(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の超音波振動子を使用して物体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動方向制御方法において、
第１の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して第１の横波を発生する工程と、  前記第１の超音波横波振動子と振動方向が異なるように配置された第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して前記第１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生させる際に、前記第２の横波が前記物体中で前記第１の横波と同じ位相となる時間の遅延を与えて前記駆動電圧を印加して前記該物体中に任意の振動方向の横波を形成する工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動方向制御方法。
【請求項２】
第１及び第２の超音波振動子を使用して物体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動方向制御方法において、
第１の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して第１の横波を発生する工程と、
前記第１の超音波横波振動子と振動方向が異なるように配置された第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して前記第１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生する際に、該第２の横波が該物体中で該第１の横波と異なる位相となる時間の遅延を与えて該駆動電圧を印加して前記物体中に捻れ波を形成する工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動方向制御方法。
【請求項３】
第１及び第２の超音波振動子を使用して物体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動方向制御方法において、
第１の超音波振動子に駆動電圧を印加して、くさび中に第１の超音波を発生させる工程と、
第２の超音波振動子に駆動電圧を印加して前記くさびに第２の超音波を発生させる際に、前記第１の超音波が前記くさびの境界面で屈折して発生する第１の横波と、前記第２の超音波が前記くさびの境界面で反射または屈折して発生する第２の横波が、同じ位相となる時間の遅延を与えて前記駆動電圧を印加して前記物体中に任意の振動方向の横波を形成する工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動方向制御方法。
【請求項４】
第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御するために用いる超音波横波探触子において、
前記第１の超音波振動子は横波を発生し、
前記第２の超音波振動子は前記第１の超音波振動子の前記物体側から見て背後側に設けられ、
前記第２の超音波振動子の振動方向が該第１の超音波振動子の振動方向と異なるように、かつ、前記第２の超音波振動子と前記第１の超音波振動子との隣接面で電気的に導通するように配置されている、
ことを特徴とする超音波横波探触子。
【請求項５】
前記第１の超音波振動子よりもさらに前記物体に近接した位置に横波超音波の前記物体への入射を遅延させる遅延保護板を設けたことを特徴とする請求項４記載の超音波横波探触子。
【請求項６】
第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御するために用いる超音波横波探触子において、
前記物体への入射を遅延させる少なくとも１つ以上のくさびを備え、
前記第１の超音波振動子は前記くさび中に第１の超音波を発生させ、前記第１の超音波が前記くさびの境界面で屈折するときに第１の横波が発生するように配置され、
前記第２の超音波振動子は前記くさび中に第２の超音波を発生させ、前記第２の超音波が前記くさびの境界面で反射または屈折するときに第２の横波が発生し、当該第２の横波の音軸が前記第１の横波の音軸と等しくなり、前記第２の横波の振動方向が該第１の横波の振動方向と異なるように配置されている、
ことを特徴とする超音波横波探触子。
【請求項７】
第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御するために用いる超音波横波探触子において、
前記物体への入射を遅延させるくさびを備え、
前記第１の超音波振動子は前記くさび中に縦波を発生させ、前記縦波が前記物体中に入射する際に第１の横波が発生するように配置され、
前記第２の超音波振動子は、前記くさび中に第２の横波を発生させ、前記第１の横波の音軸と前記第２の横波の音軸が等しくなるように配置されていること、
を特徴とする超音波横波探触子。
【請求項８】
