JPH0754318B2

JPH0754318B2 - 板波探傷装置

Info

Publication number: JPH0754318B2
Application number: JP61064884A
Authority: JP
Inventors: 彰郎実森; 井上　　悟
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1986-03-25
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPS62222161A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、板波（薄い板状の弾性体中を伝搬する波）
を用いて薄板の欠陥を非破壊的に検査する板波探傷装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

第５図は、従来の板波探傷装置を示すブロツク図であ
る。図において、（１）は被検材、（５）は可変角探触
子、（２），（３），（４）は可変角探触子（５）を構
成する圧電素子、可動シユー、固定シユー、（６）は可
変角探触子（５）の圧電素子（２）を電気的に駆動する
ためのパルサ、（７）は圧電素子（２）が検出し、電気
に変換した信号を増幅する増幅器、（８）は増幅器
（７）の出力信号を検波する検波器、（９）は検波器
（８）で検波された信号を表示する表示器、Ｆは被検材
１内の欠陥、θｉは超音波の被検材への入射角、θｔは
屈折角である。

次に動作について説明する。可変角探触子（５）は、固
定シユー（４）、可動シユー（３）と圧電素子（２）と
から成り、圧電素子（２）は可動シユー（３）に接着さ
れていて、固定シユー（４）と音響的に結合（例えば接
触面に油を侵入）されたまゝ回転できるようになつてい
る。

パルサ（６）は、一定周期毎にパルスを発生し、圧電素
子（２）に、高電圧パルスを与え、圧電素子（２）の有
する固有周波数で振動させる。この振動は、超音波とし
て可動シユー（３）を通り固定シユー（４）に伝わつて
行く。固定シユー（４）と、被検材（１）とは、水ある
いは油の膜で音響的に結合されているので、固定シュー
（４）から、被検材（１）へ超音波が入つて行く。この
時、一般に被検材（１）は、固定シユー（４）と材質が
異るので、その境界で、超音波は屈折される。図のよう
に入射角をθi,屈折角をθｔとし、固定シユー（４）中
の音速をC₁，被検材（１）中の音速をC₂とすると、次の
関係がある。

一般に板の中を伝わる弾性波には、いろいろなモード
〔例えば縦波、横波、表面波、板波（対称Ｓモード）、
板波（斜対称Ａモード）第７図参照）があり、各々の伝
播速度および位相速度(C_p)（phase velocity、連続した
正弦波の波動が進む見かけ上の速度、縦波、横波は周波
数によつて位相速度が変化しないが、板波は変化す
る。）は板の材質、板の厚さ、超音波の周波数などによ
つて異る。そして、上記の方法であるモードの板波
（Ｗ）を発生させるには式（１）の値が、そのモードの
板波（Ｗ）の位相速度(C_p)に等しいこと、即ちとなるようにしなければならない。

そこで可変角探触子（５）の可動シユー（３）の入射角
（θ_ｉ）を調節することにより、（２）式を実現する。
そうすると、被検材（１）中に、所定のモードの板波
（Ｗ）が発生して伝播する。被検材（１）中に、欠陥
（Ｆ）があると、板波（Ｗ）は一部反射され、可変角探
触子（５）の方向へ戻つて来る。この波は発生の場合と
逆の動作により、可動シユー（３）が調節されている入
射角（θ_ｉ）に対応したモードの板波（Ｗ）が検出され
る。検出された信号は、増幅器（７）で増巾、検波器
（８）で検波された後、表示器（９）で表示される。表
示器（９）には、パルサ（６）より圧電素子（２）を駆
動する時刻と同期した信号が、時間掃引トリガ信号とし
て与えられ、第６図のように表示される。図において、
（ｔ）は駆動信号の増巾器（７）側へのもれこみ信号、
（ｆ）は欠陥（Ｆ）による反射信号である。（Ｔ）は圧
電素子（２）を駆動してから、欠陥（Ｆ）により反射信
号（ｆ）が戻つて来て、圧電素子（２）により検出され
るまでの時間、Ａは欠陥（Ｆ）で反射された信号の大き
さを示している。この表示より、所定のモードの板波
（Ｗ）を反射する欠陥（Ｆ）の有無、位置即ち時間
（Ｔ）、大きさ（Ａ）を知ることができる。欠陥（Ｆ）
の有無は、反射信号（ｆ）の有無により、欠陥（Ｆ）の
位置は、使用したモードの板波（Ｗ）の伝搬速度が予め
知れているので、その値と、時間（Ｔ）より求まる。ま
た、欠陥（Ｆ）の大きさは、それが反射信号（ｆ）の大
きさ（Ａ）と相関があるとの前提で推定できる。

