(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１サイクルの大振幅正弦波を発生させる正弦波発生器と、
前記正弦波発生器からの少なくとも１サイクルの大振幅正弦波に基づいて大振幅超音波を被測定物の内部に送信する焦点型送信超音波探触子と、
前記大振幅超音波が被測定物の内部で反射又は散乱された超音波を受信する焦点型受信超音波探触子と、
前記焦点型受信超音波探触子で受信した超音波中の最初の１〜２サイクル分から、高調波成分の振幅又は波形の歪み、並びに前記振幅又は波形の歪みから得られる複数の特性、すなわち、引張側と圧縮側の最大振幅値及びそれらの比、引張側と圧縮側の最大振幅受信時間差、周波数スペクトル、及び上記特性の入射電圧依存性を含む超音波特性を、取得し、これらの取得した超音波特性を処理する処理手段と、
を備えたことを特徴とする小型非線形超音波非破壊検査装置。
【請求項２】
少なくとも１サイクルの大振幅正弦波を発生させる正弦波発生器と、
該正弦波発生器によって発生させた少なくとも１サイクルの大振幅正弦波を超音波として送信する焦点型送信超音波探触子と、
前記焦点型送信超音波探触子を被測定物に対して相対的に移動させる可搬式走査機構と、
前記大振幅正弦波発生器で発生された電気信号に同期して前記走査機構を駆動する同期操作部と、
前記焦点型送信超音波探触子で発生させた超音波を媒体を通して斜め入射したとき励起されるモード変換縦波あるいは横波を被測定物の内部に伝搬させ被測定物内部の欠陥で散乱された前記モード変換横波を受信する焦点型受信超音波探触子と、
前記焦点型受信超音波探触子で受信した前記モード変換縦波及び横波を増幅する増幅器と、
前記増幅器で増幅した波形をＡＤ変換し記憶する波形記憶部と、
前記波形記憶部で記憶した波形をデジタル処理する波形処理部と、
前記波形記憶手段で記憶した波形に対し、最大振幅絶対値、引張側と圧縮側の最大振幅値及びそれらの比、参照時間からの引張側と圧縮側の最大振幅受信時間差、周波数スペクトル、並びに上記特性の入射電圧依存性を演算又は算出し、その演算又は算出された超音波特性を画像処理する画像化処理手段と、
前記画像化処理手段で処理された画像を表示する表示手段と、
前記走査機構の駆動と前記正弦波発生器の信号を同期させる同期走査手段と、
を備えたことを特徴とする小型非線形超音波非破壊検査装置。
【請求項３】
前記焦点型送信超音波探触子は、固定焦点の超音波探触子あるいは複数の微小圧電素子を１次元配列した１次元アレイ探触子、複数の微小圧電素子を同心円環状に配置したアニュラーアレイ探触子、又は複数の圧電素子を２次元平面に配列した２次元アレイ探触子に時間遅れパルスを与えられることにより焦点型超音波探触子として機能するものである請求項１又は２に記載の小型非線形超音波非破壊検査装置。
【請求項４】
前記走査機構は、（ａ）単一素子の焦点型送信超音波探触子を試験体に対し機械的に走査すること、（ｂ）１次元アレイ探触子、アニュラーアレイ探触子もしくは２次元アレイ探触子を用いて超音波ビームを電子的に走査すること、又は（ｃ）広い範囲ではアレイ探触子を機械的に走査し狭い範囲ではアレイ探触子を電子的に走査するものである請求項２又は３に記載の小型非線形超音波非破壊検査装置。
【請求項５】
前記焦点型送信超音波探触子と被測定物との間で超音波を送受信するために、（ａ）前記焦点型送信超音波探触子の一部と被測定物を水槽に全没させる、（ｂ）前記焦点型送信超音波探触子を被測定物の検査領域を覆う部分的水槽に搭載する、又は（ｃ）前記焦点型送信超音波探触子の先端周辺から水を流して超音波が伝搬可能な水柱を形成するようにした、請求項１から４までのいずれかに記載の小型非線形超音波非破壊検査装置。
【請求項６】
前記画像化処理手段は、前記受信した波形について、最大振幅絶対値、引張側と圧縮側の最大振幅値及びそれらの比、参照時間からの引張側と圧縮側の最大振幅受信時間差及びそれらの比、周波数スペクトル、及び上記特性の入射電圧依存性、並びにそれらを組み合わせて得られる特性値を演算するものである請求項２に記載の小型非線形超音波非破壊検査装置。
【請求項７】
前記大振幅正弦波発生器は、発生させる正弦波のサイクル数として１、２、又は３のいずれかを選択可能である請求項１から６までのいずれかに記載の小型非線形超音波非破壊検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料内部の欠陥を非破壊的に検査する非線形超音波非破壊検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
材料内部の１ｍｍ以上の大きさの欠陥を非破壊的に検出・評価するための装置として、従来より、一定の体積を持つ空洞、開口き裂などの欠陥を含む材料に対しスパイク波で励起した微小振幅の超音波を入射し、音響インピーダンス差により発生する欠陥からの反射波強度、背面散乱波強度などを測定することによる非破壊的な検査が行なわれてきた。こうした超音波探傷技術は「超音波探傷法」に関する出版物（非特許文献１）などに記載されている。
【０００３】
従来の超音波探傷法では、上記非特許文献１の第２頁の図１・１に記載のように、開口き裂やボイドのような一定の体積を持つ欠陥からの反射波強度及び受信時間から欠陥の大きさと位置を評価していた。
【０００４】
最近では、多数の微細な圧電素子に適切に設定した時間遅れを与えて励起することにより想定した方向に集束超音波ビームを合成するフェイズドアレイ超音波装置（例えば非特許文献２）も利用されている。
