JP7357341B2 - 音響式検査装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、被検査物体に音波を伝達し、反射音に基づいて被検査物体の状態を検査する音響式検査装置および方法に関し、特に金属の欠陥を検査するための音響式検査装置および方法に関する。

従来、コンクリートや金属等の内部の亀裂等を非破壊検査する方法の一つとして、超音波検査や打音検査が広く用いられている。超音波検査では、通常、反射パルス検出の時間分解能を高めるために、十分に小さい波長の超音波を用いる。このため、指向性が高まり、１回に検査できる範囲が狭い。また、超音波検査では、目的とする欠陥だけではなく、微細な内部構造による反射も捉えてしまうため、例えば金属の硬化肉盛溶接部等の、微小クラックを多く有する部位の検査には不向きである。

これに対して、打音検査は、微細な内部構造を捉え難いが大域的な構造を捉えるのに適しており、例えば金属溶接部の検査にも用いられている。例えば、溶接部に対して打音検査を行う装置の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された非破壊検査装置は、ハンマーで溶接部を打撃し、打撃された溶接部から発生する振動を振動信号として検出し、振動信号を所定の周波数帯域毎の時系列信号に変換し、周波数帯域毎にて時系列信号の最大値を抽出し、抽出された最大値をあらかじめ設定された振動基準値と比較することにより、欠陥の有無を判定する。

特許第３４９２２１７号公報

上記特許文献１に記載されているように、従来の打音検査では、人間が手に持ったハンマーで被検査物体を打撃することが一般的である。このため、叩き方や叩く位置によって検査結果にばらつきが生じ、客観的な信頼性が確保されにくいという問題があった。

そこで、本発明は、金属の内部の欠陥を検査する音響式検査装置および方法において、検査結果に対する客観的な信頼性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の音響式検査装置は、金属の検査に用いる音響式検査装置であって、前記金属の表面に音波振動を与える加振器と、前記金属から反響音を集音するマイクロフォンと、前記反響音に基づいて、前記金属における欠陥の有無を判定する判定装置とを備えている。前記音波振動の周波数は０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であり、前記判定装置による判定に用いられる反響音の周波数は０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下の範囲である。

上記の音響式検査装置によれば、人間がハンマーで被検査物体を打撃する従来の打音検査に比較して、加振器によって一定の音波振動を与えることができる。さらに、反響音に基づいて欠陥の有無を判定する判定装置を備えていることにより、従来の打音検査のように人間の耳で判断する場合に比較して、客観的な検査結果を得ることができる。また、被検査物体である金属に与える音波振動の周波数を０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲とすることにより、金属に欠陥があった場合、反響音の周波数スペクトルに倍音が観察される。したがって、この倍音を検出することにより、金属の欠陥の有無を検出することができる。さらに、判定装置による判定に用いられる反響音の周波数が０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下の範囲であることにより、超音波検査のように微細な内部構造による反射を捉えてしまうことがない。これにより、例えば、微小クラックを多く有する金属の検査にも対応可能である。以上のように、金属の内部の欠陥を検査する音響式検査装置であって、検査結果に対する客観的な信頼性が向上された検査装置を提供することができる。

また、本発明の音響式検査方法は、金属の検査を行う音響式検査方法であって、金属の表面に、加振器で音波振動を与えるステップと、前記金属から、マイクロフォンで反響音を集音するステップと、前記反響音に基づいて、判定装置が前記金属における欠陥の有無を判定するステップとを含み、前記音波振動の周波数は０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であり、前記判定装置による判定に用いられる反響音の周波数は０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下の範囲である。

上記の音響式検査方法によれば、人間がハンマーで被検査物体を打撃する従来の打音検査法に比較して、加振器によって一定の音波振動を与えることができる。また、金属に与える音波振動の周波数を０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲とすることにより、金属に欠陥があった場合、反響音の周波数スペクトルに倍音が観察される。したがって、この倍音を検出することにより、金属の欠陥の有無を検出することができる。さらに、判定装置による判定に用いられる反響音の周波数が０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下の範囲であることにより、超音波検査のように微細な内部構造による反射を捉えてしまうことがなく、微小クラックを多く有する金属の検査にも対応可能である。これにより、金属の内部の欠陥を検査する音響式検査方法であって、検査結果に対する客観的な信頼性が向上された検査方法を提供することができる。

