JPH0334588B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、金属及び非金属等によるパイプ等の
円筒体の欠陥を検出するための超音波探傷装置に
関するものである。

〔従来の技術的背景〕

金属および非金属等の円筒体例えばパイプ構造
物の超音波探傷においては、対象が円筒物である
ため、従来、送・受信用斜角探触子から超音波ビ
ームを送信させながら、探触子を手動走査させ、
欠陥からの反射波を受信して欠陥を検出する方法
が採られていた。

この探傷方法では、パイプの欠陥までのビーム
程が一定であるため距離振幅特性が大きく変動す
る。また、探触子の振動子の各面からのパイプへ
の入射角が各々異なるため、入射効率及びパイプ
内面での反射効率が低下するため、探傷感度が低
下し、欠陥検出能力が低下する。

一方、インボリユート曲線の法線方向に超音波
ビームの送受を行うことのできるようにしたイン
ボリユート型探触子を用いたパイプ欠陥探傷で
は、インボリユート曲線の特性上、パイプ内・外
周面での入・反射効率が一定に保持されるため、
探傷感度が均一化し、また探触子の長さ及び幅を
十分取れば距離振幅特性が一定となり、これによ
つてパイプ欠陥の検出能力の著しい低下を防ぐこ
とができる。

しかし、前記インボリユート型探触子では、１
つの探触子で１つの固定された超音波ビーム送受
波方向しかつくれず、従つて欠陥に対して最適な
入射角で探傷することが難しくまた、径の異なる
パイプに対しても、その径に合う最適入射角を設
定した探触子を各々製作しなければならずこのよ
うな探触子製作の困難さなどの欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みて成されたもので、超
音波ビームの送受方向を任意のインボリユート曲
線の法線方向からの送受となるよう可変設定でき
るようにして探傷能力を向上させ、また、径の異
なる円筒体に対してもそのまま同じ探触子を利用
できるようにした超音波探傷装置を提供すること
を目的とする。

〔発明の概要〕

即ち、本発明は上記目的を達成するため、被検
体であるパイプ等の円筒体を超音波探傷する超音
波探傷装置として、この被検体に対する超音波送
受用の複数の超音波振動子を並設してなるアレイ
型の探触子と、これら各超音波振動子の超音波送
受を制御し、これら超音波振動子の前記被検体に
対する超音波ビームの送受方向が所望のインボリ
ユート曲線の法線方向となるよう制御する電子走
査制御手段と、これにより得られた超音波ビーム
の受信信号を表示する表示手段とより構成し、探
触子の各振動子に遅延時間制御を施してインボリ
ユート曲線の法線方向の超音波ビーム送受方向と
なるよう電子走査することにより、探触子のどの
振動子からの超音波ビームも被検体に対する入射
角は皆等しくなり、これによつて超音波ビームは
被検体内周面で皆同一反射角で反射されることに
なり、従つて、探触子から送信される超音波ビー
ムは被検体内外周面での入・反射効率が一定に保
たれることになるから、これにより探傷感度を均
一化すると共にエボリユート曲線の径を変えてイ
ンボリユート曲線を変化させれば超音波ビームの
送受波方向を任意に可変できるので、これを利用
して探触子を定位置に固定したまま超音波ビーム
の送受波方向を可変することによつて欠陥に対し
て最適な入射角で超音波探傷することができるよ
うにし、これによつて高精度で能率的にパイプ等
の欠陥を探傷することができるようにする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照し
ながら説明する。

本発明の一実施例を第１図に示す。図は本発明
による電子走査型超音波探傷装置の構成を示すブ
ロツク図であり、図中１は複数の超音波振動子
（以下、単に振動子と称する）を所定ピツチで並
設した電子走査方式の送・受波用アレイ型の探触
子である。この探触子１はその送・受面側に検査
対象であるパイプ等の被検体Ｐに密着させること
ができるよう被検体Ｐの表面の曲率に合わせた接
触面を持つ音波伝達用のシユー１ａが取り付けて
あり、このシユー１ａを利用して被検体Ｐに接触
させる。