【０００５】
しかし、上記の各方法では、音響インピーダンスの差が小さく、部分的に接触しているき裂面、金属中の微小非金属介在物など、入射超音波が部分的に透過する部分を高ＳＮ比で検出することは極めて困難である。
【０００６】
そこで、従来の微小振幅スパイク波入射に代えて、数サイクルから数十サイクルの大振幅正弦波バースト波を入射して、不完全接合面において発生する波形の歪みを高調波として検出する方法が特許文献１で提案されている。しかし、この方法は音響結合剤を介して非焦点型超音波探触子を被測定物に直接接触させる方式であるため、空間分解能が数ｍｍ程度と低く、また探触子を被測定物に対して走査して内部欠陥あるいは微視組織を可視化することができないという問題点があった。
【０００７】
上記の問題点を解決するため、測定室内に設置された水槽内に被測定物を全没させ、水浸焦点型探触子を用い、水中に斜角入射した大振幅正弦波バースト波の固体中でのモード変換縦波あるいは横波を用いて閉口き裂や介在物からの散乱波の高調波成分を検出し、画像化する方法が特許文献２で提案されている。この方法によるときは、検出したい高次高調波を抽出するアナログハイパスフィルタを用い、閉口き裂や介在物で散乱された超音波から高調波を抽出することにより、約０．１ｍｍ以上の微小内部欠陥を検出し画像化することできる。
【０００８】
しかし、上記の従来の水浸高調波画像化法では、正弦波からの受信波形の歪みを高次高調波振幅だけを用いて評価しており、それ以外の波形の歪みに関する情報は無視されることになるため、波形の歪みに含まれる内部欠陥に関する多くの情報が利用されないままになり、例えば、金属内の非金属介在物とボイドの識別、さらに拡散接合面の不完全接合部と不均一元素拡散状況とを区別できないなどの問題があった。
【０００９】
さらに、上記の従来の水浸高調波画像化法では、大振幅正弦波バースト波励起用送受信器の容積が０．６ｍ×０．５ｍ×０．２５ｍなどと大きいため、プラントなどの定期点検現場への持ち込みが容易でない、可搬型の大振幅正弦波バースト波励起用送受信器により最大２５６サイクルまでの長いバースト波を励起するようにしているため、大容量の蓄電器が必要となり、充電に要する時間が長くなってしまう、１秒あたりの超音波送信回数が１０００回程度に制限されてしまい非破壊検査を高速で行うことができない、などの問題点があった。
【００１０】
さらに、上記の従来の水浸高調波画像化法では、送信する大振幅バースト波を励起するサイクル数が長いためその継続時間が長くなり、また被測定物表面における反射波の残響継続時間も長いため表面不感帯が大きくなり、その結果、表面直下に存在する微小欠陥を検出できないという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−３０５１０９号
【特許文献２】特開２００６−６４５７４号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】日本学術振興会製鋼第１９委員会編、超音波探傷法  改訂新版（日刊工業新聞社、１９７４年発行）Ｐ２、Ｐ１７３〜１７６
【非特許文献２】Ｒ／Ｄ  Ｔｅｃｈ、  Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、    Ｒ／Ｄ  Ｔｅｃｈ、２００４、ｐ．１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明では、上記の事情に鑑み、１サイクル大振幅正弦波を用いて、被測定物内部及び表面直下の微小欠陥を非破壊的に高速で検出・可視化し、当該欠陥の寸法を評価するとともにその種類を大まかに区分することのできる小型非線形超音波非破壊検査装置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】
【００１４】
上記課題を解決するための本発明による小型非線形超音波非破壊検査装置は、少なくとも１サイクルの大振幅正弦波（閾値を超える入射電圧に対応する大振幅の正弦波）を発生させる正弦波発生器と、前記正弦波発生器からの電気信号（少なくとも１サイクルの大振幅正弦波）に基づいて大振幅の正弦波の超音波を被測定物の内部に送信する焦点型送信超音波探触子と、前記大振幅超音波が被測定物の内部で反射した超音波を受信する焦点型受信超音波探触子と、前記焦点型受信超音波探触子で受信した超音波中の最初の１〜２サイクル分から、高調波成分の振幅又は波形の歪み、又は、前記の振幅又は波形の歪み及びそれ以外の他の超音波特性、例えば、引張側と圧縮側の最大振幅値及びそれらの比、参照時間からの引張側と圧縮側の最大振幅受信時間差及びそれらの比、周波数スペクトル、若しくは上記特性の入射電圧依存性などの超音波特性を、取得し、これらの取得した超音波特性を処理する処理手段と、を備えたものである。
【００１５】
