JPH03122563A - 超音波探傷装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は超音波ビームを用いて金属材料や非金属材料等
の内部に発生する欠陥を探知する超音波探傷装置に関す
る。

（従来の技術） 従来から被検体に超音波を入射させて欠陥を検出する超
音波探傷装置が、非破壊的な検出装置のひとつとして広
い分野で使用されている。

この超音波探傷装置は、欠陥などのように材料の弾性的
性質が異なる境界面において超音波ビームの一部分また
は大部分が反射散乱される性質を利用しており、被検体
表面上から内部に超音波を入射させ、被検体内部から反
射してきた超音波エコーを観察して欠陥の有無および欠
陥の位置、寸法等を判定評価するものである。

最近では欠陥の寸法、位置等をより高精度に評価するた
めに、被検体内部に超音波ビームを走査させて探傷し、
その走査面に対応した断面画像を表示する超音波イメー
ジングによる探傷方式が多く採用されている。

ところで超音波は直進性が強いため、超音波ビームに対
して垂直な境界面での反射率が最も大きくなる。ところ
が検査しようとする被検体内部に存在する欠陥の形状、
寸法は多様であり、特に欠陥を構成する境界面が走査面
に対して傾斜している場合が大部分であり、その場合は
、反射する超音波エコー強度が小さく欠陥の検出精度が
低下してしまう。

そこで、より高精度の超音波探傷を行なう装置として、
欠陥に対して多方向から超音波を被検体内部に入射させ
る可変角超音波探触子やフェーズドアレイ探触子を使用
し、超音波ビームを被検体内部に扇形に走査するセクタ
走査方式を採用する探傷装置も利用されている。

この探傷装置では探触子を被検体表面全域に走査させる
ことなく、被検体内部を広範囲に渡って探傷できる利点
を有する。ところが面状欠陥を検出する場合、幾何光学
的に最適な探触子の位置は、欠陥面における法線と被検
体表面との交点に対応する位置しかない。

そのため被検体内部に存在する面状欠陥を高精度に検出
するためには、被検体内部に扇形状に超音波ビームを走
査するセクタ走査とともに超音波探触子を被検体表面に
沿って移動する機械走査とを併用する、いわゆる複合走
査が必要とされる。

このような複合走査方式を採用する超音波探傷装置にお
いて操作上重要なことは、探触子の各探傷位置毎のセク
タ走査によって得られる大量の超音波波形データを、い
かに効率よく、かつ高精度な判断が可能となるような形
態で出力し画像表示を行なうことにある。

従来の複合走査方式の超音波探傷装置を使用した探傷操
作と、その探傷結果の画像表示例をそれぞれ第５図（ａ
）、（ｂ）に示す。すなわち第５図（ａ）は、面状欠陥
１ａおよび球状欠陥１ｂなどの欠陥１が内在する被検体
２の表面上を、フェーズドアレイ探触子３を移動させて
探傷操作を行なっている状態を示す断面図である。探触
子３は、探傷位置１１において扇形の超音波ビーム４を
連続的に被検体２内に走査させる。また探触子３は探傷
位置を１１からもと連続的に変え、各探傷位置１１〜１
□における反射エコーを探知し、超音波波形データを送
信する。第５図（ａ）に示すセクタ走査によって得られ
た超音波波形データに基づいて表示装置５には第５図（
ｂ）に示すようなりスコープ表示による探傷画像が表示
される。

この探傷画像は、探触子３を各探傷位置（！、・・・オ
　に設定してセクタ走査して得られたＢスコープ表示の
各波形データについて、その表示位置を順次ずらして重
ね合せて表示したものである。画面の上部には、被検体
２の表面位置に対応する送信パルス像６が表示される一
方、中間部には欠陥１ａ、１ｂに対応する位置にそれぞ
れ欠陥部画像７ａ、７ｂが表示され、さらに被検体２の
底面２ａに対応する画面下部（こは底面部面像８が表示
される。そして欠陥部画像７ａ、７ｂを観察することに
より欠陥１ａ、ｌｂの大きさ位置、形状を検出評価する
ことができる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら超音波ビームは探触子の指向特性によるビ
ーム幅を有するため、Ｂスコープ表示された欠陥部画像
（インジケーション）は、実際の欠陥の形状とは必ずし
も対応しない問題点がある。すなわち従来の探傷装置の
ように単に各探傷位置におけるＢスコープ表示の探傷画
像を重ね合せて表示するのみでは探傷画像がボケで不鮮
明であり、欠陥の形状や位置の評価精度が低下してしま
う問題点があった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、各セクタ走査前における超音波ビームの指向特性
の影響を軽減したＢスコープの探傷図形を重ね合せて表
示することにより、走査断面における欠陥画像を鮮明に
し、欠陥等の形状および寸法を高精度で検出することが
できる超音波探傷装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明に係る超音波探傷装置は
、被検体の探傷表面を移動し、各探傷位置において被検
体内部に超音波ビームを扇形にセクタ走査する超音波探
触子と、各探触位置毎に得られた被検体内部からの超音
波エコー群を、各反射源毎の複数のエコーグループに分
割し、各エコーグループにおける最大エコー高さを検出
するピーク検出器と、最大エコー高さが得られるときの
超音波ビーム方向、伝播時間および超音波探触子の位置
を検出する位置検出器と、上記超音波ビーム方向、伝播
時間、探触子位置などの探傷情報を各探傷位置毎に順次
記憶する記憶装置と、記憶装置に記憶された探傷情報を
読み出し、被検体の走査断面に対応する探傷図形を画像
表示する表示装置とを備えたことを特徴とする。

