JPS62112060A - 電子走査型超音波探傷装置 - 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、電子走査型の超音波探傷装置を用いて金属材
料や非金属材料等の被検体内部の欠陥を探傷する超音波
探傷方法に関する。

［発明の技術的背景コ 金属材料や非金属材料の被検体内部を険査する手段とし
て従来より超音波を用いた超音波探傷装置が一般に利用
されており、なかでも被検体内部の欠陥が被検体表面に
対し垂直な割れであるような場合には、第５図に示すよ
うに、超音波振動子１に梗２を取付けた斜角探触子を用
い、割れ４の面に対しできるだけ垂直に超音波ビーム５
を入射することのできる斜角探傷法が有利である。また
第６図（ａ　＞の斜視図及び第６図（０）のＡ−Ａ方向
の断面図である第６図（ｂ）に示すように、超音波送信
用および受信用それぞれ専用の超音波撮動子１ａ、１ｂ
を、喫２にとりつけた分割型斜角探触子において、送信
および受信超音波振動子ｌａ、ｌをお互いに若干傾むけ
、探触子中心軸上でそれぞれの超音波ビーム５ａ　、５
ｂを交叉させ、特定領域７の欠陥検出能を向上させる超
音波探傷方法も良く利用される。この探傷方法は、被検
体表面近傍の垂直な割れに対しても、超音波送受の合焦
領域が欠陥位置に合致した分割型斜角探触子を選定すれ
ば、通常の斜角深間法に比らべ高い欠陥検出精度が得ら
れる。

しかしながら、その反面、第７図に示すように、Ｃを距
離、Ｐを受信パワーとすると分割型探触子の距離振幅特
性は超音波送受の合焦領域でのみ反射超音波のレベルが
高く、それ以外では著しく反射超音波のレベルは小さく
なり、欠陥の検出能が悪いことを示している。従ってあ
らかじめ欠陥位置が予測できない場合には、超音波送・
受の合焦領域の異なる複数の探触子を用いる等により対
処せざるを（ｑなく、作業性が悪くなるばかりか、検査
精度の維持を困難にしているという欠点を有していた。

［発明の目的］ 本発明は上記事情にもとづいてなされたものであり、被
検体の内部の欠陥が被検体表面に垂直な割れであっても
、またその欠陥がいがなる深さ位置にあっても良好な探
傷性能を有する超音波探傷方法を提供することを目的と
する。

［発明の概要］ 上記目的を達成するため本発明による超音波探傷方法で
は、斜角２分割型探触子の超音波送信用および受信用の
それぞれの専用の振動子群を、振動子複数個を直線状に
配列したアレイ振動子を用い、これらの振動子による超
音波送信および受信タイミングを電子的に制御し、超音
波送波ビームおよび受波ビームそれぞれの集束点位置を
任意に設定し得る機構を備え、さらに超音波送信および
受信に寄与する超音波振動子群の選定をも任意に設定し
得るようにしている。

これらにより、超音波送波ビームおよび受波ビムのそれ
ぞれの集束点位置を探触子の中心軸上の同一の点とした
超音波の送・受信が可能になり、その時の超音波送・受
波ビームの集束領域における方位分解能特性および欠陥
検出感度特性は優れたものとなる。ざらに超音波送波・
受波ビームの集束点位置を探触子の中心軸上で順次ずら
しながらくりかえし超音波の送受信を行なうと共に、集
束点位置が探触子面よれ近いときには、超音波の送・受
信に寄与する振動子群の数を少なくし、遠くなるにつれ
振動子群の数を多くして超音波の送受信を行なうことに
より、探触子中心軸上のいかなる位置においても常に集
束された超音波ビームで探傷することが可能となり、さ
らに、集束点位置に応じて超音波送受信における振動子
群の開口を変えるようにしたため、集束点位置にかかわ
らず集束の強度を概略一定とすることができ、欠陥の深
さ位置にかかわらず安定した方位分解能特性および欠陥
検出感度特性が得られ、欠陥の検出能および欠陥位置１
寸法績度を高めることを可能とする。

