(57)【要約】【課題】実験的又は経験的な決定方法によらずに理論的に決定した合成幅を用いた開口合成処理によって、検査材の各深さで高い検出能及び分解能の超音波探傷を実行可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る超音波探傷方法は、検査材と超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子において複数の欠陥信号を受信する受信ステップと、検査材と超音波探触子との各位置関係において、基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比を受信音圧比として算出し、算出された受信音圧比に基づいて、検査材の各深さ位置での開口合成処理における合成幅を決定する決定ステップと、決定した合成幅に従って複数の欠陥信号を用いて開口合成処理を実行することによって検査材の内部を検査する検査ステップと、を含む。【選択図】図１
2019109107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波探触子から検査材に超音波信号を送信し、前記検査材の内部で反射された超音波信号を欠陥信号として超音波探触子において受信することによって、前記検査材の内部を検査する超音波探傷方法であって、
前記検査材と前記超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子において複数の欠陥信号を受信する受信ステップと、
前記検査材と前記超音波探触子との各位置関係において、基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比を受信音圧比として算出し、算出された受信音圧比に基づいて、検査材の各深さ位置での開口合成処理における合成幅を決定する決定ステップと、
決定した合成幅に従って複数の欠陥信号を用いて開口合成処理を実行することによって前記検査材の内部を検査する検査ステップと、
を含むことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
前記決定ステップは、前記受信音圧比の変化率から開口合成処理による欠陥信号のＳ／Ｎ比の変化率を算出し、欠陥信号のＳ／Ｎ比の変化率が所定値以上になる合成幅を開口合成処理における合成幅に決定するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷方法。
【請求項３】
前記決定ステップは、前記超音波探触子が円形の超音波探触子である場合、以下に示す数式（１）及び数式（２）を利用して超音波信号の指向角ψを用いて受信音圧比Ｒを算出し、前記超音波探触子が矩形の超音波探触子である場合には、以下に示す数式（１）及び数式（３）を利用して超音波信号の指向角ψを用いて受信音圧比Ｒを算出するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波探傷方法。但し、数式（２）及び数式（３）におけるパラメータｍは、指向角ψによって決定される係数である。
【数１】
2019109107.tif 000026
【数２】
2019109107.tif 000027
【数３】
2019109107.tif 000028
【請求項４】
前記検査ステップは、以下に示す数式（４），（５）を用いて、開口合成処理により得られた欠陥信号ＡをＮ点の受信音圧比Ｒｎ（ｎ＝０〜Ｎ）を加算平均した開口合成後受信音圧比Ｓで除算することにより、欠陥信号Ａの強度を補正するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷方法。
【数４】
2019109107.tif 000029
【数５】
2019109107.tif 000030
【請求項５】
前記決定ステップは、前記超音波探触子と内部欠陥の深さ位置との位置関係から検査材における任意の超音波信号の入射範囲を設定し、設定した超音波信号の入射範囲内においてスネルの法則に基づいて超音波信号の伝搬経路を算出し、座標計算によって超音波信号の伝搬経路が内部欠陥を通過するか否かを判定する計算を繰り返し行うことにより内部欠陥の各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路を算出し、算出された各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路に基づいて開口合成処理に必要な複数の欠陥信号の遅延時間を算出するステップを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷方法。
【請求項６】
前記決定ステップは、前記超音波探触子と内部欠陥の深さ位置との位置関係から検査材における任意の超音波信号の入射範囲を設定し、設定した超音波信号の入射範囲内において超音波信号の入射点における検査材の法線と、超音波探触子と超音波信号の入射点とを結ぶ線分とがなす角度及び想定欠陥位置と超音波信号の入射点とを結ぶ線分とのなす角度がスネルの法則を満たすか否かを判定する計算を繰り返し行うことにより内部欠陥の各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路を算出し、算出された各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路に基づいて開口合成処理に必要な複数の欠陥信号の遅延時間を算出するステップを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷方法。
【請求項７】
超音波探触子から検査材に超音波信号を送信し、前記検査材の内部で反射された超音波信号を欠陥信号として超音波探触子において受信することによって、前記検査材の内部を検査する超音波探傷装置であって、
前記検査材と前記超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子において複数の欠陥信号を受信する受信手段と、
前記検査材と前記超音波探触子との各位置関係において、基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比を受信音圧比として算出し、算出された受信音圧比に基づいて、検査材の各深さ位置での開口合成処理における合成幅を決定する決定手段と、
決定した合成幅に従って複数の欠陥信号を用いて開口合成処理を実行することによって前記検査材の内部を検査する検査手段と、
を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項８】
鋼材を製造する製造装置と、
前記製造装置によって製造された前記鋼材の内部を検査する、請求項７に記載の超音波探傷装置と、
を備えることを特徴とする鋼材の製造設備列。
【請求項９】
鋼材を製造する製造ステップと、
請求項１〜６のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷方法で、前記製造ステップにおいて製造された鋼材の内部を探傷する探傷ステップと、
を含むことを特徴とする鋼材の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜６のうち、いずれか１項に記載の超音波探傷方法で、鋼材の内部を探傷する探傷ステップと、
