(57)【要約】【課題】超音波探傷方法を提供する簡便に超音波散乱ノイズの影響を抑制しつつ、正確に被検査体の内部に存在する欠陥を検出する超音波探傷方法を提供する。【解決手段】本発明の超音波探傷方法は、被検査体Ｗに対して超音波Ｍを送出し、前記被検査体Ｗの内部に存在する欠陥で反射した反射超音波を受波することにより、前記被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出する超音波探傷方法において、前記被検査体Ｗの内部での伝播方向に対する波長が互いに異なる複数の超音波Ｍを送出して当該被検査体Ｗの内部を探傷し、当該探傷で得られた反射超音波の受波波形を基に、前記被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体に対して超音波を送出し、前記被検査体の内部に存在する欠陥で反射した反射超音波を受波することにより、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出する超音波探傷方法において、
前記被検査体の内部での伝播方向に対する波長が互いに異なる複数の超音波を送出して当該被検査体の内部を探傷し、
当該探傷で得られた反射超音波の受波波形を基に、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出する
ことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
前記超音波は、所定の時間に亘って一定の周波数を有する音波が連続して送出されるバースト波とされ、
前記周波数を変化させた複数のバースト波を被検査体の内部に送出して当該被検査体の内部を探傷する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】
前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、
前記周波数の異なる前記バースト波ごとに得られた反射超音波の受信波形の極大値あるいは極小値を比較して、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出する
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波探傷方法。
【請求項４】
前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、
前記反射超音波の受波波形の極大値及び極小値が出現したときの時刻と、当該極大値及び極小値の大きさとを記憶し、
記憶した時刻の変動値、記憶した極大値の変動値、記憶した極小値の変動値の少なくとも１つ以上が所定値以上であるとき散乱ノイズと判定し、前記３つの変動値の全てが所定値以下であるとき前記被検査体の内部に欠陥が存在するとして判定する
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷方法。
【請求項５】
前記バースト波の持続時間は、前記被検査体の結晶粒径と音速との比から算出される時間よりも長いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波探傷方法。
【請求項６】
前記超音波は、所定の時間に亘って一定の周波数を有する音波が連続して送出され且つ前記被検査体の内部の所定位置に収束するバースト波とされ、
収束位置を変化させた複数のバースト波を被検査体の内部に送出して当該被検査体の内部を探傷する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７】
前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、
前記収束位置の異なる前記バースト波ごとに得られた反射超音波の受信波形の極大値あるいは極小値を比較して、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出する
ことを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷方法。
【請求項８】
前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、
前記反射超音波の受波波形の極大値及び極小値が出現したときの時刻と、当該極大値及び極小値の大きさとを記憶し、
記憶した前記時刻の変動値、記憶した前記極大値の変動値、記憶した前記極小値の変動値の少なくとも１つ以上が所定値以上であるとき散乱ノイズと判定し、前記３つの変動値の全てが所定値以下であるとき前記被検査体の内部に欠陥が存在するとして判定する
