JPWO2019111381A1 - 超音波探傷装置 - Google Patents

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Abstract

超音波探触子（１）は送信信号処理部（３ａ）からの送信信号により、鋼板（１００）に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出する。また、超音波探触子（１）は、鋼板（１００）からの複数の角度に応じたエコーを受信する。受信信号処理部（３ｂ）は、超音波探触子（１）で受信された複数の角度に応じたエコーの振幅と超音波の送出からエコーの受信までの時間を受信時間として求め、これらの振幅比と受信時間から、鋼板（１００）中におけるきず（１０１）の位置を特定する。

Description

この発明は、超音波を用いて試験体の性状を判断する超音波探傷装置に関するものである。
鉄鋼メーカなどで製造される鋼板では、表面や裏面にきずが発生する場合があり、このようなきずは超音波探傷装置で検出される。
鋼材が薄い場合には、探触子により超音波を斜めに鋼板内に入射し、板波あるいは表面波による探傷が行われている。従来、このような超音波探傷装置として、タイヤ探触子から鋼板に対して斜めに超音波を入射し、表面波を用いて表面きずの探傷を行うものがあった（例えば、特許文献１参照）。
特開平０６−３３１６０３号公報
ところで、超音波探傷装置において、きずの位置が鋼板の表側にあるか裏側にあるかを把握したい場合がある。しかしながら、上記特許文献１に記載されたような従来の超音波探傷装置では、きず位置の表裏判別は困難であった。
この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、きず位置が鋼板の表側にあるのか裏側にあるのかを判断することのできる超音波探傷装置を提供することを目的とする。
この発明に係る超音波探傷装置は、与えられる送信信号に対応した超音波を生成して超音波を試験体中に送出すると共に、試験体中を伝搬した超音波のエコーを受信し、受信したエコーを受信信号として出力する超音波探触子と、超音波探触子が試験体に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出する信号を送信信号として生成する送信信号処理部と、受信信号から、複数の角度に応じたエコーの振幅と超音波の送出からエコーの受信までの時間を受信時間として求め、これらの振幅比と受信時間から、試験体中における音響的不連続部の位置を特定する受信信号処理部とを備えたものである。
この発明に係る超音波探傷装置は、試験体に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出し、複数の角度に応じたエコーの振幅と受信時間を求め、これらの振幅比と受信時間から、試験体中における音響的不連続部の位置を特定するようにしたものである。これにより、きず位置が試験体の表側にあるのか裏側にあるのかを判断することができる。
この発明の実施の形態１の超音波探傷装置の構成図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置の超音波探触子の構成図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置のハードウェア構成図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における板波の位相速度を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における板波の群速度を示す説明図である。 図６Ａ〜図６Ｅは、この発明の実施の形態１の超音波探傷装置のシミュレーション条件の説明図である。 図７Ａ〜図７Ｇは、この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における入射角を３４．５°とした場合の鋼板表側にあるきずを探傷した場合のエコーを示す説明図である。 図８Ａ〜図８Ｇは、この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における入射角を２４．