前記探傷ステップで得られた探傷結果から前記鋼材の品質保証を行う品質保証ステップと、
を含むことを特徴とする鋼材の品質保証方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探傷方法、超音波探傷装置、鋼材の製造設備列、鋼材の製造方法、及び鋼材の品質保証方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
丸棒体の内部欠陥は、その丸棒体を素材とする機械部品を製造する際に割れの起点となることがあり、製造後には機械部品の強度や寿命を低下させる。このため、丸棒体の内部を超音波探傷し、丸棒体の内部欠陥を評価することが従来から行われている。従来の丸棒体の超音波探傷装置では、垂直用及び斜角用の単一の超音波探触子を丸棒体の周方向及び軸方向に沿って相対的に移動させることによって、丸棒体の全面探傷を行っている。ところが、超音波探触子に非集束プローブを用いた場合、超音波探触子から遠方になるほど超音波信号が拡散するために、丸棒体の内部で反射された超音波信号（以下、この信号を欠陥信号と呼ぶ）の強度が小さくなる。一方、超音波探触子に集束プローブを用いた場合には、焦点付近での欠陥信号の強度は大きくなるが、焦点から離れると超音波信号が拡散するために欠陥信号の強度は小さくなる。このような背景から、特許文献１には、超音波探触子を走査しながら欠陥信号を受信し、受信した複数の欠陥信号に対してその受信位置に応じた遅延時間を設定して開口合成処理を行うことによって、小口径の超音波探触子を用いて欠陥の検出能及び分解能を向上させる方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３３８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、開口合成処理における合成幅が一定であるため、焦点位置から離れた位置では焦点位置に比べ欠陥信号のＳ／Ｎ比が低くなる。さらに、従来、合成幅は実験的又は経験的に決定されてきたが、最適な合成幅は超音波探触子の形状や寸法、探傷ピッチや探傷深さ等の探傷条件、検査材の形状や寸法に応じて変化する。このため、合成幅を逐一実験的又は経験的に決定することは非常に負荷が大きい。さらに、本発明の発明者らが詳細に検討したところ、上記の問題は丸棒体だけでなく厚板のような矩形体でも同様に存在することが明らかになった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、実験的又は経験的な決定方法によらずに理論的に決定した合成幅を用いた開口合成処理によって、検査材の各深さで高い検出能及び分解能の超音波探傷を実行可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、鋼材を歩留まりよく製造可能な鋼材の製造設備列及び鋼材の製造方法を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、高品質の鋼材を提供可能な鋼材の品質保証方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る超音波探傷方法は、超音波探触子から検査材に超音波信号を送信し、前記検査材の内部で反射された超音波信号を欠陥信号として超音波探触子において受信することによって、前記検査材の内部を検査する超音波探傷方法であって、前記検査材と前記超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子において複数の欠陥信号を受信する受信ステップと、前記検査材と前記超音波探触子との各位置関係において、基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比を受信音圧比として算出し、算出された受信音圧比に基づいて、検査材の各深さ位置での開口合成処理における合成幅を決定する決定ステップと、決定した合成幅に従って複数の欠陥信号を用いて開口合成処理を実行することによって前記検査材の内部を検査する検査ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記決定ステップは、前記受信音圧比の変化率から開口合成処理による欠陥信号のＳ／Ｎ比の変化率を算出し、欠陥信号のＳ／Ｎ比の変化率が所定値以上になる合成幅を開口合成処理における合成幅に決定するステップを含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記決定ステップは、前記超音波探触子が円形の超音波探触子である場合、以下に示す数式（１）及び数式（２）を利用して超音波信号の指向角ψを用いて受信音圧比Ｒを算出し、前記超音波探触子が矩形の超音波探触子である場合には、以下に示す数式（１）及び数式（３）を利用して超音波信号の指向角ψを用いて受信音圧比Ｒを算出するステップを含むことを特徴とする。但し、数式（２）及び数式（３）におけるパラメータｍは、指向角ψによって決定される係数である。
【数１】
2019109107.tif 000003
【数２】
2019109107.tif 000004
【数３】
2019109107.tif 000005
【０００９】
本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記検査ステップは、以下に示す数式（４），（５）を用いて、開口合成処理により得られた欠陥信号ＡをＮ点の受信音圧比Ｒｎ（ｎ＝０〜Ｎ）を加算平均した開口合成後受信音圧比Ｓで除算することにより、欠陥信号Ａの強度を補正するステップを含むことを特徴とする。
【数４】
2019109107.tif 000006
【数５】
2019109107.tif 000007
【００１０】
本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記決定ステップは、前記超音波探触子と内部欠陥の深さ位置との位置関係から検査材における任意の超音波信号の入射範囲を設定し、設定した超音波信号の入射範囲内においてスネルの法則に基づいて超音波信号の伝搬経路を算出し、座標計算によって超音波信号の伝搬経路が内部欠陥を通過するか否かを判定する計算を繰り返し行うことにより内部欠陥の各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路を算出し、算出された各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路に基づいて開口合成処理に必要な複数の欠陥信号の遅延時間を算出するステップを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る超音波探傷方法は、上記発明において、前記決定ステップは、前記超音波探触子と内部欠陥の深さ位置との位置関係から検査材における任意の超音波信号の入射範囲を設定し、設定した超音波信号の入射範囲内において超音波信号の入射点における検査材の法線と、超音波探触子と超音波信号の入射点とを結ぶ線分とがなす角度及び想定欠陥位置と超音波信号の入射点とを結ぶ線分とのなす角度がスネルの法則を満たすか否かを判定する計算を繰り返し行うことにより内部欠陥の各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路を算出し、算出された各深さ位置に対する超音波信号の伝搬経路に基づいて開口合成