（作用） 上記構成に係る超音波探傷装置によれば、被検体表面を
移動する超音波探触子によって各探傷位置について被検
体内部を超音波ビームにより扇形に走査するセクタ走査
がなされる。各探傷位置毎のセクタ走査によって検出さ
れた超音波エコー群は、反射源毎の複数のエコーグルー
プに分割され、各エコーグループにおける最大エコー高
さがピーク検出器によって検出される。また同時に最大
エコー高さが得られるときの超音波ビーム方向、伝播時
間および超音波探触子の位置が位置検出器によって検出
される。

これらの最大エコー高さ、探触子位置などの探傷情報は
記憶装置に順次記憶される一方、表示装置に順次出力さ
れ、被検体の走査断面に対応する探傷図形として画像表
示される。

このように本発明装置によれば、超音波探触子の各探傷
位置毎のセクタ走査を行ない、その時に収録された被検
体内部から反射された超音波エコー群の中から検出信号
として最も信頼度が高い、最大エコー高さを有する超音
波エコーのみを選択し、その超音波エコーに基づいて得
られた点状の探傷図形を、各探触子の探傷位置毎に重ね
合せて全体の探傷図形を形成している。そのため、超音
波ビームの広がりの影響が解消され、鮮明な探傷図形を
画像表示することができる。したがって欠陥等の位置、
寸法、形状等を高い精度で観察することができ、探傷作
業の効率および信頼性を大幅に向上させることができる
。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図は本発明に係る超音波探傷装置の一実施例
を示す構成図である。なお第５図（ａ）に示す従来例と
同一要素には同一符号を付している。

すなわち本実施例に係る超音波探傷装置は、被検体２の
探傷表面を移動し、各探傷位置１１．・・・１　におい
て被検体２の内部に超音波ビーム４を扇形にセクタ走査
する超音波探触子３としてのアレイ探触子３ａと１、各
探傷位置１１．・・・、ｉｎ毎に得られた被検体内部か
らの超音波エコー群を、各反射源毎の複数の′エコーグ
ループに分割し、各エコーグループにおける最大エコー
高さを検出するピーク検出器９と、最大エコー高さが得
られるときの超音波ビーム方向、伝播時間およびアレイ
探触子３ａの位置を検出する位置検出器１０と、上記超
音波ビーム方向、伝播時間、探触子位置などの探傷情報
を各探傷位置Ｊ、ｌ！　　毎に順１　°”　　　ｎ 次記憶する記憶装置１１と、記憶装置１１に記憶された
探傷情報を読み出し、被検体２の走査断面に対応する探
傷図形を画像表示する表示装置１２とを備えて構成され
る。

またアレイ探触子３ａは、探傷面に多数の超音波振動子
１３を直列に配設して成り、さらにフェーズドアレイ探
傷器１４に接続される。フェーズドアレイ探傷器１４は
、探触子３ａの各超音波振動子１３について微小時間ず
つずらしたタイミングで超音波の送受信を行ない、各超
音波振動子１３から所定方向に超音波ビームを発振させ
ることにより、被検体２の内部を超音波ビーム４が扇形
にセクタ走査するように構成される。

さらに上記フェーズドアレイ探触器１４、ピーク検出器
９、記憶装置１１、表示装置１２および位置検出器１０
は、コンピュータを内蔵する制御器１５に接続され、そ
れぞれの動作をコンビュ−タソフトによって制御するよ
うに構成される。

アレイ探触子３ａを介して、フェーズドアレイ探傷器１
４において受信された、被検体２からの超音波受信信号
は、ピーク検出器９に入力される。

ピーク検出器９は、超音波ビームのセクタ走査毎に、超
音波エコーのピーク値およびピーク位置（伝播時間）を
検出し、保持する第１検出手段と、所定のピーク位置範
囲にあり、同一の反射源において反射された一連の超音
波エコーを複数のエコーグループにまとめ、その各エコ
ーグループ中の最大エコー高さを検出し、その最大エコ
ー高さのピーク値とピーク位置（伝播時間と超音波ビー
ム方向）とを検出する第２検出手段とを備えている。

