(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励振信号を受信することにより駆動され、それぞれ異なるチャンネルをなす複数の励振素子を有し、接触媒質を介して超音波ビームを試験体へ向けて照射し、前記接触媒質内部あるいは前記試験体内部の音響的不連続部で反射された超音波を、前記接触媒質を介して受信して電気信号に変換するアレイ探触子と、
前記励振信号を送信して前記アレイ探触子を駆動し、前記アレイ探触子で変換された前記電気信号を受信する送受信器と
を備えるアレイ超音波探傷装置であって、
前記送受信器は、前記アレイ探触子が前記超音波ビームを１回照射した場合に前記アレイ探触子の各チャンネルで受信された電気信号を加算し、前記加算された信号と、前記各チャンネルで受信された電気信号とを比較することで、前記接触媒質中の音響的不連続部からのエコーと前記試験体内部の音響的不連続部からのエコーとを識別するエコー識別部
を有することを特徴とするアレイ超音波探傷装置。
【請求項２】
前記送受信器は、前記アレイ探触子の各チャンネルで受信された電気信号を加算し、前記加算された信号の大きさを、前記各チャンネルで受信された電気信号を基準に設定した閾値と比較し、前記加算された信号の大きさが前記閾値よりも大きければ前記試験体内部の音響的不連続部からのエコーと判定し、前記加算された信号の大きさが前記閾値以下であれば前記接触媒質中の音響的不連続部からのエコーと判定する
ことを特徴とする請求項１記載のアレイ超音波探傷装置。
【請求項３】
前記閾値は、前記各チャンネルで受信された電気信号のうち、代表的な値を基準として設定されている
ことを特徴とする請求項２記載のアレイ超音波探傷装置。
【請求項４】
前記閾値は、前記各チャンネルで受信された電気信号の平均値を基準にして設定されている
ことを特徴とする請求項２記載のアレイ超音波探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体に発生したきずを非破壊で検査するためのアレイ超音波探傷装置に関するものであり、特に、接触媒質中にある反射源からのエコーと、試験体内部にあるきずエコーとを識別する機能を有するアレイ超音波探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
まず、アレイ探触子を用いた自動探傷装置について、試験体が丸棒鋼である場合を例にとり説明する。アレイ探触子を用いた丸棒鋼自動探傷に関しては、例えば特許文献１に記述されている。特許文献１には、丸棒鋼の周囲に配置したアレイ探触子から超音波ビームを照射して探傷する方法が示されており、励振するアレイ素子を切り替えることにより、超音波ビームを回転させている。丸棒鋼は搬送されているので、結果として丸棒鋼の全域が探傷可能となるというものである。この場合、アレイ探触子と丸棒鋼との間には、水等の接触媒質が満たされている。なお、特許文献１のものは、偏芯を補正するように超音波ビームの方向を制御するというものであり、本発明の目的であるエコーの識別とは関係ない。
【０００３】
接触媒質中に超音波の反射源がなければ問題ないが、金属粉や気泡のような音響的不連続部が存在する場合には、これらを反射源としたエコーを受信してしまう。このエコーは丸棒鋼内部にきずがない場合にも受信するので、本来は受信したくないエコーである。このエコーを、本明細書では「妨害エコー」とする。
【０００４】
次に、図９及び図１０を参照しながら、妨害エコーについて説明する。図９は、きずエコー及び妨害エコーの伝搬経路を説明するための説明図である。図１０は、各エコーの受信タイミングを説明するための説明図である。図１０では、接触媒質中の反射源として気泡がある場合を示している。
【０００５】
図９の矢印を付した実線のように、アレイ探触子から放射された超音波ビームは、丸棒鋼へ伝搬していく。そして、丸棒鋼の表面を透過した超音波は、丸棒鋼内部のきずで反射され、同じ経路を辿ってアレイ探触子で受信される。これがきずエコーの伝搬経路である。一方、図９の矢印を付した一点鎖線のように、丸棒鋼の表面で反射された超音波が気泡で反射され、再び丸棒鋼の表面で反射され、アレイ探触子で受信されるという伝搬経路が存在する。これが妨害エコーの伝搬経路である。
【０００６】
なお、丸棒鋼表面での反射を伴わず、超音波が直接気泡に照射され、気泡から直接アレイ探触子で受信されるというエコーも存在する。しかしながら、一般的には、このエコーは、探傷ゲート（きずエコーを受信するための時間的範囲）の外で受信されるので、ここでは問題とはならない。
【０００７】
