(57)【要約】  本発明は、単結晶材や一方向凝固材からなる異方性を有する構造物に対し、結晶成長方向の測定を簡便かつ迅速に行なえる超音波による非破壊測定装置を提供することを目的とする。上記目的を達成するために、本発明は、音響異方性を有する構造物における超音波を用いた非破壊測定装置において、前記構造物に超音波を送信又は反射した超音波を受信するアレイセンサと、前記構造物の複数の想定結晶成長角毎において所定の位置に超音波を集束させるための遅延時間を作成する遅延時間作成部と、前記遅延時間に基づいて前記アレイセンサから超音波を送信又は反射した超音波を受信するための信号を制御する超音波発生・検出装置と、前記遅延時間に基づき取得した波形より、特定のエコーに対し強度を算出する波形強度算出部と、前記想定結晶成長角と特定のエコー強度の関係から結晶成長角を決定する結晶成長角決定部を備えたことを特徴とする。
2015045081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響異方性を有する構造物における超音波を用いた非破壊測定装置において、
前記構造物に超音波を送信又は反射した超音波を受信するアレイセンサと、
前記構造物の複数の想定結晶成長角毎において所定の位置に超音波を集束させるための遅延時間を作成する遅延時間作成部と、
前記遅延時間に基づいて前記アレイセンサから超音波を送信又は反射した超音波を受信するための信号を制御する超音波発生・検出装置と、
前記遅延時間に基づき取得した波形より、特定のエコーに対し強度を算出する波形強度算出部と、
前記想定結晶成長角と特定のエコー強度の関係から結晶成長角を決定する結晶成長角決定部を備えたことを特徴とする超音波を用いた非破壊測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記結晶成長角決定部は、前記想定結晶成長角と特定のエコー強度の関係において、ピークとなった結晶成長角を単一および複数出力する機能を備えたことを特徴とする超音波を用いた非破壊測定装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記結晶成長角決定部は、前記想定結晶成長角と特定のエコー強度の関係において、ピークに対する半値幅の評価し、結晶成長角を決定する機能を備えたことを特徴とする超音波を用いた非破壊測定装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記アレイセンサはマトリクスアレイセンサを用いることを特徴とする超音波を用いた非破壊測定装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記アレイセンサはリニアアレイセンサであり、
前記リニアアレイセンサを構造物表面上で回転走査を加える回転走査装置を有することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記決定された結晶成長角を用いて、セクタスキャンの画像を調整し再構成する探傷画像構成部を有することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記決定された結晶成長角を用いて、前記構造物の厚さを測定する距離測定部を有することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定装置。
【請求項８】
音響異方性を有する構造物おける超音波を用いた非破壊測定方法であって、
前記構造物の複数の結晶成長角を想定して各遅延時間を算出するステップと、
アレイセンサを用いて前記遅延時間を有する超音波を送信するステップと、
特定の反射源からの反射信号を取得するステップと、
前記遅延時間を利用し取得した反射信号中の特定の反射源から結晶成長角とエコー強度の関係を評価するステップと、
前記結晶成長角とエコー強度の関係から結晶成長角を求めるステップと、
を有することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定方法。
【請求項９】
請求項８において、
前記想定結晶成長角と特定のエコー強度の関係において、ピークに対する半値幅の評価し、狭い半値幅のピークを結晶成長角とするステップを有することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定方法。
【請求項１０】
請求項８において、
前記結晶成長角の測定結果を用いてビームの電子走査条件を算出することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定方法。
【請求項１１】