６°とした場合の鋼板表側にあるきずを探傷した場合のエコーを示す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置におけるきずが鋼板の表側にある場合の距離に対するエコー高さの変化を示す説明図である。 図１０Ａ〜図１０Ｇは、この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における入射角を３４．５°とした場合の鋼板裏側にあるきずを探傷した場合のエコーを示す説明図である。 図１１Ａ〜図１１Ｇは、この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における入射角を２４．６°とした場合の鋼板裏側にあるきずを探傷した場合のエコーを示す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置におけるきずが鋼板の裏側にある場合の距離に対するエコー高さの変化を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における入射角３４．５°としてＡ０Ｓ０モードを伝搬させた場合の音場シミュレーション結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置におけるＡ０Ｓ０モードのエネルギ分布の推移を模擬的に表す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における入射角２４．６°としてＳ１モードを伝搬させた場合の音場シミュレーション結果を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置におけるＳ１モードのエネルギ分布の推移を模擬的に表す説明図である。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における送信信号処理部の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１の超音波探傷装置における受信信号処理部の動作を示すフローチャートである。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態による超音波探傷装置の構成図である。
図示の超音波探傷装置は、超音波探触子１と送受信器２を備えている。超音波探触子１は斜角探触子であり、与えられる送信信号によって駆動される超音波を、試験体である鋼板１００中に送信し、かつ、鋼板１００中を伝搬した超音波のエコーを受信し、これを受信信号として出力する機能を有している。超音波探触子１の詳細を図２に示す。図２に示すように、超音波探触子１は、くさび１ａと振動子１ｂを備えている。振動子１ｂは複数の振動素子をアレイ化して構成されている。
送受信器２は、超音波探触子１に対して送信信号を与えると共に超音波探触子１で取得したエコーの受信信号に対する信号処理を行う機能を有し、信号処理部３、送信部４、受信部５を備えている。信号処理部３は、送信信号処理部３ａと受信信号処理部３ｂからなる。送信信号処理部３ａは、超音波探触子１が鋼板１００に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出する信号を送信信号として生成し、これを送信部４に与える機能を有している。受信信号処理部３ｂは、超音波探触子１で取得した受信信号を受信部５を介して受け取り、この受信信号から、複数の角度に応じた超音波エコーの振幅と受信時間を求め、これらの振幅比と受信時間から、鋼板１００中における音響的不連続部の位置を特定する機能を有している。送信部４は、送信信号処理部３ａからの送信信号に基づいて超音波探触子１の振動子１ｂを駆動するための信号を生成する機能を有している。受信部５は、超音波探触子１からの受信信号を必要に応じて増幅して信号処理部３の受信信号処理部３ｂに送信する機能を有している。
