JPH03233353A - 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、粗大結晶粒からなる金属材料やオーステナイ
ト系耐熱材料などの探傷に最適な超音波探傷装置に関す
るものである。

（従来の技術） 金属材料などの被検体の内部に素材製造時から存在する
割れ、巣および非金属介在物などの欠陥、あるいは機器
、製造物として使用された後に、様々な外的要因のため
に発生する亀裂などの欠陥を検査する方法として、Ｘ線
検査法とともに、超音波探傷法が多く用いられている。

超音波探傷法は、結晶粒径が大きい材料やオーステナイ
ト系材料などのように、材料組成に依存したノイズエコ
ーの振幅値が高く、欠陥エコーのノイズエコーに対する
比率（Ｓ／Ｎ比）が一般的な鋼材などのものと比較して
悪いものに関しては、ノイズエコーレベルよりも振幅値
が十分に高くないことを理由に、ノイズであるか欠陥で
あるか識別するのが困難になり、この結果、検出可能な
欠陥寸法が大きなものに限られ、欠陥検出能が著しく劣
化してしまうことがあった。

このような電気的な信号・波形の計測におけるノイズ除
去を目的とする手法として、加算平均法が知られている
。ところが、この方法は、電気ノイズのように全くラン
ダムに混入してくるノイズに対しては効果があるが、上
述した材料組織に依存したノイズエコーのように、個々
のノイズは材料組織と全く同しくランダムであるものの
、それらが微視組織という超音波反射源から生じること
から時間的にランダムでなく、超音波の送受信にともな
って同じ位置に発生する場合には効果がない。

また、超音波の進行方向、すなわちビーム路程方向に沿
ってはランダムであるが、時間的にはランダムでない材
料ノイズからの欠陥エコーを抽出するための信号処理の
一つに、探触子の位置を僅かずつ変えながら複数個収録
した探傷波形を加算し、平均化することにより一つの探
傷波形を得るという方法がある。ところが、この方法は
、探触子の位置を一定間隔で移動させる必要があること
から、探触子駆動機構を有する自動探傷装置では採用さ
れることがあるが、検査員が探傷波形を見なから探触子
を動かして探傷を行う手探傷では採用することができな
い。

一方、探触子駆動機構による自動走行装置を用いること
なく、材料ノイズからの欠陥エコーを抽出する方法とし
ては、アレイ型探触子を用いた電子走査型探傷法があり
、−例として、特公昭６３−５６９４６号公報に開示さ
れたものが知られている。この方法は、第７図に示すよ
うに多数の振動子２８１．２８２、・・・　２８ｎを有
するアレイ探触子２つを用い、このアレイ探触子２９の
各振動子２８１．２８２　、・・・　２８ｎから出力さ
れる超音波ビームを所定の超音波入射角前後のある範囲
内で微小に振ってやり、入射角が僅かに異なる複数の超
音波ビーム３０１．３０２　、＝−３０ｎより複数個の
探傷波形を得、これら探傷波形を前述の自動探傷の場合
と同様に加算し、平均化することにより一つの探傷波形
を得るという方法である。この方法によれば、探触子の
位置を一定間隔で移動させるための探触子駆動機構を有
する自動探傷装置を必要としないが、図示するような超
音波送信器群３１、超音波受信器群３２、高速アナログ
・デジタル変換器群３３、デジタル加算器３４、遅延時
間制御器３５、コンピュータ３６、記録表示器３７など
、アレイ振動子のチャンネル数に応じた膨大な電子回路
を必要とし、高価であるとともに、可搬性を必要とする
装置には採用することができなかった。

（発明が解決しようとする課８） 以上述べたように探触子駆動機構を有する自動探傷装置
や、複雑な電子回路を多数必要とする電子走査型探傷装
置を用いると、これらにより得られた複数の探傷波形を
加算することにより材料ノイズより欠陥エコーを抽出す
ることが可能にはなるが、火際の機器の探傷に多く用い
られ、検査員がノイズエコーであるが欠陥エコーである
か判別するに苦労する手作業を基本とする超音波探傷装
置においては、上述の探触子駆動機構を有する自動探傷
装置や電子走査型探傷装置のように材料ノイズの信号レ
ベルを低減させ、欠陥エコーを明瞭に抽出できるものは
見当たらなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、粗大結晶
粒からなる金属材料やオーステナイト系耐熱材料などの
探傷において、超音波反射源からの材料組織に依存した
ノイズエコーの振幅値を低減させることにより信号とノ
イズのＳ／Ｎ比を改善し、欠陥検出の能力を高めること
を手作業を基本とする探傷装置と同様な装置で可能にす
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） 本発明の超音波探傷装置は、探触子内部に設けられ且つ
超音波受信位置を移動可能にした超音波送受信手段と、
各超音波受信位置での超音波の送受信により得られる複
数の探傷波形をデジタル化し複数のサンプル点により構
成される波形データに変換するデジタル化手段と、上記
デジタル化された複数の波形データの同一サンプル点で
のデータを比較するとともにその中で最小の値をそのサ
ンプル点でのデータとする処理を複数のサンプル点につ
いて繰り返すことにより一つの探傷波形を得る信号処理
手段とからなることを特徴とするものである。