請求項８において、
前記想定結晶成長角と特定のエコー強度の関係において、ピークを示す結晶成長角が複数ある場合、前記複数の結晶成長角を用いてビームの電子走査条件を複数算出して検査結果を出力することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定方法。
【請求項１２】
請求項８において、
前記結晶成長角の測定結果を用いて屈折角毎に音速補正が実施可能である超音波を用いた非破壊測定方法。
【請求項１３】
請求項８乃至１２のいずれかにおいて、
前記結晶成長角の測定結果を用いて音速を算出し、伝搬時間と掛け合わせることにより、距離を算出することを特徴とする超音波を用いた非破壊測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による計測技術に関わり、超音波による非破壊測定装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の測長や健全性評価を非破壊にて行なう場合の手段として、超音波による測定手段があげられる。超音波による測定手段は、例えば、超音波センサ内部に備わる電気機械変換効率を持つ圧電素子（以下、素子）に電圧を与えることで超音波を発振し、超音波を測定対象物中に伝搬させ、超音波が物質の境界面などで反射する性質を利用し、その一部の反射波による振動を再び素子により電圧に変換し、収録、グラフ化、或いは画像化する手段である。【０００３】
超音波による測定手段を用いて、ステンレス鋼やガラスなどの等方性材の測長や内部欠陥を測定する場合には、測定対象物中を伝搬する超音波の音速は測定対象物中の伝搬方向に依存しない物質固有の一定な値をとるため、材質さえ分かれば物質固有の音速を用いることで精度よい測定が実施できる。しかし、単結晶材、一方向凝固材、炭素繊維及びガラス繊維などの工業用材料は、音速や減衰率が超音波の伝わる方向に依存する音響異方性（以下、簡単のため異方性と記す）と呼ばれる性質を有する。これら異方性材に対し、音速や減衰率が超音波の伝わる方向に依存しない等方性を仮定した従来の超音波による測定手段を適用すれば、音速が正確ではないために測定精度が低下する可能性がある。具体的には、例えば柱状晶が特定の方向に結晶成長した集合体である一方向凝固材を用いた構造物に対し、等方性を仮定した超音波検査を実施する場合、欠陥指示位置と実欠陥位置に誤差が生じる可能性がある。また、フェーズドアレイ（Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  以下、ＰＡ）法や開口合成（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  以下、ＳＡ）法など集束超音波を用いた超音波検査の場合は、正しい遅延時間が設定できず、超音波を集束させたい位置に正確に集束超音波を送信できず、従って、高精度な検査が実施できない可能性がある。また、厚さ測定においても、音速が近似値であれば当然高精度の厚さ計測ができないことは自明である。精度を向上した超音波による測定を実施するためには、測定対象物の異方性情報を取得することが重要である。【０００４】
特許文献１には、単結晶材の結晶成長方向に応じて、入射された超音波の伝搬速度が異なることに着目した結晶成長方向の測定装置および測定方法が記載されている。具体的には、単結晶材または一方向凝固材からなる構造物の結晶方位（結晶成長方向）を計測する方法として、主たる凝固方向に垂直な方向に進行する縦波あるいは横波の超音波を発生させて構造物に入射し、超音波の入射から反射波または透過波が検出されるまでの時間を計測して音速を算出し、構造物の結晶成長方向を決定するとして記載されている。【０００５】
特許文献２には、構造物に関する情報に基づき結晶組織の成長方向を予測する方法が記載されている。具体的には、構造物に関する情報として、形状情報、接合情報（接合方法、接合部の詳細な材質、作業手順）を入力し、この入力情報を基に金属の結晶組織の成長方向を予測している。【０００６】
特許文献３には、構造物に関する情報に基づき理論で結晶状態を多数作成し、実測の超音波計測結果と各結晶状態におけるシミュレーションによる受信波強度を比較し、計測結果とシミュレーション結果が合致する結晶状態を予測結果とする方法が記載されている。具体的には、断面予測手段として二つ記載があり、一つ目は、溶接部の柱状晶組織分布を調整しながら受信波強度分布を計算しシミュレータによる計算結果と測定された受信波強度分布が一致する溶接組織を求める方法と記載されている。二つ目は、経験的に予測した柱状晶分布に対して超音波の受信波強度分布を計算し、この受信波強度分布を溶接部データベースに記憶させておき、溶接部データベースに記憶されている受信波強度分布の計算結果と測定結果を比較することにより溶接組織を求める方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−５８２４４号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２８５０公報
