音波探触子１０４に到達し、表示器１０９に十分な波高値で表示されるのに十分な電圧値を設定する。振動方向はφ＝０度としておく。

ステップＳ１０２では、表示器１０９に表示された反射波の信号を用いて横波伝搬時間を測定する。この際、横波振動方向が垂直偏波横波または水平偏波横波の振動方向と一致していない場合、表示器には、反射波信号１１１Ｂと１１１Ｃが混合されて表示されるため、垂直偏波横波伝搬時間１１２Ｂおよび水平偏波横波伝搬時間１１２Ｃを精度良く測定することができない。

そこで、ステップＳ１０３では、回転角φを変化させる。再び、ステップ１０４に戻り、横波を送受信する。このステップを繰り返し実行すると、反射波信号１１１Ｂと１１１Ｃの時間間隔が大きく、分離している場合は、１１１Ｂまたは１１１Ｃのどちらか一方の信号が消失し、１１１Ｂまたは１１１Ｃのどちらか一方のみが表示される。この時のφが、垂直偏波横波または水平偏波横波の振動方向である。すなわち被検査体の結晶方位と一致する方向と決めることができる。また、例えば、被検査体の厚さが薄い場合や垂直偏波横波と水平偏波横波の音速差が小さい場合には、反射波信号１１１Ｂと１１１Ｃの時間間隔が小さく、信号が混合して観測される場合が考えられる。そのような場合には、伝搬時間が最大または最小になる時の、１１１Ｂまたは１１１Ｃのどちらか一方のみが表示される場合が結晶方位と一致する場合であると考えることができる。この時のφが、垂直偏波横波または水平偏波横波の振動方向である。以下、回転角φの横波が垂直偏波横波と仮定して説明する。回転角φが水平偏波横波の場合も手順は同じである。

ステップＳ１０４では、上記ステップで求めたφを回転角設定部に設定し、横波を送受信し、垂直偏波横波の伝搬時間１１２Ｂを測定し、垂直横波伝搬時間測定器４０３で保持する。続いて、φ＋９０度を回転角設定部に設定し、横波を送受信し、水平偏波横波の伝搬時間１１２Ｂを測定し、水平横波伝搬時間測定器４０４で保持する。

次に、表示器１０９に表示された反射波の信号を用いて縦波伝搬時間を測定する。ステップＳ１０５で縦波超音波を送受信し、受信信号を表示器１０９に表示する。縦波の伝搬時間１１２Ａを測定し、縦波伝搬時間測定器４０２で保持する。

ステップＳ１０７では、二乗平均平方根音速を設定する。材料を指定してデータベースから二乗平均平方根音速を読み出して設定する。ステップＳ１０８では、縦波伝搬時間測定器４０２、垂直横波伝搬時間測定器４０３、水平横波伝搬時間測定器４０４で保持した縦波伝搬時間Ｔ_L、垂直偏波横波伝搬時間Ｔ_S1、水平偏波横波伝搬時間Ｔ_S2から、実効伝搬時間Ｔ_RMSを、
（数式１）の関係を用いて算出する。

最後に、ステップＳ１０９では、上記指定した二乗平均平方根音速Ｖ_RMSと算出した実効伝搬時間Ｔ_RMSから、
（数式２）として、厚さＬを算出する。算出した厚さは表示器１０９に表示する。

このようにして、二乗平均平方根音速とそれに対応する実効伝搬時間を計測することで結晶方位が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であるような被検体においても、簡便にかつ精度良く厚さを測定することができる。

なお、ステップ１０１〜１０３は必要に応じて用いればよく必須のステップでなない。ステップ１０１〜１０３を実施せず、直接ステップ１０４の垂直偏波横波の伝搬時間と水平横波伝搬時間を測定して（この場合は９０度の回転操作は不要となる）、別途求めた縦波伝搬時間を用いて実効伝搬時間を算出しても効果を奏する。ステップ１０１〜１０３を実施することで、垂直偏波横波と水平偏波横波伝搬を分離して伝搬時間を観測できるためより精度向上が望める。

