JPH09159654A - 超音波斜角探傷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アレイ探触子を用いた斜角探傷の精度を向上
させる超音波斜角探傷装置を提供すること。 【解決手段】 受信側遅延回路２７と加算器２９の間に
設けられた感度補正用増幅部２８はアレイ振動子を励振
させる各チャネル（図では７つ）毎に設けられた増幅器
Ｐ₁ 〜Ｐ₇ で構成される。増幅器Ｐ₁ 〜Ｐ₇ の増幅度
は、超音波の指向角や入射能率の差による各チャネルの
超音波の感度の差を解消するように決定される。送受信
用アレイ探触子１１の超音波は被検体１０の欠陥部に反
射して同一経路で受信され、受信側スイッチング回路２
６、受信側遅延回路２７、感度補正用増幅部２８、加算
器２９、主増幅器３０、ピーク検出器３１、Ａ／Ｄ変換
器３２を経て制御部３３の記憶部に取込まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、多数のアレイ振動
子を配列して電子走査を行なうように構成された超音波
斜角探傷装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波斜角探傷装置は、被検体の表面形
状等により被検体の真上からの超音波探傷を行なうこと
ができない場合に用いられる装置である。その概略を図
９により説明する。図９は斜角探傷を説明する図であ
り、図９の（ａ）は送受信兼用のもの、図９の（ｂ）は
送受信を別々に行なうものである。図９の（ａ）で、１
は超音波斜角探傷装置の送受信用振動子、Ｆは被検体１
０内の欠陥部を示し、又、図９の（ｂ）で、１ａは超音
波斜角探傷装置の送信用振動子、２は同じく受信用振動
子、Ｆは被検体１０内の欠陥部を示す。通常の超音波探
傷においては、振動子が被検体の探傷部位（図で欠陥部
Ｆが存在する部分）のほぼ真上に位置せしめられた状態
で探傷が行なわれる（図に破線で示されている）。しか
し、当該位置の表面に凹凸が存在する場合等、その位置
からの超音波探傷が不可能な場合には、超音波斜角探傷
装置が用いられる。即ち、送受信用振動子１、送信用振
動子１ａ、受信用振動子２は図示のように被検体１０の
表面に対して角度θだけ傾けた状態で装置に取り付けら
れる。図９の（ａ）に示すものの場合、送受信用振動子
１を励振すると送受信用振動子１から超音波ビームが放
射され、被検体１０に入って屈折した後欠陥部Ｆに達
し、そこからの反射ビームは同じ経路を通って送受信用
振動子１で受信される。又、図９の（ｂ）に示すものの
場合、送信用振動子１ａを励振すると、送信用振動子１
ａから超音波ビームが放射され、この超音波ビームは被
検体１０に入って屈折した後欠陥部Ｆに達し、そこから
の反射ビームは受信用振動子２で受信される。このよう
な超音波斜角探傷装置は、例えば特開平７−１２８３０
４号公報等に示されていて周知である。

【０００３】ところで、振動子を多数、一方向に配列し
て探触子を構成し（これら振動子をアレイ振動子、探触
子をアレイ探触子と称する）、所定数のアレイ振動子を
選択し、これらを適宜の遅延をもって励振することによ
り１つの超音波ビームと等価のビームを形成し、アレイ
振動子の選択を電子的な手段で１つずつずらしてゆくこ
とにより、被検体を超音波ビームで高速に走査する手法
は周知である。このような手法は、当然、上記超音波斜
角探傷装置にも使用することができる。このような装置
を図１０に示す。