【特許文献３】特開２００６−１３８６７２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の方法では、主たる凝固方向が分かっており、かつ、正確な音速の算出が重要となるため、超音波の伝搬経路に相当する構造物の長さが高精度で既知であることが前提条件となっているため、主たる凝固方向が不明で構造物の長さが概算値である場合には、結晶成長方向の算出を高精度に求めることが出来ない。【０００９】
特許文献２に記載の方法では、構造物の詳細な製造過程の記録を必要とすることや、結晶状態を推定するための条件作成に手間や時間がかかり、構造物の結晶成長方向の算出には多くの時間を必要とする。【００１０】
特許文献３に記載の方法では、断面予測を実施するために、柱状組織の調整回数に依存する時間がかかる、あるいは、計測対象の構造物の詳細情報があることを前提に、構造物が変わる毎に非常に多くのシミュレーションを実施することが必要となると考えられ、やはり構造物の結晶成長方向の算出には多くの時間を必要とする。【００１１】
そこで、本発明は、単結晶材や一方向凝固材からなる異方性を有する構造物に対し、結晶成長方向の測定を簡便かつ迅速に行なえる超音波による非破壊測定装置および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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、音響異方性を有する構造物における超音波を用いた非破壊測定装置において、前記構造物に超音波を送信又は反射した超音波を受信するアレイセンサと、前記構造物の複数の想定結晶成長角毎において所定の位置に超音波を集束させるための遅延時間を作成する遅延時間作成部と、前記遅延時間に基づいて前記アレイセンサから超音波を送信又は反射した超音波を受信するための信号を制御する超音波発生・検出装置と、前記遅延時間に基づき取得した波形より、特定のエコーに対し強度を算出する波形強度算出部と、前記想定結晶成長角と特定のエコー強度の関係から結晶成長角を決定する結晶成長角決定部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、構造物中の結晶組織の配向方向を定量化することができるので、構造物の結晶成長方向を簡便かつ迅速に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】超音波による非破壊測定装置の構成図
【図２】想定結晶成長角毎の波形の表示方法を示す補助図
【図３】想定結晶成長角毎の波高値評価グラフと評価結果を示す補助図
【図４】結晶成長方向測定のフローを示す図
【図５】想定結晶成長角毎の遅延パターン作成方法の説明図
【図６】群速度分布図
【図７】超音波による非破壊測定装置の他の構成図
【図８】実施例２の超音波による非破壊測定装置の構成図
【図９】実施例２の超音波検査のフローを説明する図
【図１０】実施例２の検査条件設定例を示す説明図
【図１１】実施例３の超音波による非破壊測定装置の構成図
【図１２】実施例３の別構成の超音波による非破壊測定装置の構成図
【図１３】実施例３の厚さ計測のフローを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、例えば、ガスタービン部品に適用されている高温耐性・クリープ強度に優れた単結晶材や一方向凝固材、航空部品や風車部品に適用されている軽量かつ強度に優れた炭素繊維やガラス繊維を測定対象とした超音波による非破壊測定に関する。ここで本発明で測定する構造物の情報としては、結晶成長方向、構造物内部の欠陥、構造物の厚さといった情報である。なお、本発明での測定対象には、炭素繊維やガラス繊維が、繊維の配向方向を結晶成長方向とみなすことにより単結晶材や一方向凝固材と同様に考えられるため含まれる。また、オーステナイト系ステンレス鋼配管溶接部内表面に応力腐食割れが確認された部位について、外面全周にわたり強度部材を構成するために周方向に溶接金属を複数層肉盛りする溶接工法（ウエェルドオーバーレイ工法）で作成された肉盛り部分なども一方向凝固材に分類されるものとして扱う。
【００１６】
