JPS6244659A - 超音波送受信方法および装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、アレイ探触子を用いた超音波送受信方法およ
び装置に係り、特に、材料内部の欠陥を短時間で検出す
るのに好適な超音波送受信方法および装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の電子走査方式超音波送受信方法では、アレイ探触
子を構成する超音波送受信素子毎に超音波の発信、受信
を遅延制御し、所定方向に超音波ビームを発信し、また
特定方向からの反射波のみに対して受信感度を高める遅
延制御を採用していた。ここに用いる遅延回路は１―当
り３０万円と高価であり、各素子毎に遅延回路を設ける
と、装置自体が高額になってしまう。

そこで発明者等は、遅延回路を用いず、送受信素子を所
定間隔で選択し送受信して、所定方向に超音波ビームを
形成させ、また、特定方向がらの超音波ビームに受信感
度を高める方法を提案した。

この方法はそれなりの成果を上げたが、所定方向の超音
波ビームが形成されると同時に、アレイ探触子に対して
垂直方向に伝播する不要な超音波ビームも生じる問題が
あった。

垂直方向に伝播する不要な超音波ビームの強度を低下さ
せるとともに、垂直方向から伝播する反射波に対して受
信感度を低減させることができれば、超音波探傷の所望
方向での感度が高くなり、正確な測定結果が得られるは
ずである。

〔発明の目的〕　　　一 本発明の目的は、超音波送受信に従来の遅延制御を用い
ず、所定方向に超音波ビームを発信させ所定方向から伝
播する反射波に対してのみ受信感度を高めるとともに、
アレイ探触子に対して垂直方向の不要な超音波ビームの
発生および受信を防止する超音波送受信方法および装置
を提供することである。

〔発明の概要〕

アレイ探触子を構成する超音波送受信素子で、間隔ｄ毎
に素子を選択し、同時に超音波を発信させると、各素子
から発生した超音波が干渉し、角度θ方向の超音波ビー
ムが形成される。ここで、間隔ｄ、角度θ、超音波波長
λの間には、次式の関係が成立する。

λ／ｄ＝ｓｉｎθ　　　　　　　　　　　・・・（１）
第１式に示す通り、素子を選択する間隔ｄを変えれば、
超音波ビームの伝播方向を変更できる。

しかし、同時にアレイ探触子に対して垂直方向にも強い
超音波ビームが生じてしまう、同様に、間隔ｄで選択し
た素子の受信信号を加算（各素子を導通にして一括で受
信する）すると、角度θ方向からの反射波だけでなく、
垂直方向からの反射波に対しても高い受信感度を示して
しまい、受信信号を形成する反射体がアレイ探触子に対
してθ方向に存在するのか垂直方向に存在するのか特定
できなくなる。常に生じる垂直方向の超音波ビームを消
去し、受信においては垂直方向からの反射波に対して受
信感度を大幅に低減させるのが１本発明の方法および装
置である。

本発明においては、アレイ探触子を構成する超音波送受
信素子を間隔ｄで選択し、選択した第１素子群に発信電
圧を印加し超音波を発信させる。

同様に間隔ｄで選択した素子の中間に位置する第２素子
群には、第１素子群に印加した発信電圧の、、　　　　
ａ＊８０ｆｌＥｔｔＦｕｕＩ、”’Ｃ’ＭＡＭ＊１１１
６・１１素子群と第２素子群からそれぞれ発信された超
音波は、角度θ方向では強めあい、垂直方向では互いに
弱めあい、結果として角度θ方向にのみ超音波ビームが
伝播する。受信に際しても、間隔ｄで選択した第１素子
群の受信信号と第１素子群の中間に位置する第２素子群
の受信信号とを減算あるいは第２素子群の受信信号を逆
位相にシフトさせて第１素子群の受信信号に加算する。

この結果、角度θ方向の反射波信号は強めあい、垂直方
向からの反射波信号は弱めあう。このようにして、角度
θ方向にのみ超音波ビームを発信させ、角度θ方向の反
射波にのみ受信感度を高めるのが本発明の原理である。

