JPS5837505B2 - 欠陥検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、周波数の異なる超音波を利用して金属材料
等の被検体の内部欠陥を効果的に検出することのできる
欠陥検出装置に関する。

近年、金属材料中の欠陥を検出するのに超音波を利用し
た欠陥検出装置が用いられている。

この装置は、金属材料中に超音波を送波しこの超音波に
よる金属材料内部の欠陥からの反射超音波を検出し、こ
の反射超音波のレベルや受信開始時刻等から前記欠陥の
位置及び大きさを検出するものである。

第１図は従来の欠陥検出装置の一例を示す概略構成図で
ある。

超音波トランスジューサ１はバースト波発振器２により
駆動され、金属材料３内に超音波を送波している。

この超音波は金属材料３内を伝搬し、金属材料３内の亀
裂等の欠陥４ａ，４ｂ及び金属材料３の境界面３ａでそ
れぞれ反射され再び前記超音波トランスジューサ１に受
波される。

このとき上記欠陥４ａ，４ｂ及び境界面３ａからの各反
射超音波（エコ一群）の受波開始時刻は、超音波トラン
スジューサ１からの各距離に応じてそれぞれ異なる。

前記超音波トランスジューサ１で得られた反射超音波信
号は、増幅器５を介して増幅されたのち検波器６に供給
されて検波される。

そして、この検波器６の出力信号がＣＲＴ（陰極線管）
モニタ等の表示器７ＶｃＡスコープ表示され、第２図に
示すような検出情報が得られる。

すなわち、送波パルス信号Ｔから所定時間遅れてそれぞ
れ前記欠陥４ａ，４ｂ及び境界面３ａからのエコ一群に
よるパルス状の検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓが得られる。

そして、上記送波パルス信号Ｔから検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓ
までの時間によって、前記超音波トランスジューサ１か
も欠陥４ ａ ｙ４ｂまでの距離が判定される。

かくして、金属材料３内の欠陥４ａ，４ｂの位置を検出
することができる。

さらに、前記超音波トランスジューサ１をＸ１−Ｘ２方
向に移動させ前記操作を行うことによって、欠陥４ａ，
４ｂの大きさを求めることができる。

ところがこの種の装置では、欠陥の近傍に鼎接線等が存
在すると、この溶接線近傍の欠陥を検出することができ
ないという問題があった。

すなわち、第３図に示すように金属材料３内に溶接線８
があると、この陪接線８で多数の反射超音波（エコ一群
）が生じ、これらのエコ一群も前記超音波振動子ＩＶｃ
受波される。

このため、前記表示器７で得られる検出情報は第４図に
示すように、溶接線８からのエコ一群による検出信号Ｐ
に前記検出信号Ｑがうずもれたものになる。

したがって、溶接線８近傍の欠陥４ａの検出が困難にな
るという問題があった。

また、上記問題を解決するために送波超音波のパルス幅
を短くしたものが考えられたが、パルス幅を短くするに
は限度があり、感度の低下を招く等の欠点があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、被検体内部の欠陥を高感匿で、
かつ高いＳ／Ｎで検出でき得る簡易な構成の欠陥検出装
置を提供することにある。

以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第５図は同実施例を示す概略構成図である。

第５図において１１は超音波トランスジューサであり、
この超音波トランスジューサ１１は、クロツク回路１２
からクロツクパルス信号を与えられて異なる周波数のバ
ースト波を順次発生するバースト波発生器１３により駆
動され、時間的に異なる周波数の超音波を前記金属材料
３内に送波している。

また、上記超音波トランスジューサ１１に受波された反
射超音波は、電気信号に変換され増幅器１４を介して増
幅されたのち検波器１５に供給されていろ。

この検波器１５は、例えばダイオードからなるもので上
記増幅器１４の出力信号を包絡線検波して入出力回路１
６に供給している。

この入出力回路１６は前記クロツク回路１２からクロッ
クパルス信号を与えられて、前記検波器１５の出力信号
をメモリ１７及び演算器１８に適宜供給している。

また、上記メモリ１７は上記クロツクパルス信号に基づ
いてその記憶情報を演算器１８に供給したり、演算器１
８の演算結果を一時記憶したりしている。

そして、演算器１８の演算結果は前記入出力回路１６を
介して、ＣＲＴモニタ等の表示器１９に供給さ力て表示
されている。

このように構成された本装置では、バースト波発振器１
３により第６図ａに示すような周波数の異なるバースト
波信号Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を順次発振させ、これらのバー
スト波信号Ｔ１ ｙ Ｔ２ ＋Ｔ３１ｃより超音波トラ
ンスジューサ１１を順次駆動して欠陥の検出をなす。

