JPH09318608A - 材料の非破壊検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被検査体に対する試験体を作成することが、困
難な場合、特に超音波探傷をする対象が複雑な形状を有
している場合でも、高い精度が容易に欠陥の有無を識別
し得るようにする。 【解決手段】超音波探触子等で受信された音波を表す第
一の波形と波、検査対象である材料とその形状及び超音
波を特徴付けるパラメータに基づく数値シミュレーショ
ンの結果から得られる第二の波形とを比較することで、
材料中の欠陥の有無を判別する。ある形状を有する材料
中に超音波を送信した場合、受信される波形を数値シミ
ュレーションを用いて、予め計算しておく。計算から得
られる波形と、超音波探傷等により得られる実際の受信
波を表す波形とを比較する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は音波を用いて材料を
非破壊検査する方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属等の材料の非破壊検査には、
一般に超音波探傷法が用いられている。欠陥を有する材
料に音波を送信した場合、欠陥部で音響伝播特性が変化
するため、反射或いはモード変換等の現象により新たな
音波が発生する。超音波探傷法では、材料に超音波を送
信し、受信された波形を伝播距離や伝播速度等を考慮に
入れ分析し、得られた受信波が欠陥からの音波か否かを
判別することで、欠陥を検出している。しかし、複雑な
形状を有する材料に対する超音波探傷では、欠陥からの
音波（以下、欠陥エコー）の他に、材料の側面，底面な
どの境界面からの反射波（以下、形状エコー）も受信さ
れるため、探傷の結果得られた音波から欠陥エコーのみ
を識別することは非常に困難である。また、さらに音波
が反射される際には、縦波，横波等のいろいろな種類の
波が発生するため、形状の複雑な材料の探傷の場合に
は、さらに欠陥エコーと形状エコーを識別することは困
難になる。従来手法による超音波探傷では、熟練した技
術者が到達時間や音速等を手がかりに、受信された波の
中から欠陥エコーをある程度の確率と精度で識別し、欠
陥の有無を判別していた。しかし、これには長年にわた
る経験とそれに伴う知識が必要であり、一般の技術者が
欠陥を検出しにくいという問題が起こる。この問題に対
して、以下のような公知例がある。特開昭55−78247 号
公報，特開昭63−241351号公報では、試験片から得られ
る波形データと実際の被検査体から得られる波形データ
とを処理，比較することによって高い精度での探傷が行
えるようにするものである。また、特開昭61−155856号
公報では、予想される位置にゲートを設けてゲート信号
を処理して、探傷の結果得られる形状エコーと欠陥エコ
ーとを分別し欠陥の有無を判断しようとするものであ
る。従来技術では、実際の検査対象相当の試験体を作製
しなければならない。また、欠陥からの音波を予想する
には、予想が容易な単純な形状の材料を検査する場合に
しか適用することができない。しかし、検査対象相当の
試験片を作成しにくい或いは不可能な場合、或いは検査
対象となる材料の形状の複雑さのため欠陥からの音波を
予想しにくい場合は、実際の探傷から得られる波形デー
タと比較するための基準となる波形データを入手するこ
とが困難であり、高い精度で欠陥の有無を識別すること
ができない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、被検
査体に対する試験体を作成することが困難な場合、特に
超音波探傷をする対象が複雑な形状を有しており欠陥エ
コーを予想することが困難である場合においても、欠陥
エコーを高い精度で判別し欠陥の有無を識別し得るよう
にすることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、超音波探触
子等で受信された音波を表す第一の波形と、検査対象で
ある材料とその形状及び超音波を特徴付けるパラメータ
に基づく数値シミュレーションの結果から得られる第二
の波形とを比較することで、材料中の欠陥の有無を判別
するものである。ある形状を有する材料中に超音波を送
信した場合に、受信される波形（形状エコー）を数値シ
ミュレーションを用いて、予め計算しておく。計算から
得られる波形と、超音波探傷等により得られる実際の受
信波を表す波形とを比較する。もしも、予想された場所
と異なる位置に波形が存在した場合、それは材料固有の
形状から来る形状エコーではないことになり、欠陥エコ
ーであることがわかる。このように、２つの波形を比較
するだけで、縦波，横波等の複雑なモードを持つ形状エ
コーと混同することなく、欠陥エコーを識別することが
できる。また、この数値計算結果から得られる波形を用
いれば、試験体を作成することが困難な場合において
も、基準となる波形データを得ることができる。

