(57)【要約】【課題】きわめて簡易な構成で、被検体のクラック深さを、容易かつ正確に測定することができる超音波ＴＯＦＤ法を用いたクラック深さ測定方法および装置を提供する。【解決手段】超音波探触子１を用いて被検体２のクラック３０周辺を走査してクラック深さｄを測定するクラック深さ測定方法および装置であって、超音波探触子１は、中心に孔２１を有する焦点型の超音波探触子であり、超音波探触子１が、被検体２表面から反射する表面反射波Ｗ１とクラック３０の先端で回折した回折波Ｗ２とを受波し、前記走査位置に対応した表面反射波Ｗ１と回折波Ｗ２との干渉状態の変化をもとに、クラック深さｄを測定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波探触子を用いて被検体のクラック周辺を走査してクラック深さを測定するクラック深さ測定方法であって、
前記超音波探触子は、中心に孔を有する焦点型の超音波探触子であり、
前記超音波探触子が、前記被検体表面から反射する表面反射波と前記クラックの先端で回折した回折波とを受波し、
前記走査位置に対応した前記表面反射波と前記回折波との干渉状態の変化をもとに、前記クラック深さを測定することを特徴とするクラック深さ測定方法。
【請求項２】
前記超音波探触子が発する超音波の波長毎に、前記干渉状態における隣接する受信ピーク間のピッチとクラック深さとの関係を予め求めておき、
前記干渉状態のピッチを求め、該ピッチをもとに前記関係からクラック深さを求めることを特徴とする請求項１に記載のクラック深さ測定方法。
【請求項３】
超音波探触子を用いて被検体のクラック周辺を走査してクラック深さを測定するクラック深さ測定装置であって、
前記超音波探触子は、中心に孔を有する焦点型の超音波探触子であり、前記被検体表面から反射する表面反射波と前記クラックの先端で回折した回折波とを受波し、
前記走査位置に対応した前記表面反射波と前記回折波との干渉状態の変化をもとに、前記クラック深さを測定する測定手段を備えたことを特徴とするクラック深さの測定装置。
【請求項４】
前記測定手段は、前記超音波探触子が発する超音波の波長毎に、前記干渉状態における隣接する受信ピーク間のピッチとクラック深さとの関係を予め求めておき、測定時に、前記干渉状態のピッチを求め、該ピッチをもとに前記関係からクラック深さを求めることを特徴とする請求項３に記載のクラック深さの測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波探傷、浸透探傷、磁粉探傷などの非破壊試験によって検出された表面クラックの深さ測定を行うクラック深さ測定方法およびクラック深さ測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被検体のきず端部深さ等を測定する技術としてＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction）法が広く知られている。このＴＯＦＤ法は、図７に示すように、被検体１０２内のきず１２１を中心に、超音波発生素子１３１を装着した超音波発生用探触子１０３と超音波受信素子１４１を装着した超音波受信用探触子１０４を対称に配置し、きず１２１に平行に走査（１次元走査）する方法である。超音波発生素子１３１から放射された超音波は、被検体１０２の表面直下をラテラル波として伝搬し、第１波信号として超音波受信素子１４１に受信される。また、被検体１０２にきず１２１がある場合、きず端部１２１ａから回折波が発生し第２波信号として超音波受信素子１４１に受信される。
【０００３】
そして、きず端部１２１ａからの回折波とラテラル波との伝搬時間差から、きず端部深さＴが算出される。具体的には、図８に示すように、超音波発生素子１３１、超音波受信素子１４１及びきず端部１２１ａがそれぞれ直角三角形の頂点にあるものとして、次式（１）によってきず端部深さＴを算出する。
Ｔ＝（Ｗ２−Ｓ２）１／２                                            …（１）
ただし、Ｔは、きず端部深さであり、Ｗは、超音波発生素子又は超音波受信素子からきず端部までの距離であり、またＳは、素子間距離、すなわち、超音波発生素子と超音波受信素子との間の距離の１／２である。
【０００４】
ここで、式（１）中のＷは、きず端部１２１ａからの回折波の伝搬時間Ｂｗから算出でき、Ｓは、ラテラル波の伝搬時間Ｌｗから算出できる。ただし、両伝搬時間には、超音波発生用探触子１０３及び超音波受信用探触子１０４のホルダー１３２、１４２内の伝搬時間Ｐｄが含まれているので、きず端部深さＴは、伝搬時間Ｂｗ、Ｌｗから伝搬時間Ｐｄを差し引いて算出する。すなわち、式（１）中の距離Ｗは、次式（２）で表され、距離Ｓは、次式（３）で表される。
Ｗ＝｛（Ｂｗ−Ｐｄ）／２｝×Ｃ                                      …（２）
Ｓ＝｛（Ｌｗ−Ｐｄ）／２｝×Ｃ                                      …（３）
ここで、Ｃは被検体の音速であり、距離Ｓは実測値であるので、式（３）から伝搬時間Ｐｄが算出される。この伝搬時間Ｐｄを式（２）に代入することにより、距離Ｗが算出される。そして、距離Ｓ及び距離Ｗを式（１）に代入することにより、きず端部深さＴが算出される。
【０００５】
このように、ＴＯＦＤ法によれば、比較的簡単に、きず端部深さを測定することができる。このため、その適用範囲の拡大、また測定精度・効率の向上等を目的として、様々な改良技術が提案されている（特許文献１〜８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−３１６２１５号公報
【特許文献２】特開２００１−５０９３８号公報
【特許文献３】特開２００１−２１５２１８号公報