請求項４ないし７のいずれか１項に記載の超音波横波探触子と、
前記第１の超音波振動子に対する印加電圧を制御して当該第１の超音波振動子を駆動する第１の超音波送受信部と、
前記第２の超音波振動子に対する印加電圧を制御して当該第２の超音波振動子を駆動する第２の超音波送受信部と、
前記第１及び第２の超音波送受信部に電圧と位相を指示する制御手段と、
を備えていることを特徴とする超音波振動方向制御装置。
【請求項９】
請求項４ないし７のいずれか１項に記載の超音波横波探触子と、
前記第１及び第２の超音波振動子に対して可変電圧を印加可能な超音波送受信部と、
前記超音波受信部から前記第１の超音波振動子及び該第２の超音波振動子に印加する電圧を切り換える切換手段と、
前記超音波送受信部に前記第１及び第２の超音波振動子に印加する電圧と位相を指示する制御手段と、
を備えていることを特徴とする超音波振動方向制御装置。
【請求項１０】
請求項８または９記載の超音波振動方向制御装置と、
前記第１及び第２の超音波振動子から振動方向を変えて取得したデータに基づいて材料の劣化を診断する診断手段と、
を備えていることを特徴とする材料劣化診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体材料中の検査を目的とした超音波検査装置に係り、特に音響的異方性を有する材料の劣化診断に好適な超音波振動方向制御方法及び装置並びに当該装置を用いた材料劣化診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の発電プラントの高経年化により、構造材料の健全性（劣化）を非破壊で診断できる技術が重要になってきている。その一方法として、超音波の音速を用いた方法が提案されている。この方法は、材料の劣化（クリープ損傷・疲労や脆化）と弾性的特性の変化に相関があることに着目したもので、例えば高温環境中に長時間放置された鋼材は、脆化が進行するとともに音速が速くなるので、使用前の鋼材の音速を基準とした変化量から脆化の度合いを非破壊で測定することができる。
【０００３】
測定に使用する超音波の波のモードは、縦波と横波が代表的であり、一般に探傷の分野では使用頻度が高くないＳＨ波垂直探触子が使用されることが多い。これは、配管等のように超音波の伝播経路長に相当する肉厚の測定が困難な場合でも、縦波と横波を各々垂直に入射して伝播時間を測定することで、音速の比から劣化を診断することができるからである。
【０００４】
しかしながら、横波の音速を測定する場合には、鋼材の音響的異方性の影響を考慮しなければならない。例えば、圧延成型したオーステナイト系のステンレス鋼では、圧延方向に組織が揃う現象が生じる。このような鋼材で横波の伝播時間を測定すると、横波探触子の向き（超音波の振動方向）によって異なる伝播時間が計測される。したがって、横波伝播時間の測定値としてどの値を用いるのかを決めておいて、縦波との比を算定する必要がある。
【０００５】
この問題への一つの対応策が、特開平４−１２２９８公報に提示されている。この発明では、残留応力の影響により音響的異方性が発生している溶接線近傍において、溶接線に平行な方向に振動する横波の音速と、それに垂直に振動する横波の音速（伝播時間）の平均値を代表的な横波音速として、縦波との間で比を算定する方法を提案している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方においてこの発明では、測定に用いる探触子等の装置に関しては、具体的な提案は行われていない。横波の伝播時間を測定する場合、振動方向を変えるには、通常、探触子自体を回転走査しなければならなず、回転中に鋼材との間のカップリングが悪くなる問題や、駆動機構を有するが故に探触子周りの構成が大掛かりになり、狭隘部に適用できない問題、さらにプラントの運転中検査に適用しにくいなどの問題がある。
【０００７】
回転走査の手間をなくすための一つの解決手段は、特開平１−２２９９２５公報に提示されている。この発明では、直交する２つの横波振動子を積層して配置した探触子を提案しており、探触子を回転走査することなしに同一ポイントでの異なる２振動方向の横波伝播時間の測定を可能としている。この特開平１−２２９９２５公報に提示された従来技術では、機械的な回転走査をすることなく、直交する２方向の横波音速を測定することが可能である。ただし、この場合、溶接線近傍や応力が負荷された状態の鋼材など、音響異方性の方向が予めわかっていることが前提である。音響異方性の方向がわからない場合、例えば、単結晶材料として生成したものの異方性の調査では、振動方向と異方性の方向を合致させるための走査が別途必要となる。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、超音波探触子を機械的に回転せずに、任意の振動方向の超音波を形成でき、音響異方性のある物体の横波音速を異なる振動方向で高速かつ簡便に測定することができる超音波振動方向制御方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
