(57)【要約】【課題】水浸法（全没水浸法、局部水浸法、水柱超音波法）を用いて、スラブのように表面が粗い検査材の表層部にある微小欠陥を高いＳ／Ｎで探傷することが可能な超音波探傷方法および装置を提供することを目的とする。【解決手段】圧電型振動子を用い、水を介して、被検査材の探傷を行なう超音波探傷方法において、被検査材に対してクリーピング波を送信し、被検査材に存在する欠陥で反射したクリーピング波を送信位置とは異なる位置で受信する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信用振動子から検査材に超音波を送信し、前記検査材で反射した超音波を受信する受信用振動子と前記送信用振動子との間に音響隔離板を備え、前記受信用振動子で受信した超音波信号から前記検査材の内部欠陥を探傷する超音波計測装置において、
前記超音波信号が前記検査材内部からの欠陥指示であるかどうかを判定する内部欠陥判定手段を備えたことを特徴とする超音波計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波計測装置において、
前記内部欠陥判定手段は、
検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波計測装置において、
前記内部欠陥判定手段は、
検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが、所定の回数以上連続して、その信号の強さが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測装置。
【請求項４】
超音波の送受信間で音響隔離した状態で、検査材で反射した超音波を受信した超音波信号から前記検査材の内部欠陥を探傷する超音波計測方法において、
前記超音波信号が前記検査材内部からの欠陥指示であるかどうかを判定することを特徴とする超音波計測方法。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波探傷方法において、
検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測方法。
【請求項６】
請求項４に記載の超音波探傷方法において、
検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが、所定の回数以上連続して、その信号の強さが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子を用いて、水媒介を介して検査材内部に超音波を送信し、検査材内部にある欠陥等で反射した微小な超音波を計測するための超音波計測装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼製品（棒、板、管など）内部の欠陥探傷には、超音波探傷法が使われおり、代表的な超音波探傷方法として垂直パルスエコー法が一般に良く知られている。この垂直パルスエコー法は一つの超音波探触子と検査材とを油や水で音響結合して、超音波探触子から検査材内部に垂直に超音波を送信して、内部に存在する欠陥等の反射源で反射したエコーを超音波探触子で受信する方法である。
【０００３】
この方法は、検査材の肉厚の中央部は十分に探傷することができるが、表層部については、直接接触法では送信パルス幅、水を介して探傷する方法では検査材表面で反射したエコーの幅（表面エコーの幅）が不感帯（探傷不可能領域）となって、探傷することができない。そこで、以下の方法が提案されている。
【０００４】
（１）非特許文献１に記載の技術
図２は、非特許文献１に記載のいわゆる二振動子垂直探傷方法の構造と検査材の欠陥を探傷した際の伝播経路を示す図である。二振動子垂直探触子は超音波送信用振動子と超音波受信用振動子をコルクなどから成る音響隔離板を挟んで並列に配置して、振動子下部に遅延材（シュー）を設ける。検査材と二振動子垂直探触子の間にはわずかな隙間を設け、その隙間に水を満たすことで検査材と分割型探触子とを音響結合させる。
【０００５】
超音波送信用振動子から送信された超音波は、水を介して検査材内部へ入射し、欠陥で反射して超音波受信用振動子に受信される。送信された超音波が水を介して検査材内部へ入射する際、大部分は検査材表面で反射、散乱する。
【０００６】
検査材の表面で反射、散乱した超音波は超音波送信用振動子と超音波受信用振動子との間にある音響隔離板で遮られ、超音波受信用振動子に直接受信されにくくなる。従って、送信パルス幅、表面エコーの幅によって生じる不感帯が小さくなり、検査材表層部の欠陥探傷性能が高くなる。
【０００７】
しかしながら、二振動子垂直探触子で探傷する際、水ギャップ距離（二振動子垂直探触子と検査材との距離）が増すと水ギャップ内での乱反射が増大し、超音波受信用振動子に受信され信号対ノイズ比が低下するので、水ギャップ距離は約0.5mm程度と極めて小さくする必要がある。このため、検査材表面の凹凸との衝突による故障や、熱間材の探傷ではシューが破損するといった問題がある。
