JPH032261B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は被検体表面積に対する欠陥面積率を超
音波探傷により測定する超音波探傷装置に関する
ものである。

〈本発明の背景〉 一般に、水中に設けた鋼材の被験体を超音波探
傷する場合、境界面での透過及び反射の法則によ
り、探触子から発振された超音波が被検体表面で
反射される表面エコー信号は欠陥面で反射される
欠陥エコー信号より20dB程度あるいはそれ以上
高くなる。その理由を第１図を基に以下に説明す
る。

第１図は、探触子１を用いて、水２の底にある
鋼などの被検体３の表面３ｓからの表面エコー信
号４、及び被検体３内部の欠陥５からの欠陥エコ
ー信号６を得る場合を原理的に示した模式図であ
る。ここでたとえばそれぞれの音響インピーダン
スは次のような値を持つ。

イ 水の音響インピーダンス： Ｚ（Ｗ）＝1.5〔10⁶Kg／m²Ｓ〕 ロ 鋼の音響インピーダンス： Ｚ（Fe）＝45.4〔10⁶Kg／m²Ｓ〕 ハ 空気の音響インピーダンス： Ｚ（Ａ）＝４×10^-4〔Kg／m²Ｓ〕 すると、探触子１から発射され水２の中を進行す
る超音波の被検体（鋼）表面３ｓでの反射率Ｓ
は、 Ｓ＝｜Ｚ（Fe）−Ｚ（Ｗ）／Ｚ（Ｗ）＋Ｚ（Fe）｜＝
45.4−4.5／1.5＋45.4 ≒0.94 となるので、表面エコー信号４は、音響インピー
ダンスの違いがとくに大きい場合の表面エコーの
音圧を100％とすると、94％となることがわかる。

一方、欠陥エコー信号６の音圧は次のようにし
て求まる。

ａ 水２と被検体３との境界面での通過率 2Z（Fe）／Ｚ（Ｗ）＋Ｚ（Fe） ｂ 被検体３内部の欠陥５表面（鏡面と仮定す
る）での反射率 ｜Ｚ（Ａ）−Ｚ（Fe）／Ｚ（Fe）＋Ｚ（Ａ）｜ ｃ 被検体３と水２との境界面での通過率 2Z（Ｗ）／Ｚ（Ｗ）＋Ｚ（Fe） 以上のａ），ｂ）及びｃ）の積が欠陥エコー信
号６の音圧の比率Ｆとなる。

Ｆ＝｜4Z（Fe）×Ｚ（Ｗ）×｛Ｚ（Ａ）
−Ｚ（Fe）｝／｛Ｚ（Ｗ）＋Ｚ（Fe）｝²×｛Ｚ（Fe）
＋Ｚ（Ａ）｝｜ ＝｜４×45.4×1.5×（４×10^-4−45.
4）／（1.5×45.4）²×（45.4＋４×10^-4）｜≒0.12 従つて欠陥エコー信号６の音圧は12％となる。

そこで、以上の各信号の音圧すなわちエコー高
さをＡスコープ表示とすると、第２図に示すよう
な波形が得られる。

以上に説明したように、表面エコー信号は欠陥
エコー信号と比較して相当大きなレベルで検出さ
れる。

また、以上のことに加えて、超音波ビームはあ
る程度の広がりを持つため、欠陥面積率を測定す
るにあたつて、以下に述べるような不都合が生じ
る。

たとえば、超音波ビーム径が２ａである探触子
を用いて測定する場合について第３図に示す。第
３図ａは探触子１及び被検体３を上方から見た平
面図であり、第３図ｂは側方から見た側面図であ
る。また第３図ｃは、第３図ａ及びｂ中の探触子
１の位置対応した表面及び欠陥エコー信号の高さ
を示している。ここに於ては、超音波ビームの拡
散及び減衰を無視し、ビーム径は２ａのまま進行
するものと単純化して考える。そこで、探触子１
を図の左方から右方へ、すなわちＡの位置からＦ
の位置へ移動する場合の、エコー高さの変化をみ
てみる。