また、他の目的は、このような超音波振動方向制御装置を使用し、音響異方性のある物体の材料劣化を高速かつ簡便に診断することができる材料劣化診断装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、第１の手段は、第１及び第２の超音波振動子を使用して被検体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動方向制御方法において、第１の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して第１の横波を発生する工程と、前記第１の超音波横波振動子と振動方向が異なるように配置された第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して前記第１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生させる際に、前記第２の横波が前記物体中で前記第１の横波と同じ位相となる時間の遅延を与えて前記駆動電圧を印加して前記該物体中に任意の振動方向の横波を形成する工程とを含むことを特徴としている。。
【００１１】
第２の手段は、同様の前提の超音波振動方向制御方法において、第１の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して第１の横波を発生する工程と、前記第１の超音波横波振動子と振動方向が異なるように配置された第２の超音波横波振動子に駆動電圧を印加して前記第１の横波と振動方向の異なる第２の横波を発生する際に、該第２の横波が該物体中で該第１の横波と異なる位相となる時間の遅延を与えて該駆動電圧を印加して前記物体中に捻れ波を形成する工程とを含むことを特徴としている。
【００１２】
第３の手段は、第１及び第２の超音波振動子を使用して物体中の超音波の振動方向を制御する超音波振動方向制御方法において、第１の超音波振動子に駆動電圧を印加して、くさび中に第１の超音波を発生させる工程と、第２の超音波振動子に駆動電圧を印加して前記くさびに第２の超音波を発生させる際に、前記第１の超音波が前記くさびの境界面で屈折して発生する第１の横波と、前記第２の超音波が前記くさびの境界面で反射または屈折して発生する第２の横波が、同じ位相となる時間の遅延を与えて前記駆動電圧を印加して前記物体中に任意の振動方向の横波を形成する工程とを含むことを特徴としている。
【００１３】
第４の手段は、第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御するために用いる超音波横波探触子において、前記第１の超音波振動子は横波を発生し、前記第２の超音波振動子は前記第１の超音波振動子の前記物体側から見て背後側に設けられ、前記第２の超音波振動子の振動方向が該第１の超音波振動子の振動方向と異なるように、かつ、前記第２の超音波振動子と前記第１の超音波振動子との隣接面で電気的に導通するように配置されていることを特徴としている。
【００１４】
第５の手段は、第４の手段において、前記第１の超音波振動子よりもさらに前記物体に近接した位置に横波超音波の前記物体への入射を遅延させる遅延保護板を設けたことを特徴としている。
【００１５】
第６の手段は、第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御するために用いる超音波横波探触子において、前記物体への入射を遅延させる少なくとも１つ以上のくさびを備え、前記第１の超音波振動子は前記くさび中に第１の超音波を発生させ、前記第１の超音波が前記くさびの境界面で屈折するときに第１の横波が発生するように配置され、前記第２の超音波振動子は前記くさび中に第２の超音波を発生させ、前記第２の超音波が前記くさびの境界面で反射または屈折するときに第２の横波が発生し、当該第２の横波の音軸が前記第１の横波の音軸と等しくなり、前記第２の横波の振動方向が該第１の横波の振動方向と異なるように配置されていることを特徴としている。
【００１６】
第７の手段は、第１及び第２の超音波振動子にそれぞれ駆動電圧を印加し、物体中の超音波の振動方向を制御するために用いる超音波横波探触子において、前記物体への入射を遅延させるくさびを備え、前記第１の超音波振動子は前記くさび中に縦波を発生させ、前記縦波が前記物体中に入射する際に第１の横波が発生するように配置され、前記第２の超音波振動子は、前記くさび中に第２の横波を発生させ、前記第１の横波の音軸と前記第２の横波の音軸が等しくなるように配置されていることとしている。
を特徴と
【００１７】
第８の手段は、第４ないし第７の手段における超音波横波探触子と、前記第１の超音波振動子に対する印加電圧を制御して当該第１の超音波振動子を駆動する第１の超音波送受信部と、前記第２の超音波振動子に対する印加電圧を制御して当該第２の超音波振動子を駆動する第２の超音波送受信部と、前記第１及び第２の超音波送受信部に電圧と位相を指示する制御手段とを備えていることを特徴としている。
【００１８】