また、本発明による小型非線形超音波非破壊検査装置は、少なくとも１サイクルの大振幅正弦波（閾値を超える入射電圧に対応する大振幅の正弦波）を発生させる正弦波発生器と、該正弦波発生器によって発生させた電気信号（少なくとも１サイクルの大振幅正弦波）を超音波として送信する焦点型送信超音波探触子と、前記焦点型送信超音波探触子を被測定物に対して相対的に移動させる可搬式走査機構と、前記大振幅正弦波発生器で発生された電気信号に同期して前記走査機構を駆動する同期操作部と、前記焦点型送信超音波探触子で発生させた超音波を水又は樹脂製楔などの媒体を通して斜め入射したとき励起されるモード変換縦波あるいは横波を被測定物の内部に伝搬させ被測定物内部の欠陥で散乱された前記モード変換横波を受信する焦点型受信超音波探触子と、前記焦点型受信超音波探触子で受信した前記モード変換縦波及び横波を増幅する増幅器と、前記増幅器で増幅した波形をＡＤ変換し記憶する波形記憶部と、前記波形記憶部で記憶した波形をデジタル処理する波形処理部と、前記波形記憶手段で記憶した波形に対し、最大振幅絶対値、引張側と圧縮側の最大振幅値及びそれらの比、参照時間からの引張側と圧縮側の最大振幅受信時間差及びそれらの比、周波数スペクトル、並びに上記特性の入射電圧依存性などの超音波特性を演算し、その演算された超音波特性を画像処理する画像化処理手段と、前記画像化処理手段で処理された画像を表示する表示手段と、前記走査機構の駆動と前記正弦波発生器の信号を同期させる同期走査手段と、を備えたものである。
【００１６】
また、本発明による小型非線形超音波非破壊検査装置においては、前記焦点型送信超音波探触子は、固定焦点の超音波探触子あるいは複数の微小圧電素子を１次元配列した１次元アレイ探触子、複数の微小圧電素子を同心円環状に配置したアニュラーアレイ探触子、又は複数の圧電素子を２次元平面に配列した２次元アレイ探触子に時間遅れパルスを与えることにより焦点型超音波探触子として機能するものであってもよい。
【００１７】
また、本発明による小型非線形超音波非破壊検査装置においては、前記走査機構は、（ａ）単一素子の焦点型送信超音波探触子を試験体に対し機械的に走査すること、（ｂ）１次元アレイ探触子、アニュラーアレイ探触子もしくは２次元アレイ探触子を用いて超音波ビームを電子的に走査すること、又は（ｃ）広い範囲ではアレイ探触子を機械的に走査し狭い範囲ではアレイ探触子を電子的に走査するものであってもよい。
【００１８】
また、本発明による小型非線形超音波非破壊検査装置においては、前記焦点型送信超音波探触子と被測定物との間で超音波を送受信するために、（ａ）前記焦点型送信超音波探触子の少なくとも一部と被測定物を水槽に全没させる、（ｂ）前記焦点型送信超音波探触子を被測定物の検査領域を覆う部分的水槽に搭載する、又は（ｃ）前記焦点型送信超音波探触子の先端周辺から水を流して超音波が伝搬可能な水柱を形成するようにしてもよい。
【００１９】
また、本発明による小型非線形超音波非破壊検査装置においては、前記画像化処理手段は、前記受信した波形について、最大振幅絶対値、引張側と圧縮側の最大振幅値及びそれらの比、参照時間からの引張側と圧縮側の最大振幅受信時間差及びそれらの比、周波数スペクトル、及び上記特性の入射電圧依存性などの個別超音波特性、並びにそれらを組み合わせて得られる特性値を演算又は算出するものであってもよい。
【００２０】
さらに、本発明による小型非線形超音波非破壊検査装置においては、前記大振幅正弦波発生器は、発生させる正弦波のサイクル数として１、２、又は３のいずれかを選択可能なものであってもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の１つの特徴は、本発明者が行った実験から得られた、大振幅正弦波超音波を試験体（被測定物）に入射しその閉口き裂部からの受信波形に含まれる正弦波からの波形の歪みの検出を行った結果、受信波の最初の１〜２サイクルに入射周波数の数倍の高調波成分が含まれていたことなどの新たな知見に基づいて、試験体の閉口き裂部からの受信波形中の高調波を抽出又は計測するためには１サイクル（少なくとも１サイクル）の大振幅正弦波を被測定物に入射すればよく、そのような１サイクル（少なくとも１サイクル）の大振幅正弦波を入射できるだけの小型で軽量かつ比較的安価な大振幅正弦波送信器を用意するだけで、高調波を利用したプラント配管などの劣化・損傷検査が可能になる点にある。よって、このような本発明によれば、連続固体の非線形超音波（高調波）計測と同様に部分接触部を伴う閉口き裂状欠陥に対しても数〜数十サイクルの大振幅バースト波の入射を行える大型（大容量の蓄電器が必要）かつ高価な大振幅正弦波送信器を使用している従来の非線形超音波非破壊検査法と比較して、高調波を利用したプラント配管などの劣化・損傷検査を、従来よりも大幅に安価に高速に且つ効率的に行えるようになる。すなわち、本発明によれば、１サイクルの大振幅正弦波入射だけで被測定物の閉口き裂面で発生する高調波を検出できるようになるので、大振幅正弦波送信器を従来より大幅に小型化・低コスト化する（例えば従来の装置では必要とされていた大容量の蓄電器を不要とする）ことが可能となり、その結果、プラント類の劣化・損傷評価などへの高調波法の適用を極めて容易かつ低コストに行えるようになる。
【００２２】
また、本発明において、前記受信波形についてＦＦＴ（高速フーリエ変換）により得られた、高調波振幅以外の波形の歪みを表す複数の超音波特徴量を非線形超音波非破壊検査のために用いるようにしたときは、波形の歪みを発生させる実体の分類が可能になり、より高精度な非線形超音波非破壊検査が可能となる。
【００２３】
本発明で用いる１サイクル大振幅正弦波発生器は、例えばその容積が約０．２ｍ×０．１ｍ×０．１ｍと小型であるため、石油化学プラントなどの狭い現場において配管及びその他機器内の微小欠陥を検出する非線形超音波非破壊検査手段が確立される。
【００２４】
本発明で用いる小型１サイクル大振幅正弦波発生器は、その駆動のために必要な蓄電器容量が少ないため、１秒間に約５、０００回まで大振幅正弦波を送信できる。よって、本発明においては、約毎秒５００ｍｍの速度で移動する被測定物内の０．１ｍｍ程度の内部欠陥を検出する非線形超音波非破壊検査手段が確立される。
