(57)【要約】      （修正有）【課題】散乱ノイズが大きい被検体の超音波探傷方法を提供する。【解決手段】超音波探触子から超音波ビームを送信する際、超音波探触子と被検体とを局部水浸法で音響結合し、矩形状の超音波ビームの場合は長辺方向に前記超音波探触子を走査し、楕円形状の超音波ビームの場合は長軸方向に前記超音波探触子を走査し、ラインフォーカス型超音波ビームの場合は長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出する。【選択図】図１
2005233874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
散乱減衰の大きい被検体に超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
矩形状の超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信する超音波探触子を用い、
前記矩形状の超音波ビームの長辺方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の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】
散乱減衰の大きい被検体に超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
楕円形状の超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信する超音波探触子を用い、
前記楕円形状の超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の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３】
散乱減衰の大きい被検体に超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
ラインフォーカス型超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信する超音波探触子を用い、
前記ラインフォーカス型超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の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４】
超音波探触子と被検体とを局部水浸法で音響結合したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか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、超音波探傷法に関し、特に、散乱ノイズが大きい、例えばスラブのような被検体の内部疵検出に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶粒が大きい被検体に対して超音波を用いて非破壊検査を行うと、超音波が結晶粒によって散乱し、欠陥からの反射波が散乱ノイズに含まれるため、欠陥の検出精度が低下する。
【０００３】
非特許文献１はこのような場合であっても精度良く欠陥検出を行う欠陥検出方法に関し、散乱減衰が超音波の周波数依存性を持つことを利用し、パルス幅の狭い広帯域探触子または周波数の低い探触子を用いる方法を提案している。
【０００４】
散乱減衰は超音波周波数が低周波ほど発生しにくいので広帯域な超音波を送信し、欠陥で反射されて戻ってくる低周波数成分だけをピックアップしたり、低周波の超音波を送受信することで散乱減衰を抑えＳ／Ｎ比良く欠陥を計測することができる。
【０００５】
しかし、低周波を用いると超音波ビームは拡散し、欠陥からの反射が弱くなる。非特許文献２は連続鋳造鋳片の内部欠陥検出をするため周波数１ＭＨｚの超音波を幅３０ｍｍ＊長さ４０ｍｍの面積が大きな探触子を用いて発信することを提案している。
【０００６】
非特許文献３は球面振動子または音響レンズを用いて被検体中のある距離に焦点を結ばせて、焦点近傍にて超音波ビーム幅を狭める手法を提案しているが、厚みのある被検体の内部探傷にはフォーカス効果を得るため大きなサイズの振動子が必要となる。
【０００７】
非特許文献４には、超音波ビームを被検体中のある距離に焦点を結ばせて散乱減衰の大きいスラブの内部欠陥を大きなサイズの探触子を局部水浸法を用いて検出する方法が記載されている。
【非特許文献１】新非破壊検査便覧Ｐ２８５〜Ｐ２８６
【非特許文献２】新日鉄  オンライン超音波探傷装置による連続鋳片の内部欠陥検出法の開発  鉄と鋼８０−Ｓ８８４６
【非特許文献３】超音波探傷試験２  日本非破壊検査協会  Ｐ３８
