JPS6093955A - 超音波検査装置 - Google Patents

超音波検査装置

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JPS6093955A
JPS6093955A JP58202211A JP20221183A JPS6093955A JP S6093955 A JPS6093955 A JP S6093955A JP 58202211 A JP58202211 A JP 58202211A JP 20221183 A JP20221183 A JP 20221183A JP S6093955 A JPS6093955 A JP S6093955A
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JP
Japan
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ultrasonic
frequency
circuit
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inspected
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JP58202211A
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English (en)
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Sakae Sugiyama
栄 杉山
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Publication of JPS6093955A publication Critical patent/JPS6093955A/ja
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/34Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/348Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor with frequency characteristics, e.g. single frequency signals, chirp signals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/02Indexing codes associated with the analysed material
    • G01N2291/028Material parameters
    • G01N2291/0289Internal structure, e.g. defects, grain size, texture

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  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、超音波検査装置に検知とくに、被検体の金属
組織の粒界の大きさを測定するのに好適ガ検査装置に関
する。
〔発明の背景〕
金属組織の状態や大きさは、光学的方法や渦電流検査法
などによって測定することができる。しかし、これらの
従来法では被検体の表面か、あるいは衣層部しか測定で
きないので、深層部の検査には向かない。一方、超音波
検査法は、超音波周波数を低くすれば、深層部も調べる
ことができる。
しかし、この方法でも、数10μmの金属組織の粒界を
調べるには、波長が長すぎ、適当ではない。
例えば、鋼材深さ50wmは、超音波周波数2MI−I
Zで最深部まで検査可能であるが、その波長は約3鰭と
なり、方位分解能は3mmよりも小さくはならない。
このように、従来技術では金属材料内部の組織の状態や
粒界の太きキラ測定することが非常に困難である。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、従来の超音波探傷に使われている周波
数の超音波探触子を使用しても、金属材料内部の組織の
状態や粒界の大きさを簡易に測定できる超音波検査装置
を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、被検体に超音波を入射して受信されるその被
検体内部からの超音波エコー(以後、エコー)の周波数
スペクトルについて重心周波数を演算し、6該重心周波
数を予めめておいた実験値または理論値と比較し金属組
織の状態や粒界の大きさを測定するものである。
本発明の原理について、第1図を用いて説明する。超音
波検査において、超音波探触子で受信するエコー信号の
振幅は、被検体での超音波の減衰と反射を考慮すればめ
ることができる。エコー振幅pは(1)式で近似的に表
わされる。
p−pIID・γ ・・・・・・(1)ここで、p++
+ :入射波の振幅、D:超音波の往復時の減衰率、r
;反射体の反射率。以後、簡単のために入射波の振幅p
 + s =1として扱う。
超音波の往復時の減衰率りは、日本学術振興会製鋼第1
9委員会編「超音波探傷法」1日刊工業新聞社(昭49
.7)によれば、(2)〜(3)式で表わされる。した
がって、周波数fに対しては、第1図の細実線のような
減衰率りになる。
D= e −” ・・・・・・(2) α−Af十Bf4 ・・・・・・(3)ここで、α:減
衰定数、X:超音波の伝播距離。
f:周波数、AおよびB:定数。
反射体の反射率rは、上記参考文献によれば、反射体が
小さい場合、近似的に(4)式の如く表わされる。
ここで、S:円形平面反射体の面積、R:球形反射体の
半径、λ=V/f:波長、v:被検体内での超音波の音
速0 金属組織の形状は、超音波の反射体としては、円形平面
あるいは球形と考えても問題はない。倒れにせよ、反射
率γは、反射体の大きさを一定とすれば、周波数fの増
加に対して大きくなることは確かである。第1図の破線
は、反射体の面積Sをパラメータにした反射率γである
エコー振幅pは、(1)式から、第1図の太い実線のよ
うになる。つまり、エコー振幅pと周波数fの関係図に
おいて、最大値を示す周波数(後述の重心周波数fa)
は、反射体が小さくなる程、高い方に移っている。この
現象を利用すれは、金属組織の状態または粒界の大きさ
を測定できる。上記のp−1曲線をめる方法として、一
定の周波数fh(k=1〜N)毎にエコー振幅pvf、
測定する方法、または周波数帯域の広い超音波探触子を
用いて検査し、エコー信号を周波数分析する方法がある
。周波数分析の場合は、エコー振幅を(5)式からめる
。なお、多周波数fb (k=i〜N)の場合と区別す
る意味で、スペクトル強度q(f)の記号を用いた。以
後は、周波数分析の場合について説明する。
ここで、r(t):超音波エコー、1;虚数単位。
ω=2πf、τ:サンプル幅。
〔発明の実施例〕
本発明の実施例を第2図〜第5図を用いて説明する。
