(57)【要約】【課題】鋼板溶接部等の欠陥の超音波探傷において、３次元形状欠陥や探傷面に傾きを有する面状欠陥により生ずる、３次元的に広範囲に散乱するエコーを取得する。【解決手段】タンデムマルチアレイ探傷装置２０を、送受信探触子Ｐ１〜Ｐ１５が行列状に配置されたマルチタンデムマルチアレイ探触子１０を備えて構成し、鋼板溶接部等の欠陥を検出するために、探触子Ｐ１〜Ｐ１５は、少なくとも異なる行および異なる列に配置された他の探触子から送信された超音波を受信することとした。【選択図】      図１
2005009928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板上面に複数個の超音波探触子を平面的に配置し、各前記超音波探触子から前記鋼板内に超音波を送信し、前記鋼板内の欠陥で反射した超音波である反射信号を他の前記超音波探触子により受信して、前記欠陥を検出するタンデムマルチアレイ探傷装置において、
複数の前記超音波探触子は行列状に配置され、
前記欠陥を検出するために、各前記超音波探触子は、少なくとも該超音波探触子と異なる行および異なる列に配置された他の前記超音波探触子から送信された超音波を受信することを特徴とする超音波タンデムマルチアレイ探傷装置。
【請求項２】
超音波の送信を行う前記超音波探触子を順次切り替えて、前記反射信号を繰り返し受信する撮像手段と、
前記受信した反射信号に基づいて画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波タンデムマルチアレイ探傷装置。
【請求項３】
前記画像生成手段は、前記受信した反射信号に基づく開口合成処理により３次元画像を生成することを特徴とする請求項２に記載の超音波タンデムマルチアレイ探傷装置。
【請求項４】
前記画像生成手段は、
送信超音波探触子から前記鋼板内の欠陥に直接至り、該欠陥から受信超音波探触子に直接戻る経路を伝搬した第１の反射信号、
送信超音波探触子から前記鋼板底面で一度反射されて前記鋼板内の欠陥に至り、該欠陥から受信超音波探触子に直接戻る経路を伝搬した第２の反射信号、
送信超音波探触子から前記鋼板内の欠陥に直接至り、該欠陥から前記鋼板底面で一度反射されて受信超音波探触子に戻る経路を伝搬した第３の反射信号、
送信超音波探触子から前記鋼板底面で一度反射されて前記鋼板内の欠陥に至り、該欠陥から前記鋼板底面で一度反射されて受信超音波探触子に戻る経路を伝搬した第４の反射信号の少なくとも１つの反射信号に基づき画像を生成することを特徴とする請求項２または３に記載の超音波タンデムマルチアレイ探傷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波探傷装置に関し、特に、鋼板の溶接部に存在する欠陥の位置や大きさ等を特定することが可能な超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼構造物の溶接継手部には、各種の欠陥が発生する可能性がある。溶接欠陥は応力集中源となり、溶接継手部の疲労強度低下をもたらす恐れがある。したがって、溶接継手部の品質管理の面では、どのような形状の、またどの程度の大きさの溶接欠陥が含まれているかを非破壊的に検出することが重要となる。
従来から、鋼溶接部の内部欠陥を検出して評価する主要な非破壊検査試験方法として、放射線透過試験や超音波探傷試験が用いられてきた。放射線透過試験は、試験実施者に対する安全性を配慮する必要があり、また試験結果の表示に時間がかかるなどの問題点があった。
一方で超音波探傷試験は、試験結果を即時に表示をすることができ、欠陥が検知された際に即座に対処できる可能性があるなど、効率よく試験を行うことが可能となる利点を有する。そのため、溶接欠陥や疲労亀裂の検知を行う各種の非破壊検査方法では、超音波探傷試験が広く用いられている。
【０００３】
超音波探傷試験は、鋼板表面に配置した超音波探触子から溶接部分に向けて超音波を発信し、溶接部内の欠陥から反射されたエコーをその探触子又は他の受信探触子により受信し、探触子の位置情報とそのエコーに基づいて欠陥情報を取得する試験方法である。超音波探傷試験の方法には、超音波の送受信を１つの探触子で行い、この探触子を溶接線方向及び直角方向に走査する一探触子法や、探傷面１０４に垂直な面内に存在する欠陥を検出するために、超音波の送信及び受信を別個の斜角探触子Ｐｔ及びＰｒで行い、一探触子法では取得できないエコーを取得するタンデム探傷法も使用されている（図２４）。
