JPS59151057A - 超音波探傷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、金属及び非金属等による・ヤイプ等の円筒体
の欠陥を検出するだめの超音波探傷装置に関するもので
ある。

〔従来の技術的背景〕

金属および非金属等の円筒体例えば・９イゾ構造物−の
超音波探傷においては、対象が円筒物であるため、従来
、送・受信用斜角探触子から超音波ビームを送信させな
がら、探触子を手動走査させ、欠陥からの反射波を受信
して欠陥を検出する方法が採られていた。

この探傷方法では、パイプの欠陥までのビーム　程が一
定であるだめ距離振幅特性が大きく変動する。また、探
触子の振動子の各面からの・やイブへの入射角が各々異
なるため、入射効率及びノＲイブ内面での反射効率が低
下するため、探傷感度が低下し、欠陥検出能力が低下す
る。

一方、インボリュート曲線の法線方向に超音波ビームの
送受を行うことのできるようにしたインぎり一一ト型探
触子を用いた・臂イブ欠陥探傷では、インボリュート曲
線の特性上、ノやイブ内・外周面での入・反射効率が一
定に保持されるため９、探傷感度が均一化し、また探触
子の長さ及び幅を十分取れば距離振幅特性７５−一定と
なシ、これによってパイプ欠陥の検出能力の著しい低下
を防ぐことができる。

しかし、前記インボリュート型探触子では、１つの探触
子で１つの固定された超音波ビーム送受波方向しかつく
れず、従って欠陥に対して最適な入射角で探傷すること
が難し！くまた、径の異なる・やイゾに対しても、その
径に合う最適入射角を設定した探触子を各々製作しなけ
ればならずこのような探触子製作の困難さなどの欠点が
ある。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に鑑みて成されたもので、超音波ビー
ムの送受方向を任意のインボリュート曲線の法線方向か
らの送受となるよう口］変設定できるようにして探傷能
力を向上させ、まだ、径の異なる円筒体に対してもその
まま同じ探触子を利用できるようにした超音波探傷装置
を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕 即し１本発明は上記目的を達成するため、被検体である
パイプ等の円筒体を超音波探傷する超音波探傷装置とし
て、この被検体に対する超音波送受用の複数の超音波振
動子を並設してなるアレイ型の探触子と、これら各超音
波振動子の超音波送受を制御し、これら超音波振動子の
前記被検体に対する超音波ビームの送受方向が所望のイ
ンボリュート曲線の法線方向となるよう制御する電子走
査制御手段と、これにより得られた超音波ビームの受信
信号を表示する表示手段とより構成し、探触子の各振動
子に遅延時間制御を施してインボリュート曲線の法線方
向の超音波ビーム送受方向となるよう電子走査すること
により、探触子のどの振動子からの超音波ビームも被検
体に対する入射角は皆等しくなり、これによって超音波
ビームは被検体内周面で皆同−反射角で反射されること
になシ、従って、探触子から送信される超音波ビームは
被検体内外周面での入・反射効率が一定に保たれること
になるから、これによシ探傷感度を均一化すると共にエ
ボリーート曲線の径を変えてインボリュート曲線を変化
させれば超音波ビームの送受波方向を任意に可変できる
ので、これを利用して探触子を定位置に固定したまま超
音波ビームの送受波方向を可変することによって欠陥に
対して最適な入射角で超音波探傷することができるよう
にし、これによって高精度で能率的にパイプ等の欠陥を
探傷することができるようにする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。

本発明の一実施例を第１図に示す。図は本発明による電
子走査型超音波探傷装置の構成を示すプロ、り図であシ
、図中１は複数の超音波振動子（以下、単に振動子と称
する）を所定ピッチで並設した電子走査方式の送・受波
用アレイ型の探触子である。との探触子ｌはその送・受
面側に検査対象である・やイゾ等の被検体Ｐに密着させ
ることができるよう被検体Ｐの表面の曲率に合わせた接
触面を持つ音波伝達用のシュー１ａが取り付けてあり、
このシ＋、　−１ａを第１用して被検体Ｐに接触させる
。