第９の手段は、第４ないし第７の手段における超音波横波探触子と、前記第１及び第２の超音波振動子に対して可変電圧を印加可能な超音波送受信部と、前記超音波受信部から前記第１の超音波振動子及び該第２の超音波振動子に印加する電圧を切り換える切換手段と、前記超音波送受信部に前記第１及び第２の超音波振動子に印加する電圧と位相を指示する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１９】
第１０の手段は、第８または第９の手段における超音波振動方向制御装置と、前記第１及び第２の超音波振動子から振動方向を変えて取得したデータに基づいて材料の劣化を診断する診断手段とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態に係る超音波振動方向制御用の横波探触子と、この横波探触子を使用したシステムの構成を示すブロック図、図２は前記横波探触子の構成を示す図である。図２において、横波探触子１は、第１及び第２の２個の厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂと、パッキング材１０４と、前記厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂと前記パッキング材１０４との間に設けられた第１ないし第３の電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃと、保護板１０５と、外枠１０６とから構成されている。
【００２３】
第１の厚みすべり振動子１０１ａは、紙面に平行な方向に厚みすべりをする超音波振動子である。第２の厚みすべり振動子１０１ｂは、紙面に垂直な方向に厚みすべりをする超音波振動子であり、第１の厚みすべり振動子１０１ａとは振動方向が９０°異なっている。厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂは、例えば、水晶をＹ軸に垂直に切断したＹカット素子を使用することができる。電極１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃは、予め厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂまたは保護板１０５に金などを蒸着したものである。バッキング材１０４は、エポキシ樹脂にタングステン粉末を混ぜたものなどを用いることができる。保護板１０５は、ベークライトなどを用いることができる。
【００２４】
横波探触子１は、第１の厚みすべり振動子１０１ａの下面と第２の厚みすべり振動子１０１ｂの上面を導通した構造としているので、第１の厚みすべり振動子１０１ａと第２の厚みすべり振動子１０１ｂの間に余計な障害物を設置する必要が無く、第１の厚みすべり振動子１０１ａから発生した振動を直接第２の厚みすべり振動子１０１ｂに伝えることが可能である。また、第２の電極１０３ｂをグランドとして第１及び第３の電極１０３ａ，１０３ｃに異なる電圧を与えれば、厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂに異なる振幅の振動を発生させることができる。
【００２５】
図１は、本実施形態に係るシステム構成、すなわち、材料劣化診断装置の構成を示している。図１においては、図２に示した横波探触子１に対して、第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂと、デジタイザ３と、材料劣化診断部４とを付加してシステムを構成している。第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂは、市販の超音波探傷器で構成するか、超音波パルサーと、それに直流電圧を供給する直流電圧源を用いて構成する。このとき、超音波探傷器あるいは直流電圧源は、材料劣化診断部４からの制御信号により出力電圧を制御できるタイプのものを用いる。また、超音波探傷器あるいは超音波パルサーは、材料劣化診断部４からのトリガ信号に同期してパルスを発信できるタイプのものを用いる。材料劣化診断部４は、市販のコンピュータで構成できるが、第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂに送るトリガ信号の間隔を設定するためのデジタルディレイを備えるものとする。この例では、第１の電極１０３ａに第１の超音波送受信部２ａが接続され、第２の電極１０３ｃに第２の超音波送受信部２ｂが接続されている。なお、第２の電極１０３ｂは接地されている。なお、第１の電極横波探触子１の構成については、前述のように図２に示したものと同一であるので説明は省略する。
【００２６】
次に、本実施形態の材料劣化診断装置の動作手順について、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００２７】
この処理では、まず、ステップＳ１０１において、横波探触子１を被検査体１０に適当な加重で接触させる。このとき、横波探触子１と被検査体１０との間には横波の透過を良くする水あめなどの接触媒質を塗布する。そして、係数ｉ←０として初期化し、横波振動方向の制御ピッチΔθを、例えば１.０°と設定する。
