1章

第超音波探傷の物理
超音波探傷では、超音波を試験体中に送信して試験体の中を動き回って再び出てくる超音波を受信して、きずの有無と程度を判断します。きずの有無と程度で、超音波の何がどのように変化するのかを知らなければ探傷はできません。
本章では、超音波とは何か？試験体中で超音波はどのような動きをするのか、その動きを決めている法則は何かを学びます。

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中

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1-1 ● 超音波できずを見つける
超音波探傷は、超音波を使ってきずを見つける技術で、非破壊検査技術の 1 つです。非破壊検査技術には、主に表面のきずを見つける浸透探傷試験・磁粉探傷試験・渦電流探傷試験と、主に部材の内部のきずを見つける放射線透過試験・超音波探傷試験があり、広く使われています。
部材の内部のきずを見つけるためには、何か部材の内部に入り込んできずの有無や程度によって変化して、再び外に出てくるものを使う必要があります。
放射線透過試験では、波長が短くエネルギーが高い電磁波である X 線やガンマ線を使います。X 線やガンマ線は物体を透過する性質があります。X 線やガンマ線を部材に照射して透過させると、きずの有る所と無い所では弱まり方が異なってきます。また X 線やガンマ線にはフィルムを感光させる作用があります。この性質を利用して、出てくる側にフィルムを置いておくと、影絵のような画像を得ることができます。この原理は、病院で行われるレントゲン検査と同じです。放射線透過試験は、出力が画像になるので直感的にわかりやすい手法です。弱点は、影絵なのできずの平面的な分布はわかるものの、深さ方向の情報は得られません。また、放射線は大量に浴びると人体に損傷を与えることがわかっているので、安全管理を厳密に行う必要があります。
超音波探傷試験では、音波の一種である超音波を使います。超音波に限らず音波は空気中だけではなく、固体の中にも伝わります。超音波を材料中に透過させることは可能で、放射線透過試験に似た「透過法」という手法もあります。しかし、現在超音波探傷の主流は「パルス反射法」
です。パルス反射法は、簡単に言えば山びこの原理を使います。ごく短い音（パルス波）を発信して、その音が何かに反射して戻ってくるのを受信するという方法です。
パルス反射法は、病院で行われる超音波検査と原理的にはまったく同8水艦探知に使われるソナーもパルス反射法です。

第 章◦超音波探傷の物理じです。それだけではなく、漁業で使われる魚群探知機や海面探査、潜1

超音波探傷試験では、放射線透過試験ではわからないきずの厚み方向の位置がわかります。また、安全面でも超音波探傷で通常使う超音波のエネルギーでは人体に損傷を与えることはなく、超音波が当たることに対する安全対策は必要ありません。
超音波探傷の結果表示は、直接には表示器の波形であって、放射線透過試験のような画像ではないため、一定の知識や経験がないと直感的にわかり難いという難点がありました。近年コンピュータ技術の進歩によって、さまざまな方法で断面や水平面画像での結果出力が可能になってきています。
X 線照射装置

試験体
X 線の透過探傷結果波形

X線

試験体
超音波の反射きず

超音波
きず

超音波探傷って難しそうだけれど
安全なのね

X 線フィルム

探傷結果 写真画像
放射線透過試験

図 1-1

チェック
ポイント

超音波探傷試験

内部のきずを見つける探傷試験

探傷試験で見つかるものがすべて有害で危険とは限りません。有害かどうか評価する前の段階では、「欠陥」とか漢字の「傷」という用語は使わずに平仮名で「きず」と呼びます。