【非特許文献４】Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｔｈｏｍａ等著「Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  ｔｅｓｔｉｎｇ  ｏｆ  ｓｅｍｉ−ｆｉｎｉｓｈｅｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ」Ｍｅａｎｓ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｔｅｃｈ  Ｒｏｌｌ  １９８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の技術は、探触子の面積を大きくし、低周波の超音波を送受信する方法であるが、実施するにあたり、以下のような問題があった。
１  結晶粒が粗大な被験体で、サイズが大型や形状が長尺である場合には、内部探傷を行うために全没水浸法を適用することは設備制約上難しいことが多い。
２  低周波を用いて散乱減衰の大きい被検体を計測しようとすると口径の大きな振動子が必要となる。局部水浸法で、ノズルの開口面積を大きくすると、浸水部に気泡が混入したり水がたまりにくくなるため、音響結合を安定させるために大量の水が必要となる。図７は局部水浸法５を説明する図で、局部的に水浸部分６を作り、探触子１と被検体７とを音響結合させ超音波の送受信を行い、内部疵７１の検出を行う。
【０００９】
そこで、本発明では、減衰散乱の大きい被検体を局部水浸法を用いて、良好なＳ／Ｎ比で探傷可能とする非破壊検査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】
【００１０】
本発明の課題は以下の手段により達成できる。
【００１１】
１  散乱減衰の大きい被検体に超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
矩形状の超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信する超音波探触子を用い、
前記矩形状の超音波ビームの長辺方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
【００１２】
２  散乱減衰の大きい被検体に超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
楕円形状の超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信する超音波探触子を用い、
前記楕円形状の超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
【００１３】
３  散乱減衰の大きい被検体に超音波探触子から超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信して前記被検体の内部欠陥を検出する超音波探傷方法において、
ラインフォーカス型超音波ビームを送信し、前記被検体内部からの反射波を受信する超音波探触子を用い、
前記ラインフォーカス型超音波ビームの長軸方向に前記超音波探触子を走査して、走査方向上の異なる位置で前記反射波を受信して、前記反射波を受信位置に対応した遅延時間により遅延合成して被検体内部の欠陥を検出することを特徴とする超音波探傷方法。
【００１４】
４  超音波探触子と被検体とを局部水浸法で音響結合したことを特徴とする１ないし３のいずれかに記載の超音波探傷方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、口径の小さい振動子でもＳ／Ｎ比の良い欠陥エコーが得られるので、局部水浸法を用いた場合の装置構成を小規模なものとすることができ、設備負担を小さく、更に音響結合のための水量も少なくて済み運転費を削減することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
[超音波探触子]
局部水浸法において少ない水量で、安定した音響結合が得られるように、ノズルの開口面積を小さくする。そのためには、超音波探触子を小型化する必要があるが、そうすると超音波ビームが拡散しやすくなり、Ｓ／Ｎのよい欠陥信号を得るための信号処理が複雑な方法や装置となる。
【００１７】
そこで、本発明では小型化した超音波探触子で安定した音響結合を実現するため、ノズル開口面積の小型化とビーム拡散によるＳ／Ｎ低下防止を両立できるように１次元方向は拡散するが、残りの１次元方向は拡散しない超音波ビームを送受信できる探触子とした。
【００１８】
具体的には、超音波探触子の形状、または超音波の送信方法を矩形状の超音波ビーム、楕円形状の超音波ビーム、またはラインフォーカス型超音波ビームを発信する形状・方法とする。なお、本発明でラインフォーカス型超音波ビームとは、探触子の形状や音響レンズ等により一方向に集束された超音波ビームである。
【００１９】