まず、クロツク回路１２からの第１のクロックパルス信
号を入力してバースト波発振器１３は周波数ｆ，のバー
スト波信号Ｔ１を出力する。

このバースト波信号’ｌ’１Ｋより超音波トランスジュ
ーサ１１が駆動され、周波数ｆ１の超音波を金属材料３
内に送波する。

この超音波は金属材料３内を伝搬し音響インピーダンス
の異なる点、すなわち溶接線８、欠陥４ ａ ｙ４ｂ及
び境界面３ａでそれぞれ反射される。

そして、これらの溶接線８、欠陥４ａ，４ｂ及び境界面
３ａからの各反射超音波（エコ一群）は再び前記超音波
トランスジューサ１１ｖＣて受波される。

超音波トランスジューサ１１で受波された各エコ一群は
増幅検波される。

そして、検波器１５では第６図ｂに示すような検出信号
ＰＩ ，Ｑｔ − ＲＩＳ１が得られる。

すなわち前記超音波振動子１１からの距離に応じて溶接
線８、欠陥４ａ，４ｂ及び境界面３ａの谷検出信号Ｐ１
ｔ Ｑ，Ｊ Ｒ１ｊＳ１が順次検出される。

そして、このときの検波器１５の出力信号（第１の検出
情報）は、入出力回路１６を介してメモリ１７に供給さ
れ一時的に記憶される。

次に、前記クロツク回路１２からの第２のクロックパル
ス信号を入力してバースト波発振器１３は、周波数−ｆ
２ （ ．ｔ’２＞ｆｔ ）のバースト波信号Ｔ２
を出力する。

このバースト波信号Ｔ２で前記超音波トランスジューサ
１１が駆動され、周波数ｆ２の超音波が金属材料３内に
送波される。

この超音波によるエコ一群も先のエコ一群と同様に前記
超音波トランスジューサ１１で受波されたのち増Ｉ＠検
波される。

そして、検波器１５では第６図ｂに示す溶接線８、欠陥
４ａ，４ｂ及び境界面３ａの各検出信号Ｐ２・Ｑ２・Ｒ
２・ｓ２が得られる。

このときの検波器１５の出力信号（第２の検出情報）は
、入出力回路１６を介して演算器１８に供給される。

このとき、前記メモリ１７に記臆された第１の検出情報
は、前記第２のクロツクパルス信号により上記第２の検
出情報と同期をとられて前記演算器１８Ｖｃ供給される
。

そして、演算器１８により第１及び第２の検出情報を加
算して得られた第３の検出情報が前記メモリ１７Ｋ再び
記憶される。

さらに、前記クロツク回路１２からの第３０クロックパ
ルス信号を入力してバースト波発振器１３は、周波数ｆ
３ （，１３＞ｆ２ ）のバースト波信号Ｔ３を出力す
る。

このバースト波信号Ｔ３で超音波トランスジューサ１１
が駆動され、周波数ｆ３の超音波が金属材料３内に送波
される。

この超音波によるエコ一群も先のエコ一群と同様に前記
超音波トランスジューサ１１で受波されたのち増幅検波
される。

そして、検波器１５では第６図ｂに示す溶接線８、欠陥
４ａ，４ｂ及び境界面３ａの各検出信号Ｐ３，Ｑ３，Ｒ
３ ，Ｓ３が得られる。

このときの検波器１５の出力信号（第４の検出信号）は
、入出力回路１６を介して演算器１８に供給される。

このとき、前記メモリ１７に記憶された第３の検出情報
は前記第３のクロツクパルス信号により上記第４の検出
情報と同期をとられて前記演算器１８＆ｔｌｍ供給され
る。

そして、演算器１８Ｖｃより第３及び第４の検出情報を
加算して得られた第５の検出情報、つまり周波数ｆ１
ｔｆ２，ｆ３の谷超音波による各検出情報を同期をとっ
て加算して得られた情報が、人出力回路１６を介して表
示器１９に供給され表示される。