特許文献１には、送受信切替可能な斜角探触子を溶接方向に直角に複数配列したタンデムアレイ超音波探傷装置が開示されている。図２５は、特許文献１に開示されるタンデムアレイ超音波探傷装置の概略構成図である。タンデムアレイ超音波探傷装置３００は、２枚の鋼板１０１及び１０２を接続する溶接部１０３を検査するために、溶接線と直角方向に複数の超音波探触子を並べたアレイ探触子３０１を備える。そしてアレイ探触子３０１を構成する各超音波探触子を順次切り替えて送信探触子とし、全ての探触子においてエコー信号を受信して、溶接部１０３内の欠陥の位置や大きさ等を検出する。このように探触子をアレイ状に並べて複数配置してこれら全ての探触子で受信することにより、指向性の強いエコー信号について、一探触子法やタンデム探傷法に比べてより確実に受信することが可能となり、また溶接線と直角方向の走査を不要とする。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４０８２号公報（段落〔００１２〕−〔００４６〕）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、溶接欠陥には融合不良や割れといった面状欠陥のほか、球状又はほぼ球状の空洞（ブローホール）のような３次元的な体積を有する欠陥がある。このような３次元形状を有する欠陥や、又は探傷面に斜めの角度をもって存在する面状欠陥で反射する散乱波は３次元的に広範囲に散乱する。したがって、このような形状の欠陥の探傷に従来の探傷法を適用すると、３次元に散乱する反射散乱波を受信できず、その形状を検出することは困難であった。
【０００６】
また、構造物の保守や寿命の推定のための理論として破壊力学を用いることが有効であるが、この場合には欠陥の位置や、大きさ、形状及び角度などに関する正確な情報が必要となる。したがって、超音波探傷においては欠陥の定量化が要求される。ここに、欠陥の定量化とは、例えば、ａ）欠陥の種類（クラック状、ボイド状又はインクルージョンか等の識別）、ｂ）欠陥の正確な位置、大きさ、形状、角度等に関する情報、また欠陥がクラックであるとすればｃ）きれいに開口したクラックなのか、ある部分は閉じたクラックなのか、ｄ）単一欠陥なのか複数欠陥なのか、複数欠陥であるとすればｅ）どのような分布状態なのかを特定することをいう。
このような欠陥の定量化には、欠陥の様子を表現する画像化を行うことが有効であるが、その位置や形状などを３次元的に表現する画像化を行うためには、所望の精度に対応するステップで溶接線方向に走査することが必要であった。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであって、従来の探傷方法では取得困難であった３次元的に広範囲に散乱するエコーを取得し、さらに取得したデータから欠陥像を３次元画像に精度よく再構成する探傷装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る超音波タンデムマルチアレイ探傷装置では、複数の超音波探触子を行列状に配置して備え、欠陥から反射する散乱エコーを受信する超音波探触子は、少なくとも異なる行および異なる列に配置された他の超音波探触子から送信された超音波をも受信して、検査体内の欠陥検出に利用することとする。
【０００９】
以下、図１を参照して本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の動作原理を説明する。本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置は、複数の超音波探触子をｍ行×ｎ列の２次元行列に配置して構成されるタンデムマルチアレイ探触子１０を備える。
例えば、図１に示すタンデムマルチアレイ探触子では、５行×３列の行列状に構成され、超音波探触子Ｐ１〜Ｐ１５を備える。超音波探触子としては、様々な種類の探触子を使用することが可能であるが、斜角探触子を使用することが望ましい。
ここに、２枚の鋼板１０１及び１０２を接続する溶接部１０３内の欠陥を検査することを考える。便宜上、本明細書においては溶接線方向をＸ軸、溶接線と直角方向をＹ軸、鉛直方向をＺ軸と呼ぶこととする。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、鋼板１０１上にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置する。いま簡単のため、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向（すなわち探触子Ｐ１〜Ｐ５の並びの方向）はＹ軸と一致し、列方向（探触子Ｐ１、Ｐ６及びＰ１１の並びの方向）はＸ軸と一致していることとする。
【００１１】