この探触子１は各振動子に超音波のビーム方向
に応じた遅延時間で超音波送信パルスを発生して
与える超音波発信器群２と各振動子の受信エコー
を送信時の遅延時間に対応して遅延制御し、同一
方向、同一深さからの信号が揃うようにするなど
の処理を行う超音波受信器群３に電気的に結合さ
れている。ここで超音波発信器群２、超音波受信
器群３における超音波発信器および超音波受信器
はそれぞれ送・受波用アレイ型の探触子１内の振
動子数に対応した数だけ、または一回の励振に用
いる一組分の振動子数に対応した数だけ用意され
ており、前者の場合は所望とする超音波ビーム発
生位置に対応する所定数の一組分を、選択してま
た、後者では図示しない切換器により励振すべき
一組分の振動子に選択接続して使用する。

そして、前記超音波発信器群２と超音波受信器
群３は超音波送受信用の各振動子群の選定と各振
動子への超音波発信タイミングおよび超音波受信
時間タイミングを制御する遅延時間制御器４に結
合されている。遅延時間制御器４は被検体探傷条
件である超音波ビーム集束、偏向等を任意に選定
可能であり、広範囲な探傷が可能となつている。

特に、受信時においては、前記遅延時間制御器
４の信号に応じて、各振動子からの受信号超音波
波形を遅延加算させること、および前記加算波形
を記憶することを可能とした遅延加算器５により
加算超音波波形を得ることを可能としている。

さらに、得られた波形の中で、最大感度を示す
加算波形を検出して取り出し、検波増幅器６で検
波および増幅させたのち、CRT（陰極線管）表示
器７にＡスコープ表示させるとともに、検波増幅
器６で所定の超音波ビーム路程範囲にゲートを付
して、ゲート内で受波した超音波波形のビーム路
程、エコー高さをデイジタル表示させることを可
能としている。

また、９は画像表示器であり、前記信号処理器
８は前記ビーム路程を用い、水浸法での液体中、
被検体中の超音波ビームの音速、超音波ビームの
偏向角度、集束点位置等の探傷条件から欠陥位置
を演算し、算出してこの画像表示器９にデイジタ
ル表示すると共にＢスコープ表示させることを可
能としている。

尚、探触子１における前記シユー１ａは任意の
パイプに対してその表面に密着できるよう被検体
であるパイプの径に合わせたものを用いるべく、
交換可能になつており、このシユー１ａによつ
て、探触子１から被検体Ｐへ送受波される超音波
ビームの乱れや混信等の悪影響が生じないように
なつている。

次に上記構成の本発明の作用について説明す
る。

本発明の装置によれば、探触子１の各超音波振
動子のうち選定した隣接する複数個の超音波振動
子について振動タイミングを制御することにより
超音波ビームUBの送・受波方向を任意に可変制
御することを可能としているため、これらの機能
を用いて被検体Ｐ内の欠陥Ｔを検出することがで
きる。

以下、本発明の超音波探傷装置の作用を詳しく
説明する。第２図は本発明の原理的な説明をする
ための図であり、図中の破線は、半径ａなるエ
ボリユート曲線によつて生ずるインボリユート
曲線を示しており、通常、インボリユート曲線
上の任意の点Ｐ（ｘ，ｙ）は次式を満足するもの
である。