（作用） 本発明の超音波探傷装置は、超音波送受信位置の異なる
位置での探傷により得られる、探傷位置がずれているこ
とで若干ずつ異なるノイズ波形と、探傷位置の微小なず
れではほとんど変化しない欠陥波形を含んた複数の探傷
波形を、リアルタイムの信号処理により一つの探傷波形
にまとめることにより、粗大結晶粒材料やオーステナイ
ト系材料のように材料組織に依存したノイズエコーレベ
ルの高い材料においても、欠陥エコーの振幅はそのまま
で、変化材料組織に依存したノイズエコーの振幅値のみ
を低減させるようにでき、欠陥エコー検出のためのＳ／
Ｎ比の改善が６１能となり、欠陥検出能の高い、微小な
欠陥まで検出可能な探傷を、自動走査装置を必要とする
ことなく手作業による探傷においても実現できる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面にしたがい説明する。

第１図は、同実施例の超音波探傷装置に用いられる探触
子の例として垂直探触子の縦断面を示し、第２図は、同
垂直探触子の横断面を示すものである。図において、１
は非検査体で、この非検査体１表面に超音波探触子２を
載置するようになる。

この超音波探触子２は、内部の中心位置する送信用超音
波振動子３を配置し、この送信用超音波振動子３を取り
囲んで複数の受信用超音波振動子４１．４２、・・・、
４ｎを配置し、また、これらとともに超音波波形特性を
整えるためのバッキング材５および振動子と非検査体１
の音響インピーダンスを整えマツチングプレート６を設
けている。

そして、送信用超音波振動子３と受信用超音波振動子４
１　４２、・・・、４ｎには、それぞれ独立に信号線７
および８１．８２、・・・　８ｎが接続されている。

第３図は、同実施例の超音波探傷装置の回路構成を示す
ものである。この場合、超音波探触子２の中心部に位置
する送信用超音波振動子３には、超音波送信器９より超
音波を励振するための高圧パルス電圧が繰り返し印加さ
れる。また、この送信用超音波振動子３を取り囲んで配
置される複数個の受信用超音波振動子４１　、４２　、
・・・　４ｎには、振動子切換器１０が接続され、これ
ら受信用超音波振動子４１　、４２　、・・・、４ｎに
より受信され電気信号に変換された超音波信号は、送信
用超音波振動子３に繰り返し印加される励振用高圧ノく
ルス１同ごとに振動子切換器１０により選択的に切換え
られ、超音波受信器１１に与えられるようにしている。

超音波受信器１１に与える超音波信号は増幅され、Ａ／
Ｄコンバータ１２に送られる。このＡ／Ｄコンバータ１
２は、アナログ信号をデジタルデータに変換するための
ものである。そして、このＡ／Ｄコンバータ１２により
変換されたデジタルデータは、振動子切換器１０と同期
して切換えられる波形メモリ切換器１３を介して波形メ
モリ１４１．１４２、・・・　１４ｎに与えられ、各別
に記憶される。つまり、これら波形メモリ１４１．１４
２、・・・　１４ｎには、受信用超音波振動子４１．４
２、・・・　４ｎの個数ｎに等しい回数の超音波送受信
で得られた超音波伝播経路の僅かずつ異なる複数個の探
傷波形が記憶されることになる。

一方、波形メモリ１４１．１４２、−　１４ｎに記録さ
れた複数個の探傷波形は、最小値化信号処理回路１５に
送られる。この最小値化信号処理回路１５は、波形メモ
リ１４１．１４２　、・・・１４ｎに記録された超音波
伝播経路の僅かずつ異なる複数個の探傷波形纏め、材料
ノイズを低減させた一つの探傷波形を得るためのもので
ある。そして、この最小値化信号処理回路１５で処理さ
れ得られた探傷波形は、Ｄ／Ａコンバータ１６に送られ
、ここでアナログ波形に戻され、探傷波形表示用ＣＲＴ
１７に送られる。この探傷波形表示用ＣＲＴ　１７は、
通常の探傷器と同様のＡスコープ探傷波形を描くように
なっている。