次に、図７を用いて、実施例２による厚さ測定方法について説明する。

図７は本実施例２による二乗平均平方根音速の設定方法を説明するフローチャートである。この実施例２は、実施例１において図１に示した二乗平均平方根音速の設定ステップＳ１０７についてデータベースから指定する方法に代えて、厚さが既知の校正試験体を用いて二乗平均平方根音速を算出するようにしたものである。本実施例における二乗平均平方根音速の設定では、実施例１で示した実効伝搬時間の算出までのステップは同様に使用することができる。したがって、図７のフローチャートのうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

ステップＳ２０１では、校正試験体の厚さＬを設定する。校正試験体は、例えば、被検体１０６と同一の素材から切り出して作成する。校正試験体自体の結晶方位が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であっても良い。

次に、ステップＳ２０２では、設定した厚さＬとステップＳ１０８で算出した実効伝搬時間Ｔ_RMSを用いて、二乗平均平方根音速Ｖ_RMSを算出し、超音波厚さ測定装置に設定する。二乗平均平方根音速は
（数式３）から算出できる。さらに精度よく二乗平均平方根音速を算出するため、異なる厚さの複数の校正試験体を利用して２回以上二乗平均平方根音速を求めて平均しても良い。

以上の手順で設定した二乗平均平方根を用いて、実施例１と同様に図１のフローチャートに従って厚さ測定ができる。

このようにして、校正試験体で計測した二乗平均平方根音速とそれに対応する実効伝搬時間を計測することで、校正試験体自体や被検体を校正する結晶粒の結晶方位が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であるような場合においても、簡便にかつ精度良く厚さを測定することができる。

次に、図８を用いて、実施例３による厚さ測定方法について説明する。

図８は実施例３による二乗平均平方根音速の設定方法を説明するフローチャートである。この実施例３は、実施例１において図１に示した二乗平均平方根音速の設定ステップＳ１０７について、データベースから指定する方法に代えて、被検体の密度と弾性スティフネスを用いて二乗平均平方根音速を算出するようにしたものである。

ステップＳ３０１では、被検体の密度ρを設定する。

ステップＳ３０２では、被検体の弾性スティフネスを指定する。弾性スティフネスは６×６要素を持つ対称行列なので、独立な成分２１個を持つ。しかし、対称性の高い立方晶金属の単結晶の場合は、２個の成分ｃ₁₁およびｃ₄₄を指定するだけで二乗平均平方根音速を算出できる。また、例えば、溶接部などの一方向凝固材や粗大な結晶粒の集合である鋳造品のように、被検体の結晶組織が立方晶金属から構成される場合も、組織を構成する単結晶の２個の成分ｃ₁₁およびｃ₄₄を指定するだけでよい。また、被検体が圧延集合組織を持つ場合でも、それぞれの結晶粒が完全にランダムで等方性とみなせる場合の２個の成分ｃ₁₁およびｃ₄₄を指定するだけでよい。

ステップＳ３０３では、密度ρと弾性スティフネスの成分ｃ₁₁およびｃ₄₄から二乗平均平方根音速Ｖ_RMSを
（数式４）の関係から算出する。

ただし、ここで説明した方法は密度と弾性スティフネスを指定して二乗平均平方根音速を算出するための唯一の方法ではない。例えば、弾性スティフネスのすべての独立な成分を指定してクリストッフェル方程式を解くことにより、縦波音速Ｖ_L、垂直偏波横波音速Ｖ_S1、水平偏波横波音速Ｖ_S2を計算することで、二乗平均平方根音速Ｖ_RMSを
（数式５）の関係から算出する方法を用いても良い。

以上のように被検体の密度と弾性スティフネスを用いて算出した二乗平均平方根音速とそれに対応する実効伝搬時間を計測することで、校正試験体自体や被検体を校正する結晶粒の結晶方位が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であるような場合においても、簡便にかつ精度良く厚さを測定することができる。