図１（ｂ）に示すように、検出すべき溶接部１０３内の欠陥１０５が探傷面１０４に対してＺ軸について斜めの３次元形状欠陥又は面状欠陥であるとする。このとき、送信探触子Ｐ６から溶接部１０３に向けて超音波を送信すると、送信後Ｙ軸方向に進行して欠陥１０５に至った超音波（送信信号）は、欠陥１０５によってＹ軸方向に対して斜めに反射するため、探触子Ｐ６と同じ列に配置される探触子Ｐ６〜Ｐ１０によって反射信号を取得することができない。
【００１２】
本発明によるタンデムマルチアレイ探触子１０によれば、探触子を２次元的に配列して備えるので、図１（ｂ）に示すように送信探触子（探触子Ｐ６）と異なる行に配置される探触子（図１（ｂ）の例では探触子Ｐ１２）により、欠陥１０５により斜めに反射する反射信号を取得することが可能となる。このように、３次元形状を有する欠陥や探傷面に斜めの角度をもって存在する面状欠陥により生じる３次元的に広範囲に散乱するエコーを取得することを可能とし、従来検出することができなかった上記形状を有する欠陥の見逃し防止を可能とする。
【００１３】
また、探触子を２次元的に配列して備えることにより、図１（ｃ）に示すように、適切な指向性を有する送信信号１０６を、送信信号１０６の中心軸からＸ軸方向にずれた欠陥１０５に送信し、その反射信号を送信探触子Ｐ６と異なる行に配置される探触子Ｐ１２により受信して、探傷面１０４上の任意のＸ座標位置の欠陥を連続して検知することが可能となる。
これにより、探触子をＸ軸方向に走査することなく欠陥の立体的形状を検出することが可能となる。したがって、従来の探傷方法でＸ軸方向の検出精度を規定していた走査ステップ幅とは関係なく、Ｘ軸方向の任意の位置において欠陥有無の検出が可能となる。これにより３次元形状を有する欠陥位置、形状および大きさ等を高精度で検出および画像化することを可能とし、上述の欠陥の定量的評価の高精度化に寄与する。
【００１４】
さらに、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置は、２次元的に配列された複数の超音波探触子を順次切り替えて送信探触子とし、反射信号を繰り返し受信する撮像手段と、受信した反射信号に基づいて画像を生成する画像生成手段とを備えることとする。
上述のタンデムマルチアレイ探触子１０が取得する反射信号に基づくことにより、高精度な３次元画像の生成が可能となる。
【００１５】
またさらに、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置が備える前記の画像生成手段は、送信超音波探触子から溶接部内の欠陥に直接至り、この欠陥から受信超音波探触子に直接戻る経路を伝搬した第１の反射信号と、送信超音波探触子から鋼板底面で一度反射されて溶接部内の欠陥に至り、この欠陥から受信超音波探触子に直接戻る経路を伝搬した第２の反射信号と、送信超音波探触子から溶接部内の欠陥に直接至り、この欠陥から鋼板底面で一度反射されて受信超音波探触子に戻る経路を伝搬した第３の反射信号と、送信超音波探触子から鋼板底面で一度反射されて前記溶接部内の欠陥に至り、この欠陥から鋼板の底面で一度反射されて受信超音波探触子に戻る経路を伝搬した第４の反射信号の少なくとも１つの反射信号に基づき画像を生成することとした。
このように、複数の伝搬経路を考慮し、対象経路を上記のように選定して限定することにより生成画像の精度を高めることを可能とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図２は、本発明の実施例に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の概略構成図である。
タンデムマルチアレイ探傷装置２０は、図１に示したタンデムマルチアレイ探触子１０と、リモート部１２を有する探傷器１１と、探傷器の制御および結果表示を行うパーソナルコンピュータ等の計算機１３とを備える。タンデムマルチアレイ探触子１０は、検査対象である鋼板１０１上にカップリング剤（例えば水）を介して設置される。
【００１７】
探傷器１１は、タンデムマルチアレイ探触子１０を構成する各探触子Ｐ１〜Ｐ１５を切り替えて送信探触子とする。探傷器１１ではパルス信号を発生させて、リモート部１２を経由してこのパルス信号を送信探触子に送信する。超音波探触子である各探触子Ｐ１〜Ｐ１５は内部に圧電素子を備え、探傷器１１から送信されたパルス信号によりこの圧電素子を振動させて鋼板１０１内に超音波を送信する。
鋼板１０１内に送信された超音波は欠陥などで反射され、この反射された音波の一部が、受信探触子として働く各探触子Ｐ１〜Ｐ１５に受信される。受信された音波は、探触子Ｐ１〜Ｐ１５内の圧電素子により電気信号に変換され、リモート部１２を経由して探傷器１１に受信される。
探傷器１１は、受信した電気信号を増幅しアナログディジタル変換を行い、その結果を計算機１３に送信する。計算機１３は受信信号に基づいて測定結果の表示などを行う。
