(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料に超音波を液体を介して入射し、材料から反射する超音波の表面反射波を周波数解析して周波数強度分布を得ると共に、材料から反射する超音波の後方散乱波をウェーブレット解析して各時間毎の周波数強度分布を得、表面反射波の周波数強度分布から重心周波数Ｇ０を求め、後方散乱波の周波数強度分布から重心周波数ＧとノイズエネルギＥを求め、求めた表面反射波の重心周波数Ｇ０と後方散乱波の重心周波数Ｇとの差を重心周波数変化量ΔＧとして求め、下記（１）（２）に記した重心周波数変化量とノイズエネルギの各モデル式に、求めた重心周波数変化量ΔＧとノイズエネルギＥを代入して材料中の欠陥直径ｄと欠陥密度Ｎを導出し、周波数強度分布を得た時間によって欠陥の位置を把握することを特徴とする材料損傷検出方法。
【数１】
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【数２】
0003837491.tif 000008
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を材料に当てその後方散乱波を解析して材料の内部の損傷を検出する方法に関する。具体的な材料としては、火力発電所や化学プラント等の配管などが挙げられ、破損事故を未然に防ぐために用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
超音波による材料損傷検査は、非破壊で内部の検査が行える点で有力な検査法であり、数々の手法が提唱されている。超音波を用いた材料損傷計測には、材料から反射してきた超音波の波形使用部位とパラメータによりいくつかの種類に分けられる。底面反射波を用いた手法には音速値変化、減衰率、周波数解析、重心周波数変化を利用する方法があり、後方散乱波を用いたものには周波数解析で評価する方法がある。これらの手法は、いずれも超音波の通過した材料の平均的欠陥の計測を行うものである。
【０００３】
ところが、これまでの超音波計測技術では、材料中の平均的な欠陥情報を取得するため、局所的に発生したボイドや微小き裂等の欠陥は検知されない可能性があった。実際に欠陥が存在または発生する箇所は溶接部や応力集中部等であるため、欠陥が局所的に存在したり、分布が不均一であることが予想される。このため欠陥密度分布を計測可能にすることで材料の損傷状態を把握し、事故の発生を未然に防ぐとともに効率的な補修を行えるようにすることが望ましい。
【０００４】
そこで本発明者は、超音波波形のうち後方散乱波には、空間的な欠陥情報が含まれており、底面波のように底面の状況に影響されることもないため、効果的に損傷を測定できる可能性があることに着目した。また、ウェーブレット変換は、時間情報を失うことなく周波数解析できるため、これを用いて損傷の分布を測定する研究を開始した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実情を考慮して開発されたもので、その目的は、欠陥密度分布を計測可能にすることで材料の損傷状態を把握することのできる材料損傷検出方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
後述するが、「材料に超音波を液体を介して入射する」とは、超音波の送受信部と材料との間に液体が介在している条件下で、超音波を入射することを意味する。上述した条件下を具体的に説明すれば、液体を溜めた容器内に超音波の送受信部と材料全部を間隔を空けて浸す場合や、液体を溜めた薄膜状の容器内に超音波の送受信部を入れ、その容器を材料の一部に当てる場合などが挙げられる。
【０００７】
本発明は、材料に超音波を液体を介して入射し、材料から反射する超音波の表面反射波を周波数解析して周波数強度分布を得ると共に、材料から反射する超音波の後方散乱波をウェーブレット解析して各時間毎の周波数強度分布を得、表面反射波の周波数強度分布から重心周波数Ｇ０を求め、後方散乱波の周波数強度分布から重心周波数ＧとノイズエネルギＥを求め、求めた表面反射波の重心周波数Ｇ０と後方散乱波の重心周波数Ｇとの差を重心周波数変化量ΔＧとして求め、下記（１）（２）に記した重心周波数変化量とノイズエネルギの各モデル式に、求めた重心周波数変化量ΔＧとノイズエネルギＥを代入して材料中の欠陥直径ｄと密度Ｎを導出し、周波数強度分布を得た時間によって欠陥の位置を把握することを特徴とする。
【数３】
0003837491.tif 000002
【数４】
0003837491.tif 000003
【０００８】
周波数解析とは、周波数強度分布を得ることのできる解析手法の全てを意味し、ウェーブレット解析だけでなくフーリェ変換等を含む概念である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の超音波後方散乱波のウェーブレット解析による材料損傷検出方法を実施するための超音波測定装置を示す説明図である。この装置は図に示すように、超音波パルスの送受信用センサに縦波用探触子、超音波（２０ＭＨｚ）の送受信にパルサ・レシーバ、原波形取得にデジタルオシロスコープを備えた測定装置である。
【００１０】