まず探触子１の中心がＡの位置すなわちビーム
が被検体表面３ａに当たり始める位置を越える
と、表面エコー信号が検出され始める。Ｂの位置
すなわち被検体表面３ｓの端部の位置に来たとき
は、ビームの半分が被検体表面３ｓで反射され
る。Ｃの位置すなわちＢの位置から探触子１の半
径であるａの距離だけ右方へ寄つた位置を越える
とビーム全域が被検体表面３ｓに当たり始める。
すると表面エコー信号の高さは、探触子１の中心
がＣ位置にあるときに第２図で示したように94
％、Ｂ位置でその半分の47％、Ａ位置で０％とな
る。すなわち、第３図ｃに示すように被検体表面
３ｓの端部近傍で表面エコー信号の高さが裾を持
つことになる。

次に欠陥エコー信号の高さを同様にしてみてみ
る。探触子１の中心がＤの位置すなわち欠陥５の
端部からａだけ左方の位置を越えて右方へ移動す
ると、欠陥エコー信号が検出され始める。Ｅの位
置すなわち欠陥５の端部に来たときは、ビームの
半分が欠陥５の表面で反射される。Ｆの位置すな
わちＥの位置からａだけ右方へ寄つた位置を越え
るとビーム全域が欠陥５の表面にあたることにな
る。すると、欠陥エコー信号の高さは、探触子１
の中心がＦ位置にあるときには第２図で示したよ
うに12％、Ｅ位置でその半分の６％、Ｄ位置で０
％となる。すなわち第３図ｃに示したように欠陥
エコー信号の高さは欠陥５の表面の端部近傍で裾
を持つ。

以上のように、超音波ビームが広がりを持つた
めに、実際の被検体表面及び欠陥表面の領域外に
探触子の中心が位置するときでも、各エコー信号
はある程度の高さを持つことになる。

欠陥面積率の測定は、探触子を用いて超音波パ
ルスを発生させながら被検体上を連続的に走査し
てゆき、被検体表面または欠陥面から返つて来た
エコー信号が、ある高さ以上のレベルにあるとき
のみ、その位置に被検体または欠陥が存在すると
判断して、そのときのパルスを数えて処理するこ
とにより面積率を求めるものである。従来、その
基準となるレベルすなわち検出レベルは、表面エ
コー信号と欠陥エコー信号とのどちらに対しても
同じ位置に、たとえば６％程度に設定していた。
ここで検出レベルを６％と設定したのは、第３図
ｃに示すようにそのレベルでの探触子１の中心位
置が欠陥５の端部の位置（Ｅ位置）と一致したと
きに欠陥エコー信号を数え始めるようにするため
である。

ところが、前述したような理由で表面エコー信
号は欠陥エコー信号と比べて相当に高いレベルを
持つため、６％を両エコー信号に等しい検出レベ
ルとして設定した場合、表面エコー信号は探触子
１の中心位置がＡとＢの中間位置に来たときに検
出されてしまう。すなわち、従来のような検出レ
ベルの設定では、第４図に示すように、欠陥の外
形１０については問題ないが、被検体表面につい
てはその検出された外形１１が実際の外形１２よ
りも大きくなつてしまい、従つて正確な面積率を
求めることが非常に困難となり、測定後の結果に
どうしても補正を加えなければならないという欠
点があつた。

〈本発明の説明〉 本発明は以上の欠点を除去するためになされた
ものであり、前記表面エコー信号及び欠陥エコー
信号の検出を、探触子の中心位置が被検体表面の
端部または欠陥面の端部と一致するかあるいはそ
の内部にあるときのみ検出するように、それぞれ
異なる検出レベルを設定し比較する手段を設ける
ことにより行なうか、あるいは、前記表面エコー
信号と欠陥エコー信号をそれぞれ異なる増幅度も
しくは減衰度で増幅もしくは減衰してから検出レ
ベルで比較する手段を設けることにより行なうこ
とで、より高い精度で欠陥面積率を求めることが
可能な超音波探傷装置を提供することを目的とす
る。 以下本発明をその実施例について図面を参
照しながら説明する。

第５図は本発明の第１実施例を示すブロツク図
である。ここで、探触子２０は、水などの超音波
伝達媒質中に設けられた被検体３上を、パルス送
受信回路２１から発せられる高圧パルスによつて
駆動されて超音波パルスを発射しながら、不図示
の探触子走査装置により操作されて連続的に走査
２２を行なう。前記超音波パルスが被検体３の表
面及び欠陥５の表面で反射されて返つてきた信号
すなわち表面エコー信号及び欠陥エコー信号は、
超音波探触子２０によつて受信され、次にパルス
送受信回路２１で増幅及び波形整形される。探触
子位置検出及びサンプリング点指定回路２３は、
探触子走査装置から送られる探触子２０の位置信
号を検出し、あらかじめ決められた方法に従つて
探触子２０により測定点を走査範囲内で一様に指
定して、超音波パルスを発振するようパルス送受
信回路２１に指令する。