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1-2 ● 超音波とは（ 1 ） 超音波の定義
周波数が高くて耳で聞くことができない音が超音波です。超音波を音の仲間に入れることで、音の範囲が広がって、耳で聞くことのできる音を「可聴音」と言うようになりました。周波数は 1 秒間に振動する数で、単位として Hz（ヘルツ）を用います。人間は、可聴音の周波数の違いを音の高さとして認識しています。周波数の値が大きい音は「高い音」、周波数の値が小さい音は「低い音」と認識します。どこまで周波数の高い音が聞こえるかは、個人差があり明確な境界線を引くことはできません。
欧米の規格では 16000 Hz を超える周波数の音を超音波とする場合もありますが、日本の非破壊検査の世界では 20000 Hz（20 kHz）を超える音を超音波としています（日本工業規格 JIS Z 2300：2000「非破壊試験用語」）。

（ 2 ） 超音波を探傷に使う理由
超音波がきずを見つける探傷に使われる理由はいろいろありますが、大きく言うと 2 つあります。それは超音波の性質を上手に利用しているのですが、その性質の物理的な説明は後の項で行うとして、ここでは概略を述べておきます。
理由の 1 つ目は、特定の方向に限定して音を伝えることができることです。可聴音では、特別の工夫をしない限り、音は四方八方に広がって伝わります。超音波では、周波数が高くなるほど特定の方向のみに伝えることができるようになるのです。音を目で見える光に置き換えると、可聴音はむき出しの電球、超音波は特定の方向を照らすサーチライト、もしくはスポットライトとしてそれぞれイメージすることができます。
サーチライトやスポットライトより身近な自動車のヘッドライトをイメージしても良いかもしれません。

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ら反射するようになることです。超音波探傷試験に限らず、きずを見つける探傷試験では検出限界があります。非破壊試験はもともと、目には見えないようなきずを見つけたいという要請に応えるために登場した技術ですから、より小さいきずを確実に見つけることが求められます。周
波数が高くて波長が短い超音波は、小さなきずでも反射して戻ってくるため、探傷試験には好都合なのです。

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特定の方向を狙い撃ち四方八方に伝わる可聴音

第 章◦超音波探傷の物理

理由の 2 つ目は、周波数が高くなるほど波長が短くなり小さなものか

20000 Hz超音波

周波数 低い

高い

波長 長い

短い
超音波の性質は波長で決まります

図 1-2

超音波とは

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1-3 ● 超音波の種類Ⅰ

縦波と横波（ 1 ） 縦波
私たちが普段聞いている音は、空気中を伝わる音です。音は、空気の無い真空中は伝わりません。容器の中に音源を入れて容器の空気を抜いて真空にすると音は聞こえません。音は音を伝えるもの（媒質と言う）が無ければ伝わらないのです。しかし、容器の中の空気を抜く真空実験
でも、実はよく耳を澄ますと、音がかすかに聞こえます。それは、音源が接している台や容器を振動させ、それらが媒質となって音を伝えるからです。音は空気だけではなく、固定中も伝わるのです。もちろん水やオイルなどの液体も音を伝える媒質になります。
普段耳にする音は、楽器でも人間の声帯でも何でもよいのですが、何かが急に動くことで周りの空気に力を加えて空気の状態を変化させることで発生します。この変化が、隣の空気の状態の変化を呼び起こし、伝わります。この状態の変化の実体は、圧力です。圧力の高い状態と低い状態が連鎖して伝わっているのです。空気は圧縮されて密度が高くなると圧力が高くなり、逆に密度が低くなると圧力が低くなります。
気体の分子は、圧力の高い所から圧力の低い所へ移動しようとします。
音が伝わる時、空気の分子は風のように流れているのではなく、圧力の高い所と低い所を行ったり来たりして振動しています。この振動が伝わることで波になります。この波は、分子の振動方向と平行に進みます。
波の進行方向と波を伝える媒質の振動方向が平行である波を「縦波（longitudinal wave）」と言います。
空気は力によって圧縮されると、元に戻ろうとする性質があって、この復元力によって縦波が生まれます。圧縮されると元に戻ろうとする弾性は液体や固体にも同様にあって、このため縦波は液体中にも固体中にも伝わるのです。

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