図３は、信号処理部３のハードウェア構成例を概略的に示すブロック図である。図３の例では、ＣＰＵを含むプロセッサ３０１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３０２、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３０３、ストレージ３０４、送受信インタフェース回路３０５、表示インタフェース回路３０６、及び表示器３０７を有している。プロセッサ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、ストレージ３０４、送受信インタフェース回路３０５、表示インタフェース回路３０６及び表示器３０７は、バス回路などの信号路３０８を介して相互に接続されている。
プロセッサ３０１は、ＲＡＭ３０３を作業用メモリとして使用し、ＲＯＭ３０２またはストレージ３０４から読み出された超音波測定用プログラムを実行して送信信号処理部３ａ及び受信信号処理部３ｂの機能を実現する。ストレージ３０４は、例えば、ＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ＤＲＡＭ）などの揮発性メモリ、またはＨＤＤ（ハードディスクドライブ）もしくはＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）を用いて構成され、送信信号処理部３ａ及び受信信号処理部３ｂの機能に対応したプログラムを格納したり、処理結果を格納したりする記憶部である。送受信インタフェース回路３０５は、送信部４との間の信号伝達と受信部５との間の信号伝達に使用されるインタフェース回路である。表示インタフェース回路３０６は、表示器３０７との間の信号伝達に使用されるインタフェース回路である。
表示器３０７は、きず位置の判定結果を表示するものである。結果は文字として表示しても良いし、ＬＥＤランプで表示しても良い。表示方法は限定されるものではない。
次に、本実施の形態の超音波探傷装置の動作について説明する。先ず、鋼板内を伝搬する板波について図４及び図５を参照して説明する。図４及び図５は、それぞれ厚さ３．６ｍｍの鋼板を伝搬する板波の位相速度及び群速度を示すものである。これらの図から明らかなように周波数によって位相速度及び群速度が異なる。なお、実際には多くのモードが伝搬するが、ここではＡ０，Ｓ０及びＳ１の三つのモードについて示している。ここでは、例として、周波数２．２５ＭＨｚで厚さ３．６ｍｍの鋼板を伝搬する板波について説明する。
図４に示すように、周波数２．２５ＭＨｚの場合には、Ａ０とＳ０共に位相速度は約３０００ｍ／ｓとなり、殆ど同じとなる。従って、位相速度３０００ｍ／ｓの板波が伝搬するように超音波探触子１の入射角を設定すれば、Ａ０とＳ０の両方の特徴を有するモードが伝搬すると考えられる。本実施の形態では、このモードを「Ａ０Ｓ０モード」と呼ぶことにする。一方、Ｓ１の位相速度は約４０００ｍ／ｓとなる。位相速度４０００ｍ／ｓの板波が伝搬するように超音波探触子１の入射角を設定すれば、Ｓ１モードの板波が伝搬していく。
Ａ０Ｓ０モード及びＳ０モードの板波を伝搬させて鋼板１００のきず１０１を探傷した場合、どのようなエコーが受信されるかを調べるため、シミュレーションを行った。図６にシミュレーション条件を示す。図６Ａ及び図６Ｂは、シミュレーションで用いた超音波探触子１の応答特性であり、図６Ａは時間と相対振幅の関係、図６Ｂは周波数と相対振幅の関係を示している。この例では、図６Ｂに示すように、中心周波数２．２５ＭＨｚで狭帯域とした。図６Ｃ及び図６Ｄは、それぞれ、きず１０１が鋼板１００の表側及び裏側にある場合の、超音波探触子１と鋼板１００との相対的な位置関係を示す図である。図６Ｃ及び図６Ｄに示すように、超音波探触子１からきず１０１までの距離Ｌを１５０ｍｍから４５０ｍｍまで変化させ、きず１０１からのエコーを求めた。図６Ｅは、きず形状である。図６Ｅでは、鋼板１００の表側にあるきず１０１を示しており、裏側にある場合にはきず形状は上下反転したものとなる。
シミュレーションでは、振動子１ｂを音速１６８０ｍ／ｓの液体に接触させ、この液体をくさび１ａとして斜角探触子を構成した。この場合、位相速度３０００ｍ／ｓのＡ０Ｓ０モードを発生させるための入射角は、スネルの法則より、

Figure 2019111381

となる。ここではシミュレーションの都合上、Ａ０Ｓ０モードを伝搬させるための入射角として、３４．５°とした。一方、位相速度４０００ｍ／ｓのＳ１モードを発生させるための入射角は、

Figure 2019111381

となる。ここではシミュレーションの都合上、Ｓ１モードを伝搬させるための入射角として、２４．６°とした。
