JPH0210153A - 超音波探傷方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、超音波を用いて被検材内の欠陥を検出する
超音波探傷方式に係わり、特に欠陥の位置検出における
距離分解能の向上に関するものである。

［従来の技術］ 従来のこの種の超音波探傷方式は、振動継続時間の短い
超音波パルスを被検材内に照射し、欠陥で反射し戻って
くる反射エコーを受信して欠陥の有無や欠陥の位置を検
出するという、いわゆるパルスエコー法を用いたもので
ある。

例えば第３図は、丹羽　登著「超音波計測」。

昭和５７年３月２５日発行９発行所昭晃堂＋Ｐ６７から
引用した従来のこの種の超音波探傷方式を示す図である
。第３図（ａｌにおいて、１は被検材であり、２は被検
材ｌ内の欠陥である。３は電気信号と超音波との変換を
行う探触子、４はパルス送信器、５は受信器、６は指示
装置である。第３図ｔｂｌは指示装置６のＣ，ＲＴ上に
表示されるエコー信号の様子を示す図であり、記号Ｔを
付して示している信号は送信パルス、記号Ｆを付した信
号は欠陥２からの反射エコー、記号Ｂを付した信号は被
桧材１の底面からの反射エコーである。これらの信号は
全て受信器５で包絡線を検出して表示された信号である
。

従来のこの種の超音波探傷方式では、パルスを送信して
から欠陥２よりの反射エコーが受信されるまでの時間を
計測することにより、欠陥２の位置を検出していた。従
って、送信パルスの振動継続時間を短くしなければ、例
えば、欠陥２からの反射エコーＦと被検材１の底面から
の反射エコーＢとが重なり合って分離できない。

しかし、送信パルスの振動継続時間を短くしようとして
も、探触子３が有限な周波数帯域しがもっていないので
、それには限界がある。一般に、振動継続時間は短くで
きても数サイクル以上である。例えば、中心周波数が２
　Ｍ　Ｉ−Ｉ　ｚの探触子３を用い、送信パルスの振動
継続時間が２サイクルとすると、振動継続時間は（２サ
イクル）×（１／２ＭＴ（ｚ）＝１　ｔｔ　ｓとなる。

この振動継続時間は、距離に換算すると、被検月１内に
おける超音波の伝播速度■が５０００　ｍ　／　ｓのと
き、１μｓＸ５０００ｍ／ｓ＝５ｍｍに対応する。つま
り、欠陥２が被検材１の底面から５ｍｍ／２２．５ｍｍ
以上離れていなければ、両エコーを分離できない。なお
、ここで２で割っているのは、超音波伝播経路が往復で
あることによる。

［発明が解決しようとする課題］ すなわち、従来のいわゆるパルスエコー法を用いた超音
波探傷方式では、送信パルスの振動継続時間を短くしよ
うとしても限界があるので、距離分解能が悪いという問
題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、距離分解能の優れた超音波探傷方式を提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超音波探傷方式は、連続的な送信信号を
探触子に送出するとともにその周波数の可変走査が可能
な周波数可変送信手段と、探触子で受信された信号を２
乗する演算手段と、２乗して得られた信号の直流成分を
検出する直流成分検出手段と、検出した信号を走査周波
数の関数としく３） て記憶する記憶手段と、記憶した信号の周期を周波数走
査範囲の周波数合成処理により検出する周期検出手段と
を備え、検出された周期より被検材内の欠陥の位置を検
出するようにしたものである。

［作用］ この発明においては、連続波あるいはほとんど連続波と
みなして良い程度に長い振動継続時間を有するパルスを
送受信し、送信信号の周波数を逐次走査して得られる受
信信号を２乗し、２乗して得られた信号の直流成分を検
出して走査周波数の関数として記憶する。周波数の走査
範囲にわたって取り込まれたこの信号に周波数合成処理
を施すことにより、その周期を検出することができ、こ
の周期より被検材内の欠陥の位置を検出できるので、従
来のパルスエコー法のような限界がなくなり、距離分解
能が向」ニする。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明による超音波探傷方式の一実施例を示
す構成図である。図において、１は被検材、２は欠陥、
３は探触子、６は指示装置であり、これらは従来のもの
と同様なものである。７は周波数可変送信器であり、連
続波あるいは連続波とみなしてさしつかえないほどの振
動継続時間を有するパルスを探触子３に送信でき、かつ
周波数を走査して可変できるものである。８は信号処理
装置であり、探触子３で受信された信号を２乗する演算
手段８ａと、２乗して得られた信号の直流成分を検出す
る直流成分検出手段８ｂと、検出した信号を走査周波数
の関数として記憶する記憶手段８ｃと、記憶した信号の
周期を周波数走査範囲の周波数合成処理により検出する
周期検出手段８ｄとを有するもので、パーソナルコンピ
ュータ等で実現できる。