【００２８】
次いで、ステップＳ１０２において、材料劣化診断部４は、第１の超音波送受信部２ａの出力電圧Ｖａと第２の超音波送受信部を２ｂの出力電圧Ｖｂを、それぞれ数１と数２から算出し、電圧を設定する。
【００２９】
【数１】
0003709308.tif 000002
【００３０】
【数２】
0003709308.tif 000003
【００３１】
ここで、係数ｒbは、ステップＳ１０３で説明する横波１２ａが、厚みすべり振動子１０１ｂを通過する間に減衰する分を補正するための項である。
【００３２】
そして、ステップＳ１０３において、材料劣化診断部４は第１の超音波送受信部２ａにトリガ信号を与える。これに同期して、第１の超音波送受信部２ａはピーク間電圧Ｖａのパルスを第１の厚みすべり振動子１０１ａに印加する。第１の厚みすべり振動子１０１ａは紙面に平行方向にすべり振動をするので、紙面に平行方向に振動する横波１２ａが発生する。横波１２ａは、時間Δｔ２を経て第２の厚みすべり振動子１０１ｂを通過し、保護板１０５に垂直に入射する。これと同時に、材料劣化診断部４は、第２の超音波送受信部２ｂにトリガ信号を与える。これに同期して、第２の超音波送受信部２ｂはピーク間電圧Ｖｂのパルスを第２の厚みすべり振動子１０１ｂに印加する。第２の厚みすべり振動子１０１ｂは紙面に垂直方向にすべり振動をするので、紙面に垂直方向に振動する横波１２ｂが発生する。横波１２ｂは、紙面に垂直方向に振動して保護板１０５に垂直に入射する。横波１２ａと横波１２ｂは、同じ場所で振動方向が９０°異なる同期した振動をすることになり、合成振動の横波１２ｃが発生する。なお、時間Δｔ２は、予め測定しておき、材料劣化診断部４に記憶しておく必要がある。
【００３３】
ここで、合成した波の振動の振幅及び振動方向を図４を用いて説明する。深さ方向の位置ｚにおける横波１２ａの粒子変位をｘ（ｚ）、横波１２ｂの粒子変位をｙ（ｚ）とすると、その合成変位はｒ（ｚ）となる。粒子変位ｘ（ｚ）と粒子変位ｙ（ｚ）が、図５に示すように同位相で変位すれば、ｒ（ｚ）の振動方向は、粒子変位ｘ（ｚ）に対して常に角度θ（＝ｉ×Δθ）傾いていることになり、実効的に振動方向θの横波が発生する。第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂが、各々パルス状の電圧ではなく、持続時間の長い連続波やバースト波を発信する場合でも、同様に合成変位ｒ（ｚ）を発生させることができる。
【００３４】
ステップＳ１０３で合成振動横波を発生させた後、ステップＳ１０４において、横波探触子１は、横波１２ａと横波１２ｂの合成振動横波１２ｃの被検査体１０底面での反射波（以後、合成振動横波１２ｃの底面反射波と称す）を受信し、第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂで増幅した信号をデジタイザ３でデジタル信号に変換後、材料劣化診断部４で収録する。このとき、合成振動横波１２ｃの底面反射波はその振動方向が、材料の音響異方性の方向に対して、平行あるいは垂直でない場合、図６に示すように、音速の違いによって音速の速い横波Ｗ１と音速の遅い横波Ｗ２に２つの波に分離する現象が生じる。なお、収録する信号は、合成振動横波１２ｃの底面反射波のうち、底面でｍ回反射したｍ回反射波と、底面でｎ回反射したｎ回反射波の最低２つの信号を収録するものとする。通常は、超音波の減衰を考慮して、一回反射波と二回反射波（ｍ＝１、ｎ＝２）を収録するのが良いが、場合によってはさらにあとの反射波を利用しても良い。
【００３５】
次に、ステップＳ１０５において、合成振動横波１２ｃの振動方向θが終了角度θendに達していれば、ステップＳ１０７に進み、θendに達していなければ、ステップＳ１０６において、ｉ←ｉ＋１としてから、ステップＳ１０２に戻って処理を続ける。θendは、通常１８０°で十分であるが、精度向上のためにθend＝３６０°としても良い。
【００３６】
ステップＳ１０７において、市販の縦波探触子を用い、横波探触子１と同様の手順で、底面でｍ回反射したｍ回反射波と、被検査体１０の底面でｎ回反射したｎ回反射波の最低２つの信号を収録する。ステップＳ１０８からは、材料劣化診断部４のソフトウエア処理により実行する。まず、ステップＳ１０８において、収録したθstart＝０からθendまでのｍ回反射波に対して基準波形をθstartとしたときの相互相関処理による波形の類似度ｓ（ｉ）をｉ＝０〜ｋ−１（ｋは横波を収録した角度の数）について算定する。ここでは、波形の類似度の最小値が、しきい値ｓ0よりも大きい場合、被検査体１０の現在の測定位置の音響異方性は小さいと判断し、収録したθstart＝０からθendまでのｍ回反射波とｎ回反射波の伝播時間差を相互相関処理によるオーバーラップ法により算定する。さらに、算定した複数の伝播時間差の平均をとることにより、代表的な横波の伝播時間とするのである。なお、オーバラップ法はこの分野では通常採用されている手法なので、ここでの説明は省略する。
【００３７】