本発明の超音波を用いた非破壊測定装置および方法によれば、結晶成長方向が未知の一方向凝固材、あるいは、単結晶材から成る異方性を有する構造物の計測時に、これらの材料の結晶成長方向の向きを多数仮定し、クリストッフェル方程式の解や、クリストッフェル方程式から導いた結晶成長方向に依存する音速分布の離散データのフィッティング関数、あるいは解析解などを用いて、多数仮定した結晶成長方向の向きそれぞれに対応する集束超音波を得るための多数の遅延時間量を算出しておき、各々の遅延時間量を用いて得られる構造物内の特定の反射源から得られる反射波の強度評価をすることで、構造物の結晶成長方向を決定することができる。集束させた超音波を用いた反射波強度評価によって、構造物中の結晶組織の配向方向を定量化することができるので、構造物の結晶成長方向を簡便かつ迅速に決定することができる。加えて、設定条件と実現象の差に対する許容性が高く、かつ、高精度に結晶成長方向を求めることが可能となる。この理由を簡潔に述べると、集束超音波を用いて結晶成長方向を求めた場合の誤差要因は、ある集束位置に各素子から超音波を送信する際の遅延時間の計算に用いる、想定する音速や形状情報と実際の測定対象物における音速や形状情報の誤差であり、測定結果には、想定する音速（理論群速度）と実際の音速の差を実際の音速の差で割った値の程度で誤差として影響すると考えられる。例えば、実際の音速が５９００ｍ／ｓで理論値から求めた設定音速が６０００ｍ／ｓであったとしても、誤差として１／６０程度、求める結晶成長方向の誤差に換算して３度と考えることができる。これに対し、測定から求めた材料の音速と理論値から求めた群速度を対比することで結晶成長方向を求める場合の誤差要因は、同じく想定する音速や形状情報と実際の測定対象物における音速や形状情報の誤差であり、測定結果には、測定した音速と結晶成長方向範囲を一対一に対応させることを考えると、正しい結晶成長方向を示している場合の想定する音速と測定した音速の差を群速度が変化する範囲で割った値の程度で誤差として影響すると考えられる。さらには測定した音速が想定する音速の範囲外であった場合、当然一対一に対応できない。例えば、図６に示しているように、想定する音速は、理論値として群速度音速が結晶成長方向により約５４００ｍ／ｓ〜６２００ｍ／ｓまで変化している。この場合、群速度音速の変域（８００ｍ／ｓ）の間に結晶成長方向の値域（１８０度）が対応する。これにより例えば、本来正しい結晶成長方向を示す場合に示す音速として５９００ｍ／ｓのところ、計測した音速が６０００ｍ／ｓであった場合、誤差として１／８程度、求める結晶成長方向の誤差に換算して２２.５度と言える。また例えば、測定音速が６２１０ｍ／ｓであったときは、対応する値域が無いことは自明である。したがって、例えば特許文献１に記載されている、求めた音速より直接的に結晶成長方向を求める場合よりも高精度かつ簡便に求めることができると言える。また、測定された結晶成長方向の情報を用いて、超音波検査を実施することにより、単結晶材や一方向凝固材からなる異方性を有する構造物の結晶成長方向の情報を反映した、高精度の検査画像を出力でき��。また、厚さ測定においても精度良く構造物の厚さを測定できる。
【００１７】
以下、本発明の実施例１について図１−７を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
単結晶材や一方向凝固材はある一定に結晶が成長する。この方向を結晶成長方向と言う。この結晶成長方向を測定する超音波を用いた非破壊測定装置１を、図１を用いて説明する。超音波を用いた非破壊測定装置１は、複数の素子２から構成されるアレイセンサ３と、アレイセンサ３から測定対象物である構造物４に超音波を送信及び受信するための信号を制御する超音波発生・検出装置５と、キーボードやマウスなどの入力装置６と、測定した情報を表示する表示装置７と、処理装置８を有する。処理装置８は、構造物材料の結晶状態の空間群、密度、スティフネス定数などを記憶したデータベース９と、想定した結晶成長方向（以下、想定結晶成長角）に対する遅延時間パターン群作成部１０と、想定結晶成長角毎の波形強度算出部１１と、結晶成長角決定部１２を備えている。ここで、結晶成長角というのは、アレイセンサと構造物からなる測定系における座標上で、構造物としての結晶成長方向を示す場合に用いる角度のことである。【００１９】
アレイセンサ３に制御信号を送信及び受信する超音波発生・検出装置５は、均質異方性材料の構造物の外表面から縦波あるいは横波の超音波を発生させて構造物中に入射し、その超音波の反射波を検出するものである。超音波の発生手段としては、一般にはアレイセンサ３内部の素子２に電圧を印加する方法、超音波の受信方法としては同じくアレイセンサ３内部の素子２に反射波が到達したことによる歪を電気信号として取り出す方法が挙げられる。【００２０】