波形測定には、パルスエコー法を用い、超音波センサから発信したパルスの試料内部からの反射波を超音波センサにより電気信号として取得する。波形を取得する際、探触子と試料間は、接触法で生じる接触圧力の影響を取り去り入射波の条件が一定になるように、試料全体を水又はその他の液体中に入れる全没水浸法を用いる。取得した電気信号は、パルサ・レシーバを介してデジタルオシロスコープによりデジタル信号に変換する。その波形データをパソコン上で数値計算ライブラリによりウェーブレット解析する。ウェーブレット解析に関してはマザーウェーブレットに波動の時間周波数解析に適しているGabor関数を用い、スケールの設定に制限が少ない連続ウェーブレットを用いて解析する。ここでスケールとは、周波数に対応するウェーブレットのパラメータである。
【００１１】
なお、数値計算ライブラリとは、ウェーブレット解析用のコンピュータソフトウェアのことで、一例としては、サイバネットシステム株式会社が販売している製品のＭＡＴＬＡＢ６のＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＴｏｏｌｂｏｘｅｓプロダクトラインの信号・画像処理用Ｗａｖｅｌｅｔが挙げられる。
【００１２】
図２にウェーブレット変換を行う範囲を示す。図中の最初の波は、試験片表面からの反射波であり、２番目の波は試験片底面からの反射波である。その２つの反射波間に存在する後方散乱波についてウェーブレット解析を行う。
【００１３】
欠陥直径ｄ及び欠陥密度Ｎの推定には、まず、ウェーブレット解析により得られた各時間の周波数強度分布より、後方散乱波の重心周波数ＧとノイズエネルギEを求める。重心周波数とは、図３のように周波数強度分布曲線と横軸で形成される図形の重心位置（図中の点）周波数で定義される。ノイズエネルギEとは、図４のように周波数強度分布曲線と横軸で形成される図形面積で定義される。なお、表面反射波の重心周波数Ｇ０も、ウェーブレット解析を行うことによって周波数強度分布を得てから同様に求める。
【００１４】
次に表面反射波の重心周波数Ｇ０と後方散乱波の重心周波数Ｇとの差で定義する重心周波数変化量ΔＧを求める。この重心周波数変化量ΔＧとノイズエネルギEを数値解析結果から得られる式(１)と式(２)式に代入し、連立方程式を解くことで、欠陥直径ｄおよび欠陥密度Ｎの推定値を得ることができる。
【数５】
0003837491.tif 000004
【数６】
0003837491.tif 000005
なお、式(１)と式(２)は、超音波波長が欠陥直径より大きい条件で以下のように数値解析を行い求めたものである。
【００１５】
散乱理論によると、材料に入射した超音波が散乱体によって散乱され、観測される後方散乱波の周波数強度Pは式(3)で定義される。
【数７】
0003837491.tif 000006
この式で、Ｄは定数、Ｎは単位体積当たりの欠陥個数、P0(ω)は入射波のω成分の強度、ｄγ/ｄΩは微分散乱断面積を表し、ｘは材料表面から散乱体までの距離を、αは減衰率を示している。欠陥直径ｄは微分散乱断面積の式に含まれる。また、Ｌは縦波超音波、πは入射波に対してπ（１８０°）の方向に反射するもの（後方散乱波）を対象にする事を意味する。つまり、式（３）中の平方根部分は、縦波超音波の後方散乱波の微分散乱断面積を示している。
【００１６】
この式（３）において欠陥直径ｄ、欠陥密度Ｎを変化させて求めた後方散乱波の周波数強度分布例を図５に示す。この図より、各欠陥直径ｄ、欠陥密度Nに対する後方散乱波の重心周波数Ｇ及びノイズエネルギEを求めることができる。なお、図５より各欠陥直径ｄ、欠陥密度Nの変化に対応して後方散乱波の強度及び周波数特性が変化することが確認される。
【００１７】
このようにして、後方散乱波の重心周波数Ｇと欠陥直径ｄ、欠陥密度Nの関係を示した結果が図６である。これから後方散乱波の重心周波数Ｇは欠陥直径の増加に伴い低下することが分かる。表面反射波の重心周波数Ｇ０から後方散乱波の重心周波数Ｇを引いた値を重心周波数変化量ΔＧと定義し、これで図６を整理した結果が図７になる。この図７より、重心周波数変化量ΔＧを欠陥直径ｄと欠陥密度Ｎの式として得た近似式が式（１）である。同様にして、ノイズエネルギEと欠陥直径ｄ、欠陥密度Ｎの関係を示したものが図８であり、これを正規分布曲線で近似して得た式が式（２）である。なお、図８からはノイズエネルギは欠陥直径の増加に伴い増加後減少することが分かる。
【００１８】
この手法を用いて求めた人工欠陥材料の欠陥直径ｄと欠陥密度Ｎの推定値と実際に画像処理等で測定した実測値との比較結果を図９、１０、１１、１２に示す。図９は、重心周波数変化量ΔＧとノイズエネルギＥを式（１）、（２）に代入して得た推定欠陥直径と実測値の平均値を比較した結果である。縦軸は直径を示し、横軸は超音波が材料に進入してからの時間を示している。図中の点が推定欠陥直径を示し、実線は実測した平均欠陥直径を示している。図１０は重心周波数変化量ΔＧとノイズエネルギＥを式（１）、（２）に代入して得た推定欠陥密度と実測値を比較した結果である。縦軸は相対密度を示し、横軸は超音波が材料に進入してからの時間を示している。図中の点が推定欠陥密度を示し、実線は実測した欠陥密度を示している。
【００１９】