処理に必要な複数の欠陥信号の遅延時間を算出するステップを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る超音波探傷装置は、超音波探触子から検査材に超音波信号を送信し、前記検査材の内部で反射された超音波信号を欠陥信号として超音波探触子において受信することによって、前記検査材の内部を検査する超音波探傷装置であって、前記検査材と前記超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子において複数の欠陥信号を受信する受信手段と、前記検査材と前記超音波探触子との各位置関係において、基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比を受信音圧比として算出し、算出された受信音圧比に基づいて、検査材の各深さ位置での開口合成処理における合成幅を決定する決定手段と、決定した合成幅に従って複数の欠陥信号を用いて開口合成処理を実行することによって前記検査材の内部を検査する検査手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る鋼材の製造設備列は、鋼材を製造する製造装置と、前記製造装置によって製造された前記鋼材の内部を検査する、本発明に係る超音波探傷装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る鋼材の製造方法は、鋼材を製造する製造ステップと、本発明に係る超音波探傷方法で、前記製造ステップにおいて製造された鋼材の内部を探傷する探傷ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る鋼材の品質保証方法は、本発明に係る超音波探傷方法で、鋼材の内部を探傷する探傷ステップと、前記探傷ステップで得られた探傷結果から前記鋼材の品質保証を行う品質保証ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る超音波探傷方法及び超音波探傷装置によれば、実験的又は経験的な決定方法によらずに理論的に決定した合成幅を用いた開口合成処理によって、検査材の各深さで高い検出能及び分解能の超音波探傷を実行できる。また、本発明に係る鋼材の製造設備列及び鋼材の製造方法によれば、鋼材を歩留まりよく製造することができる。さらに、本発明に係る鋼材の品質保証方法によれば、高品質の鋼材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態である開口合成処理条件の決定の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態である伝搬経路算出処理の一態様を説明するための模式図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態である伝搬経路算出処理の他の態様を説明するための模式図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態である遅延時間算出処理を説明するための模式図である。
【図６】図６は、合成幅の違いに伴う欠陥深さと欠陥信号のＳ／Ｎ比との関係の変化の一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施形態である最適合成幅算出処理を説明するための模式図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施形態である最適合成幅算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】図９は、受信音圧比と回転角度との関係の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図９に示す受信音圧比の分布に基づき計算した合成幅とＳ／Ｎ比向上係数Ｅとの関係を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明による信号処理をせずに超音波探傷を行った結果を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明による信号処理を行って超音波探傷を行った結果を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２の実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施形態である伝搬経路算出処理の一態様を説明するための模式図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態である伝搬経路算出処理の他の態様を説明するための模式図である。
【図１６】図１６は、本発明の第２の実施形態である遅延時間算出処理を説明するための模式図である。
【図１７】図１７は、合成幅とＳ／Ｎ比向上係数Ｅとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の第２の実施形態である最適合成幅算出処理を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態である超音波探傷装置の構成及びその動作について詳しく説明する。
【００１９】
〔第１の実施形態〕
［構成］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態である超音波探傷装置の構成について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の第１の実施形態である超音波探傷装置１は、水浸探傷法を利用した超音波探傷方法によって、鋳造された鋼片を圧延して製造された丸棒体ＲＢを超音波探傷する装置である。この超音波探傷装置１は、複数の超音波探触子１１、プローブヘッド１２、架台１３、回転駆動装置１４、パルサ１５、レシーバ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７、記録装置１８、信号処理装置１９、及び表示装置２０を主な構成要素として備えている。
【００２１】
本発明に係る超音波探傷装置は、検査材と超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子において欠陥信号を受信する受信手段を備える。上記図１に示された超音波探傷装置１においては、レシーバ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７、及び記録装置１８が受信手段に該当する。さらに、本発明に係る超音波探傷装置は、検査材と超音波探触子との各位置関係において、基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比を受信音圧比として算出し、算出された受信音圧比に基づいて、検査材の各深さ位置での開口合成処理における合成幅を決定する決定手段を備える。さらに加えて、本発明に係る超音波探傷装置は、決定した合成幅に従って複数の欠陥信号を用いて開口合成処理を実行することによって検査材の内部を検査する検査手段を備える。上記図１に示された超音波探傷装置１においては、信号処理装置１９が決定手段及び検査手段に該当する。
【００２２】
