JPH10111281A - 超音波探傷方法および超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 欠陥の方向に関係なく探傷できること、欠陥
の位置に関係なく一定の検出感度を得ること、安定に音
響接触させて探傷できること。 【解決手段】 一対の振動子１ａ、１ｂを複数組それぞ
れ対向させて配置し、複数組の振動子をハウジング３の
内部に一体に設けると共に、水やアクリル樹脂等からな
る音響接触媒体２で振動子と被検体４とで囲まれる空間
を満たし、この状態で一方の振動子１ａから被検体４の
検査面に表面波５を発生させ、他方の振動子１ｂで検査
面を透過した表面波を検出し、その透過表面波の信号を
基に検査面の探傷を行い、ついで振動子の組を切り替え
ながら同様の方法で検査面の探傷を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波の表面波を
用いて材料の表層部の探傷を行う超音波探傷方法および
その方法に使用する超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波の表面波は材料の表層部における
欠陥を探傷する手段として良く知られている。表面波を
利用した従来の超音波探傷技術として、例えば、特開昭
５８−１２７１６３号公報においては、図７に示すよう
に、被検材２０の表面に設けた水封ハウジング２１の内
部に表面波探触子２２が取り付けられ、台車２３により
水封ハウジング２１を被検材２０の搬送方向（紙面の表
裏方向）と直交する方向に移動させることにより、オン
ラインで表層部の欠陥を探傷するようにしている。この
表面波探触子２２は、超音波のビーム方向に表面波を発
し、欠陥から反射したエコーを検出することにより探傷
を行うものである。しかしながら、この超音波探傷法で
は超音波のビーム方向が一方向であるため、ビームに対
して直交した方向の欠陥は見つかるが、斜めに傾いた欠
陥は見つからないという問題がある。

【０００３】様々な方向に傾いた欠陥を短時間に検出す
る超音波探傷法として、特開昭５９−１８０４５６号公
報に開示するものがある。この方法は、図８に示すよう
に、例えば四角錐状の先端シュー２４を有する四角柱状
のガイド棒２５の各側面に超音波送・受波器２６を取り
付けてなる超音波探触子を使用するものであり、超音波
送・受波器２６によりガイド棒２５の各側面から表面波
を発し、その表面波を先端シュー２４の各面に沿って先
端曲面部２７に収束させ、その先端曲面部２７が接触し
ている被検体２８に対して同心円状に表面波を伝播させ
るようにしたものである。しかしながら、この方法では
表面波が四方に拡散していくため、接触位置から離れた
欠陥の反射エコーが弱くなる。このため、検出に必要な
ＳＮ比が得られず、また欠陥の位置によって検出感度が
一定でなく、さらには表面波の伝播面に付着した水滴か
ら擬似エコーが発生するといった問題がある。

【０００４】また、特開平７−２１８４７５号公報の方
法では、図９に示すように、異なる向きに配置した複数
の振動子２９を用い、様々な方向の欠陥を検出するよう
にしている。しかしながら、この方法では各振動子２９
の向きの中間の角度に直交した欠陥に対しては検出感度
が低く、また多くの振動子と超音波探傷器が必要になる
という問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題を解決するためになされたもので、欠陥の方向に
関係なく探傷できること、欠陥の位置に関係なく一定の
検出感度を得ること、安定に音響接触させて探傷できる
ことを課題としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波探傷
方法は、超音波の表面波を用いて被検体の表層部におけ
る欠陥を探傷する超音波探傷方法において、前記被検体
の検査面を間にして、一対の振動子を複数組それぞれ対
向させて配置し、前記一対の振動子の一つから前記被検
体の検査面に表面波を発生させ、対向するもう一つの振
動子で前記検査面を透過した表面波を検出し、その表面
波の信号を基に前記検査面の探傷を行い、次に、別の組
の前記一対の振動子に切り替えて前記と同様の方法によ
り前記検査面の探傷を行うことを特徴とするものであ
る。

