(57)【要約】【課題】  非接触により超音波を送信・受信しながら、欠陥を含む薄板状被測定物を低周波振動により加振し、振動により変調された超音波信号のスペクトルに基づき欠陥の有無を識別する非破壊検査装置を提供する。【解決手段】  低周波加振機１４により、支持部１３に置いた薄板状被測定物１０に振動を与えながら、空気超音波送信探触子１１により一定周波数の大振幅バースト波を送信し、空気超音波受信探触子１２により低周波振動により変調された超音波信号を受信する。選択した時間範囲の超音波信号を波形処理・表示部６のハイパスフィルタにより高速フーリエ変換し、選択した周波数範囲におけるスペクトルの強度が予め設定した値を超えたときにアラームを発することにより、被測定物内部の微小欠陥あるいは不健全部を検出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御用ＰＣからのトリガ信号を受けて超音波励起用電気信号を発生させる超音波信号発生部、該超音波信号発生部で発生させた超音波信号を電気的に増幅する送信信号増幅部、該送信信号増幅部から送信された送信信号を超音波に変換し空気を介して非接触で薄板状被測定物に超音波を入射する空気超音波送信探触子、該薄板状被測定物からの超音波信号を空気を介して受信する空気超音波受信探触子、該超音波受信探触子で検出した信号を増幅する受信信号増幅部、該受信信号増幅部で増幅されたアナログ信号を高速Ａ／Ｄ変換しそのデジタル信号の波形をデジタル収録する波形記憶部、該波形記憶部に記憶された波形の指定した時間範囲に対して高速フーリエ変換処理を施し指定した周波数範囲内のスペクトルを表示する波形処理・表示部、及び上記薄板状被測定物を支持する支持部、前記制御用ＰＣからの指令に基づいて上記薄板状被測定物に一定時間低周波振動を与える低周波加振機を備え、  前記制御用ＰＣからの指令に基づいて前記超音波信号発生部で発生させた超音波励起用電気信号を、前記送信信号増幅部により増幅し、前記空気超音波送信探触子から空気を介して被測定物に超音波を入射すると同時に、前期低周波加振機を用いて被測定物を振動させ、その低周波振動により変調された超音波信号を前記空気超音波受信探触子により受信し、該受信超音波信号を前記受信信号増幅部で増幅した後、前記高速Ａ／Ｄ変換ボードでデジタル変換した波形を前記波形記憶部に収録し、該波形記憶部に記憶された波形の選択した時間範囲に対して高速フーリエ変換処理を施し、デジタルバンドパスフィルタ処理を施した後選択した周波数範囲内のスペクトルを表示し、該スペクトルの強度が予め設定した値を超えたときにアラームを発することにより、被測定物内部の微小欠陥あるいは不健全部を検出することを特徴とする検査方法。
【請求項２】
制御用ＰＣからのトリガ信号を受けて超音波励起用電気信号を発生させる超音波信号発生部、該超音波信号発生部で発生させた超音波信号を電気的に増幅する送信信号増幅部、該送信信号増幅部から送信された送信信号を超音波に変換し空気を介して非接触で薄板状被測定物に超音波を入射する空気超音波送信探触子、該薄板状被測定物からの超音波信号を空気を介して受信する空気超音波受信探触子、該超音波受信探触子で検出した信号を増幅する受信信号増幅部、該受信信号増幅部で増幅されたアナログ信号を高速Ａ／Ｄ変換しそのデジタル信号の波形をデジタル収録する波形記憶部、該波形記憶部に記憶された波形の指定した時間範囲に対して高速フーリエ変換処理を施し指定した周波数範囲内のスペクトルを表示する波形処理・表示部、及び上記薄板状被測定物を支持する支持部、前記制御用ＰＣからの指令に基づいて上記薄板状被測定物に一定時間低周波振動を与える低周波加振機を備え、  