以下、実験および数値解析の結果を用いて、本発明の原
理をさらに詳しく説明する。

第１４図に示すように１次元アレイ探触子１において間
隔ｄ゛毎に斜線で示す送受信素子２を選択し、これら素
子に発信電圧３を印加する。この時。

アレイ探触子から発生する１９２１波の角度方向の強度
分布を第１５図の測定系で測定すると、第１６図の結果
を得る。第１５図において、４はアレイ探触子１を中心
に設置した半円形鋼材、５はアレイ探触子１から発生し
た超音波を受信する受信用探触子で、１５は超音波測定
装置である。超音波測定袋Ｗ１５は受信した超音波の振
幅を洞窟分析する。第１６図の点Ｗ６は実測した振幅の
角度分布、実線７は数値解析で得られた振幅の角度分布
である。第１６図でわかるように、実測値６と数値解析
結果７はよく一致しており、角度θ方向の超音波ビーム
が形成されるとともに、垂直（θ＝０″）方向の超音波
ビームも形成されている。

そこで、第１７図に示すように、間隔ｄで選択した斜線
部の送受信素子２には１発信電圧３を印加し、斜線部以
外の送受信素子２Ａには、発信電圧３と逆位相の電圧３
Ａを印加して超音波を発信させる。第１５図の測定系を
用いて超音波振幅の角度分布を測定すると、第１８図の
ようになる。

図中１点線６が実測値、実線７が数値解析結果である。

この場合、垂直方向（θ＝Ｏ°）の超音波振幅が大Ｎｆ
に低下し、逆にθ方向の超音波振幅が、第１６図に比べ
て強くなることがわかる。

受信の場合は超音波発信と同様、間隔ｄで選択した送受
素子群２（第１４図中斜線部）の受信信号に対して、送
受信素子群２Ａの受信信号は、θ方向の反射波では逆位
相になるため、一方の受信信号を逆位相シフトして加算
し、または位相を変えずに減算すると、θ方向の反射波
では受信信号の強度が高まる。

選択した素子の間隔ｄによって発生する超音波ビームの
伝播角度θがどうなるかを測定した結果を第１９図に示
す。実線８は、第１式から求められた曲線であり、白丸
で示す実測値は、実線８の理論曲線によく一致する。こ
のように、選択する素子間隔ｄを変えると、任意の角度
０方向に伝播する超音波ビームを発生させ、θ方向の反
射波を選択的に受信できる。

〔発明の実施例〕

次に、便宜上、超音波の発信と受信とに分けて、本発明
の実施例を詳細に説明する。

第１図は、角度０方向に超音波ビーム１０を発生させる
方法を示した図である。アレイ探触子１を構成する間隔
ｄの素子２の群（斜線部）には発信電圧３を印加し、白
ヌキの素子２Ａの群には。

発信電圧３を反転した電圧信号３Ａを印加する。

この発信電圧によって各素子から発信された超音波が干
渉し、試験体９内で角度θ方向に超音波ビーム１０が伝
播する。ここで、印加電圧３と３Ａが互いに位相が１８
０＠ずれていなくともよいが、位相が１８０°ずれてい
ない場合には、垂直方向（θ＝Ｏ°）に発生する超音波
ビームの振幅は零にならない。

第２図は、印加電圧を一種類にして垂直方向の超音波ビ
ームの発生を防止する方法を示した図である０間隔ｄで
選択した素子２の群に対しては下端電極１２を接地し、
上端電極１１に印加電圧３を印加する。一方、素子２Ａ
の群に対しては上端電極１１を接地し下端電極１２に印
加電圧３Ａを印加する。こうすると、素子２と素子２Ａ
からはそれぞれ位相が、１８０°異なる超音波が発生し
。

第１図と同様、試験体９内で角度θ方向に超音波ビーム
が伝播する。

第３図は１選択する素子間隔ｄを変えて超音波ビームの
伝播方向θを変える方法を示した回である。２に個の送
受信素子２の上端電極１１にそれぞれ端子Ｓ１が接続さ
れており、下端電極１２を接地しである場合を想定する
。素子間隔がΔｄのとき、印加電圧３に接続し、印加電
圧３Ａを印加する端子Ｎｋはそれぞれ端子Ｓ、の偶数番
目に接続する。このときの選択素子間隔は２Δｄである
から、第１式により１次式の関係で角度θ、方向超音波
ビーム１ｏが発生する。