［発明の実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面にもとづいて詳細に説明
する。

第１図は本発明方法を実施する装置の一実施例を示す構
成図である。アレイ型２分割探触子２０は、１個の探触
子の中に直線状に配列された超音波送信専用の超音波振
動子群１ａ及び受信専用の超音波振動子群１ｂを並設し
てなり、送信専用の超音波振動子群１ａはそれぞれ送信
パルスを発生する超音波送信器群２１と結合されており
、この超音波送信器群２１は送信遅延設定器２２からの
パルス発生用トリガ信号によって全部のあるいは数個の
送信器を選定しそれぞれの対応する超音波振動子１ａへ
送信パルスを送り、これに応答して超音波振動子１ａが
超音波を送波するよう構成されている。一方送信専用の
超音波振動子１ａより送波された超音波は、被検体内部
で反射され、受波専用の超音波振動子１ｂに到達する。

この受波専用の超音波撮動子１ｂは超音波の音圧変化に
対応した電気信号を発生し、受信機能を有するので、そ
れぞれの受波専用の超音波振動子１ｂで検出した受信信
号は、それぞれに対応する超音波受信器群２３によって
増幅された後、それぞれに対応するＡ／Ｄ変換器２４へ
入力される。

このＡ　、／　Ｄ変換器２４は超音波信号を高速でディ
ジタル信号に変換するものであり、受信波形を忠実にデ
ィジタル量に変換することができる。またＡ／Ｄ変換器
２４には、受信信号のディジタル変換の開始用トリガ信
号が、受信遅延設定器２５からそれぞれ供給されている
。このトリが信号を受けた全部のあるいは一部のＡ／Ｄ
変換器２４はトリが信号の入力時点に同期して超音波受
信波形がディジタル信号化される。

信号制御器２６は、受信遅延設定器２５、送信遅延設定
器２２に対して超音波受信にかかわる振動子群と送信に
かかわる振動子群とを選択し、あらかじめ設定した超音
波ビームの送波および受波方向、および集束点距離に応
じたトリが信号出力のタイミングを与える。

また、各Ａ／Ｄ変換器２４の出力は加算メモリ２７にデ
ィジタル波形加偉されて記憶される。ずなわちＡ　／’
　Ｄ変換器２４に一旦保持された明盲波受信号のディジ
タル波形は、ディジタル波形化された時点をそろえて各
超音波信号専用の振動子群１ｂによる受信信号がディジ
タル加算されて記憶されることになる。これらの操作は
信号制御器２６によって制御されている。加算メモリ２
７の加算された受信波形は、信号処理器２８に入力され
る。

信号処理器２８はこの加算波形を検波し、検波波形にす
ると共に、信号制御器２６によりあらかじめ設定された
振幅補正データーにもとづき、検波波形の信号レベルを
調整し、ＣＲＴ等の波形表示器２９へ出力し、Ａスコー
プを表示させる。

このようにして第１図に示した７１３ｆ７．波探傷装置
は送信および受信用の超音波振動子の選定や、送波およ
び受波超音波ビームの方向と集束点距離の変更毎に繰り
返して上述の操作を行なう。

次に、第１図に示した超音波探傷装置の動作説明につき
、第２図、第３図、第４図を参照しつつ、本実施例に係
わる超音波探傷方法について説明する。

第２図に示すように超音波の送信と受信それぞれについ
て模２に設けられたじゃへい板６により分離されて専用
のアレイ型振動子１ａ、Ｉｂで構成される斜角２分割探
触子を用いる場合について説明する。即ち、アレイ方向
と直角な断面における超音波ビームの伝播経路は第２図
（ａ　）に示すように振動子１より送波された超音波ビ
ームの中心軸は、喫２を伝播し、被検体３の表面に対し
入射角αで超音波ビームは被検体３に大剣する。この時
、喫２の音速ＣＷ、被検体の音速ＣＭとすれば、スネル
の法則により被検体３への屈折角θは次式で表わされ、
一義的に決定される。

この屈折角θをできるだけ大きくすることにより、被検
体３内部の被検体表面に対し垂直な面をもつ割れなどの
欠陥４において、その欠陥面に対し超音波ビームの入射
角は垂直に近づくため、欠陥４からの超音波反射強度が
大きくなり、有利であることは良く知られている。