【００１８】
以下、タンデムマルチアレイ探触子１０によって、３次元形状を有する欠陥により生じる３次元的に散乱する反射信号の取得を行う実験結果を示す。
図３は、実験に使用したタンデムマルチアレイ探触子１０の上面図および側面図である。各探触子は図示する通りに配列されている。実験には、送信信号の周波数が５ＭＨｚであり、屈折角（鋼板１０への入射角）が６５°である斜角探触子を各探触子として使用する。なお、送信信号の周波数および屈折角の選択はこれらに限定されるものではなく、適宜最適な値を採用することとしてよい。
【００１９】
図４は、実験に使用した各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の送信信号である超音波パルス信号の波形図とスペクトル図である。図５（ａ）は、各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の鋼板１０１への入射超音波ビームの広がり特性を説明する図である。図示するように鋼板１０１底面において最高エコーレベルとなる位置を測定により求め、この最高エコーレベルより６ｄＢ低くなる範囲を測定して広がり特性を求めた。その結果、実験に使用した各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の入射ビームの広がりは、ＸＹ方向、ＸＺ方向ともに約８．０°であった。
図５（ｂ）は、実験に使用したタンデムマルチアレイ探触子１０の受信特性を説明する図である。図示するとおり、タンデムマルチアレイ探触子１０と別に他の送信探触子１１０を設置し、送信探触子１１０に対してタンデムマルチアレイ探触子１０を傾けながら受信信号のエコーレベルを測定して受信特性を求めた。その結果約３°の傾斜でエコーレベルが５０％に落ち込み、１０°の傾斜で受信レベルはほぼ０％となった。
【００２０】
図６は、試験対象となる試験体を説明する図である。試験体１２１は、図６（ａ）に示すような４００ｍｍ×１５０ｍｍ×１２ｍｍの鋼板に内部欠陥１０５を導入した２枚の鋼板１２１’を製作し、接合面を鏡面仕上げしてから接触媒質（ソニコート）を介して接合して製作した。
図７は、鋼板１２１’に導入した内部欠陥１０５を示す図である。図示するとおり直径６ｍｍの球孔と立方体孔の２種類の内部欠陥を用意した。
【００２１】
上記条件の下で、図７（ａ）に示す球孔の内部欠陥１０５を導入した試験体１２１上に、図８（ａ）に示す位置にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置し、探触子Ｐ６を送信探触子として、送信探触子Ｐ６と異なる列に属する探触子により受信したエコー波形を図９に示す。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）及び（ｈ）は、それぞれ探触子Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ１１、Ｐ１３、Ｐ１４及びＰ１５により受信したエコー波形を示し、エコー波形図の縦軸はエコーレベル（％）を表し、横軸は送信時刻から受信時刻までの時間差に対応する信号の伝搬距離（ｍｍ）を表す。
【００２２】
図示するように、送信探触子Ｐ６と異なる列に属するこれらの探触子によってエコーを受信しており、したがってタンデムマルチアレイ探触子１０は、３次元形状を有する欠陥により生じる３次元的に散乱する反射信号を取得できることが分かる。これら３次元散乱波は、従来の一探触子法、タンデム探傷法および特許文献１に記載の探傷法では見逃していたエコーである。
【００２３】
図１０は、同様の条件下で、図７（ｂ）に示す立方体孔の内部欠陥１０５を導入した試験体１２１上に、図８（ｂ）に示す位置にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置して徐々に傾けながら、送信探触子Ｐ６のエコーを探触子Ｐ３により受信したエコー波形図である。同様にエコー波形図の縦軸はエコーレベル（％）を表し、横軸は送信時刻から受信時刻までの時間差に対応する信号の伝搬距離（ｍｍ）を表す。ここに図１０（ａ）は、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向（すなわち探触子Ｐ１〜Ｐ５の方向）をＹ軸と平行にして試験したときの結果であり、図１０（ｂ）は、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向をＹ軸に対して５°傾斜させて試験したときの結果である。
【００２４】
