JPH0735734A

JPH0735734A - 超音波測定方法

Info

Publication number: JPH0735734A
Application number: JP5182385A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Hyodo; 繁俊兵藤; Izumi Sato; 泉佐藤; Koji Saito; 興二斉藤
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Tokimec Inc
Current assignee: Nippon Steel Corp; Tokimec Inc
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波を用いて被検材の結晶粒度番号を測定す
る超音波測定方法に関し、送信信号の周波数を切り換え
て得た各周波数毎の多重エコー信号のうち、振幅と振幅
比が所定範囲の多重エコー信号を選択して結晶粒度番号
を測定することにより、従来より広い範囲にわたって正
確に結晶粒度番号を測定する方法を実現する。【構成】被検材の表面に対して探触子から垂直に超音波
を入射し、該被検材からの反射エコーを該探触子が受信
して得られた多重反射エコー信号から減衰定数を算出
し、該減衰定数に基づいて、該被検材の結晶粒度番号を
測定する超音波測定方法が開示される。この方法は、前
記探触子の超音波振動子を励振する送信信号の周波数を
順次変化させ、各周波数送信時の前記多重反射エコー信
号のうち、振幅と振幅比がそれぞれ所定範囲のときの周
波数送信時の多重反射エコー信号を選択し、該選択した
多重反射エコー信号から減衰定数を算出して、前記結晶
粒度番号を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波測定方法に係
り、特に、金属材料の結晶粒度番号を金属材料に入射し
た超音波の減衰から測定する超音波測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料の物理的な性質の一つとして、
結晶粒度番号が知られている。この結晶粒度番号は、日
本工業規格（ＪＩＳ）Ｇ０５５１に規定された番号で、
値が小さいほどオーステナイト結晶粒の平均断面積が大
であることを示す。従来、この結晶粒度番号を測定する
方法としては、正式には、上記のＧ０５５１で定められ
た方法で行われる。また、簡易的な測定方法として、図
６に示す如く、測定器１に同軸ケーブル２を介して接続
された探触子３から、超音波を金属材料である被検材２
０に入射し、その反射エコーの減衰から結晶粒度番号を
推定する超音波測定方法が知られている。

【０００３】すなわち、この従来の超音波測定方法は、
予め上記の正式な方法で結晶粒度番号が測定された、結
晶粒度番号が既知の材質で、かつ、寸法が同一の試験片
を、互いに異なる結晶粒度番号のそれぞれについて、全
部で複数用意する。そのうち一つの試験片を被検材２０
として、超音波を探触子３から垂直に入射させる。そし
て、試験片の底面２０ａから反射された超音波を、探触
子３で受信し、さらに、測定器１の表示画面に、図７に
示す多重反射エコーを表示する。なお、図７中、Ｔは、
送信波による信号部分である（後述の図５も同様）。

【０００４】そして、この多重反射エコーのうち、例え
ば、上記表示画面に表示されている第１回反射エコーの
振幅Ｂ１と第２回反射エコーの振幅Ｂ２とから減衰定数
を次式に基づいて算出する。

【０００５】

【数１】｛２０ｌｏｇ（Ｂ２／Ｂ１）｝÷（２×厚み）なお、上記の「厚み」は、試験片または被検材２０の厚
み、すなわち超音波伝搬経路の半分の長さである。

【０００６】同様にして、他の結晶粒度番号の異なる試
験片のそれぞれについても、減衰定数を算出することに
より、図８に示す如き結晶粒度番号と減衰定数との関係
を示す特性図を得る。

【０００７】しかる後に、上記と同じ測定器１を用い、
かつ、同じ方法で、今度は、結晶粒度番号が未知の被検
材２０について減衰定数を求め、その減衰定数から、図
８に示した特性図を参照して結晶粒度番号を推定する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
の超音波測定方法では、単一の受信周波数により、上記
の多重エコー信号を受信して上記の減衰定数を算出して
いるが、結晶粒度番号の小さな高減衰材料ほど、多重反
射エコーの減衰が大きく、前記Ｂ１とＢ２の振幅比の算
出に誤差が生じ、正確な測定が困難である。