【特許文献４】特開２００１−２２８１２８号公報
【特許文献５】特開２００１−３０５１２４号公報
【特許文献６】特開２００１−３２４４８４号公報
【特許文献７】特開２００２−５９０４号公報
【特許文献８】特開２００４−５３４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、いずれの先行技術も、超音波発信素子と超音波受信素子とが別体となっているため、回折波を効率よく受波するためには両者の正確なアライメントが必要であった。そして、このアライメントには精密な走査装置、あるいは探触子ホルダーなどが必要なため、装置の大型化をまねきやすく、形状が単純ではない物体や狭隘な部位に発生するクラックの深さ測定への適用が難しいという問題があった。
【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、超音波ＴＯＦＤ法を用いて、被検体のクラック深さを、容易かつ正確に測定することができるクラック深さ測定方法およびクラック深さ測定装置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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるクラック深さ測定方法は、超音波探触子を用いて被検体のクラック周辺を走査してクラック深さを測定するクラック深さ測定方法であって、前記超音波探触子は、中心に孔を有する焦点型の超音波探触子であり、前記超音波探触子が、前記被検体表面から反射する表面反射波と前記クラックの先端で回折した回折波とを受波し、前記走査位置に対応した前記表面反射波と前記回折波との干渉状態の変化をもとに、前記クラック深さを測定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかるクラック深さ測定方法は、上記の発明において、前記超音波探触子が発する超音波の波長毎に、前記干渉状態における隣接する受信ピーク間のピッチとクラック深さとの関係を予め求めておき、前記干渉状態のピッチを求め、該ピッチをもとに前記関係からクラック深さを求めることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかるクラック深さ測定装置は、超音波探触子を用いて被検体のクラック周辺を走査してクラック深さを測定するクラック深さ測定装置であって、前記超音波探触子は、中心に孔を有する焦点型の超音波探触子であり、前記被検体表面から反射する表面反射波と前記クラックの先端で回折した回折波とを受波し、前記走査位置に対応した前記表面反射波と前記回折波との干渉状態の変化をもとに、前記クラック深さを測定する測定手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかるクラック深さ測定装置は、上記の発明において、前記測定手段は、前記超音波探触子が発する超音波の波長毎に、前記干渉状態における隣接する受信ピーク間のピッチとクラック深さとの関係を予め求めておき、測定時に、前記干渉状態のピッチを求め、該ピッチをもとに前記関係からクラック深さを求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、中心に孔を有する超音波探触子を１次元走査するという極めて簡易な操作によって、被検体のクラック深さを、容易かつ正確に測定することができるので、様々な非破壊試験現場におけるクラック深さ測定に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかる超音波探傷装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示した超音波探触子の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、図２に示した超音波探触子を走査した状態を示す断面図である。
【図４】図４は、超音波探触子が受波した表面反射波と回折波とが干渉した際の受波超音波振幅の位置依存性を示す図である。
【図５】図５は、クラック深さ測定の原理を説明する説明図である。
【図６】図６は、本発明によって測定したクラック深さと切断試験により求めたクラック深さとを対比して示した結果を示す図である。
【図７】図７は、従来のＴＯＦＤ法を説明するための斜視図である。
【図８】図８は、従来のＴＯＦＤ法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明にかかるクラック深さ測定方法およびクラック深さ測定装置の実施の形態について説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態にかかる超音波探傷によるクラック深さ測定装置の構成を示す模式図である。図１において、超音波探触子１は、図示しない１次元走査装置に取り付けられている。超音波探触子１は、超音波送受信器１０に接続され、超音波送受信器１０から一定の繰返し周期にて印加される高電圧パルスにより超音波パルスを水中へ送波する。超音波探触子１は、この超音波パルスにより被検体表面からの反射波およびクラック先端からの回折波が重畳された超音波を受波する。超音波送受信器１０は、超音波探触子１によって受波され電気信号に変換された信号を適当な振幅に増幅する。増幅後の超音波信号はゲート回路１１へ送られ、ゲート回路１１は、受波超音波による信号のみを抽出し、ピーク値検出回路１２に送る。ピーク値検出回路１２は、入力された超音波による信号の振幅を検出し、その結果を制御表示装置１３に送る。制御表示装置１３は、１次元走査装置の動きを制御しつつ、超音波探触子１の位置と対応付けて超音波による信号の振幅を収集し、この結果に基づいて、クラック深さを演算し、表示する。