超音波探触子の形状を矩形または楕円状とした場合は、短辺または短軸方向に超音波ビームを集束させ、拡散する方向（超音波ビームの長手方向：矩形の長辺方向または楕円形状の長手軸方向）に超音波探触子を走査する。超音波ビームを集束させる方法として探触子の長辺側に曲率をつけたり、音響レンズ、フェーズドアレイを用いても良い。
【００２０】
図３は超音波ビームの収束性に優れた探触子の一つであるラインフォーカス型探触子の一例を説明する模式図で、探触子１は略直方体で底面における長辺１１を上方に湾曲した形状とし、発信される超音波のビームを収束させる。
【００２１】
このような形状の底面から発信される超音波は、長辺１１の曲率に従って一点に収束し、一方、短辺１２側は拡散するのでライン状のビーム形状が得られる。
【００２２】
図５はラインフォーカス型探触子を用いて探傷を行う場合の、探触子１の走査方向を示す上面図で、ラインと水平方向に移動させることにより、広い範囲を検出感度良く探傷することが可能となる。
【００２３】
本発明では必ずしも、ビームの長辺方向とセンサの移動方向を厳密に一致させる必要はなく、ある程度移動方向に対して探触子を角度θだけ傾けることも可能である。
【００２４】
超音波ビームは、被検査体の深さ方向で欠陥の存在する位置において矩形状又は楕円形状をしていればよく、必ずしも矩形の短辺または楕円形の短軸方向に集束させる必要は無いが、上述したラインフォーカス型に集束するとＳＮ比が向上して好ましい。
【００２５】
本発明で使用する超音波ビームは、１次元方向は拡散しないが、他の１次元方向は拡散しやすい。そこで、拡散する１次元方向について、後述する複数位置での受信信号の合成処理を行い、大きい探触子で２次元的に集束させた点集束型ビームを用いた場合と等価の構成を実現し、同等以上のＳ／Ｎの欠陥エコーが得られるようにした。
【００２６】
[合成処理]
本発明は、被検体上の異なる位置で、上述した探触子から超音波ビームを送信し、被検体内部から反射波を受信する。受信位置に応じて反射波の受信信号を遅延させて合成処理する開口合成計算を行い、欠陥エコーのＳ／Ｎ比を向上させる。
【００２７】
この合成処理を行うことによって、散乱減衰の大きい被検体の内部の結晶粒からのランダムな反射に起因するノイズは複数方向の反射波を合成することによって低減させることができる。
【００２８】
なお、欠陥信号は複数方向での反射波の合成時に、受信位置と欠陥深さにあわせた遅延時間を用いて合成することにより、欠陥信号を低減させることはなく、結果として信号のＳ／Ｎ比が向上することになる。  
【００２９】
図１に、本発明に係る超音波探傷法の信号処理を説明する模式図を示す。図１において１は探触子、７１は内部欠陥、Wは走査範囲、ｄは超音波のビーム、Ｆは超音波ビームの焦点距離、４は探触子１で得られる反射波の欠陥検出エコーを遅延する遅延回路、Ｄ１，Ｄ２、Ｄ３・・・Ｄｍ−１、Ｄｍは遅延回路４による遅延時間、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・Ｐｍ−１，Ｐｍは探触子１の走査線上におけるの所定距離ｄｘ毎の位置を示す。
【００３０】
本発明では探触子１が検出範囲Ｗを移動（図中矢印の方向）する間に、所定の間隔（位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３・・・Ｐｍ−１，Ｐｍで所定距離ｄｘ）で探傷を行う。反射波における欠陥エコーは探触子１と内部欠陥７１との距離ｄが伸長するにつれて検出時間（超音波の入射時間から欠陥エコーが検出されるまでの時間）が長くなる。
【００３１】
本発明に係る超音波探傷方法では、まず、探触子１のある地点における欠陥エコーの検出時間を基準時間に定める。次に、所定間隔ｄｘ毎に得られる欠陥エコーの検出時間が前記基準時間と等しくなるように遅延回路４で調整し記憶装置などに保存する。走査が終了した後、探傷装置を制御する計算機のメモリなどの記憶装置に例えばＢスキャンデータとして蓄えられた反射波を加算処理、または加算平均処理して合成する。
【００３２】
図２は、探傷位置Ｐ１における欠陥エコーの検出時間を基準時間とし、探傷位置Ｐ２，Ｐ３における欠陥エコーの検出時間に遅延時間を加算する方法を示す模式図で、ｔ１、ｔ２、ｔ３は欠陥エコーの検出時間を示す。
【００３３】
図２の（ａ）に探傷位置Ｐ１，（ｂ）に探傷位置Ｐ２，（ｃ）に探傷位置Ｐ３における反射波を示す。探傷位置Ｐ２の遅延時間はｔ１−ｔ２、探傷位置Ｐ３の遅延時間はｔ１−ｔ３で求められる。
【００３４】
（ｄ）に探傷位置Ｐ１における反射波と探傷位置Ｐ２，Ｐ３で得られた反射波に遅延時間を加算したものを合成した結果を示す。ノイズ信号が低減してＳ／Ｎ比の良好な欠陥エコーが得られる。
【００３５】
尚、遅延時間は、探傷範囲、探傷範囲における探触子の位置、および超音波の焦点距離を構成要件とする幾何学的関係から求めることが可能である。
【００３６】