本発明によれば、金属の内部の欠陥を検査する音響式検査装置および方法において、検査結果に対する客観的な信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態における音響式検査装置の全体概略構成を示す模式図である。 加振器１の機能的構成を示すブロック図である。 判定装置３の機能的構成を示すブロック図である。 被検査物体に対して０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の音波振動を加えたときの反響音信号から得られた周波数スペクトルの一例である。 図４Ａの周波数スペクトルのうち、振幅値が０．００００２５以下の部分に相当する周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲とし、溶接箇所の無い金属（試料Ａ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲とし、欠陥の無い良好な金属溶接部（試料Ｘ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲とし、欠陥のある金属溶接部（試料Ｙ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲とし、図５Ｃと同じ被検査物体を用いているが、図５Ｃの場合よりも欠陥箇所に近い部分（試料Ｚ）に加振器１を当てた場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下の範囲とし、溶接箇所の無い金属（試料Ａ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下の範囲とし、欠陥の無い良好な金属溶接部（試料Ｘ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下の範囲とし、欠陥のある金属溶接部（試料Ｙ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下の範囲とし、図６Ｃと同じ被検査物体を用いているが、図６Ｃの場合よりも欠陥箇所に近い部分（試料Ｚ）に加振器１を当てた場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下の範囲とし、溶接箇所の無い金属（試料Ａ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下の範囲とし、欠陥の無い良好な金属溶接部（試料Ｘ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下の範囲とし、欠陥のある金属溶接部（試料Ｙ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。 音波振動を０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下の範囲とし、図７Ｃと同じ被検査物体を用いているが、図７Ｃの場合よりも欠陥箇所に近い部分（試料Ｚ）に加振器１を当てた場合の周波数スペクトルである。

本発明の第１の構成にかかる音響式検査装置は、金属の検査に用いる音響式検査装置であって、前記金属の表面に音波振動を与える加振器と、前記金属から反響音を集音するマイクロフォンと、前記反響音に基づいて、前記金属における欠陥の有無を判定する判定装置とを備えている。前記音波振動の周波数は０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であり、前記反響音の周波数は０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下の範囲である。

この構成によれば、加振器によって一定の音波振動を与えることができる。さらに、反響音に基づいて欠陥の有無を判定する判定装置を備えていることにより、従来の打音検査のように、人間がハンマーで被検査物体を叩き、人間の耳で反射音を聞いて欠陥の有無を判断する場合に比較して、客観的な検査結果を得ることができる。また、音波振動の周波数が０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であることにより、微小クラックを多く有する金属溶接物の検査にも対応可能である。さらに、反響音の周波数が０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下であることにより、超音波検査のように微細な内部構造による反射を捉えてしまうことがなく、微小クラックを多く有する金属の検査にも対応可能である。

第２の構成にかかる音響式検査装置は、前記判定装置が、αｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲の反響音に基づいて判定を行うことを特徴とする。加振器から与えられる音波振動の周波数帯域（０より大きくαｋＨｚ未満）を判定対象としないことにより、加振器からの音波振動の影響を受けずに判定を行うことができる。

第３の構成にかかる音響式検査装置は、第１または第２構成に加えて、金属が、金属溶接部であることを特徴とする。金属溶接部は、微小クラックを多く有するので、この音響式検査装置によれば、超音波検査のように微細な内部構造による反射を捉えてしまうことがなく、欠陥の有無を的確に判定することができる。

第４の構成にかかる音響式検査装置は、第１から第３のいずれかの構成に加えて、前記金属溶接部が、肉盛溶接部であることを特徴とする。すなわち、この音響式検査装置は、超音波検査のように微細な内部構造による反射を捉えてしまうことがなく、微小クラックを多く有する金属溶接物の検査にも対応可能であるため、肉盛溶接部の欠陥の検査にも適している。

第５の構成にかかる音響式検査装置は、第１から第４のいずれかの構成に加えて、前記判定装置が、前記反響音の周波数スペクトルに基づいて、前記金属における欠陥の有無を判定することを特徴とする。この第５の構成によれば、反響音の周波数スペクトルに基づいて、客観的な検査結果を提供することができる。

第６の構成にかかる音響式検査装置は、第１から第５のいずれかの構成において、前記加振器が、前記金属の表面に接触して音波振動を与える接触振動子を有することを特徴とする。この第６の構成によれば、接触振動子を有する加振器を用いることにより、一定の音波振動を金属の表面に安定して与えることができる。これにより、検査環境に左右されずに、より客観的な検査結果を提供することができる。

