(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部の状態を検査したい対象に外部から超音波波形を照射し対象内部を進行し反射して来る反射波形を取出すと共に、その反射波形を波形フィルタを主体とする処理部を通して加工し、前記処理部で波形処理された波形から、異物の音響インピーダンスの差を、その波形におけるゼロクロスの時間間隔をそれぞれ抽出すると共に抽出されたそれぞれの時間間隔の揺らぎとして検出し、その検出データに基づいて前記対象内部の異物の有無、又は、異物の有無と異物の多寡を評価することを特徴とする超音波波形を利用した媒質中の異物の非破壊検出方法。
【請求項２】
反射波形は、波形フィルタを主体とする処理部を通して加工し、前記処理部で波形処理された波形から、その波形におけるゼロクロスの時間間隔の特徴をそれぞれ取出し、そのゼロクロスの時間間隔の状態と媒質中の異物の多寡を評価する請求項１の超音波波形を利用した媒質中の異物の非破壊検出方法。
【請求項３】
反射波形のゼロクロス点の間隔を取出してその標準偏差を数値化し、この数値に基づいて媒質中の異物の多寡又は異物の大きさを定量化する請求項２の超音波波形を利用した媒質中の異物の非破壊検出方法。
【請求項４】
照射する超音波波形は、80MHz〜100MHzの高周波超音波である請求項１〜３のいずれかの超音波波形を利用した媒質中の異物の非破壊検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、当初均質であった材料（媒質）の中に経時的に生成する異物の存在や、外部から非破壊的には視認することができない異物の存在を、正確に検出することができる検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
予め均質に調整されて棒状，板状等に所定形状成形され工業部品，設備部品等として使用される、例えば、合金材料による金属材料の場合、水の中に浸漬された状態で使用していると、その材料組成中に水素化物が徐々に生成することが知られている。
【０００３】
上記のような金属材料の組成中に生成する水素化物は、その材料を脆性化することが知られているが、使用中の金属材料に水素化物が生成されているか否か、或は、水素化物がどの程度生成されているか、といったことを予め正確に検出できれば、脆性破壊を未然に防止できるので、有用である。しかし乍ら、水素化物の検出は、そのような異物が生成する金属材料の表面に生じる酸化膜の影響や、生成される水素化物の大きさ，質量が小さいために、従来の単なる超音波を利用した非破壊検査の手法によっては、前記水素化物の有無の検査は不可能と認識されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のように検査対象の表面状態等が均質ではなく、またそれ故に単なる超音波等の非接触手段を利用した非破壊検査では、材料内部の状態が当初の均質状態のままか、或は、何らかの異物を生成して異質化しているかを判別できなかった点に鑑み、対象の外面状態の如何に拘らずその影響を受けずに、材料内部に異物が生成しているかどうかを始めとして、対象の内部状態を検査することができる方法を提供することを課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することを目的としてなされた本発明方法の構成は、内部の状態を検査したい対象に外部から超音波波形を照射し対象内部を進行し反射して来る反射波形を取出すと共に、その反射波形を波形フィルタを主体とする処理部を通して加工し、前記処理部で波形処理された波形から、異物の音響インピーダンスの差を、その波形におけるゼロクロスの時間間隔をそれぞれ抽出すると共に抽出されたそれぞれの時間間隔の揺らぎとして検出し、その検出データに基づいて前記対象内部の異物の有無、又は、異物の有無と異物の多寡を評価することを特徴とするものである。
【０００６】
本発明では上記構成において、取出す反射波形の特徴が顕著に現れるように、前記反射波形を波形フィルタを主体とする処理部を通して加工する。また、本発明では、前記処理部を通って波形処理された波形により位相の揺らぎを標準偏差として数値化し、この数値に基づいて前記異物の定量化を図って検出する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明方法の実施の一形態について、図に挙げた例を参照しつつ説明する。図１は本発明方法の適用対象の一例として、試験体にした合金製壁の断面を模式的に示した図、図２は図１の試験体の断面に生じる高周波超音波の反射波形を模式的に示した波形図、図３及び図４は、異なる試験体に照射した超音波の反射波形の例をそれぞれ示す波形図、図５は媒質の密度（粒子密度）と音圧の関係を示す模式的線図、図６は本発明方法により得られた位相の揺らぎを模式的に示した波形図である。