想定した結晶成長角に対する遅延時間パターン群作成部１０は一般に、アレイセンサ３を構成する各素子２から測定対象である構造物中の超音波を集束させたい場所（焦点）までの伝搬時間の差を遅延時間として算出する手段として知られる。作成した遅延時間は超音波発生・検出装置５へ送られて、超音波発生・検出装置５では、この情報を基に、アレイセンサ３で超音波を送信及び受信するための制御信号（電圧）を作成する。ＰＡ法では、送信時には素子に与えるパルス電圧のタイミングを、算出した遅延時間分変更することにより構造物内に集束音場を形成し、構造物内からの反射波を受信後、再度遅延時間を用いて受信波形を合算・処理することにより検査画像として描画する。ＳＡ法においても、各素子から集束効果を得たい場所までの伝搬時間に基づく受信波の波形処理をすることによりＰＡ法と同様の超音波の集束効果を得ることが可能である。どちらも、異方性材中の素子と焦点間の伝搬距離および音速から伝搬時間を算出することが重要であり、本実施例では簡単のため、ＰＡ法の場合について記載する。【００２１】
遅延時間パターン群の作成にあたっては、構造物の結晶成長角を複数θi（ｉ＝１…、ｎ、…Ｎ）と想定し、アレイセンサを構成する各素子に与える遅延時間パターンをＮ通り作成する。遅延時間の与え方についての具体的な方法は後述する。【００２２】
データベース９は、結晶成長方向に依存する音速を計算するための、構造物の材料の結晶状態の空間群、密度、スティフネス定数などが含まれている。データベース９に格納されているデータは、他に、部品の形状や寸法などのデータなどを格納しても良く、適宜に各種データを格納可能である。データベース９は、例えば、ハードディスク装置、メモリなどのデータ記憶装置であり、入出力インターフェイスと接続されており、他手段などによって読み書き可能であって良い。【００２３】
想定結晶成長角毎の波形強度算出部１１は、想定結晶成長角毎に作成された遅延時間パターン群に基づき送受信して得た複数の受信波形データを処理し、複数の受信波形データ中、特定の構造物中の反射源からのエコーの波高値Ｗを抽出・評価する機能を有する。【００２４】
結晶成長角決定部１２は、想定結晶成長角毎の波形強度算出手段によって出力される想定結晶成長角と波高値の関係から、ピークサーチを実施して強い強度を示す反射超音波や反値幅より結晶成長角を決定するものである。【００２５】
以上の結晶成長角を求める超音波を用いた非破壊測定装置１は、測定対象の構造物中の特定の反射源として例えばコーナを選定し、構造物の結晶成長角θcを推定する場合、作成したＮ個の遅延パターン群による集束超音波のうち、実際の結晶成長角に最も近い角度を想定して作成した１個の遅延時間パターンによる集束超音波が一番コーナに強く集束し、結果、強いコーナエコーが得られると考え、コーナエコーの波高値Ｗ（θi）（ｉ＝１…、ｎ、…Ｎ）が最も強くなるθnを探せば、構造物の結晶成長角θcはθnと一致するという原理に基づく。【００２６】
なお、想定結晶成長角毎の波形強度算出部１１による想定結晶成長角毎の波形や、結晶成長角決定部１２よって決定された結晶成長角の情報は、それぞれ図２や図３に示すように、データ出力部を介して外部に視認可能・出力可能に構成すると良い。そして、外部に出力された情報は、例えば、所定のデータベースに記憶、表示装置７（例えば、モニタやプリンタ）に出力してもよいし、この情報を元に再度測定を実施しても良い。【００２７】
一方向凝固材や単結晶材からなる構造物に対して超音波を入射させ、前記構造物内を伝搬する超音波に基づいて、結晶成長方向を測定する場合の超音波を用いた非破壊測定装置の動作フローを図４に示す。【００２８】
Ｓ０００で、構造物上にアレイセンサ３を設置し、結晶成長方向の測定を開始する。【００２９】
Ｓ００１で、入力装置６を用いて、アレイセンサおよび構造物の位置関係から、適切な焦点位置の設定を実施し、Ｓ００２で、想定した結晶成長角θi（ｉ＝１…、ｎ、…Ｎ：Ｎは想定する結晶成長角の個数）毎に遅延時間を算出し、結晶成長角測定用の遅延パターン群を保持する。例えば、検査対象のコーナ部へ超音波を集束させる場合を考えると、設置したアレイセンサ位置からコーナ部まで超音波を入射させる場合には、想定する結晶成長毎に超音波の音速が異なるため、集束超音波を送信する際の遅延時間がそれぞれ変化する。そのため複数の遅延パターン群を、想定した結晶成長角に対する遅延時間パターン群作成部１０にて求める。【００３０】
Ｓ００３で、前述の遅延時間から超音波発生・検出装置５を用いて、アレイセンサを用いて構造物に所定の超音波を入射する。入射された超音波は、超音波が入射された構造物中の特定の反射源で反射され、その反射波は、超音波発生・検出装置５によって検出される。【００３１】