一方、波形の類似度が、しきい値ｓ0よりも小さい場合、被検査体１０の現在の測定位置の音響異方性が大きいために、音速の違いによって２つの波に分離する現象が顕著に発生しているものと判断し、収録したθstart＝０からθendまでのｍ回反射波とｎ回反射波の各々について、２つの波を分離する処理を行う。そして、分離した波形毎に、ｍ回反射波とｎ回反射波の伝播時間差を相互相関処理によるオーバーラップ法により算定する。さらに、算定した複数の伝播時間差の平均をとることにより、代表的な横波の伝播時間ｔsとする。
【００３８】
このようにして、ステップＳ１０８で横波伝播時間が算定されると、ステップＳ１０９において、縦波のｍ回反射波とｎ回反射波の伝播時間差を相互相関処理によるオーバーラップ法により算定し、縦波の伝播時間ｔlとする。
【００３９】
ステップＳ１０９で縦波の伝播時間が算定されると、ステップＳ１１０において、縦波と横波の音速比ｒを
ｒ＝ｔs／ｔl
により算定し、予め用意しておいた縦波横波音速比ｒと劣化度の相関関係曲線を参照して劣化度を評価する。劣化度は具体的には硬さや寿命で管理され、例えば硬さを用いる場合、図７に示すような相関関係曲線を用意すれば良い。
【００４０】
以上の手順によれば、従来の横波探触子のように機械的な回転走査をともなわずに、横波の振動方向を容易に制御することができるので、小型かつ高速な劣化評価装置を構成でき、検査時間の短縮や、狭隘部への適用に大きな効果がある。
【００４１】
次に、材料劣化診断部４が第２の超音波送受信部２ｂにトリガ信号を与える時刻と、材料劣化診断部４が第１の超音波送受信部２ａにトリガ信号を与える時刻との差が、時間Δｔ2でない場合について、図５を参照して説明する。
【００４２】
ここで、位置ｚにおける横波１２ａの粒子変位をｘ（ｚ）、横波１２ｂの粒子変位をｙ（ｚ）とすると、その合成変位はr（ｚ）となる。粒子変位ｘ（ｚ）と粒子変位ｙ（ｚ）が、図９に示すように異なる位相（但し、位相が１８０度ずれる場合を除く）の連続波で変位すれば、r（ｚ）の変位は、図８に示すように楕円もしくは円状に変位し、実効的に捻れ波が発生することになる。第１及び第２の超音波送受信部２ａ，２ｂが、各々持続時間の長い連続波やパルス波でも、合成変位r（ｚ）は、同様に考えることができる。
【００４３】
＜第２の実施形態＞
図１０は本発明の第２の実施形態のシステム構成を示すブロック図である。この実施形態は、第１の実施形態において図１に示した第１及び第２の２つの超音波送受信部２ａ，２ｂに代えて１つの超音波送受信部２ａと切換器５によって構成するようにしたものである。その他の各部は前述の第１の実施形態と同等に構成されている。
【００４４】
本実施形態では、まず、材料劣化診断部４は超音波送受信部２にトリガ信号を与える。これに同期して、超音波送受信部２は時間差Δｔ2の２つの高電圧パルスを出力する（Δｔ2は、横波１２ａが厚みすべり振動子１０１ｂを通過するのに要する時間）。材料劣化診断部４は、切換器５を制御して高電圧パルスを順に第１の厚みすべり振動子１０１ａ及び第２の厚みすべり振動子１０１ｂに与える。そのあとの動作及び処理の手順は第１の実施形態と同様なので説明は省略する。
【００４５】
＜第３の実施形態＞
図１１は第３の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図であり、この超音波横波探触子は、前述の第１及び第２の実施形態で使用された超音波横波探触子１の変形例に当たる。
【００４６】
この実施形態に係る超音波横波探触子１は、図１１から分かるように図２における保護板１０５を厚い遅延保護板１０５ａとしたことを特徴としており、遅延保護板１０５ａとしては、比較的厚いアクリルなどを用いて構成することができる。この遅延保護板１０５ａを用いれば、横波１２ａ、１２ｂが被検査体１０に入射するまでの時間を遅延させることができ、図２の構成の横波探触子のように保護板１０５の中で横波１２ａ、１２ｂが各々短い時間間隔での多重により干渉するのを防止することができる。
【００４７】
その他の各部は図２における超音波横波探触子１と同等に構成され、図１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作するので、ここでの説明は省略する。
【００４８】
＜第４の実施形態＞
図１２は第４の実施形態に係る超音波探触子の構成を示す図であり、この超音波探触子は、前述の第１及び第２の実施形態で使用された超音波横波探触子の変形例に当たる。
【００４９】
この実施形態に係る超音波探触子１は、図１２から分かるように図２における第１及び第２の厚みすべり振動子１０１ａ，１０１ｂを、保護板１０５に対して積層せずに、横方向に並べて配置したことを特徴としており、その他の各部は図２の超音波横波探触子と同等に構成されている。このように構成すると、第１の厚みすべり振動子１０１ａから発生する横波１２ａと第２の厚みすべり振動子１０１ａから発生する横波１２ｂは、被検査体１０中で干渉して、偏向方向の異なる横波や捻れ波になる。この場合、横波探触子の近傍では、横波１２ａと横波１２ｂが重ならずに干渉しない領域が存在するといった点で、図２や図１１に示した構成の横波探触子に劣るが、図１の超音波振動方向制御装置に置き換えて構成する場合に、第１及び第２の超音波送受信部２ａ、２ｂに同時にパルスを印加すれば良いので、より単純に動作させることができる点や、横波１２ａ，１２ｂのいずれもが、他の厚みすべり振動子を通過する必要がないので、横波の減衰が少なく感度が良いといった点において優れている。