第７の構成にかかる音響式検査装置は、第１から第６のいずれかの構成において、前記マイクロフォンが、前記金属の表面に接触して前記反響音を集音する接触マイクロフォンであることを特徴とする。この第７の構成によれば、接触マイクロフォンによって反響音を集音することにより、外部の音を拾うことなく、反響音のみを集音することができる。これにより、検査環境に左右されずに、より客観的な検査結果を提供することができる。

第８の構成にかかる音響式検査装置は、第１から第７のいずれかの構成において、前記音波振動が正弦波であることを特徴とする。この第８の構成によれば、音波振動が正弦波であるため、余計な周波数成分を含まず、判定装置における解析が容易となる。

第９の構成にかかる音響式検査装置は、第１から第８のいずれかの構成において、前記音波振動がスイープ音であることを特徴とする。この第９の構成によれば、より明瞭な音波振動（スイープ音）を与えることにより、検査環境に左右されずに、より客観的な検査結果を提供することができる。

第１０の構成にかかる音響式検査装置は、第１から第９のいずれかの構成において、α＝５であることを特徴とする。この第１０の構成によれば、欠陥が存在した場合に、反響音に倍音が比較的顕著に認められ、欠陥の有無を的確に判定することができる。

本発明の第１の音響式検査方法は、金属の表面に、加振器で音波振動を与えるステップと、前記反響音に基づいて、前記金属における欠陥の有無を判定するステップとを含む。前記音波振動の周波数は０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であり、前記反響音の周波数は０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下の範囲である。

この第１の音響式検査方法によれば、加振器によって一定の音波振動を与えることができる。また、音波振動の周波数が０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であることにより、微小クラックを多く有する金属溶接物の検査にも対応可能である。これにより、金属の内部の欠陥を検査する音響式検査方法であって、検査結果に対する客観的な信頼性が向上された検査方法を提供することができる。さらに、反響音の周波数が０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下であることにより、超音波検査のように微細な内部構造による反射を捉えてしまうことがなく、微小クラックを多く有する金属の検査にも対応可能である。

第２の音響式検査方法は、第１の音響式検査方法において、前記金属から、マイクロフォンで反響音を集音するステップをさらに含み、前記欠陥の有無を判定するステップにおいて、前記マイクロフォンで集音した反響音に基づいて、判定装置が前記金属における欠陥の有無を判定することを特徴とする。

この第２の音響式検査方法によれば、マイクロフォンで集音した反響音に基づいて、判定装置が欠陥の有無を判定することにより、従来の打音検査法のように、人間がハンマーで被検査物体を叩き、人間の耳で反射音を聞いて欠陥の有無を判断する場合に比較して、客観的な検査結果を得ることができる。

［具体的な実施形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、図中に示された各構成要素の寸法および他の構成要素との大きさの比率は、各構成要素の実際の寸法および比率を表したものではない。

図１は、本発明の一実施形態における音響式検査装置の全体概略構成を示す模式図である。図１に示すように、音響式検査装置１００は、加振器１と、接触マイク（接触マイクロフォン）２と、判定装置３とを備えている。

図１に示すように、加振器１は、被検査物体としての金属溶接部１０の表面に接触する接触振動子１１を介して、金属溶接部１０に対して音波振動を与える。音響式検査装置１００は、金属の内でも特に、欠陥として微小クラックを含む金属溶接部の検査に適している。微小クラックを含み得る金属溶接部としては、例えば、肉盛溶接部等がある。接触マイク２は、金属溶接部１０からの反響波（反響音）を集音し、判定装置３へ出力する。判定装置３は、反響音を解析することにより、金属溶接部１０に欠陥があるか否かを判定する。なお、図１において音波振動と反響音を模式的に示した矢印記号は、音波振動および反響音の実際の伝搬方向を示すものではない。

図２は、加振器１の機能的構成を示すブロック図である。図２に示すように、加振器１は、前述の接触振動子１１の他に、エキサイター１２と、電池１３と、オーディオアンプ１４とを備えている。エキサイター１２は、例えば、円柱状の超磁歪素子にコイルを巻回して構成されている。エキサイター１２のコイルへは、オーディオアンプ１４から電流が供給される。図２の例では、加振器１のオーディオアンプへ、外部音源から音信号が供給され、オーディオアンプ１４はこの音信号にしたがって変調した電流を、エキサイター１２へ出力する。これにより、エキサイター１２は、音信号にしたがって変調された電流に基づいて駆動され、接触振動子１１を振動させる。なお、図１では、判定装置３が外部音源としても機能する構成を例示しているが、音信号が加振器１の内部メモリに保存された構成としても良い。また、図２の例では、加振器１は、電池１３を内蔵しているが、電池１３を省略し、外部電源に接続して用いるようにしても良い。