超音波探傷子１１は、水浸探傷法における媒質である水を介して丸棒体ＲＢから所定距離離れた位置に配置されており、超音波探傷中はパルサ１５から出力されるパルス信号によって励振されることにより超音波信号を丸棒体ＲＢに送信する。そして、丸棒体ＲＢの内部を伝搬し反射された超音波信号（以下、欠陥信号と表記）は超音波探触子１１を介してレシーバ１６によって受信される。
【００２３】
プローブヘッド１２は、複数の超音波探触子１１を備え、丸棒体ＲＢの上部に配置された架台１３上を移動することによって丸棒体ＲＢの軸方向に走査される。丸棒体ＲＢを回転駆動装置１４によって矢印で示す円周方向に回転させながらプローブヘッド１２を走査し、欠陥信号をレシーバ１６で受信することにより、丸棒体ＲＢの全体積を超音波探傷することができる。回転駆動装置１４の回転速度及びプローブヘッド１２の走査速度は、丸棒体ＲＢの全体積が不足なく超音波探傷されるように設定されている。
【００２４】
レシーバ１６によって受信されたアナログ形態の欠陥信号は、パルサ１５から出力されるパルス信号に同期しながらＡ／Ｄコンバータ１７によってデジタルデータに変換され、記録装置１８に保存される。これにより、丸棒体ＲＢの全体積の欠陥信号が記録装置１８に保存される。保存された欠陥信号は、信号処理装置１９によって信号処理され、信号処理結果は表示装置２０に表示される。信号処理は、超音波探傷中に保存される欠陥信号に対して随時行われる場合や全ての欠陥信号が保存された後に行われる場合がある。
【００２５】
信号処理装置１９は、信号処理の一つとして開口合成処理条件の決定を実行する。開口合成処理条件の決定では、信号処理装置１９は、超音波探触子１１の指向角から欠陥信号の受信音圧比を計算し、計算した受信音圧比に基づき超音波探傷範囲毎に最適な合成幅を決定する。そして、信号処理装置１９は、信号処理の一つとして開口合成処理を実行する。決定した合成幅に従って複数の欠陥信号を用いた開口合成処理を行うことにより、丸棒体ＲＢの内部を検査し、丸棒体ＲＢの内部欠陥を検出することで丸棒体ＲＢの内部を探傷する。
【００２６】
次に、本発明に係る超音波探傷方法について説明する。本発明に係る超音波探傷方法は、（Ｉ）受信ステップ、（ＩＩ）決定ステップ、及び（ＩＩＩ）検査ステップの３つのステップを含む。また、各ステップは、（Ｉ）受信ステップの次に（ＩＩ）決定ステップ、（ＩＩ）決定ステップの次に（ＩＩＩ）検査ステップの順に実行される。
【００２７】
受信ステップでは、検査材と超音波探触子との位置関係を変化させながら超音波探触子において複数の欠陥信号を受信する。受信ステップには、公知の超音波探触子による欠陥信号の受信方法を用いることができる。一例としては、上述したレシーバ１６、Ａ／Ｄコンバータ１７、及び記録装置１８の動作により実現させることができる。
【００２８】
決定ステップでは、検査材と超音波探触子との各位置関係において、基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比を受信音圧比として算出し、算出された受信音圧比に基づいて、検査材の各深さ位置での開口合成処理における合成幅を決定する。検査材の各深さ位置での合成幅の算出は、本発明において最も重要な技術である。このため、合成幅の算出方法は、後程詳細に説明する。
【００２９】
決定ステップでは、加えて、開口合成処理に用いる遅延時間の算出も行う。また、合成幅と遅延時間は、決定ステップにより欠陥深さ毎に算出されることが、検出能の向上の点で望ましい。なお、遅延時間の算出は、開口合成処理として公知の方法を用いることができる。本明細書においては、送信された超音波信号の検査体中での伝搬経路を算出し、この算出された伝搬経路に基づいて遅延時間の決定を行う例を、後程説明する。
【００３０】
検査ステップでは、受信ステップにおいて受信された探傷信号に対して、決定ステップにより決定された遅延時間と合成幅に従い開口合成処理を実行し、開口合成処理の結果に基づき検査材の内部を検査する。検査ステップで行われる開口合成処理は、公知の方法を用いることができる。本明細書では、決定ステップによって決定された合成幅に含まれる複数波形に対して、同じく決定ステップによって決定された遅延時間をかけて足し合わせる処理を行う例を、後程説明する。
【００３１】
得られた開口合成処理の結果に基づき、検査材内部を検査し、検査材内部の状態を知ることで探傷することができる。探傷することができる検査材内部の状態の一例としては、欠陥からの反射信号の強度や受信時間等から、欠陥の有無、欠陥位置、欠陥サイズ等があげられる。得られた開口合成処理の結果の出力方法は、結果の利用目的等によって適宜決定すればよいが、位置（幅方向、圧延方向、深さ、厚さ等）に対する波形又は画像の形式で出力されるのが視認性も高いため望ましい。
【００３２】
本発明に係る超音波探傷方法によって、欠陥信号に対するノイズの比（Ｓ／Ｎ比）が改善されるため、検出能を向上させることができる。
【００３３】
［開口合成処理条件の決定］
図２を参照して、決定ステップにおいて開口合成処理条件、即ち、合成幅と遅延時間を決定する際の信号処理装置１９の動作について説明する。加えて、決定ステップにおいて、遅延時間の決定に用いる送信された超音波信号の検査体中での伝搬経路を算出する方法の例、及び、合成幅の決定に用いる基準位置における欠陥信号の受信音圧に対する欠陥信号の受信音圧の比である受信音圧比を算出する方法の例についても説明する。
【００３４】
図２は、本発明の第１の実施形態である開口合成処理条件の決定の流れを示すフローチャートである。開口合成処理条件の決定は、超音波探傷前に行われる場合だけでなく、超音波信号による丸棒体ＲＢの厚み計測のように超音波探傷中に得られた値に基づいて超音波探傷開始後に行われる場合もある。
【００３５】
開口合成処理条件の決定は、探傷条件入力ステップ（Ｓ１）、伝搬経路算出ステップ（Ｓ２）、遅延時間算出ステップ（Ｓ３）、受信音圧比計算ステップ（Ｓ４）、及び最適合成幅算出ステップ（Ｓ５）の順で実行される。検査体を丸棒体ＲＢとして、各ステップについて詳しく説明する。
【００３６】
ステップＳ１の処理では、信号処理装置１９が、丸棒体ＲＢの寸法、超音波探触子１１の寸法及び形状、測定ピッチ、丸棒体ＲＢとの位置関係、超音波探傷範囲等の超音波探傷条件を取得する。なお、超音波探傷条件は、超音波探傷前に取得される場合だけでなく、超音波探傷中若しくは超音波探傷後に取得される場合もある。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、開口合成処理条件の決定はステップＳ２の処理に進む。
【００３７】
ステップＳ２の処理では、信号処理装置１９が、ステップＳ１の処理において取得した超音波探傷条件を用いて、スネルの法則に従って超音波探触子１１から丸棒体ＲＢに入射して想定欠陥位置を通過する超音波信号の伝搬経路を算出する（伝搬経路算出処理）。この伝搬経路算出処理の詳細については後述する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、開口合成処理条件の決定はステップＳ３の処理に進む。
【００３８】
ステップＳ３の処理では、信号処理装置１９が、基準となる欠陥信号に対する他の複数の欠陥信号の各受信位置での遅延時間を算出する（遅延時間算出処理）。この遅延時間算出処理の詳細については後述する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、開口合成処理条件の決定はステップＳ４の処理に進む。