Ｓ００４で、想定した結晶成長角毎に作成した遅延時間により受信した受信波データを必要に応じてメモリやハードディスクなどの記憶媒体に格納し、Ｓ００５で、想定した全ての結晶成長角毎に作成した遅延時間による受信波データ取得が完了したかを判定し、全て完了した場合は、Ｓ００６で、想定した結晶成長角毎に取得した反射波形のうち、特定の反射源に相当するエコーの波高値を想定結晶成長角毎の波形強度算出部１１にて評価する。Ｓ００５で、全て完了していない場合は、Ｓ００３に戻る。【００３２】
Ｓ００７で、Ｓ００６で評価した想定結晶成長角と波形強度の評価結果をもとに、結晶成長角決定部１２はピーク値や半値幅等を算出・出力し、Ｓ００８で、測定を終了する。ここで最も強くなるθnを探せば、構造物の結晶成長角θcが求められる。予め構造物の結晶成長角θcが取り得る範囲が予測されている場合においては、当然Ｓ００２で予測される範囲における遅延時間の設定を実施してもよいし、図３に示す結果の横軸のうち、θi
の変域に制限をかけてピークサーチをしても良い。また、波形強度の評価結果として最も強くなるθnが複数出現し、有意な差が得られなかった場合、図３に示すようにＳ００７で求めた半値幅を参考にし、狭い半値幅であることを条件として結晶成長角θcを決定もよい。それでも有意な差が得られない場合は、結晶性成長角θcの候補となり得た値を列挙すると良い。【００３３】
Ｓ００１で適切な焦点位置を設定するための、想定する構造物中の反射源としては、構造物の底面、コーナ部、角部、Ｒ部などの構造物特有の形状エコーを用いてもよいし、校正用に反射源を付与している場合はそれを用いても良い。また、このような構造物中の反射源に対して、センサ中心から反射源までの位置や角度が厳密に分からない場合、おおよその路程や角度に合わせて焦点を設定すれば良い。センサ中心から反射源までと設定した焦点までの位置関係が少しの誤差であれば、例えば図２に示すような想定結晶成長角毎の波形強度算出部１１により出力される画像を目視確認し、反射源からの強度が全体的に強くなるようにセンサ位置を微調整し結晶成長方向の測定を実施すれば良い。作成した遅延時間により斜め方向の反射源に集束させて波高値を評価する場合、形状の対称性による多重ピークが出現しないので結晶成長角を決定する上で有効である。例えば、作成した遅延時間により超音波をセンサ直下の底面に集束させて底面エコーの波高値を評価する場合、結晶構造による群速度の対称性・センサ位置および平板の対称性から、正しく結晶成長方向を推定した遅延時間以外にも複数の強いエコーが観測されることが予測される。この場合は、先述したように結晶性成長角θcの候補となり得た値を列挙すると良い。【００３４】
Ｓ００６及びＳ００７での処理結果は、Ｓ００９で想定結晶成長毎の波形や、想定結晶成長角−波高値評価グラフや、評価結果情報として、図２や図３に示すように、データ出力部を介して表示装置７に視認可能・出力可能であってよい。【００３５】
本発明における遅延時間作成方法について図５を用いて説明する。例えば均質異方性材の構造物のコーナとセンサ設置位置が大凡把握できていれば、センサ中心と焦点位置を決定することができる。集束超音波を用いた測定を実施するには、異方性材における遅延時間を作成する必要があり、まず、伝搬方向に依存する音速を求めなくてはならない。このため、密度やスティフネス定数などの基本的な物理定数と、構造物中の結晶軸や平均的な結晶成長方向を求めることが必須となる。ここで、材料の密度やスティフネス定数が必要となるが、これらの値は、既知の材料の場合には既存のデータベース９を用いればよいし、既存のデータベースに無い材料である場合、密度であれば体積測定および重量測定で、スティフネス定数であれば、ラウエ法、Ｘ線構造解析、第一原理計算、弾性率測定などを必要に応じて組み合わせて求めるこが出来る。【００３６】
異方性材料中の超音波の音速の理論値を求めるには、ニュートン方程式、フックの法則、歪と変位の関係式を整理した式に、平面調和波を代入することで導かれるクリストッフェル方程式を解けばよい。【００３７】
クリストッフェル方程式は、
（ρω2δim−Ｃiklmｋ2ｋkｋi）ｕm＝０        （式１）
で表される。ここで、Ｃiklmはスティフネス係数であり、対称性から、Ｃiklm＝Ｃkilm＝Ｃikmlが成立する。スティフネス係数は、添え字の組み合わせの対称性を考慮し、６×６の３６個の成分を持つマトリクスを形成するが、結晶の対称性により実質のスティフネス係数の独立個数は減る。また、ρは材料の密度、ｕmは変位、ｋは波数ベクトル（伝搬方向のベクトル）の大きさ、ｋiは単位波数ベクトルの成分、ωは位相速度である。【００３８】