【０００４】図１０は超音波斜角探傷装置の送受信用ア
レイ探触子の斜視図である。この図で、１１は送受信用
アレイ探触子、１２は送受信用アレイ探触子１１の各ア
レイ振動子を支持するケース、１３は被検体と接触する
接触面を示す。Ａ₁ 〜Ａ_N は一列に配列されたアレイ振
動子である。θは接触面１３とアレイ振動子の配列面と
のなす角を示す。今、例えばアレイ振動子Ａ_K が励振さ
れると、このアレイ振動子Ａ_K の面に垂直方向の超音波
ビームは、入射角α₁ で被検体に入射し、屈折角α₂ で
屈折して欠陥部Ｆに到達し、その反射ビームは、同一経
路を通って送受信用アレイ探触子１１で受信される。な
お、送信と受信が別々である装置の場合には、図示の送
受信用アレイ探触子１１と同一構成の図示しない受信用
アレイ探触子で受信される。入射角α₁ と屈折角α₂ の
関係はスネルの法則に従い、又、角度θは被検体内の探
傷部位に対して最適な角度になるように選定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記図１０に示すよう
なアレイ探触子を用いる超音波斜角探傷装置は、探傷部
位を真上又は正面から超音波探傷できない被検体に対し
て、その迅速な探傷を行なうのに極めて有効である。し
かし、この超音波斜角探傷装置を実際に用いた場合、ア
レイ探触子を用いない図９に示す超音波斜角探傷装置に
比較して、その探傷精度は必ずしも満足できるものでは
なかった。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、精度の良い探傷を行なうことができる超音
波斜角探傷装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、アレイ探触
子を用いる超音波斜角探傷装置における探傷精度の低下
が、励振される各アレイ振動子の送受信レベル（送受信
感度）に差が存在することに大きな原因があることを見
出した。そこで、本発明は、多数のアレイ振動子を配列
し、その配列方向が被検体への接触面に対して傾けられ
たアレイ探触子と、超音波ビームを送受信するために用
いられる所定数の前記アレイ振動子がそれぞれ接続され
る各遅延素子とを備えた超音波斜角探傷装置において、
前記各遅延素子に接続された各アレイ振動子により送受
信される超音波における当該接続された各遅延素子の遅
延時間に基づく指向性および偏向度合いにより生じる各
送受信レベルの差をなくすように設定された増幅度を有
する増幅器を、前記各遅延素子に接続されるラインの所
定個所に介在させることにより、精度の良い探傷を行な
うことができるようにしたものである。

【０００８】

【作用】選択されているアレイ振動子を励振させる送信
信号、又は、反射した超音波ビームを受信したアレイ振
動子から出力される受信信号は、各アレイ振動子毎に適
切な増幅度で増幅される。これにより、各アレイ振動子
のチャネルの感度が均一となり、探傷精度を向上させる
ことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る
超音波斜角探傷装置のブロック図である。この図で、１
０は被検体、１１は図１０に示すものと同一又は等価な
送受信用アレイ探触子である。なお、図１では、理解を
容易にするため送信側と受信側が分離して記載されてお
り、１つの送受信用アレイ探触子が２つに分けて描かれ
ている。２１はクロックパルス発生器、２２は送信側遅
延回路であり７つの遅延素子Ｄ₁ 〜Ｄ₇ で構成されてい
る。各遅延素子Ｄ₁ 〜Ｄ₇ のブロックの大きさは遅延時
間の長短関係のみを示し、遅延時間に比例するものでは
ない。２３は送信側スイッチング回路であり、送信用ア
レイ探触子１１における各アレイ振動子を順次１つずつ
切り換えて各遅延素子Ｄ₁ 〜Ｄ₇ に接続する。２４はア
レイ振動子毎に設けられてこれを励振させるパルス発生
器である。