前記制御用ＰＣからの指令に基づいて前記超音波信号発生部で発生させた超音波励起用電気信号を、前記送信信号増幅部により増幅し、前記空気超音波送信探触子から空気を介して被測定物に超音波を入射すると同時に、前記低周波加振機を用いて被測定物を振動させ、その低周波振動により変調された超音波信号を前記空気超音波受信探触子により受信し、該超音波受信信号を前記受信信号増幅部で増幅した後、前記高速Ａ／Ｄ変換ボードでデジタル変換した波形を前記波形記憶部に収録し、該波形記憶部に記憶された波形の指定した時間範囲に対して高速フーリエ変換処理を施し、デジタルバンドパスフィルタ処理を施した後指定した周波数範囲内のスペクトルを表示し、該スペクトルの強度が予め設定した値を超えたときにアラームを発することにより、被測定物内部の微小欠陥あるいは不健全部を検出することを特徴とする非破壊検査装置。
【請求項３】
前記空気超音波送信探触子及び空気超音波送信探触子が焦点型あるいは平面型であることを特徴とする請求項２記載の非破壊検査装置。
【請求項４】
前記空気超音波受信探触子に換えレーザードップラー振動計により超音波を受信することを特徴とする請求項２記載の非破壊検査装置。
【請求項５】
前記超音波信号発生部で発生させた超音波励起用電気信号がバースト波であることを特徴とする請求項２記載の非破壊検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、低周波加振と非接触超音波送受信を組合せ、薄肉板状部品内の微小欠陥あるいは不健全部を非破壊的に検出する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  超音波を用いて金属材料、各種部品、構造物内部の欠陥を非破壊的に検出するため超音波法が広く用いられている。【０００３】  非特許文献１に記載されるように、通常のパルス反射法は、超音波探触子と被測定物の間に油あるいはゼリー状の音響結合剤を塗布する必要があるが、その塗布と音響結合剤の除去のための検査時間の増加が問題となり、製造ラインでの検査への適用は困難である。またプレス加工後溶接した曲面状部品に含まれる欠陥の検出への適用は極めて困難である。【非特許文献１】ＪＩＳハンドブック４３  非破壊検査、日本規格協会、２００５
【０００４】  非接触で超音波欠陥検査を行う方法として、電磁超音波法、レーザー超音波法あるいは空気超音波法が用いられている。【０００５】  しかし、電磁超音波探触子の面積を１ｃｍ２以下にすることは困難であり、またレーザー超音波法はレーザー入射角によって各種モードの波が励起されること、空気超音波法は低周波であるため空間分機能が低いという問題を有する。【０００６】  さらに、これらいずれの方法でも、欠陥位置が不明の場合には、欠陥検出用センサーを被測定物に対して走査して検査する必要があり、検査時間が増大するという問題点を有する。【０００７】  上記以外に、被測定物を加振機により振動させて、超音波探触子、レーザー振動計などを用いて固有振動数の変化を検出し内部欠陥の有無を識別する装置が開発されている。【特許文献１】特許公開２００６−１０５６８０
【特許文献２】特許公開平９−１５９６８１
【特許文献３】特許公開平５−８７７８０
【０００８】  しかし、特許文献１の方法は、水中で使用される厚肉コンクリート構造物を対象とした超音波非破壊検査におけるノイズ低減を目的とする方法であり、厚さ数ｍｍ以下の薄肉部品には適用できない。一方、特許文献２は、被測定物を振動させた状態でカンチレーバーを測定対象物表面に沿って走査し、その際の微小な変位をレーザーにより測定し表面あるいは表面直下のごく微細な欠陥を検出、画像する方法であり、精密すぎて製造現場には利用できない。さらに、特許文献３は、電磁超音波探触子を用いる共振法によりパイプの厚みを測定する方法であり、薄肉部品の微小欠陥検査には適用が困難である。【０００９】  上記以外に、米国Ｑｕａｓａｒ社で開発された共振検査装置ＲＩ３０００が日本国内で市販されている。