ことを特徴とする請求項７に記載の超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料組織に起因する超音波散乱ノイズが大きい被検査体に対して超音波を送出して、被検査体の内部に存在する欠陥を検出する超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料である棒鋼や鋼片などの被検査体の内部に存在する欠陥を検出する方法、言い換えれば被検査体の品質を保証する方法として、超音波探傷法が用いられている。この超音波探傷法を用いた被検査体の欠陥検査は、超音波（例えば、パルス波）を被検査体の内部に照射し、被検査体の表面及び欠陥等で反射した反射超音波を検出する検査手法である。
【０００３】
このような検査手法に用いられる超音波探傷法には、種々の形態があり、例えば垂直パルスエコー法が挙げられる。垂直パルスエコー法（垂直探傷法）は、探触子からの超音波を水や油を介して被検査体に送出し、被検査体の内部に存在する欠陥で反射した超音波（欠陥エコー）を当該探触子で受波して、被検査体の内部に存在する欠陥を検出する手法である。
【０００４】
しかし、超音波の波長（数百μｍ〜数ｍｍ）に比べて無視できない結晶粒を有する被検査体に対して、垂直パルスエコー法を用いて被検査体の内部に存在する欠陥を検出する場合、結晶粒に起因する反射超音波による散乱ノイズが発生し、被検査体の内部に存在する欠陥の検出精度を低下させてしまう。
このような散乱ノイズを抑制するには、一般に低周波超音波や収束超音波を利用することが有効とされているが、低周波超音波を用いた場合、被検査体の内部に存在する微小な欠陥を検出しにくく（検出感度が低下）、収束超音波を用いた場合、実用的な探触子の口径の面から被検体の内深部の検出や評価が困難である。
【０００５】
このような課題に対し、特許文献１に開示されているような技術が適用可能である。
特許文献１には、散乱ノイズの抑制手段として超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で反射超音波を受波すると共に、前記反射超音波を受波位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検査体の内部に存在する欠陥を検出する手段が開示されている。この特許文献１は、被検査体の面上の異なる位置で、上述した探触子から超音波ビームを送出し、被検査体の内部から反射超音波を受波し、受波位置に応じて反射超音波の受信信号を遅延させて合成処理する開口合成技術を用いたものである。
【０００６】
この特許文献１の開口合成技術により、散乱減衰の大きい被検査体の内部の結晶粒からのランダムな反射に起因する散乱ノイズを、複数方向の反射超音波を合成することによって低減（抑制）させることができる。一方で、開口合成技術においては、欠陥信号は、複数方向での反射超音波の合成時に、受波位置と欠陥深さにあわせた遅延時間を用いて合成されることとなる。そのため、欠陥信号は低減することなく、欠陥信号のＳ／Ｎ比が向上することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された超音波探傷法を用いても、簡便且つ正確に被検査体の内部に存在する欠陥を検出することが困難である。その理由を、以下の（１）〜（３）に示す。
（１）特許文献１の技術は、受波位置に応じて反射超音波の受信信号を遅延させて合成処理する開口合成技術であるため、被検査体の３次元検査部位に対して、超音波の送出及び受波を複数回行って測定する必要があり、検査時間の増加をもたらす。
【０００９】
（２）特許文献１の技術では、探触子を複数個並べて構成されたアレイ探触子を採用しているので機械的走査は不要となるが、アレイ探触子やその制御系は高価であるため、採用コストが高くなる虞がある。
（３）特許文献１の技術では、被検査体の形状（例えば、断面形状が多角形などの複雑な形状）によっては、開口合成計算におけるパラメータ（各検査領域に対する遅延時間等）を計算したり、パラメータを変更したりする必要が生じることとなり、そのパラメータの調整に時間や手間がかかってしまう虞がある。
【００１０】
まとめると、特許文献１の超音波探傷方法は、開口合成技術を用いて散乱ノイズの影響を抑制するものであるが、散乱ノイズの影響を抑制するには、探傷条件を変えての多くの測定を行う必要があり、検査に費やす時間の増大や検査装置のコストが非常にかかるといった問題がある。
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、簡便に超音波散乱ノイズの影響を抑制しつつ、正確に被検査体の内部に存在する欠陥を検出する超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る超音波探傷方法は、被検査体に対して超音波を送出し、前記被検査体の内部に存在する欠陥で反射した反射超音波を受波することにより、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出する超音波探傷方法において、前記被検査体の内部での伝播方向に対する波長が互いに異なる複数の超音波を送出して当該被検査体の内部を探傷し、当該探傷で得られた反射超音波の受波波形を基に、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出することを特徴とする。
