JPH03289560A - 表面波を用いた測定における入射角の調整方法 - 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〉 本発明は、表面きずの検出や各種寸法の測定あるいは材
質の測定などに表面波を用いる場合の入射角の調整方法
に関する。

〈従来の技術〉 表面波はレーリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）波とも称される
物体の表面層を伝播する波動であり、そのエネルギーの
９０％以上が表面から１波長の深さまでに局在している
。この性質を利用して各種物体の表面きずの検出、ある
いは結晶粒度などの材質の測定などに利用されている。

また、物体の角で反射する性質を利用して物体の寸法の
測定に利用されるなどその利用用途の多い波動である。

−船釣に、この表面波は、屈折の法則を利用して物体の
表面に送受信される。すなわち、その原理を第５図に示
すが、被検査物体１として水などの液２の中に水平に置
かれた平面状物体ＩＡの表面Ｓの点Ｐにその法＆’ｊｌ
Ｖに対して、角度θだけ傾けて配置した超音波振動子３
から超音波Ｂを送信する。

このとき、入射角θが下記（１）式 ０式％（ ここで、Ｃｏ　ｚ液中での超音波の速度Ｃ９：表面波の
速度 を満足すると、表面波Ｒは最大の変換効率で送信される
。なお、表面波Ｒの受信は全く逆の過程においてなされ
る。

ここで、第５図は液２中に浸漬した被検査物体１の場合
について表面波Ｒの送受信を示したが、この他例えばタ
イヤ型超音波探触子を用いた表面波Ｒの送受信、あるい
はアクリル樹脂などのクサビを用いた表面波Ｒの送受信
の原理も同様である。

このような表面波Ｒを用いた測定において高い精度を確
保するためには、表面波ＲをＳＮ比を高くして送受信す
ることが必要であって、具体的には前出（１）式を正確
に満足する入射角θで被検査物体１に向けて超音波Ｂを
送受信することが必要である。この入射角θの調整は、
前記したクサビによる表面波の送受信を除いて、例えば
文献［白岩ら、板バネ材の超音波探傷（非破壊検査第２
１巻第９号、Ｐ、５７２）Ｊに示されるような方法を用
いると、人工きずあるいは物体の端面からの反射エコー
を利用して実施される。すなわち、人工きずあるいは物
体の端面に向けて表面波を送受信して、これらからの反
射エコー高さを観測して、この高さが最大となるように
入射角θを調整するようにすれば、前記（１）式を満足
させることができる。

なお、クサビを用いる表面波の送受信の場合は上記した
ような調整を行うことは困難であり、特に実際の表面波
の速度がクサビの角度の設計時に想定した速度からずれ
ているような場合は、最大の変換効率で表面波を送受信
することができないのである。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、前記した入射角θの調整方法には下記の
ような問題を包含している。

■　実際の測定対象となる物体には人工きすを加工でき
ない場合がほとんどであり、端面などからの反射エコー
を利用して入射角θを調整することになるが、端面の形
状によっては、明瞭な反射エコーが得られないことがあ
る。

■　例えばパイプ等のような円筒状の物体あるいは円柱
状の物体の円周方向に表面波を送受信して測定を行なう
場合には、端面がないから入射角θの調整に利用可能な
反射エコーが何ら存在せず、入射角θの１整は困難であ
る。

■　上記■および■の場合のいずれも、予め想定される
入射角θ。に入射角θを設定するようにして測定を行う
ことも考えられるが、同じような物体の間でも表面波の
速度が変化することがあり、いつも一定の入射角θ。で
は測定する物体によって測定感度が変化してしまう。

また円柱・円筒系の物体では、第６図に示すように、超
音波振動子３の位置ずれが起こり易（、円形物体ＩＢの
頂点Ｔに向け、超音波Ｂを送信するように超音波振動子
３の位置を設定して、実際には超音波Ｂの入射点が異な
っているとき、図中の垂直軸■（頂点Ｔにおける法線に
平行）と円形物体ＩＢの実際の超音波入射点Ｐにおける
法線Ｃとがずれて十分な感度で表面波を送受信できない
ことがある。