【０００５】

【発明の実施の形態】

（第一実施例）図１を参照して、本発明の実施例を説明
する。

【０００６】超音波を用いた非破壊検査は、既知の形状
を有した金属に超音波を送信し、その際得られる音波を
受信することによって、欠陥等の金属内部の形状を識別
するものである。送信パルサ１０１で発生した電気信号
は、探触子１０２に伝わり、超音波信号へと変換され、
検査対象である金属１０３に送信される。金属の側面，
底面等からの反射波といった金属の形状に依存する音波
（形状エコー）及び、欠陥によって発生する音波（欠陥
エコー）は、探触子１０４で受信され再び電気信号に変
換され増幅器１０５において増幅される。この信号は、
オシロスコープ１０６とアナログデジタル変換器（以
下、Ａ／Ｄコンバータ）１０７とに送られる。Ａ／Ｄコ
ンバータに送られた信号は、ＧＰＩＢボード１０８を経
由して計算機１０ｃｆジタル変換器（以下、Ａ／Ｄコン
バータ）１０７とに送られる。Ａ／Ｄコンバータに送ら
れた信号は、ＧＰＩＢボード１０８を経由して計算機１
０９の処理装置（以下、ＣＰＵ）１１０におくられる。
一方、この金属固有のラメ定数，密度等の物性値と、こ
の金属の３次元的な形状を表わすパラメータ及び、送受
信用の探触子の位置、送信する音波の周波数等をインプ
ットデータとして、ある形状を有する金属中を伝播する
超音波の伝播の様子を、時間或いは空間を離散化された
波動方程式によって計算し、受信用の探触子で得られる
音波の波形を作成する。尚、この計算機で実行されるプ
ログラムを、図１に示すブロック図と図２に示すＰＡＤ
図を用いて説明する。

【０００７】プログラムがスタートすると、計算機１０
９は、表示装置であるＣＲＴディスプレイ１１１に図４
の４０１に示すメニュー画面を表示する。入力端末から
の入力により、次に行うプログラムが決定される。先ず
はじめに、検査対象となる金属の形状を決定する（図４
の４０２）。ここでは、新たな３次元形状のデータを入
力することも可能でありまた、予め入力された形状デー
タを選択することも可能である。プラント等の定期検査
を行う際は、各検査時に検査対象となる機器はいつも同
じであるため、そういった頻繁に使用されるいくつかの
検査対象の形状データは予め入力して計算機に接続され
た記憶装置（図１の１１２）に記録しておく。次に、検
査条件の設定を行う。検査対象である金属に関して、密
度及び、ラメ定数（２種），剛性率，ヤング率，ポアソ
ン比，体積弾性率，圧縮率等の物性定数及び音速等を入
力する。これらの値は全てが必要ではなく、密度及びそ
れ以外の独立な２つの量が分かっていれば、音速等を算
出することができる。また、検査に使用する超音波の周
波数等の振動の様子を特徴付ける量，入射角度，使用す
る音波のモード、及び使用する探触子の形状と寸法を入
力する。そして、最後に検査対象である金属のどの部分
から超音波を送信するかを３次元的な座標データとして
入力する。尚、これらの入力は検査条件の各パラメータ
の入力を即す画面（図４の４０３）上で行われる。

【０００８】すべての入力が終了すると、計算機におい
て、金属中の超音波伝播の様子をシミュレートするプロ
グラムが実行される。図３により、この伝播解析プログ
ラムの説明を行う。新しく入力された或いは、記憶装置
に記録されていた、検査対象の金属の３次元的な形状の
情報がプログラムに読み込まれる。そのデータと検査条
件とを照らし合わせ、解くべき偏微分方程式に最適な差
分を行い、かつ、使用される音波の波長と照らし合わせ
て最適な大きさになるように金属の形状を空間的に切り
分け小さな要素の集まりとして近似する。偏微分方程式
の計算機を用いた数値解法にはいくつかの方法が知られ
ているが、このプログラムでは主として境界要素法を用
いる。この方法を使用することで、取り扱う問題の次元
（今回は３次元）をひとつ下げることができる。そのた
め、金属の形状のうち、側面や底面といった２次元的な
境界部分を考慮すればよいことになる。ただし、この境
界自体が多くの曲面を持つ等の複雑な面形状を持ってい
る場合は、この境界部分を単純な等間隔な差分法ではな
くその形状に合わせた離散化を行わねばならないため、
そのような場合にはこの境界部分に有限要素法を適用す
る。超音波を送信する条件（角度，周波数，位置等）を
初期条件として、数値的に偏微分方程式を解く。この結
果、時間毎における材料各点の変位（或いは、粒子速
度，応力，テンシャル等）の値がデータが計算される。
ここで、画面に、波形受信の条件を入力する画面４０５
が表れ、ここに受信する探触子の位置，形状，寸法等を
入力する。このデータ及び、超音波を受信する条件（位
置，探触子の形状等）をもとに、実際の受信波形と同一
の表示形式(受信波形がＡスコープであれば、Ａスコー
プ)になるように、計算の結果得られるデータを再計算
する。