０　ｘ＝ｓｉｎ−’（λ／２Δｄ）　　　　　　　　・
（２）ここでλは超音波波長である。

次に、端子８区のうち、Ｑは値が次式で表わされる番号
Ｑに端子Ｐｋを接続する。

１２＝４ｎ＋１　　　　　　　　　　　　由（３）ただ
しｎは０を含む正の整数である。

一方、端子Ｓ息のうちＱの値が第４式で与えられる番号
悲に端子Ｎｋを接続する。

Ω＝４ｎ＋３　　　　　　　　　　　　　・・・（４）
この結果、選択素子間隔は４Δｄになり、角度０２方向
に超音波ビームＩＯＡが発生する。ここで０２は次式で
与えられる。

θｚ＝ｓｉｎ−”（λ／４Δｄ　）　　　　　　　　　
　−（５）このように素子の選択間隔を変えることによ
り、発生する超音波ビームの伝播角度０を変えることが
できる。

第４図は、所定位置に超音波ビーム１０を集束させる方
法を示した図である。試験体９で深さｆｙ、ｘ座標上で
ｆ、に集束する超音波ビーム１０を発生させるときは、
素子２のＸ座標が、第６式を満足する場合、 ん 印加電圧３を印加し、第６式を満足しないＸ座標にある
素子２Ａには、印加電圧３Ａを印加する。

なお、素子２の下端電極を接地して、上端電極に印加電
圧３を印加しても、第４図の場合と同様（ｆｙｅ　ｆｙ
）の位置に集束する超音波ビーム１０を発生させること
ができる。

第５図は、リング状送受信素子３０を用いて、超音波ビ
ーム１０の集魚距離ｆｙを変える方法を示した図である
。深さｆ、に超音波ビーム１０を集束させるときには、
第７式が成立する半径ｒのリング素子２１には印加電圧
３を印加する。

ル 一方、第７式が成立しないリング素子３０Ａには、印加
電圧３Ａを印加する。

リング素子３ｏの下端電極を接地し、上端電極に印加電
圧を印加し、一方、リング素子３０Ａの上端電極を接地
し、下端電極に印加電圧３を印加しても、第５図と同様
、深さｆｙに超音波ビーム１０を集束させることができ
る。

第６図は、角度Ｏ方向から伝播する反射波を感度を高く
受信する方法を示した図である。選択間隔ｄの素子２群
の受信信号（角度θから伝播する超音波ビーム１０に対
する）と素子２Ａ群の受信信号を減算器２０を用いて減
算して出力信号２１を得る。このとき、角度θ１間隔ｄ
、波長λの間に第１式が成立していると、素子２Ａ群の
受信信号が素子２群の受信信号に対してちょうど位相が
反転しているので、減算により、素°子群２および２Ａ
のおのおのが受信した電圧信号の２倍の振幅の電圧が得
られる。

第７図は、第６図と同様の効果を得る方法を示した図で
ある０間隔ｄの素子２群の受信信号と、素子２Ａの受信
信号を反転増幅器２２で位相を反転した信号を同時に受
信すると、第６図と同様１、角度θ方向の反射波のみに
対して受信感度が高くなる。

第８図は、間隔ｄの素子２群の下端電極と素子２Ａ群の
上端電極とを接地し、素子２群の上端電極と素子２Ａ群
の下端電極とを接合して反射波の受信信号を得る方法で
ある。この方法は、第６゜７図と同様に、角度θ方向の
反射波のみに感度が高くなる。

第６．７．８図に示す方法において、選択する素子２お
よび２Ａの間隔ｄを変えてそれぞれ素子１　　　　　　
を選ぶことにより、受信感度が高まる反射波の伝播角度
θを第１式に従って選択できる。