図９、図１０の（ａ）図は実測した相対密度が９９．５２％の試験片の比較結果である。（ｂ）図は実測した相対密度が９６．１４％の試験片の比較結果である。（ｃ）図は実測した相対密度が９５．７９％の試験片の比較結果である。（ｄ）図は実測した相対密度が９１．７９％の試験片の比較結果である。（ｅ）図は実測した相対密度が８８．６７％の試験片の比較結果である。（ｆ）図は実測した相対密度が８５．２６％の試験片の比較結果である。
【００２０】
図９や図１０において、（ｅ）図、（ｆ）図のように相対密度が低い材料は、（ａ）図、（ｂ）図のような相対密度が高い材料に比べ実測値と推定値の差が大きくなる傾向が見られる。この原因は以下のように考えられる。相対密度の低い材料の欠陥形状は大小様々であり均一ではないのに対し、実測値は画像処理等により算出したこれらの平均値である。このため、計測点で測定した欠陥直径、密度推定結果との間に多少差が生じた。
【００２１】
図１１、１２は、13段階に相対密度を変化させた人工欠陥材料について、試験片全体の平均欠陥直径、平均欠陥密度の推定値と実測値の比較した結果を示す。図１１が欠陥直径、図１２が欠陥密度の推定値と実測値を比較したものである。ここでも相対密度が低くなるにつれ、実測値と推定値の差が大きくなっているが、高密度のサンプルでは良い結果となった。即ち、これらの結果から、各相対密度において良好な推定結果が得られることが確認できる。
【００２２】
上述したように、欠陥の直径や密度が後方散乱波に及ぼす影響を散乱理論による数値解析により検討し、また、相対密度の異なる人工欠陥材料（平均空孔直径2μmから30μm）を用いて実証を行った。これらの試験結果より、以下の事が確認された。超音波の波長よりも小さな空孔が分布する条件に対する後方散乱波の数値解析を行い、後方散乱波の重心周波数とノイズエネルギが空孔の直径と密度に依存することが明らかとなった。後方散乱波のウェーブレット解析結果は数値解析結果と対応しており、ウェーブレット解析で得られる重心周波数とノイズエネルギから欠陥直径および相対密度の推定が可能である。ウェーブレットの時間周波数解析により、欠陥直径と欠陥密度の材料深さ方向の分布が測定可能である。
【００２３】
また、本発明の材料損傷検出方法は、材料が現実に使用されている設備の一部である場合には、図１３に示すように、液体を入れた薄膜状の容器を材料の一部に当てると共に、液体内に超音波の送受信部を入れて波形の測定を行う。容器は超音波を材料に入射・反射しやすくするために、容器を薄膜状にしてある。なお、容器の材料には超音波を通過させる素材を用いている。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、時間周波数解析の一種であるウェーブレット変換を後方散乱波の周波数分析に用いることにより、フーリエ変換では不可能な、時間（空間）情報付きの周波数解析を行うことができる。また、この周波数特性から得られる重心周波数とノイズエネルギは欠陥直径と欠陥密度に依存する事が明らかとなったため、これを用いて欠陥直径と欠陥密度およびそれらの位置を取得することが可能となった。その結果、材料内部に局所的に発生するクリープボイドや微小き裂を非破壊で検知することができ、早期に修繕部位の特定が可能となる。これを用いることで、火力発電所や化学プラント等の配管破損事故を未然に防ぐことができるほか、損傷程度を把握することで効率的に機器交換が行え、コスト削減をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波測定装置の概要を示す図面である。
【図２】超音波波形のウェーブレット解析範囲を示すグラフである。
【図３】重心周波数を示すグラフである。
【図４】ノイズエネルギを示すグラフである。
【図５】欠陥直径及び欠陥密度を変化させた時の後方散乱波周波数強度分布を示すグラフである。
【図６】欠陥直径及び欠陥密度と重心周波数の関係を示すグラフである。
【図７】欠陥直径及び欠陥密度に対する重心周波数変化量を示すグラフである。
【図８】欠陥直径及び欠陥密度とノイズエネルギの関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）欠陥直径の推定結果を示すグラフである。
【図１０】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）欠陥密度の推定結果を示すグラフである。
【図１１】平均欠陥直径の実測値との比較を示すグラフである。
【図１２】平均欠陥密度の実測値との比較を示すグラフである。
【図１３】別の超音波測定方法の概要を示す図面である。
【図１】
0003837491.tif 000009
【図２】
0003837491.tif 000010
【図３】
0003837491.tif 000011
【図４】
0003837491.tif 000012
【図５】
0003837491.tif 000013
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0003837491.tif 000017
【図１０】
0003837491.tif 000018
【図１１】
0003837491.tif 000019
【図１２】
0003837491.tif 000020
【図１３】
0003837491.tif 000021