【００１２】
好ましくは、前記超音波は、所定の時間に亘って一定の周波数を有する音波が連続して送出されるバースト波とされ、前記周波数を変化させた複数のバースト波を被検査体の内部に送出して当該被検査体の内部を探傷するとよい。
好ましくは、前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、前記周波数の異なる前記バースト波ごとに得られた反射超音波の受信波形の極大値あるいは極小値を比較して、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出するとよい。
【００１３】
好ましくは、前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、前記反射超音波の受波波形の極大値及び極小値が出現したときの時刻と、当該極大値及び極小値の大きさとを記憶し、記憶した時刻の変動値、記憶した極大値の変動値、記憶した極小値の変動値の少なくとも１つ以上が所定値以上であるとき散乱ノイズと判定し、前記３つの変動値の全てが所定値以下であるとき前記被検査体の内部に欠陥が存在するとして判定するとよい。
【００１４】
好ましくは、前記バースト波の持続時間は、前記被検査体の結晶粒径と音速との比から算出される時間よりも長いとよい。
好ましくは、前記超音波は、所定の時間に亘って一定の周波数を有する音波が連続して送出され且つ前記被検査体の内部の所定位置に収束するバースト波とされ、収束位置を変化させた複数のバースト波を被検査体の内部に送出して当該被検査体の内部を探傷するとよい。
【００１５】
好ましくは、前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、前記収束位置の異なる前記バースト波ごとに得られた反射超音波の受信波形の極大値あるいは極小値を比較して、前記被検査体の内部に存在する欠陥を検出するとよい。
好ましくは、前記被検査体に対して前記バースト波を送出し、当該被検査体の内部に存在する欠陥を検出するに際しては、前記反射超音波の受波波形の極大値及び極小値が出現したときの時刻と、当該極大値及び極小値の大きさとを記憶し、記憶した前記時刻の変動値、記憶した前記極大値の変動値、記憶した前記極小値の変動値の少なくとも１つ以上が所定値以上であるとき散乱ノイズと判定し、前記３つの変動値の全てが所定値以下であるとき前記被検査体の内部に欠陥が存在するとして判定するとよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る超音波探傷方法によれば、簡便に超音波散乱ノイズの影響を抑制しつつ、正確に被検査体の内部に存在する欠陥を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る超音波探傷方法に用いられる超音波探傷装置の概略構成を模式的に示した図である。
【図２Ａ】周波数９．６ＭＨｚのバースト波で得られた反射超音波の受信波形の信号強度を表すグラフを示す図である。
【図２Ｂ】周波数１０ＭＨｚのバースト波で得られた反射超音波の受信波形の信号強度を表すグラフを示す図である。
【図２Ｃ】周波数１０．２ＭＨｚのバースト波で得られた反射超音波の受信波形の信号強度を表すグラフを示す図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る超音波探傷装置に備えられた探触子の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態における、被検査体からの反射超音波の受信波形の信号強度を表すグラフの一例を示す図である。
【図５Ａ】探触子を２７ｍｍリフトオフしたときに得られた反射超音波の受信波形の信号強度を表すグラフを示す図である。
【図５Ｂ】探触子を２１ｍｍリフトオフしたときに得られた反射超音波の受信波形の信号強度を表すグラフを示す図である。
【図５Ｃ】探触子を２０ｍｍリフトオフしたときに得られた反射超音波の受信波形の信号強度を表すグラフを示す図である。
【図６】所定の時間における反射超音波の挙動を拡大して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る超音波探傷方法について、図を基に説明する。
本発明の超音波探傷方法は、以下に示すような超音波探傷装置で実現される。
本発明の超音波探傷方法は、被検査体Ｗに対して超音波Ｍを送出し、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥で反射した反射超音波を受波することにより、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出する超音波探傷方法において、被検査体Ｗの内部での伝播方向に対する波長が互いに異なる複数の超音波Ｍを送出して被検査体Ｗの内部を探傷し、この探傷で得られた反射超音波の受波波形を基に、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出するものである。