【００５０】
その他の各部は図２における超音波横波探触子１と同等に構成され、図１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作するので、ここでの説明は省略する。
【００５１】
＜第５の実施形態＞
図１３は第５の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。同図において、１０１ｂは紙面に垂直に振動する厚みすべり振動子、１０２は縦波振動子、１０５ｂはくさびである。ここで言うくさびとは、超音波斜角入射用の中間伝播媒体であり、材質はアクリル、ポリスチレン等である。この横波探触子１は、以下のようにして被検査体１０中に横波を発生させる。
【００５２】
すなわち、厚みすべり振動子１０１ｂでくさび１０５ｂ中に紙面に垂直に振動する横波１２ｂを発生させ、くさび１０５ｂと被検査体１０の境界面で横波１２ｂを屈折させ、被検査体１０中に紙面に垂直に振動する横波（ＳＨ波）を発生させる。一方で、縦波振動子１０２でくさび１０５ｂ中に縦波１４を発生させ、くさび１０５ｂと被検査体１０の境界面で縦波１４を屈折させ、被検査体１０中に紙面に平行に振動する横波（ＳＶ波）を発生させる。このＳＨ波とＳＶ波の位相が同じになるように、あるいは異なるように、厚みすべり振動子１０１ｂと縦波振動子１０２が駆動されることで、被検査体１０中に任意の振動方向の斜角横波（あるいは、捻れ波）１３が形成できる。
【００５３】
くさび１０５ｂの材料としては、前述のようにアクリルを用いる。被検査体１０が鋼である場合、被検査体１０中に屈折角４５度の任意の振動方向の横波を発生させるには、縦波振動子１０２を入射角３７度の縦波を発生させるように配置でき、かつ厚みすべり振動子１０１ｂを入射角１９度の横波を発生させるように配置できるようなくさび１０５ｂを用意する。このように、斜角の横波を発生させることは、図２の横波探触子において保護板１０５の代わりに斜角用のくさびを取り付ければ可能であるが、図１３の斜角用超音波横波探触子の利点は、図１２と同様に、横波１２ｂや縦波１４が、他の振動子を通過する必要がなく、超音波の減衰が少なく感度が良いといった点にある。また、このようなＳＨ波・ＳＶ波のいずれでもない傾いた振動を発生できる横波探触子の利点は、入射面と反射面（検査面）が平行でない構造物においても、反射面に対して相対的にＳＨ波となるような振動面の横波を発生させることで、反射のときのモード変換が生じず、ＳＮ比の向上が期待できることにある。
【００５４】
本実施形態に係る超音波横波探触子１も図１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作するので、ここでの説明は省略する。
【００５５】
＜第６の実施形態＞
図１４は第６の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。同図において、１０１ｂは紙面に垂直に振動する厚みすべり振動子、１０２は縦波振動子、１０５ｃ、１０５dは第１及び第２のくさびである。ここでいうくさびも第５の実施形態と同様に超音波斜角入射用の中間伝播媒体であり、材質はアクリル、ポリスチレン等である。この横波探触子は、以下のようにして被検査体１０中に横波を発生させる。
【００５６】
すなわち、厚みすべり振動子１０１ｂで第１のくさび１０５ｃ中に紙面に垂直に振動する横波１２ｂを発生させ、第１のくさび１０５ｃと第２のくさび１０５dの境界面で横波１２ｂを屈折させ、第２のくさび１０５d中に紙面に垂直に振動する横波を発生させる。一方で、縦波振動子１０２で第１のくさび１０５ｃ中に縦波１４を発生させ、第１のくさび１０５ｃと第２のくさび１０５dの境界面で縦波１４を屈折させ、被検査体中に紙面に平行に振動する横波を発生させる。これら横波の位相が同じになるように、あるいは異なるように、厚みすべり振動子１０１ｂと縦波振動子１０２が駆動されることで、第２のくさび１０５d中に任意の振動方向の横波（あるいは、捻れ波）１３を形成することができ、これが被検査体１０中に垂直に入射することで、任意の振動方向の横波（あるいは、捻れ波）を形成できる。
【００５７】
本実施形態に係る超音波横波探触子１も図１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作するので、ここでの説明は省略する。
【００５８】
＜第７の実施形態＞
図１５は第７の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。同図において、１０１ａは紙面に平行に振動する第１の厚みすべり振動子、１０１ｂは紙面に垂直に振動する第２の厚みすべり振動子、１０５e、１０５fは第１及び第２のくさびである。ここでいうくさびも第５の実施形態と同様に超音波斜角入射用の中間伝播媒体であり、材質はアクリル、ポリスチレン等である。この横波探触子は、以下のようにして被検査体１０中に横波を発生させる。