図１０に、各エコーの受信タイミングを示す。時間的に一番早く受信されるエコーは、超音波ビームが直接気泡に照射され、そのままアレイ探触子で受信されるエコーである。このエコーを図１０では、直射エコーとして示している。その次に受信されるエコーは、丸棒鋼の表面で反射されて受信されるエコーである。このエコーを図１０では、表面エコーとして示している。
【０００８】
続いて受信されるエコーは、妨害エコーあるいはきずエコーである。どちらが早く受信されるかは、気泡及びきずの位置関係によって異なる。探傷ゲートは、表面エコーよりも時間的に遅い位置に設定するので、妨害エコーは探傷ゲート内で受信される場合がある。このような場合、妨害エコーをきずエコーとして判定してしまうので、探傷試験の精度を劣化させてしまうという問題がある。従って、妨害エコーときずエコーとを識別する技術が望まれている。これに対して、このような不要な反射源による妨害エコーを識別するための従来技術としては、例えば、特許文献２や特許文献３に示すようなものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１４５１１４号公報
【特許文献２】特開２００１−４６０２号公報
【特許文献３】特開２０００−２１４１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２に示すような従来技術は、大きな径及び小さな径の２つの収束型超音波探触子を用いて探傷し、両者で受信されたエコーを気泡エコーとし、大きな径の探触子だけでエコーが受信された場合は介在物エコーとするものである。また、エコーの識別は、反射源への入射角の差異を用いて行う。しかしながら、この従来技術の方法では、入射角の差異により反射率が大きく異なることが前提となっており、このような状況が保証されない場合には適用困難と考えられる。
【００１１】
また、特許文献３に示すような従来技術は、アレイ探触子による超音波ビームの走査をインターリーブ化することにより、気泡エコーときずエコーとを識別するものである。エコーの識別は、例えば２回パルスを照射し、１回だけエコーが受信されれば気泡として識別し、２回エコーが受信されればきずとして識別するように、エコーが受信される回数で識別する。しかしながら、この従来技術の方法は、１つの探傷領域に対して複数回のパルスを照射できる場合に適用可能なものであり、１回のパルス照射ではエコーの識別は困難である。
【００１２】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、入射角に依らず反射率がほぼ同じである場合や、１回だけのパルス照射しか許されない場合でも、接触媒質中にある不要な反射源による妨害エコーときずエコーとを識別することができ、探傷試験の精度を向上させることができるアレイ超音波探傷装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のアレイ超音波探傷装置は、励振信号を受信することにより駆動され、それぞれ異なるチャンネルをなす複数の励振素子を有し、接触媒質を介して超音波ビームを試験体へ向けて照射し、前記接触媒質内部あるいは前記試験体内部の音響的不連続部で反射された超音波を、前記接触媒質を介して受信して電気信号に変換するアレイ探触子と、前記励振信号を送信して前記アレイ探触子を駆動し、前記アレイ探触子で変換された前記電気信号を受信する送受信器とを備えるものであって、前記送受信器は、前記アレイ探触子が前記超音波ビームを１回照射した場合に前記アレイ探触子の各チャンネルで受信された電気信号を加算し、前記加算された信号と、前記各チャンネルで受信された電気信号とを比較することで、前記接触媒質中の音響的不連続部からのエコーと前記試験体内部の音響的不連続部からのエコーとを識別するエコー識別部を有するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のアレイ超音波探傷装置によれば、エコー識別部が、アレイ探触子の各チャンネルの電気信号の受信時間差あるいは位相差に基づいて、接触媒質中の音響的不連続部からのエコーと試験体内部の音響的不連続部からのエコーとを識別するので、入射角に依らず反射率がほぼ同じである場合や、１回だけのパルス照射しか許されない場合でも、接触媒質中にある不要な反射源による妨害エコーときずエコーとを識別することができ、探傷試験の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１によるアレイ超音波探傷装置の探傷動作の概念を説明するための説明図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるアレイ超音波探傷装置を示す構成図である。