【００１９】
この技術に関し、以下、２つの実施形態を述べる。
［第１実施形態］
図１は、超音波探傷装置１の構成を模式的に示した概略図である。
本実施形態の超音波探傷装置１は、被検査体Ｗに垂直に超音波Ｍを送出する垂直探傷法を用いた装置であって、被検査体Ｗに対して送出される超音波Ｍ（バースト波）の周波数が変更可能とされている。
【００２０】
具体的には、超音波探傷装置１は、周波数の異なるバースト波Ｍを接触媒質７（例えば、水、ポリスチレンなど）を介して、被検査体Ｗに送出して被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋで反射して戻った反射超音波（欠陥エコー）を受波し、当該探傷で得られた反射超音波の受波波形を基に、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出する装置である。
図１に示すように、超音波探傷装置１は、被検査体Ｗの表面上に当接するように配置されると共に、被検査体Ｗに対してバースト波Ｍ（超音波）を送出する探触子２と、探触子２にて受波した反射超音波を基に、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出する超音波探傷器３と、を有するものであり、被検査体Ｗに対して送出されるバースト波Ｍの周波数が変更可能とされているものである。
【００２１】
探触子２は、被検査体Ｗの内部に対して略垂直にバースト波Ｍを送出する送波部と、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋで反射して戻った反射超音波を受波する受波部とを有する。これら送波部及び受波部は、例えば圧電素子によって構成されている。
送波部は、所定のパルス電圧が連続的に加えられると所定周波数のバースト波Ｍを送出する機能を有し、受波部は、反射超音波を受波すると共に、その反射超音波を受波すると受波した反射超音波に対応したパルス電圧を発生する機能を有する。
【００２２】
なお、送波部から送出されるバースト波Ｍは、所定の時間に亘って一定の周波数を有する音波（正弦波、パルス波など）が連続して送出されるものである。
特に、本実施形態の送波部へは、複数の周波数のバースト波Ｍを送出することができる。すなわち、超音波探傷装置１に用いられるバースト波Ｍは、被検査体Ｗに対して切り替え可能となっている。
【００２３】
図１に示すように、探触子２は接触媒質７を介して被検査体Ｗの表面に当接し、被検査体Ｗの表面（上面）に対して垂直軸方向にバースト波Ｍが送波部から送出され、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋで反射して戻った反射超音波を受波部で受波する。受波部で受波した反射超音波は、超音波探傷器３に送られる。
超音波探傷器３は、送波部において送出されるバースト波Ｍを励起させるための信号（励起波形）を生成する信号発生部４と、その生成された信号を増幅する増幅部５を有している。この増幅部５は、受波部にて受波した反射超音波の信号を増幅する機能も有している。さらに、超音波探傷器３は、増幅部５にて増幅された反射超音波の信号強度を基に、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出する信号採取処理部６を備えている。
【００２４】
詳しくは、超音波探傷器３の増幅部５は、探触子２内の送波部（２Ａ）及び受波部（２Ｂ）に接続されており、探触子２の送波部として働く圧電素子（２Ａ）に選択的にパルス電圧（増幅された信号）を出力する。また、増幅部５は、圧電素子（２Ｂ）が反射超音波を受波して受波部として働いたときの受信信号を受け取り、これを増幅した上で、後述する信号採取処理部６に反射超音波信号として出力するものである。
【００２５】
信号採取処理部６は、周波数の異なるバースト波Ｍごとに得られた反射超音波の受信波形を採取し、周波数の異なるバースト波Ｍごとに得られた反射超音波の受信波形（例えば、超音波受信時刻に対する超音波波形であるＡスコープ受信波形）の極大値あるいは極小値を比較して、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出する。
詳しくは、信号採取処理部６は、反射超音波の受波波形の極大値及び極小値が出現したときの時刻（反射超音波（欠陥エコー）の到達時間）と、当該極大値及び極小値の大きさとを記憶し、記憶した時刻の変動値及び、記憶した極大値の大きさの変動値いずれか一方が、所定値以上であるとき散乱ノイズと判定し、所定値以下であるとき被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋとして判定する構成となっている。
【００２６】