【０００７】本発明においては、対向させた一対の振動
子の一つから被検体の検査面に超音波の表面波を発生さ
せ、もう一つの振動子でその検査面を透過した表面波を
検出し、検査面を透過した表面波の信号を基に検査面の
探傷を行い、この操作を複数組の異なる向きに配置した
各対の振動子について切り替えながら検査面の探傷を行
うようにしているので、欠陥の方向に関係なく探傷する
ことができ、また表面波の透過範囲内では欠陥の位置に
関係なく均一な検出感度が得られる。さらに、対向させ
た一対の振動子の組を切り替えながら探傷することによ
り、ある振動子からの表面波が欠陥で反射することによ
り対向した振動子以外の振動子に入ってしまうことがな
くなり、常に透過波だけで探傷することになるため、定
量的な探傷ができるようになる。

【０００８】本発明の超音波探傷方法に用いる超音波探
触子は、被検体の検査面に超音波の表面波を発生し、該
検査面を透過した表面波を検出するように対向させて配
置した一対の振動子と、前記一対の振動子を一体に備え
たハウジングと、前記一対の振動子と前記被検体で囲ま
れる空間を満たす音響接触媒体とを備えたものである。
さらに、前記一対の振動子を超音波ビームの方向が異な
るように複数組前記ハウジングに設けたことを特徴とす
る。

【０００９】このように、一対もしくは複数対の振動子
が一体となっており、それらの振動子と被検体で囲まれ
た空間を音響接触媒体で満たしているので、被検体の検
査面にランダムに水滴や気泡が付着することがなく安定
した音響接触を実現できるとともに、あらゆる方向に傾
いた欠陥の探傷が可能となる。

【００１０】また、本発明の超音波探触子は、一対の振
動子の面が入射断面に対して曲率を有することを特徴と
する。したがって、被検体の材質等が変化し、被検体の
表面波音速が変わっても安定して表面波を入射させるこ
とができる。

【００１１】前記音響接触媒体は、水やアクリル樹脂な
どの超音波伝播材料で構成されるが、水を用いる場合に
おいては、水を供給する管と泡抜き穴をハウジングに設
ける。したがって、振動子と被検体で囲まれる空間が音
響接触媒体としての水で満たされるので、検査面にラン
ダムに水滴や気泡が付着することなく、わずかな水の量
で安定に音響接触ができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は本発明の実施の形態１に係る超音
波探触子の断面図である。図１に示すように、振動子１
ａと振動子１ｂがハウジング３の内部に対向して取り付
けられており、この一対の振動子１ａ、１ｂと被検体４
で囲まれる空間を水、アクリル樹脂などからなる音響接
触媒体２で満たすようにしている。

【００１３】振動子１ａ、１ｂは、それぞれ電気信号が
加えられると厚み振動をする圧電素子からなるものであ
り、ここでは３ｍｍ×１０ｍｍの長方形で平面の形状を
有するものとしている。各々の振動子１ａ、１ｂの入射
角は被検体４に表面波５を発生させ、検出できる角度と
なっており、表面波５の透過範囲は１０ｍｍとなるよう
にしている。

【００１４】音響接触媒体２には水を用いている。この
場合、水の音速は約１５００ｍ／ｓであり、鋼材である
被検体４での表面波の音速は約３０００ｍ／ｓであるか
ら、この例における入射角は、スネルの法則により以下
のように計算した値としている。 sin θ／１５００＝sin ９０／３０００ ∴ θ＝３０゜ 音響接触媒体２は、水やアクリル樹脂、その他超音波を
伝播させる物質であれば良く、伝播物質の音速により振
動子の入射角が定められる。

【００１５】図１においては、超音波探傷器の送信信号
を振動子１ａに加えると、音響接触媒体２である水に縦
波の超音波が送波される。この超音波は被検体４に入射
すると表面波５となり、図中左から右へ被検体４の表層
部を、音響接触媒体２の水に縦波超音波を放出しながら
伝播する。この結果、対向するもう一つの振動子１ｂに
よって透過波が受波されるので、その受信信号を超音波
探傷器に導き、その信号の強度などを基に表層部の探傷
を行うようにしている。このように被検体の表層部を透
過した表面波を用いて探傷を行うようにしているので、
反射法のように欠陥が超音波ビーム方向に直角でなくて
も検出でき、表面波の伝播する範囲においては欠陥の位
置に関係なく一定の検出感度を得ることができる。