【００２５】
本発明で用いる１サイクル大振幅正弦波発生器は、その超音波パルス幅が短いため、表面反射波の残響を短くすることができ、表面不感帯を小さくできる。よって、本発明においては、表面直下に存在する介在物、ボイド等の微小欠陥を高速に検出できるようになる。
【００２６】
本発明においては、１サイクル大振幅正弦波を送信し、高速・高分解能のＡ／Ｄ変換ボードで収録した波形の正弦波からの歪みを複数の特徴を用いて定量化するようにしている。よって本発明によれば、従来の最大振幅絶対値以外の、引張側と圧縮側の最大振幅、それらの比、引張側と圧縮側の最大振幅の受信時刻、周波数スペクトル、及び上記特性の入射電圧依存性など、さらに個々の特性を組み合わせた特徴量を用いることにより、被測定物内部の隙間部、部分接触部、金属中非金属介在物などを非破壊的に識別する手段が確立される。
【００２７】
本発明において、平面以外の表面形状を持つ被測定物に対して、請求項３に記載のアレイ探触子を用いるときは、測定物内の所望の点に超音波ビームを集束させることができるので、平面以外の表面形状を持つ被測定物内の微小なマイクロクラックからの散乱波を受信できる利点を持つ。
【００２８】
請求項４に係る発明によるときは、広い検査領域に対する機械的走査と狭い測定領域に対する電子走査を併用し使い分けることができるので、フェイズドアレイ探触子による電子走査範囲を超える広い範囲をも効率的に検査できるようになる。
【００２９】
請求項５に係る発明によるときは、例えば、可搬式小型水槽を設置できる配管箇所にはその水槽内で超音波探触子を走査し、可搬式小型水槽を設置できない箇所については水柱走査方式を用いることにより、検査不可能領域を減少させることができる。
【００３０】
請求項６に係る発明によるときは、受信波形から得られる個々の特徴だけでなく、複数の特徴を組み合わせた評価指標を設け、その分布を可視化することにより、欠陥の種類を容易に区別できるようになる。
【００３１】
請求項７に係る発明によるときは、例えば、高速走査を必要とする場合には１サイクル大振幅正弦波を送信し、大エネルギーによる励起を必要とする場合には３サイクルまでの大振幅正弦波を送信することにより、幅広い非破壊検査に対応できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】入射正弦波の閉口き裂部での変調を示す非線形超音波応答の一例（引張相の超音波は閉口き裂面をほとんど透過できないため頂部が裁断された波形になるが、圧縮相の超音波はほぼ正弦波形を保って透過するので、周波数域では入射周波数の整数倍周波数を持つ高調波として表示されている）を示す模式図である。
【図２】微細な凹凸を有する閉口き裂部の一例を示す模式図である。
【図３】閉口き裂部に大振幅正弦波を入射したときの圧縮相の剛性変化（微細な凹凸を持つ閉口き裂部に大振幅正弦波を入射したとき、入射超音波により励起される圧縮応力により微細な凹凸部の接触面積が次第に増加するため、圧縮側の剛性が非線形的に変化するモデル）を示す模式図である。
【図４】微細な凹凸を伴う閉口き裂部からの散乱波受信波形の一例（波束前半部に正弦波からの顕著な波形歪みが現れ、後半部は正弦波状である例）を示す図である。
【図５】可搬式水槽を使用した非線形超音波検査装置の概略構成図である。
【図６】サブミクロン台の隙間を持つステンレス鋼拡散接合界面で散乱した超音波波形の最大振幅絶対値を示す画像と受信した超音波波を示す図（中心部で波形の歪みによる高調波が見られるが、周辺部では波形の歪みが少ない）である。
【図７】サブミクロン台の隙間を持つステンレス鋼拡散接合界面で散乱した超音波波形の最大振幅絶対値の画像と入射電圧による波形の歪みの差（入射電圧が２９０Ｖ以上のとき、波形の歪みが顕著となる）を示す図である。
【図８】サブミクロン台の隙間を持つステンレス鋼拡散接合界面で散乱した超音波波形の最大振幅絶対値を示す画像と受信波形（中心部では波束の前半部に、やや中心部から離れた位置では立ち上がり部とそれに続く立ち上がり部に、周辺部では立下り部だけに、正弦波からの顕著な波形の歪みがある）を示す図である。
【図９】拡散接合円柱試験体の接合界面で散乱した超音波波形の最大振幅絶対値画像と受信波形（１サイクル大振幅正弦波入射によるときは受信波形に正弦波からの顕著な歪みがあるが、スパイク波入射によるときは受信波形に正弦波からの波形の歪みはほとんどない）の一例を示す図である。
【図１０】図８の最下段に示す周辺部波形は立下り部の−側の最大振幅分布を可視化した結果を示す画面例である。
【図１１】図８に示す拡散接合試験体に対する基準時間から＋側の最大振幅に達すまでの時間差分布を示す画面例である。
【図１２】被測定物の閉口き裂において大振幅入射波の一部が透過し一部が反射される例を示す図である。
【図１３】大振幅入射波の閉口き裂での非線形応答モデルを示す図である。
【図１４】大振幅入射波による応力を受けて閉口き裂部のき裂面が接触するまでに多少の時間遅れが発生し、さらに閉口き裂部に存在する微細な凹凸部が圧縮応力を受けてつぶれ、実接触面積が増大する過程で圧縮剛性が変化する現象を示す図である。
【図１５】大振幅入射波の閉口き裂部からの受信波形、特にその最初の段階で現れる正弦波からの歪みを示す図である。