次に、上記した超音波探傷装置１を用いて、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを探傷する方法、すなわち本発明の超音波探傷方法について、説明する。
本実施形態で用いる被検査体Ｗは、結晶粒径が数百μｍの金属材料であり、その内部に欠陥Ｋを模した超音波反射体Ｋ（模擬欠陥）を有している。
被検査体Ｗの内部に存在する超音波反射体Ｋを検出するに際しては、超音波探傷装置１は、信号発生部４で超音波励振波形を生成し、その超音波励振波形の信号を増幅部５にて増幅した後、探触子２の送出部（中心周波数１０ＭＨｚの２分割探触子）に印加し、接触媒質７（遅延材）を介して被検査体Ｗの内部にバースト波Ｍを送出する。
【００２７】
このとき、本発明の超音波探傷方法は、バースト波Ｍの周波数を切り替えながら、被検査体Ｗの内部存在する超音波反射体Ｋを検出する。バースト波Ｍの周波数は、ｆ１＝９．６ＭＨｚ，ｆ２＝１０ＭＨｚ，ｆ３＝１０．２ＭＨｚの３種類とする。
なお、バースト波Ｍの持続時間Ｔは、被検査体Ｗの結晶粒径Ｌと音速Ｃとの比（結晶粒径Ｌ／音速Ｃ）から算出される時間よりも長いものとするとよい。なお、音速Ｃとはバースト波Ｍが被検査体Ｗ内を伝播するときの速度のことである。このようにすることで、被検査体Ｗの結晶粒に起因する散乱ノイズを可及的に小さくでき、被検査体Ｗの内部の欠陥Ｋを確実に検出できるようになる。
【００２８】
図２Ａ〜図２Ｃには、バースト波Ｍの周波数を変更した上で、被検査体Ｗの内部に存在する超音波反射体Ｋを検出した結果（観測波形）が示されている。詳しくは、図２Ａには周波数ｆ１＝９．６ＭＨｚのバースト波Ｍの観測波形が示され、図２Ｂには周波数ｆ２＝１０ＭＨｚのバースト波Ｍの観測波形が示されている。また、図２Ｃには、周波数ｆ３＝１０．２ＭＨｚのバースト波Ｍの観測波形が示されている。
【００２９】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、３種類の周波数のバースト波Ｍの観測波形（Ｂ１〜Ｂ３）ともに、被検査体Ｗの表面エコー（Ｓ１）が検出されると共に、超音波反射体Ｋからのエコー（Ｐ６）が検出されている。被検査体Ｗの表面エコー（Ｓ１）から超音波反射体Ｋからのエコー（Ｐ６）に亘る時間に受波された反射超音波の受信波形は、主にバースト波Ｍの散乱ノイズである。
【００３０】
詳しくは、図２Ａに示すように、周波数ｆ１＝９．６ＭＨｚの観測波形において、６箇所の極大値（Ｐ１〜Ｐ６、超音波反射体Ｋのからのエコーも含む）が観測されていることが確認できる。従来の超音波探傷方法では、信号レベルが比較的大きい超音波反射体Ｋのからのエコー、Ｐ６の極大値を「欠陥あり」として認識すると共に、Ｐ１〜Ｐ５の極大値についても「欠陥あり」として認識してしまう。つまり、被検査体Ｗの内部のＰ１〜Ｐ５の位置には欠陥Ｋが存在しないのに、「欠陥あり」と誤検出してしまう。
【００３１】
ここで、図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、本発明の超音波探傷方法は、周波数ｆ２＝１０ＭＨｚ及び、周波数ｆ３＝１０．２ＭＨｚの超音波探傷も行っている。つまり、本発明の超音波探傷方法は、バースト波Ｍの周波数を複数回変更して、被検査体Ｗの内部の探傷を行っている。
図２Ｂに示すように、周波数ｆ２＝１０ＭＨｚの観測波形において、周波数ｆ１＝９．６ＭＨｚの観測波形の極大値（Ｐ１〜Ｐ６）に該当する箇所を見てみると、Ｐ６とＰ３は極大値として認識することが可能であるが、他のＰ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５は極大値として認識することができない。
【００３２】
また、図２Ｃに示すように、周波数ｆ３＝１０．２ＭＨｚの観測波形において、周波数ｆ１＝９．６ＭＨｚの観測波形の極大値（Ｐ１〜Ｐ６）に該当する箇所を見てみると、Ｐ６は極大値として認識することが可能であるが、他のＰ１〜Ｐ５は極大値として認識することができない。
まとめると、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、観測されたＰ６は、全て観測波形（ｆ１〜ｆ３）において極大値（ピーク）を示しており、被検査体Ｗの内部に欠陥Ｋ（超音波反射体）が存在していることがわかる。一方で、周波数ｆ１＝９．６ＭＨｚの観測波形において観測されたＰ１〜Ｐ５は、周波数ｆ２＝１０ＭＨｚの観測波形、又は周波数ｆ３＝１０．２ＭＨｚの観測波形では極大値として観測されていないことから、周波数ｆ１＝９．６ＭＨｚの観測波形において観測されたＰ１〜Ｐ５は、材料組織の散乱による干渉結果（散乱ノイズ）と推定することができる。
【００３３】
このように、観測波形の極大値（極小値でもよい）を被検査体Ｗの内部の欠陥Ｋとして認識するにあたっては、信号採取処理部６にて、反射超音波の受波波形の極大値が出現したときの時刻と、当該極大値の大きさ（信号レベル）とを記憶し、記憶した時刻の変動値及び、記憶した極大値の大きさの変動値いずれか一方が、所定値以上であるとき散乱ノイズと判定し、所定値以下であるとき被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋとして判定する。