【００１６】実施の形態２．図２は本発明の実施の形態
２に係る超音波探触子を上から見た図である。この例
は、対向する一対の振動子の組を２組とし、それらの超
音波ビーム方向が、図２に示されているように互いに直
交するように配置している。すなわち、振動子１ａと振
動子１ｂの一対の組は図中左右方向が超音波ビーム方向
であり、振動子１ｃと振動子１ｄの一対の組は図中上下
方向が超音波ビーム方向である。

【００１７】図３は実施の形態２による超音波探触子を
用いた超音波探傷器の構成図である。図３において、１
０は送信信号の発生時を定める同期信号発生装置、１１
は送信信号を振動子１ａに加えるか振動子１ｃに加える
かを選択するスイッチ、１２は送信信号発生装置、１３
は受信信号を振動子１ｂの信号とするか振動子１ｄの信
号とするかの選択をするスイッチ、１４は受信装置、１
５は欠陥判定装置である。

【００１８】ここで、スイッチ１１およびスイッチ１３
は、送信信号の繰り返し毎にその選択位置が同期して変
わるようになっている。この例では、同期信号をヂュー
ティー比５０％のＴＴＬ信号とし、スイッチ１１の代わ
りに、ＮＯＴ回路を用いて位相の異なるＴＴＬ信号を２
つ作り、その立ち上がりエッジを利用して振動子１ａお
よび振動子１ｃに対する送信信号を発生させるようにし
た。また、スイッチ１３はダイオードスイッチを利用
し、上記のＴＴＬ信号に基づいて、送信振動子１ａまた
は１ｃの選択に同期して受信振動子１ｂまたは１ｄを選
択するようにした。ここで、同期信号の周期は２ｍｓと
したので、振動子一つ当たりの送信信号の周期は１ｍｓ
であり、ピーク値２００Ｖのパルス信号を送信信号とし
て用いた。各振動子の共振周波数は１０ＭＨｚとし、中
心周波数約１０ＭＨｚの表面波を発生させた。受信装置
１４の増幅器の帯域は約１５ＭＨｚとし、透過した表面
波信号をひずみなく増幅するに十分な帯域とした。増幅
した信号は自動的に信号強度を判定できる欠陥判定装置
１５に導き、オンラインでの自動探傷ができるようにし
た。

【００１９】図４は被検体の表面に加工した幅０．５ｍ
ｍ、長さ１０ｍｍ、深さ０．５ｍｍのノッチ傷の方向を
変化させたときの表面波の透過波強度を示す図である。
振動子１ａと振動子１ｂ間の透過波は、透過方向とノッ
チ傷６の方向が平行な０゜と１８０゜近傍において健全
部に近い強度となっているのに対し、振動子１ｃと振動
子１ｄ間の透過波は、９０゜異なった角度において健全
部に近い強度となっているので、これら振動子の対の組
を切り替えながら探傷を行うことにより、健全部に対す
る透過波強度があらかじめ適当に定めたしきい値より小
さくなったときに傷ありと自動的に判断することができ
る。

【００２０】実施の形態３．図５は本発明の実施の形態
３に係る超音波探触子の断面図である。この例は、図１
におけるハウジング３の中央に音響接触媒体２の水を供
給するための注水管７と泡抜き穴８を設けたものであ
る。注水管７と泡抜き穴８は共通の管を用いても良く、
泡抜き穴８は注水管７の途中に設けることもできる。ハ
ウジング３は水封ハウジングを兼ねており、被検体４の
面に接し、振動子１ａ、１ｂと被検体４の検査面の間に
狭い水封空間を形成する。ここで、水封ハウジングと被
検体の間は直接接触させてもよいし、金属やアクリル樹
脂などのシューを水封ハウジングの一部として機能する
ように用いても良い。