【図３】シミュレーションで用いたアレイ探触子の応答特性を示すグラフである。
【図４】アレイ探触子と試験体との相対的な位置関係を説明するための説明図である。
【図５】１８チャンネルを同時励振した場合に受信されたエコーのうち、ｃｈ１及びｃｈ９で受信されたエコーを示すグラフである。
【図６】各エコーの時間と位置と強度との関係を示すグラフである。
【図７】加算エコーとｃｈ３のエコーとを示すグラフである。
【図８】図２のアレイ超音波探傷装置によるエコーの識別動作を示すフローチャートである。
【図９】きずエコー及び妨害エコーの伝搬経路を説明するための説明図である。
【図１０】各エコーの受信タイミングを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるアレイ超音波探傷装置の探傷動作の概念を説明するための説明図である。
図１において、１は丸棒鋼であり、２は丸棒鋼内部にあるきずであり、３は水等の接触媒質であり、４は接触媒質中にある気泡であり、５はきずエコーの波面であり、６は気泡による妨害エコーの波面である。なお、図示はしていないが、アレイ探触子が図１の上側にあり、超音波ビームを照射する。また、きず２及び気泡４に超音波が入射されるが、説明の簡略化のため入射波も図示していない。気泡４への超音波の入射は、丸棒鋼１の表面で反射された後のものとする。
【００１７】
図１では、きず２で反射された超音波の伝搬経路を、矢印を付した実線で示している。図１に示すように、きず２で反射された超音波は、丸棒鋼１を透過して接触媒質３に至る。そして、きずエコーの波面５は、図示したような曲率が小さい形状となる。従って、アレイ探触子できずエコーを受信すると、各チャンネルでの受信時間は、ほぼ同じと考えられる。
【００１８】
また、図１では、気泡４で反射された超音波の伝搬経路を、矢印を付した一点鎖線で示している。気泡４で反射された超音波は、丸棒鋼１の表面での反射を伴うので、妨害エコーの波面６は、きずエコーの波面５と比較して曲率が大きい形状となる。従って、アレイ探触子で受信すると、各チャンネルでの受信時間が微少ではあるが異なると考えられる。どの程度の差異になるかは、気泡４の位置、丸棒鋼の形状、及び音場等に依存する。実施の形態１のアレイ超音波探傷装置は、この差異を用いることにより、エコーを識別する。即ち、実施の形態１のアレイ超音波探傷装置は、アレイ探触子で受信されるエコーの受信時間差あるいは位相差を用いて、エコーの識別を行う。
【００１９】
具体的には、アレイ探触子の各チャンネルで受信されたエコーを加算して加算エコー（の振幅）を求める。各チャンネルで受信されたエコーの受信時間差がなければ、加算することによりエコーは強め合うので、加算エコーは大きくなる。即ち、きず２からのエコーは、加算することにより大きくなる。一方、各チャンネルで受信されたエコーに受信時間差がある場合、加算してもエコーはあまり大きくならない。また、任意の時点における逆相の関係（位相差がある関係）のエコーを加算する場合には、加算すると逆に小さくなる。即ち、気泡４からのエコーは加算してもあまり大きくならない。このように、加算エコー（の振幅）が大きくなるかどうかで、きず２からのエコーと気泡４からのエコーを識別することが可能となる。
【００２０】
次に、以上の動作を実現するためのアレイ超音波探傷装置の構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態１によるアレイ超音波探傷装置を示す構成図である。図２では、チャンネル数Ｎで送受信する場合のアレイ超音波探傷装置の構成を示している。図２において、アレイ超音波探傷装置は、アレイ探触子７及び送受信器８を有している。
【００２１】
アレイ探触子７は、それぞれ異なるチャンネルをなす複数の励振素子を有している。送受信器８は、複数のチャンネルのそれぞれに対応する複数の送受信部１１〜１３と、エコー識別部２０とを有している。なお、図２では、簡略化のため３つの送受信部のみを示しているが、実際はＮ個の送受信部が存在している。
【００２２】
送受信部１１は、ｃｈ１に対応しており、送受信部１２はｃｈ２に対応しており、送受信部１３はｃｈＮに対応している。また、各送受信部は、送信部と受信部とによって構成されており、例えばｃｈ１の送受信部１１は、送信部１１ａと受信部１１ｂとによって構成されている。エコー識別部２０は、加算部２１及び比較部２２を有している。
【００２３】