【０００９】この場合、受信周波数を切り換えて測定す
ることも考えられる。しかし、従来は、簡単な回路で大
振幅が得られ、また、分解能（相隣る二つの反射エコー
を分離して測定器１の画面に表示する能力）を高めるこ
とができるなどの理由から、測定器１により大振幅（例
えば２００Ｖ〜数百Ｖ）の図９に示すようなインパルス
を生成して、これにより探触子３を励振している。とこ
ろが、この方法は、インパルスの周波数スペクトラムが
広帯域であるために、正確な結晶粒度番号の測定ができ
ない。

【００１０】すなわち、被検材中の超音波は、伝搬と共
に、その周波数成分のうち高周波数成分の減衰が相対的
に大きく、特に、高減衰材料ではその傾向が顕著となる
ため、同じ厚みの被検材でも高減衰材料ほど高周波数成
分の減衰が大で、また、上記のインパルスでは、周波数
スペクトラムが広いために、高周波数成分の減衰が大き
い。以上より、受信反射エコーの波形が変化し、受信周
波数を切り換えたとしても、正確な結晶粒度番号の測定
ができない。また、上記のインパルスでは、測定者が被
検材に適した周波数を選択することができない。

【００１１】本発明の目的は、広範囲にわたって正確に
結晶粒度番号を測定することができる超音波測定方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波測定方法
は、上記の目的を達成するため、被検材の表面に対して
垂直に超音波を入射する探触子の超音波振動子を励振す
る送信信号の周波数を順次変化させ、各周波数送信時の
多重反射エコー信号のうち、振幅と振幅比がそれぞれ所
定範囲のときの周波数送信時の多重反射エコー信号を選
択し、選択した多重反射エコー信号から減衰定数を算出
して、前記結晶粒度番号を測定するようにしたものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明では、周波数が異なる複数の送信信号の
それぞれについて、多重反射エコー信号を得、そのう
ち、振幅と振幅比がそれぞれ上記の所定範囲内である多
重反射エコー信号を選択して、減衰定数を算出するよう
にしているため、被検材の材質によらず、常に、多重反
射エコー信号の振幅比の測定精度を確保できる。よっ
て、この振幅比に基づいて算出する減衰定数も、高減衰
材料の被検材について正確に得ることができる。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の一実施例について図面と共に
説明する。

【００１５】図１は本発明方法が適用される超音波測定
装置の一実施例のブロック図を示す。同図中、超音波測
定装置は、同軸ケーブル２の一端に探触子３が接続さ
れ、他端に測定器１０が接続された構成である。探触子
３は、内部の超音波振動子が測定器１０からの送信信号
で励振されると、超音波を発生して、被検材４に超音波
をその表面に対して垂直に入射し、また、被検材４から
の超音波エコーを受信することができる構成とされてい
る。

【００１６】この探触子３は、機械的共振特性のＱの低
い超音波振動子を用いるか、超音波振動子を、その背面
に機械的負荷をかけて機械的共振特性のＱを低くして用
いることにより、振動子の機械的共振周波数を含む相対
的に広い送受信周波数特性を持つようにした広周波数帯
域探触子である。この広周波数帯域探触子３を、測定器
１０からの送信信号で励振すると、放射される超音波の
周波数は、励振送信信号の周波数で規制される。なお、
探触子３と被検材４との間には、超音波を伝搬させる媒
質（通常は水）とその媒質による超音波の伝搬経路を作
る機構部とが必要であるが、その図示は省略した。