この表示された情報から前記欠陥４ａ，４ｂの位置が判
定される。

さらに、前記超音波トランスジューサ１１をＸ，−Ｘ２
方向に移動させ上述した操作を行うことによって欠陥４
ａ，４ｂの大きさが判定される。

ところで、前記溶接線８からのエコ一群は、溶接線８の
形状が第７図に示すように非常に複雑であるため、そこ
から反射される各エコーの受信開始時刻に時間差が生じ
る。

このため、晦接線８かものエコ一群による検出信号は各
エコーの干渉により前記第４図に示したように複雑なエ
ンベロープを有したものになる。

これを２つのエコーについて説明すると、例えば第８図
ａ＋ｂに示すように半波長ずれて受信された場合、前記
超音波トランスジューサ１１の出力信号は同図Ｃに示す
ようになるーまた、検波後の出力信号は第８図ｄＫ示す
ように、２つの突部な持つエンベロープを有するものに
なる。

エコーが多い場合や到達時間差が各々異なる場合は、さ
らに複雑なエンベロープを有するものとなる。

また、送波超音波の周波数が異なると、各エコーの干渉
パターンが変化するため、上記エンベロープはそれぞれ
違ったものになる。

さて、前記第６図ｂＶｃ示した第１、第２及び第４の検
出情報は、それぞれ送波超音波の周波数が異っているた
め、前記尋接＠８による検出信号Ｐ１ ，Ｐ２，Ｐ３の
各エンベロープがそれぞれ異っている。

第６図ｃ，ｄは同図ｂに示した各検出情報をそれぞれ溶
接線８による検出信号Ｐ１，Ｐ２ ，Ｐ３と、それ以外
による検出信号とに分けて示したものである。

前記第５の検出情報の溶接線８による検出信号Ｐは、上
記第６図Ｃに示すような異ったエンベロープを有する検
出信号Ｐ１ｙＰ２，Ｐ３を同期をとって加算されたもの
である。

したがって、検出信号Ｐは相互に打ち消し合い、つまり
相殺されて第６図ｅに示すように均一化され、その最犬
波高値が小さくなる。

また、前記第５の検出情報の欠陥４ａ，４ｂ及び境界面
３ａによる各検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓは前記第６図ｄＫ示す
ような略同じエンベロープを有する検出信号Ｑ１Ｒ１，
Ｓ１、検出信号Ｑ２，Ｒ２，Ｓ２及び検出信号Ｑ３ ，
Ｒ３ ，Ｓ３を同期をとって加算されたものである。

したがって検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓは第６図ｆに示すように
そのレベルを略３倍されたものとなる。

このため、前記第５の検出情報は第６図ｇに示すように
、溶接線８の検出信号Ｐ（ノイズ）と欠陥４ａ，４ｂ及
び境界面３ａの各検出信号Ｑ， Ｒ， Ｓ （信号）と
の比Ｃ Ｓ／Ｎ）が非常に大きなものとなる。

したがって、検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓは容易に判定されるこ
とになる。

このように本装置によれば、超音波トランスジューサ１
１から周波数の異なる超音波を順次送波させ、これらの
超音波による各エコー情報を同期をとって加算するため
、溶接線８による検出信号Ｐ＞２均一化されその最犬波
高値が小さくなり、また欠陥４ａ，４ｂ及び境界面３ａ
ＴＬよる各検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓは略３倍にもなる．この
ため、検出信号Ｐと検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓとの比（Ｓ／Ｎ
）が非常に大きくなり、検出信号Ｑ，Ｒ，Ｓを容易にか
つ高感寒に検出することができる。

さらに、検出信号Ｐに検出信号Ｑがうずもれることがな
いため、鼎接線８の近傍にある欠陥４ａも容易に検出す
ることができる。

また、上記理由から複雑な形状をもつ境界近傍の欠陥の
検出も可能になるという利点がある。

さらに、検出感度及びＳ／Ｎが向上されたため、超音波
の送信パワーを低くできる等の効果を奏する。

次に、この発明の他の実施例を説明する。

第９図は同実施例を示す概略構成図であり、先の実施例
と同一部分には同一符番な付してその詳しい説明は癌略
する。

この実施例が先に説明した実施例と異なるところは、周
波数変調バースト波信号により超音波トランスジューサ
１１を駆動するようにしたことである。

周波数変調バースト波発振器２１は、第１０図ａに示す
ように周波数がｆ３からｆ１ までチャープ的に変化す
る周波数変調バースト波信号を発振出力していろ。

この周波数変調バースト波信号により超音波トランスジ
ューサ１１が駆動され、周波数変調型の超音波が金属材
料３内に送波される。

この超音波によるエコ一群が再び前記超音波トランスジ
ューサ１１で受波され、電気信号に変換され増幅器１４
を介して増幅されたのち検波器１５Ｋ供給される−そし
て、検波器１５で包絡線検波して得られた検出情報が、
表示器１９に供給されて表示される。