■　近年の鋳造、成型あるいは加工などの技術の進歩に
より、円筒・円柱以外の形状の、部分によって変化する
曲率を有する物体も増加しているが、このような曲率を
有する物体の任意の箇所に表面波を送受信するとき、通
常、物体表面への超音波の入射点を正確に知ることがで
きないため、形状データ等から入射角θを求めることが
困難である。

このような事情から、特に大量の物体を表面波によって
自動測定するような場合には、入射角θの調整が大きな
問題となっている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであ
って、表面波を用いた測定において、入射角度調整に必
要な人工きずあるいは端面からの反射エコーが得られな
い物体の測定あるいは曲率が部分的に変化している物体
の測定においても、最大の変換効率で表面波を送受信し
得る自動化が容易な入射角の調整方法を捷供することを
目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、表面波を用いた物体の測定におい”Ｃ１入射
角度を変化させながら物体の表面に向けて超音波を送信
し、物体の表面層の組織および表面性杖によって生ずる
表面波の後方散乱波を受信して検波した後その振幅を積
分し、この積分値が最大となる角度に入射角度を設定す
ることを特徴とする表面波を用いた測定における入射角
の調整方法である。

〈作用〉 表面波を物体の表面に送受信すると、表面波は伝播の過
程において結晶粒界あるいは表面粗さ（表面の微小な凹
凸）などによって散乱され、丁度伝播方向に対して反対
の方向に散乱された波動が後方°散乱波として超音波送
受信子に受信される。

この後方散乱波は表面波が伝播途上で結晶粒径あるいは
表面粗さなどに応じた一定の割合にて散乱されたもので
あるから、その振幅は伝播する表面波の振幅に比例した
ものとなる。したがって、入射角θを変化させつつ、こ
の後方散乱波の振幅を検出することによって、原理的に
は、最も伝播する表面波の振幅が大きくなる入射角θ９
を求めることができる。

しかし、後方散乱波は振幅が微小であり、超音波送受信
子に接続された受信増幅回路の増幅度を高くすることに
よってはじめて観測が可能となり、この感度では後方散
乱波の振幅に重畳される超音波送受信系の電気ノイズお
よび外来性の突発ノイズも無視はできない振幅を持つよ
うになり、単にこの波動の振幅を観測するだけでは正確
に入射角θをθイに一致させることは困難であるから、
積分回路を用いて増幅・検波後の後方散乱波の振幅を積
分し、その積分値を後方散乱波の振幅として検出するよ
うにすればよい。

なお、超音波送受信系の電気ノイズはホワイトノイズで
あるため、積分によって平均されると積分値に対し一定
の大きさのバイアス成分となり、繰返し周期的に行われ
る超音波の送受信間でその大きさは変化しない。

また、外来性の突発ノイズも積分値への寄与は、このノ
イズの継続時間が短いため無視できる程度となる。

このようにして本発明によれば、ノイズの干渉なしに後
方散乱波の振幅を検出することができ、後方散乱波の振
幅が最大となる角度θ９に入射角を設定することができ
る。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。

〔実施例！〕

第１図は、本発明方法に係る第１の実施例を一部断面を
含んで示すブロック図である。

°図において、表面波を送受信する超音波振動子３は、
液２の充填されたタイヤ型超音波探触子４に内蔵され、
振動子ホルダ５を介してパルスモータ６に支持される。

そして、モータ６の軸に取付けられたギヤ７が円弧状の
ガイドレール８のラックギア９と噛み合って移動自在と
され、これによって超音波ビームＢの入射角θが変化す
る。このタイヤ型超音波探触子４は、水などの適当な接
触媒質を介して測定対象の鋼ＦｉＩＣの表面Ｓに押し当
てられる。