例えば、ニッケル基合金の群速度分布を（式１）から求まる位相速度分布を元に求めると、図６のような分布になる。ニッケル基合金は、単結晶状態では立方晶系に属しており、凝固方向に垂直な面内の構造が特定の軸（ｚ軸とする）を対称中心として４回対称性を有するが、一方向凝固状態ではｚ軸と直交する平面上の結晶方位については柱状晶がランダムに配向しているため、近似的に六方晶系に属する。このため、同じニッケル基合金でも、単結晶材と一方向凝固材では音速分布が異なることが分かる。また、均質な異方性材における群速度の伝搬方向依存性は、結晶成長角と伝搬方向の成す角度として１８０度周期となるため、音速分布は１８０度の範囲で示した。【００３９】
簡単のため、均質の異方性を有する構造物のセンサ設置面が平たく、アレイセンサを傾けて保持するシューが無い状況下における、想定結晶成長角毎の遅延時間の作成方法を例にとって以下に示す。まず、結晶成長方向に対する超音波伝搬方向の位相速度から群速度を計算し、データベースに保持しておく。次に、アレイセンサを構成する素子の各座標（ｅｌｅ_ｘj、０）（ｊ＝１、…、ｄ、…、Ｄ：Ｄは素子数）と、焦点Ｆの座標（Ｆx、Ｆz）を設定する。設定したある焦点Ｆとある素子ｄを結ぶ直線ｌdと、想定したある結晶成長角θnの成す角｜θn−φd｜を求め、直線ｌdを伝搬する場合の群速度をデータベースから参照し、当該直線上の伝搬時間を求める。ここで、設定した座標は図５に示す通りである。【００４０】
想定結晶成長角１つにつき、アレイセンサを構成する１番目からＤ番目までの各素子から焦点までのＤ個の伝搬時間を算出することにより、１つの伝搬時間パターンが形成され、この１つの伝搬時間パターンを１つの遅延時間パターンに変換する。この操作を、想定結晶成長角Ｎ個全てのケースに対し実施すれば、結晶成長方向測定用の遅延パターン群Ｔn（ｄ）（ｎ＝１〜Ｎ：ｄ＝１〜Ｄ）を求めることができる。【００４１】
上記は、構造物の２次元断面に限って述べてきたが、図７に示したマトリクスアレイセンサ１３を用いた３次元的な超音波ビーム走査や、リニアアレイセンサの超音波ビーム走査に機械的回転走査装置１４を加えて実施することにより、３次元的な結晶成長角も一意に決定できる。【００４２】
上記の実施例に係る構造物情報計測装置および方法によれば、超音波発生・検出装置によって、構造物中の形状エコーを縦波あるいは横波の超音波を発生させて、想定結晶成長角と特定の反射源からの波高値の関係を算出することで、構造物の結晶成長方向を簡便かつ迅速に決定することができる。
【実施例２】
【００４３】
本発明の実施例２における超音波を用いた非破壊測定装置の構成を図８に、超音波を用いた非破壊測定装置による超音波検査のフローを図９に示す。実施例１と同様の部分については説明を省略する。【００４４】
本発明の超音波を用いた非破壊測定装置は、図１の装置により求まった単結晶材又は一方向凝固材の結晶成長方向の結晶成長角情報を用いて、超音波検査に反映する構成となっている。この装置は、例えばセクタスキャンなどの超音波ビームの電子走査を実施するための電子走査用遅延時間作成部２０及び探傷画像構成部２１を有する。この装置を用いた超音波検査では、Ｓ１００で、アレイセンサを構造物に設置し、検査を開始し、Ｓ１０１で、前述のＳ０００〜００９までのステップにより、結晶成長方向の測定を実施し、Ｓ１０２で、結晶成長角の測定結果θcとデータベース９に保持された情報を用いて、例えば、入力装置６の指令内容に基づいて、セクタスキャンなどの超音波ビームの電子走査を実施するための焦点位置の設定を実施し、Ｓ１０３で、セクタスキャン用の遅延時間パターン群を電子走査用遅延時間作成部２０で算出する。図１の装置により求まった単結晶材又は一方向凝固材の結晶成長方向の結晶成長角情報として複数候補がある場合においては、候補となる結晶成長角において、Ｓ１０２からＳ１０６を実施して、候補となった複数の結晶成長角に対応した複数の検査画像を出力をすればよい。【００４５】
Ｓ１０４で、前述の遅延時間を用いて超音波発生・検出装置５よりアレイセンサに制御信号を送信して測定構造物に所定の超音波を入射する。入射された超音波は、超音波が入射された構造物中の特定の反射源で反射され、その反射波は、超音波発生・検出装置５によって検出される。探傷画像構成部２１ではＳ１０５で、受信波形を処理し、Ｓ１０６で、セクタスキャン画像などの検査画像を表示装置へ出力し、Ｓ１０７で、終了する。【００４６】