図１０から分かるとおり、タンデムマルチアレイ探触子１０の行方向をＹ軸と平行にした場合は、送信探触子Ｐ６と異なる列に属する探触子Ｐ３でエコーを取得できなかったが、タンデムマルチアレイ探触子１０を傾けることにより、非常に強いエコーを取得することができた。この結果から、前述のタンデムマルチアレイ探触子１０の受信特性が、３次元散乱エコーの取得に影響していることが考えられる。このように本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０は、タンデムマルチアレイ探触子１０を、その行方向または列方向が溶接線方向に斜めになるように、各探触子Ｐ１〜Ｐ１５を２次元的に配列することとしてもよい。
【００２５】
図１１は、同様の条件下で、図７（ａ）に示す球孔の内部欠陥１０５を導入した試験体１２１上に、図８（ａ）に示す位置にタンデムマルチアレイ探触子１０を配置し、探触子Ｐ６と探触子Ｐ１４の組合せを相互に切り替えて、送信／受信探触子としたときのエコー波形図である。同様にエコー波形図の縦軸はエコーレベル（％）を表し、横軸は送信時刻から受信時刻までの時間差に対応する信号の伝搬距離（ｍｍ）を表す。
ここに、図１１（ａ）は、探触子Ｐ６を送信、探触子Ｐ１４を受信としたときの結果であり、図１１（ｂ）は、探触子Ｐ１４を送信、探触子Ｐ６を受信としたときの結果である。図１１から分かるとおり、探触子Ｐ６による送信信号は探触子Ｐ１４で受信されたが、その反対の探触子Ｐ１４による送信信号は探触子Ｐ６に受信されない。
このとき、タンデムマルチアレイ探触子１０は、探触子Ｐ６の信号入射点が欠陥から２７．５ｍｍとなる位置であったが、これは探触子Ｐ６と欠陥とは直達波によりエコーが伝搬する位置関係であり、探触子Ｐ１４と欠陥とは底面に１回反射してエコーが伝搬する位置関係である。
鋼材中を伝搬する超音波は周波数が高くなるほど伝搬距離に伴う信号減衰が大きくなるため、探触子Ｐ１４による送信信号は探触子Ｐ６に受信されないのは、伝搬による信号減衰が原因と考えられる。したがって、図１１に示す結果から、伝搬距離による減衰は、超音波ビームの全路程よりも送信探触子から反射源となる欠陥までの距離に依存することが推測される。この結果は、次に述べる３次元画像化における経路パターン照査の際に使用することができる。
【００２６】
以下では、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０によって欠陥像を精度よく３次元画像に再構成する方法を説明する。タンデムマルチアレイ探触子１０から得られたデータから欠陥を画像化するために、開口合成の原理を用いる。
【００２７】
開口合成の基本的な原理を図１２および図１３を参照して説明する。図１２に示すように、点１０５に点反射源があるものとする。点ｘｉ（ｉ＝１，２，３，…，Ｍ）の位置で超音波を送受信したときに、超音波探触子から超音波が送信されエコー信号が受信されるまでの試験体内の往復の伝搬経路に対応する伝搬遅延時間をτｉ（ｉ＝１，２，３，…，Ｍ）とする。これらの伝搬遅延時間の中の最大値をτｍａｘとする。
各点ｘｉで得られるエコー信号ｒｉ（ｔ）は、図１３（ａ）のようになる。ここにτｍａｘ＝τＭとすると、各エコー信号ｒｉ（ｔ）をそれぞれ（τｍａｘ−τｉ）だけ遅延させたエコー信号は図１３（ｂ）に示すようになる。この遅延処理により全てのエコー信号が同時刻に揃うので、これら遅延処理後のエコー信号を加算することにより欠陥像を増幅することができる。
【００２８】
本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０による３次元画像構成方法では、画像化を行う領域である再構成領域をあらかじめ定める。図１４（ａ）は、鋼板１０１内に定められる再構成領域１３２を説明する図である。
図示するように再構成領域１３２を鋼板１０１内のボクセルとして定め、ＸＹＺの座標軸を設定する。欠陥１０５が再構成領域１３２内に入らなければ欠陥１０５を画像化することはできないため、再構成領域はできるだけ広い方が望ましいが、３次元画像を構成するための再構成処理は、２次元の場合と比較して処理時間やコストを非常に要するため、再構成領域の位置や大きさは、変更可能なものであることが望ましい。
【００２９】
次に図１４（ｂ）のように再構成領域の始点Ｒ１（ｘｉｎｉ，ｙｉｎｉ，ｚｉｎｉ）を決め、この点を起点に次の式により再構成領域内の各点を決定する。
ｘ（ｉ）＝ｘｉｎｉ＋（ｉ−１）×Δｘ  （ｉ＝１、２、〜、ｎｘ）
ｙ（ｉ）＝ｙｉｎｉ＋（ｉ−１）×Δｙ  （ｉ＝１、２、〜、ｎｙ）
ｚ（ｉ）＝ｚｉｎｉ＋（ｉ−１）×Δｚ  （ｉ＝１、２、〜、ｎｚ）