電気パルス送信回路１０にはクロック回路１１が内蔵さ
れており、一定の時間間隔をおいてこの電気パルス送信
回路１０から電気パルスが送信されて超音波振動子３に
印加され、超音波振動子３から超音波ビームＢが送信さ
れる。

送信された超音波ビームＢは綱板ＩＣの表面Ｓに達する
と、屈折の法則により表面波に変換されて鋼板ＩＣの表
面Ｓを伝播し、結晶粒界あるいは表面の凹凸により散乱
され、伝播してきた方向と逆の方向に散乱された成分が
後方散乱波として超音波振動子３に戻って受信され、受
信増幅回路１２により適当に増幅される。

受信増幅回路１２にて増幅され、さらに検波回路１３に
て検波された信号はゲート回路１４に出力され、ゲート
回路１４においては受信信号のうちから後方散乱波のみ
がとり出されて積分回路１５に出力され、後方散乱波の
振幅が積分される。積分回路１５で積分されたアナログ
量は、Ａ／Ｄ変換回路１６によりディジタル値に変換さ
れてマイクロコンピュータなどの演算制御装置１７に出
力される。このようにして、送信された表面波の振幅に
比例した値が演算制御装置１７によって記憶される。

そして、演算制御装置１７はパルス信号をドライブ回路
１８を介してパルスモータ６に出力し、超音波振動子３
から送信される超音波ビームＢの入射角θを、所定の角
度θ、からθ、（ただしθ、〈θ□）まで、所定の間隔
Δθずつ変化させ、それぞれの角度における後方散乱波
の振幅の積分値を検出し、メモリに記憶する。

一連の測定の終了後、演算制御装置１７は、この積分値
が最大となる角度θ、を求め、パルス信号をパルスモー
タ６に出力することにより、超音波振動子３を移動させ
て超音波ビームＢの入射角θをθ８に一致させる。この
ようにして、屈折を利用して表面波を送受信する場合の
入射角を最適に設定し、送受信される表面波の振幅を最
大とすることができる。

第２図は、この第１の実施例での装置を用いて、Ｗ−鋼
板を測定対象として入射角θを変化させながら後方散乱
波の振幅の積分値を求めた本発明法の結果と、同じ厚鋼
板に貫通孔を加工して入射角θを変化させながら貫通孔
からの反射エコー高さを測定した従来法の結果を対比し
て示したものであ図から明らかなように、両者には良好
な一致が認められ、後方散乱波の振幅の積分値から表面
波を最も変換効率よく送受信できる角度に入射角θを設
定できることがわかる。

また、第１表は、数多くの厚鋼板を用いて、人工きすか
らの反射エコーを利用して求めた従来法による表面波の
送受信変換効率が最大となる入射角度θ。と、本発明法
で求めた入射角度θ８とを対比して示したものである。

第１表かられかるように、両者の入射角θ、とθ、は±
０、ｌｏの精度でよく一致しており、人工きすからの反
射エコーを利用する従来法の代りに本発明法が十分利用
可能であるといえる。

第１表 〔実施例■］ 第３図は、本発明方法に係る第２の実施例を一部断面を
含んで示すブロック図であり、鋼管ＩＤを測定対象とし
たものである。

図に示すように、表面波を送受信するための超音波振動
子３を内蔵したタイヤ型超音波探触子４は、適当な接触
媒質を介して測定対象の鋼管ＩＤに押し当てられている
。後方散乱波の振幅の積分方法が異なる点を除いて、各
構成要素の機能および動作は第１の実施例と全く同一な
ので説明は省略する。

この第２の実施例においては、高速Ａ／Ｄ変喚回路２０
および積算回路２１を用いて後方散乱波の振幅の積分を
行う、すなわち、受信増幅回路１２にて適当に増幅され
、検波回路１３にて検波された信号が、直接、高速Ａ／
Ｄ変換回路２０に入力され、遅延回路１９からのトリガ
パルスが入力された直後から、表面波信号の周波数の２
倍以上のサンプリング周波数で所定回数連続的にＡ／Ｄ
変換を行い、この結果を積算回路２１に出力し、積“算
回路２１では順次送られてくるディジタル値を加算する
。この一連の過程によって積算回路２１には後方散乱波
の振幅の積算値が記録され、所定回数のＡ／Ｄ変換およ
び加算が終了した後、この積算値は演算制御装置Ｉ７に
送られる。