表面エコーゲート回路２４は、パルス送受信回
路２１で得られた表面エコー信号及び欠陥エコー
信号のうち、表面エコー信号のみを選択して取り
出す回路である。表面エコーコンパレータ回路２
５は、表面エコーゲート回路２４で得られた表面
エコー信号と、詳しくは後述するような方法で設
定した表面エコー検出レベルとを比較し、表面エ
コー信号が表面エコー検出レベルとを比較し、表
面エコー信号が表面エコー検出レベル以上のレベ
ルにあるときのみ次段に信号を与える。表面エコ
ーカウント回路２６は、表面エコーコンパレータ
回路２５から送られた信号をカウントする回路
で、このカウント数は探触子２０で走査した被検
体３の表面の面積に対応する。

一方、欠陥エコーゲート回路２７は、パルス送
受信回路２１で得られた信号のうち、欠陥エコー
信号のみを選択して取り出す回路である。欠陥エ
コーコンパレータ回路２８は、欠陥エコーゲート
回路２７で得られた欠陥エコー信号と、詳しくは
後述するような方法で表面エコー検出レベルとは
異なつたレベルに設定した欠陥エコー検出レベル
とを比較し、欠陥エコー信号が欠陥エコー検出レ
ベル以上のレベルにあるときのみ次段の回路に信
号を与える。欠陥エコーカウント回路２９は、欠
陥エコーコンパレータ回路２８から送られた信号
をカウントする回路で、このカウント数は探触子
２０で走査した欠陥５の表面の面積に対応する。

面積率計算回路３０は、以上で得られた欠陥エ
コーカウント数を表面エコーカウント数で処理し
割算して、被検体表面積に対する欠陥面積率を計
算する。また、映像表示回路３１は、探触子位置
検出及びサンプリング点指定回路２３から出力さ
れる探触子２０の位置信号と、表面エコーコンパ
レータ回路２５から出力される表面エコー信号
と、欠陥エコーコンパレータ回路２８から出力さ
れる欠陥エコー信号とをもとに、被検体３及び欠
陥５の形状を表示するためのものである。

〈本発明の動作説明など〉 次に、以上のブロツク構成を有する本実施例の
動作及び前述の検出レベルの設定のし方を、第６
図に示した波形図に基づいて説明する。なお、第
６図中の各図は、縦軸に信号の強度を、横軸に発
振エコーの立上がり時からの時間をとつてある。

被検体３の表面及び欠陥５で反射して得られた
表面エコー信号及び欠陥エコー信号をパルス送受
信回路２１で増幅、波形整形された後の出力波形
を第６図ａに示す。

第６図ｂは表面エコーゲート回路２４で設定さ
れる表面エコーゲート波形である。表面エコーゲ
ート位置S.G.Pは、発振信号の立上り時を基準と
して、そこから表面エコーゲートの立上り時まで
の時間を設定したものである。表面エコーゲート
幅Ｓ・Ｇ・Ｗは、表面エコー信号を検出するため
の時間範囲を決定する時間ゲート幅である。する
と、パルス送受信回路２１で出力される各種の信
号のうち、表面エコーゲート位置Ｓ・Ｇ・Ｐで設
定された点以降、表面エコーゲート幅Ｓ・Ｇ・Ｗ
の時間内に入る表面エコー信号のみが表面エコー
ゲート回路２４で得られることになる。

第６図ｄは、表面エコーゲート回路２４で取り
出された表面エコー信号を、表面エコーコンパレ
ータ回路２５で設定された表面エコー検出レベル
Ｓ・Ｓ・Ｌと比較する様子を示した説明図であ
る。ここで表面エコー検出レベルS.S.Lは次のよ
うにして設定できる。たとえば第３図に於て、被
検体３の横方向の長さをあらかじめ機械的に測定
しておく。次に、表面エコー検出レベルS.S.Lを
徐々に変化させて、探触子を横方向に走査して被
検体３の横方向の長さを本装置内の電気回路で処
理を行なうことにより測定し、その電気的測定値
が前記機械的測定値と一致したところで、表面エ
コー検出レベルS.S.Lを設定する。つまり、第３
図に示すような場合は表面エコー検出レベルS.S.
Lを47％に設定すればよいことになる。表面エコ
ーコンパレータ回路２５に、以上のようにして設
定した表面エコー検出レベルS.S.L以上の入力信
号があつた場合には、その入力信号はパルスとし
て表面エコーカウント回路２６に送られる。表面
エコーカウント回路２６は、探触子２０の移動に
伴なつて送られてくる前記パルス数をカウントす
ることにより、探触子２０の走査範囲内の被検体
表面積に対応したカウント数を持つことになる。