【０００９】探触子で受信された波形及び計算機で生成
された波形は、ＣＲＴディスプレイにともに表示される
（図４の４０６）。

【００１０】次に、これらの波形から欠陥の有無を識別
する段階に移行する。欠陥識別方法の模式図を図５に示
す。ＣＲＴディスプレイには、探触子から得られた波形
501と数値計算によって得られた波形５０２とが表示さ
れる。このときの表示形式は、一般にはＡスコープと呼
ばれる、縦軸に超音波の受信電圧、横軸に伝播時間をと
った表示がなされる。表示された波形は、基本的には、
人間が目視にて両波形の差異を比較する。探触子で受信
された音波を表す波形５０１にはあって、数値計算で得
られた波形５０２、即ち、形状エコーには存在しない波
形がある場合、明らかに後者の波形には形状からのエコ
ーではないもの、即ち欠陥エコーが含まれていることが
分かり、直ちに欠陥の有無を判定できる。

【００１１】また、表示する縦軸或いは横軸のスケール
によって、人間の目ではすぐさま判断しにくい場合は、
互いの波形を拡大（或いは、縮小）する、或いは比較し
たい二つの波形を重ね合わせて表示することが可能であ
り、これによって人間の目でも比較しやすいようにする
ことができる。これらの機能は前述のメニュー画面４０
６から選択して実行される。一回の波形比較が行われる
と、示すメニュー画面４０６が表れ、今回の検査の状況
を記憶装置（固定ディスクや光磁気ディスク等）への記
録の要不要及び記録の形式を問う。保存が選択された場
合、これらの波形は、ともにＸ軸，Ｙ軸，波形の値等よ
りなるテキスト或いはバイナリ形式のファイルとして保
存され、検査終了後の再現が可能となる。

【００１２】また、ある検査条件のもとでの一回の波形
比較が終了し、次いで記憶装置への記録に関する処理が
終了すると、図４の４０７に示すメニュー画面が表れ、
同一の条件，類似の条件，異なる条件、あるいは検査の
終了の選択を問いかける。次に行われる検査条件と今回
の検査条件との類似性が判断され、メニュー画面からど
れかが選択されると、検査状況を入力する画面が、類似
とみなされた箇所は前回の値が代入されて表示される。
この画面に必要な値が入力（もちろん、予め代入されて
いる前回分の値もこの画面で変更することは可能であ
る。）されると、上述のように超音波の伝播の様子が計
算され、波形が出力される。ただし、この際一回前の検
査条件との比較して、再計算の必要のないところは、ず
っと同じデータを利用し計算時間の短縮につとめる。た
とえば、超音波の送信位置が同一で、受信場所が異なる
場合には、探触子によって受信される波形の受信条件が
異なるだけであるので、各時間各位置での変位等のデー
タから指定された表示形式への再計算だけが行われる。
このようにして、何回かの波形比較が行われた後、前述
図４の４０８のメニュー画面で検査の終了が選択される
と全プログラムが終了する。このプログラム終了前に、
今回行った検査の条件（被検査対象の材料，超音波，検
査条件，日時等）を問いかける画面を表示し、データを
記憶装置に記録し、全プログラムを終了する。