【００１０】２５は送受信用アレイ探触子１１の各アレ
イ振動子で受信された超音波信号を増幅する前置増幅
器、２６は送信側スイッチング回路２３と同じく受信用
アレイ振動子を順次１つずつ切り換えてゆく受信側スイ
ッチング回路、２７は各アレイ振動子からの受信信号の
タイミングを揃える受信側遅延回路である。この受信側
遅延回路２７は送信側遅延回路２２の各遅延素子と対応
する遅延素子で構成されている。２８感度補正用増幅部
である。本実施の形態では、選択されるアレイ振動子の
数（チャネル数）は７つであるので、感度補正用増幅部
２８も７つの増幅器Ｐ₁ 〜Ｐ₇ で構成されている。この
感度補正用増幅部２８の各増幅器については後述する。
２９は感度補正用増幅部２８の各チャネルの信号を加算
する加算器、３０は加算器２９の出力信号を増幅する主
増幅器、３１は主増幅器３０で増幅された信号（振動信
号）のピーク値を検出するピーク検出器、３２はＡ／Ｄ
変換器である。３３はマイクロコンピュータを用いて構
成される制御部であり、クロックパルス発生器２１に対
する出力指令、送信側スイッチング回路２３および受信
側スイッチング回路２６の切換制御、感度補正用増幅部
２８の各増幅器の増幅度の設定、その他所要の演算、制
御を行ない、又、得られた超音波受信信号を格納する記
憶部を有する。３４は探傷結果やその他の表示を行なう
表示器である。

【００１１】上記構成の動作の概略を説明する。クロッ
クパルス発生器２１は制御部３３からの指令によりパル
スを出力し、このパルスは制御部３３により切換制御さ
れた送信側スイッチング回路２３を経て接続状態にある
パルス発生器２４を励起し、送信側スイッチング回路２
３により選択接続されている各アレイ振動子（図示の場
合、アレイ振動子Ａ₃₀〜Ａ₃₆の７つ）を励振させ、超音
波を発生させる。この超音波は被検体１０の欠陥部に反
射して送受信用アレイ探触子１１の送信に関与した各ア
レイ振動子で受信され、前置増幅器２５で増幅され、増
幅された各受信信号は、制御部３３により送信側スイッ
チング回路２３と同一態様に切換制御されている受信側
スイッチング回路２６を経て受信側遅延回路２７で各信
号のタイミングが揃えられた後、感度補正用増幅部２８
で各信号毎に増幅され、加算器２９で各信号が加算され
る。加算された信号は主増幅器３０で増幅された後、ピ
ーク検出器３１で信号の振動のピーク値を検出され、こ
のピーク値はＡ／Ｄ変換器３２によりこれに応じたディ
ジタル値に変換され、制御部３３に取り込まれ、制御部
３３内の図示しない記憶部に格納される。

【００１２】次いで、制御部３３は送信側スイッチング
回路２３と受信側スイッチング回路２６を切り換えるこ
とにより、選択するアレイ振動子を１つずらせ、即ち、
アレイ振動子Ａ₃₁〜Ａ₃₆を選択接続して上記と同じ動作
を行ない、この結果得られた超音波受信信号を記憶部に
格納する。このようにして順次格納された受信信号は、
最終的に表示器３４に表示され、欠陥部Ｆの有無等が観
察される。

【００１３】次に、感度補正用増幅部２８について以下
に説明する。さきに、アレイ探触子を用いる超音波斜角
探傷装置における探傷精度の低下は、励振される各アレ
イ振動子の送受信レベル（送受信感度）に差が存在する
ことに大きな原因があることを述べた。感度補正用増幅
部２８は上記感度の差を補正するために設けられたもの
である。ここで、上記感度の差が生じる理由を、図２〜
図５を参照して説明する。

【００１４】アレイ探触子では、所定数のアレイ振動子
を励振してそれぞれのアレイ振動子から超音波を発生さ
せる。この場合、欠陥部Ｆに対する幾何学的な位置関係
を考えると、超音波斜角探傷装置におけるアレイ探触子
では、各アレイ振動子毎に欠陥部Ｆへの超音波の路程の
角度が異なることになる。これを図２に示す。図２は送
受信用アレイ探触子の側面図である。この図で、図１０
に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号が付して
ある。１０は被検体を示す。今、アレイ振動子Ａ₃₀〜Ａ
₃₆が選択され、所定の遅延時間で励振されたとすると、
各アレイ振動子Ａ₃₀〜Ａ₃₆からは当該遅延時間に従って
超音波が放射される。この場合、欠陥部Ｆに向かう超音
波ビームの角度（指向角）はそれぞれ異なり、各アレイ
振動子Ａ₃₀〜Ａ₃₆のうちの中心のアレイ振動子Ａ₃₃の指
向角は０、両端のアレイ振動子Ａ₃₀、Ａ₃₆の指向角はそ
れぞれ異なる指向角α₃₀、α₃₆となる。このような指向
角と超音波感度（欠陥部Ｆに到達する超音波の強度のレ
ベル）との間には相関関係が存在する。これを図３に示
す。