【図１６】模擬閉口き裂を含む試験体のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す図である。
【図１７】１サイクルの大振幅正弦波を試験体の閉口き裂部に入射したときの閉口き裂面の複数の点からの散乱波を含む受信超音波の、ハイパスフィルタを使用しないでＡ／Ｄ変換して得られた波形（受信波形）及びその歪みを示す図である。
【図１８】大振幅入射波を試験体の閉口き裂部に入射したときの波形の歪みと大振幅入射波の振幅又は入射電圧との関係を示す図である。
【図１９】１サイクルの大振幅正弦波を図１７とは違う試験体の閉口き裂部に入射したときの閉口き裂面の複数の点からの散乱波を含む受信超音波の、ハイパスフィルタを使用しないでＡ／Ｄ変換して得られた波形（受信波形）及びその歪みを示す図である。
【図２０】いずれも閾値を超える複数の入射電圧にそれぞれ対応する大振幅の正弦波を試験体の閉口き裂部に入射したときの、それぞれの閉口き裂面の中央部からの散乱波を含む受信超音波の、ハイパスフィルタを使用しないでＡ／Ｄ変換して得られた波形（受信波形）及びその歪みを示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
〔第１実施形態〕
以下本発明の測定原理を説明した後、本発明に関わる装置の構成、作用、実験結果等を説明する。
【００３４】
［測定原理］
非特許文献１に記載されているように、通常の超音波探傷法は、微小振幅のスパイク波を被測定物に入射し、音響インピーダンス差を持つ界面で励起される反射波を検出し、欠陥の大きさと深さを推定する。鉄鋼内部の約１ｍｍの長さを越える開口き裂部の音響インピーダンス差は大きいので、その検出は容易である。しかし、閉口き裂面や微小非金属介在物は微細な部分接触部を伴うため局部的に超音波が透過し、音響インピーダンス差が小さくなり、その検出が困難である。
【００３５】
これに対し、部分接触部を伴う欠陥に対する従来非線形超音波法は、図１に示すように、大振幅正弦波バースト波を入射すると引張相の超音波は閉口き裂面をほとんど透過できないため頂部が裁断された波形になるが、圧縮相の超音波はほぼ正弦波形を保って透過するので、周波数域では入射周波数の整数倍周波数を持つ高調波として表示されるというモデルに基づいている。このモデルでは、き裂面が平行平面であると仮定し、引張相の頂部が裁断された波形に起因する高調波成分を適切な遮断周波数を持つハイパスフィルタあるいは適切な透過帯域のバンドパスフィルタを用いて、適切な高調波成分を抽出しその振幅を用いて、閉口き裂部を検出する。ただし、高調波振幅だけを用いるため欠陥種類の区別ができず、また数ないし数十サイクルのバースト波を送信するため検査時間が長くなる。
【００３６】
本発明では、図２に示すような現実の微細な凹凸を持つ数十ナノメートルの隙間を持つ閉口き裂部に大振幅正弦波を入射したとき、入射超音波により励起される圧縮応力により微細な凹凸部の接触面積が次第に増加するため、図３に示すように圧縮側の剛性が非線形的に変化するモデルを利用する。新しい接触部が生ずる際の衝撃により、図４に示すような入射周波数の高次高調波が励起される。高次高調波の発生例として、風力発電所の翼が発する非可聴域の大エネルギー低周波音波により、近くの家屋内の家具、食器などが振動して２０Ｈｚ以上の可聴音を発することが挙げられる。
【００３７】
本発明では、図３及び図４に示す事実に基づき、ハイパスフィルタを用いずに、１サイクルの大振幅正弦波入射により励起される正弦波波形からの歪みを収録し、その波形の歪みを複数の特性によって定量化し、その量の分布を可視化することにより、部分接触域を伴う閉口き裂状欠陥の検出・寸法評価及び欠陥の性質を大まかに推定する。
【００３８】
［装置］
上記の測定原理を応用した非線形超音波非破壊検査装置について説明する。図５は、可搬式小型水槽に走査機構を搭載し、１個の超音波探触子で超音波の送信と受信を行う測定装置の実施形態を示すものである。図５において、１は金属製配管などの被測定物、１ａは被測定物１の内部の検査対象領域（微小な欠陥などが存在する領域）、２は被測定物１の表面に当接・載置される可搬型の小型水槽、３は焦点型超音波探触子（送信超音波探触子と受信超音波探触子とを兼ねる）、４は焦点型超音波探触子３を走査させる可搬型の走査機構、５は１サイクルの大振幅正弦波を発生させる１サイクル大振幅正弦波発生器である。図５の装置では、被測定物１の表面に小型水槽２が配置され、この小型水槽２に超音波探触子３走査機構４が搭載され、小型水槽２中の水中に水没された焦点型超音波探触子３と被測定物１との間で、小型水槽２中の水を媒体として超音波が伝搬され送受信される。また、焦点型超音波探触子３からの超音波は、小型水槽２中の水中及び被測定物１の内部（材料中）で集束され、検査対象領域１ａに達する。走査機構４は焦点型超音波探触子３及び小型水槽２を被測定物１上で物理的に移動させる。
【００３９】
また図５において、６は焦点型超音波探触子３からの正弦波の発生動作と走査機構４の動作を同期させる同期走査部、７は焦点型超音波探触子３が受信した被測定物１及びその内部の検査対象領域１ａからの反射超音波を増幅する受信信号増幅部、８は受信信号増幅部７からの信号を受信してデジタル記録する波形記録部、９は前記記録された受信波形に対して最大振幅、時間差などの特徴量を計算し取得する波形処理部、１０は波形処理部９で計算された結果をグレイスケール階調あるいはカラー色調の画像に変換する画像化処理部、１１は画像化処理部１０で得られた画像などを表示する画像表示部（ディスプレイ）である。なお、本実施形態では、上記の同期走査部６、受信信号増幅部７、波形記録部８、波形処理部９、画像化処理部１０、及び画像表示部１１は、パソコンなどのコンピュータ１２により構成されている。