【００３４】
以上述べたように、本発明の超音波探傷方法は、超音波探傷する度にバースト波Ｍの周波数を切り替えて送出し、そして反射して戻った反射超音波の受波波形を受波し、受波された異なる周波数の反射超音波における受波波形の挙動を比較することにより、簡便に超音波散乱ノイズの影響を抑制しつつ、正確に被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出することができる。
【００３５】
すなわち、本発明の超音波探傷方法は、検出された欠陥Ｋと散乱ノイズとを容易に弁別することができるので、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋの検出精度を高めることができる。
［第２実施形態］
図３〜図６を参照しながら、本発明の第２実施形態について説明する。
【００３６】
図３は、第２実施形態による超音波探傷装置１０の概略構成を示す図である。
第２実施形態による超音波探傷装置１０は、第１実施形態による超音波探傷装置１０とほぼ同様の構成を有し、第１実施形態の探触子２の代わりに探触子２０を備えている。本実施形態の超音波探傷装置１０において、探触子２０以外の構成は、第１実施形態による超音波探傷装置１０と同じであるので、説明については省略する。
【００３７】
以下、図３を参照しながら、探触子２０の構成について説明する。
探触子２０は、収束型（フォーカス型）の超音波探触子であり、被検査体Ｗの内部に対して略垂直に超音波Ｍを送出する送信振動子を有する送波部と、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋで反射して戻った反射超音波を受波する受信振動子を有する受波部とを有する。なお、送波部から送出される超音波Ｍは、所定の時間に亘って一定の周波数を有する音波（正弦波、パルス波など）が連続して送出され且つ被検査体Ｗの内部の所定位置に収束するバースト波Ｍとされる。
【００３８】
図３に示すように、送波部の送信振動子は、例えば、圧電素子によって構成されていて、超音波を発生する送信面２１が被検査体Ｗの表面に向かって凹面形状（球面形状）となるように略円弧を描いて湾曲している。送信面２１の凹面形状は、送信されたバースト波Ｍ（超音波）が所定距離だけ進行した位置で集束するような曲率となっている。
送波部の送信振動子は、所定の電圧の印加により、所定の周波数の球面波Ｍ（バースト波Ｍ）を発生する。発生した球面波Ｍは、前方に向かって送出される。
【００３９】
つまり、球面形状の送信振動子の送信面２１から送信されたバースト波Ｍは、送信面２１から所定距離だけ離れ、且つ送信面２１の円弧の形成方向に垂直な送信振動子の伝播方向に沿った略直線の集束線Ｌ上に集束する。言い換えれば、図３に示すように、送信振動子の送信面２１から送信されたバースト波Ｍは、被検査体Ｗの内部で焦点Ｆを結ぶように照射され、被検査体Ｗの内部に伝播する。
【００４０】
図示はしないが、反射超音波は、同じ送信振動子で受信され、反射超音波の強度及び周波数に対応する電圧を発生する。
次に、上記した探触子２０を備えた超音波探傷装置１０を用いて、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを探傷する方法、すなわち本実施形態の超音波探傷方法について、説明する。
【００４１】
本実施形態の超音波探傷方法は、被検査体Ｗの内部の所定位置に収束するバースト波Ｍを当該被検査体Ｗに対して送出し、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥で反射した反射超音波を受波することにより、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出する方法であって、被検査体Ｗの内部での伝播方向に対する波長が互いに異なる複数のバースト波Ｍ、すなわち収束位置を変化させた複数のバースト波Ｍを被検査体Ｗの内部に送出して、当該被検査体Ｗの内部を探傷し、当該探傷で得られた反射超音波の受波波形を基に、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出する。
【００４２】
すなわち、本実施形態の超音波探傷方法においては、複数の集束球面波Ｍが、被検査体Ｗの内部の集束点Ｌに向かうにつれて＜超音波波面の＞曲率が変化する特性を利用して、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出している。具体的には、球面形状の送信面２１から被検査体Ｗに対して送信された集束球面波Ｍの＜超音波波面の＞曲率は、送信直後では小さく（緩い曲がりの円弧）、集束点Ｌ直前では大きい（急な曲がりの円弧）。それ故、送信された複数の集束球面波Ｍは、集束点Ｌに向かうにつれて、伝播方向（垂直方向）において、波面間の距離、すなわち集束球面波Ｍの波長が送信直後と集束点Ｌ直前とで異なってくる。