【００１５】図３は実際の欠陥部Ｆに対する反射波を受
信した場合における指向角と超音波の相対感度の関係を
示す図であり、横軸に指向角が、又、縦軸に相対感度が
とってある。図示のように、指向角が大きいほど感度は
低下する。アレイ振動子Ａ₃₃の指向角は０であるので、
このアレイ振動子から放射される超音波の感度は最大で
あり、最も大きな指向角のアレイ振動子Ａ₃₆から放射さ
れる超音波の感度は最小となる。なお、図３は実際の欠
陥部Ｆからの反射波を受信して実際に得られた相対感度
であるので、次に述べる入射能率による影響も含めた総
合的な相対感度を示す図となっている。

【００１６】一方、斜角探傷においては、超音波が被検
体１０へ入射するときの入射角により入射能率が異な
り、この入射能率に応じて感度も異なることになる。こ
れを図４および図５に示す。図４は図２と同じ送受信用
アレイ探触子の側面図である。今、被検体１０中に１つ
の面Ｍを想定し、１つのアレイ振動子、例えばアレイ振
動子Ａ₃₃から放射される入射角α₃₃₀ 、α₃₃₁ 、α₃₃₂
の各超音波ビームを考えると、面Ｍでの超音波の感度は
図５に示すようになる。即ち、図５は入射角と超音波の
相対感度の関係を示す図であり、横軸に入射角が、又、
縦軸に相対感度がとってある。図示のように、面Ｍに対
して直角に入射する入射角α₃₃₁ の超音波ビームの感度
が最大となる。

【００１７】以上のように、各アレイ振動子からの超音
波の指向角、および被検体に想定された面との関係にお
ける超音波の入射角により、欠陥部における超音波の感
度は異なることになる。本実施の形態では、実際の欠陥
部Ｆから得られた図３に示す相対感度の特性に従って増
幅器Ｐ₁ 〜Ｐ₇ の増幅度を決定するか、又は、予め被検
体１０に対して、選択された７つのアレイ振動子を励振
させる７つのチャネルについて、各チャネルの相対感度
を測定し、この測定結果に応じて、図１に示す感度補正
用増幅部２８の７つの増幅器Ｐ₁ 〜Ｐ₇ の増幅度を決定
する。これらの増幅度Ｇ_i は、各チャネルの測定値をＫ
_i 、測定値Ｋ_i 中の最大値をＫ_max とすると、次式の演
算により決定される。 Ｇ_i ＝２０・ｌｏｇＫ_max ／Ｋ_i …………（１） このように、一旦各増幅器Ｐ₁ 〜Ｐ₇ の増幅度を設定し
ておけば、その後は当該増幅度により同一被検体の多数
を超音波探傷することになる。

【００１８】上述の方法は、遅延の態様が異なる場合で
も適用することができるのは明らかである。これを、図
６〜図８に示す。図６は図２と同じ送受信用アレイ探触
子の側面図である。図示の状態は、図２に示す場合と同
じくアレイ振動子Ａ₃₀〜Ａ₃₆が選択されている状態であ
るが、図２に示す場合とは欠陥部Ｆの位置が異なり、こ
のため、アレイ振動子Ａ₃₀の指向角は０であり、アレイ
振動子Ａ₃₁、Ａ₃₂、……Ａ₃₆の指向角は順次増加してゆ
く。アレイ振動子Ａ₃₃₆ の指向角がα₃₆₀ で示されてい
る。この場合の相対感度を図７に示す。

【００１９】図７は指向角と超音波の相対感度の関係を
示す図であり、横軸に指向角が、又、縦軸に相対感度が
とってある。図示のように、指向角０のアレイ振動子Ａ
₃₀の感度が最大であり、最大指向角α₃₆₀ のアレイ振動
子Ａ₃₆の感度が最小となっている。