【０００８】
本発明は、図１に一例として示した予め均一な媒質に調整した合金製壁体を試験体１とし、その断面組成の中に、その媒質２の不連続点となる不純物３（又は異物３）、ここでは水素化物があるとき、その不純物３の量が超音波の乱反射の量と相関関係のあることを、過度現象から捉えようとするものである。
【０００９】
即ち、媒質２が一様である場合、超音波の反射波形の変化は、一様に反射が生じるため、観測結果に顕著な現象は見られないが、媒質２の内部にその不連続点となる不純物３が生成されていると、その不連続点となる不純物３における反射回数や回析干渉に応じて反射波形に差が生じるので、この差を観測して媒質２の中の不純物３の量を定量化すればよいとするのが、本発明方法の基本的立場である。
【００１０】
しかし乍ら、上記反射波形の違いに基づく変化を、従来手法のように、高速フーリエ変換手法により処理してグラフ化しても、その変化は高速フーリエ変換演算の周期内で常に動くような微小変化であること、媒質中を進む高周波の超音波による照射波やその反射波のハース効果によって、前記変化が必ずしも正の側に現れるとは限られないことによって、前記反射波形の変化を観察することはきわめて困難である。
【００１１】
本発明は、上記の点に鑑み、微小時間内での周波数の変化を観測するため、周波数の変化を、反射波形の位相のズレ具合、つまり揺らぎとして捉え、これを数値化しようとするものである。即ち、本発明では反射波形における周波数の変化、つまりその揺らぎ具合を顕在化させて観測するため、揺らいでいる帯域に合せてフィルタの特性を設定し、そのフィルタを通して抽出される波形のゼロクロスの動きを反射波形における周波数の揺らぎと定義付け、フィルタを通った後の反射波形にどの程度の揺らぎ成分が含まれているかを、標準偏差を用いてグラフ化し、これを観測することにより、一定媒質中の不純物の有無と、不純物がある場合その多寡を判別するものである。従って、本発明では、照射する高周波超音波の反射波形にデジタル信号処理による加工を施すが、その処理の中でフィルタの条件設定が反射波形の揺らぎを顕在化させるために不可欠である。
【００１２】
本発明では、図１に例示した超音波深触子４から試験体１に向けて、パルス状の超音波を発射する。この波形は、試験体１における壁の外表面1aの酸化膜５、水素化物３、壁の内表面1bなどで幾度も乱反射した波形が重なり合って合成され、図２に例示するように、時間軸に対して連続した波形として検出される。高周波周波数としては、一例として80MHz〜100MHz程度の周波数を使用する。
【００１３】
図３の波形は、媒質（壁）中に水素化物３がかなり含まれている試験体(イ)、図４の波形は、上記試験体(イ)よりも多くの水素化物３を含む別の試験体(ロ)により得られたもので、両波形を見ると、水素化物の量が多い試験体ほど波形の乱れ方が大きく、それに伴いゼロクロスの時間間隔の揺らぎも大きくなっている。つまり、水素化物によって超音波の反射波形は乱反射しており、水素化物の含有率と超音波の乱反射する量とは比例する方向にあることが判る。
【００１４】
上記のことから、次のことが考えられる。
音波が均質な媒質中を進行するとき、その媒質内に不連続点となる不純物，異物があり、かつ、その不連続点が音波にとって十分な音響インピーダンスの変化を持っている場合には、その不連続点で音波の反射が生じる。この反射音波は、不連続点を経ない反射音波との間で位相にズレを伴う。その理由は、音波が進む媒質の粘性とその慣性が微小なバネ定数を作り、音波の反射位相にズレを生じさせることに拠る。しかし、この位相ズレは、反射回数の少ないうちは、基本周波数の一波長内で収束してしまうので、周波数の変化としては殆んど表われずゼロクロスの位置のズレとして現われる。反射回数が多くなると、ゼロクロスの位置ズレ（位相揺らぎ）も激しくなる。
【００１５】
位相の揺らぎが生じるのは、媒質とこの媒質中の不純物粒子（この例では水素化物）とで音響インピーダンスに差がある場合であり、これによって、反射に要する微小な時間が異なってくるためである。粒子の加速度が正であるときと、負であるときでは、反射する時間そのものが異なり、位相のズレとして捉えられるが、正負で補いあうために、周波数の偏移としては捉え難い。
以上から、図１の試験体１の壁の内表面1bから直接戻って来る反射波形に比べ、不純物３（水素化物）による乱反射成分の波形では、位相の揺らぎが大きくなり、また、その揺らぎの量を抽出すると、不純物、ここでは水素化物の含有量を推測できる、と考えることができる。
【００１６】
なお、上記試験体１はその表面に酸化膜５のほか，クラッドや表面粗さがあるが、これらの厚さに比べ試験体１の壁の厚さが遥かに大きいため、本発明では、前記酸化膜５やクラッド，表面粗さで反射される超音波の反射波は、壁の内部で反射される反射波よりも時間軸上に現れる時間が少なく、よってその影響は無視できると考えた。
【００１７】