ところで、板波（Ｗ）は、欠陥（Ｆ）の厚さ方向の位置
や、形状により反射特性が異り、それらの間の関係はモ
ードによつて違う。また、あるモードの板波（Ｗ）が欠
陥（Ｆ）に当ると、全エネルギーが同一モードで反射す
るのではなく反射波はいろいろなモードに分散的に変換
されている。これらのことは、日本非破壊検査協会雑誌
「非破壊検査」Vol,22.No.4.pp206〜208（井元：「板波
探傷と205小委員会」）、同誌pp214〜220（尾上：「板
波探傷の展望」）に詳しく述べられている。

上記のことを考慮すると特定のモードの板波（Ｗ）だけ
では正確に、欠陥の有無の判定、欠陥（Ｆ）の大きさ
（Ａ）及び厚さ方向の位置の評価などを行なうことはで
きない。

また、上記の説明では、被検材（１）での板波（Ｗ）の
位相速度(C_p)が知れた上で、式（２）を満足するように
屈折角（θ_ｔ）を調節するように述べたが、実際には、
被検材（１）中での位相速度(C_p)は正確にわからないの
で、被検材（１）の端部からのエコーを観測しながら、
その大きさが最大となるように屈折角（θ_ｔ）を調節す
ることになり、多くの手間を要する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の板波探傷装置は、以上のように構成されているの
で、一つのモードでの欠陥からのエコーしか知ることが
できず、正確な評価ができないという問題があつた。ま
た、この問題解決のために、いくつかのモードで、逐次
データをとることも考えられるが、モード変更時の調節
が、大変わずらわしく、実用性に欠けるという問題があ
つた。又屈折角を調節する方法においても、一つのモー
ドから他のモードに変換される様子を観測することはで
きなかつた。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、いろいろなモードの板波を順次発生、検出
でき、それら各モードでの欠陥の反射エコーの位置、強
さを測定すると共に、それらを統合化して視覚的に知る
ことができ、欠陥を正しく評価できる板波探傷装置を得
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に掛かる板波探傷装置は、板波の発生検出の条
件を順次変更して行き、その条件を一軸に、検出した信
号の時間的位置を、別の一軸に、つまり２次元座標系
に、検出した信号の強さを輝度まては色に対応させて表
示するようにしたもの、換言すればパルス信号を発生す
るパルサと、前記パルサのパルス信号により超音波を発
して被検材内に導入すると共に被検材内の欠陥によって
反射された反射波を検出する可変角探触子と、検出され
た反射波信号を画像表示する表示器とを備えた板波探傷
装置において、前記可変角探触子と前記パルサとを制御して、一定の期
間毎に超音波の周波数と被検材に対する超音波の入射角
度とを変化させ複数の異なるモードの板波を発生させる
と共に、前記期間毎の角度情報を前記表示器に表示単位
として出力する角度・周波数制御装置と、前記パルサがパルス信号を発生するタイミングに合わせ
て掃引し、前記表示器に表示単位として出力する時間掃
引回路と、を備え、複数の異なるモードの反射波信号を波形表示して欠陥の
評価を行うものである。