【００４０】
前述のように、図５の装置では、被測定物１の上部に可搬式小型水槽２を置き、送信超音波探触子３を機械的に移動させる走査機構４を制御する同期走査部６からのトリガ信号に同期して、１サイクル大振幅正弦波発生器５により電気信号を送信超音波探触子３に送信し、電気信号を超音波振動に変換する。これにより発生した超音波は水中及び材料中で集束され、被測定物１の検査対象領域１ａに達する。検査対象領域１ａ内に図２に示す閉口き裂状欠陥あるいは介在物が存在するとき、前述の理由により正弦波からの波形の歪みが生ずる。この歪みを伴う散乱波が送信経路と同一の経路を通って受信超音波探触子３で受信されて電気信号に変換される。この信号を受信増幅器７で増幅し、高垂直軸分解能と高時間分解能を持つ波形記録部８にデジタル収録する。収録された波形に対して、従来の最大振幅絶対値以外に加えて、引張側あるいは圧縮側の最大振幅、それらの比、引張側と圧縮側の最大振幅の受信時刻、周波数スペクトル、及び上記特性の入射電圧依存性など、さらに個々の特性を組み合わせた特徴量を波形処理部９で計算し、その結果を画像化処理部１０でグレイスケール階調あるいはカラー色調に変換し、画像表示部１１で２次元画像として表示する。
【００４１】
本実施形態のに係る装置では、１サイクル大振幅正弦波送受信器５の容積が例えば約０．２ｍ×０．１ｍ×０．１ｍという小型のものであり、可搬式の小型水槽２をも使用するので、各種プラントの狭隘な配管部の閉口き裂状欠陥の非破壊検査に有効である。
【００４２】
また、本実施形態のに係る装置では、可搬式小型水槽を置けない検査領域には水柱式の探触子走査方式を用いるようにしたので、検査不可能領域を少なくすることができる。
【００４３】
また、本実施形態のに係る装置では、１サイクル大振幅正弦波送受信器５のパルス送信回数が毎秒５０００回程度であるので、最大毎秒５００ｍｍ／ｓの高速の速度で約０．１ｍｍの大きさの欠陥を可視化することができる。
【００４４】
［画面例１］
１サイクル大振幅正弦波発生器により、水浸法で周波数８ＭＨｚ、繰返数１の正弦波を送信し、１２ビット、２５０ＭＳ／ｓのＡＤ変換ボードを用いて収録した、サブミクロンの隙間を持つステンレス鋼の拡散接合面からの最大振幅絶対値の画像と受信波形を図６に示す。図６では、画像中心部の赤色部分では波束の前半部分（白破線枠内）に正弦波からの顕著な歪みが観察されるが、後半部分は正弦波に近い。これに対し中心からはずれた緑色部分の波形はほぼ正弦波状である。この結果から、１サイクル大振幅正弦波を送信することだけで、部分接触域で発生する高調波を検出できることが確認できた。
【００４５】
［画面例２］
図６と同一の拡散接合面に対し、受信波形の入射電圧（入射波振幅にほぼ比例）依存性を、図７に示す。図７では、電圧２１０Ｖでは正弦波状波形を、２９０Ｖ以上では白破線枠内に正弦波波形からの顕著な歪みを伴う波形を、観察できる。この結果から、高調波を伴う波形の歪みを発生させるためには、閾値を越える入射電圧で超音波探触子を励起する必要があることが確認できた。
【００４６】
［画面例３］
図６と異なる拡散接合試験体に対する最大振幅絶対値の画像と受信波形を図８に示す。図８では、中心部では波束の前半部に、やや中心部から離れた位置では立ち上がり部とそれに続く立ち上がり部に、周辺部では立下り部だけに、正弦波からの顕著な波形の歪みが確認できた。
【００４７】
［画面例４］
拡散接合円柱試験体の接合界面の最大振幅絶対値の画像と受信波形を図９に示す。図示左側が８ＭＨｚ、１サイクル大振幅正弦波入射、同右側がスパイク波入射による画像と画像中の特定位置の受信波形である。両者の画像は大きな差異が見られないが、大振幅正弦波入射による赤四角位置の受信波形は正弦波からの顕著な歪みが観察される。他方、スパイク波入射による同一位置の波形は正弦波状である。
【００４８】
図９に示すように、大振幅正弦波入射の最大振幅絶対値が同程度の２点について、四角枠内の位置では顕著な波形の歪みが観察されるが、丸枠内の位置では波形の歪みがわずかである。これらから、最大振幅絶対値が同程度のこの２点の散乱源の特性が異なることが分かる。
【００４９】
［画面例５］
図８の最下段に示す周辺部波形は立下り部の振幅が大きいので、−側の最大振幅分布を可視化した結果を図１０に示す。図１０の下部及び右側の曲線は、図中の矢印を付けた横線及び縦線に沿う振幅分布を表す。この図１０により拡散接合境界部を明瞭に表示できる。
【００５０】
［画面例６］
図８に示した拡散接合試験体に対する、基準時間から＋側の最大振幅に達すまでの時間差分布を図１１に示す。波形図の灰色ゲート内の４４．２６４μｓから＋側最大振幅までの時間差は楕円状散乱源の中央やや上側で最も短いことが示される。拡散接合内面の凹凸部形状を反映していると考えられる。
【００５１】
〔第２実施形態〕
１．従来の高調波画像化法では、部分接触域を伴う不連続部に大振幅正弦波バースト波を入射し、受信波のＡＤ変換前にアナログハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いて抽出して高次高調波の振幅をマッピングすることにより、従来の音響インピーダンス差を利用する超音波探傷法によっては検出・画像化が困難な、閉口き裂、粗大粒ステンレス鋳鋼中の疲労き裂、石油化学プラントの水素侵食などの検出・可視化を、可能としていた。そこでは、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）により抽出した高調波振幅を用いるので、受信波形の歪みに含まれる多数の情報のうち、特定周波数の高調波振幅以外の情報を無視することになっていた。