Ｐ（ｘ，ｙ）：ｘ＝ａ（cosβ＋βsinβ） ｙ＝ａ（sinβ−βcosβ） …(1) 尚、βはインボリユート曲線の原点位置とＰ点
位置との成す角である。

本発明の装置によれば、超音波ビーム送受波方
向を任意に電子走査させることを可能としている
ため、これらの機能を用いて被検体内を探傷する
ことができる。

本装置は探触子１の各超音波振動子からの超音
波ビーム発信時間を遅延時間制御器４で制御し
て、超音波発信器群２を駆動し、所望の位置の振
動子群を励振制御して超音波発信させる。そし
て、前記探触子１からの超音波ビームUBがシユ
ーでの屈折を含めてインボリユート曲線上から
の送受波になるように施こす。即ち、被検体１に
対しインボリユート曲線の法線方向への送受波方
向となるよう制御する。こにような遅延時間制御
により、探触子１の各振動子からの超音波ビーム
UBの被検体Ｐへの入射角は同一となつている。
すなわち、第３図において、探触子１の各振動子
a₁〜a_oからの被検体Ｐへの入射角はθ₁＝θ₂＝……
＝θ_oとなる。また、同一入射角で被検体Ｐへ入射
された超音波ビームは、被検体内周面で同一反射
角γ₁＝……＝γ_i＝……＝γ_oで反射される。従つ
て、探触子１の各振動子から放射される超音波ビ
ームUBは被検体内外周面での入・反射効率が一
定に保たれることになる。また、第４図に示され
るように探触子１の振動子a_oから放射される超音
波ビームUBの被検体Ｐ内での１スキツプのちの
第２スキツプ開始点が、前記探触子１の振動子a_i
の超音波ビーム入射点と一致するように探触子１
内の振動子を配列させることにより、各振動子か
ら放射する超音波ビームの被検体内・外周面での
減衰率を低くすることができるため、探触子１を
移動させることなく、被検体Ｐに超音波ビーム入
射角θ、内周面反射角γで、超音波ビームを入射
させることができる。欠陥Ｔからの反射超音波ビ
ームに対しても遅延時間制御器４にて、前記と同
一のインボリユート曲線上への入射になるよう
に、探触子１の各振動子に受信時間タイミングの
制御を施して受信することにより、欠陥検出が可
能となる。このようにして探傷した場合、探触子
から欠陥までの距離とそのときのエコー高さの関
係は第５図のようになり探傷距離による超音波ビ
ームの減衰は低く押さえられる。

また、第２図に示したエボリユート曲線の半
径ａを変化させることにより、インボリユート曲
線が変化する。従つて、図示しない設定手段に
よりエボリユート曲線の径ａを所望の値に設定し
てインボリユート曲線を変化させ、この変化した
インボリユート曲線上から超音波ビームが放射
されるように、前記探触子１の各振動子に遅延時
間制御器４で、発振時間タイミングを制御するこ
とにより、所定のインボリユート曲線上における
法線方向への超音波ビーム放射になり、任意方向
への超音波ビームの送信が行えるようになる。こ
こで被検体への入射角は前記の入射角と異なるた
め、インボリユート曲線を変化させることによ
り、被検体Ｐへの超音波ビーム入射角を任意に選
択することができ、それに伴なつて、探触子１を
移動させることなく、欠陥Ｔに対して最適な入射
角で探触可能となり、欠陥Ｔからの反射被を、励
振振動子群で受信し、その出力を被検体Ｐへの超
音波ビーム入射時の遅延時間制御と同一の遅延時
間制御にて超音波受信器群３で受信することによ
り、被検体全体の探傷が可能となる。即ち、欠陥
Ｔからの反射波を、励振振動子群で検出し、その
検出出力を上記送信時の遅延時間制御と同一の遅
延時間制御となるように遅延時間制御器４により
超音波受信器群３を制御して受信し、遅延加算器
５で時間軸がそろうよう遅延加算して受信出力と
し、これをもとにＡスコープ、Ｂスコープ表示す
れば被検体全体の探傷が行える。

さて、第６図において探触子寸法２Ａを有する
探触子１の該２Ａと、前記探触子から超音波ビー
ムが被検体へ入射されたときの入射点の寸法
A₁A_oとが等しくなるようにし、しかも探触子寸
法が探触子１の一端の振動子a_oから入射される超
音波ビームの被検体内での１スキツプ以上の大き
さを有するためには、次のような関係が生ずる。