入射角を３４．５°としてＡ０Ｓ０モードを伝搬させ、鋼板１００表側にあるきず１０１を探傷した場合のエコーを図７Ａ〜図７Ｇに示す。図７Ａ〜図７Ｇは距離１５０ｍｍ〜距離４５０ｍｍの例をそれぞれ示している。図示のように、距離３５０ｍｍ程度までは距離と共にエコー高さは低減していくが、４００ｍｍ以降は増加傾向を示している。
入射角を２４．６°としてＳ１モードを伝搬させ、鋼板１００表側にあるきずを探傷した場合のエコーを図８に示す。図８Ａ〜図８Ｇは距離１５０ｍｍ〜距離４５０ｍｍの例をそれぞれ示している。図示のように、エコー高さは距離と共に緩やかに低減していく。
きず１０１が鋼板１００の表側にある場合の、距離に対するエコー高さの変化を図９に示す。図示のように、入射角２４．６°で発生させたＳ１モードのエコー高さは距離と共に緩やかに低減するのに対し、入射角３４．５°で発生させたＡ０Ｓ０モードのエコー高さは、低減した後に増加するという複雑な特性を示している。
入射角を３４．５°としてＡ０Ｓ０モードを伝搬させ、鋼板１００裏側にあるきず１０１を探傷した場合のエコーを図１０に示す。図１０Ａ〜図１０Ｇは距離１５０ｍｍ〜距離４５０ｍｍの例をそれぞれ示している。図示のように、距離と共にエコー高さは増加するが、３５０ｍｍを超えると低減していく。これは、きず１０１が表側にある場合と逆の傾向である。
入射角を２４．６°としてＳ１モードを伝搬させ、鋼板１００裏側にあるきず１０１を探傷した場合のエコーを図１１に示す。図１１Ａ〜図１１Ｇに距離１５０ｍｍ〜距離４５０ｍｍの例をそれぞれ示している。図示のように、エコー高さは距離と共に緩やかに低減していく。これは、きず１０１が表側にある場合と同じ傾向である。
きず１０１が鋼板１００の裏側にある場合の、距離に対するエコー高さの変化を図１２に示す。図示のように、入射角２４．６°で発生させたＳ１モードのエコー高さは距離と共に緩やかに低減するのに対し、入射角３４．５°で発生させたＡ０Ｓ０モードのエコー高さは増加した後に低減するという複雑な特性を示している。
図９及び図１２に示したような特性となる原因を、図１３〜図１６を参照して説明する。図１３は、入射角３４．５°としてＡ０Ｓ０モードを伝搬させた場合の音場シミュレーション結果（距離３００ｍｍ）である。図１３において、１０μｓ〜３０μｓでは超音波探触子１付近の音場を示し、９０μｓ〜１１０μｓではきず１０１付近の音場を示している。図示のように、超音波探触子１から鋼板１００に入射した直後では、鋼板１００の表側に板波のエネルギが集まっている。伝搬に伴いエネルギ分布が少しずつ変化し、距離３００ｍｍの位置にあるきず１０１に到達する時には、板波のエネルギは鋼板１００の裏側に集まっている。
Ａ０Ｓ０モードのエネルギ分布の推移を模擬的に表したものを図１４に示す。図示のように、超音波探触子１から鋼板１００に入射した直後には、鋼板１００の表側の方が板波のエネルギは強くなる。伝搬と共にエネルギ分布が変化し、表側と裏側とで同程度のエネルギ分布という状態を経て、裏側の方がエネルギが強くなるという状態になる。その後、再び表側と裏側とで同程度のエネルギ分布という状態を経て、表側のほうがエネルギは強くなる、という伝搬の仕方をする。従って、きず１０１が鋼板１００の表側にある場合と裏側にある場合とでは、距離に対するエコー高さの変化が逆転する。その結果、Ａ０Ｓ０モードは、図９及び図１２に示したような特性となる。
図１５は、入射角２４．６°としてＳ１モードを伝搬させた場合の音場シミュレーション結果（距離３００ｍｍ）である。図１５において、１０μｓ〜３０μｓでは超音波探触子１付近の音場を示し、１２０μｓ〜１４０μｓではきず１０１付近の音場を示している。図示のように、超音波探触子１から鋼板１００に入射した直後も、きず１０１に到達する時も、音場分布は殆ど変わらず、板厚方向に対してほぼ一様となっている。
Ｓ１モードのエネルギ分布の推移を模擬的に表したものを、図１６に示す。図示のように、伝搬してもエネルギ分布は殆ど変わらない。板厚方向に対してほぼ一様となっているので、きず１０１が鋼板１００の表側にある場合と裏側にある場合とで、距離に対するエコー高さの変化は殆ど同じとなる。その結果、Ｓ１モードは図９及び図１２に示したような特性となる。