第2図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。図中、被検体1に超音波探触子2および超音波送受
信器3を用いて超音波を入射し、その被検体1からのエ
コー信号r(t)?受信する。
サンプル回路4は、上記エコー信号r(t)’t−所定
時開帳τだけ次段のアナライザ5に通過させる。このア
ナライザ5は、前記(5)式に従って、エコー信号r 
(t)のスペクトル強度q(f)k計算する。その結果
に基づいて演算回路6は重心周波数faを計算し、評価
回路8に出力する。他方、較正値または較正曲線記憶回
路7には、上記被検体と同一の標準試験片によって実験
的に得られた金属粒界の大きさR(ここでは、球形反射
体として説明する)と重心周波数f、の関係を記憶して
おく。上記評価回路8は、演算回路6からの出力を校正
値記憶回路7のデータと比較して、重心周波数f、から
逆に金属粒界の大きさRを評価し、表示回路9に表示さ
せる。
超音波探触子2および超音波送受信器3は、通常の市販
品でよい。超音波探触子2の周波数帯域は広いものを用
いる。広い周波数帯域のものでない場合は、複数個の狭
帯域探触子を使用し、実質的に広帯域探触子を用いたの
と同様にすればよい。
サンプル回路4は、第3図の例の如く、サンプル指令信
号ω(1)によって、エコー信号r (t)からノイズ
を除去するため時間幅τだけ通過させ、出力r”(t)
を次段の回路に送る。
アナライザ5においては、上記出力r”(t)から、例
えば、(6)式の如く、スペクトル強度q(fI)をめ
る。
ここで、M=τ/Δt、j=1〜N0 演算回路6での重心周波数f、の計算は、(7)式%式
% 上記アナライザ5および演算回路6で夾行する計算のフ
ロー線図を、それぞれ第4図および第5図に示す。
校正値記憶回路7には、試験片の材質や製造条件などの
違うもの毎に、重心周波数faと金属組織粒界の大きさ
Hの関係式、または表を記憶しておく。つまり、大きさ
R,は次のように表わす。
R,=R,(fo ) ・・・・・・(8)ここで、n
:試験片の違いを表わす添字。
上記の関係式またはデータは、標準試験片についての実
験あるいは理論的計算によりめて、例えばマイクロコン
ピュータシステムでデータ処理を行う場合は、リードオ
ンリーメモリ(R,OM)やランダムアクセスメモリ(
RAM)などに記憶しておけばよい。
特に、メモリ内容′(il−書き替え可能なRAMやデ
ィスクなどにデータを保持しておく場合は、試験データ
の蓄積と更新を継続していけば、精度が逐次向上し、よ
シ正確な計測と製造プロセスなどの制御が可能である。
評価回路8は、上記演算回路6でめた重心周波数fak
用い、(8)式の関係から、金属組織粒界の大きさ請求
め、これを表示回路9に出力する。
表示回路9は、通常のCRT、あるいは数字の表示管で
よい。C1(、Tへの表示としては、金属組織の大きさ
Rだけでなく、エコー信号の振幅pと合せて、例えば、
後記の第10図の形式でもよい。
rQ) 上記の本発明の実施例によって、実験的に重心周波数f
、から金属組織の大きさ請求めた例を以下に示す。
第6図および第7図は、それぞれ金属組織の粒界が大き
い場合と小さい場合の周波数スペクトルの例を示す。同
図は、超音波の周波数帯域が約1〜5MH2の超音波探
触子を用い、鋼材の試験片を検査したものである。これ
らの図から明らかな如く、粒界が大きい場合の重心周波
数faは小さい場合に比べ、直感的に低い方に位置して
いることが分る。
他の鋼材試験片での検査例を第8図および第9図に示す
。第8図は金属組織の粒界が大きい場合、第9図は小さ
い場合の周波数スペクトルである。
これらの図でも、上記の第6図および第7図と同じ傾向
がみられる。第6図および第7図の例では重心周波数の
定性的な解釈をしたが、粒界の大きさが異なる種々の個
所を検査した結果について、定量的に整理すると、第1
0図のようにプロットされる。同図には重心周波数f、
とともに、エコ(10) −振幅を表わす探傷感度pを示した。図中の口部のデー
タおよび○印のデータは、それぞれ、同一試験片におけ
る金属組織のムラおよび均質組織(正常部)からのエコ
ーを解析したものである。
探傷感度pは組織ムラと正常部とに拘らず、バラつきが
みられるので、エコー振幅による粒界の大きさの評価は
困難であることを示している。これに対し、重心周波数
f、は、組織ムラと正常部とに分けられる。逆に云えば
、重心周波数f、から、粒界の大きさ全評価できること
が分る。
第6図〜第9図の周波数スペクトルにおいて、重心周波
数fak計算して粒界の大きさを評価する方法の他に、
被検体によっては、fWj単のためにスペクトル強度q
の最大値を示す周波数から評価する方法もある。どの評
価法を選ぶかは、被検体の材質や製作条件などが同一の
試験体での実験値によって決めればよい。
これまでの説明では、スペクトル強度q(f)を(5)
式によって算出したが、さらに供試探触子による影響を
なくす方法として、(9)からめてもよい。
(11) ここで、qp(f)は探触子の周波数スペクトルである
。この特性は、例えば被検体と同一の材質および製作条
件の試験片の底面エコーを周波数分析することによって
めることができる。
(9)式において、qpげ)で割る意味は、次の通りで
ある。例えば、供試された超音波探触子の感度が周波数
領域の両端付近で低い場合には、被検体が急峻な周波数
応答を示すかに見られてし壕う。
そこで、各測定周波数点における感度QP(j’)で割
れば、探触子の感度が低いところでは、この分母も小さ
くなるから、探触子の感度差による測定値の誤差が補正
される。すなわち正規化されるのである。
広帯域探触子ではなく、狭帯域の探触子を複数個用いた
場合についても、各周波数f+別に(6)式からスペク
トル強度q(fs)を計算し、上記の場合と同様にして
金属組織の粒界の大きさを評価することができる。
(12) 第3図におけるサンプリングの時間幅τは、検査領域(
長さ)との関係から、(10)式を用いて設定する。
τ=t/2C・・・・・・(10) ここで、t:検査領域、C:超音波の音速。
〔発明の効果〕
本発明によれば、超音波エコーの周波数スペクトルの重
心周波数から、特別な超音波探触子を使わずに超音波の
波長よりもはるかによい分解能で、被検体の金属組織の
粒界の大きさを測定できるので、材料検査や診断または
品質管理に大きく寄与する。また、製造プロセスの改良
にも役立てることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の詳細な説明図、第2図は本発明の一実
施例のブロック図、第3図はエコー信号のサンプリング
状況を示す図、第4図および第5図は周波数スペクトル
および重心周波数計算のフロー線図、第6図〜第9図は
エコー信号の周波数スペクトルの例、第10図は重心周
波数とエコー振幅との関係を示すマツプにおける検査デ
ータを示す。 1・・・被検体、2・・・超音波探触子、3・・・超音
波送受信器、4・・・サンプル回路、5・・・周波数ス
ペクトルアナライザ、6・・・演算回路、7・・・校正
値記憶回路、8・・・評価回路、9・・・表示回路。 代理人 弁理士 鵜沼辰之 (14) 02 tト 6−J− キー図 〃 07 年 61