との探触子１は各振動子に超音波のビーム方向に応じた
遅延時間で超音波送信／ｆルスを発生し、同一方向、同
−深さからの信号が揃うようにするなどの処理を行う超
音波受信器群３に電気的に結合されている。ここで超音
波発信器群２、超音波受信器群３における超音波発信器
および超音波受信器はそれぞれ送・受波用アレイ型の探
触子１内の振動子数に対応した数だけ、または−回の励
振に用いる一組分の振動子数に対応した数だけ用意され
ており、前者の場合は所望とする超音波ビーム発生位置
に対応する所定数の一組分を、選択してまた、後者では
図示しない切換器によシ励振すべき一組分の振動子に選
択接続して使用する。

そして、前記超音波発信器群２と超音波受信器群３は超
音波送受信用の各振動子群の選定と各振動子への超音波
発信タイミングおよび超音波受信時間タイミングを制御
する遅延時間制御器４に結合されている。遅延時間制御
器４は被検体探傷条件である超音波ビーム集束、偏向等
を任意に選定可能であシ、広範囲な探傷が可能となって
いる。

特に、受信時においては、前記遅延時間制御器４の信号
に応じて、各振動子からの受信号超音波波形を遅延加算
させること、および前記加算波形を記憶することを可能
とした遅延加算器５によシ加算超音波波形を得ることを
可能としている。

さらに、得られた波形の中で、最大感度を示す加算波形
を検出して取シ出し、検波増幅器６増幅器６で所定の超
音波ビーム路程範囲にケ゛−トを付して、ダート内で受
波した超音波波形のビーム路程、エコー高さをディソタ
ル表示させることを可能としている。

まだ、９は画像表示器であり、前記信号処理器８は前記
ビーム路程を用い、水浸法での液体中、被検体中の超音
波ビームの音速、超音波ビームの偏向角度、集束点位置
等の探傷条件から欠陥位置を演算し、算出してこの画像
表示器９にディソタル表示すると共にＢスコープ表示さ
せることを可能としている。

尚、探触子１における前記シー−１ａは任意の７９イブ
に対してその表面に密着できるよう被検体であるパイプ
の径に合わせたものを用いるべく、交換可能になってお
り、このシー−１ａによって、探触子１から被検体Ｐへ
送受波される超音波ビームの乱れや混信等の悪影響が生
じないように力っている。

次に上記格成の本発明の作用について説明する。

本発明の装置によれば、探触子１の各超音波振動子のう
ち選定した隣接する複数個の超音波振動子について振動
タイミングを制御することによシ超音波ビームＵＢの送
・受波方向を任意に可変制御することを可能としている
ため、これらの機能を用いて被検体Ｐ内の欠陥Ｔを検出
することができる。

以下、本発明の超音波探傷装置の作用を詳しく鯖明する
。第２図は本発明の詳細な説明をするだめの図であシ、
図中の破線Ｉは、半径ａ々るエボリーート曲線Ｈによっ
て生ずるインボリュート曲線を示しておシ、通常、イン
ボリー−ト曲線Ｉ上の任意の点Ｐ（Ｘｐｙ）は次式を満
足するものである。

尚、βはインボリュート曲線の原点位置とＰ点位置との
成す角である。

本発明の装置によれば、超音波ビーム送受波方向を任意
に電子走査させることを可能としているため、これらの
機能を用いて被検体内を探傷することができる。

本装置は探触子１の各超音波振動子からの超音波ビーム
発情時間を遅延時間制御器４で制御して、超音波発信器
群２を駆動し、所望の位置の振動子群を励振制御して超
音波発信させる。