【００５２】
短バースト波を用いる非線形超音波法においては、部分接触域からの散乱波の最初の部分に接触域に関する情報が含まれるはずである。そこで、ＨＰＦを使用せずに散乱波波形を収録し、波形の歪みを複数の特徴量（Ｆｅａｔｕｒｅ）を用いて定量化すれば、従来より多元的な評価が可能になると考えられる。かつて超音波画像化装置が開発された頃には、受信波形に含まれる複数の特徴量を可視化するＦｅａｔｕｒｅ  ｍａｐｐｉｎｇ（例えば、ＡＳＮＴ、  Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ、  Ｖｏ．  ７  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｅｓｔｉｎｇ、  ｐｐ．７９９−８０１、  （１９９１））のアイデアが提案された。しかし、受信振幅と伝搬時間以外の特徴量を用いる市販の超音波画像化装置は極めて少ない。
【００５３】
本発明者による実験では、散乱波波形の歪みを複数の特徴量を用いて表現し、それら特徴量あるいは複数の特徴量のノルム分布を画像化する、新しい非線形特徴量画像化法を構築するための最初の段階として、拡散接合により制作した模擬閉口き裂試験体（石田仁志・川嶋紘一郎、日本非破壊検査協会平成２５年度秋季講演大会概要集、  ｐｐ．６９−７３、  （２０１３））に対して、１サイクルの大振幅正弦波を入射し、ＨＰＦを使用せず、閉口き裂面からの散乱波波形を収録し、観察した。その結果、波形の歪みが受信波形の最初の部分で顕著であり、後半部ではそれが少ないことが、明らかとなった。
【００５４】
２．複数特徴量を用いて受信波形の歪みを表す非線形超音波法の基本的イメージ
閉口き裂（図１２参照）を例として、新しい非線形超音波評価法の基本的イメージを説明する。閉口き裂部では、図１２の左側に示すように大振幅入射波の一部が透過し一部が反射される。ＰｅｃｏｒａｒｉとＳｏｌｏｄｏｖ（Ｃ．  Ｐｅｃｏｒａｒｉ  ａｎｄ  Ｉ．  Ｓｏｌｏｄｏｖ、  ｉｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙ  ｏｆ  ｎｏｎｃｌａｓｓｉｃａｌ  ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ．  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  ｎｏｎ−ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ．  ｐｐ．３０９−３２６、  （２００７））は、閉口き裂の圧縮剛性が連続体と同一であると仮定した図１３に示す非線形応答モデルに基づき、閉口き裂部における波形の歪みが顕著であることを説明した。しかし、現実の閉口き裂部にはナノメートル台の隙間が存在するので、図１４に示すように、大振幅入射波による応力を受けてき裂面が接触するまでに多少の時間遅れが発生し、さらに閉口き裂部に存在する微細な凹凸部が圧縮応力を受けてつぶれ、実接触面積が増大する過程で圧縮剛性が変化する。これらの現象は圧縮波が閉口き裂面に作用する初期段階において顕著であるので、例えば図１５に示すように、正弦波からの波形の歪みは受信波形の最初の段階に顕著に現われると推測される。
【００５５】
従来の高調波法では、Ａ／Ｄ変換前にアナログハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いて抽出した高調波受信波形に対して、受信波が周期性を持つと想定し、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）により高調波振幅比を求める。しかし、この方法では、局部的な波形の歪みを検出することは不可能であり、また位相情報を利用できない。
【００５６】
３．受信波形の歪み計測の実験
３．１  試験体
端面に傾いたφ１０の穴（最大深さ１３μｍ）を加工したＳＵＳ３０４角柱（口２０ｍｍ×４０ｍｍ）に穴のない角柱を拡散接合し、隙間が直径方向に変化する模擬閉口き裂を含む試験体（石田仁志・川嶋紘一郎、日本非破壊検査協会平成２５年度秋季講演大会概要集ｐ．６９−７３（２０１３））を用いた。上記閉口き裂部のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真の例を図１６に示す。
【００５７】
３．２  測定装置
水浸高調波画像化装置を用いて、閉口き裂部を可視化後、幾つかの点の受信波形を１２ビット、５００ＭＳ／ｓのＡＤ変換ボードを用いて収録した。大振幅正弦波送受信器としてＲＩＴＥＣ  ＲＰＲ−４０００を用いた。
【００５８】
３．３  測定方法
公称周波数１０ＭＨｚ、素子径９．６ｍｍ、焦点距離１２７ｍｍの点集束探触子を用いて、８ＭＨｚ−１サイクルの正弦波を垂直入射し、ＨＰＦを用いずに模擬閉口き裂を可視化した後、幾つかの位置における波形を収録した。送信電圧を数段階変化させ波形の歪みの差を検討した。
【００５９】
４．受信波形の歪みの観察
４．１  試験体Ａ