【００３９】
ステップＳ４の処理では、信号処理装置１９が、丸棒体ＲＢと超音波探触子１１との各位置関係での欠陥信号の受信音圧比を算出する（受信音圧比算出処理）。この受信音圧比算出処理の詳細については後述する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、開口合成処理条件の決定はステップＳ５の処理に進む。
【００４０】
ステップＳ５の処理では、信号処理装置１９が、ステップＳ４の処理において算出された受信音圧比に基づいて、丸棒体ＲＢの各深さ位置での開口合成処理における最適な合成幅を決定する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、一連の開口合成処理条件の決定は終了する。
【００４１】
＜伝搬経路算出処理＞
次に、図３，図４を参照して、ステップＳ２の伝搬経路算出処理について詳しく説明する。
【００４２】
開口合成処理よって高いＳ／Ｎ比の欠陥信号を得るためには、合成する各欠陥信号の遅延時間を正確に算出するのが望ましい。特に丸棒体ＲＢのような曲面形状を有する鋼材を超音波探傷する場合には、曲面上での屈折現象によって超音波信号の伝搬経路が大きく変化するので、合成する各欠陥信号の遅延時間を正確に算出するのが望ましい。そこで、本実施形態では、超音波探触子１１及び想定欠陥位置の座標に基づき、スネルの法則を満たしながら超音波探触子１１から丸棒体ＲＢに入射して想定欠陥位置を通過する超音波信号の伝搬経路を算出する。
【００４３】
以下、図３及び図４を参照して、本発明の第１の実施形態である伝搬経路算出処理の一態様及び他の態様について説明する。
【００４４】
図３は、本発明の第１の実施形態である伝搬経路算出処理の一態様を説明するための模式図である。以下、超音波探触子１１の位置をＰ、想定欠陥位置をＰＦ、丸棒体ＲＢの中心位置をＯ、水浸探傷法における媒質である水中での音速をＶｗ、丸棒体ＲＢ中での音速をＶｓと表記する。また、図３に示すように、想定欠陥位置ＰＦは線分ＯＲを半径とする円周上にあるものとする。
【００４５】
本態様では、まず、超音波信号の入射点Ｘを設定し、線分ＰＸと線分ＯＸとのなす角度から超音波信号の入射角θｗを求める。次に、スネルの法則によれば、超音波信号の屈折角θｓは以下に示す数式（６）を満足する。従って、数式（６）に超音波信号の入射角θｗを代入することによって超音波信号の屈折角θｓを求めることができる。また、超音波信号の入射点Ｘを通過して屈折角θｓで屈折する直線と線分ＯＲを半径とする円の交点Ｃも求めることができる。従って、超音波信号の入射点Ｘを変化させながら交点Ｃと想定欠陥位置ＰＦとが一致する超音波の入射点Ｘを探索することによって、入射点Ｘに入射して想定欠陥位置ＰＦを通過する超音波信号の伝搬経路を算出することができる。
【００４６】
【数６】
2019109107.tif 000008
【００４７】
図４は、本発明の第１の実施形態である伝搬経路算出処理の他の態様を説明するための模式図である。本態様では、まず、超音波信号の入射点Ｘを設定し、線分ＰＸと線分ＯＸとのなす角度から超音波信号の入射角θｗを求める。そして、超音波信号の入射点Ｘを変化させながら線分ＯＸと線分ＰＦＸとのなす角度θが以下の数式（７）に示すスネルの法則を満たす角度θを探索することによって、入射点Ｘに入射して想定欠陥位置ＰＦを通過する超音波信号の伝搬経路を算出することができる。
【００４８】
【数７】
2019109107.tif 000009
【００４９】
なお、上述した伝搬経路算出処理では、丸棒体ＲＢの回転に伴う想定欠陥位置ＰＦの移動のみを考慮しているが、超音波探触子１１が軸方向に走査される場合には、超音波探触子１１の軸方向の移動量を考慮して超音波信号の伝搬経路を算出することが望ましい。また、上述した伝搬経路算出処理は基本的に丸棒体ＲＢの寸法や探傷条件に基づいて超音波探傷を開始する前に行うが、丸棒体ＲＢの表面形状や周速の不均一によって超音波信号の伝搬経路が事前計算結果と大きく異なる可能性がある場合には、超音波探傷中に得られる情報に基づいてリアルタイムで超音波信号の伝搬経路を算出することが望ましい。
【００５０】
＜遅延時間算出処理＞
次に、図５を参照して、ステップＳ３の遅延時間算出処理について詳しく説明する。
【００５１】
図５は、本発明の第１の実施形態である遅延時間算出処理を説明するための模式図である。図５に示すように、丸棒体ＲＢの回転に伴い白丸印で示す内部欠陥の位置が移動するために、超音波探触子１１によって受信される欠陥信号の強度及び受信時間は変化する。具体的には、図５に示す第１欠陥信号ＲＷ１及び第２欠陥信号ＲＷ２はそれぞれ、超音波探触子１１によって受信された第１欠陥位置Ｐ１及び第２欠陥位置Ｐ２における欠陥からの超音波信号の反射信号である。ここで、水浸探傷法における媒質である水中の音速をＶｗ、丸棒体ＲＢ中の音速をＶｓと表すと、第１欠陥信号ＲＷ１の伝搬時間Ｔ１は以下に示す数式（８）、第２欠陥信号ＲＷ２の伝搬時間Ｔ２は以下に示す数式（９）、伝搬時間Ｔ１と伝搬時間Ｔ２との差である遅延時間ΔＴは以下に示す数式（１０）で表される。
【００５２】
【数８】
2019109107.tif 000010
【００５３】
【数９】
2019109107.tif 000011
【００５４】
【数１０】
2019109107.tif 000012
【００５５】
ここで、基準となる欠陥信号に対する他の複数の欠陥信号の各受信位置での遅延時間を計算して複数の欠陥信号を合成することによってランダムなノイズは打ち消しあうため、欠陥信号のＳ／Ｎ比は改善される。なお、第２欠陥信号ＲＷ２を基準とした場合、第１欠陥信号ＲＷ１は数式（１０）で示される遅延時間ΔＴだけ遅延されて足し合わされる。これにより、ランダムなノイズは打ち消し合い、位相が揃えられた欠陥信号は強め合うため、開口合成処理前と比べ欠陥信号のＳ／Ｎ比は高くなる。また、超音波探触子１１の位置や丸棒体ＲＢの深さ位置毎にそれぞれ遅延時間を計算して開口合成処理を行うことによって、丸棒体ＲＢ内のどの深さに欠陥がある場合でも高いＳ／Ｎ比で欠陥信号を検出することができる。
【００５６】
＜受信音圧比算出処理及び最適合成幅算出処理＞
次に、図６〜図９を参照して、図２に示すステップＳ４の受信音圧比算出処理及びステップＳ５の最適合成幅算出処理について詳しく説明する。
【００５７】
欠陥信号の強度は、超音波探触子１１と内部欠陥との位置関係に応じて変化する。具体的には、遠距離音場においては、超音波探触子１１の中心軸上に欠陥が存在する場合に最も欠陥信号の強度が強くなり、超音波探触子１１の中心軸と内部欠陥を通過する超音波の伝搬経路とのなす角が大きくなるに従って欠陥信号の強度は小さくなっていく。開口合成処理によって高いＳ／Ｎ比の欠陥信号を得るためには、欠陥信号が十分な強度を有する範囲内で複数の欠陥信号を足し合わせる必要があり、強度が小さい欠陥信号を足し合わせた場合にはＳ／Ｎ比の向上効果は小さくなる。また、超音波探触子１１から出力された超音波信号は、拡散しながら伝搬していくため、遠距離になるほどその音圧分布は広がって形成される。このとき、音圧分布内に欠陥が存在する場合、十分な強度の欠陥信号を得ることができる。つまり、超音波信号の音圧分布と音圧分布内での欠陥の移動位置によって十分な強度を持つ合成幅（足し合わせる欠陥信号数）は変化する。従って、開口合成処理によって高いＳ／Ｎ比の欠陥信号を得るためには、内部欠陥の位置及び探傷条件に基づいて合成幅を適切に設定する必要がある。そこで、本実施形態では、欠陥信号の受信音圧比に基づき内部欠陥の深さ位置毎に適切な合成幅を算出する。
