技術紹介

丸棒などの曲率が超音波探傷に及ぼす影響
荒川敬弘 *1

Arakawa Takahiro

福本伸太郎 *2
Fukumoto Shintaro

大庭勇輝 *2

Ooba Uuki

配管や円柱試験体に入射した超音波ビームの拡散に及ぼす曲率の影響を、数値シミュレーションをも活用して検討した。この結果、円柱試験体曲率面で超音波ビームが平板試験体より広く拡散するのは、以前からの定説の線接触による見かけの振動子幅の減少に伴う指向性の鈍化によるのでなく、曲率面によりレンズが生じることによる超音波ビームの屈折が原因であることがわかった。また、屈折の条件より超音波ビームの拡散の程度を予測できた。
キーワード：超音波探傷、円柱、配管、曲率、シミュレーション

を接触媒質として垂直探傷を行って得られた探傷

1. はじめに波形を図 1 に示している。超音波ビームが広が丸棒などの側面に探触子を設置した場合、平板るために側面で二度反射して戻る円柱面エコーに比べて超音波ビームが円周方向に、より広く拡（図 1 の下部参照）の発生の様子は、振動子寸法散して伝搬することが知られている。この理由とに著しく依存することが明らかである。すなわち、して、振動子が試験体と一部でしか接触しないた

最 も 大 き な 振 動 子 寸 法 f 25.4mm の 場 合、 直 径

めに、あたかも線状の振動子を用いて探傷してい100mm 丸棒の底面エコーのビーム路程の 1.3 倍、るのと同じ状態になり、超音波ビームの指向性が1.7 倍の位置に円柱面エコーを明確に確認できる。

鈍くなることがあげられている。しかし、定量的一方、最も小さな直径 6.35mm の振動子では、円（1）（2）柱面エコーの確認は難しい。なお、周波数 2.25MHz

小口径配管などの探傷手法を検討するには、曲と変えても、5MHz の場合と傾向は同じで、大き率面を伝達した超音波の音場を把握することが重な振動子寸法のほうが円柱面エコーを明確に確認要であると考え、数値シミュレーションを活用しできた。

な解釈は示されていない。

た検討を行ったので報告する。

試験結果は、振動子寸法が大きいほうが指向性は鈍くなることを意味しており、平板での指向性2. 円柱試験体の垂直探傷を表す一般式（指向角は振動子寸法に半比例する）

直径 100mm の円柱試験体の側面から、周波数とは矛盾するものである。このため、シミュレー

5MHz で、 振動子寸法 f 25.4mm、f 12.7mm およションを用いて、円柱面内の音場がどのようにび f 6.35mm の垂直探触子を用いて、グリセリンなっているのかを観察した。観察結果を図 1 に*1：フェロー 工学博士
*2：研究開発センター 研究開発グループ

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図1

直径 100mm の円柱試験体を側面から各種サイズの 5MHz 垂直探触子で探傷したときの探傷波形（A スコープ）と、シミュレーションによる超音波ビームプロファイル（接触媒質：グリセリン）探傷波形と比較して示している。シミュレーショことを示唆している。図 2 に、振動子の端部に

ンには Civa 2016 ソフトを用いた。

おける超音波ビームの屈折の様子を模式的に示しシミュレーションの結果も、明らかに振動子寸た。ここでの超音波の入射角と屈折角は、超音波法の大きいほうが、曲率面を通過後の超音波ビーが円柱試験体に入射した位置における円柱中心にムの広がりが大きいことを確認できる。また、振向かった法線に対する角度となる。

動子寸法 f 25.4mm のシミュレーション結果には、強い超音波ビームが異なる方向に二本進行しているのが注目された。この方向の異なる二つの超音波ビームのモードを確認するために、シミュレーションで縦波および横波だけの解析を行った。この結果、二つの強い超音波ビームは縦波と横波であることがわかった。
垂直探傷における横波の発生は、単に接触面が線状に狭くなるために超音波ビームが拡散するとの説明からは理解できない現象である。このこと