本実施形態においては、接触振動子１１を介して金属溶接部１０に与えられる音波振動の周波数は、０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（ただし、１≦α≦８）である。また、この音波振動は正弦波（ｓｉｎ波）であることが好ましい。正弦波は余計な周波数成分を含まず、判定装置３における解析が容易となるからである。さらに、この音波振動は、スイープ信号であることが好ましい。スイープ信号とは、時間的に周波数が変化する音波である。

加振器１によって音波振動が金属溶接部１０に与えられている間、接触マイク２が、金属溶接部１０からの反響音を集音する。「接触マイク（接触マイクロフォン）」とは、金属溶接部１０の表面に接触した状態で、外部からの音を拾わずに、金属溶接部１０からの反響音のみを集音することが可能なマイクロフォンを意味する。接触マイク２としては、本出願の時点において一般的に「コンクリートマイク」という名称で市場に流通しているマイクロフォン等を用いることができる。接触マイク２で集音された反響音は、判定装置３へ送られる。

判定装置３は、例えば、モバイル型のパーソナルコンピュータ、タブレット、またはスマートフォン等として構成することができる。判定装置３は、加振器１および接触マイク２と接続されている。接触マイク２から出力される反響音は、アナログ信号である場合、ＡＤ変換器（図示せず）によってデジタル信号（反響音信号）に変換されてから、判定装置３へ入力される。

図３は、判定装置３の機能的構成を示すブロック図である。図３に示すように、判定装置３は、前述の反響音信号を入力する信号入力部３１と、反響音信号の周波数特性（周波数スペクトル）を解析するために高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うＦＦＴ処理部３２と、ＦＦＴ処理部３２の処理結果に基づいて、金属溶接部１０の欠陥の有無を判定する欠陥判定部３３とを備えている。

なお、判定装置３においては、接触マイク２から出力された反響音のうち、０ｋＨｚより大きく２０ｋＨｚ以下の範囲が判定に用いられる。ただし、加振器１から与えられる音波振動の影響を除去するために、０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下の範囲を判定対象から除外しても良い。例えば、加振器１から与えられる音波振動が０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲である場合、取得した反響音のうち、５ｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲を解析に用いることにより、解析時に加振音の影響を除外することができる。

ＦＦＴ処理部３２および欠陥判定部３３の機能は、判定装置３を構成するパーソナルコンピュータ、タブレット、またはスマートフォン等のプロセッサが所定のプログラムを実行することによって実現される。なお、判定装置３を、上述のようにユーザが持ち歩くことが可能なパーソナルコンピュータ、タブレット、またはスマートフォン等に実装する以外に、加振器１および接触マイク２と接続可能なネットワーク上のサーバに、判定装置３の機能を実行するプログラムを実装しても良い。

ＦＦＴ処理部３２によって、反響音に対して高速フーリエ変換を行うと、反響音の周波数スペクトルが得られる。加振器１による音波振動が、微小クラック等の欠陥のある箇所で反射された場合、その反響音には倍音が含まれる。すなわち、高速フーリエ変換の処理結果の周波数スペクトルにおいて、倍音による振幅値の増大（スパイク上の山）が認められる。また、音波振動が反響した箇所が欠陥部に近づくほど、振幅値の増大の程度が大きくなる。一方、欠陥がない被検査物体の場合は、反響音には倍音が含まれないので、高速フーリエ変換の処理結果は、平坦な周波数スペクトルを示す。

ここで、反響音信号に対してＦＦＴ処理部３２で行われる判定処理の例を、図４Ａ～図４Ｂに示す。図４Ａは、被検査物体に対して０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の音波振動を加えたときの反響音信号から得られた周波数スペクトルの一例である。図４Ａおよび図４Ｂ並びに後述する他の図において、横軸は周波数（ｋＨｚ）、縦軸は各周波数における振幅幅（ノルム）を表す。本実施形態においては、判定装置３において、まず、この反響音信号において、倍音を検出しやすくするために所定の振幅値以上をカットする。図４Ｂは、図４Ａの周波数スペクトルのうち、振幅値が０．００００２５以下の部分に相当する。ここで、振幅値の閾値は、適宜に設定することができる。例えば、０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の音波振動を与えた場合は、１０ｋＨｚ付近に振幅値の大きい倍音が出やすいので、その倍音の最大振幅値の２倍程度の振幅値に設定することが考えられる。