〔作用〕

この発明においては、角度・周波数制御装置とパルサか
らの入力によつて動作する可変角探触子を被検材の表面
に接触させ超音波を入射すれば板波を生じ、この板波は
被検材の中を移動する。もし被検材の中に欠陥があれば
この板波の一部は反射され再び可変角探触子にもどつて
来る。この板波の反射波はこの探触子によつて検出され
増巾器、検波器を介して輝度信号又は色信号として表示
器に送られる。一方表示器には角度・周波数制御装置よ
り入射角度（θ_ｔ）の信号が、又パルサより時間掃引信
号発生回路を介して時間（ｔ）の信号が入力され、この
３つの信号が表示器（ブラウン管）の上に例えばスポツ
トライトの輝度又は色とｔ−θ_ｔ座標（直交座標）とし
て表示される。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すブロツク図である。
図において、（１）は被検材、（５）は被検材（１）の
表面に設置した可変角探触子、（10）はこの可変角探触
子（５）の入射角θ_ｉを順次変更すると共に後述する他
のものをも制御する角度・周波数制御装置で、可変角探
触子（５）と角度・周波数制御装置（10）とは板波発生
・検出の条件を順次変更する手段、即ち計測条件設定装
置（15）である。（６）は角度・周波数制御装置（10）
よりの指令により、可変角探触子（５）より板波（Ｗ）
を発生すべく駆動するパルサ、（７）は可変角探触子
（５）が検出した欠陥（Ｆ）の反射信号（ｆ）を増幅す
る増幅器、（８）は増幅器（７）の出力信号を検波する
検波器、（11）はパルサ（６）が可変角探触子（５）を
駆動するタイミングに合せてのこぎり波を発生する時間
掃引信号発生回路、（9a）は角度・周波数制御装置（1
0）より出力される入射角θ_ｉに対応した電圧により第
１軸（横軸）の座標が決められ時間掃引信号発生回路
（11）の出力信号により第２軸（縦軸）の座標が決めら
れ、その点に、検波器（８）の出力信号で輝度変調表示
する表示器である。

第２図は上記表示器（9a）のパターンの一例を示す表示
例図である。図において、横軸は可変角探触子（５）か
ら被検材（１）へ超音波が入る時の被検材（１）側での
屈折角θ_ｔ（第５図参照）で、０°から90°の範囲をも
つている。

先ず、角度・周波数制御装置（10）により、可変角探触
子（５）が制御され、θ_ｔ＝０と設定される。次に、角
度・周波数制御装置（10）は、パルサ（６）に指令を出
し、それによりパルスが発生し、可変角探触子（５）よ
り、被検材（１）中に板波（Ｗ）を発生させる。一方、
パルサ（６）からそのパルス発生と共に時間掃引信号発
生回路（11）に、トリガ信号が与えられ、時間掃引信号
発生回路（11）から時間に比例した電圧の信号が発生さ
れ、表示器（9a）に与えられ、表示器（9a）上で、輝点
が縦軸にそつて図中のＡのように移動する。その輝点の
輝度は、発生された板波（Ｗ）が被検材（１）中を伝搬
し、欠陥（Ｆ）により反射され、可変角探触子（５）で
検出され、増幅器（７）により増幅され、検波器（８）
で検波された信号により変調がかけられる。従つて、欠
陥（Ｆ）からのエコーが大きければ明るく、エコーが小
さければ暗く表示される。

この時間掃引が終ると、角度・周波数制御装置（10）は
θ_ｔを１°に設定し、同様の動作を行なう。θ_ｔ＝１°
での時間掃引が終ると、θ_ｔて変更されまた、同じ動作
がくりかえされる。この動作は、順次θ_ｔ＝90°になる
までくりかえされた後、θ_ｔ＝０の状態に戻り、上記動
作がくりかえされる。その結果、例えば被検材（１）が
板厚2.3mmの鉄板（spcc）で、上下に貫通した穴状欠陥
がある場合、第２図のfs₂，fs₁，fA₁のような像が得ら
れる。これらは各々S₂モード，S₁モード，A₁モードの板
波（Ｗ）を欠陥（Ｆ）に当てたときの反射エコーのうち
同じ欠陥（Ｆ）の像である。各モードは、各々、約25
°,35°,50°で、発生、検出条件が整うが、現実には図
のように点ではなく、その前後に広がる。

この表示結果より、各モードの板波（Ｗ）が、同一欠陥
（Ｆ）に対して、どのように反射されるかを知ることが
できる。

第３図はこの発明に係る表示器（9a）の他の欠陥（Ｆ）
を示す表示例図である。図において、fs₂，fs₁，fA₁は
第２図の場合と同様の板波（Ｗ）のモードによる像であ
るがこの図は、欠陥が上下貫通していない例の一つでfs
₂の像がうすい。欠陥（Ｆ）の厚さ方向の位置によつてf
s₂が出にくかつたり、fA₁がでにくかつたり変化するこ
とを示している。従つて、欠陥に対応させてこれらの像
を得ておけば、像を見ることにより、欠陥の類別が可能
である。