そこで、特許文献１に記載の方法が考えられた。
（２）特許文献１に記載の技術
図３は、特許文献１に記載の技術と欠陥を探傷した際の超音波の伝播経路を示す図である。図３に示した断面図のとおり、二振動子垂直探触子および探触子ホルダーから構成されており、二振動子垂直探触子の超音波送信用振動子と超音波受信用振動子との間にはゴムから成る音響隔離板がある。
【０００８】
さらに、超音波送信用振動子と超音波受信用振動子との間にある音響隔離版と平面の同じにして、同じゴムから成る音響隔離板が二振動子垂直探触子の下部から検査材側に形成されており、その下端部は探触子ホルダーと同じ位置となっている。超音波の送受信を行なう超音波と検査材との音響結合には水を使用し、そのための局部水浸部が探触子に備わっている。
超音波送信用振動子から送信された超音波は、探触子ホルダー内の局部水浸部に給水された水を介して検査材へ入射し、欠陥で反射して超音波受信用振動子で受信される。このとき、送信された超音波は検査材表面で反射し、散乱するが、音響隔離板に遮られることで超音波受信用振動子には受信されにくくなる。よって表面エコーの振幅は小さく、表面エコー幅によって生じる不感帯が小さくなるので、検査材表層部の欠陥探傷性能が高くなる。
【０００９】
この方法であれば、シューと検査材表面との距離を十分に離すことができるので、シューと検査材表面の凹凸との衝突による故障や破損といった問題は解決されている。
【非特許文献１】社団法人  日本鉄鋼協会、鋼板の超音波探傷法、ｐ48、1988
【特許文献１】特開平５−１６４７４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した非特許文献１および特許文献１に開示された従来技術には以下にあげる問題がある。これからは、図４と図５を用いて従来技術の問題について述べる。図４は、従来技術を用いた場合の表面粗さによるノイズの表れ方を説明する図である。また、図５は、様々なノイズによる過検知を説明する図である。
【００１１】
従来技術を用いて欠陥を検出する際には、図４に示したような問題がある。すなわち、検査材の表面の粗さが小さければ、検査材表面での反射波はほとんど受信されないか、小振幅の表面波が受信される程度なので、欠陥検出には影響がない。しかし、検査材表面に大きな凹みがあると、表面エコーの振幅が大きくなり、かつ欠陥を検出するために設定したゲートに表面エコーが近づくことになるので、ゲート内に表面エコーが漏れこみノイズとなるというものである。
【００１２】
また、図５は、超音波を繰り返し送受信し、受信した信号に欠陥を検知するためのゲートを設定し、受信信号を全波整流した後にゲート内の信号振幅の絶対値を算出し、その最大値とあらかじめ設定した閾値を比較して欠陥の有無を判定した結果をプロットした一例であり、横軸は超音波探傷した位置、縦軸は判定結果(欠陥有り、無し)を模式的に示している。図５に示したように、欠陥を検知するために設定したゲート内に電気ノイズや、水浸部の泡など散乱したノイズ、表面エコーが完全に欠陥エコーゲート内に漏れこむことによるノイズなどによって、チャート上に単発的なノイズが表れることがある。そして、超音波計測装置がこれらのノイズを欠陥指示(欠陥有りと判定する)として出力することで、過検出が多くなり、正確に検査材を評価することができないという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、水浸法で検査材の内部の欠陥指示について、内部からの欠陥指示として有効か無効か正確に判定し、欠陥を検出できる超音波計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】
【００１３】
本発明の請求項１に係る発明は、送信用振動子から検査材に超音波を送信し、前記検査材で反射した超音波を受信する受信用振動子と前記送信用振動子との間に音響隔離板を備え、前記受信用振動子で受信した超音波信号から前記検査材の内部欠陥を探傷する超音波計測装置において、前記超音波信号が前記検査材内部からの欠陥指示であるかどうかを判定する内部欠陥判定手段を備えたことを特徴とする超音波計測装置である。
【００１４】
また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の超音波計測装置において、前記内部欠陥判定手段は、検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測装置である。
【００１５】
また本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載の超音波計測装置において、前記内部欠陥判定手段は、検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが、所定の回数以上連続して、その信号の強さが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測装置である。
【００１６】