図2

は、接触媒質部が凹面のレンズの役割を果たして超音波の屈折が起こり、この折に横波も発生する—

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前面平たんな垂直探触子を円柱試験体側面に設置したときの探触子端部における超音波の円柱試験体への入射および屈折の関係
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図 3 は、前面平たんな探触子が円柱試験体と験 体 に 接 触 さ せ、 反 対 側 の 円 周 面 に 5MHz で接する位置からの距離 d に対する試験体への入射10 × 10mm の横波振動子を接触させて透過法で試角を求めた結果（超音波が振動子の面に垂直に送験した。結果を図 4 に示すが、円周方向に振動信されて試験体に入射すると仮定している）や、方向を持つ横波の発生が確認され、振動方向からその入射角における縦波および横波の音圧往復通も円周面で屈折が起こり、横波も発生したものと（3）過率も示している 。このときの音圧往復通過率考えられる。

は、水から鋼へ超音波が斜め入射するときの結果

これより、円柱試験体の側部から入射した超音を用いている。例えば振動子寸法が f 25.4mm な波ビームが円周方向に広がりを持つ現象は、試験

どと大きくなると、振動子の端部では横波がかな体表面の曲率による屈折が主な原因であると判断

り強く試験体内に伝達することが理解できる。

できる。一方、屈折は界面を構成する二つの音速

また、図 1 の振動子寸法 f 25.4mm のシミュレー比に依存する。このことは、用いる接触媒質や、ション結果で見られた縦波と横波の進行方向は、円柱試験体と同じ曲率をつけたシューを用いた場スネルの法則で関連付けられることも確認した。

合などで、試験体内部の音場が変化することを意

なお、図 2 における最大広がり角（y）（中心味している。

軸に対する傾き角）を求めて、図 1 のシミュレー

接触媒質に水およびグリセリンを用いた場合、ション結果に図示しているが、数値シミュレーおよび円周と同じ曲率で加工した樹脂製のシューションで求めた音場における超音波ビームの拡散を用いた場合の、探傷波形およびシミュレーショは、ほぼこの最大広がり角（y）に一致している

ン結果の例を図 5 に示している。ここでは、探といえる。

傷周波数 2.25MHz で振動子寸法 f 25.4mm の場合

また、横波の発生を確認するために、グリセリを示しているが、明らかに試験体内部の音場に変ンペーストを接触媒質として、5MHz で振動子寸化が生じることがわかる。すなわち、試験体との法 f 25.4mm の垂直探触子を直径 100mm の円柱試

音速比の小さい曲率付のアクリル樹脂くさびを用

図 3 前面平たんな垂直探触子を直径 100mm の円柱試験体側面に設置したときの振動子端部における超音波入射角および試験体内部への縦波と横波の音圧往復通過率に及ぼす振動子寸法の影響（接触媒質：水）—

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図 4 前面平たんな縦波垂直探触子（振動子寸法：f 25.4mm）を直径 100mm の円柱試験体側面に設置し  たとき（接触媒質：グリセリン）に、試験体内に伝達される横波の確認試験結果

図 5 直径 100mm の円柱試験体を側面から垂直探触子（周波数：2.25MHz、振動子寸法：f 25.4mm）で  探傷したときの、探傷条件の違い（水とグリセリンを接触媒質とした場合、および円柱面に合わせた  曲率を設けたアクリル樹脂製のシューを用いた場合）による探傷波形（A スコープ）およびシミュレーションによる超音波ビームプロファイルの比較
いた場合に超音波ビームの拡散が小さくなり、音3. 円柱試験体の斜角探傷速比の大きい水を接触媒質とした場合に円柱試験体内部のビームの拡散が大きくなっている。