超音波送波専用Ｓ動子Ｍ１ａおよび受波専用抛動子群１
ｈによる超音波の集束は、第２図（ｂ）で示した超音波
ビーム中心軸上でのアレイ方向の断面について考えれば
良く、それを第３図（ａ　＞に示した。　　゛ すなわち、第３図（ａ）において、アレイ型２分割探触
子の中心軸上のＦ点に送波超音波ビーム及び受波超音波
ビームを集束させるためには、それぞれの超音波振動波
１ａｉ、１ｂｊと超音波集束点Ｆとの伝播経路において
、模２と被検体３との境界とのなす角αｉ、θ１および
αｊ、θｊがスネルの法則を満たすような超音波入射点
Ｃ，Ｄが決定されるなら、送波については、喫内伝播距
離Ｊ１１ｉ、被検体内伝播距離１２１から送波超音波ビ
ームの集束に必要なそれぞれの振動子の送波遅延時間は
次式で求めることができる。

促し　１工　：探触子中心軸上の横内距離Ｊ２　：探触
子中心軸上の被検体内距離ＣＷ：横内音速 ＣＭ＝被検体内音速 同様に受波超音波ビームの集束に必要なそれぞれの振動
子の受渡遅延時間は次式で求められる。

但し超音波振動子と集束点を通る音線径路においてスネ
ルの法則を満足する模２と被検体３との境界での入射点
Ｃ，Ｄを求める式は陰関数となり直接計算により求める
ことはできないので、試行となる時の入射点Ｃ，Ｄを決
定している。

このようにして求められた超音波送受信タイミングであ
る送・受信遅延時間を、信号制御器２６により送信遅延
時間設定器２２および受信遅延時間設定器２５へ設定し
超音波の送受信を行なうと、集束点Ｆで集束された送波
超音波ビームと受波超音波ビームとは集束点Ｆで交差す
る。従って第３図（ｂ　）　　（ｃ　）に示すように検
出感度特性３１および方位分解能特性３２は、電子集束
を行なわない通常の２分割探触子の場合３１ａ、３２ａ
　　（破線で示す）に比べ、電子集束を行なったアレイ
型の２分割探触子の場合３１ｂ、３２ｂ　　（実線で示
す）は集束点近傍で秀れた特性が得られる。しかし、集
束点より外れるにつれそれは悪くなるので、欠陥の位置
があらかじめ推定できない場合には、集束領域外の位置
の欠陥に対しては十分な検出能力が得られることになる
。

そこで、第４図（ａ）に示すように、探触子の中心軸上
に沿って集束点をＦｌ、Ｆ２・・・・・・Ｆｎと段階的
に順次送信遅延設定器２２におよび受信遅延設定器２５
へ超音波送受信タイミングを設定・変更し、超音波の送
受信を行なう。これにより被検体内部のいかなる深さ位
置の欠陥に対しても集束された超音波ビームにより検査
することができる。

さらに、欠陥深さ位置が浅いとき、すなわち集束点距離
が短かい場合にはアレイ型振動子１の作動する撮動指数
は少なくても十分な集束特性が得られるのと、集束点距
離が長くなる場合には、良好な集束特性を得るためには
、作動する振動子数多くしてやらなければならないため
、集束点変更に伴なう超音波送受遅延時間設定・変更と
同時に、信号制御器２６は、あらかじめ設定されて振動
子開口補正データーにもとづき、作動する超音波振動子
群１ａ、１ｂの選定と変更とを送信遅延設定器２２、受
信遅延設定器２５に対して行なう。

また、信号制御器２６は、集束点の変更および超音波振
動子群の開口の変更に伴なう最大受信号レベルの変動を
補正するため、あらかじめ測定して得られた各集束条件
における距離振幅特性の最大値にもとづき、その最大振
幅値が集束条件にかかわらず略一定となるよう集束点の
変更毎に信号処理器２８に対し振幅補正データーを設定
・変更する。

これにより見かけ上の唱音波送受集束領域４１は、探触
子中心軸上に軸集束されたのと等価になり、欠陥の深さ
位置にかかわりなく優れた方位分解能及び検出感度特性
が得られることになる。