この装置は、少数の固有振動モードについて内部欠陥の有無による固有振動数の変化を検出するので、支配的固有振動モードが限定される円板、長方形板、円柱、直方体など比較的単純形状物体の検査には有効であるが、薄板状部品中の溶接部の微細欠陥の非破壊検査には適していない。【００１０】  これに対し、非特許文献２に記載されるように、欠陥を含む薄板状被測定物を数ＫＨｚ程度の周波数（Ｆ）で加振しながらそれより高い周波数（ｆ）の超音波を送受信すると、ｆ±ｎＦ（ｎ：整数）の周波数を持つサイドバンドと呼ばれる超音波振動が励起されることが知られている。【非特許文献２】林他３名、非破壊検査、５８−５（２００９）、ｐｐ．１９６−２０１
【００１１】  しかし、非特許文献２では、測定対象物を支持部にボルトで固定し、接触式超音波送信子を用いているため、短時間での検査が要求される製造現場への適用は困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  本発明は、上記事情に鑑み、薄肉部品、特に自動車用薄板部品内部の微小な欠陥あるいは不健全部の有無を十秒程度の短時間内に非接触で検査することのできる非破壊検査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】
【００１３】  上記目的を達成するため、本発明が採用した解決手段は、制御用ＰＣからのトリガ信号を受けて超音波励起用電気信号を発生させる超音波信号発生部、該超音波信号発生部で発生させた超音波信号を電気的に増幅する送信信号増幅部、該超音波信号増幅部から送信された送信信号を超音波に変換し空気を介して非接触で薄板状被測定物に超音波を入射する空気超音波送信探触子、該薄板状被測定物からの超音波信号を空気を介して受信する空気超音波受信探触子、該超音波探触子で検出した信号を増幅する受信信号増幅部、該受信信号増幅部で増幅されたアナログ信号を高速Ａ／Ｄ変換ボードによりデジタル信号に変換しそのデジタル信号波形をデジタル収録する波形記憶部、該波形記憶部に記憶された波形の選択した時間範囲に対して高速フーリエ変換処理を施し選択した周波数範囲内のスペクトルを表示する波形処理・表示部、及び上記薄板状被測定物を支持する支持部、前記制御用ＰＣからの指令に基づいて上記薄板状被測定物に一定時間低周波振動を与える低周波加振機を備え、前記制御用ＰＣからの指令に基づいて前記超音波信号発生部で発生させた超音波励起用電気信号を、前記超音波信号増幅部により増幅し、前記空気超音波送信探触子から空気を介して被測定物に超音波を入射すると同時に、前期低周波加振機を用いて被測定物を振動させ、その低周波振動により変調された超音波信号を前記空気超音波受信探触子により受信し、該超音波受信信号を前記受信信号増幅部で増幅した後、前記高速Ａ／Ｄ変換ボードでデジタル変換した波形を前記波形記憶部に収録し、該波形記憶部に記憶された波形について選択した時間範囲に対してデジタルバンドパスフィルタ処理を施した後高速フーリエ変換処理を施し、選択した周波数範囲内のスペクトルを表示し、該スペクトルの強度が予め設定した値を超えたときにアラームを発することにより、被測定物内部の微小欠陥あるいは不健全部を検出することを特徴とする検査方法と検査装置である。【００１４】  前記空気超音波送信探触子及び空気超音波送信探触子を焦点型あるいは平面型のいずれかを選択することのより、超音波照射域の面積を調整できる。【００１５】  前記空気超音波受信探触子に換え、レーザードップラー振動計により前記低周波振動により変調された超音波を受信することにより、空気超音波探触子を使用する場合より微細な欠陥の検出ができる。
【発明の効果】