次に、図９を用いて、実施例４による欠陥位置測定方法について説明する。

実施例１〜３で説明した厚さ測定方法は、測定対象が被検体の厚さだけでなく、超音波の反射が得られるものであれば適用可能である。例えば、図９で示した欠陥６０７やボイド欠陥に対しても、その位置を精度よく求めることが可能である。

実施例４では実施例１での超音波厚さ測定装置４０１が超音波欠陥位置検出装置６０１となり欠陥位置算出器４０６が欠陥位置算出器６０６となっている点が大きく異なる。

実施例１〜３で説明した厚さ測定方法と同様に、二乗平均平方根音速とそれに対応する欠陥からの実効伝搬時間を計測することで、校正試験体自体や被検体を校正する結晶粒の結晶方位が統計的なばらつきをもち、結晶方位が不明であるような場合においても、簡便にかつ精度良く欠陥位置を検出することができる。すなわち、欠陥位置６０８として求めることが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１超音波送受信器
１０２パルサー
１０３レシーバ
１０４超音波探触子
１０５遅延材
１０６被検体
１０７被検体表面からの反射波
１０８被検体底面からの反射波
１０９表示器
１１０被検体表面からの反射波に対応する信号
１１１被検体底面からの反射波に対応する信号
１１２被検体を往復する超音波の伝搬時間
１１３被検体の厚さ
１１４被検体の結晶方位
１１５被検体の結晶方位と超音波伝搬方向のなす角度
２０１立方昌単結晶のモデル
２０２立方昌単結晶を伝搬する超音波の伝搬方向
２０４純鉄中の縦波音速
２０５純鉄中の水平偏波横波音速
２０６純鉄中の垂直偏波横波音速
２０７純鉄中の二乗平均平方根音速
３０１一方向凝固材のモデル
３０２一方向凝固材中を伝搬する超音波の伝搬方向
３０４ステンレス溶接部の縦波音速
３０５ステンレス溶接部の水平偏波横波音速
３０６ステンレス溶接部の垂直偏波横波音速
３０７ステンレス溶接部の二乗平均平方根音速
４０１超音波厚さ測定装置
４０２縦波伝搬時間測定器
４０３垂直横波伝搬時間測定器
４０４水平横波伝搬時間測定器
４０５二乗平均平方根音速のデータベース
４０６厚さ算出器
４０７振動方向回転機構
５０１縦波振幅設定部
５０２横波振幅設定部
５０３回転角設定部
５０５横波波形算出部
６０１超音波欠陥位置検出装置
６０６欠陥位置算出器
６０７欠陥
６０８欠陥位置
Ｓ１０１〜Ｓ１０９超音波厚さ測定の計算ステップ
Ｓ２０７校正試験体による音速校正の実行ステップ
Ｓ３０１〜Ｓ３０３密度と弾性スティフネスによる音速算出の実行ステップ