第９図は、深さｆｙ、ｘ軸上ｆｘの位置から反射される
超音波のみ感度を高く受信する方法を示した図である。

第６式を満足するＸ座標にある素子２群の受信信号と第
６式を満足しないＸ座標にある素子２Ａ群の受信信号と
を減算器２０で減算し、出力信号２１を得るものである
。

なお、第７図に示すように、素子２群の受信信号と素子
２Ａ群の受信信号を反転増幅器２２を用いて位相を反転
した信号とを一括（出力信号２１として得る方法、また
、素子２群の下端電極１２と素子２Ａ群の上端電極１１
とを接地し素子２群の上端電極１１と素子２Ａ群の下端
電極１２とを接続して出力信号２１を得る方法も、深さ
ｆｙ。

Ｘ座標ｆｘの位置から反射する超音波１０に対してのみ
受信感度を高くすることができる。

第１０図は、リング状素子３０を用いて、深さｆｙから
反射される超音波１０に対してのみ感度を高くして受信
する方法を示した図である。半径ｒが深さｆｙ−に対し
て第７式が成立するリング状素子３０群の受信信号と第
７式が成立しないリング状素子２ＯＡ群の受信信号とを
減算器２ｏを用いて減算し出力信号２１を得る。この場
合、深さｆｙから反射される超音波１０に対してのみ受
信感度が高くなる。

リング状素子３０群の受信信号とリング状素子３０Ａ群
の受信信号とを位相反転させて一括受信する方法、また
、リング状素子３０群の下端電極と素子３０Ａ群の上端
電極とを接地し素子３０群の上端と素子３０Ａ群の下端
電極とを接続して出力信号２１を得る方法とも、第１０
図の方法と同じ効果がある６ 以上、超音波ビームの発信方法と受信方法とに分けて述
べたが、実際は、送受信モード切換えスイッチにより、
同一アレイ探触子を送受信に切り換えて使用することが
できる。この送受切換えの方法は、既に確立された技術
を用いてもよい。

次に、上記方法を用いて、欠陥を検出する方法について
説明する。第１１図に、第２図の送信方法と第８図の受
信方法とを組合わせて深さｙにある欠陥４０を探傷する
方法を示す。図中、端子４１．４２は、それぞれ素子２
の上端電極１１および下端電極１２の端子である。印加
電圧３を印加する端子群４３をＡ領域の端子４１．４２
に接続し出力信号２１を得る端子群４４を領域Ｂの端子
４１．４２に接続すると、θ方向に発生する超音波１０
の伝播方向でしかもその反射波１０Ａが０方向になる欠
陥４０が存在するときのみ、高い振幅の出力信号２１が
得られる。すなわち、出力信号２１を、印加電圧３の印
加時を時間原点とし時間軸上で出力信号２１をモニタし
ていれば所定振幅以上の出力信号２１を得たとき、欠陥
４０があると判定できる。端子群４３および４４を素子
１個分ずつ接続をシフトして探傷すれば、図中Ｘ方向に
探傷位置を走査可能である。

同様に、第２〜５図に示す発信方法と第６〜１０図に示
す受信方法とを組合わせると、特定位置にある欠陥から
反射波を強力に受信し探傷できることになる。

第１２図に、本発明の超音波探傷装置の構成を示す０発
信器５０は、一定周期で、所定周波数の印加電圧３をス
イッチ制御器５１を介してアレイ探触子１の素子２に印
加する。また、印加電圧３出力と同期して時間欠点とな
るトリガ信号５５を波形表示器５４に出力する。スイッ
チ制御器５１は所定の素子２に対して印加電圧３を印加
させ、また所定の素子２からの受信信号を出力信号２１
として増幅器５２に与える。増幅器５２は所望の増幅率
で出力信号２１を増幅し、検波器５３に出力する。検波
器５３では増幅された出力信号２１を検波し、波形表置
器５４に出力する。波形表示器５４は、トリガ信号５５
の入力時刻を時間原点として時間をスイープし、検波さ
れた出力信号２１を表示する。

