(57)【要約】【課題】表面傷が発生する試験体表面に探触子が設置できす、表面傷が縦波の波長と同程度または波長以下の大きさで、横波斜角探傷が困難な場所にある試験体を超音波探傷できる超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供するものである。【解決手段】超音波探傷装置は、電気信号を超音波に変換し、試験体の検査対象の側面および該側面と対向する側面と異なる端面から超音波を試験体中に送信し、且つ、試験体中を伝搬した超音波を受信し、超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、超音波探触子を駆動し、且つ、超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備え、試験体中を伝搬した超音波が試験体の検査対象の側面または該側面と対向する側面に入射したときに起こるモード変換により生じた超音波を利用して、モード変換が生じた試験体の側面と対向する側面、または、モード変換が生じた側面自体の性状を検査する。【選択図】図１
2007322366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を超音波に変換し、試験体の検査対象の側面および該側面と対向する側面と異なる端面から超音波を試験体中に送信し、且つ、上記試験体中を伝搬した超音波を受信し、超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、
上記超音波探触子を駆動し、且つ、上記超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、
を備え、
上記試験体中を伝搬した超音波が上記試験体の検査対象の側面または該側面と対向する側面に入射したときに起こるモード変換により生じた超音波を利用して、上記モード変換が生じた試験体の側面と対向する側面、または、上記モード変換が生じた側面自体の性状を検査することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
電気信号を超音波に変換し、試験体の検査対象の側面および該側面と対向する側面と異なる端面から超音波を試験体中に送信する送信用の超音波探触子と、
上記試験体中を伝搬した超音波を受信し、超音波を電気信号に変換する受信用の超音波探触子と、
上記送信用の超音波探触子を駆動し、且つ、上記受信用の超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、
を備え、
上記試験体中を伝搬した超音波が上記試験体の検査対象の側面または該側面と対向する側面に入射したときに起こるモード変換により生じた超音波を利用して、上記モード変換が生じた試験体の側面と対向する側面、または、上記モード変換が生じた側面自体の性状を検査することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】
上記超音波探触子が、縦波斜角探触子であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項４】
上記モード変換によって生じた超音波が、横波であることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
超音波探触子によって試験体の検査対象の側面および該側面と対向する側面と異なる端面から超音波を試験体中に送信するステップと、
上記試験体中を伝搬した超音波が上記試験体の検査対象の側面または該側面と対向する側面に入射したときに起こるモード変換により生じた超音波を利用して、上記モード変換が生じた試験体の側面と対向する側面、または、上記モード変換が生じた側面自体の性状を検査するステップと、
を含むことを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
上記超音波探触子が、縦波斜角探触子であることを特徴とする請求項５に記載の超音波探傷方法。
【請求項７】
上記モード変換によって生じた超音波が、横波であることを特徴とする請求項５に記載の超音波探傷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体の内部を非破壊で検査する超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものである。特に、例えば鉄道車両の車軸やボルトの探傷のように、試験体の表面傷が存在する面とは異なる面に超音波探触子を設置する超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波探傷法として、鋼管の外面に斜角探触子を設置し、外面の他の部分で縦波がモード変換されて横波が発生し、鋼管の内面から発生している表面傷で反射して戻る横波が再度モード変換されて縦波が発生し、斜角探触子で受信する（例えば、特許文献１参照）。
しかし、鉄道車両の車軸では、探傷する表面に超音波探触子を設置することができないので、特許文献１に記載の超音波探傷法を適用することができない。
【０００３】
そこで、試験体としての車軸の軸端部および軸表面に超音波探触子を設置し、超音波探触子から試験体内に超音波を入射し、超音波探触子が設置されていない試験体表面から発生している表面傷で反射して戻る超音波を超音波探触子で受信する。そして、軸端部および軸表面に対して垂直に超音波を入射する垂直探傷または軸端部および軸表面に対して傾いて超音波を入射する斜角探傷を探傷箇所に従って適宜選択している（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５２−１４０３９２号公報
【非特許文献１】（社）日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、初版、日刊工業新聞社、１９９２年１０月１５日、ｐ．１２２３−１２２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、表面傷が超音波の波長と同程度または波長以下の場合、表面傷からのエコーが小さいためＳ／Ｎ比が悪く、結果として表面傷の検出が困難となってしまうという問題がある。