【００２１】実施の形態４．図６は本発明の実施の形態
４に係る超音波探触子の断面図である。上述のように振
動子の入射角は被検体の表面波音速と音響接触媒体の音
速から決まってくるので、平面の振動子を用いた場合、
被検体の材質が変化して表面波の音速が異なると、透過
波の強度が変化してしまい、探傷が安定にできない場合
がある。この例では、図６に示すように、振動子１ａ、
１ｂに曲率を付け、入射角に幅を持たせることにより、
被検体４の表面波音速が変化しても一定の透過波強度が
得られるようにしたものである。ここでは、曲率は入射
角が２５゜から３５゜の範囲となるように定めている。
なお、曲率は凹面状としたが、凸面状でも良く、また音
響レンズなどを用いても良い。

【００２２】なお、上記の例では、対向する振動子の組
が２組で各組の角度差が９０゜の場合を示したが、角度
差は９０゜に限られものではなく、各組の角度差を６０
゜として３組にしても良く、さらにそれ以上としても良
い。また、振動子の形状も長方形に限られるものではな
く、断面に対する奥行方向の形状を、例えば被検体が管
の場合、管の外径に応じて曲率を付けることも有効であ
る。さらに、本発明の超音波探触子は、台車等の適当な
移動装置に取り付けられて被検体の表面を走査すること
により、オンラインで探傷することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
対向させた一対もしくは複数対の振動子を用いて被検体
の検査面を透過した表面波の信号を基に検査面の探傷を
行うものであるから、欠陥の方向に関係なく探傷するこ
とができ、また欠陥の位置に関係なく一定の検出感度が
得られ、さらに振動子と被検体で囲まれる空間を音響接
触媒体で満たしているので、安定に音響接触させた状態
で探傷ができるものである。その結果、被検体の表層部
の欠陥をオンラインで見逃しなく安定に検出できるよう
になり、表面波を用いた表層部探傷の信頼性向上と適用
範囲拡大に極めて大きな効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波探触子の断
面図である。

【図２】本発明の実施の形態２に係る超音波探触子を上
から見た図である。

【図３】実施の形態２における超音波探傷器の構成図で
ある。

【図４】ノッチ傷の方向と透過波強度を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態３に係る超音波探触子の断
面図である。

【図６】本発明の実施の形態４に係る超音波探触子の断
面図である。

【図７】特開昭５８−１２７１６３号公報において提案
された表面超音波探傷装置の説明図である。

【図８】特開昭５９−１８０４５６号公報において提案
された超音波探触子の説明図である。

【図９】特開平７−２１８４７５号公報において提案さ
れた超音波探触子の説明図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 振動子 ２ 音響接触媒体 ３ ハウジング ４ 被検体 ５ 表面波 ６ ノッチ傷 ７ 注水管 ８ 泡抜き穴 １０ 同期信号発生装置 １１ スイッチ １２ 送信信号発生装置 １３ スイッチ １４ 受信装置 １５ 欠陥判定装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体の検査面に超音波の表面波を発生
   し、該検査面を透過した表面波を検出するように対向さ
   せて配置した一対の振動子と、 前記一対の振動子を一体に備えたハウジングと、 前記一対の振動子と前記被検体で囲まれる空間を満たす
   音響接触媒体とを備えたことを特徴とする超音波探触
   子。
2. 【請求項２】 超音波の表面波を用いて被検体の表層部
   における欠陥を探傷する超音波探傷方法において、 前記被検体の検査面を間にして、一対の振動子を複数組
   それぞれ対向させて配置し、 前記一対の振動子の一つから前記被検体の検査面に表面
   波を発生させ、対向するもう一つの振動子で前記検査面
   を透過した表面波を検出し、 その表面波の信号を基に前記検査面の探傷を行い、 次に、別の組の前記一対の振動子に切り替えて前記と同
   様の方法により前記検査面の探傷を行うことを特徴とす
   る超音波探傷方法。
3. 【請求項３】 前記一対の振動子を超音波ビームの方向
   が異なるように複数組前記ハウジングに設けたことを特
   徴とする請求項１記載の超音波探触子。
4. 【請求項４】 前記一対の振動子の面が入射断面に対し
   て曲率を有することを特徴とする請求項１または請求項
   ３記載の超音波探触子。
5. 【請求項５】 前記音響接触媒体としての水を供給する
   管と泡抜き穴を前記ハウジングに設けたことを特徴とす
   る請求項１記載の超音波探触子。