【００４３】
このように、本実施形態の超音波探傷方法においては、送信された超音波の＜伝播方向（垂直方向）＞に対する波長の変化を利用して、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出している。
送信された超音波の波長の変化を利用するに際しては、探触子２０のリフトオフを変えることとしている。すなわち、被検査体Ｗに対してバースト波Ｍ（球面波Ｍ）を送出し、当該被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出するに際しては、探触子２０のリフトオフを変えて、収束位置の異なるバースト波Ｍごとに得られた反射超音波の受信波形の極大値あるいは極小値を比較して、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出するとよい（詳細は後述）。
【００４４】
さらに、被検査体Ｗに対してバースト波Ｍを送出し、当該被検査体Ｗの内部に存在する欠陥を検出するに際しては、反射超音波の受波波形の極大値及び極小値が出現したときの時刻と、当該極大値及び極小値の大きさとを記憶し、記憶した時刻の変動値、記憶した極大値の変動値、記憶した極小値の変動値の少なくとも１つ以上が所定値以上であるとき散乱ノイズ（Ｆ）と判定し、３つの変動値の全てが所定値以下であるとき被検査体Ｗの内部に欠陥Ｋが存在するとして判定するとよい。
【００４５】
このとき、本実施形態の超音波探傷方法においては、探触子２０を被検査体Ｗに対して、所定の距離を空けた状態（リフトオフした状態）、すなわち探触子２０を被検査体Ｗの上方に浮かせた状態で、被検査体Ｗの内部にバースト波Ｍを送出し、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出することとしている。
このように、探触子２０と被検査体Ｗとの距離を変化させる（探触子２０をリフトオフを可変とする）ことで、被検査体Ｗの内部における集束球面波Ｍの収束位置を変化させ、その焦点Ｆの位置の変化により、反射超音波の受波波形の信号強度の強弱を観察している。
【００４６】
本実施形態の超音波探傷方法において、被検査体Ｗ内に存在する欠陥Ｋ乃至はノイズ源となる結晶粒界面を考えてみる。
探触子２０があるリフトオフ値を有している際に、欠陥Ｋ乃至は結晶粒界面に未収束位置に対応する超音波（波長＝λ）が照射され、反射波において信号強度Ｐが観測されたとする。その後、リフトオフ値を増加させ（探触子２０を被検査体Ｗから離し）、欠陥Ｋ乃至は結晶粒界面に、収束位置に略対応する超音波を照射する。この収束位置においては、＜伝播方向（垂直方向）＞に対する超音波の波長は異なるものとなっており（波長＝λ’）、その状態での反射波の信号強度をＰ’とする。反射元が欠陥Ｋである場合は、信号強度Ｐと信号強度Ｐ’は略同じであるが、反射元が結晶粒界面である場合は、反射状況が異なることになるため信号強度Ｐと信号強度Ｐ’とには大きな差が生じる。
【００４７】
この状況は、バースト波Ｍの周波数を切り換えたことと同じであると見なせるので、第１実施形態の超音波探傷方法と同様な効果が得られる。
本実施形態の超音波探傷方法によれば、焦点Ｆの位置の変化による反射超音波の信号強度の挙動から、反射超音波の散乱ノイズか欠陥エコーかを弁別することができるので、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋの検出精度を高めることが可能となる。
【００４８】
続いて、本実施形態の超音波探傷方法を用いて、被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出した際の実験結果について、説明する。
本実験例で用いる被検査体Ｗにおいては、ドリルにて被検査体Ｗの裏面から、φ１ｍｍの孔（ドリルホール）を穿孔して、欠陥Ｋを模した人工欠陥Ｋを設けた。
また、本実施形態の探触子２０においては、周波数５ＭＨｚ、焦点距離１５０ｍｍのフォーカス型の超音波探触子を用いた。
【００４９】
図４は、被検査体Ｗから反射した反射超音波の受信信号の観測波形の一例を示している。（Ｓ）は被検査体Ｗの表面からの反射超音波（表面エコー）、（Ｂ）は被検査体Ｗの裏面からの反射超音波（裏面エコー）である。
図５Ａ〜図５Ｃには、探触子２０のリフトオフの量を変更した上で、被検査体Ｗの内部に存在する人工欠陥Ｋを検出した結果（観測波形）が示されている。なお、この図５Ａ〜図５Ｃは、図４を部分拡大したものとして見ることができる。
【００５０】
詳しくは、図５Ａには、探触子２０のリフトオフの量を２７ｍｍとしたときのバースト波Ｍの観測波形が示されている。図５Ｂには、探触子２０のリフトオフの量を２１ｍｍとしたときのバースト波Ｍの観測波形が示されている。図５Ｃには、探触子２０のリフトオフの量を２０ｍｍとしたときのバースト波Ｍの観測波形が示されている。