【００１６】  本発明により、従来の非破壊検査法で検出すことが困難であった薄板状被測定物内部に存在する微小欠陥あるいは不健全部を短時間に検出する手段が確立された。【００１７】  被測定物に含まれる予想欠陥位置に対して、低周波振動を与える加振機の位置、並びに送信及び受信空気超音波探触子の位置及び被測定物に対する方位を最適化することにより、被測定物内部の欠陥あるいは不健全部を非破壊的に検出する感度を向上させることができる。【００１８】  また、送信及び受信空気超音波探触子の公称周波数及び低周波加振機の周波数及び加振出力を非測定物の厚さに対して適切に設定することにより、欠陥あるいは不健全部を非破壊的に検出する感度を向上させることができる。【００１９】  さらに、上記の送信及び受信空気超音波探触子の公称周波数に対応してデジタルバンドパスフィルタの上限及び下限遮断周波数を適切に設定することにより、欠陥あるいは不健全部を非破壊的に検出する感度を向上させることができる。【００２０】  本発明では、支持台に置いた被測定物が低周波振動により支持台から分離しない程度の弱い力、例えば適当な質量の重しを置くことで検査が可能であり、検査時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】内部欠陥を含む薄板状被測定物の低周波加振と超音波送受信による超音波信号の変調を説明する図である。
【図２】低周波加振と超音波送受信を組合せた検査装置の全体構成説明図である。
【図３】周波数１５ｋＨｚの低周波加振機を用いたステンレス薄板被測定物に対する受信波形及びスペクトルを示す図である。
【図４】周波数１５ｋＨｚの低周波加振機を用いた無欠陥及び欠陥を含むステンレス薄板被測定物に対するスペクトルを示す図である。
【図５】周波数６０ｋＨｚの低周波加振機を用いた無欠陥及び欠陥を含むステンレス薄板被測定物のサイドバンドスペクトルを示す図である。
【図６】周波数１５ｋＨｚの低周波加振機を用いた無欠陥及び欠陥を含むアルミニウム薄板被測定物に対するスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】  以下本発明の測定原理を説明した後、本発明に関わる装置の構成、作用、検査結果等について説明する。
【００２３】    ［測定原理］  図１に示すように、内部にき裂状欠陥を含む板状被測定物に低周波加振により曲げ応力を付与しながら超音波を送受信すると、き裂面が開いたときには剛性が低下し、上段のように受信超音波振幅が低下する。一方、き裂面が閉じたとき剛性が高まり中段のように受信超音波振幅が増大する。このように受信超音波振幅は低周波振動により振幅変調を受ける。
【００２４】  これにより、き裂状欠陥を含む板状被測定物について、低周波周波数（Ｆ）による振動と周波数ｆの超音波信号の重畳により、図１下段に示すように、ｆ±ｎＦ（ｎ：整数）の周波数を持つサイドバンドと呼ばれる超音波振動が励起される。
【００２５】  また、バンドパスあるいはハイパスフィルタを用いて、き裂状欠陥を含む板状被測定物について、周波数ｆの整数倍周波数を持つ高調波を抽出すると  ｍｆ±ｎＦ（ｍ、ｎ：整数）のサイドバンドが観察されることも知られている。
【００２６】  一方、欠陥を含まない板状被測定物についてはサイドバンドが発生しない、あるいはごく低強度のサイドバンドピークしか観察されないことが知られている。
【００２７】  次に、上記測定原理を応用した非破壊検査装置について説明する。
【００２８】  図２は、超音波送信及び受信に空気超音波探触子を用いた板状被測定物内の欠陥検査装置の構成を示す。板状被測定物１０は支持部１３の上に置かれ、低周波加振機１３のヘッド部と接するように被測定物高さが調整される。適当な重量の重しにより、加振により被測定物が支持部から離れないよう保持する。超音波信号発生部２からの電気信号を送信信号増幅部３により増幅後、空気超音波送信探触子１１を励起し被測定物に空気を介して超音波を入射する。この状態で低周波加振機１４により一定時間被測定物を振動させ、その低周波振動で変調された超音波を空気超音波受信探触子１２により受信し、受信信号増幅部４にて増幅後、Ａ／Ｄ変換して波形記憶部５に記憶する。