セクタスキャンを例とした遅延時間の作成方法を、実施例１で述べた時と同じく、簡単のため、均質の異方性を有する構造物のセンサ設置面が平たくアレイセンサを傾けて保持するシューが無い場合について図１０に示す。まず、構造物中を伝搬する超音波の群速度の伝搬方向依存性を計算し、データベースに保持しておく。次に、アレイセンサを構成する素子の各座標（ｅｌｅ_ｘd、０）（ｄ＝１、…、ｄ、…、Ｄ：Ｄは素子数）と、焦点Ｆf（ｆ＝１、…、ｆ、…Ｆ：Ｆは設定する全焦点数）の座標（Ｆfx、Ｆfz）を設定する。設定したある焦点Ｆfとある素子ｄを結ぶ直線ｌfdと、求めた結晶成長角θcの成す角｜θc−φd｜を求め、直線ｌfdを伝搬する場合の群速度をデータベースから参照し、当該直線上の伝搬時間を求める。ここで、設定した座標は図５に示すものと同じである。この操作を、設定した全Ｆ個の焦点に対し、各素子からの伝搬時間の算出を実施し、Ｆ通りの伝搬時間パターンからＦ通りの遅延時間パターンＴF（ｄ）（Ｆ＝１〜Ｆ：ｄ＝１〜Ｄ）を求めセクタスキャン用の遅延時間パターン群とすると良い。この処理は電子走査用遅延時間作成部２０にて実施される。【００４７】
Ｓ１０５、Ｓ１０６で、セクタスキャン画像を再構成するときに、セクタスキャンの屈折角毎に、前記求めた結晶成長角を加味して屈折角に相当する音速を用いて路程を調整し画像を再構成すると、歪の少ない精度高い検査画像を得られる。これら結果は探傷画像構成部２１によって再構築され表示装置７に表示される。【００４８】
また、構造物の結晶成長方向測定時に、反射源と焦点の位置が想定したものよりも少し異なっていても、結晶成長方向の情報を利用した超音波測定により、検査画像を出力後、再度反射源の位置を決定し、決定した反射源の位置情報を用いて再度Ｓ００１〜Ｓ００９を実施するというフローを構築することにより、精度が向上することが見込まれる。本実施例によれば、結晶成長方向の情報を反映した、高精度の検査画像を出力できる。
【実施例３】
【００４９】
本発明の実施例３における超音波を用いた非破壊測定装置を図１１に、他の装置構成を図１２に示す。また、実施例３における超音波を用いた非破壊測定装置による厚さ測定のフローを図１３に示す。実施例１と同様の部分については説明を省略する。【００５０】
超音波を用いた非破壊測定装置は、図１の単結晶材又は一方向凝固材の結晶成長方向の結晶成長角の測定結果を、超音波を用いた非破壊測定装置に設けられた距離測定用遅延時間作成部３０及び距離測定部３１（図１１）あるいはこれらが外部（図１２）の距離測定装置３２に設けられた距離測定用遅延時間作成部３０及び距離測定部３１に反映させる構成となっている。この装置を用いた構造物の距離測定においては、Ｓ２００で、アレイセンサを構造物に設置し、厚さ測定を開始し、Ｓ２０１で、前述のＳ０００〜００９までのステップにより、結晶成長角の測定を実施し、Ｓ２０２で、結晶成長角の測定結果θcを用いて、厚さ測定方向に伝搬する超音波の群速度を求め、Ｓ２０３で、超音波発生・検出装置５によりアレイセンサに所定の超音波を入射する。入射された超音波は、超音波が入射された構造物中の特定の反射源で反射され、その反射波は、超音波発生・検出装置５によって検出される。また、距離測定装置３２を外部構成とした場合には、外部に設けられた超音波センサ３３に所定の超音波を入射する。入射された超音波は、超音波が入射された構造物中の特定の反射源で反射され、その反射波は、距離測定装置３２によって検出される。【００５１】
Ｓ２０４で、受信波形を処理し、Ｓ２０５で、多重エコー情報などから、厚さ方向の伝搬時間間隔を算出し、Ｓ２０６で、Ｓ２０５で算出した厚さ方向の伝搬時間間隔情報と、Ｓ２０２で算出した群速度情報から、距離測定部３１では構造物の厚さを算出し、Ｓ２０７で、終了する。【００５２】
上記の実施例によれば、想定結晶成長角と特定の反射源からの波高値の関係を算出することで、構造物の結晶成長方向を求め、この結晶成長方向の情報を用いて、単結晶材や一成長凝固材からなる部品の厚さ測定においても精度良く構造物の厚さを測定できる。
【符号の説明】
【００５３】
１…非破壊測定装置
２…素子
３…アレイセンサ
４…構造物
５…超音波発生・検出装置
６…入力装置
７…表示装置
８…処理装置
９…データベース
１０…想定した結晶成長角に対する遅延時間パターン群作成部
１１…想定結晶成長角毎の波形強度算出部
１２…結晶成長角決定部
１３…マトリクスアレイセンサ
１４…機械的回転走査装置
２０…電子走査用遅延時間作成部
２１…探傷画像構成部
３０…距離測定用遅延時間作成部
３１…距離測定部
３２…距離測定装置
３３…超音波センサ
【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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【国際調査報告】
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