なお、遅延回路１９は後方散乱波のみをＡ／Ｄ変換する
ため、クロック回路１１からの同期信号に遅延をかけて
Ａ／Ｄ変換を開始するためのトリガバルスを発生ずる回
路であり、またクロック回路ＩＩから積算回路２１に入
力されている同期信号は、積算回路２１における積算値
をゼロの初期状態にリセットするために用いられる。

第４図は、この第２の実施例での装置を用いて、大径鋼
管を測定対象として入射角θを変化させながら後方散乱
波の振幅の積分値を求めた本発明法の結果と、同じ大径
鋼管に貫通孔を加工して入射角θを変化させながら貫通
孔からの反射エコー高さを測定した従来法の結果とを対
比して示したものである０図から明らかなように、両者
には良好な一致が認められる。

また、第２表は、数多くの大径鋼管を用いて人工きすか
らの反射エコーを利用して求めた従来法による表面波の
送受信変換効率が最大となる入射角度θ、と、本発明方
法で求めた入射角度θ９とを対比して示したものである
が両者の入射角θ、。

θ８は±０．ｌ°の精度で良好に一致していることがわ
かる。

第２表 〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば表面波を用いた測
定において、表面波を最も変換効率よく送受信するため
の入射角の設定を人工きずおよび端面などからの反射エ
コーを全く利用しないで実施できるので、表面きずの検
出、各種寸法の測定、あるいは材質の測定など、表面波
を用いた各種の製品および素材の測定に有効に利用する
ことができる。

また、従来法に必須とされた人工きずの加工工程を省略
することができるから、貴重な素材のスクラップ化を防
止することができ、かつ測定が素材の形状に依存せずに
容易となるなど多くの優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法に係る第１の実施例を一部断面を
含んで示すブロック図、第２図は、厚鋼板を測定対象と
したときの入射角と後方散乱波積分値および人工きずか
らの反射エコー高さとの関係を示す特性図、第３図は、
本発明方法に係る第２の実施例を一部断面を含んで示す
ブロック図、第４図は、大径鋼管を測定対象としたとき
の入射角と後方散乱波積分値および人工きすからの反射
エコー高さとの関係を示す特性図、第５図は、表面波の
被検材への送受信方法を説明する図、第６図は、表面波
の円柱状物体への送受信について説明する図である。 １・・・被検査物体、 １Ｂ・・・円形物体、 ＩＤ・・・鋼管、 ３・・・超音波振動子、 ４・・・タイヤ型超音波探触子、 ５・・・振動子ホルダ、　６・・・モータ、７・・・ギ
ヤ、　　　　　　８・・・ガイドレール、９・・・ラッ
クギア、　　ＩＯ・・・電気パルス送信回路１１・・・
クロック回路、　１２・・・受信増幅回路、１３・・・
検波回路、　　　１４・・・ゲート回路、１５・・・積
分回路、　　　１Ｇ・・・Ａ／Ｄ変換回路、１７・・・
演算制御装置、　１８・・・ドライブ回路、ＩＤ・・・
遅延回路、　　　２０・・・高速Ａ／Ｄ変換回路、２１
・・・積算回路。 １Ａ・・・平板状物体、 ＩＣ・・・鋼板、 ２・・・液、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　表面波を用いた物体の測定において、入射角度を変化
   させながら物体の表面に向けて超音波を送信し、物体の
   表面層の組織および表面性状によって生ずる表面波の後
   方散乱波を受信して検波した後その振幅を積分し、この
   積分値が最大となる角度に入射角度を設定することを特
   徴とする表面波を用いた測定における入射角の調整方法
   。