【００５９】
すなわち、第１の厚みすべり振動子１０１ａで第１のくさび１０５e中に紙面に平行に振動する横波１２ａを発生させ、第１のくさび１０５eと第２のくさび１０５fの境界面で横波１２ａを屈折させ、第２のくさび１０５f中に紙面に平行に振動する横波を発生させる。一方で、第２の厚みすべり振動子１０１ｂで第２のくさび１０５f中に紙面に垂直に振動する横波１２ｂを発生させ、第１のくさび１０５ｅとくさび１０５ｆの境界面で横波１２ｂを反射させる。これら横波の位相が同じになるように、あるいは異なるように、第１及び第２の厚みすべり振動子１０１ａ、１０１ｂを駆動することで、第２のくさび１０５f中に任意の振動方向の横波（あるいは、捻れ波）１３が形成でき、これが被検査体１０中に垂直に入射することで、任意の振動方向の横波（あるいは、捻れ波）を形成できる。
【００６０】
本実施形態に係る超音波横波探触子１も図１もしくは図１０に示すシステムによって同様に動作するので、ここでの説明は省略する。
【００６１】
これら第６の実施形態（図１４）や第７の実施形態（図１５）のように、くさび１０５ｃ，１０５ｄ、あるいはくさび１０５ｅ，１０５ｆを介して垂直横波を発生させることの利点は、第４の実施形態（図９）や第５の実施形態（図１０）と同様に、横波１２ａや横波１２ｂ、もしくは縦波１４が、他の振動子を通過する必要がなく、超音波の減衰が少なく感度が良いといった点にある。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、
（１）音響異方性のある物体の横波音速を異なる振動方向で高速かつ簡便に測定することができる。  
（２）横波超音波が被検体に入射するまでの時間を遅延させることができ、これにより保護板の中での干渉を抑制することが可能になる。  
（３）第１及び第２の超音波振動子に同時にパルス印加が可能となり、動作を単純にすることができる。  
（４）他の超音波振動子を通過する必要がないので、横波の減衰が少なく、高感度に構成できる。
（５）被検体の中に任意の振動方向の斜角横波あるいは捻れ波を形成することができる。  
（６）制御手段により振動方向を任意に設定することができる。  
（７）超音波探触子を機械的に回転することなく、超音波の振動方向を電気的に任意に制御することが可能となり、音響異方性のある物体の材料劣化を高速かつ簡便に診断することができる。  
等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る材料劣化診断装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図２】図１における超音波横波探触子の構成を示す図である。
【図３】図２の超音波横波探触子の出力によって被検体内を伝播する合成された横波の振動の状態を示す説明図である。
【図４】図１におけるシステムを使用した材料劣化診断の手順を示すフローチャートである。
【図５】図４において位相が同じ振動方向の異なる２つの振動の合成状態を示す説明図である。
【図６】被検査体の劣化を診断するときに利用する超音波データを示す説明図である。
【図７】硬さと縦波横波音速比の相関関係を示す説明図である。
【図８】図２の超音波横波探触子の出力によって被検体内を伝播する合成された捻れ波の振動の状態を示す説明図である。
【図９】図８において位相の異なる振動方向の異なる２つの振動の合成状態を示す説明図である。
【図１０】第２の実施形態に係る材料劣化診断装置のシステム構成を示すブロック図である。
【図１１】第３の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。
【図１２】第４の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。
【図１３】第５の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。
【図１４】第６の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す図である。
【図１５】第７の実施形態に係る超音波横波探触子の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１  横波探触子
１０１ａ、１０１ｂ  厚みすべり振動子
１０２  縦波振動子
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ  電極
１０４  バッキング材
１０５  保護板
１０６  外枠
２ａ，２ｂ  超音波送受信部
３  デジタイザ
４  材料劣化診断部
５  切換器
１０  被検査体
１２ａ、１２ｂ  横波
１２ｃ  合成振動による横波
１３  合成振動による横波
１４  縦波
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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