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、金属材料の超音波検査装置において、被検体に超音
    波を入射させて超音波エコー信号を受信する超音波探触
    ギおよび超音波送受信器、超音波エコー信号の所定時間
    幅を選択するサンプル回路、このサンプル回路の出力を
    周波数分析するアナライザ、アナライザで算出した上記
    超音波エコー信号の周波数スペクトルから周波数の重心
    をめる演算回路、別途標準試験片による実験や理論計算
    からめた金属粒界の大きさと上記重心周波数との関係を
    記憶する較正値記憶回路、較正値記憶回路の出力と上記
    演算回路の出力とを比較し金属粒界の大きさを評価する
    評価回路とからなることを特徴とする超音波検査装置。 2、特許請求の範囲第1項において、演算回路で重心周
    波数を演算するときの周波数範囲を上記超音波探触子の
    周波数帯域に設定することを特徴とする超音波検査装置
    。 38 特許請求の範囲第1項において、較正値記憶回路
    が上記被検体の材料や製作条件毎に較正値を記憶し、こ
    の較正値の精度を試験データの蓄積と更新とによって逐
    次向上させることを特徴とする超音波検査装置。
JP58202211A 1983-10-28 1983-10-28 超音波検査装置 Pending JPS6093955A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008216008A (ja) * 2007-03-02 2008-09-18 Toshiba Corp 生体関連物質測定装置およびこれに用いるカートリッジ
JP2011027586A (ja) * 2009-07-27 2011-02-10 Tobishima Corp ひび割れ深さ計測方法
JP2018205033A (ja) * 2017-05-31 2018-12-27 三菱重工業株式会社 検査対象物の内部欠陥の検出方法及び検出装置

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