前記周波数変調型の超音波は、多数の周波数成分を含ん
でいると考えられる。

このため、溶接線８からのエコ一群による検出信号Ｐは
先の実施例で説明したのと同様の理由により均一化され
る。

さらに、この実施例では先の実施例で説明した前記演算
処理が検波スる前の信号でなされるとみなすことができ
るから、上記検出信号Ｐを相殺して略零レベルにするこ
とが可能となる。

このため、先の実施例と同様の効果は勿論、醍接線８か
らのエコ一群による検出信号Ｐを略除できるから先の実
施例以上にＳ／Ｎの向上をはかり得る。

また、メモリ１７や演算器１８等を必要とせず、非常に
簡易な構戒になるという利点がある。

なお、この発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。

例えば、前記第１の実施例のバースト波発振器１３によ
る異なる周波数のバースト波信号の数を増やしてもよい
。

さらに、メモリ１７や演算器１８等に高速動作可能なも
のを用いて、検波前の信号を演算処理するようにして、
より一層のＳ／Ｎ向上をはかることができる。

具体例では検波後に演算処理した場合、バースト波発振
器１３の発振周波数にＩＭＨ２，１．２ＭＨ２，１．４
ＭＨ２，１．６ＭＨ２，１．８ＭＨ２，２．０ＭＨ２を
用いることによって従来のものに比べてＳ／Ｎを約４倍
、同じ周波数で検波前に演算処理した場合Ｓ／Ｎを約１
０倍改善できた。

また、前記表示器１９にはＣＲＴモニタの代りにＸ−Ｙ
レコーダ等を用いてもよい。

さらに、超音波トランスジューサは送波用と受波用とに
別個のものを用いてもよい。

要するにこの発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種
々の変形して実施することができる。

以上説明したよ５Ｋこの発明によれば、時間的に周波数
の変化する超音波を被検体内に送波し、この送波された
超音波の上記被検体内からの反射超音波信号を検出する
ようにしたことによって、被検体内部の欠陥を高感度で
、かつ高いＳ／Ｎで検出できる簡易な構成の欠陥検出装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の欠陥検出装置を示す概略構成図、第２図
は上記装置の作用を説明するための図、第３図及び第４
図はそれぞれ金属材料３内に溶接線８が内在するときの
前記装置の作用を説明するための図、第５図はこの発明
の一実施例を示す概略構成図、第６図ａ，〜ｄ、第７図
及び第８図ａ，〜ｄ，は同実施例の作用を説明するため
の図、第９図はこの発明の他の実施例を示す概略構成図
、第１０図ａｙｂは他の実施例の作用を説明するための
図である。 ３・・・・・・金属材料、４ａｔ ４ｂ・・・・・・
欠陥、８・・・・・・溶接線、１１・・・・・・超音波
トランスジューサ、１２・・・・・・クロツク回路、１
３・・・・・・バースト波発振器、１４・・・・・・増
・福器、１５・・・・・・検波器、１６・・・・・・入
出力回路、１７・・・・・・メモリ、１８・・・・・・
演算器、１９・・・・・・表示器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波バースト波を被検体に送波する手段と、上記
   超音波バースト波の周波数を時間的に可変設定する周波
   数制御回路と、前記周波数の可変設定された超音波バー
   スト波の前記被検体による反射波をそれぞれ検出する手
   段と、これら検出信号を相互に加算処理してその加算情
   報から罰記被検体の欠陥部位を算出する手段とを具備し
   たことを特徴とする欠陥検出装置。 ２ 超音波バースト波の周波数は、バースト波毎に可変
   設定されるものである特許請求の範囲第１項記載の欠陥
   検出装置。 ３ 超音波バースト波の周波数は、１つのバースト波に
   おいてチャープ状に可変設定されるものである特許請求
   の範囲第１項記載の欠陥検出装置。