図４Ｂに表れているように、０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の間には、加振器１により与えられた音波振動の影響が見られる。なお、図４Ｂは、被検査物体としての金属溶接部１０が肉盛溶接部である場合の処理結果である。図４Ｂに示すように、６ｋＨｚ以上の領域においては、１０ｋＨｚ付近、１４ｋＨｚ～１５ｋＨｚ付近、１８ｋＨｚ付近に振幅値が大きくなる箇所が見られる。このように、被検査物体に欠陥がある場合、反響音信号から倍音が観測される。なお、したがって、反響音信号の周波数スペクトルに倍音が含まれるか否かに基づいて、被検査物体に欠陥があるか否かを判定することができる。

例えば、ＦＦＴ処理部３２において、反響音信号の周波数スペクトルについて、周波数毎の振幅値の分散または標準偏差を求めることによって、倍音によって振幅値が増大している箇所があるか否かを判定することができる。すなわち、ＦＦＴ処理部３２は、求められた分散または標準偏差の値を、例えば所定の基準値と比較することにより、金属溶接部１０に欠陥があるか否かを判断する。なお、ＦＦＴ処理部３２において、反響音信号の周波数スペクトルの振幅の最大値に基づいて欠陥の有無を判定することも不可能ではない。しかし、振幅の最大値は環境によって異なるので、上記のように分散または標準偏差を用いる方が好ましい。

反響音信号の周波数スペクトルから倍音を検出する方法は、特に限定されない。加振器１により与えられる音波振動の周波数に基づき、倍音に相当する周波数域の振幅値が所定の閾値を超えているか否かで判定しても良い。あるいは、図４Ｂに示したような反響音信号の周波数スペクトルを、機械学習（ディープラーニング）やＰＣＡ（主成分分析）で大量に学習させて、周波数スペクトルのパターンから倍音の特徴すなわち欠陥の有無を判定できる判定エンジンを生成して用いるようにしても良い。

ここで、被検査物体を異ならせた場合の周波数スペクトルの違いについて、図５Ａ～図５Ｄを参照しながら説明する。図５Ａは、溶接箇所の無い金属（試料Ａ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。図５Ｂは、欠陥の無い良好な金属溶接部（試料Ｘ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。図５Ｃは、欠陥のある金属溶接部（試料Ｙ）を被検査物体とした場合の周波数スペクトルである。図５Ｄは、図５Ｃと同じ被検査物体を用いているが、図５Ｃの場合よりも欠陥箇所に近い部分（試料Ｚ）に加振器１を当てた場合の周波数スペクトルである。なお、いずれの場合についても、加振器１によって与えた音波振動の周波数範囲は０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲である。

図５Ａでは、溶接箇所が無い金属を被検査物体としているため、溶接に起因する欠陥は存在せず、反響音信号には倍音が存在しない。図５Ｂについても、欠陥の無い良好な金属溶接部を被検査物体としているため、反響音信号には倍音がほとんど見られない。図５Ｃについては、欠陥のある金属溶接部を被検査物体としているため、反響音信号には、１０ｋＨｚ付近、１４ｋＨｚ～１５ｋＨｚ付近、１８ｋＨｚ付近に倍音が観察される。図５Ｄについては、図５Ｃと同じ被検査物体において、図５Ｃの場合よりも欠陥箇所に近い部分に加振器１を当てているので、１０ｋＨｚ付近で顕著な倍音が観察される。したがって、図５Ａ～図５Ｄを比較することにより、加振器１によって与える音波振動の周波数範囲を０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲とすることにより、欠陥が無い場合（図５Ａ、図５Ｂ）、欠陥が存在する場合（図５Ｃ）、欠陥の近傍に加振器１が当てられている場合（図５Ｄ）、を互いに区別して検出することができる。なお、１８ｋＨｚ付近に生じている倍音はノイズである。

なお、被検査物体の種類や欠陥の種類によって、倍音が観測される周波数帯域が異なることもある。すなわち、図５Ａ～図５Ｄに示した例はあくまでも一例であり、本発明における判定基準をこれに限定する趣旨ではない。