例えば、図１の場合、遅延時間は式（１）により求めることができる。
【００３７】
Ｄｎ＝２×│Ｆ−√（Ｘｎ２＋Ｆ２）│／Vｃ                  （１）
但し、Ｄｎ：探傷位置Ｐｎでの遅延時間  Ｘｎ：実行開口幅Ｗの中心位置からの距離
Ｗ：実行開口幅、Ｆ：焦点距離、Ｖｃ：被検体内部の音速とする。
スラブの中心偏析のように、探傷する内部欠陥の深さが予め予測できる場合、焦点距離Ｆを内部欠陥深さとして各探傷位置における遅延時間を求め、加算することによりＳ／Ｎ比に優れた欠陥エコーを求めることが可能となる。
【００３８】
また、開口幅Ｗより広い範囲を探傷する場合、探傷範囲を開口幅Ｗに細分したり、開口幅Ｗの探傷区分を探傷範囲を覆うように平行移動させる。前者の場合、それぞれの区分について上述した信号処理を行う。後者の場合、開口幅Ｗの各探傷位置における欠陥検出信号を平行移動により新たに得られるものに逐次置き換えて上記の信号処理を行う。
【００３９】
以上の説明において、探触子を移動させたが、探触子を固定させ、被検体を移動することも可能である。
【００４０】
[探傷装置]
図４に本発明の超音波探傷方法の具体的構成の一例を模式図で示す。図において１が探触子、２が信号検出回路、２１が任意の周波数の超音波を発信するパルサー、２２が入射された超音波の反射波を受信するレシーバ、２３がＡ／Ｄコンバータ、２４が探傷試験に関するデジタル情報から必要な情報を演算する計算機、２５が探傷装置を操作するための入力インターフェース、２６が探傷試験に関する必要情報を表示する表示部を示す。
【００４１】
パルス繰り返し周波数が任意に変更可能なパルサー２１にて任意の波形を作成して探触子１から被検体内部に超音波を入射する。パルス繰り返し周波数は被検体内部に残響が残ることで計測波形に影響がでないように設定する。
【００４２】
被検体の表面または内部から反射する信号は探触子１で受信されレシーバ２２にてフィルター処理、信号増幅されＡ／Ｄコンバータ２３にてデジタル情報に変換されて計算機２４に取り込まれる。
【００４３】
探触子１はラインフォーカス型探触子で短辺側と平行方向に走査できる走査機構３に取り付けられる。計算機２４からの信号を受けて走査機構３は稼動し、超音波の発信、受信を行いながら被検体を走査し、設定された時間または位置間隔毎に受信された超音波波形を計算機２４に取り込み、Ｂスキャンデータを取得する。
【００４４】
計測されたＢスキャンデータは計算機２４によって、開口幅Ｗｍｍ，焦点距離Ｆｍｍの探触子で計測したのと同様の効果が得られるように伝播時間が補正された後合成される。表示部２６には合成された検出信号などを表示する。入力インターフェース２５に探傷装置を操作するために必要な数値諸元などを入力する。
【実施例１】
【００４５】
本発明に係る超音波探傷法の優れた効果を実施例で説明する。被検体は３ｍｍφの人工欠陥を設けた鋼製の略直方体で、実製造におけるスラブと同様な粗粒からなるミクロ組織を有し、探傷試験に供した。
【００４６】
探触子と被検体は局部水浸法により音響結合を行った。本実施例で用いた振動子は水平投影面積が３０＊１０ｍｍで、高温な被検体の探傷実験に関する報告例による振動子φ４０ｍｍと比較して一回り以上小さい。
【００４７】
探傷試験は開口幅４０ｍｍ，焦点距離１１０ｍｍとし、本発明に係る超音波探傷法に従い、受信した反射波を処理した。
【００４８】
図６に試験結果を示し、（ａ）に信号処理前の受信した反射波、（ｂ）に本発明例を示す。
両者の信号強度はほぼ同じであるが、本発明例ではＳ／Ｎ比が６ｄＢ向上し、３ｍｍφの人工欠陥の検出が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明法における信号処理を説明する模式図。
【図２】本発明法における信号処理の原理を説明する図。
【図３】ラインフォーカス型探触子を説明する図。
【図４】本発明法の具体例の一例を示す模式図。
【図５】ラインフォーカス型探触子の走査方向を説明する図。
【図６】超音波探傷結果を示す図で、（ａ）は比較例、（ｂ）は本発明例を示す。
【図７】局部水浸法を説明する図。
【符号の説明】
【００５０】
１    探触子
２    超音波探傷試験装置
２１  パルサ
２２  レシーバ
２３  Ａ／Ｄコンバータ
２４  計算機
２５  入力インタフェース
２６  表示部
３    走査機構
４    遅延回路
５    局部水浸ノズル
６    音響結合用水流
７    被検体
７１  内部欠陥
【図７】
2005233874.tif 000003
【図１】
2005233874.tif 000004
【図２】
2005233874.tif 000005
【図３】
2005233874.tif 000006
【図４】
2005233874.tif 000007
【図５】
2005233874.tif 000008
【図６】
2005233874.tif 000009