ピーク検出器９で得られたピーク情報は、アレイ探触子
３ａと連動する位置検出器１０からの探触子位置情報と
ともに記憶装置１１に格納記憶される。記憶装置１１に
格納された上記情報は適宜読み出され、表示装置１２に
入力される。表示装置１２は、フェーズドアレイ探傷器
１４によるセクタ走査と、アレイ探触子３ａの移動走査
とを組み合せた複合走査時の各探傷位置におけるＢスフ
−１表示の探傷図形を画像表示する。

次に本実施例装置を使用して超音波探傷を実際に行なう
場合の、より具体的な手順操作について説明する。

まず被検体２の外表面に配置したアレイ探触子３ａとフ
ェーズドアレイ探傷器１４とによって、被検体２内部に
超音波ビーム４を入射させ、セクタ走査を実行しつつ、
アレイ探触子３ａを移動して複合走査を行ない被検体２
を探傷する。

このときフェーズドアレイ探傷器１４からピーク検出器
９に入力された超音波受信信号に対して、第２図に示す
ように第２のピーク検出が実行される。すなわち第２図
はセ・フタ走査時にある走査線上を探傷した場合の超音
波受信波形を示しており、時系列的に観察して左側から
順のにに送信パルスＳ１欠陥部エコーＦ１底面エコーＢ
であり、それらの最大エコー高さとしてそれぞれＩ）Ｏ
２ｐＩ。

ｐ２が検出される。

また送信パルスＳの発現時刻１１＋を基準とじて欠陥部
エコーＦおよび底面エコーＢが最大となる伝播時間ｔ（
ピーク位置に対応する）がそれぞれｔｌ、　　ｔｌとし
て検出され、保持される。

次に上記のような各探傷位置におけるピーク値、そのピ
ーク値に対応する伝播時間および超音波ビーム方向の検
出操作を、セクタ走査線全てについて行ない、しかる後
に第３図に示すような第２のピーク検出を行なう。第３
図は横軸にセクタ走査時の走査線番号Ｎをとる一方、縦
軸に第１のピーク検出で得られた各超音波エコーの最大
エコー高さＰおよびピークエコーの伝播時間Ｔをとって
相互の相関を表示したものである。隣接する各走査線Ｎ
　、Ｎ１１＋１・・・のピークエコーの伝播時間の差（
ｔｎ＋Ｉ　　　ｔｌｌ）が所定の６１以内である場合に
ついては、両者のピークエコーは同一の欠陥部から反射
されたものと考えられるため、そのピークエコー群をひ
とつのエコーグループとしてまとめ、その各エコーグル
ープの最大エコー高さＰｌ。

Ｐｌと、そのピーク位置に対応する伝播時間Ｔ＋。

Ｔ　と、走査線番号Ｎ　　、Ｎ２とが検出される。

１ ここでセクタ走査時の走査線番号Ｎは第４図（ａ）に示
す超音波ビーム４の偏向角度θに対応する被検体２の欠
陥位置を容易に算定するることかできる。

すなわち被検体２の表面方向位置をＸ１厚さ方向位置を
Ｙとすると、ピークエコーの反射源となった欠陥部の位
置座標Ｘｅ、Ｙｅは下記式（１）。

（２）に従って求められる。

で表わされる。ここでＸｉはアレイ探触子位置、Ｔはピ
ークエコーの伝播時間、Ｃは被検体２中を伝播する超音
波の音速である。

また記憶位置１１における上記各探傷情報の記憶番地は
、被検体２の断面座標に対応して設定されている。その
ため、前述のピーク検出器９によって検出されたピーク
位置情報（ピークエコー高さ）と、位置検出器１０によ
って検出されたアレイ探触子３ａの位置情報とは、それ
ぞれ記憶装置１１の対応する記憶番地に順次格納される
。

さらに記憶袋ｆｆ１ｌｌはピークエコー高さの書込時以
外は、常に記憶内容を順次読み出しており、読み出され
た記憶内容は画像表示信号として表示装置１２に出力さ
れ、表示装置１２は探傷画像を表示する。

このようにセクタ走査時の超音波受信信号群をエコーの
ピーク位置でグループ化し、各エコーグループの最大エ
コー高さを検出して表示させる一連の探傷動作を、所定
の探触子位置毎に繰り返して行なうように制御器１５が
動作制御を行なう結果、複合走査による被検体２のＢス
コープ表示による探傷図形が自動的に表示される。

すなわち第４図（ａ）に示すように超音波ビーム４をセ
クタ走査して欠陥１ａ、ｌｂおよび被検体底面２ａ等で
反射してきた超音波エコーが最大となる超音波ビームの
偏向角度θは、それら反射源の面の法線と超音波ビーム
方向とが一致した時であり、ピーク検出器９は、その偏
向角度θの反射エコーのピーク高さを検出するように動
作する。