【００５８】
図６は、合成幅の違いに伴う欠陥深さと欠陥信号のＳ／Ｎ比との関係の変化の一例を示す図である。具体的には、図６は、直径φ１６９ｍｍの丸棒鋼の内部深さ５ｍｍ，２１ｍｍ，４２ｍｍ，６３ｍｍの位置に加工された直径φ０．２ｍｍの４つの人工欠陥を探傷し、合成幅２．４°、合成幅８．４°、合成幅２２．８°、及び本発明により開口合成処理を行った実験結果を示す。本実験では、超音波探触子１１として、直径６．４ｍｍ、周波数５ＭＨｚの丸型超音波探触子を用いた。また、合成幅２．４°、合成幅８．４°、合成幅２２．８°のプロットは、内部深さの異なる４つの人工欠陥信号に対して、それぞれ一定の合成幅（２．４°、８．４°、２２．８°）で開口合成処理を行った結果を示す。但し、合成幅２．４°、８．４°、２２．８°はそれぞれ、本発明によって決定された内部深さ５ｍｍ、２１ｍｍ、４２ｍｍでの最適な合成幅である。
【００５９】
図６に示すように、深さ５ｍｍの欠陥信号に対しては、合成幅２．４°であるときにＳ／Ｎ比が最も大きくなり、深さ２１ｍｍの欠陥信号に対しては、合成幅８．４°であるときにＳ／Ｎ比が最も大きくなり、深さ４２ｍｍの欠陥信号に対しては、合成幅２２．８°であるときにＳ／Ｎ比が最も大きくなる。よって、各欠陥深さでＳ／Ｎ比を最大とする合成幅が異なり、欠陥深さ毎に適切な合成幅を設定することにより、全ての欠陥深さで最大のＳ／Ｎ比が得られることがわかる。実際、本発明では、全て欠陥深さで合成幅を一定に設定した場合と比べ、深さ位置によっては１０ｄＢ以上のＳ／Ｎ比の向上が確認でき、本発明の有効性が示された。
【００６０】
図７は、本発明の第１の実施形態である最適合成幅算出処理を説明するための模式図である。図７に示すように、本実施形態では、伝搬経路算出処理によって算出された超音波信号の伝搬経路から超音波信号の指向角ψを算出し、想定欠陥位置が回転した時の欠陥信号の受信音圧比の変化を計算し、欠陥信号の受信音圧比の分布から合成幅を算出する。ここで、丸棒体ＲＢの直径をＲ、丸棒体ＲＢの回転速度をＶ１、丸棒体ＲＢ中の超音波の伝搬速度をＶｓ、超音波探触子１１のＰＲＦをｆ、超音波探触子１１の周波数をＦ、超音波探触子１１の長さをＤ（丸型の場合は半径、矩形の場合は辺長）、超音波探触子１１と丸棒体ＲＢ表面との間の距離をＷ、水浸探傷法における媒質である水中の音速をＶｗ、超音波探触子１１の中心軸上に存在する想定欠陥位置をＰＦ、想定欠陥位置ＰＦの丸棒体ＲＢ表面からの深さをｄ、想定欠陥位置ＰＦから角度θだけ回転移動した回転後の想定欠陥位置をＰＦ’、超音波探触子１１の位置Ｐと想定欠陥位置ＰＦ’について伝搬経路算出処理を行った場合の超音波信号の伝搬経路と超音波探触子１１の中心軸とのなす角（指向角）をψとする。
【００６１】
受信音圧の計算は基本的には遠距離音場を仮定して行うため、想定欠陥位置ＰＦが以下に示す数式（１１）を満たすことが条件となる。ここで、近距離音場限界距離ｘ０は以下に示す数式（１２）で表される。但し、想定欠陥位置ＰＦが数式（１１）を満たさない場合には、近距離音場の音圧計算を適応することで合成幅を算出することができる。
【００６２】
【数１１】
2019109107.tif 000013
【００６３】
【数１２】
2019109107.tif 000014
【００６４】
超音波探触子１１が丸型である場合、想定欠陥位置ＰＦからの欠陥信号の受信音圧に対する回転後想定欠陥位置ＰＦ’からの欠陥信号の受信音圧の比（受信音圧比）Ｒは指向角ψを用いて以下に示す数式（１３）〜（１５）により表すことができる。但し、数式（１４）に示すＪ１はベッセル関数を示し、数式（１４），（１５）に示すｍは、指向角ψによって決定される係数である。
【００６５】
【数１３】
2019109107.tif 000015
【００６６】
【数１４】
2019109107.tif 000016
【００６７】
【数１５】
2019109107.tif 000017
【００６８】
一方、超音波探触子１１が矩形形状である場合には、受信音圧比Ｒは指向角ψを用い、数式（１３），（１５）及び以下に示す数式（１６）により表すことができる。なお、超音波探触子１１が円形形状や矩形形状でない複雑な形状を有する場合には、実験や有限要素法等を用いた物理解析の結果を用いて受信音圧比Ｒを決定してもよい。また、検出対象とする欠陥が強い指向性を有する場合には、数式（１３）に欠陥の反射指向性関数を乗じたものを受信音圧比Ｒとすることがある。本実施形態では、上記手順により計算した受信音圧比Ｒを用いて合成幅を算出する。
【００６９】
【数１６】
2019109107.tif 000018
【００７０】
具体的には、超音波探触子１１によって、想定欠陥位置ＰＦが角度ピッチΔθ回転する毎に欠陥信号が受信される。角度ピッチΔθは以下に示す数式（１７）により表される。
【００７１】
【数１７】
2019109107.tif 000019
【００７２】
想定欠陥位置ＰＦが−ｎ１Δθからｎ２Δθまで回転した範囲内で取得した欠陥信号に対して遅延時間をかけて加算平均をする開口合成処理を行った場合の開口合成後受信音圧比Ｓは、以下に示す数式（１８）により表される。ここで、数式（１８）において、Ｒ（ｎΔθ）は想定欠陥位置ＰＦからｎΔθ回転した位置での受信音圧比を示す。想定欠陥位置ＰＦは、超音波探触子１１の中心軸上に限定されるものではなく、探傷条件に合わせて設定することができる。
【００７３】
【数１８】
2019109107.tif 000020
【００７４】
加算回数Ｎ（＝ｎ１＋ｎ２＋１）の加算平均によってノイズが１／Ｎ１／２になると仮定すると、想定欠陥位置ＰＦでのＳ／Ｎ比に対する開口合成処理後のＳ／Ｎ比向上係数Ｅは以下に示す数式（１９）で表される。
【００７５】
【数１９】
2019109107.tif 000021
【００７６】
そこで、数式（１９）によりＳ／Ｎ比向上係数Ｅが最大となる合成幅Ｎを設定し、開口合成処理を行うことで、欠陥信号のＳ／Ｎ比を最大化することができる。また、以下に示す数式（２０）を満たす加算回数Ｎを決定し、開口合成処理を行うことで十分に欠陥信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。
【００７７】
【数２０】
2019109107.tif 000022
【００７８】
なお、超音波探傷において欠陥信号を評価する場合、Ｓ／Ｎ比だけでなく欠陥信号の強度が重要となる。開口合成処理の前後で、欠陥信号の強度が大きく変動すると正確な内部欠陥の評価をすることができない。そこで、開口合成処理によって低減した強度を処理前の強度に復元することが望ましい。具体的には、開口合成処理後の出力値Ａに対して、数式（１８）で示される開口合成後受信音圧比Ｓを用いて以下に示す数式（２１）により補正された補正出力値Ｂを出力することにより、開口合成処理前と開口合成処理後の欠陥信号の強度を一致させることができる。開口合成処理前と開口合成処理後の欠陥信号の強度を一致させることで、欠陥径や欠陥長に対して定量的な評価が可能となる。
【００７９】
【数２１】
2019109107.tif 000023
【００８０】