【００１３】（第二実施例）上述の実施例において行わ
れる数値計算のインプットデータとして、上述のデータ
に加えて欠陥の形状或いは位置を波動方程式を計算する
際の境界条件及び初期条件として採用して数値計算を行
う。これによって、実際の探傷から得られた波形と欠陥
の形状及び位置を予想して行った数値計算結果から得ら
れた波形とを比較して、欠陥の位置及び種類に対する予
想の妥当性を確認する。この方法の模式図を図６に示
す。図６が実際の探傷で得られた波形を表している。計
算機によって、予想される波形を複数個６０２，６０
３，６０４，６０５表示する。601と６０３は時間軸上
の同じ場所にピークが見られるが、その形状がことな
る。これは、欠陥の位置は予想に近いがその種類の推測
を誤ったことを示す。また、６０１と６０５は、表れて
いるピーク波形の形状は類似しているが、時間軸上に表
れている場所が異なる。これは、欠陥の形状の予想は正
しいが、位置の予想を誤ったことを示している。このよ
うに、それぞれの波形を比較することで、波形のピーク
値及びピークの現れる時間が良く一致している場合、予
想された欠陥の形状，位置が妥当であることが分かる。

【００１４】（第三実施例）第三実施例の模式図を図７
に示す。

【００１５】第一実施例で、探触子で受信された信号
を、増幅器，Ａ／Ｄコンバータ，GPIBボードを経て、計
算機に取り込む際に、ＧＰＩＢボードと計算機の間で、
送受信用７０１の端末に一旦信号を送り、ネットワーク
上でその信号を転送し、その後、ネットワーク上の計算
機に信号が取り込まれるようにする。このシステムの模
式図を図７に示す。こうすることによって、現地におけ
る検査技師のみで、欠陥の有無の判断が困難な場合にお
いても、遠隔地の計算機によって、オンラインかつリア
ルタイムで波形の処理を行うことが可能となり、より高
い精度で欠陥検出を行うことができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明の効果は、複雑な形状を有した材
料に対して探傷実験の際に、その材料中の超音波伝播の
様子を数値計算することによって、容易に欠陥エコーを
検出できるようにするものである。このことにより、一
般の技術者でも欠陥の有無を正確に識別することができ
る。また、試験体作成が困難な被検査体に対して試験体
と同様な基準データを作成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のシステムのブロック図。

【図２】本発明の実施例のプログラムのＰＡＤ図。

【図３】本発明の実施例のプログラムで表示される画面
を示した説明図。

【図４】本発明の実施例のプログラムで表示される画面
を示した説明図。

【図５】第一実施例の波形識別の説明図。

【図６】第二実施例の波形識別の説明図。

【図７】第三実施例のシステムのブロック図。

【符号の説明】

１０１…送信パルサ、１０２…送信用探触子、１０３…
金属、１０４…受信用探触子、１０５…増幅器、１０６
…Ａ／Ｄコンバータ、１０８…ＧＰＩＢボード、１０９
…計算機、１１０…処理装置、１１１…表示装置、１１
２…記憶装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】材料を透過することができる音波を送信
   し、その結果受けられた受信波から上記材料を非破壊検
   査する方法において、上記受信波を表す第一の波形と上
   記材料、その形状及び上記音波を特徴付けるパラメータ
   に基づく数値シミュレーションの結果得られる第二の波
   形とを比較することにより、上記第一の波形と上記第二
   の波形の差異から、上記第一の波形の中に、上記第二の
   波形、即ち、上記材料の形状に由来するよう波形以外の
   波形が含まれているかを判別することで、上記材料にお
   ける欠陥の有無を容易に識別することができることを特
   徴とする非破壊検査方法。
2. 【請求項２】処理装置と表示装置と記憶装置とよりなる
   計算機システムにおいて、上記欠陥検出方法を実現する
   ために、材料を通過することができる音波を用いた非破
   壊検査の対象である上記材料、その形状及び上記音波を
   特徴付けるパラメータを予め上記記憶装置に入力してお
   くことで、上記音波の任意の送信角度及び任意の送信場
   所に対応した波形をシミュレーションにより計算し、任
   意の角度及び場所により送信される結果得られる受信波
   を表す波形と比較できることを特徴とする欠陥検出装
   置。
3. 【請求項３】請求項２において、非破壊検査の対象であ
   る上記材料、その形状及び上記音波を特徴付けるパラメ
   ータに加え、予想される欠陥の形状及び位置を特徴付け
   るパラメータを上記記憶装置に入力しておくことで、上
   記材料の形状からの音波及び予想された欠陥からの音波
   の混在した音波に対応した波形をシミュレーションによ
   り計算し、上記材料から得られた受信波を表す波形と比
   較して互いの波形の類似性を調べることによって、上記
   材料に対し予想した欠陥の形状及び位置の妥当性を判断
   する欠陥検出装置。