第４図はこの発明の他の実施例を示すブロツク図であ
る。図において、（１），（5a）〜（15）及び（Ｗ），
（Ｆ），（ｆ）は第１図の例と同一又は相当部分を示し
ているが、可変角探触子（5a）と検出用可変角探触子
（5b）とに分離し、発生は一つのモードを選択し、検出
は順次屈折角（θ_ｔ）を変更（第５図参照）して行くよ
うにした。この様にすると欠陥（Ｆ）の形状とモード変
換とに関する情報が得られ、欠陥（Ｆ）の類別、評価が
更に正確になる。

また、上記実施例では、機械式の可変角探触子（5a），
（5b）で板波発生、板波検出の条件を変更するように説
明したが、微小超音波エレメントを並べたアレイ型探触
子を用いても良い。

このようにすると、条件の高速変更、一つの探触子によ
り発生、検出の条件を独立に変更できるなど優れた点が
あり、本発明の効果をより大きくできる。

また、座標系を直交座標系で示したが、別の座標系にし
ても、何ら、本発明の効果のさまたげにならない。例え
ば、極座標系にして、角度方向を、前述のθ_ｔ、あるい
は、θ_ｉにすることにより、可変角探触子（５）との物
理的対応がつきやすくなる。

さらに、上記では板波の発生、検出条件の変数としてθ
_ｔを用いたが、位相速度(C_p)を用いても良く、また、ア
レイ型探触子（５）を用いる場合には、エレメント間の
位相差（あるいは時間差）を用いても良い。

また、上記実施例では、エコーの大きさ即ち反射波
（ｆ）で、表示の輝度を変調する例を示したが、エコー
の大きさに対応した色で表示させても良い。

さらにまた、上記実施例では、座標軸の一つを時間的に
掃引するように示したが、各モード毎に群速度（実際の
板波伝搬速度）と、時間とから距離を求め、これによつ
て掃引しても良い。

また、上記実施例では、板波の発生条件を角度１°毎に
変化させているが、何度でも良く、また、一定間隔に限
らず選択的に決定しても良いことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、板波の発生検出ある
いは検出の条件を順次変更し、欠陥からのエコーを得、
検出の条件（θ_ｔ）と、エコー検出時間（ｔ）とで構成
される二次元座標系に、エコーの大きさを輝度あるいは
色で表わすようにしたので、欠陥の類別もでき、正確な
探傷が可能なものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による板波探傷装置を示す
ブロツク図、第２図はこの発明による表示例図、第３図
はこの発明による他の表示例図、第４図はこの発明の他
の実施例を示すブロツク図、第５図は、従来の板波探傷
装置を示すブロツク図、第６図は、従来のものによる表
示例図、第７図（ａ）〜（ｅ）は広義の板波のモードを
示す説明図である。図において、（１）は被検材、（５）は可変角探触子、
（６）はパルサ、（７）は増幅器、（８）は検波器、
（9a），（9b）は表示器、（10）は角度・周波数制御装
置、（11）は時間掃引信号発生回路、（15）は計測条件
設定装置である。なお各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス信号を発生するパルサと、前記パルサのパルス信号により超音波を発して被検材内
に導入すると共に、被検材内の欠陥によって反射された
反射波を検出する可変角探触子と、検出された反射波信号を画像表示する表示器とを備えた
板波探傷装置において、前記可変角探触子と前記パルサとを制御して、一定の期
間毎に超音波の周波数と被検材に対する超音波の入射角
度とを変化させ複数の異なるモードの板波を発生させる
と共に、前記期間毎の角度情報を前記表示器に表示単位
として出力する角度・周波数制御装置と、前記パルサがパルス信号を発生するタイミングに合わせ
て掃引し、前記表示器に表示単位として出力する時間掃
引回路と、を備え、複数の異なるモードの反射波信号を波形表示して欠陥の
評価を行うことを特徴とする板波探傷装置。
【請求項２】上記可変角探触子は、超音波の発生及び検
出を併用しているかまたは各々独立した構成であること
を特徴とする特許請求の範囲第一項に記載の板波探傷装
置。
【請求項３】上記表示器は直交座標または極座標によっ
て欠陥の位置と大きさを表示することを特徴とする特許
請求の範囲第一項に記載の板波探傷装置。
【請求項４】上記可変角探触子は、機械式可変角探触子
またはアレイ型探触子であることを特徴とする特許請求
の範囲第一項に記載の板波探傷装置。