以上の処理をまとめると、最適合成幅算出処理は図８に示すフローチャートのようになる。図８は、本発明の第１の実施形態である最適合成幅算出処理の流れを示すフローチャートである。図８に示すように、本実施形態の最適合成幅算出処理では、まず、信号処理装置１９が、開口合成処理における合成幅を仮設定する（ステップＳ５１）。次に、信号処理装置１９が、仮設定した合成幅と数式（１８）とを用いて欠陥信号の受信音圧比を加算平均することにより開口合成後受信音圧比（受信音圧比変化率）Ｓを算出する（ステップＳ５２）。次に、信号処理装置１９が、数式（１９）を用いて開口合成後受信音圧比Ｓとノイズの変化率との比をとることで開口合成処理によるＳ／Ｎ比向上係数Ｅ（Ｓ／Ｎ比変化率）を計算する（ステップＳ５３）。そして、信号処理装置１９が、Ｓ／Ｎ比向上係数Ｅが数式（２０）に示す条件等の所定の条件を満足するか否かを判断し（ステップＳ５４）、Ｓ／Ｎ比向上係数Ｅが所定の条件を満足する場合、信号処理装置１９は、ステップＳ５１の処理において仮設定した合成幅を最適な合成幅に決定する（ステップＳ５５）。一方、Ｓ／Ｎ比向上係数Ｅが所定の条件を満足しない場合には、信号処理装置１９は、最適合成幅算出処理をステップＳ５１の処理に戻す。
【００８１】
［実施例］
本発明に係る超音波探傷方法の優れた結果を実施例で説明する。本実施例では、人工欠陥を設けた丸棒体サンプルを超音波探傷し、本発明に係る超音波探傷方法による開口合成処理を行った。超音波探触子は、直径６．４ｍｍ、周波数５ＭＨｚの丸型超音波探触子を用い、丸棒体サンプルとして直径φ１６９ｍｍの丸棒体内部にφ０．２ｍｍの人工欠陥が加工されたものを用いた。超音波探触子と丸棒体サンプルは、局部水浸探傷法により音響結合を行い、水距離は５０ｍｍ、測定角度ピッチは０．６°とした。また、超音波探触子の近距離音場限界距離は３４．５ｍｍであり、水距離５０ｍｍよりも短く、本手法の適用条件を満たしていた。
【００８２】
図９は、表面深さ２１ｍｍ、φ０．２ｍｍの人工欠陥からの欠陥信号の受信音圧比と回転角度との関係を示す図である。受信音圧比の実測値と計算値とは概ね一致しており、本発明手法における受信音圧比の計算の有効性が示された。図１０は、図９に示す受信音圧比の分布に基づき計算した合成幅とＳ／Ｎ比向上係数Ｅとの関係を示す図である。但し、図１０における計算値（曲線Ｌ１）は、図９に示す受信音圧比の計算値を用いて回転角度０°を中心として正負対称な合成幅で開口合成処理を行った結果得られた値である。
【００８３】
図１０に示す計算値の曲線Ｌ１において、Ｓ／Ｎ比向上係数Ｅは合成幅８．４°で最大値９．２ｄＢをとるため、合成幅ＮはＳ／Ｎ比向上係数Ｅ≧６．４ｄＢを満たす２．４°≦Ｎ≦２１．６°を満たすＮを設定した。また、実測値の曲線Ｌ２は計算値の曲線Ｌ１の傾向とほぼ一致しており、合成幅８．４°でＳ／Ｎ比向上係数Ｅが最大となっており、本発明による合成幅の決定方法の有効性が示された。
【００８４】
図１１（ａ），（ｂ）は、表面深さ２１ｍｍ、φ０．２ｍｍの人工欠陥に対して、本発明による信号処理をせずに超音波探傷を行った結果を示す図である。図１２（ａ），（ｂ）は、表面深さ２１ｍｍ、φ０．２ｍｍの人工欠陥に対して、本発明による信号処理を行って超音波探傷を行った結果を示す図である。本実験では、Ｓ／Ｎ比が最大となる合成幅を計算し、合成幅は８．４°とした。図１２（ａ），（ｂ）に示すように、本発明による信号処理によれば、Ｓ／Ｎ比が６ｄＢ向上し、φ０．２ｍｍの欠陥をＳ／Ｎ比２１ｄＢで検出することができた。
【００８５】
〔第２の実施形態〕
次に、図１３〜図１８を参照して、本発明の第２の実施形態である超音波探傷装置の構成及びその動作について説明する。
【００８６】
［構成］
まず、図１３を参照して、本発明の第２の実施形態である超音波探傷装置の構成について説明する。
【００８７】
図１３は、本発明の第２の実施形態である超音波探傷装置の構成を示す模式図である。図１３に示すように、本発明の第２の実施形態である超音波探傷装置１は、（１）鋳造された鋼片を圧延して製造された鋼板ＳＰが検査材である点、及び（２）鋼板ＳＰが搬送ライン２１によって鋼板ＳＰの長手方向に沿って超音波探触子１１の下方を通過するように搬送される点が、図１に示した本発明の第１の実施形態である超音波探傷装置１の構成と異なっている。その他の点は、図１に示した本発明の第１の実施形態である超音波探傷装置１の構成と同じであるので、以下ではその説明を省略する。
【００８８】
［開口合成処理条件の決定］
次に、図１４〜図１８を参照して、開口合成処理条件の決定を実行する際の信号処理装置１９の動作について説明する。なお、開口合成処理条件の決定の全体の流れは、図２に示した本発明の第１の実施形態である開口合成処理条件の決定の流れと同じである。但し、検査材が丸棒体ＲＢから鋼板ＳＰに変わることによって、伝搬経路算出処理、遅延時間算出処理、受信音圧比算出処理、及び最適合成幅算出処理の内容の一部が第１の実施形態における内容とは異なっている。そこで、以下では、これら各処理の異なる点についてのみ説明する。
【００８９】
＜伝搬経路算出処理＞
図１４は、本発明の第２の実施形態である伝搬経路算出処理の一態様を説明するための模式図である。以下、鋼板ＳＰの長手方向に移動する超音波探触子１１の位置をＰ，Ｐ’、想定欠陥位置をＰＦ、超音波探触子１１の位置Ｐと想定欠陥位置ＰＦとを結ぶ線分と鋼板ＳＰの表面との交点をＯ、水浸探傷法における媒質である水中での音速をＶｗ、鋼板ＳＰ中での音速をＶｓと表記する。
【００９０】
本実施形態では、まず、超音波信号の入射点Ｘを設定し、線分Ｐ’Ｘと線分ＸＹとのなす角度から超音波信号の入射角θｗを求める。なお、線分ＸＹは、入射点Ｘを通る鋼板ＳＰの法線を示す。次に、スネルの法則によれば、超音波信号の屈折角θｓは上述した数式（６）を満足する。従って、数式（６）に超音波信号の入射角θｗを代入することによって超音波信号の屈折角θｓを求めることができる。また、超音波信号の入射点Ｘを通過して屈折角θｓで屈折する直線と線分ＯＰとの交点Ｃも求めることができる。従って、超音波の入射点Ｘを変化させながら交点Ｃと想定欠陥位置ＰＦとが一致する超音波信号の入射点Ｘを探索することによって、入射点Ｘに入射して想定欠陥位置ＰＦを通過する超音波信号の伝搬経路を算出することができる。
【００９１】
図１５は、本発明の第２の実施形態である伝搬経路算出処理の他の態様を説明するための模式図である。本実施形態では、まず、超音波信号の入射点Ｘを設定し、線分Ｐ’Ｘと線分ＸＹとのなす角度から超音波信号の入射角θｗを求める。そして、超音波信号の入射点Ｘを変化させながら線分ＸＹと線分ＰＦＸとのなす角度θが上述した数式（７）に示すスネルの法則を満たす角度θを探索することによって、入射点Ｘに入射して想定欠陥位置ＰＦを通過する超音波信号の伝搬経路を算出することができる。
【００９２】
＜遅延時間算出処理＞
図１６は、本発明の第２の実施形態である遅延時間算出処理を説明するための模式図である。図１６に示すように、超音波探触子１１と想定欠陥位置ＰＦに位置する内部欠陥との位置関係が変化すると、超音波探触子１１によって受信される欠陥信号の強度及び受信時間は変化する。具体的には、第３欠陥信号ＲＷ３及び第４欠陥信号ＲＷ４はそれぞれ、超音波探触子１１が位置Ｐ４及び位置Ｐ５にあるときに受信された欠陥からの超音波の反射信号である。ここで、水浸探傷法における媒質である水中の音速をＶｗ、丸棒体ＲＢ中の音速をＶｓと表すと、第３欠陥信号ＲＷ３の伝搬時間Ｔ３は上述した数式（８）（Ｔ１をＴ３に置き換え）、第４欠陥信号ＲＷ４の伝搬時間Ｔ４は上述した数式（９）（Ｔ２をＴ４に置き換え）、伝搬時間Ｔ３と伝搬時間Ｔ４との差である遅延時間ΔＴ１は上述した数式（１０）（ΔＴをΔＴ１に置き換え）を用いて算出することができる。