第１３図にスイッチ制御器５１の詳細構成を示す。一点
鎖線５１がスイッチ制御器を示している。

図において、端子６１は印加電圧３の入力端子、端子６
４はトリガ信号５５の入力端子、端子６２は受信信号２
１の出力端子である。各素子２毎に、　　　　　　　Ｘ
＜’１５−１１１Ｊ御”ｊｏ’）’）６７”゛設置１１
６・まずスイッチ６０の動作特性は制御端子ｄが１”の
とき端子ａとｂが導通となり、端子ｄが“０”のとき端
子ａとＣが導通になる。カウンタ６５は、端子６４から
入力されるトリガ信号５５を計数する。この計数値に対
応する番地からメモリ６６では記憶内容をバッファ６３
に出力する。

バッファ６３は３ビツトである。ここではそれぞれのビ
ットをｅ、ｆ・　ｋで表わす・ ｅが“１”、ｆが“１”１ｇが“１″のとき、素子２の
上端電極１１に印加電圧３が印加され、下端電極１２は
接地して、順位相の超音波が発信される０次に、ｅが“
Ｏ”、ｆが゛”１”＋ｇが“１”のときには、素子２か
ら逆位相の超音波が発信される。ｅが“１”、ｆが“０
”９ｇが“１”のときは、素子２は受信モードになり、
端子６２と上端電極１１が導通、下端電極１２が接地さ
れる。ｅが“Ｏ”、ｆが′″Ｏ”９ｇが１”のときも素
子２は受信モードになり、今度は上端電極１１が接地、
下端電極１２が端子６２と導通状態となる０ｇが“ＯＩ
ｔのときは、素子２の上端あるいは下端電極がオープン
状態になり、素子２は発信、受信のいずれのモードにも
ならない。このように制御するスイッチ制御用ブロック
６７を各素子に接続して、スイッチ制御器５１を構成す
る。

この結果、各素子毎の送受信モードおよび不動作を切り
換えでき、第１１図に示すような指向性の超音波探傷装
置が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次の効果が得られる。

（１）アレイ探触子から所定間隔の素子を選択し超音波
を送受信することにより、所望角度方向に伝播する超音
波ビームを送信でき、また所望方向からの反射波のみを
高感度受信可能である。

（２）このとき、垂直方向の超音波ビームが発生しない
ので、探傷がより正確になる。

（３）１個当り約３０万円の高価な遅延回路を用いずに
電子走査できるから、従来のフェーズドアレイ方式電子
走査超音波探傷装置に比べて、約３分の１以下のコスト
に低減できる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の超音波発信方法の一実施例を示す図、
第２図、第３図、第４図、第５図は本発明の超音波発信
方法の他の実施例を示す図、第６図、第７図、第８図、
第９図、第１０図は本発明の超音波受信方法の実施例を
示す図、第１１図は本発明を応用した超音波欠陥探傷方
法を示す図、第１２図は本発明による超音波探傷装置の
ブロック図、第１３図は第１２図装置のスイッチ制御器
の詳細を示すブロック図、第１４図はアレイ探触子から
一定間隔で選択した素子群にのみ電圧を印加する従来方
法を示す図、第１５図はアレイ探触子から発信される超
音波の角度依存振幅分布を測定する配置を示す図、第１
６図は第１４図例を第１５図の測定系で測定した結果を
示す図、第１７図体所定間隔で選択した素子群とその中
間に位置する素子群とにそれぞれ逆位相の発振電圧を印
加する本発明方法の原理を示す図、第１８図はその特性
を示す図、第１９図は素子の選択間隔により超音波の伝
播角度が変化することを示す図である６１・・・アレイ
探触子、２，２Ａ・・・超音波受信素子、３．３Ａ・・
・印加（発信）電圧、４・・・半円形鋼材、５・・・受
信探触子、６・・・実験値、７・・・解析値、８・・・
理論曲線、９・・・試験体、１０．ＩＯＡ・・・超音波
ビ−ム、１１・・・上端電極、１２・・・下端電極、１
５・・・超音波測定装置、２０・・・減算器、２１・・
・出力信号、２２・・・反転増幅器、３０．３ＯＡ・・
・リング素子。