図１７に閉口き裂面の幾つかの点からの散乱波波形を示す。最上段のき裂中心部では受信波形の最初の立上り及びそれに続く半サイクルに顕著な波形の歪みが見られるが、第２及び３サイクルの波形は正弦波に近い。中段に示すき裂中心から幾分外れた位置の受信波形では１サイクル目のマイナス側のピーク部が尖っているが、それ以外は正弦波状である。最下段は穴外側の接合部からの波形であり、ノイズに近い。水中焦点距離１２７ｍｍの探触子を用いたため、穴部が過大表示されている。しかし、図１７から閉口き裂部で受信波形の最初の部分に大きな歪みが現われることが確認できる。
【００６０】
閉口き裂中心部において入射電圧を変化させた際の波形の歪みの差異を図１８に示す。上段（２１０Ｖ）の波形は正弦波状に近く、波形の歪みは見られない。中段（２９０Ｖ）では、最初の下側ピーク部の尖りが生ずるが、第２と３サイクルの波形は正弦波状である。下段（３２０Ｖ）の第１サイクルの波形の歪みは著しいが第２と３サイクルの波形は正弦波状である。波形の歪みの特徴は、最初のサイクルだけにおける高調波の出現である。
またこの結果から、波形の歪みを発生させる入射電圧には明らかに閾値が存在する。ちなみに、以上に対し、Ｓｏｌｏｄｏｖらは、従来の高調波法及び和差周波数法には入射波振幅の閾値が存在せず、分調波法においてそれが存在すると述べていた。
【００６１】
４．２  試験体Ｂ
試験体Ａと同様に製作された試験体Ｂに対する模擬き裂部の画像と中心を含む３箇所の波形を図１９に示す。入射電圧は３２０Ｖである。図１９において、中心部では、白枠内に示すように、最初の１〜２サイクルに高次高調波が見られる。しかし、周辺部の波形は正弦波状であり歪みはない。閾値を越えた入射電圧を３２０Ｖから４２５Ｖに増大させた際の中央部の受信波形を図２０に示す。波形が飽和しないようにゲインを調整した。図から明らかなように、波形の歪みに大きな差は見られない。
【００６２】
５．検討
図１７及び図１９に示すように、拡散接合により製作したサブミクロン台の隙間を伴う模擬閉口き裂部に１サイクルの大振幅正弦波を入射し、ハイパスフィルタを使用しないで１２ビットでＡ／Ｄ変換した受信波形には、１〜２サイクル目に入射周波数の数倍の高次高調波として顕著な波形の歪みが現われる。この波形の歪みを発生させる入射電圧には、図１８に示すように、閾値が存在する。閾値を超えた電圧を３０％程度増大させても、波形の歪みの変化は少ない。
【００６３】
連続固体の非線形超音波（高調波）計測と同様に、部分接触部を伴う閉口き裂状欠陥に対しても、数〜数十サイクルの大振幅バースト波入射が用いられてきた。しかし、上記の結果から、非線形超音波計測のうち高調波計測については、１サイクルの大振幅正弦波入射で良いことが明らかとなった。これにより、小型・軽量の大振幅正弦波送信器が開発されれば、プラントの劣化・損傷評価に高調波を適用することが容易になる。
【００６４】
さらに、前記受信波形についてＦＦＴ（高速フーリエ変換）による高調波振幅以外の波形の歪みを表す複数の超音波特徴量を超音波非破壊検査のために用いるようにすれば、波形の歪みを発生させる欠陥の実体的な分類が可能になる。
【００６５】
６．まとめ
本発明者らは、１サイクルの大振幅正弦波を部分接触域を伴う閉口き裂部に入射し、最初に受信されるき裂面からの散乱波波形の詳細な解析に基づく新たな非線形超音波法を構築することを目的とし、サブミクロン台で隙間が変化する拡散接合により製作した模擬閉口き裂試験体に対して、受信波形に含まれる正弦波からの波形の歪みの検出を行った。８ＭＨｚ−１サイクルの大振幅正弦波縦波を垂直入射し、受信波の最初の１〜２サイクルに入射周波数の数倍の高調波成分が含まれ、後半の３〜４サイクルは正弦波に近いことが明らかとなった。１サイクルの大振幅正弦波入射により閉口き裂面で発生する高調波を検出できるので、大振幅正弦波送信器を従来より小型化することが可能となり、プラント類の劣化・損傷評価への高調波法の適用が容易になると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、小型の正弦波発生器から発生される大振幅の１サイクル正弦波を焦点型探触子により集束させた超音波を材料内に入射し、材料内部の欠陥で散乱された波形の歪みを検出し、非破壊的にそれらを可視化する非線形超音波非破壊装置である。本発明は、疲労き裂面、粒界応力腐食割れ部、水素割れ部などの開口き裂以外に、材料内介在物、不完全接合部、表面の微小閉口き裂等の検査にも利用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１    被測定物
１ａ  検査対象領域
２    小型水槽
３    焦点型超音波探触子（送信超音波探触子，受信超音波探触子）
４    走査機構
５    １サイクル大振幅正弦波発生器
６    同期走査部
７    受信信号増幅部
７    受信増幅器
８    波形記録部
９    波形処理部
１０  画像化処理部
１１  画像表示部
１２  コンピュータ
【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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【図１９】
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【図２０】
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