図５Ａに示すように、探触子２０のリフトオフの量を２７ｍｍの場合、被検査体Ｗの表面エコー（Ｓ）から裏面エコー（Ｂ）に亘る時間に受波された反射超音波の観測波形において、２箇所の極大値（欠陥Ｋのからのエコーも含む）が観測されていることが確認できる。また、図５Ｂに示すように、探触子２０のリフトオフの量を２１ｍｍの場合、被検査体Ｗの表面エコー（Ｓ）から裏面エコー（Ｂ）に亘る時間に受波された反射超音波の観測波形において、２箇所の極大値（人工欠陥Ｋのからのエコーも含む）が観測されていることが確認できる。さらに、図５Ｃに示すように、探触子２０のリフトオフの量を２０ｍｍの場合、被検査体Ｗの表面エコー（Ｓ）から裏面エコー（Ｂ）に亘る時間に受波された反射超音波の観測波形において、２箇所の極大値（欠陥Ｋのからのエコーも含む）が観測されていることが確認できる。
【００５１】
図５Ａ〜図５Ｃの内容をまとめると、探触子２０のリフトオフの量を８ｍｍごとに変化させても、反射超音波（Ｄ）の振幅はほとんど同じであるが、反射超音波（Ｆ）の振幅は大きく変化することが確認できる。つまり、反射超音波（Ｆ）は、探触子２０のリフトオフの量によって振幅が大きく異なることから、材料組織（結晶粒界面）の散乱による干渉結果（散乱ノイズ）と推定することができる。また、反射超音波（Ｄ）は図５Ａ〜図５Ｃにおいて、振幅がほとんど同じであることから、人工欠陥Ｋによる反射超音波（欠陥エコー）と判定することができる。
【００５２】
また、図６は、反射超音波（Ｆ）の挙動を拡大して示したものであり、探触子２０のリフトオフの量を変化（被検査体Ｗからの距離、２０〜３０ｍｍ）させた場合の波形を重ねて表示したものである。
図６を参照するに、図２Ａ〜図２Ｃにおける周波数変化と同じく、探触子２０のリフトオフの量の変化により反射超音波（Ｆ）の波形（ピーク値やその時刻（位相））が大きく変化することから、反射超音波（Ｆ）は結晶界面での反射波による干渉が主要因である散乱ノイズであることがわかる。すなわち、反射超音波（Ｆ）は、反射超音波（Ｄ）のような欠陥Ｋによる信号ではないことがわかる。
【００５３】
このように、観測波形の極大値（極小値でもよい）を被検査体Ｗの内部の欠陥Ｋとして認識するにあたっては、信号採取処理部６にて、収束位置の異なるバースト波Ｍごとに得られた反射超音波の受信波形の極大値あるいは極小値が出現したときの時刻と、当該極大値及び極小値の大きさとを記憶しておき、記憶した時刻の変動値、記憶した極大値の変動値、記憶した極小値の変動値を比較し、バースト波Ｍの収束位置の変化に対する反射超音波の信号の変化、すなわち少なくとも１つ以上が所定値以上であるとき散乱ノイズと判定し、３つの変動値の全てが所定値以下であるとき被検査体Ｗの内部に欠陥Ｋが存在するとして判定する。
【００５４】
以上述べたように、本実施形態の超音波探傷方法は、球面形状の送信面２１を有する探触子２０（収束型超音波探触子）を用い、且つ探触子２０のリフトオフの量を変化させ、その探触子２０から複数の球面波Ｍ（バースト波Ｍ）を送出し、送出した複数の球面波Ｍの伝播方向（垂直方向）において、互いの距離を検出し、その距離が異なったときにおける反射超音波の受波波形を基にすることにより、簡便に超音波散乱ノイズの影響を抑制しつつ、正確に欠陥Ｋと被検査体Ｗの組織ノイズを弁別することができる。
【００５５】
すなわち本実施形態の超音波探傷方法によれば、第１実施形態と同様に、簡便に超音波散乱ノイズの影響を抑制しつつ、正確に被検査体Ｗの内部に存在する欠陥Ｋを検出することができる。
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。
【００５６】
例えば、第１実施形態では、変更可能なバースト波Ｍの周波数を９．６ＭＨｚ，１０ＭＨｚ，１０．２ＭＨｚの３種類の場合例に挙げて説明しているが、変更可能なバースト波Ｍの周波数は、検出する欠陥Ｋによって適宜選択すればよく、また用いる周波数の数も２つ以上であるならば特に限定しない。
特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【符号の説明】
【００５７】
１，１０  超音波探傷装置
２，２０  探触子
３  超音波探傷器
４  信号発生部
５  増幅部
６  信号採取処理部
７  接触媒質（遅延材）
Ｍ  超音波（バースト波）
Ｋ  欠陥（超音波反射体）
Ｗ  被検査体
２１  送信面
Ｆ  焦点
Ｌ  集束点
【図１】
2015148602.tif 000003
【図２Ａ】
2015148602.tif 000004
【図２Ｂ】
2015148602.tif 000005
【図２Ｃ】
2015148602.tif 000006
【図３】
2015148602.tif 000007
【図４】
2015148602.tif 000008
【図５Ａ】
2015148602.tif 000009
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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