【００１７】次に、パルス式の測定器１０の構成につい
て説明する。同期信号発振器１１は、超音波測定器１の
各部の動作を起動する、一定周期の同期信号を発振出力
する。送信発振器１２は、同期信号発振器１１からの同
期信号を入力信号として受け、同期信号が入力された時
点から、測定しようとする鋼管４の材質などに応じて、
あらかじめ定めた順序に従って周波数が変化するように
した、送信信号を発振する回路で、送信信号の周波数を
設定する周波数設定器などを含む。

【００１８】ここでは、上記の送信信号は、例えば、図
２に示す如く、周期がｔの正弦波が、バースト周期ＢＴ
毎に所定波数ずつ間欠的に出力される信号、すなわち、
バーストサイン波である。この周期ｔの逆数が、上記の
あらかじめ定めた順序に従って変化される周波数であ
る。この周波数は、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲内で、
段階的に１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、…のように、一定の周波
数ピッチで変化させ、特定の周波数の出力時に測定値を
得るようにしている。

【００１９】このバーストサイン波は、図３に示すよう
に、中心周波数ｆ₀で帯域幅ｆ_wの狭帯域信号の周波数ス
ペクトラムを示し、中心周波数ｆ₀は、周期ｔの逆数で
あり、帯域幅ｆ_wは、主としてｆ₀と波数により定まる。
波数が多くなるほどｆ_wが狭くなる。

【００２０】この送信信号（バーストサイン波）は、送
信器１３に供給され、ここで、大振幅信号に電力増幅さ
れた後、同軸ケーブル２を介して探触子３に印加され、
探触子３内の超音波振動子を励振して超音波を発生さ
せ、その超音波を被検材４の表面に対して垂直に入射す
る。なお、同軸ケーブル２との整合をとる回路も、送信
器１３に含まれる。

【００２１】探触子３は、被検材４の底面４ａからの多
重反射エコーを受信し、電気信号に変換する。この電気
信号、すなわち、多重反射エコー信号は、受信器１４に
入力されて増幅される。ここでは、受信器１４は、送信
周波数の選択に対応できるように、広帯域の受信周波数
特性を有する。検波器１５は、受信器１４からの受信選
択多重反射エコー信号を包絡線検波する。増幅器１６
は、この包絡線検波信号を増幅し、増幅信号を出力す
る。掃引波発生器１７は、前記同期信号に同期して、増
幅器１６からの増幅信号がＣＲＴ表示器１８で表示され
るような、掃引波を発生する。ＣＲＴ表示器１８は、増
幅信号を表示する陰極線管（ＣＲＴ）、増幅信号を表示
に必要な振幅および直流電位に増幅する水平偏向回路、
輝度および焦点調整回路などから構成される。

【００２２】次に、本実施例の動作について説明する。
まず、予め既知で、かつ、互いに異なる結晶粒度番号の
複数の試験片を用意し、その試験片それぞれについて、
送信信号であるバーストサイン波の予め定めたいくつか
の周波数により、探触子３内の超音波振動子を励振して
超音波を発生させ、その超音波を垂直に入射する。これ
により、前記したように探触子３から放射される超音波
の周波数が、励振送信信号の周波数で規制されるので、
試験片の底面で反射された多重エコーは、送信信号の周
波数に応じて減衰量が異なることとなる。

【００２３】このようにして得られた多重反射エコー信
号から従来と同様に、上記ＣＲＴ表示器１８の表示画面
に表示されている第１回反射エコーの振幅Ｂ１と、第２
回反射エコーの振幅Ｂ２とから減衰定数を次式に基づい
て算出する。

【００２４】

【数２】｛２０ｌｏｇ（Ｂ２／Ｂ１）｝÷（２×厚み）これにより、図４に示す如き、送信信号の周波数をパラ
メータとする、結晶粒度番号と減衰定数との特性図（数
値で表した表でも良い）が得られる。ここで、減衰定数
は、上記のＢ２／Ｂ１の比が１より小であるため負の値
であるが、図４の縦軸の減衰定数は、この負の値の絶対
値で、減衰定数（絶対値）が大であるほど減衰量が大き
いことを示している。また、横軸の結晶粒度番号は、右
へ行くほど値が大で、結晶粒が細かくなることを示して
いる。