また本発明の請求項４に係る発明は、超音波の送受信間で音響隔離した状態で、検査材で反射した超音波を受信した超音波信号から前記検査材の内部欠陥を探傷する超音波計測方法において、前記超音波信号が前記検査材内部からの欠陥指示であるかどうかを判定することを特徴とする超音波計測方法である。
【００１７】
また本発明の請求項５に係る発明は、請求項４に記載の超音波探傷方法において、検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測方法である。
【００１８】
さらに本発明の請求項６に係る発明は、請求項４に記載の超音波探傷方法において、
検査材内部からのエコーを検出するための第一のゲートと、検査材表面からの反射波を検出するための第二のゲートとを設定し、第二のゲートで検出されたエコーの強さが所定の値より小さい時は、第一のゲートで検出した内部エコーが、所定の回数以上連続して、その信号の強さが所定の値以上となる場合に欠陥と判定することを特徴とする超音波計測方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、複数のゲート範囲とそこで用いる閾値を設定し、それらを用いた内部欠陥判定を行うようにしているので、検査材の内部の欠陥指示について、内部からの欠陥指示として有効か無効か正確に判定し、欠陥を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明を具体的に説明してゆく。図１は、本発明に係わる超音波計測装置の概要を示す図である。図１中、１は検査材、2は欠陥等の反射源、３は水浸部、４は超音波送信用圧電型振動子、５は超音波受信用圧電型振動子、６は音響隔離板、７はパルス送信手段、８は受信信号増幅手段、９は受信信号記憶手段、１０は内部欠陥判定手段、１１は欠陥指示表示手段である。
【００２１】
本発明では、超音波の音響結合方法として、いわゆる水浸法としている。ここでいう水浸法は、全没水浸法、局部水浸法、水柱水浸法、部分水浸法、および噴流水浸法のいずれでもかまわない。
【００２２】
パルス送信手段７は、超音波送信用圧電型振動子４を駆動するための電気パルスを毎秒数１００発〜数１０００発程度発する(周波数にして、数１００Ｈｚ〜数ＫＨｚ程度)。このパルス送信手段７により超音波送信用圧電型振動子４を駆動し、超音波が送信され水浸部３を介して検査材１の内部に入射され、検査材内部にある欠陥等の反射源２で反射した超音波が、超音波受信用圧電型振動子５で受信される。
【００２３】
受信信号増幅手段８は、超音波受信用圧電型振動子５によって超音波から電気信号に変換された超音波受信信号を増幅する広帯域増幅器である。受信信号増幅手段８で増幅された信号は、これ以降は、図中には示されていないＡ／Ｄ変換器によってデジタル化することで、PCやDSPなどを用いてソフトウェア的に実現している。受信信号記憶手段９は、パルス送信手段７からの送信パルスに対応した受信信号を記憶するもので、これは一発づつでも複数の信号を記憶していっても良い。
【００２４】
内部欠陥判定手段１０は、欠陥指示が検査材内部からの欠陥指示であるかどうかを判定する手段である。内部欠陥判定手段１０では、例えば以下にあげる判定方法が有効である。
（１）表面エコー監視による内部欠陥判定方法
図６は、表面エコー監視による内部欠陥判定方法を説明する図である。検査材表面に大きな凹みがある場合、振幅の大きな表面エコーが受信される。この表面エコーの振幅は凹みが深いほど大きくなる。そこで表面エコーの大きさを監視し、表面エコーの大きさがあらかじめ設定した閾値以下であればその波形を探傷の評価に使い、閾値以上であれば異常値として評価には使わないとするものである。
【００２５】
図７は、表面エコー監視による内部欠陥判定方法の処理フローの一例を示す図である。まず、探傷範囲 Ｗ、センサー移動ピッチ dx、第一のゲート範囲、第二のゲート範囲、第一のゲートの閾値 Th1、第二のゲートの閾値 Th2、探傷開始位置 xを探傷条件として設定する。
【００２６】
第一のゲートは、検査材内部に欠陥が有るか無いかの欠陥指示を判定するためのゲートであり、第一のゲートの閾値は第一のゲート内の最大信号振幅値から欠陥指示か否かを判定するための閾値である。また、第二のゲートは、表面エコーを監視するためのゲートであり、第二のゲートの閾値は第二のゲート内の最大信号振幅値から欠陥指示判定に使用できるかどうかを判定するための閾値である。通常は、表面からエコーが検査材内部からのエコーより伝播距離が短いため、第二のゲートは第一のゲートより時間軸上では早いタイミングに設定される。
【００２７】
つぎに信号波形を取り込み、全波整流を施したのち、第一のゲート範囲における最大値 Max1 および 第二のゲート範囲における最大値 Max2を計算する。
【００２８】
そして、Max2 ＞ Th2であれば、 Max1 = 0とする(欠陥信号を無効とする)。また、 Max1＞Th1のときは、Out(x)=True(欠陥有り)とし、Max1＜＝Th1であれば、Out(x)=False(欠陥無し)とする。信号取り込みから欠陥判定までの処理を、センサーをdxごとに移動(走査)しながら設定した探傷範囲となるまで繰り返し行い、探傷が完了したら結果出力Out(x)を出力する。なお、結果出力Out(x)は、例えば、Trueの時は値を１、Falseの時は値を０とすればよい。