そして、前記探触子１からの超音波ビームＵＢがシュー
での屈折を含めてインボリュート曲線Ｉ上からの送受波
になるように施こす。即ち、被検体１に対しインボリュ
ート曲線の法線方向への送受波方向となるよう制御する
。とのような遅延時間制御によシ、探触子１の各振動子
からの超音波ビーム［ＪＢの被検体Ｐへの入射角は同一
となっている。すなわち、第３図において、探触子１の
各振動子ａ１〜ａｎからの被検体Ｐへ、の入射角はθ１
−θ２−・・・−θ□となる。まだ、同一人射角で被検
体Ｐへ入射された超音波ビームは、被検体内周面で同一
反射角γ１−・・・−γ１−・・・＝γ　で反射される
。従って、探触子１の各振動子から放射される超音波ビ
ームＵＢは被検体内外周面での人・反射効率が一定に保
たれることになる。まだ、第４図に示されるように探触
子１の振動子ａｎから放射される超音波ビームＵＢの被
検体Ｐ内での１スキツプのちの第２スキップ開始点が、
前記探触子ｌの振動子ａ　の１ 超音波ビーム入射点と一致するように探触子１内の振動
子を配列させることによシ、各振動子から放射する超音
波ビームの被検体内・外周面での減衰率を低くすること
ができるため、探触子１を移動させることなく、被検体
Ｐに超音波ビーム入射角θ、内周面反射角γで、超音波
ビームを入射させるととができる。欠陥Ｔからの反射超
音波ビームに対しても遅延時間制御器４にて、前記と同
一のインボリュート曲線上への入射になるように、探触
子１の各振動子に受信時間タイミングの制御を施して受
信するととによシ、欠陥検出が可能となる。このように
して探傷した場合、探触子から欠陥までの距離とそのと
きのエコー高さの関係は第５図のように力り探傷距藺］
による超音波ビームの減衰は低く押さえられる。

寸だ、第２図に示したエボリュート曲熱ローの半径ａを
変化させることによシ、イン？り一一ト曲線Ｉが変化す
る。従って、図示しない設定手段によりエボリュート曲
線の径ａを所望の値に設定してインボリュート曲線を変
化させ、この変化したインぎり一一ト曲線Ｉ上から超音
波ビームが放射、されるように、前記探触子１の各振動
子に遅延時間制御器４で、発振時間タイミングを制御す
ることによシ、所定のインボリュート曲線上における法
線方向への超音波ビーム放射になシ、任意方向への超音
波ビームの送信が行えるようになる。とこで被検体への
入射角は前記の入射角と異なるだめ、インボリュート曲
線■を変化させることによシ、被検体Ｐへの超音波ビー
ム入射角を任意に選択することができ、それに伴なって
、探触子１を移動させることなく、欠陥Ｔに対して最適
な入射角で探傷可能となシ、欠陥Ｔからの反射波を、励
振振動子群で受信し、その出力を被検体Ｐへの超音波ビ
ーム入射時の遅延時間制御と同一の遅延時間制御にて超
音波受信器群３で受信することによシ、被検体全体の探
傷が可能となる。即ち、欠陥Ｔからの反射波を、励振振
動子群で検出し、その検出出力を上記送信時の遅延時間
制御と同一の遅延時間制御となるように遅延時間制御器
４により超音波受信器群３を制御して受信し、遅延加算
器、５で時間軸がそろうよう遅延加算して受信出力とし
、これをもとにＡスコープ、Ｂスフ−１表示すれば被検
体全体の探傷が行える。

一端の振動子ａ　から入射される超音波ビームの被検体
内での１スキップ以上の大きさを有するだめには、次の
ような関係が生ずる。

パ　　πＲＩＲ。

２ＡＴｈＡ、八。≧　ＡｌＣ−９０（ｓｉｎ　　　（ｇ
　　ｔ　　ｔ＋＋＋θ）−θ）・・（２）ここで、Ｒは
被検体の外半径、ｔは肉厚、θは超音波ビームの被検体
Ｐへの入射角である。

従って、探触子寸法は（２）式によって定まるものであ
シ、被検体Ｐへの入射角は１θＩ≦ｓ＝’（”−９を満
足する角度の範囲を探傷できる。ここで被検体の入射角
θはエボリュート曲線の半径ａと被検体外半径Ｒによっ
て次のように定まるものである。