Claims

超音波を利用して被検体の厚さを測定する超音波厚さ測定方法において、
二乗平均平方根音速を設定するステップと、
垂直偏波横波及び水平偏波横波を被検体に伝搬させ、垂直偏波横波及び水平偏波横波のそれぞれの伝搬時間を測定するステップと、
縦波超音波を被検体に伝搬させ、縦波伝搬時間を測定するステップと、
前記垂直偏波横波伝搬時間、前記水平偏波横波伝搬時間及び前記縦波伝搬時間から実効伝搬時間を算出するステップと、
前記二乗平均平方根音速と前記実効伝搬時間から被検体の厚さを算出する超音波厚さ測定方法。
請求項１の超音波厚さ測定方法において、
横波の振動方向を回転させて横波超音波を被検体に伝播させ、被検体の垂直偏波横波及び水平偏波横波のそれぞれの振動方向を測定するステップと、
前記振動方向に基づいて、垂直偏波横波及び水平偏波横波を被検体に伝搬させ、垂直偏波横波及び水平偏波横波のそれぞれの伝搬時間を測定するステップを有する超音波厚さ測定方法。
請求項１又は２のいずれかに記載の超音波厚さ測定方法において、
前記二乗平均平方根音速を設定するステップは、被検体中を伝搬する縦波音速Ｖ_Lと、垂直偏波横波音速Ｖ_S1と水平偏波横波音速Ｖ_S2から二乗平均平方根音速Ｖ_RMSを
の関係から算出して設定するステップと
前記実効伝搬時間を算出するステップは、被検体中を伝搬する前記縦波伝搬時間Ｔ_Lと、前記垂直偏波横波伝搬時間Ｔ_S1と前記水平偏波横波伝搬時間Ｔ_S2から、実効伝搬時間Ｔ_RMSを
の関係から算出するステップと、
前記二乗平均平方根音速Ｖ_RMSと前記実効伝搬時間Ｔ_RMSから、
として、板厚Ｌを算出する超音波厚さ測定方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波厚さ測定方法において、
前記二乗平均平方根音速を設定するステップは、
被検体と同じ材料組成から成る校正試験体を利用し、横波の振動方向を回転させて横波超音波を対象物に伝播させ、垂直偏波横波及び水平偏波横波の各振動方向を測定するステップと、
前記振動方向に基づいて、垂直偏波横波及び水平偏波横波を校正試験体に伝搬させ、垂直偏波横波の伝搬時間及び水平偏波横波の伝搬時間を測定するステップと、
縦波超音波を対象物に伝搬させ、縦波伝搬時間を測定するステップと、
前記垂直偏波横波伝搬時間、前記水平偏波横波伝搬時間及び前記縦波伝搬時間から実効伝搬時間を算出するステップと、
前記校正試験体の厚さと前記実効伝搬時間から二乗平均平方根音速を算出する超音波厚さ測定方法。
請求項１ないし３のいずれかに記載の超音波厚さ測定方法において、
前記二乗平均平方根音速を設定するステップは、
被検体の密度を設定するステップと、
被検体の結晶組織を構成する結晶粒の単結晶モデルの弾性スティフネスを設定するステップと、
前記密度と前記弾性スティフネスから二乗平均平方根音速を算出する超音波厚さ測定方法。
超音波を利用して被検体の厚さを測定する超音波厚さ測定装置において、
縦波超音波および横波超音波を被検体中に送受信する超音波探触子と、
前記超音波探触子を駆動するパルサーと、
前記縦波超音波および横波超音波を受信するレシーバと、
前記横波超音波の振動方向を回転させる振動方向回転機構と、
二乗平均平方根音速の値を保持するデータベースと、
縦波超音波の伝搬時間を測定する縦波伝搬時間測定器と、
横波超音波の伝搬時間を測定する横波伝搬時間測定器と、
前記縦波伝搬時間測定器と前記横波伝搬時間測定器によって測定された伝搬時間をもとに実効伝搬時間を算出する実効伝搬時間算出器と、
前記データベースに保持した二乗平均平方根音速の値と前記実効伝搬時間算出器で算出した実効伝搬時間をもとに被検体の厚さを算出する厚さ算出器と、
前記二乗平均平方根音速の値と厚さを表示する表示器とを有する超音波厚さ測定装置。
超音波を利用して被検体の欠陥位置を検出する欠陥位置検出方法において、
二乗平均平方根音速を設定するステップと、
垂直偏波横波及び水平偏波横波を被検体に伝搬させ、欠陥からの垂直偏波横波及び水平偏波横波のそれぞれの伝搬時間を測定するステップと、
縦波超音波を被検体に伝搬させ、欠陥からの縦波伝搬時間を測定するステップと、
前記垂直偏波横波伝搬時間、前記水平偏波横波伝搬時間及び前記縦波伝搬時間から実効伝搬時間を算出するステップと、
前記二乗平均平方根音速と前記実効伝搬時間から被検体の欠陥位置を検出する欠陥位置検出方法。