なお、１８は、上述した各構成要素の一連の動作を制御
するための探傷制御回路である。

次に、本発明による探傷波形から最小化信号を得るまで
の処理の手順および材料ノイズ低減に対する効果につい
て第４図および第５図を用いて説明する。

いま、第４図において、送信用超音波振動子３から超音
波が枚射されると、この超音波は、送信用超音波振動子
３周囲に配置された受信用超音波振動子４１　、４２　
、・・・　４ｎとの相対的位置関係に応じた超音波伝播
経路１１．、ＩＩ２、・・・Ｉｏを通過し、受信用超音
波振動子４１　、４２　、・・・　４ｎにより受信され
る。この場合、本発明で対象としている粗大結晶粒材料
やオーステナイト系材料のように材料組織に依存するノ
イズエコーレベルの高い材料においては、第５図に示す
ように材料ノイズを含んだ探傷波形Ｗ１、２、・・・Ｗ
。が得られるが、これら探傷波形は、それぞれの波形ご
とに超音波伝播経路が僅かずつ異なるため、探傷波形中
に含まれる材料ノイズはビーム路程方向に対してはラン
ダムであり、探傷波形ごとに僅かずつ異なっている。

一方、材料ノイズの原因となる結晶粒界よりも大きな欠
陥１つに対しては、欠陥寸法に対する超音波伝播経路の
違いが相対的に小さいので、全ての受信用超音波振動子
４１．４２、・・・　４ｎて、はぼ同等な欠陥エコーが
検出される。

次に、最小値化信号処理回路１５では、以下の処理が実
行される。すなわち、ｉ番目の受信用超音波振動子４ｉ
により検出された探傷波形は、デジタル化によりｍ個の
サンプル点により構成される波形データからなり、ｗ（
１，２、・・・ｊ・・ｍ）＋で現される。そして、この
ような波形データのｊ番目のサンプル点に注目して各探
傷波形ｗ（ｊ）１、ｗ（ｊ）２、・・・ｗ（ｊ）　　の
中から絶対値が最小の振幅値を呈するｍｉｎｆｗ　（ｊ
　）　１−　＋　−ｎ　　ｌ　を、探傷波形ビーム路程
上のｊ番目のサンプル点の代表値として採用する。この
操作を探傷波形の１番目のサンプル点から最後のｍ番目
のサンプル点まで繰り返し行うことにより受信用超音波
振動子４１４２　・・・　４ｎで検出された複数個の探
傷波形を１つに集約した探傷波形Ｗ−［ｉｉｎ　　（ｗ
　（Ｊ　）　、−ｒ−）　コ　、−１□を得られること
になる。

この結果、結晶粒界などの材料組織に起因するノイズは
、結＾晶粒界などの構成、配列そのものがランダムな特
性を存し、それらを反射源として受信される超音波波形
もランダムな特性を有することになるので、材料ノイズ
に関して僅かずっ異なる複数個の探傷波形の同一ビーム
路程の振幅値の最小値を採用することにより、小さな値
で代表させることができる。

一方、欠陥エコーについては、超音波伝播経路の僅かな
違いによる複数個の探傷波形の同一ビーム路程の振幅値
に対する影響が小さく、それらの中の最小値を採用して
も、あるビーム路程上の代表値データが著しく小さくな
ることはない。このことから、ｍ個のサンプル点により
構成されている複数の波形データｗｌ　　ｗ２、・・・
Ｗ、の全てのサンプル点に対して、それぞれ最小値を求
める操作を繰り返せば、材料ノイズの振幅値レベルは小
さくなるが、欠陥エコーの振幅値は変化しない。

このことは、粗大結晶粒材料やオーステナイト系材料の
探傷において観察される材料組織に依存したノイズエコ
ーの振幅値を低減させることができるのに対し、通常の
探傷ではノイズエコーに埋もれて存在を確認することが
困難な欠陥エコーの振幅は変化しないことになるので、
欠陥エコー検出のためのＳ／Ｎ比の改善を、自動走査装
置を必要とすることなく手作業による探傷において実現
できることになる。

なお、第１図および第２図に示す送（ｇ用超音波振動子
３および複数個の受信用超音波振動子４１４２、・・・
　４ｎは、円盤型をなしているが、要するに超音波の伝
播経路を僅かに変化させた複数個の探傷波形を得るとと
もに、最小値化信号処理を行うための目的に合致してい
ればよいので、必ずしも円盤型である必要はない。また
、第３図の例では、振動子切換子１０を用いて受信用超
音波振動子４１　、４２　、・・・　４ｎの個数に等し
いｎ回の超音波送受信で最小値化信号処理に必要な全て
の探傷波形を得るようにしているが、超音波受信器１１
およびＡ／Ｄコンバータ１２の個数を受信用超音波振動
子４１　４２、・・・　４ｎの個数と等しくすれば一同
の超音波送信で短時間の内に探傷波形を記録することも
可能である。

次に、超音波探触子２内部における超音波の送受信位置
を微小に変化させて、超音波伝播経路を僅かずつ変化さ
せるようにした他の実施例について第６図にしたかい説
明する。