２ＡA₁A⌒_o≧Ａ_１Ｃ⌒＝πR／90｛sin^-1（Ｒ／Ｒ−
ｔ sinθ）−θ｝ …(2) ここで、Ｒは被検体の外半径、ｔは肉厚、θは
超音波ビームの被検体Ｐへの入射角である。

従つて、探触子寸方は(2)式によつて定まるもの
であり、被検体Ｐへの入射角は｜θ｜≦sin^-1
（Ｒ−ｔ／Ｒ）を満足する角度の範囲を探傷できる。

ここで被検体の入射角θはエボリユート曲線の半
径ａと被検体外半径Ｒによつて次のように定まる
ものである。

θ＝sin^-1（ａ／Ｒ） …(3) 次に、遅延時間の与え方の一方法について第７
図を用いて説明する。図において、振動子a_oの位
置から放射された超音波ビームUBがA_po→A_o→
B_o→C_o→B_iの経路を通り、振動子a_iの位置から放
射された超音波ビームがA_pi→C_o→B_iの経路を辿
るとし、各経路を通過する時間およびビーム路程
を次のようにする。A_po→A_o：t_o，l_o；A_o→B_o→
C_o：t_o′，l_o′；A_pi→C_o：t_i，l_i さらに、超音波ビームの欠陥入射角θを決め、
かつ、振動子a_oからの超音波ビームが被検体内で
１スキツプしたときと、振動子a_iからの超音波ビ
ームが被検体Ｐへ入射するときの位相を一致させ
るようにするには、振動子a_o，a_iに与える遅延時
間をt_po，t_ipとして、次の式が成立する。

t_i＋t_ip＝t_o＋t_op＋t_o′ ∴t_ip−t_op＝t_o＋t_o′−t_i …(4) 従つて、(4)式のように各振動子間の振動子を励
振させる時間差が求まる。さらに、被検体Ｐおよ
びシユー１ａでの超音波速度をv_s，v_aとすると、 l_o＝t_ov_a，l_i＝t_iv_a＋l_o′＝t_o′v_s となり、(4)式は次のようになる。

t_ip−t_op＝１／v_a（l_o−l_i）＋l_o′／v_s ∴l_o−l_i＝v_a｛t_ip−t_op）−l_o′／v_s｝ …(5) よつて、各振動子において、振動子を励振させ
る時間タイミングをインボリユート曲線上から
の超音波ビームの放射になるようにするには、(5)
式を満たすようにシユー１ａの大きさ、形状を与
える必要がある。

このようにして探触子１内の各振動子から超音
波ビームを放射することにより被検体入射点で、
超音波ビームの位相が重なりあう箇所が多くな
り、超音波減衰をかなり低くおさえることができ
る。

このようにして前記、超音波ビーム送受波方向
を探触子１上における超音波ビーム発信位置等を
遅延時間制御装置により随時選択して、被検体Ｐ
に該送信位置、送波方向で超音波ビームを入射し
たのち、欠陥Ｔからの反射波を受信し、検波増幅
器６で検波増幅してブラウン管７にＡスコープ表
示させる。さらに、探傷時に被検体Ｐ内の超音波
波長、形状、被検体内外周面への入反射角、探触
子１の周波数、寸法等を信号処理器８に入力し演
算させ欠陥位置を求めて第８図に示すように被検
体Ｐの輪郭線と探触子１の位置を示すマーカＭ
１，Ｍ２とともに欠陥Ｔ位置を画像表示器９にＢ
スコープ表示させることも可能である。

これによつて、Ａスコープ、Ｂスコープ表示内
容から欠陥Ｔの位置を高精度且つ容易に知ること
ができるようになる。

このようにパイプ状の被検体探傷時には、本発
明の超音波探傷装置を用いると、エボリユート曲
線の径を可変して、このエボリユート曲線に基づ
くインボリユート曲線を得、このインボリユート
曲線上からの超音波ビーム送受となるように制御
することによつて任意の超音波ビーム送受波方向
で探傷可能となるとともに、肉厚の異なるものに
対しても、即時適用可能となり、欠陥検出性能が
大幅に向上する。