以上説明したように、Ａ０Ｓ０モードとＳ１モードとでは、距離に対するエコー高さの変化が大きく異なる。この特徴を用いれば、きず１０１が鋼板１００の表側にあるのか、あるいは裏側にあるのかを判別することが可能である。以下、本実施の形態の超音波探傷装置の具体的な動作について説明する。
図１７は送信信号処理部３ａの動作を示すフローチャート、図１８は受信信号処理部３ｂの動作を示すフローチャートである。
まず、Ａ０Ｓ０モードが伝搬する入射角となるように、送信信号処理部３ａから送信部４に対して、アレイ化した振動子１ｂの振動素子毎に応じた遅延信号を送る（ステップＳＴ１１）。送信部４では、送信信号処理部３ａからの遅延信号により励振信号を発生させ、超音波探触子１内にあるアレイ化した振動子１ｂの各振動素子を励振する。図２の例では、アレイ化した振動子１ｂの左端素子へ与える遅延時間が長く、右端素子へ与える遅延時間が短い場合の、くさび１ａ内の超音波伝搬状況を示している。なお、Ａ０Ｓ０モードが伝搬する入射角は、鋼板１００の厚さ、くさび１ａの音速及び周波数により変化するので、シミュレーションで示した角度（３４．５°）とは限らない。
その後、Ａ０Ｓ０モードの板波が鋼板１００内を伝搬していき、きず１０１で反射された板波を超音波探触子１内のアレイ化した振動子１ｂの各振動素子でエコーとして受信し、電気信号に変換して受信部５に送る。受信部５では、必要があればエコーを増幅し、信号処理部３に送る。
信号処理部３では、受信信号処理部３ｂが、アレイ化した振動子１ｂの振動素子毎に応じた遅延時間をエコーに与え、各振動素子のエコーを合成する。このエコーの振幅をＥ１、受信時間をＴ１として求め、これらＥ１及びＴ１の値を受信信号処理部３ｂを構成するＲＡＭ３０３やストレージ３０４に記憶する（ステップＳＴ２１）。すなわち、フェーズドアレイ方式で入射角及び受信する角度を制御して、鋼板１００内にＡ０Ｓ０モードの板波を伝搬させ、送受信を行う。
Ｅ１及びＴ１を受信信号処理部３ｂに記憶した後、フェーズドアレイ方式で入射角を変え、鋼板１００内にＳ１モードの板波を発生させる。すなわち、送信信号処理部３ａより、Ｓ１モードが伝搬する入射角となるよう、送信部４に対して、アレイ化した振動子１ｂの振動素子毎に応じた遅延信号を送る（ステップＳＴ１２）。なお、Ｓ１モードが伝搬する入射角は、鋼板１００の厚さ、くさび１ａの音速及び周波数により変化するので、シミュレーションで示した角度（２４．６°）とは限らない。
その後、Ｓ１モードの板波が鋼板１００内を伝搬していき、きず１０１で反射された板波を超音波探触子１内のアレイ化した振動子１ｂの各振動素子でエコーとして受信し、電気信号に変換して受信部５に送る。受信部５では、必要があればエコーを増幅し、信号処理部３に送る。
信号処理部３では、受信信号処理部３ｂが、フェーズドアレイ方式でＳ１モードのエコーの振幅Ｅ２及び受信時間Ｔ２を求め、受信信号処理部３ｂを構成するＲＡＭ３０３やストレージ３０４に記憶する（ステップＳＴ２２）。
図５に示したように、周波数が決まれば板波の群速度も決まる。すなわち、エコーの受信時間から、超音波探触子１からきず１０１までの距離を推定することが可能である。例えば、Ａ０Ｓ０モードの群速度は周波数に依らずほぼ３０００ｍ／ｓなので、Ｔ１×３０００ｍ／ｓから、Ａ０Ｓ０モードの往復伝搬距離を求めることができる。受信信号処理部３ｂで、超音波探触子１からきず１０１までの距離を求め、Ｌとする（ステップＳＴ２３）。
図９及び図１２に示したような、距離に対するエコー高さの変化を予め計算あるいは実験で求めておく。受信信号処理部３ｂで、Ａ０Ｓ０モードの振幅Ｅ１とＳ１モードの振幅Ｅ２を比較して、距離に対するエコー高さの特性から、きず１０１が鋼板１００の表側にあるのか、裏側にあるのかを判別する（ステップＳＴ２４）。例えば、距離に対するエコー高さの特性が、図９及び図１２と同様であれば、距離Ｌの値が３００ｍｍの場合は、
・Ｅ１＜Ｅ２ きず１０１は鋼板１００の表側にある（ステップＳＴ２５）
・Ｅ１＞Ｅ２ きず１０１は鋼板１００の裏側にある（ステップＳＴ２６）
という関係が明らかである。受信信号処理部３ｂは、この判別結果を表示器３０７に表示する。
このように、二つのモードの板波を用いることにより、きず１０１が鋼板１００の表側にあるのか、裏側にあるのかを判別することが可能である。