丸棒などの大きな曲率面を持つ試験体を探傷する場合には、曲率面での屈折を考慮する必要があることがわかり、このことは斜角探傷においても—

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IIC REVIEW/2017/10. No.58同様である。曲率面の影響を小さくするには、試イルより求めてビーム幅とした。

験体中の超音波の音速に近い材料をくさびに用い一方、試験体表面におけるビーム幅も求めた。て、かつくさび前面に試験体と同じ曲率を設けて、試験体表面のビーム幅は、アクリル樹脂中のビー探触子を試験体の曲率に密着させることが有効でムプロファイルをシミュレーションで求め、それある。ここでは、アクリル樹脂をくさび材料とし、ぞれの探傷におけるくさび内距離におけるビーム直径 45mm の円柱試験体に、くさび表面にも同じ幅を、最大エコー高さの 1/2（-6dB）のビーム幅曲率を設けて接触させて探傷する場合についてシを求めた。
図 6 に、円柱試験体のビーム幅と平板試験体ミュレーションを用いて検討した。
このときの振動子には、5MHz で曲率が 50mm おのビーム幅の比に対する、曲率面表面におけるよび 30mm で、かつ直 径 10mm、15mm、20mm のビーム幅の関係を求めた結果を示している。両者

点集束探触子の適用を検討した。シミュレーションの関係に極めてよい相関があり、曲率面におけるではさらに、くさび内距離を 10mm、15mm、20mm、ビーム幅が大きくなるほど、平板試験体に対する25mm および 30mm として計算を行った。それぞ円柱試験体のビーム幅の比率が大きくなり、ビーれのシミュレーション結果より、円柱試験体位置

ム幅が円周方向に広がり扁平な音場になっていくで最も音圧の高い位置での音場シミュレーションことがわかる。

へん表面のビーム幅が大きくなると、端部における結果より、円周方向のビーム幅を測定した。
一方、同様の探傷条件での平板試験体中での円柱試験体への入射角が大きくなり、屈折角がさビーム幅も測定し、円周面でのビーム幅との比をらに大きくなることが原因である。このことより求めて、曲率面による影響を評価した。なお、今も小口径配管などの大きな曲率面の探傷では、曲回の評価では、最大エコー高さから 1/2（-6dB）

率面に当たるときの超音波ビームの広がりに配慮の位置に当たるエコー高さの幅をビームプロファする必要があるといえる。		

図 6 外径 45mm 配管の各種集束探触子でのビームの広がりに及ぼす試験体への超音波入射位置でのビーム幅の影響—

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4. まとめ

参考文献

円柱試験体などの側面からの探傷で、ビーム幅（1） 超音波探傷試験問題集、一般社団法人日本非が広がるのは、一般に探触子が試験体に線状に当破壊検査協会、1994、p.129、133たるためにあたかも幅の狭い振動子による探傷と（2）溶接構造物の試験・検査、一般社団法人日本同様に指向性が鈍くなるためとされてきた。しか溶接協会、2008、p.299

し、本試験の結果より、曲率面で起こる屈折がよ（3）［非破壊検査技術シリーズ］超音波探傷試験

り重要な役割を果たしていることが明らかになっⅢ、 一 般 社 団 法 人 日 本 非 破 壊 検 査 協 会、た。すなわち、振動子が大きくなると、振動子の2001、p.29

端部において円柱試験体への入射角が大きくなり、試験体中での屈折角も大きくなる。この結果、振動子寸法が大きいほうが円柱面エコーを明瞭に観察でき、また端部においてモード変換による横波も発生することが明らかになった。
すなわち、超音波が試験体に入射する試験体表面位置における超音波ビーム幅が大きいほど、また試験体界面を構成する二つの物質の音速比が大きいほどビームの広がりが大きくなることがシミュレーションの結果より明らかになった。

フェロー
工学博士

研究開発センター
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荒川 敬弘

福本伸太郎

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研究開発グループ

大庭 勇輝
TEL. 045-791-3522
FAX. 045-791-3547—47—

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