ここで、Δｘ、ΔｙおよびΔｚは、それぞれＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸におけるメッシュ間隔であり、ｎｘ、ｎｙおよびｎｚは、それぞれＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸における再構成領域のメッシュの分割数である。すなわち、各点（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））は各メッシュの頂点に設定される。本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０は、このように決定した各点（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））について開口合成処理を行い、反射源となる欠陥像を再構成する。
なお、始点Ｒ１（ｘｉｎｉ，ｙｉｎｉ，ｚｉｎｉ）は、鋼板１０１中で任意の位置を取ることができる。これによりＲ１の座標を決めることで再構成領域を決定することとする。
【００３０】
図１５及び図１６は、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０において想定する超音波ビームの伝搬経路の説明図である。超音波エコーは鋼材中を伝搬しながら減衰していく性質がある。したがって強いエコーが受信されたとき、そのエコーは複雑な経路を伝搬したと考えるよりも、そのときの探触子および欠陥等の位置関係から最も生じやすい、すなわち最短の経路を通って受信探触子に戻ってきたと想定するのが妥当である。３次元空間の場合、「最も生じやすい経路パターン」としては、送信探触子Ｐｔから欠陥１０５（再構成領域のある一点）へ至り、欠陥１０５から受信探触子Ｐｒへ反射した経路が同一平面内にある経路が考えられる。
【００３１】
本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０で採用する３次元開口合成では、往路（送信探触子Ｐｔ〜欠陥１０５）および復路（欠陥１０５〜受信探触子Ｐｒ）で各１回まで底面反射をする経路を想定して、図１５及び図１６に示す４パターンの経路パターンを想定した。
【００３２】
超音波が底面で反射する経路では底面では鏡面反射するものと仮定して考える。往路及び復路で各１回まで底面反射する場合も含めて考慮すると、前述の「最も生じやすい経路パターン」として、送信探触子又は送信探触子の映像位置（送信探触子の底面についての面対称位置）のいずれかから欠陥箇所に至り、欠陥箇所から受信探触子又は受信探触子の映像位置（受信探触子の底面についての面対称位置）のいずれかに至る経路が同一平面内にある経路を考えることができる。
【００３３】
図１５（ａ）に示す経路１は、送信探触子Ｐｔから反射源１０５に直接至り、鋼板１０１中の欠陥である反射源１０５から受信探触子Ｐｒに直接戻る経路である。
図１５（ｂ）に示す経路２は、送信探触子Ｐｔから底面で一度反射されて反射源１０５に至り、反射源１０５から受信探触子Ｐｒに直接戻る経路である。
図１６（ａ）に示す経路３は、送信探触子Ｐｔから反射源１０５に直接至り、反射源１０５から底面で一度反射されて受信探触子Ｐｒに戻る経路である。
図１６（ｂ）に示す経路４は、送信探触子Ｐｔから底面で一度反射されて反射源１０５に至り、反射源１０５から底面で一度反射されて受信探触子Ｐｒに戻る経路である。
【００３４】
経路１〜４におけるそれぞれの伝搬距離Ｄ１〜Ｄ４は次式で与えられる。
【数１】
2005009928.tif 000003
ここに、送信探触子Ｐｔの座標をＴ（ｐｔｘ，ｐｔｙ，ｐｔｚ）とし、受信探触子Ｐｒの座標をＲ（ｐｒｘ，ｐｒｙ，ｐｒｚ）とし、鋼板１０１の板厚をＴとし、反射源（再構成領域のある一点）１０５の座標はＲ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））とする。
【００３５】
したがって、探傷によって得られた受信信号波形をｗ（ｔ）とすれば、受信探触子により受信された受信信号のうち、各メッシュ格子点Ｒ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））において反射し、各経路１〜４を伝搬して受信された反射エコー成分の反射レベルｈ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））は、次式で表される。
【数２】
2005009928.tif 000004
【００３６】
次に経路パターンの照査を行う。すなわち、送信ビーム及び受信ビームのビーム幅と広がりを考慮して、経路によってどのように広がるのかを幾何学的に考えてビームの伝搬領域を計算する。そして再構成領域の一点がそのビームの領域に入るか否かを基準にして経路を決定する。図１７及び図１８を参照して、経路パターン照査の方法を説明する。