なお、上記例では、フェーズドアレイ方式の超音波探触子１でＡ０Ｓ０モード及びＳ１モードを送受信する構成及び動作について説明したが、超音波探触子１として、機械的に走査することで鋼板１００に対して複数の角度で超音波を送出するようにしてもよい。例えば、超音波探触子１を可変角タイプの探触子とし、複数の角度を得るものでも良い。また、入射角の異なる斜角探触子を複数個用いて複数の角度を得ても良い。また、上記例では斜角探触子を用いた超音波探傷装置について説明したが、鋼板１００に対して斜めに超音波を入射する超音波探触子であれば、斜角探触子でなくても構わない。
以上説明したように、実施の形態１の超音波探傷装置によれば、与えられる送信信号に対応した超音波を生成して超音波を試験体中に送出すると共に、試験体中を伝搬した超音波のエコーを受信し、受信したエコーを受信信号として出力する超音波探触子と、超音波探触子が試験体に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出する信号を送信信号として生成する送信信号処理部と、受信信号から、複数の角度に応じたエコーの振幅と超音波の送出からエコーの受信までの時間を受信時間として求め、これらの振幅比と受信時間から、試験体中における音響的不連続部の位置を特定する受信信号処理部とを備えたので、きず位置が試験体の表側にあるのか裏側にあるのかを判断することができるという効果がある。
また、実施の形態１の超音波探傷装置によれば、超音波探触子の振動子をアレイ化した複数の振動素子で形成すると共に、送信信号処理部は、複数の振動素子に対応した異なる遅延時間を有する信号を複数の角度に対応した信号として生成するようにしたので、複数の角度で超音波を送出する構成を容易に実現することができる。
また、実施の形態１の超音波探傷装置によれば、超音波探触子は、機械的に走査することで試験体に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出するようにしたので、超音波探触子として種々の探触子を選択することができる。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
以上のように、この発明に係る超音波探傷装置は、超音波探触子を用いて異なる複数のモードの板波を試験体中に伝搬させ、受信した複数のエコーの振幅比と受信時間から、試験体の性状を判断する構成に関するものであり、鋼板のきずを表裏のどちらにあるかを含めて探傷するのに適している。
１ 超音波探触子、１ａ くさび、１ｂ 振動子、２ 送受信器、３ 信号処理部、３ａ 送信信号処理部、３ｂ 受信信号処理部、４ 送信部、５ 受信部、１００ 鋼板、１０１ きず。

Claims (3)

  1. 与えられる送信信号に対応した超音波を生成して当該超音波を試験体中に送出すると共に、前記試験体中を伝搬した前記超音波のエコーを受信し、当該受信したエコーを受信信号として出力する超音波探触子と、
    前記超音波探触子が前記試験体に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出する信号を前記送信信号として生成する送信信号処理部と、
    前記受信信号から、前記複数の角度に応じたエコーの振幅と前記超音波の送出から当該エコーの受信までの時間を受信時間として求め、これらの振幅比と受信時間から、前記試験体中における音響的不連続部の位置を特定する受信信号処理部とを備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
  2. 前記超音波探触子の振動子をアレイ化した複数の振動素子で形成すると共に、
    前記送信信号処理部は、前記複数の振動素子に対応した異なる遅延時間を有する信号を前記複数の角度に対応した信号として生成することを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
  3. 前記超音波探触子は、機械的に走査することで前記試験体に対して複数の角度で斜め方向に超音波を送出することを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
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