第６図は、機械的に超音波受信位置を微小に変化させる
ことかできる御飯動子型探触子の断面図を示している。

この場合、超音波探触子２の内部には、送受信用転勤子
２０およびバッキング材５を内在する振動子ブロック２
１を、２枚の平行な振動子ブロック保持具２２ａ、２２
ｂにより送受信用振動子２０の振動面とマツチングプレ
ート６の間に極僅かなギャップを保つように支持してい
る。また、振動子ブロック２１の両側には超音波探触子
２内部での振動子ブロック２１の位置を変化させるため
の圧電材料、磁歪材料あるいは音響スピーカのボイスコ
イルと類似の機構からなる超音波送受信位置移動機構２
３ａ、２３ｂが取り付けられており、この超音波送受信
位置移動機構２３ａ、２３ｂを制御するための信号線２
４ａ、２４ｂおよび超音波送受信用信号線２５がコネク
タ２６に接続されている。

このようにしても、上述した実施例と同様な効果を期待
することができる。

なお、超音波探触子２の内部は、振動子ブロック２１と
振動子ブロック保持具２２の摺動面がスムーズに動くた
めの潤滑油を兼ねた超音波伝播媒体２７で病たされてお
り、超音波入射点を微小に変化させるための振動子ブロ
ック２１の位置変化に対して、いわゆるギャップ法によ
る安定な探傷ができるように構成されている。

なお、第６図に示す超音波送受信位置移動機構２３ａ、
２３ｂは、超音波探触子２内部での振動子ブロック２１
の位置を左右に移動させるもののみ示しているが、同様
の機構を振動子ブロック２１の周囲全周に設けたり、他
の機構により超音波探触子２の中心から偏心した位置に
中心を有する振動子ブロック２１を超音波探触子２の中
心を軸として回転させるなど構成してもよいなど、要は
、材料ノイズと欠陥信号のＳ／Ｎ比を向上させるために
一つの探触子内部で超音波送受信位置の異なる複数個の
探傷波形データを計測し得る機構を設けるようにすれば
よい。

［発明の効果コ 本発明によれば、超音波送受信位置の異なる位置での探
傷により得られる、探傷位置がずれていることで若干ず
つ異なるノイズ波形と、探傷位置の微小なずれではほと
んど変化しない欠陥波形を含んた複数の探傷波形を、リ
アルタイムの信号処理により一つの探傷波形にまとめる
ようにすることによって、粗大結晶粒材料やオーステナ
イト系材料のように材料組織に依存したノイズエコーレ
ベルの高い材料においても、欠陥エコーの振幅はそのま
まで、変化材料組織に依存したノイズエコーの振幅値の
みを低減させるようにできることから、欠陥エコー検出
のためのＳ／Ｎ比の改善が可能になるとともに、欠陥検
出能の高い、微小な欠陥まで検出可能な探傷を、探触子
駆動機構などの自動探傷装置や超音波制御のための膨大
な電子回路などを必要とすることなく、通常、最も多く
行われ、口■微性、機動性が要求される手探傷において
も実現することができることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の超音波探傷装置の一実
施例に用いられる超音波探触子を示す縦断面図および横
断面図、第３図は、同実施例の回路構成を示すブロック
図、第４図および第５図は、同実施例の動作を説明する
ための図、第６図は、本発明の他の実施例に用いられる
超音波探触子を示す縦断面図、第７図は、従来の超音波
探傷装置の一例の回路構成を示すブロック図である。 １・・・被検査体、２・・・超音波探触子、３・・・送
信用超音波振動子、４１〜４ｎ・・・受信用超音波振動
子、９・・・超音波送信器、１０・・・振動子切換器、
１１・・・超音波受信器、１２・・・Ａ／Ｄコンバータ
、１３・・・波形メモリ切換器、１４１〜１４ｎ・・・
波形メモリ、１５・・・最小値化信号処理回路、１６・
・・Ｄ／Ａコンバータ、１７・・・波形表示用ＣＲＴ、
１９・・・欠陥、２ ０・・・送受信用振動子、 １・・・振動子ブロック、 ３・・・超音波送受信位置移動機構、 ７・・・超音 波伝播媒体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 探触子内部に設けられ且つ超音波受信位置を移動可能に
   した超音波送受信手段と、各超音波受信位置での超音波
   の送受信により得られる複数の探傷波形をデジタル化し
   複数のサンプル点により構成される波形データに変換す
   るデジタル化手段と、上記デジタル化された複数の波形
   データの同一サンプル点でのデータを比較するとともに
   その中で最小の値をそのサンプル点でのデータとする処
   理を複数のサンプル点について繰り返すことにより一つ
   の探傷波形を得る信号処理手段とを具備したことを特徴
   とする超音波探傷装置。