一方、第６図ｃは欠陥エコーゲート回路２７で
設定される欠陥エコーゲート波形である。ここ
で、欠陥エコーゲート位置F.G.Pは、表面エコー
検出レベルS.S.L以上の表面エコー信号の立上り
時を基準として、そこから欠陥エコーゲートの立
上り時までの時間を設定するものである。欠陥エ
コーゲート幅F.G.Wは、欠陥エコー信号を検出す
るための時間範囲を決定する時間ゲート幅であ
る。すると、パルス送受信回路２１で出力される
各種の信号のうち、欠陥エコーゲート位置F.G.P
で設定された点以降、欠陥エコーゲート幅F.G.W
の時間内に入る欠陥エコー信号のみが、欠陥エコ
ーゲート回路２７で得られることになる。

第６図ｅは、欠陥エコーゲート回路２７で取り
出された欠陥エコー信号を、欠陥エコーコンパレ
ータ回路２８で設定された欠陥エコー検出レベル
F.S.Lと比較する様子を示した説明図である。こ
こで、欠陥エコー検出レベルF.S.LはJIS規格
Z2344で定められるような下記の方法により設定
できる。大きさがあらかじめ知れた人工欠陥を有
する物体上を、探触子で走査して、その欠陥の大
きさを本装置内の電気回路で処理を行なうことに
より、欠陥エコー検出レベルF.S.Lを徐々に変化
させて測定し、その電気的測定値が人工欠陥の実
際の大きさと一致したところで、欠陥エコー検出
レベルF.S.Lを設定する。たとえば第３図で、欠
陥５を人工欠陥と考えた場合は、欠陥エコー検出
レベルF.S.Lを６％と設定すれば正確な大きさが
得られることになる。欠陥エコーコンパレータ回
路２８に、以上のようにして設定した欠陥エコー
検出レベルF.S.L以上の入力信号があつた場合に
は、その入力信号はパルスとして欠陥エコーカウ
ント回路２９に送られる。欠陥エコーカウント回
路２９は、探触子２０の移動に伴なつて送られて
くる前記パルス数をカウントすることにより、探
触子２０の走査範囲内の欠陥表面積に対応したカ
ウント数を持つことになる。

そして最後に、面積率計算回路３０に於て、表
面カウント回路２６で得られた表面エコーカウン
ト数で、欠陥エコーカウント回路２９で得られた
欠陥エコーカウント数を処理して割り算すること
により、欠陥面積率が得られる。

以上のように本実施例では、表面エコー検出レ
ベルと欠陥エコー検出レベルとをそれぞれ別々に
設定することを可能としたため、どちらも適切な
レベルに任意に設定ができ、従つて超音波ビーム
の広がりやエコー信号のレベルの違いによる測定
誤差を解消して、正確な欠陥面積率を得ることが
できる。また、同様にしてより精度の高い欠陥面
積率を持つ形状を、映像表示回路３１で形成する
ことができる。

第７図は本発明の第２実施例の要部を示すブロ
ツク図である。第１実施例では表面エコー信号と
欠陥エコー信号とをそれぞれ異なつた検出レベル
で検出したのであるが、検出レベルが同一であつ
ても、各エコー信号をそれぞれ異なる高さに増幅
または減衰してやれば同様な結果が得られるもの
である。そこで本実施例は、表面エコーゲート回
路２４と表面エコーコンパレータ回路２５との中
間にアツテネータ４０を設けた。前述したよう
に、表面エコー信号は欠陥エコー信号よりも相当
に高いレベルになるため、表面エコー信号のゲイ
ンをアツテネータ４０で落としてやることによ
り、表面エコー信号と欠陥エコー信号とを同じレ
ベルに調整する。