【００１７】
なお、超音波探触子１には、図示しない給水装置から給水チューブ５を介して水が供給され、超音波探触子１の中央に設けられた給水孔から水が流れ出ることにより、局部水浸法による超音波測定を行うことが可能となる。
【００１８】
ここで、上述したクラック深さ測定装置に用いられる超音波探触子の構成について説明する。図２は、超音波探触子１の詳細構成を示す断面図である。また、図３は、図２の状態から超音波探触子１を１次元走査した後の状態を示す断面図である。図２に示すように、この超音波探触子１は、送波器と受波器とを一体化した周知の焦点型超音波探触子の中心に、孔２１および給水孔２２を設けたものである。また、超音波探触子１は、具体的に、中央に孔２１をもったお椀型に成型された超音波振動子２０によって実現される。
【００１９】
この超音波探触子１を用いたクラック深さ測定は、超音波探触子１と被検体２との間に水を介在させつつ被検体２のクラック３０周辺を走査し、被検体２表面からの表面反射波Ｗ１およびクラック先端において回折した回折波Ｗ２とを受波し、走査にともなう両者（表面反射波Ｗ１と回折波Ｗ２）の干渉状態の変化に基づいて行われる。
【００２０】
なお、超音波探触子１には、お椀型（断面が円弧の球面）の超音波振動子２０が設けられるが、入射角が臨界角より小さくなるように、断面円弧の角度は臨界角以下にしている。これは、入射した超音波から漏洩表面波が励起されることにより、受波器が表面反射波Ｗ１および回折波Ｗ２以外の余分な超音波（漏洩表面波がモード変換された縦波）を受けることがないようにするためである。
【００２１】
このような中心に孔２１を有する焦点型の超音波探触子１を用いることにより、被検体２の表面反射波Ｗ１およびクラック３０先端からの回折波Ｗ２を受波することができる。この構成では、送波器と受波器が一体化されているので、走査に際して特段のアライメントは不要となる。また、この焦点型の超音波探触子１はその中心に孔２１が開いているため、孔２１のない焦点型の超音波探触子に比べ、中心に入射した入射波による直接反射波の受波を防止できるため、表面反射波の大きさを格段に低くすることができる。一方、回折波のレベルは、小さいため、これによって、被検体２の表面からの表面反射波Ｗ１のレベルとクラック３０先端からの回折波Ｗ２のレベルとが近くなるため、受波された超音波から両者の干渉現象を観察することが容易となる。
【００２２】
ここで、表面反射波Ｗ１と回折波Ｗ２との干渉について説明する。図３に示すように、超音波探触子１をクラック３０周辺で走査すると、クラック３０と超音波探触子１との位置関係によって干渉現象が生じる。これは、図２および図３に示した表面反射波Ｗ１と回折波Ｗ２との位相差が異なるからである。この結果、図４に示すように、クラック３０周辺では、超音波探触子１の位置変化によって、超音波探触子１による表面反射波Ｗ１と回折波Ｗ２とが干渉した受信超音波振幅を検出する。すなわち、クラック３０周辺において走査すると、干渉による強めあい、弱めあいによって、受波超音波振幅が波打ったものとなる。この波うちの周期は、クラック深さに比例するので、波うち周期を計測することによりクラック深さｄを測定することができる。
【００２３】
すなわち、クラック深さｄは、次式（４）によって求めることができる。
ｄ＝ｌ1／tanθ1＝ｌ２／tanθ２                                        …（４）
ただし、図５に示すように、ｌ1、ｌ２は、位相が２πずれた隣り合うピーク振幅値をもつ位置Ｐ１，Ｐ２とクラック３０の位置Ｐとの間の距離である。また、θ１，θ２は、クラック３０の回折位置における位置Ｐ１，Ｐ２への回折角である。
【００２４】
なお、実際には、距離ｌ１，ｌ２間の距離（ピッチ）と、クラック３０の深さｄとは比例関係にあるので、同じ超音波の波長のときの比例関係を予め求めておき、このピッチを測定することによって直ちにクラック３０の深さｄを求めるようにしている。この場合、超音波探触子１が発する超音波の波長ごとに、ピッチとクラック深さとの関係を予め求めておき、この比例関係を制御表示装置１３に予め保持させておき、測定時に、ピッチのみを求め、このピッチから比例関係をもとにクラック深さを求めるようにするとよい。
【００２５】
（実施例）    
超音波プローブ１として、超音波振動子２０の材質をＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、周波数３０ＭＨｚ、超音波振動子直径６ｍｍ、水中焦点距離１２ｍｍ、中心孔径３ｍｍの仕様のものを用いて、クラック深さの測定を行った。図６は、３個のクラックについて、本発明により測定したクラック深さと切断試験により求めたクラック深さとを対比して示した結果である。切断試験によって求めたクラック深さに対して０．０１〜０．０２ｍｍ程度の誤差があったのみで、それぞれ良好な測定となっている。
【００２６】
なお、本発明の実施形態では、超音波探触子１を１次元走査装置に取り付け走査したが、超音波探触子１の位置を、位置検出手段によって検知しつつ、超音波探触子１を手持ち走査することも可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１  超音波探触子
２  被検体
５  給水チューブ
１０  超音波送受信器
１１  ゲート回路
１２  ピーク値検出回路
１３  制御表示装置
２０  超音波振動子
２１  孔
２２  給水孔
３０  クラック
Ｗ１  表面反射波
Ｗ２  回折波
【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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