そこで、横波の斜角探傷を適用すれば、縦波よりも波長が短いので小さな表面傷も検出可能となると考えられるが、軸端部から遠く離れた表面から発生する表面傷を軸端部に設置する斜角探触子で探傷しようとするとき、屈折角を小さくする必要がある。この場合には、横波だけでなく縦波も試験体中に放出されるので、縦波による形状エコーが受信されてしまう。すなわち、屈折角の小さな横波斜角探触子では、横波斜角探触子から遠く離れた場所にある表面傷を検出することは難しいという問題がある。
【０００６】
こ発明の目的は、表面傷が発生する試験体表面に探触子が設置できす、表面傷が縦波の波長と同程度または波長以下の大きさで、横波斜角探傷が困難な場所にある試験体を超音波探傷できる超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わる超音波探傷装置は、電気信号を超音波に変換し、試験体の検査対象の側面および該側面と対向する側面と異なる端面から超音波を試験体中に送信し、且つ、上記試験体中を伝搬した超音波を受信し、超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、上記超音波探触子を駆動し、且つ、上記超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備え、上記試験体中を伝搬した超音波が上記試験体の検査対象の側面または該側面と対向する側面に入射したときに起こるモード変換により生じた超音波を利用して、上記モード変換が生じた試験体の側面と対向する側面、または、上記モード変換が生じた側面自体の性状を検査する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係わる超音波探傷装置の効果は、検査対象の側面または該側面と対向する側面と異なる端面から超音波が送信され、その超音波が検査対象の側面または該側面と対向する側面に入射したときに起こるモード変換により生じた超音波を利用して検査対象の側面に性状を検査するので、検査対象の表面と異なる箇所に超音波探触子を設置することができるし、超音波探触子で受信したエコーの大きさが大きくＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。
この発明の実施の形態に係わる超音波探傷装置は、図１に示すように、電気信号を超音波に変換し、その超音波を試験体１中に送信し、且つ、試験体１中を伝搬した超音波を受信してその超音波を電気信号に変換する超音波探触子５と、超音波探触子５を駆動する電気信号を出力し、且つ、超音波探触子５からの電気信号を入力する超音波探傷器６と、を備える。
【００１０】
そして、この実施の形態に係わる超音波探傷装置を用いて超音波探傷する試験体１として、車軸を想定して円柱棒を例にして以下説明する。また、円柱棒の軸を含む断面内を伝搬する超音波だけを取り出して説明する。この円柱棒の２つの側面の一方の側面７では、斜めから縦波が入射され、そこで縦波から横波にモード変換される。また、他方の側面８には、表面傷４が発生している。なお、「表面傷」という呼び方で検出対象物を表現しているが、超音波探傷装置の適用範囲は表面傷４の検出だけに限定するものではなく、試験体１の表面近傍の性状の検査全般を対象としている。
【００１１】
この実施の形態に係わる超音波探触子５は、試験体１に縦波を送信する縦波超音波探触子であり、且つ、試験体１の一方の端面３に対して垂直から所定の角度傾いた屈折角で縦波を入射する斜角探触子である。すなわち、超音波探触子５は、縦波斜角探触子である。以下、超音波探触子５として縦波斜角探触子５とする。
また、超音波探傷器６は、超音波探触子５を励振し、また、超音波探触子５からの電気信号を受信する送受信器である。
【００１２】
次に、この発明の実施の形態に係わる超音波探傷装置の動作について説明する。
超音波探傷器６から励振信号が発生され、縦波斜角探触子５を励振する。縦波斜角探触子５からは、試験体１中に縦波が励振される。なお、横波も励振されるが、その振幅は縦波に比べて小さいものであるので、ここでは無視できるものとする。
【００１３】
試験体１中を伝搬した縦波は、試験体１の側面７に到達する。そして、側面７で縦波がモード変換されて横波が発生する。側面７においてモード変換によって発生した横波は、音速が縦波とは異なるので伝搬方向も異なる方向に伝搬する。図１中では斜め下の方向に伝搬する。その後、試験体１の側面８方向へ伝搬し、表面傷４に入射する。
【００１４】
表面傷４に入射した横波は、反射され、入射と同じ経路を伝搬して縦波斜角探触子５の方向に戻り、エコーとして受信される。すなわち、側面７では、横波から縦波というモード変換が生じる。超音波探傷器６では、このエコーを表面傷４からのエコーとして受信する。このような動作により、表面傷４が存在する側面８とは異なる面、今の場合端面３にしか縦波斜角探触子５を設置できなくても、表面傷４を検出することができる。
【００１５】
次に、側面７におけるモード変換によって生じた横波による探傷が可能かどうか調べるため、２次元弾性波ＦＤＴＤ法により音波シミュレーションを行った結果を説明する。図２には、音場シミュレーションを行ったときの、縦波斜角探触子５と試験体１との相対的な位置関係を示す。縦波斜角探触子５から表面傷４までの距離は、７６．５ｍｍ、試験体１の厚さは、２６．５ｍｍとした。また、表面傷４の大きさは、１．５ｍｍとした。探傷周波数は、５ＭＨｚとし、屈折角は、８度とした。
【００１６】
図３には、音場シミュレーションを行った結果を示す。図３では、縦波斜角探触子５を励振してから２４μｓまで、３μｓごとの音場スナップショットを示している。図３中には、超音波のモード（縦波または横波）および伝搬方向も、合わせて示している。