図２を参照しながら、アレイ超音波探傷装置の動作について説明する。まず、アレイ超音波探傷装置は、送信部１１ａ，１２ａ，１３ａを用いてアレイ探触子７の各チャンネルの励振素子を励振する。全チャンネルを同時励振する場合には、各チャンネルにおける送信部での時間差はない。位相制御して超音波ビームを集束させる場合や、ある方向に傾けて超音波ビームを照射する場合には、各チャンネルにおける送信部での時間差を設けて励振する。
【００２４】
アレイ探触子７から照射された超音波ビームは、きず２及び気泡４で反射される。これらの反射波は、アレイ探触子７でエコーとして受信される。これらのエコーは、受信部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂで増幅され、また必要に応じてＡ／Ｄ変換され、加算部２１へ送られる。加算部２１は、各チャンネルの受信部１１ｂ，１２ｂ，１３ｂからのエコーを加算する。なお、アレイ探触子７で受信された後は超音波ではなく電気信号となるので、増幅された後の信号を正確に記述すると「エコーによる電気信号」となるが、ここでは簡単のため「エコー」と表記して説明する。
【００２５】
次に、比較部２２は、加算部２１で求めた加算エコーの大きさと各チャンネルで求めたエコーの大きさとを比較する。そして、エコー識別部２０は、比較部２２の比較結果により、加算エコーが各チャンネルで求めたエコーと比較して非常に大きければ、そのエコーをきず２からのエコーとして処理する。
【００２６】
他方、加算エコーが各チャンネルで求めたエコーと比較して大きさがあまり変わらない場合には、エコー識別部２０は、そのエコーを気泡４からのエコーとして処理する。ここで、エコーの大きさを判断する基準は、探傷システムや励振するチャンネル数等によって異なる。即ち、閾値の設定方法は、場合によって異なる。なお、図２では、比較部２２に入力される各チャンネルのエコーとしてｃｈ１のエコーを用いているが、ｃｈ１のエコーに限る必要はない。
【００２７】
次に、本発明の有効性を確認するため、シミュレーションでエコーを求め、加算エコーと各チャンネルで受信されたエコーとを比較した。まずシミュレーション条件について説明する。図３に、シミュレーションで用いたアレイ探触子７の応答特性を示す。この応答特性では、中心周波数を７ＭＨｚで広帯域なものとした。今回は、ハイブリッドＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法を用いてシミュレーションを行った。また、格子間隔Δｈを１０μｍとし、時間ステップΔｔを０．６２５ｎｓとした。
【００２８】
図４に、アレイ探触子と丸棒綱（試験体）との相対的な位置関係を示す。ここで、実際の気泡は、球状であると考えられるが、シミュレーションでは、気泡の形状を２次元形状とした。また、丸棒鋼１の直径は４０ｍｍとし、表面から５ｍｍの位置にφ０．５ｍｍの気泡４があるものとした。さらに、丸棒鋼１の内部には、表面から３２ｍｍの位置にφ１ｍｍのきず２があるものとした。また、アレイ探触子７のチャンネル数を１８とし、曲率半径を４０ｍｍとし、曲率中心と丸棒鋼１の中心とが一致する配置とした。さらに、丸棒鋼１からアレイ探触子７までの距離は２０ｍｍとした。
【００２９】
１８チャンネルを同時励振した場合に受信されたエコーのうち、ｃｈ１及びｃｈ９で受信されたエコーを図５に示す。図５では、妨害エコーとしての気泡エコーと、きずエコーとが受信されている様子を示している。これらのエコーを比較すると、きずエコーの受信時間は殆ど同じであるが、気泡エコーの受信時間は微少ではあるがｃｈ９の方が早く受信されている。なお、図４に示したように、ｃｈ１はアレイ探触子７の端部に位置するチャンネルであり、ｃｈ９はアレイ探触子７の中央付近に位置するチャンネルである。
【００３０】
次に、図５におけるエコーの受信時間差をより明確に説明するために、横軸を受信チャンネルとし、縦軸を時間として作成した（エコーを時間と位置と強度とで示した）Ｂ−ｓｃａｎを図６に示す。図６では、エコーの大きさを色の濃淡で示している。図６に示すように、気泡エコーの受信時間は僅かではあるがチャンネル間で差がある。これに対して、きずエコーの受信時間は、どのチャンネルでもほぼ同じとなっている。
【００３１】
図６に示したように、気泡エコーの受信時間はチャンネル間で差があるが、きずエコーの受信時間は、どのチャンネルでもほぼ同じである。即ち、気泡エコーは各チャンネルのエコーを加算してもそれ程大きくならないが、きずエコーは、非常に大きくなると考えられる。図７に、加算エコーと、各チャンネルのエコーを代表してｃｈ３だけのエコーとを示す。縦軸は、加算エコーの最大値で規格化している。図７に示すように、気泡エコーは、各チャンネルを加算することにより１１．２ｄＢ大きくなる。これに対して、きずエコーは、各チャンネルを加算することにより２４．５ｄＢ大きくなる。