以下、本方式による信号処理を詳細に述べる。

送信信号をｃｏｓ（ωを十〇）とする。ここで、ωば角
周波数、ｔは時間、０は固定位相角である。

一方、欠陥２における超音波の反射率をａで、被桧材］
の底面における超音波の反射率をＡで表わし、被検材］
−の厚さをＬとし、被検材」底面と欠陥２との間の距離
をβとする。また、超音波の伝播速度を■とし、Ｔ　＝
　Ｌ　／　ｖ　、　τ＝２／Ｖとおく。

さて、探触子３から送信された信号は、欠陥２及び被検
材１底而で反射され、それぞれ時間２（Ｔ−で）、２丁
だけ遅れて探触子３で受信される。従って、受信信号を
５（ｔ）とすると、５（ｔ）＝ａ　　ｃｏｓ（ω　［ｔ
−２（Ｔ−τ　）］＋　０　　）十Ａｃｏｓ（ω　（ｔ
−２７）＋　Ｏ）と表わされる。このＳ　（ｔ）を２乗
する。三角関数の積を和に変換する公式を利用して、２
乗した後の信号を整理すると、 ５２（ｔ）＝［Ａ２／２＋ａ２／２＋Ａ　ａ　ｃｏｓ（
２ωτ）］＋［Ａ２ｃｏｓ（２ωｔ−４Ｃ１ｌ　Ｔ＋２
０　）／２＋ａ２ｃｏｓ（２ωｔ−４ωＴ＋４ω　τ＋
２０）／２＋Ａ　ａ　Ｃ０３（２（、）　ｔ−４ωＴ＋
２ωτ＋２０）］となる。この式において、［］て括っ
た第１項目は時間的に変化しない直流成分であり、第２
項目は角周波数２ωで変化する交流成分である。この２
乗した信号を、角周波数２ω成分をカッ１〜し。

直流成分を通過させる低域通過フィルタに通すと、［］
で括った第１項目の直流成分が取り出される。これをｒ
で表わす。つまり、 ｒ＝Ａ”／２＋ａ２／２＋Ａ　ａ　Ｃ０８（２Ｃ，ｌ　
で）このｒを送信周波数とともに記憶する。以上の処理
を周波数可変送信器７の送信周波数を逐次走査しながら
信号処理装置８で繰返し行う。すなわち、ｒ・はωの関
数として記憶されることになる。

次に信号処理装置８で以下の処理を行う。」二記により
記憶された信号ｒを縦軸にとり、角周波数ωを横軸にと
って描いてみると、これは、第２図［ａｌに示すように
、ωとともに変化しない直流成分［Ａ２／２＋ａ２／２
］と、ωとともに変化する交流成分Ａａｃｏｓ（２ωτ
）との和になっている。交流成分の周期は、２ωτ＝２
７ｃとおいてωを求めることにより、ω＝π／τとなる
。従って、ｒの周期を求めることによりτを求めること
ができる。っます、超音波の伝播速度Ｖと以上のように
して求めたでとから、被検材１底面と欠陥２との間の距
離！をｐ＝ｖτから求められる。

ｒの周期を検出するには、例えば、次のようなスペクト
ル解析を行えばよい。先ず、ｒから直流成分［Ａ２／２
＋ａ２／２］を引きさる。つまり、次の処理を行う。

ｒ’：ｒ−（Ａ２／２＋ａ２／２） ＝Ａａｃｏｓ（２ω　τ） このようにして得られたｒ・′をスペクトル解析する。

角周波数の走査範囲を０〜Ωとする。負の周波数は実際
にはあり得ないが、解析の都合上。

ｒ′（−ω）＝ｒ’　（ω）として負の周波数範囲にお
けるｒ′　を与える。その後、ｒ′　をフーリエ変換す
る。つまり、次式 ％式％（１） の演算をｐを変化させながら行う。これは周波数合成処
理を行っていることに対応する。上式の右辺の定積分を
行うと、 ｏ（ｐ） Ａ・Ω［喫用Ｐ痩侶・嘲仲叶「射１ が得られる。これを図示すると、第２図（ｂｌに示すも
のとなる。Ｈ（Ｐ）の絶対値ＩＨ（＋））ｌの相対値、
つまりｌ　Ｈ（ｐ）　ｌ　／　（ＡａΩ）を図示してい
る。第２図（ｂ）から、ＩＨ（ｐ）ｌが最大となるｐの
値を読み取ればこれは２τに等しいから、読み取ったｐ
の値からτを求めることができることがわかる。