４０・・・欠陥、４１．４２・・・端子、４３．４４・
・・端子群、５０・・・発信器、５１・・・スイッチ制
御器、５２・・・増幅器、５３・・・検波器、５４・・
・波形表示器、５５・・・トリガ信号、６ｏ・・・スイ
ッチ、６１・・・入力端子、６２・・・出力端子、６３
・・・バッファ、６４・・・トリガ信号入力端子、６５
・・・カウンタ、６６・・・メモリ、６７・・・スイッ
チ制御ブロック。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の超音波送受信素子からなるアレイ探触子を用
   いて超音波を送受信する方法において、アレイ探触子か
   ら所定間隔の素子を選択して発信電圧を印加するととも
   に、それら選択された素子間の素子には前記発信電圧と
   は異なる位相の発信電圧を印加して、各素子から同時に
   超音波を発生させ、特定方向にのみ超音波ビームを形成
   させることを特徴とする超音波送受信方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、位相の異なる電圧
   が、基本となる発信電圧を反転させた電圧であることを
   特徴とする超音波送受信方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、選択された素子群
   とその間の素子群とは接地電極を逆にし、同一電圧をそ
   れぞれの他極に印加して、逆位相の超音波を発生させる
   ことを特徴とする超音波送受信方法。 ４、上記特許請求の範囲のいずれか一項において、選択
   する素子の間隔を変えて超音波ビームの伝播方向を設定
   することを特徴とする超音波送受信方法。 ５、特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項にお
   いて、目標点の試験体内の深さをｆ＿ｙとしｘ座標をｆ
   ＿ｘとしたときに、素子のｘ座標がｃｏｓ（２π／λ×
   √（（ｘ−ｆ＿ｘ）＾２＋ｆ＿ｙ＾２））≧０を満足す
   る素子には基本となる発信電圧を印加し、満足しないｘ
   座標にある素子には位相の異なる発信電圧を印加して、
   前記目標点に超音波ビームを集束させることを特徴とす
   る超音波送受信方法。 ６、特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項にお
   いて、リング状送受信素子を用い、目標点の深さをｆ＿
   ｙとしリング半径をｒとしたときに、素子の半径ｒが ｃｏｓ（（２π／λ）×√（ｆ＿ｙ＾２＋ｒ＾２））≧
   ０を満足する素子には基本となる発信電圧を印加し、満
   足しない半径にある素子には位相の異なる発信電圧を印
   加して、前記目標点に超音波ビームを集束させることを
   特徴とする超音波送受信方法。 ７、特許請求の範囲第２項において、選択された素子群
   からの受信信号と選択されなかつた素子群からの受信信
   号とを減算して受信することを特徴とする超音波送受信
   方法。 ８、特許請求の範囲第２項において、選択されなかつた
   素子群からの受信信号を反転し、選択された素子群から
   の受信信号と加算して受信することを特徴とする超音波
   送受信方法。 ９、特許請求の範囲第３項において、ふたつの素子群か
   らの受信信号を加算して受信することを特徴とする超音
   波送受信方法。 １０、特許請求の範囲第５項において、条件を満足する
   素子群の受信信号と満足しない素子群の受信信号とを減
   算して受信することを特徴とする超音波送受信方法。 １１、特許請求の範囲第６項において、条件を満足する
   素子群の受信信号と満足しない素子群の受信信号とを減
   算して受信することを特徴とする超音波送受信方法。 １２、複数の超音波送受信素子からなるアレイ探触子を
   用いて超音波を送受信する装置において、所定間隔の素
   子を選択してそれらを接続すると同時にそれら選択素子
   間に配置した素子を接続するスイッチ制御装置と、互い
   に接続された二つの素子群に対しそれぞれ異なる位相の
   発信電圧を印加する発信器と、二つの素子群の受信信号
   の一方を所定位相だけシフトして加算し受信信号を形成
   するミキサ装置と、ミキサ装置からの信号を増幅検波す
   る装置と、この信号波形を時間軸上に表示する波形表示
   装置とからなることを特徴とする超音波送受信装置。