【００２５】この特性図において、実線は前記送信信号
であるバーストサイン波が低周波数ｆ１のときの特性、
一点鎖線はバーストサイン波が中周波数ｆ２のときの特
性、二点鎖線はバーストサイン波が高周波数ｆ３のとき
の特性を示す。この特性図から分かるように、結晶粒度
番号が同じ試験片においては、バーストサイン波の周波
数が高くなるほど減衰定数が大である（減衰量が大であ
る）。超音波は高周波数ほどより減衰するからである。
また、バーストサイン波の周波数が同じときには、結晶
粒度番号が小さいほど、すなわち、結晶粒が粗大である
ほど減衰定数が大である。

【００２６】上記の図４の特性図を作成する予備測定が
終了すると、続いて測定しようとする、結晶粒度番号が
未知の被検材４に対して、送信器１３から探触子３へバ
ーストサイン波が周波数を予め定められた順で（例え
ば、上記の周波数ｆ１、ｆ２およびｆ３の順で）順次変
化させて出力される。これにより、被検材４の底面４ａ
からの多重反射エコーが探触子３で受信されて電気信号
に変換された後、受信器１４で増幅され、検波器１５で
包絡線検波され、増幅器１６を通してＣＲＴ表示器１８
に入力される。

【００２７】ここで、ある結晶粒度番号の被検材４に対
して超音波を垂直に入射した時に、このＣＲＴ表示器１
８の表示画面に表示される信号が、低周波数ｆ１のとき
は、超音波の減衰が小さくて、図５（Ａ）に示す如くに
なり、中周波数ｆ２のときは、ｆ１のときよりも超音波
の減衰がやや大きくて、同図（Ｂ）に示す如くになり、
さらに、周波数ｆ３のときには、超音波の減衰が大きく
て、同図（Ｃ）に示す如く、多重反射エコー信号の振幅
がｆ１、ｆ２のときよりも小さな波形となったものとな
る。

【００２８】このうち、低周波数ｆ１のときの多重反射
エコー信号は、図５（Ａ）に示すように、第１回反射エ
コー信号の振幅Ｂ１と第２回反射エコー信号の振幅Ｂ２
とが略同じであるため、減衰定数を正確に測定すること
ができない。また、高周波数ｆ３のときの多重反射エコ
ー信号は、同図（Ｃ）に示すように、第２回反射エコー
信号の振幅Ｂ２が所定の範囲（例えば６０％ＣＲＴ〜９
０％ＣＲＴ）よりも低く小さ過ぎるので、受信器１４の
入力の振幅とＣＲＴ表示器１８に表示される波形の振幅
との間の直線性が悪く、振幅Ｂ２の測定精度が悪く、ま
た、振幅Ｂ２のわずかな読取り誤差がＢ１／Ｂ２比の計
算値に大きな誤差をもたらすため、減衰定数の測定に不
適当である。

【００２９】これに対し、中周波数ｆ２のときの多重反
射エコー信号は、同図（Ｂ）に示すように、第１回反射
エコー信号の振幅Ｂ１と第２回反射エコー信号の振幅Ｂ
２がいずれも所定範囲で、また、振幅Ｂ２がＢ１の３０
％〜７０％の範囲にある波形であるために、正確に減衰
定数を算出することができると期待できる。

【００３０】従って、この場合は、中周波数ｆ２のとき
に得られた多重反射エコー信号の第１回反射エコー信号
の振幅Ｂ１と第２回反射エコー信号の振幅Ｂ２に基づい
て減衰定数を算出し、この減衰定数で、図４に一点鎖線
で示した特性を参照することで、結晶粒度番号を推定
（測定）することができる。上記の減衰定数の算出が正
確であるため、測定される結晶粒度番号も正確に得られ
る。