【００９３】
ここで、基準となる欠陥信号に対する複数の欠陥信号の各受信位置での遅延時間を計算して複数の欠陥信号を合成することによってランダムなノイズは打ち消しあうため、欠陥信号のＳ／Ｎ比は改善される。なお、第４欠陥信号ＲＷ４を基準とした場合、第３欠陥信号ＲＷ３は遅延時間ΔＴ１だけ遅延されて足し合わされる。これにより、ランダムなノイズは打ち消し合い、位相が揃えられた欠陥信号は強め合うため、信号処理前と比べ欠陥信号のＳ／Ｎ比は高くなる。また、超音波探触子１１の位置や鋼板ＳＰの深さ位置毎にそれぞれ遅延時間を計算して開口合成処理を行うことによって、鋼板ＳＰ内のどの深さ位置に欠陥がある場合でも高いＳ／Ｎ比で欠陥信号を検出できる。
【００９４】
＜受信音圧比算出処理及び最適合成幅算出処理＞
図１７は、合成幅とＳ／Ｎ比向上係数Ｅとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。具体的には、図１７は、周波数５ＭＨｚ、直径１２．６ｍｍの丸型超音波探触子を０．０５ｍｍピッチで鋼板ＳＰの幅方向に移動させながら板厚１５０ｍｍの鋼板ＳＰの超音波探傷を行い、深さ２５，５０，７５，１００，１２５ｍｍ（depth25,50,75,100,125）の位置にある内部欠陥に対し開口合成処理を行った時の合成幅とＳ／Ｎ比向上係数Ｅとの関係をシミュレーションした結果を示す。図１７に示すように、各深さ位置でＳ／Ｎ比向上係数Ｅを最大とする合成幅は異なり、全深さ位置で合成幅を０．８，２．６ｍｍで一定とした場合には、全深さ位置でそれぞれ最適な合成幅を設定した場合と比べてＳ／Ｎ比が最大４ｄＢ減少する。但し、合成幅０．８，２．６ｍｍはそれぞれ深さ２５，１２５ｍｍの位置で開口合成処理を行う場合の合成幅の最適値である。
【００９５】
図１８は、本発明の第２の実施形態である最適合成幅算出処理を説明するための模式図である。本実施形態では、伝搬経路算出処理によって算出された超音波信号の伝搬経路から超音波信号の指向角ψを算出し、超音波探触子１１と欠陥の位置関係が変化した時の欠陥信号の受信音圧比の変化を計算し、受信音圧比の分布から合成幅を算出する。ここで、超音波探触子１１の幅方向の移動速度をＶ１、鋼板ＳＰ中の音速をＶｓ、超音波探触子１１のＰＲＦをｆ、超音波探触子１１の周波数をＦ、超音波探触子１１の長さをＤ（丸型の場合は半径、矩形の場合は辺長）、超音波探触子１１と鋼板ＳＰ表面との間の距離をＷ、水浸探傷法における媒質である水中での音速をＶｗ、超音波探触子１１の中心軸上に存在する想定欠陥位置をＰＦ、想定欠陥位置ＰＦの鋼板ＳＰ表面からの深さをｄ、超音波探触子１１の初期位置Ｐからｘだけ移動した時の超音波探触子１１の位置をＰ’、超音波探触子１１の位置Ｐ’と想定欠陥位置ＰＦについて、伝搬経路算出処理を行った場合の超音波信号の伝搬経路と超音波探触子１１の中心軸とのなす角をψ（指向角）とする。
【００９６】
受信音圧の計算は基本的には遠距離音場を仮定して行うため、想定欠陥位置ＰＦが上述した数式（１１）を満たすことが条件となる。ここで、近距離音場限界距離ｘ０は上述した数式（１２）で表される。但し、想定欠陥位置ＰＦが上述した数式（１１）を満たさない場合には、近距離音場の音圧計算を適応することで合成幅を算出することができる。
【００９７】
超音波探触子１１が丸型である場合、位置Ｐにおける欠陥信号の受信音圧に対する位置Ｐ’における欠陥信号の受信音圧の比（受信音圧比）Ｒは指向角ψを用いて上述した数式（１３）〜（１５）により表すことができる。一方、超音波探触子１１が矩形形状である場合には、受信音圧比Ｒは指向角ψを用い、上述した数式（１３），（１５），（１６）により表すことができる。
【００９８】
本実施形態では、上記手順により計算した受信音圧比Ｒを用いて合成幅を算出する。具体的には、超音波探触子１１によって、超音波探触子１１が位置Δｘ移動する毎に欠陥信号が受信される。移動ピッチΔｘは以下に示す数式（２２）により表される。
【００９９】
【数２２】
2019109107.tif 000024
【０１００】
超音波探触子１１の位置が−ｎ１Δｘからｎ２Δｘまで移動する範囲内で取得した欠陥信号に対して遅延時間をかけて加算平均をする開口合成処理を行った場合の開口合成後受信音圧比Ｓは、以下に示す数式（２３）により表される。ここで、数式（２３）において、Ｒ（ｎΔｘ）は超音波探触子１１が位置ＰからｎΔｘ移動した位置での受信音圧比を示す。超音波探触子１１の位置Ｐは、超音波探触子１１の中心軸上に限定されるものではなく、探傷条件に合わせて設定することができる。
【０１０１】
【数２３】
2019109107.tif 000025
【０１０２】
加算回数Ｎ（＝ｎ１＋ｎ２＋１）の加算平均によってノイズが１／Ｎ１／２になると仮定すると、超音波探触子１１の位置ＰでのＳ／Ｎ比に対する開口合成処理後のＳ／Ｎ比向上係数Ｅは上述した数式（１９）で表される。
【０１０３】
そこで、数式（１９）によりＳ／Ｎ比向上係数Ｅが最大となる合成幅Ｎを設定し、開口合成処理を行うことで、欠陥信号のＳ／Ｎ比を最大化することができる。また、上述した数式（２０）を満たす加算回数Ｎを決定し、開口合成処理を行うことで十分に欠陥信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。なお、第１の実施形態と同様、開口合成処理によって低減した強度を処理前の強度に補正することが望ましい。
【０１０４】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本発明を鋼材の製造設備列を構成する検査装置として適用し、本発明に係る超音波探傷装置において製造装置によって製造された鋼材の内部を検査し探傷するようにしてもよい。また、本発明を鋼材の製造方法に含まれる検査ステップとして適用し、製造ステップにおいて製造された鋼材の内部を検査し探傷するようにしてもよい。探傷ステップでは、検査ステップにおける開口合成処理の結果に基づき鋼材内部の欠陥を探傷し、欠陥の有無、欠陥位置、欠陥サイズ等についての結果を得る。
【０１０５】
さらに、本発明を鋼材の品質保証方法に適用し、鋼材の内部を検査し探傷することにより鋼材の品質保証を行うようにしてもよい。具体的には、本発明で鋼材の内部を探傷ステップで探傷し、探傷ステップで得られた探傷結果から鋼材の品質保証を行うことができる。探傷ステップでは、検査ステップにおける開口合成処理の結果に基づき鋼材内部の欠陥を探傷し、欠陥の有無、欠陥位置、欠陥サイズ等についての結果を得る。次に続く品質保証ステップでは、探傷ステップにより得られた、欠陥有無、欠陥位置、欠陥サイズに関わる結果に基づき、製造された鋼材が予め指定された基準を満たしているかどうか判定し、鋼材の品質を保証する。このように、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【０１０６】
１  超音波探傷装置
１１  超音波探触子
１２  プローブヘッド
１３  架台
１４  回転駆動装置
１５  パルサ
１６  レシーバ
１７  Ａ／Ｄコンバータ
１８  記録装置
１９  信号処理装置
２０  表示装置
ＲＢ  丸棒体
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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