図１７は、経路１に関する経路パターン照査の説明図である。経路１の伝搬範囲に該当する図の斜線部分に再構成領域の点が入っているときは、そのときの送信探触子、受信探触子および再構成領域の点の位置関係では、経路１を通る可能性があると判断して経路１を選択する。
図１８は、経路２に関する経路パターン照査の説明図である。図１７と同様に、経路２の伝搬範囲に該当する図の斜線領域にも入っているときは、経路２をさらに選択する。同様に経路３、４についても判断する。このように伝搬する可能性がある経路を照査して予め選定し、選定された経路についてのみ反射レベルｈ（（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））の計算を行うことにより、計算量の低減と画像精度の向上を図ることができる。
【００３７】
また、図８（ａ）に関連して説明したように、伝搬距離による減衰は、超音波ビームの全路程よりもむしろ、送信探触子から反射源となる欠陥までの距離により依存することが推測されるため、上記経路照査の際に、送信探触子から再構成領域の一点までの伝搬距離が所定距離以内になければ当該経路を選択しないなどの照査処理を追加して行ってもよい。
【００３８】
図１９に本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０の計算機１３で実行される３次元開口合成方法のフローチャートを示す。
ステップＳ２０１において、各探触子Ｐ１〜Ｐｍｎを順次切り替えて送信探触子とし、全探触子Ｐ１〜Ｐｍｎで反射信号を受信することにより、ｍｎ×ｍｎ個の反射エコーデータを取得する。ここに、ｍはタンデムマルチアレイ探傷装置２０のタンデムマルチアレイ探触子に使用される探触子の行数であり、ｎは同じく列数であるとする。
【００３９】
ステップＳ２０３において、３次元開口合成を所望する再構成領域１３２の始点Ｒ（ｘｉｎｉ，ｙｉｎｉ，ｚｉｎｉ）を入力する。また、ステップＳ２０５において、入力された再構成領域１３２の始点と、所定の再構成領域１３２の範囲およびメッシュ間隔から、再構成領域１３２内の各点Ｒ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））の座標を計算する。
【００４０】
ステップＳ２０７において、タンデムマルチアレイ探触子１０の位置を入力する。また、ステップＳ２０７において、入力されたタンデムマルチアレイ探触子１０の位置情報と、タンデムマルチアレイ探触子１０の所定の各寸法データから各探触子Ｐ１〜Ｐｍｎの座標位置を計算する。
【００４１】
ステップＳ２１１において、Ｓ２０１にて取得したデータのうち１つを選択する。またまた、ステップＳ２１３において、再構成領域１３２内の一点Ｒ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））を選択する。
ステップＳ２１５において、選択されたデータに対応する送受信探触子の座標と、再構成領域内１３２の一点（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ），ｚ（ｉ））の座標の位置関係から、超音波の伝搬経路を前述のとおり設定および照査し、開口合成処理に使用する各経路を選択する。
【００４２】
ステップＳ２１７において、測定された反射エコーデータから前ステップで算出した各経路の伝搬時間分だけ遅らせた時間の振幅値を読み込み、ステップＳ２１９において読み込んだ振幅値を、当該再構成領域１３２内の一点における振幅値データに加算してゆく。ステップＳ２１５で選択した経路が複数あるときは、選択した各経路全てについて伝搬時間分だけ遅らせた時間の振幅値を読み込み、これを振幅値データに加算することとしてよい。
上記ステップＳ２１１〜Ｓ２１９を、再構成領域１３２内の全座標および全測定データについて繰り返すことにより（ステップＳ２２１、Ｓ２２３）、再構成領域１３２内の全座標について、各探触子Ｐ１〜Ｐ１５の受信反射信号が加算されて、開口合成処理が終了する（Ｓ２２５）。
【００４３】
図２０〜図２３に、図７（ａ）に示す球孔φ６の欠陥を、本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置２０により画像化した結果を示す。図２０は再構成に使用した画像化条件を示す（図中の寸法単位はすべてｍｍとする）。また再構成領域は１２ｍｍとし、メッシュ間隔は波長０．５ｍｍの半分以下となる０．２ｍｍである。