【００３１】被検材４の結晶粒度番号が大きな場合は、
低周波数ｆ１および中周波数ｆ２では、図５（Ａ）のよ
うな多重エコー信号が得られ、高周波数ｆ３で、図５
（Ｂ）のような多重エコー信号が得られ、また、被検材
４の結晶粒度番号が小さな高減衰材料では、低周波数ｆ
１のときに、図５（Ｂ）に示したような多重エコー信号
が得られる。以上より、低周波数ｆ１では減衰量が小さ
いので、結晶粒が粗大な被検材の測定に適し、高周波数
ｆ３では減衰量が大きいので、結晶粒が小さな細粒材の
測定に適し、また、中周波数ｆ２は両者の中間の結晶粒
の被検材の測定に適する。

【００３２】このように、本実施例では、送信信号の周
波数として、図５（Ｂ）に示した多重エコー信号が得ら
れる周波数を選択し、その選択周波数における多重エコ
ー信号から減衰定数を算出し、それにより、結晶粒度番
号を測定（推定）するようにしているため、従来に比べ
て広範囲の結晶粒度番号を正確に測定することができ
る。また、本実施例では、各周波数毎の受信信号の振幅
を一定値にする自動利得制御回路を不要にすることがで
きる。

【００３３】なお、本実施例では、超音波の送信と受信
とが可能な構成の探触子を用いているが、送信用と受信
用とで構成される分割型探触子を用いてもよい。そし
て、この場合には、超音波振動子を励振する送信信号の
周波数を１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲内で連続的に変化
させてもよい。

【００３４】また、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、例えば、バーストサイン波以外でも、
図３のような周波数スペクトラムを有する他の波形（鋸
歯状波など）で探触子を励振するようにしてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、被
検材の材質によらず、常に多重反射エコー信号の振幅比
の測定精度を確保することにより、この振幅比に基づい
て算出する減衰定数を高減衰材料の被検材についても正
確に得ることができるため、従来に比べて結晶粒度番号
を広範囲にわたって正確に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法が適用される超音波測定装置の一実
施例のブロック図である。

【図２】本発明方法で送信する信号波形の一例を示す波
形図である。

【図３】本発明方法で用いる送信信号の周波数スペクト
ラムの一例を示す波形図である。

【図４】本発明方法で用いる結晶粒度番号と減衰定数と
の関係を、周波数をパラメータとして示すグラフであ
る。

【図５】送信信号の周波数別に多重エコー信号の波形を
示す波形図である。

【図６】一般的な超音波測定方法を説明する説明図であ
る。

【図７】多重エコー信号の波形を示す波形図である。

【図８】結晶粒度番号と減衰定数との関係を示すグラフ
である。

【図９】従来方法における送信信号波形の一例を示す波
形図である。

【符号の説明】１、１０…測定器２…同軸ケーブル３…探触子４、２０…被検材１１…同期信号発振器１２…送信発振器１３…送信器１４…受信器１５…検波器１６…増幅器１７…掃引波発生器１８…ＣＲＴ表示器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斉藤興二東京都大田区南蒲田２丁目16番46号株式会社トキメック内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検材の表面に対して探触子から垂直に超
音波を入射し、該被検材からの反射エコーを該探触子が
受信して得られた多重反射エコー信号から減衰定数を算
出し、該減衰定数に基づいて、該被検材の結晶粒度番号
を測定する超音波測定方法において、前記探触子の超音波振動子を励振する送信信号の周波数
を順次変化させ、各周波数送信時の前記多重反射エコー
信号のうち、振幅と振幅比がそれぞれ所定範囲のときの
周波数送信時の多重反射エコー信号を選択し、該選択し
た多重反射エコー信号から減衰定数を算出して、前記結
晶粒度番号を測定することを特徴とする超音波測定方
法。