したがって１回のセクタ走査によってＢスコープ表示さ
れる探傷図形は反射源に対応した１点のみである。そし
て探触子位置を移動させると、欠陥などの反射源が点状
でない限り、反射源の面に沿って反射点の位置が変化す
るため、複合走査時のＢスコープ表示として第４図（ｂ
）に示すように欠陥１ａ、ｌｂや被検体２の上面および
底面２ａの形状と一致した鮮明な送信パルス像１６、欠
陥部画像１７　ａ、　　１７　ｂｓ底底面両画像１８得
ることができる。すなわち各エコー源からの一連のエコ
ー群のピーク値のみを用いているため、超音波のビーム
幅の影響を受けず、ボケが少ない鮮明な探傷画像が得ら
れる。したがって欠陥等の形状、寸法、位置等を高精度
で判定することが可能となり、検査作業の信頼性および
作業性を大幅に改善することができる。

なお本実施例においては、ピーク検出器９における反射
エコーのグループ化を各エコーの伝播時間を基準にして
実施し、各グループ内での最大エコー高さを検出するよ
うにしているが、各グループの最大エコー高さの変化曲
線において複数の極大点を求め、その極大点における反
射エコーを検出するように構成することもできる。

この場合、近接した欠陥を分離して検出することが容易
になり、より分解能が高い探傷結果を得ることができる
。このような改造は、前述の実施例におけるピーク検出
器９に微分器を設置することにより簡単に実施すること
ができる。

さらに本実施例においては超音波ビームのセクタ走査を
、アレイ探触子３ａとフェーズドアレイ探傷器１４とに
よって実施しているが、可変角探触子と通常の超音波探
傷器とを用いた場合においても、同様な操作手順、アル
ゴリズムを適用することによって同様に鮮明度が高い探
傷画像を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係る超音波探傷装置によれば
、被検体内部に超音波ビームを扇形に走査しつつ超音波
探触子を移動させながら探傷する複合走査方式を採用し
、探触子の探傷位置毎のセクタ走査による超音波受信信
号を、欠陥等の超音波反射源毎のエコー群にグループ化
し、かつその各グループの最大エコー高さをピーク検出
器によって検出し、そのピーク値およびピーク位置と探
触子位置情報とによって複合走査時の探傷結果を画像表
示している。そのため、超音波のビーム幅に影響されな
い、鮮明な探傷画像が得られ、被検体内部の欠陥等の形
状、寸法、′位置等を高い精度で判定評価することが可
能であり、探傷操作の操作性および信頼性を大幅に向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波探傷装置の一実施例を示す
構成図、第２図は超音波エコーの伝播時間とエコー高さ
との関係を示すグラフ、第３図は各走査線位置と最大エ
コー高さとピークエコーの伝播時間との関係を示すグラ
フ、第４図（ａ）。 （ｂ）はそれぞれ本実施例装置を使用した探傷操作を示
す断面図およびその探傷結果の画像表示例を示す図、第
５図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の探傷操作を示す断
面図およびその探傷結果の画像表示例を示す図である。 １・・・欠陥、１ａ・・・面状欠陥、■ｂ・・・球状欠
陥、２・・・被検体、２ａ・・・底面、３・・・超音波
探触子、３ａ・・・アレイ探触子、４・・・超音波ビー
ム、５・・・表示装置、６・・・送信パルス像、７ａ、
７ｂ・・・欠陥部画像、８・・・腹面部画像、９・・・
ピーク検出器、１０・・・位置検出器、１１・・・記憶
装置、１２・・・表示装置、１３・・・超音波振動子、
１４・・・フェーズドアレイ探傷器、１５・・・制御器
、１６・・・送信パルス像、１７ａ、１７ｂ・・・欠陥
部画像、１８・・・腹面部画像、（１〜ｉｎ・・・探傷
位置、Ｓ・・・送信パルス、Ｆ・・・欠陥部エコー、Ｂ
・・・底面エコー 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検体の探傷表面を移動し、各探傷位置において被検体
   内部に超音波ビームを扇形にセクタ走査する超音波探触
   子と、各探傷位置毎に得られた被検体内部からの超音波
   エコー群を、各反射源毎の複数のエコーグループに分割
   し、各エコーグループにおける最大エコー高さを検出す
   るピーク検出器と、最大エコー高さが得られるときの超
   音波ビーム方向、伝播時間および超音波探触子の位置を
   検出する位置検出器と、上記超音波ビーム方向、伝播時
   間、探触子位置などの探傷情報を各探傷位置毎に順次記
   憶する記憶装置と、記憶装置に記憶された探傷情報を読
   み出し、被検体の走査断面に対応する探傷図形を画像表
   示する表示装置とを備えたことを特徴とする超音波探傷
   装置。