図３から分かるように、縦波斜角探触子５から発せられた縦波は、試験体１の側面７に到達するとモード変換により横波が発生する。縦波が側面７に沿うように伝搬するので、横波は広範囲に渡って発生する。この横波は、側面８にある表面傷４に入射し、反射される。反射された横波は、逆の伝搬経路を辿って縦波斜角探触子５で受信される。音波シミュレーションにより得られたエコーを図４に示す。試験体１中には種々のモードや伝搬経路が存在するので、ノイズが混じったエコーとなるが、表面傷４からのエコーは明確に識別できる。したがって、この音場シミュレーション結果から、側面７におけるモード変換によって生じた横波で、側面８にある表面傷４の探傷が可能であることが分かった。なお、表面傷４には横波だけでなく、側面８でモード変換された縦波も入射しているように見えるが、ここでは説明を簡単にするため横波が入射するとした。
【００１７】
音場シミュレーション結果の妥当性を確認するため、実験を行った。実験は、縦波斜角探触子５と試験体１との相対的な位置関係を図２と同じにして行った。図５に、実験で得られたエコーを示す。図５に示すように、４４μｓ近傍でエコーが受信されている。図４に示したシミュレーション結果でも、表面傷４からのエコーの受信時間が４４μｓとなっており、実験結果とシミュレーション結果はほぼ一致している。したがって、音場シミュレーション結果の妥当性が確認できた。すなわち、試験体１の側面７におけるモード変換によって生じた横波によるエコーにより、試験体１の側面８にある表面傷４を探傷できることが、実験的にも明らかになった。なお、実験に用いた試験体１は、円筒形の鋼試験体である。
【００１８】
次に、この実施の形態に係わる超音波探傷でのエコーの大きさを従来の超音波探傷でのエコーの大きさと比較した結果を説明する。従来の超音波探傷では、図６に示すように、縦波斜角探触子５から表面傷４までの間でモード変換を伴わずに縦波を伝搬させて表面傷４を探傷する。そして、この従来の超音波探傷での音場シミュレーションを行った。図７に、従来の超音波探傷での音場シミュレーションの結果を示す。図７には、図３と同様に、超音波のモード（縦波または横波）および伝搬方向も合わせて示している。図７に示すように、表面傷４に縦波が入射し、縦波が反射され、縦波斜角探触子５でエコーとして受信される。
【００１９】
図８（ａ）は、実施の形態に係わる超音波探傷で縦波斜角探触子５が受信したエコーを示す。一方、図８（ｂ）は、従来の超音波探傷で縦波斜角探触子が受信したエコーを示す。図８（ａ）は、図４と同じものである。図８（ａ）と図８（ｂ）とでは、縦軸は規格化して示している。図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すると、表面傷４からのエコーの大きさは、この発明の実施の形態に係わる超音波探傷で受信されたエコーの方が明らかに大きい。したがって、この発明の実施の形態に係わる超音波探傷装置を用いれば、大きなエコーが受信され、Ｓ／Ｎ比の大きな信号が得られることが確認できた。
【００２０】
このような超音波探傷装置は、検査対象の側面または該側面と対向する側面と異なる端面から超音波が送信され、その超音波が検査対象の側面または該側面と対向する側面に入射したときに起こるモード変換により生じた超音波を利用して検査対象の側面に性状を検査するので、検査対象の表面と異なる箇所に超音波探触子を設置することができるし、超音波探触子で受信したエコーの大きさが大きくＳ／Ｎ比を大きくすることができる。
【００２１】
また、超音波探触子として縦波斜角探触子を用いているので、検査対象の側面またはその側面と対向する側面に斜めから超音波を入射してモード変換を起こすことができる。
また、モード変換により発生する超音波が横波であるので、波長が短く、長さの小さな表面傷４を検出することができる。
【００２２】
なお、実施の形態に係わる超音波探傷では、縦波斜角探触子５を送信用且つ受信用に用いる場合について説明したが、図９に示すように、送信用と受信用とにそれぞれ異なる探触子を用いても同様な効果が得られる。すなわち、送信用探触子５ａとは別に受信用探触子５ｂを用いて、表面傷４を検出しても構わない。
【００２３】
また、実施の形態では、試験体１の側面７におけるモード変換によって生じた横波を用いて、対向する側面８にある表面傷４を探傷する場合について説明したが、側面８におけるさらなるモード変換によって生じた超音波を用い、側面７にある表面傷４を探傷しても構わない。すなわち、側面７または側面８におけるモード変換によって生じた超音波を用いて、側面７または側面８にある表面傷４を探傷しても、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。
【図２】音場シミュレーションにおける超音波探触子と試験体との相対的な位置関係を示す図である。
【図３】試験体中を伝搬する超音波の音場シミュレーション結果である。
【図４】図３の音場シミュレーションで得られたエコーである。
【図５】実験で得られたエコーである。
【図６】従来の超音波探傷の音場シミュレーションにおける超音波探触子と試験体との相対的な位置関係を示す図である。
【図７】従来の超音波探傷の音場シミュレーションでの音場シミュレーション結果である。
【図８】図３および図６の音場シミュレーションで得られたエコーである。
【図９】送信用と受信用の超音波探触子を別々に配置したときの超音波探傷の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  試験体、３  （試験体の）端面、４  表面傷、５、５ａ、５ｂ  超音波探触子、６  超音波探傷器、７、８  （試験体の）側面。
【図１】
2007322366.tif 000003
【図２】
2007322366.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007322366.tif 000008
【図７】
2007322366.tif 000009
【図８】
2007322366.tif 000010
【図９】
2007322366.tif 000011