ここで、加振器１により与えられる音波振動の周波数範囲を異ならせた場合の実験結果を示す。図６Ａ～図６Ｄは、図５Ａ～図５Ｄとそれぞれ同じ被検査物体（試料Ａ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用し、それぞれの試料において図５Ａ～図５Ｄの場合と同じ場所に加振器１を当てた場合の周波数スペクトルを表す。図７Ａ～図７Ｄも同様に、図５Ａ～図５Ｄとそれぞれ同じ被検査物体（試料Ａ，Ｘ，Ｙ，Ｚ）を使用し、それぞれの試料において図５Ａ～図５Ｄの場合と同じ場所に加振器１を当てた場合の周波数スペクトルを表す。ただし、図５Ａ～図５Ｄは、加振器１によって与える音波振動の周波数の範囲が０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下であったのに対して、図６Ａ～図６Ｄは０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下であり、図７Ａ～図７Ｄは０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下である点において、条件が異なっている。

ここで、図６Ａ～図６Ｄを参照し、試料に与える音波振動を０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下の範囲とした場合について説明する。試料に与える音波振動を０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下の範囲とした場合であっても、溶接箇所の無い金属（試料Ａ、図６Ａ）および欠陥の無い金属（試料Ｘ、図６Ｂ）と、欠陥のある金属溶接部（試料Ｙ、図６Ｃ）とを比較すると、図６Ａおよび図６Ｂにおいては、反響音の振幅値がほぼ一定であるのに対して、図６Ｃにおいては、１０ｋＨｚ付近に倍音が観察される。なお、１８ｋＨｚ付近に生じている倍音はノイズである。また、図６Ｃと図６Ｄとを比較することから分かるように、欠陥の近傍に加振器１が当てられている場合（試料Ｚ、図６Ｄ）は、１０ｋＨｚを中心として、図６Ｃよりも広い周波数範囲において、倍音が観察される。つまり、加振器１によって与えられる音波振動が欠陥に近いか否かによって、反響音の周波数スペクトルに、互いに区別可能な相違が生じている。したがって、試料に与える音波振動を０ｋＨｚより大きく１ｋＨｚ以下の範囲とした場合であっても、欠陥の有無および欠陥位置を的確に判定することができる。

次に、図７Ａ～図７Ｄを参照し、試料に与える音波振動を０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下の範囲とした場合について説明する。試料に与える音波振動を０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下の範囲とした場合であっても、溶接箇所の無い金属（試料Ａ、図７Ａ）および欠陥の無い金属（試料Ｘ、図７Ｂ）と、欠陥のある金属溶接部（試料Ｙ、図７Ｃ）とを比較すると、図７Ａおよび図７Ｂにおいては、反響音の振幅値に大きな振れは見られないのに対して、図７Ｃにおいては、１０ｋＨｚ付近に倍音が顕著に観察される。なお、１８ｋＨｚ付近に生じている倍音はノイズである。また、図７Ｃと図７Ｄとを比較することから分かるように、欠陥の近傍に加振器１が当てられている場合（図７Ｄ）は、１０ｋＨｚを中心として、図７Ｃよりも広い周波数範囲において、倍音が観察される。つまり、加振器１によって与えられる音波振動が欠陥に近いか否かによって、反響音の周波数スペクトルに、互いに区別可能な相違が生じている。したがって、試料に与える音波振動を０ｋＨｚより大きく８ｋＨｚ以下の範囲とした場合であっても、欠陥の有無および欠陥位置を的確に判定することができる。

なお、この他にも、加振器１から試料に与える音波振動の周波数範囲を様々に異ならせて実験を行ったが、０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲において、欠陥を精度良く検出することができるという結果が得られた。特に、音波振動の周波数範囲を０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下とした場合において、倍音の検出精度が最も良いという結果が得られた。

以上に説明したように、加振器１から試料に与える音波振動の周波数範囲は、０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であることが好ましい。また、音波振動の周波数範囲として最も好ましいのは、０ｋＨｚより大きく５ｋＨｚ以下の範囲である。

金属溶接部１０の表面に沿って加振器１を移動させながら、加振器１による音波振動の印加と判定装置３による欠陥の有無の判定とを繰り返し行うことにより、金属溶接部１０の内部に欠陥があるか否かが判断できる。また、図５Ｃおよび図５Ｄに基づいた前記の説明から分かるように、音波振動を与えた場所から欠陥までの距離に応じて、反響音信号の周波数スペクトルは異なる。したがって、周波数スペクトルの違いに基づき、金属溶接部１０の欠陥の詳細な位置を特定することも可能である。