なお、第４図（ｂ）は総合検出感度特性３１（１）を説
明する図であり、それは各集束条件における超音波送受
の距離振幅特性３１（１）〜３１（ｎ）の包絡線をとる
形で表わすことができ、欠陥深さ位置にかかわらず、略
一定の検出感度で探傷可能であることを示している。

以上説明した実施例では、櫟つきの斜角２分割探触子を
用いる場合について説明したが、垂直２分割型あるいは
襖のかわりに液体を用いる水浸探傷法においても適用で
きるものであり、本発明に含まれるものである。

なお上述の説明においては、超音波の受信号波形を高速
のＡ／Ｄ変換を行ないディジタル母での波形加算を行な
うようにした場合について説明したが、ＣＯＤ　（Ｃｈ
ａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　　［）ｅｖｉｃｅ　）やア
ナログ遅延線等を用いたアナログ量での波形加算を行な
うようにしても同様に実現できることは言うまでもない
。

［発明の効果］ 以上実施例にもとづいて詳細に説明したように、この発
明によれば、アレイ型の２分割探触子を用い、超音波送
受波ビームを探触子の中心軸上で集束・交叉させると共
に、その集束・交叉点位置を探触子中心軸上で段階的に
繰返し設定・変更させ、さらに集束点の設定変更毎に、
超音波送受信にかかわるそれぞれの撮動子群の選定・変
更を行ない、見かけ上、探触子中心軸上で軸果させたの
と等価な、集束領域が得られるようにしたので、被検体
内部のいかなる深さ位置にある欠陥に対しても集束超音
波ビームにより検出することができるという利点がある
。

また、超音波ビームの集束点位置にかかわらず、略一定
の集束程度とするように、集束位置に応じ作動する超音
波振動子群の開口を変更するとともに、各集束深さでの
距離振幅特性の最大振幅データにもとづく感度補正を各
集束点位置毎に行なうよう構成されているので、方位分
解能および、検出感度特性が、被検体内部の深さ位置に
かかわらず略一定とすることができ、欠陥の位置を正確
に検出することができるという実用上極めて有利な超音
波探傷方法が提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はいずれも本発明方法の実施例に係わる
超音波探傷装置を説明するための図であって、第１図は
超音波探傷ｖｔ＠の構成図、第２図は本実施例で用いら
れるアレイ型の斜角２分割探触子を説明する図、第３図
はアレイ型斜角２分削探触子の超音波送受を説明する図
、第４図は本実施例の作用を説明する図、第５図〜第７
図は夫々従来の超音波探傷方法を説明する図である。 １・・・超音波振動子、２・・・横、３・・・被検材、
４・・・欠陥、５・・・超音波ビーム、６・・・しヤへ
い板、２０・・・アレイ型２分割探触子、２１・・・超
音波送信器群、２２・・・送信遅延設定器、２３・・・
超音波受信器群、２４・・・Ａ／Ｄ変換器、２５・・・
受信遅延設定器、２６・・・信号制御器、２７・・・加
算メモリ、２８・・・信号処理器、２９・・・波形表示
器。 第２因 （ａ） 第３因

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数個の超音波振動子を直線状に配列した超音波送信専
   用および受信専用の超音波振動子群を有するアレイ型の
   ２分割探触子を用い、それぞれの超音波振動子群の超音
   波送受信のタイミングを制御して前記超音波振動子によ
   る超音波ビームを形成し被検体からの前記超音波ビーム
   の反射波を検出して前記被検体内の情報を検出する超音
   波探傷方法において、前記送・受超音波ビームの集束点
   を前記探触子中心軸上で段階的に順次設定変更して繰り
   返し超音波の送・受信を行なうと共に、前記送受超音波
   ビームの集束点位置変更毎に、超音波送受信にかかわる
   前記超音波振動子群の選定と変更とを行ない、前記超音
   波ビームの集束点位置にかかわらず集束程度が略一定と
   なるよう作動する超音波振動子群の開口を制御すると共
   に、それぞれの集束点位置毎の距離振幅特性の最大振幅
   が略一定となるよう集束点位置変更毎に振幅補正するよ
   うにし、見かけ上、探触子中心軸上で軸集束を行なった
   のと等価な集束領域および集束特性が得られるようにす
   る超音波探傷方法。