以上のようにアツテネータ４０を設ければ、各
検出レベルを同じレベルに設定した場合でも、そ
の減衰率を調整することにより適切な測定ができ
る。たとえば、第３図に於て、検出レベルを６％
に設定した場合は、表面エコー信号の高さをもと
の高さの12ないし13％のレベルまで減衰するよう
に設定すればよい。

また、以上ではアツテネータ４０を用いたが、
増幅器を欠陥エコーゲート回路２７と欠陥エコー
コンパレータ回路２８との中間に設けて、欠陥エ
コー信号のゲインを前記増幅器で上げてやつても
同様な結果が得られる。たとえば、第３図に於
て、検出レベルを47％に設定した場合は、欠陥エ
コー信号の高さをもとの高さの約８倍のレベルま
で増幅するように設定すればよい。

従つて第２実施例では、減衰器または増幅器を
用いることにより、検出レベルが同一の場合でも
エコー信号自体のレベルを変化させることを可能
としたため、第１実施例と同様に測定誤差を解消
して正確な欠陥面積率を得ることができる。

なお、以上の第１及び第２実施例では、探触子
２０による走査はサンプリング点を指定してパル
ス送受信回路２１と同期させたが、走査が一定速
度であれば、パルス送受信回路２１の発振間隔を
一定にしてそれをサンプルすれば同期させる必要
はない。

次に、本発明の超音波探傷装置に集束型探触子
を使用した場合について第８図を用いて説明す
る。

集束型探触子５０から集束された超音波ビーム
が発射され、2a〓の直径にて被検体表面３ｓに当
たり、そこで屈折されて、フオーカス位置では
2b〓（ａ＞ｂ）のビーム径となる。従つてこの場
合、第３図で説明したと同様に、表面エコー検出
レベルと欠陥エコー検出レベルとを同じ６％とし
た場合、表面エコー高さ６％の点での探触子５０
の中心位置は、被検体端面から第３図の場合と比
べてさらに遠くなる。そこで集束探触子５０を用
いて本発明の第１または第２実施例に示す様な手
段を講ずれば、本発明の効果はさらに大きくな
る。

また、本発明の超音波探傷装置は、特に平面と
平面を接着した場合における接着不良面を欠陥箇
所として測定するときなどのように、探触子の走
査面と被検体面及び欠陥面の相対距離が一様であ
る場合に特に効力を発揮する。

従つて以上に述べたように、本発明は、従来の
欠点であつた超音波ビームの広がりまたはエコー
信号のレベルの違いによる測定誤差の発生を見事
に解消し、非常に正確な欠陥面積率の測定を可能
にし、また、その映像化においても実際の被検体
及び欠陥の形状によく対応し精度のよい面積比率
を有する形状表示を行なうことができるという、
非常に優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は超音波探傷により表面及び欠陥エコー
信号を得る場合の原理を示す模式図、第２図は各
エコー信号の高さを示した波形図、第３図は超音
波探傷により欠陥面積率を測定するときの説明
図、第４図は従来の測定誤差を示す模式図、第５
図は本発明の第１実施例を示すブロツク図、第６
図は本発明の第１実施例に於ける主要箇所での信
号波形を示す波形図、第７図は本発明の第２実施
例の要部を示すブロツク図、第８図は集束型探触
子を用いて欠陥面積率を測定するときの説明図で
ある。 ２１……パルス送受信回路、２３……探触子位
置検出及びサンプリング点指定回路、２４……表
面エコーゲート回路、２５……表面エコーコンパ
レータ回路、２６……表面エコーカウント回路、
２７……欠陥エコーゲート回路、２８……欠陥エ
コーコンパレータ回路、２９……欠陥エコーカウ
ント回路、３０……面積率計算回路、３１……映
像表示回路、４０……アツテネータ、５０……集
束型探触子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 探触子を用いて超音波探傷を行なうことによ
   り、表面エコー信号及び欠陥エコー信号を処理し
   被検体表面積に対する欠陥面積率を求める手段を
   有する超音波探傷装置において、前記各信号をそ
   れぞれ異なつた検出レベルで比較し検出する手
   段、あるいは、前記各信号をそれぞれ異なつた増
   幅度で増幅するかもしくは異なつた減衰度で減衰
   してから略一致した検出レベルで比較し検出する
   手段を有することを特徴とする超音波探傷装置。 ２ 探触子が集束型探触子である特許請求の範囲
   第１項記載の超音波探傷装置。