図２１と図２２は、画像化結果の斜視図である。図示するように球孔の上側１／４球面に近い３次元形状を再構成することができた。図２３（ａ）は画像化結果を鋼板１０１上面から見たものであり、図２３（ｂ）は同じく側面から見たものである。図において実線は球孔の正しい位置を、点線は画像化結果から推定される球孔の位置を表している。この結果から再構成画像の位置寸法は１ｍｍ程度の誤差範囲内に収まっていることが分かる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置により、３次元形状を有する欠陥や探傷面に斜めの角度をもって存在する面状欠陥により生じる３次元的に広範囲に散乱するエコーを取得することが可能となり、従来検出することができなかった欠陥の見逃し防止を可能とする。
また、３次元形状を有する欠陥位置、形状および大きさ等を高精度で検出および画像化することを可能となり欠陥の定量的評価の高精度化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の斜視図であり、（ｂ）及び（ｃ）はその上面図である。
【図２】本発明の実施例に係るタンデムマルチアレイ探傷装置の概略構成図である。
【図３】タンデムマルチアレイ探触子の上面図および側面図である。
【図４】探触子の超音波パルス信号の波形図とスペクトル図である。
【図５】（ａ）は探触子の入射超音波ビームの広がり特性の説明図であり、（ｂ）は、タンデムマルチアレイ探触子の受信特性を説明する図である。
【図６】試験体の説明図である。
【図７】鋼板に導入した内部欠陥を示す図である。
【図８】タンデムマルチアレイ探触子の設置位置の説明図である。
【図９】球孔の内部欠陥を導入した試験体における受信エコー波形図である。
【図１０】立方体孔の内部欠陥を導入した試験体において探触子を傾けながら受信した際の受信エコー波形図である。
【図１１】球孔の内部欠陥を導入した試験体において送受信探触子を切り替えて受信した際の受信エコー波形図である。
【図１２】開口合成の基本的な原理説明図（その１）である。
【図１３】開口合成の基本的な原理説明図（その２）である。
【図１４】鋼板内に定められる再構成領域の説明図である。
【図１５】想定する超音波ビームの伝搬経路（経路１、経路２）の説明図である。
【図１６】想定する超音波ビームの伝搬経路（経路３、経路４）の説明図である。
【図１７】経路パターンの照査の説明図（経路１）である。
【図１８】経路パターンの照査の説明図（経路２）である。
【図１９】本発明に係るタンデムマルチアレイ探傷装置で実行される３次元開口合成方法のフローチャートである。
【図２０】再構成に使用した画像化条件の説明図である。
【図２１】画像化結果の斜視図（その１）である。
【図２２】画像化結果の斜視図（その２）である。
【図２３】（ａ）は、画像化結果の上面図から見たものであり、（ｂ）は、画像化結果の側面図である。
【図２４】従来のタンデム探傷法の説明図である。
【図２５】特許文献１に開示される従来のタンデムアレイ探傷装置の斜視図である。
【符号の説明】
１０…タンデムマルチアレイ探触子
２０…タンデムマルチアレイ探傷装置
１１…探傷器
１２…リモート部
１３…計算機
１０１…試験体（鋼板）
１０５…欠陥
１３２…再構成領域
Ｐ１〜Ｐ１５、Ｐｒ、Ｐｔ…探触子
【図１】
2005009928.tif 000005
【図２】
2005009928.tif 000006
【図３】
2005009928.tif 000007
【図４】
2005009928.tif 000008
【図５】
2005009928.tif 000009
【図６】
2005009928.tif 000010
【図７】
2005009928.tif 000011
【図８】
2005009928.tif 000012
【図９】
2005009928.tif 000013
【図１０】
2005009928.tif 000014
【図１１】
2005009928.tif 000015
【図１２】
2005009928.tif 000016
【図１３】
2005009928.tif 000017
【図１４】
2005009928.tif 000018
【図１５】
2005009928.tif 000019
【図１６】
2005009928.tif 000020
【図１７】
2005009928.tif 000021
【図１８】
2005009928.tif 000022
【図１９】
2005009928.tif 000023
【図２０】
2005009928.tif 000024
【図２１】
2005009928.tif 000025
【図２２】
2005009928.tif 000026
【図２３】
2005009928.tif 000027
【図２４】
2005009928.tif 000028
【図２５】
2005009928.tif 000029