θ−５Ｉｎ（Ｔ）　　　　　　　　　　　　　・・・・
・・・・（３）次に、遅延時間の与え方の一方法につい
て第７図を用いて説明する０図において、振動子輻の位
置から放射された超音波ビームＵＢがＡ。ｎ→Ａｎ−＋
Ｂｎ−＋Ｃｎ−＋穐の経路を通り、振動子ａ１の位置か
ら放射された超音波ビームがＡ。ｉ→Ｃｎ→Ｂ、の経路
を辿るとし、各経路を通過する時間およびビーム路程を
次のようにする。Ａｏｎ−＋Ａｎ：ｔｎ、ｔｎ；Ａｎ−
＋Ｂｎ−＋Ｃｎ：ｔｎ′、ｔｎ′；Ａｏｉ−＋Ｃｎ：ｔ
ｉ、４さらに、超音波ビームの欠陥入射角θを決め、か
つ、振動子ａｎからの超音波ビームが被検体内で１スキ
ツプしたときと、振動子ａｉからの超音波ビームが被検
体Ｐへ入射するときの位相を一致させるようにするには
、振動子ａｎ、Ｊに与える遅延時間をｔｎｏ”ｉｏとし
て、次の式が成立する。

ｔ、＋ｔ、　　　＝　ｔ　　十ｔ　　＋ｔ’＋　　　　
１０　　　　　　　ｎ　　　　ｎｏ　　　　ｎ”　ｔｉ
ｏ　’ｎｏ＝ｔｎ＋ｔｎ”　ｉ　　　　　　　　　・・
−・・・・・（４）従って、（４）式のように各振動子
間の振動子を励振させる時間差が求まる。さらに、被検
体Ｐおよびシュー１ａでの超音波速度をｖ、、Ｖａとす
ると、 Ｚｎ＝ｊ　ｎ　ｖａ　＋　ｔ　ｒ　＝ｔｔ　ｖａ　＋　
ｌ　ｎ＝ｔｎ　Ｖ　ｓとなり、（４）式は次のようにな
る。

よって、各振動子において、振動子を励振させる時間タ
イミングをインボリュート曲線Ｉ上からの超音波ビーム
の放射になるようにするには、（５）式を満たすように
シュー１ａの大きさ、形状を与える必要がある。

このようにして探触子１内の各振動子から超音波ビーム
を放射することよシ被検体入射点で、超音波ビームの位
相が重なシあう箇所が多くなシ、超音波減衰をかなシ低
くおさえることができる。

このようにして前記、超音波ビーム送受波方向を探触子
１上における超音波ビーム発信位置等を遅延時間制御装
置によシ随時選択して、被検体Ｐに該送信位置、送波方
向で超音波ビームを入射したのち、欠陥Ｔからの反射波
を受信し、検波増幅器６で検波増幅してブラウン管７に
Ａスコーフ０表示させる。さらに、探傷時に被検体Ｐ内
の超音波波長、形状、被検体内外周面での入反射角、探
触子１０周波数、寸法等を信号処理器８に入力し演算さ
せ欠陥位置を求めて第８図に示すように被検体Ｐの輪郭
線と探触子１の位置を示すマーカＭｌ、Ｍ２とともに欠
陥Ｔ位置を画像表示器９にＢスコープ表示させることも
可能である。

これによって、ＡスコーフＯ，Ｂノコ−１表示内容から
欠陥Ｔの位置を高精度且つ容易に知ることができるよう
になる。

このようにパイプ状の被検体内周面には、本発明の超音
波探傷装置を用いると、エビリーート曲線の径を可変し
て、このエボリュート曲線に基づくインボリュート曲線
を得、このインボリュート曲線上からの超音波ビーム送
受となるように制御することによって任意の超音波ビー
の異なるものに対しても、即時適用可能となシ、欠陥検
出性能が大幅に向上する。