以上のように、本実施形態によれば、加振器１によって金属溶接部１０に音波振動を与えるので、人がハンマーを用いて行う打音検査に比較して、金属溶接部１０に与える音波振動を常に一定のものとすることができる。これにより、検査結果に対して客観的な信頼性を持たせることができる。

また、本実施形態では、判定装置３が反響音の周波数スペクトルを求めることにより、反響音の解析を行う。これにより、人が耳で聞いて欠陥の有無を判定する場合に比較して、検査結果の客観性を高めることができる。

上記においては、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態では金属溶接部１０を検査対象としたが、本発明に係る音響式検査装置は、金属溶接部に限らず、金属のあらゆる部位の欠陥検査に適用することができる。

また、例えば、上記の実施形態においては、マイクロフォンとして接触マイクを用いる例をあげたが、環境条件によっては、被検査物体の表面に接触しないマイクロフォンを用いることも可能である。

さらに、上記の実施形態においては、判定装置３を備えた音響式検査装置を例示したが、判定装置３は必須ではなく、人が反響音を耳で聞いて欠陥の有無を判断することも可能である。

また、上記の実施形態では、判定装置３が、反射音信号に対して高速フーリエ変換を行うＦＦＴ処理部３２を備え、周波数スペクトルの分散または標準偏差を求めることによって、欠陥の有無を判断する構成を例示した。しかし、判定装置３による欠陥の判定手法はこれに限定されない。例えば、ＡＩ（人工知能）の学習済みモデルを利用して、欠陥の有無を判定することも可能である。例えば、反響音信号の様々なパターンと欠陥有無の判断結果（クラス分け）とを大量に学習させ、学習済みモデルを作成することができる。学習済みモデルの作成は、機械学習（ディープラーニング）やＰＣＡ（主成分分析）で行うことが好ましい。なお、学習済みモデルの作成はＡＩ解析用パソコン等で行い、作成された学習済みモデル（またはその圧縮モデル）を、判定装置３へ移設するようにしても良い。

１…加振器、２…接触マイク、３…判定装置、１１…接触振動子、１２…エキサイター、１３…電池、１４…オーディオアンプ、３１…信号入力部、３２…ＦＦＴ処理部、３３…欠陥判定部

Claims (10)

1. 金属の検査に用いる音響式検査装置であって、
   前記金属の表面に音波振動を与える加振器と、
   前記金属から反響音を集音するマイクロフォンと、
   前記反響音に基づいて、前記金属における欠陥の有無を判定する判定装置とを備え、
   前記音波振動の周波数は０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であり、
   前記判定装置が、αｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲の反響音に基づいて判定を行う、音響式検査装置。
2. 前記金属が、金属溶接部である、請求項１に記載の音響式検査装置。
3. 前記金属溶接部が、肉盛溶接部である、請求項２に記載の音響式検査装置。
4. 前記判定装置が、前記反響音の周波数スペクトルに基づいて、前記金属における欠陥の有無を判定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の音響式検査装置。
5. 前記加振器が、前記金属の表面に接触して音波振動を与える接触振動子を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の音響式検査装置。
6. 前記マイクロフォンが、前記金属の表面に接触して前記反響音を集音する接触マイクロフォンである、請求項１から５のいずれか一項に記載の音響式検査装置。
7. 前記音波振動が正弦波である、請求項１から６のいずれか一項に記載の音響式検査装置。
8. 前記音波振動がスイープ音である、請求項１から７のいずれか一項に記載の音響式検査装置。
9. α＝５である、請求項１～８のいずれか一項に記載の音響式検査装置。
10. 金属の検査を行う音響式検査方法であって、
    金属の表面に、加振器で音波振動を与えるステップと、
    前記金属から、マイクロフォンで反響音を集音するステップと、
    前記反響音に基づいて、判定装置が前記金属における欠陥の有無を判定するステップとを含み、
    前記音波振動の周波数は０ｋＨｚより大きくαｋＨｚ以下（１≦α≦８）の範囲であり、
    前記判定装置が、αｋＨｚ以上２０ｋＨｚ以下の範囲の反響音に基づいて判定を行う、音響式検査方法。

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