【００３２】
これにより、例えば、次のような識別処理が可能となる。
・加算エコーが「ｃｈ３のエコー＋１５ｄＢ」超過の場合は、きずエコーと識別する。
・加算エコーが「ｃｈ３のエコー＋１５ｄＢ」以下の場合は、気泡エコーと識別する。
従って、任意のチャンネルのエコーを基準とし、その基準のエコーからの増加度合いに対する閾値（ここでは１５ｄＢ）を設定することにより、妨害エコーとしての気泡エコーときずエコーとを識別することができる。
【００３３】
このように、加算エコーと各チャンネルのエコーとを比較することにより、気泡エコーときずエコーとを識別できることが確認できた。なお、ここでは、「ｃｈ３のエコー＋１５ｄＢ」を閾値として用いたが、「１５ｄＢ」という値は一例である。閾値は、システムやアレイのチャンネル数等により異なる。また、この例ではｃｈ３のエコーを比較対象としたが、他のチャンネルでのエコーを比較対象としても同様であり、各チャンネルの平均値を比較対象としても同様である。
【００３４】
以上のアレイ超音波探傷装置（エコー識別部２０）によるエコーの識別動作について、図８のフローチャートを用いて説明する。まず、アレイ超音波探傷装置は、アレイ探触子７の各チャンネルを励振する（ステップＳ１）。次に、アレイ超音波探傷装置は、各チャンネルでエコーを受信し、大きさＥｂを求める（ステップＳ２）。なお、各チャンネルのエコーの大きさが一定とならない場合が考えられるが、この場合には代表的なエコーの大きさをＥｂとしてもよく、あるいは平均のエコーの大きさをＥｂとしてもよい。
【００３５】
次に、アレイ超音波探傷装置は、各チャンネルで受信されたエコーを加算し、加算エコーの大きさＥａを求める（ステップＳ３）。そして、アレイ超音波探傷装置は、Ｅａと「Ｅｂ＋α」との値を比較し、Ｅａ＞「Ｅｂ＋α」であるかどうかを確認する（ステップＳ４）。ここで、αは、予め設定したデシベル値であり、システムやアレイのチャンネル数等によって異なる。なお、エコーの大きさをデシベル値でなく真数で比較する場合には、比較対象とする値はＥｂ×αとなる。この場合のαは真数となる。
【００３６】
ステップＳ４において、Ｅａ＞「Ｅｂ＋α」である場合には（ステップＳ４のＹＥＳ方向）、アレイ超音波探傷装置は、対象としたエコーをきずエコーであると判断する（ステップＳ５）。従って、アレイ超音波探傷装置は、試験体としての丸棒鋼１の内部にきずがあるものとして処理する（ステップＳ６）。なお、対象としたエコーをきずエコーと識別した後の処理については、ここでは問題とならず、アレイ超音波探傷装置は、任意の処理を行ってよい。
【００３７】
他方、ステップＳ４において、Ｅａ＞「Ｅｂ＋α」でない場合には（ステップＳ４のＮＯ方向）、アレイ超音波探傷装置は、対象としたエコーを接触媒質３中の反射源による妨害エコーと判断し、その妨害エコーを無視する（ステップＳ８）。なお、対象としたエコーを妨害エコーと識別した後の処理についても、アレイ超音波探傷装置は、任意の処理を行ってよい。
【００３８】
上記のような実施の形態１のアレイ超音波探傷装置によれば、エコー識別部２０が、アレイ探触子７の各チャンネルの電気信号の受信時間差あるいは位相差に基づいて、接触媒質３中の気泡４等の音響的不連続部からの妨害エコーと、丸棒綱１内部の音響的不連続部からのきずエコーとを識別する。この構成により、入射角に依らず反射率がほぼ同じである場合や、１回だけのパルス照射しか許されない場合でも、接触媒質３中にある不要な反射源による妨害エコーときずエコーとを識別することができ、探傷試験の精度を向上させることができる。
【００３９】
なお、以上の実施の形態１では、音響的不連続部として気泡４がある場合について説明した。しかしながら、音響的不連続部が金属粉のようなものでも、本発明により妨害エコーときずエコーとの識別は可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  丸棒鋼（試験体）、２  きず、３  接触媒質、４  気泡、７  アレイ探触子、８  送受信器、１１〜１３  送受信部、２０  エコー識別部、２１  加算部、２２  比較部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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