さらに、第９図に示すように、水９１を満たし
た水槽９２に被検体Ｐとシユーのない探触子１を
入れ、水を超音波伝搬媒体として利用する水浸法
を用いた場合においても、探触子１の各振動子に
前記同様の遅延時間制御を施して、超音波ビーム
が水から被検体への入射時に、インボリユート曲
線上からの入射になるようにして被検体を探傷す
れば、欠陥の画像表示や寸法推定も可能となる。

また、第１図の実施例では探触子１にシユー１
ａを設けて、このシユー１ａを介して探触子１と
被検体Ｐ表面とを接触させることによりシユーを
交換するだけ被検体Ｐの径の変化に対応できるよ
うにした例を示したが被検体の径が一定であると
きには振動子面を被検体表面に密着できるように
この径に合わせた曲率で振動子群を円弧状に配設
した探触子を用いるようにすることもできる。こ
の場合、シユーが不要となるので、シユーでの超
音波ビームの屈折等を考慮しないで済むようにな
る。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明は被検体としてパイ
プ等の円筒体を超音波探傷する超音波探傷装置と
して、この被検体に対する超音波送受用の複数の
超音波振動子を並設して成るアレイ型の探触子
と、これら各超音波振動子の超音波送受を制御
し、これら超音波振動子からの被検体に対する超
音波ビームの送受方向が所望のインボリユート曲
線の法線方向となるように制御する電子走査制御
手段と、これにより得られた超音波ビームの受信
信号を表示する表示手段とより構成し、探触子の
各振動子に遅延時間制御を施してインボリユート
曲線の法線方向の超音波ビーム送受方向となるよ
う電子走査することにより、探触子のどの振動子
からの超音波ビームも被検体に対する入射角は皆
等しくなり、これによつて超音波ビームは被検体
内周面で皆同一反射角で反射されることになり、
従つて、探触子から送信される超音波ビームは被
検体内外周面での入・反射効率が一定に保たれる
ことになるから、探傷感度が均一化する他、エボ
リユート曲線の径を変えてインボリユート曲線を
変化させれば超音波ビームの送受波方向を任意に
可変できるので、探触子を定位置に固定したま
ま、超音波ビームの送受波方向を可変することに
よつて欠陥に対して最適な入射角で超音波探傷す
ることができるから、高精度で能率的にパイプ等
の欠陥を探傷することができる等、優れた特徴を
有する超音波探傷装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、
第２図は本発明の原理的な説明をするための図、
第３図、第４図は本発明装置における被検体に対
する各振動子位置からの超音波ビームの入射角と
反射角の関係を説明するための図、第５図は探触
子から欠陥までの距離と検出されるエコー高さの
関係を示す図、第６図は本発明装置における探触
子寸法の関係を説明するための図、第７図は本発
明装置における遅延時間の与え方を説明するため
の図、第８図はＢスコープ表示例を示す図、第９
図は本発明を水浸法に適用した場合を示す図であ
る。 １……探触子、１ａ……シユー、２……超音波
発信器群、３……超音波受信器群、４……遅延時
間制御器、５……遅延加算器、６……検波増幅
器、７……ブラウン管、８……信号処理器、９…
…画像表示器、Ｐ……被検体、a₁〜a_o……超音波
振動子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円筒状の被検体を超音波探傷する超音波探傷
   装置として、この被検体に対する超音波送受用の
   複数の超音波振動子を並設して成るアレイ型の探
   触子と、この探触子の各超音波振動子の超音波送
   受を制御し、これら超音波振動子からの前記被検
   体に対する超音波ビーム送受方向が所望のインボ
   リユート曲線の法線方向となるよう制御する電子
   走査制御手段と、これより得られた超音波ビーム
   の受信信号を表示する表示手段とより構成したこ
   とを特徴とする超音波探傷装置。