さらに、第９図に示すように、水９１を満たした水槽９
２に被検体Ｐとシューのない探触子の遅延時間制御を施
して、超音波ビームが水から被検体への入射時に、イン
ボリュート曲線上からの入射になるようにして被検体を
探傷すれば、欠陥の画像表示や寸法推定も可能となる。

また、第１図の実施例では探触子ｌにシュー′１ａを設
けて、このシ、　−１ａを介して探触子１と被検体２表
面とを接触させることによシシューを交換するだけ被検
体Ｐの径の変化（対応できるようにしだ例を示したが被
検体の径が一定であるときには振動子面を被検体表面に
密着できるようにこの径に合わせた曲率で振動子群を円
弧状に配設した探触子を用いるようにすることもできる
。この場合、シューが不要となるので、シューでの超音
波ビームの屈折等を考慮しないで済むようになる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明は被検体としてノ４イゾ等の
円筒体を超音波探傷する超音波探傷装置として、この被
検体に対する超音波送受用の複数の超音波振動子を並設
して成るアレイ型の探触子と、これら各超音波振動子の
超音波送受を制御し、これら超音波振動子からの被検体
に対す−る超音波ビームの送受方向が所望のインボリュ
ート曲線の法線方向となるように制御する電子走査制御
手段と、これによシ得られた超音波ビームの受信信号を
表示する表示手段とよ多構成し、探触子の各振動子に遅
延時間制御を施してインボリュート曲線の法線方向の超
音波ビーム送受方向となるよう電子走査することによシ
、探触子のどの振動子からの超音波ビームも被検体に対
する入射角は皆等しくなシ、これによって超音波ビーム
は被検体内周面で皆同−反射角で反射されることになシ
、従っで、探触子から送信される超音波ピーｌ、は被検
体内外周面での入・反射効率が一定に保たれることにな
るから、探傷感度が均一化する他、エポリュート曲線の
径を変えてインボリュート曲線を変化させれば超音波ビ
ームの送受波方向を任意に可変できるので、探触子を定
位置に固定したまま、超音波ビームの送受波方向を可変
することによって欠陥に対して最適な入射角で超音波探
傷することができるから、高精度で能率的にパイプ等の
欠陥を探傷するととができる等、優れた特徴を有する超
音波探傷装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
本発明の詳細な説明をするだめの図、第３図、第４図は
本発明装置における被検体に対する各振動子位置からの
超音波ビームの入射角と反射角の関係を説明するだめの
図、第５図は探触子から欠陥までの距離と検出されるエ
コー高さの関係を示す図、第６図は本発明装置における
探触子寸法の関係を説明するための図、第７図は本発明
装置における遅延時間の与え方を説明するための図、第
８図はＢスフ−１表示例を示す図、第９図は本発明を水
浸法に適用した場合を示す図である。 １・・・探触子、１＆・・・シュー、２・・・超音波発
信器群、３・・・超音波受信器群、４・・・遅延時間制
御器、５・・・遅延加算器、６・・・検波増幅器、７．
・・ブラウン管、８・・・信号処理器、９・・・画像表
示器、Ｐ・・・被検体、ａ１〜ａｎ・・・超音波振動子
。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第１ｔｙＪ ム ］正・ 一１−一 だ ３２０− 第３図 ３　　　第４ＷＪ 第６図 麻角玄→−ｐゝクラ〈自１よ（り］１町ガ毘第　乙　回 Ｐ 第３図 第り図 ３２１−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 円筒状の被検体を超音波探傷する超音波探傷装置として
   、この被検体に対する超、音波送受用の複数の超音波振
   動子を並設して成るアレ１゛型の探触子と、この探触子
   の各超音波振動子の超音波送受を制御し、これら超音波
   振動子からの前記被検体に対する超音波ビーム送受方向
   が所望のインボリュート曲線の法線方向となるよう制御
   する電子走査制御手段と、これより得られた超音波ビー
   ムの受信信号を表示する表示手段とより構成したことを
   特徴とする超音波探傷装置。