また、図７に示したフローチャートではセンサーの移動毎に欠陥判定を行なっているが、信号波形や各ゲートの最大値を計算機のメモリ上などによい。記憶蓄積してからバッチ処理を行なってもよい。
【００２９】
（２）連続欠陥指示と（１）の方法とを組み合わせた内部欠陥判定方法
この内部欠陥判定方法は、電気ノイズや水浸部に入り込んだ気泡による散乱ノイズ、（１）の信号処理で除去しきれなかった表面エコーノイズなどを取り除く為に、検査材中での超音波ビーム幅に相当する連続した欠陥指示のみを抽出する手法である。図８は、連続欠陥指示と（１）の方法とを組み合わせた内部欠陥判定方法の処理フローの一例を示す図である。
まず、探傷範囲 Ｗ、センサー移動ピッチ dx、第一のゲート範囲、第二のゲート範囲、第一のゲートの閾値 Th1、第二のゲートの閾値 Th2、第三の閾値 Th3、探傷開始位置 xを探傷条件として設定し、欠陥指示の連続数をカウントするための変数Ｃをリセットしておく。第三の閾値 Th3 は欠陥指示の連続回数を監視して欠陥かノイズかを判定するための閾値である。
【００３０】
つぎに信号波形を取り込み、全波整流を施したのち、欠陥指示を判定するための第一のゲート範囲における最大値 Max1 および表面エコーを監視するための第二のゲート範囲における最大値 Max2を計算する。
【００３１】
そして、Max2 ＞ Th2であれば、 Max1 = 0(欠陥信号を無効とする)とする。そして Max1＞Th1のときカウンターＣを+1(インクリメント)とする。Ｃがあらかじめ設定した第三の閾値Th3以上であれば、欠陥が出始めた位置に欠陥指示(欠陥有りの判定)を出力する。Max1＞Th1を満たなさない場合は、カウンターするための変数Ｃをリセットし、欠陥指示Out(x)=False(欠陥無し)とする。
以上の信号取り込みから欠陥判定までの処理を、センサーをdxごとに移動しながら設定した探傷範囲となるまで繰り返し行い、探傷が完了したら結果を出力する。
なお、図８のフローチャートではセンサーの移動毎に欠陥判定を行なっているが、信号波形や各ゲートの最大値を計算機のメモリ上などに溜め込んでバッチ処理を行なってもよい。
【００３２】
図９は、本発明を用いて鋼材の探傷をおこなった結果の一例を示す図である。図９（Ａ）は内部欠陥判定方法を用いずに鋼材の探傷位置毎での欠陥探傷結果を示している。図９（Ａ）では欠陥指示は取得した信号波形を全波整流してあらかじめ設定したゲート内の最大値max_fを算出し、判定閾値 Th_fに対してmax_f > Th_f となったときに欠陥指示としてしている。欠陥が存在する箇所以外でも欠陥ありと判定されていることがわかる。
図９（Ｂ）は（１）表面エコー監視による内部欠陥判定方法を用いて探傷した結果である。表面エコーを監視することで、図９（Ａ）よりも過検出少なく探傷することができている。
【００３３】
図９（Ｃ）は（２）（１）の手段と連続欠陥指示を組み合わせた内部欠陥判定手段を用いて探傷した結果である。ノイズを除去して欠陥がある位置で欠陥指示を出力できている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係わる超音波計測装置の概要を示す図である。
【図２】非特許文献１に記載の探傷方法を説明する図である。
【図３】特許文献１に記載の探傷方法を説明する図である。
【図４】表面粗さによるノイズの表れ方を説明する図である。
【図５】様々なノイズによる過検知を説明する図である。
【図６】表面エコー監視による内部欠陥判定方法を説明する図である。
【図７】表面エコー監視による内部欠陥判定方法の処理フローの一例を示す図である。
【図８】連続欠陥指示と（１）の方法とを組み合わせた内部欠陥判定方法の処理フローの一例を示す図である。
【図９】本発明を用いて鋼材の探傷をおこなった結果の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      検査材
２      欠陥などの反射源
３      水浸部
４      超音波送信用圧電型振動子
５      超音波受信用圧電型振動子
６      音響隔離版
７      パルス送信手段
８      受信信号増幅手段
９      受信信号記憶手段
１０    内部欠陥判定手段
１１    欠陥指示表示手段
【図１】
2008215828.tif 000003
【図２】
2008215828.tif 000004
【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】
2008215828.tif 000009
【図８】
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【図９】
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