【００２９】  記憶した波形を図３上段の波形表示ウインドウに表示する。空気超音波探触子間伝搬時間及び被測定物内伝搬時間を考慮して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の対象とする時間範囲を設定する。さらに波形処理部に含まれるバンドパスフィルタの上限及び下限遮断周波数を設定することにより、図３左下の周波数スペクトルが表示される。図４の太い白横線で示すように、監視すべき周波数範囲を設定する。被測定物に欠陥あるいは不健全部が含まれると図４右に示すように、監視周波数域のスペクトル強度が大きく表示される。ちなみに、図４左は無欠陥の被測定物に対するスペクトルである。図４右の細い水平線で示すようにスペクトル強度の監視レベルを予め設定しておくと、そのレベルを超える強度が現れたとき、図３下段右上のＦＦＴアラームがＯＮとなりランプが点灯する。これによって欠陥あるいは不健全部の有無を検査できる。
【００３０】  図２に示した非破壊検査装置を用いて、厚さ３ｍｍのステンレス板溶接部に溝状欠陥を導入した被測定物及び欠陥を持たない被測定物に対する周波数スペクトルを図４右と左に示す。用いた加振機の設定できる振動周波数範囲は２ｋＨｚから２０ｋＨｚであり、この測定では加振周波数を１５ｋＨｚに設定した。公称周波数２００ｋＨｚの空気超音波探触子を用い、バンドパスフィルタの下限周波数を５００ｋＨｚ、上限を９００ｋＨｚに設定した。  無欠陥の被測定物における上記周波数範囲のスペクトルの正規化振幅（強度）は０．１程度であるが欠陥を含む被測定物の正規化振幅は０．６に達する。このように、欠陥の有無により正規化スペクトルには有意な差が現れることが確認できた。
【００３１】  共振周波数が６０ｋＨｚである低周波加振機を用い、空気超音波探触子の送信周波数を２２０ｋＨｚに設定したときの上記と同一の無欠陥及び欠陥を含む被測定物のスペクトルを図５の左と右に示す。欠陥を含むスペクトルには８０ｋＨｚ及び３６０ｋＨｚ，すなわち２２０±２×７０ｋＨｚのサイドパンドが明瞭に観察される。
【００３２】  図２に示した非破壊検査装置を用いて、厚さ１．５ｍｍのアルミニウム合金板溶接部に溝状欠陥を導入した被測定物及び欠陥を持たない被測定物に対する周波数スペクトルを図６右と左に示す。無欠陥の被測定物の評価周波数範囲の正規化スペクトル振幅は０．２以下であるが、欠陥を含む被測定物のその振幅は０．６を超える。これにより欠陥の有無を識別できる。
【００３３】  図２に示した非破壊検査装置の空気超音波受信探触子に換えて、レーザードップラー振動計を用いれば、より微細な欠陥を検出できる。
【００３４】  図２に示した非破壊検査装置の空気超音波送信及び受信探触子は、想定欠陥位置を挟むように配置されているが、これ以外の位置にそれらを配置しても欠陥を検出できる。
【００３５】  図２に示した非破壊検査装置の空気超音波送信及び受信探触子を、被測定物の片側に配置して、曲げモードの板波を送受信することにより欠陥を検出することができる。
【００３６】  図２に示す薄平板状被測定物に対する非破壊検査装置の構成に換えて、曲面薄板状被測定物に対しては３点支持の支持部を用いることにより欠陥を検出することができる。
【符号の説明】
【００３７】  １  制御用ＰＣ  ２  超音波信号発生部  ３  送信信号増幅部  ４  受信信号増幅部  ５  波形記憶部  ６  波形処理・表示部１０  被測定物１１  空気超音波送信探触子１２  空気超音波受信探触子１３  支持部１４  低周波加振機
【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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