本発明方法は、媒質中を進む超音波の音圧による粒子密度の変化からも、明らかにすることができるので、次にこの点について述べる。
音波が媒質中を進行するとき、図５に模式的に示すように、その媒質内に密度の変化が生じる。即ち、音圧が高い部分は媒質の密度が高くなり、音圧の低い部分では、密度が疎であるという密度の変化を音波の周期によって繰り返す。いま、媒質の密度をρとするとき、音波の進行方向のχ方向に垂直な媒質の微小部分の単位面積Δｘの質量は、ρ．Δｘである。
【００１８】
次に、ニュートンの運動法式、Ｆ＝ｍ・ａ＝ｍ・ｄ2ｘ／ｄｔ2の質量ｍに、上記ρ・Δｘを代入すると、
0003581262.tif 000002
となる。ここで、ｕは媒質の変位量、Ｐは媒質中の静圧力である。
上記式の両辺をΔｘで割ると、ρ・∂2ｕ／∂ｔ2＝Ｐ・∂2ｕ／∂ｘ2となり、Ｐ／ρ＝ｃとおくと、∂2ｕ／∂ｔ2＝ｃ2・∂2ｕ／∂ｘ2となる。ここで、ｃは音速であり、この式が一次元の波動方程式である。
【００１９】
次に、角周波数ω＝２πｆを用いて、上記の波動方程式を解くと、数式１に示す一般解が得られる。
【００２０】
【数１】
0003581262.tif 000003
【００２１】
音波の音圧Ｅは、媒質の粒子速度をｖとすると、Ｅ＝ρｖであるので、音圧Ｅは媒質の粒子速度ｖが判れば得られる。媒質の粒子速度ｖは上記波動方程式の一般解が、媒質の変位（距離）を表しているので、この式をｔについて微分することにより導出できる。
従って、音波の音圧Ｅは、数式２に示すようになる。
【００２２】
【数２】
0003581262.tif 000004
【００２３】
媒質が一様である場合、その変化は、一様に相対的に起るため、顕著な観測結果としては現れないが、媒質内に不連続点がある場合、不連続点で反射したものとしないもの、また、反射回数に応じて、観測結果に差が出てくる。
反射時に、粒子の慣性による影響を考えると、媒質の不連続点に衝突した粒子は、反射によって力の方向が変るときに、その媒質のバネ定数（ヤング率）によって、見かけ上速度が落ちることになる。
したがって、音波が反射する場合には、ｔに対してωが遅れる状態を作る。反射時のバネ定数の影響による音圧の変化を図６に示す。
実際の波形ではこのような理想的な波形は、複数の反射により見られないが、全体としての傾向としては、つかむことができる。
【００２４】
このことを、前出の式に当てはめると、数式３が得られるので、音波が反射するときには、見かけ上、周波数が下がる現象が起ることが判る。このため、乱反射が大きくなればなるほど周波数の偏移した反射波が多くなる。
【００２５】
【数３】
0003581262.tif 000005
【００２６】
しかし、この反射時の過程現象は、１周期内で収束するため、観測は、フーリエ変換による周波数特性の変化ではなく、各周期の位相のズレの傾向を観測する必要があるため、本発明方法による検出方法が有用なのである。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は以上の通りであって、内部の状態を検査したい対象に外部から超音波波形を照射し対象内部を進行し反射して来る反射波形を取出すと共に、その反射波形を波形フィルタを主体とする処理部を通して加工し、前記処理部で波形処理された波形から、異物の音響インピーダンスの差を、その波形におけるゼロクロスの時間間隔をそれぞれ抽出すると共に抽出されたそれぞれの時間間隔の揺らぎとして検出し、その検出データに基づいて前記対象内部の異物の有無、又は、異物の有無と異物の多寡を評価するようにしたから、従来の単なる超音波を利用する非破壊検査では得られない均質な媒質中に生成される不純物を、それが微細，或は、微量であっても正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の適用対象の一例として、試験体にした合金製壁の断面を模式的に示した図。
【図２】図１の試験体の断面に生じる高周波超音波の反射波形を模式的に示した波形図。
【図３】異なる試験体に照射した超音波の反射波形の例をそれぞれ示す波形図。
【図４】異なる試験体に照射した超音波の反射波形の例をそれぞれ示す波形図。
【図５】媒質の密度（粒子密度）と音圧の関係を示す模式的線図。
【図６】本発明方法により得られた位相の揺らぎを模式的に示した波形図。
【符号の説明】
１    試験体
1a    外表面
1b    内表面
２    媒質
３    不純物（異物、又は、水素化物）
４    超音波深触子
５    酸化膜
【図１】
0003581262.tif 000006
【図２】
0003581262.tif 000007
【図３】
0003581262.tif 000008
【図４】
0003581262.tif 000009
【図５】
0003581262.tif 000010
【図６】
0003581262.tif 000011