【００２０】図８は図６に示す探傷方法を用いた場合に
図１に示す送信側遅延回路２２に代えて用いられる送信
側遅延回路の構成を示す図である。２２０は送信側遅延
回路であり、７つの遅延素子Ｄ₁₀〜Ｄ₇₀で構成されてい
る。図１に示す場合と同様、各遅延素子Ｄ₁₀〜Ｄ₇₀のブ
ロックの大きさは遅延時間の長短関係を示す。この場
合、図１に示す感度補正用増幅部２８の７つの増幅器Ｐ
₁ 〜Ｐ₇ の増幅度は、遅延素子Ｄ₁₀に対応する増幅器Ｐ
₁ の増幅度が最小、遅延素子Ｄ₇₀に対応する増幅器Ｐ₇
の増幅度が最大に設定されるのは明らかである。

【００２１】このように、本実施の形態では、超音波の
指向角や入射能率の差による各チャネルの超音波の感度
の差を、送信側遅延回路の前段に設けた感度補正用増幅
部により補正するようにしたので、精度の良い探傷を行
なうことができる。

【００２２】なお、上記実施の形態の説明では、感度補
正用増幅部を受信側遅延回路と加算器２９との間に挿入
する例について説明したが、感度補正用増幅部は、受信
側スイッチング回路２６と受信側遅延回路２７との間に
挿入してもよいし、又、送信側遅延回路２２の前段又は
後段に設けてもよい。さらに、上記実施の形態の説明で
は、送信と受信を１つの送受信用アレイ探触子で行なう
例について説明したが、送信用アレイ探触子と受信用ア
レイ探触子を用いる超音波斜角探傷装置にも適用できる
のは明らかである。この場合、図１に示す送信側に描か
れている送受信用アレイ探触子１１が送信用アレイ探触
子となり、受信側に描かれている送受信用アレイ探触子
１１が受信用アレイ探触子となる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、アレイ
探触子を用いた場合の各チャネルの感度の差を、感度補
正用増幅部で除去するようにしたので、精度の良い探傷
を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る超音波斜角探傷装置
のブロック図である。

【図２】送受信用アレイ探触子の側面図である。

【図３】指向角と超音波の相対感度の関係を示す図であ
る。

【図４】送受信用アレイ探触子の側面図である。

【図５】入射角と超音波の相対感度の関係を示す図であ
る。

【図６】送受信用アレイ探触子の側面図である。

【図７】指向角と超音波の相対感度の関係を示す図であ
る。

【図８】送信側遅延回路の他の構成を示す図である。

【図９】超音波斜角探傷装置を説明する図である。

【図１０】超音波斜角探傷装置に用いられるアレイ探触
子の斜視図である。

【符号の説明】

１０ 被検体 １１ 送受信用アレイ探触子 ２１ クロックパルス発生器 ２２ 送信側遅延回路 ２３ 送信側スイッチング回路 ２４ パルス発生器 ２５ 前置増副器 ２６ 受信側スイッチング回路 ２７ 受信側遅延回路 ２８ 感度補正用増幅部 ２９ 加算器 ３０ 主増幅器 ３１ ピーク検出器 ３２ Ａ／Ｄ変換器 ３３ 制御部 ３４ 表示器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数のアレイ振動子を配列し、その配列
   方向が被検体への接触面に対して傾けられたアレイ探触
   子と、超音波ビームを送受信するために用いられる所定
   数の前記アレイ振動子がそれぞれ接続される各遅延素子
   とを備えた超音波斜角探傷装置において、前記各遅延素
   子に接続された各アレイ振動子により送受信される超音
   波における当該接続された各遅延素子の遅延時間に基づ
   く指向性および偏向度合いにより生じる各送受信レベル
   の差をなくすように設定された増幅度を有する増幅器
   を、前記各遅延素子に接続されるラインの所定個所に介
   在させたことを特徴とする超音波斜角探傷装置。