以上は、説明を簡単にするため、探触子３の送受信感度
の周波数特性が周波数に依らず一定であるとして信号処
理手順を示したが、探触子３の周波数特性を無視できな
い場合には、送受信総合感度の周波数特性を予め測定し
ておき、これを用いて受信信号Ｓ　（ｔ）のレベルを補
正すればよい。つまり、探触子３の送受信総合感度の周
波数特性をＴ（ω）とすれば、Ｓ　（ｔ）の代わりに５
（ｔ）をＴ（ω）で割ったものを用いればよい。

さて、この発明に係る超音波探傷方式を従来のパルスエ
コー法を用いた探傷方式と比較してみる。第２図（ａ）
を用いて示したように、この発明に（］Ｃ０ 係る超音波探傷方式では、ｒの周期を検出することによ
り欠陥２の位置を検出しようとしている。

例えば、２　Ｍ　Ｈｚまで周波数を走査した場合を考え
る。角周波数に直すと、２πＸ　２　Ｍ　Ｈｚ　＝　４
π（ｒａｄ）ＸＩＯ’　Ｈｚである。第２図＋ａ＋にお
いて、横軸の角周波数ωが０〜４π（ｒａｄ）　Ｘ　１
０’　Ｈｚの間に、ｒの交流成分が１周期入れば周期を
読み取れる。１周期はπ／τであるから、π／τ＝４π
×１０６とおくことによりτ＝０．２５μＳとなる。こ
れは、距離に換算してｐ　＝　ｖ　Ｘτ＝５０００ｍ／
ｓＸ０．２５μｓ＝１．２５ｍｍとなる。すなわち、前
記した従来の距離分解能２．５ｍｍの半分である。なお
、いうまでもなく、周波数走査範囲を広くすればする程
、距離分解能や精度が向上すことは明らかである。

ところで、以上の説明では、被検材１の底面からの反射
波をいわば参照信号として用いたが、この発明はこれに
限らず、被検材１のコーナーからの反射波など被検材１
の他の部分からの反射波を参照信号として用いてもよい
。

［発明の効果］ 以上のように、この発明による超音波探傷方式では、周
波数走査して各周波数における被検材からの受信信号を
信号処理することにより欠陥からのデータを収集し、収
集したデータに周波数合成処理を施すことにより欠陥の
位置を検出するようにしたので、従来に比べ距離分解能
を大幅に向」二できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による超音波探傷方式の一実施例を示
す構成図、第２図ｔａ＋、　（ｂｌは実施例の動作を説
明するための図、第３図ｆａ＋、　［ｂｌは従来の超音
波探傷方式を示す図である。 １は被検材、２は欠陥、３は探触子、６は指示装置、７
は周波数可変送信器、８は信号処理装置、８ａは演算手
段、８ｂは直流成分検出手段、８ｃは記憶手段、８ｄは
周期検出手段。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理人　　大　岩　　増　雄（ほか２名）％で Ｖ２．３翫に い （ｂ） １−１（Ｐ） 邪ガ装置 ハ 小 第ろ図 と

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　探触子を用いて、超音波を被検材内に送信し、被検材
   内からの反射超音波を受信して被検材内の欠陥を検出す
   る超音波探傷方式において、 連続的な送信信号を探触子に送出するとともにその周波
   数の可変走査が可能な周波数可変送信手段と、探触子で
   受信された信号を２乗する演算手段と、２乗して得られ
   た信号の直流成分を検出する直流成分検出手段と、検出
   した信号を走査周波数の関数として記憶する記憶手段と
   、記憶した信号の周期を周波数走査範囲の周波数合成処
   理により検出する周期検出手段とを備え、検出された周
   期より被検材内の欠陥の位置を検出するようにしたこと
   を特徴とする超音波探傷方式。