JPH0225166Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の技術分野〕 この考案は鋼管の内外表面や丸棒の表層部に発
生する欠陥を検出するための超音波探触子の改良
に関するものである。

〔従来技術〕

従来の超音波探触子及び探傷方式について第１
図ａ，ｂ，第２図を用いて説明する。

第１図ａは従来の超音波探触子と、超音波探触
子を被検材中心軸に対して平行移動させて所定の
屈折角を得て探傷する方法を示す図である。第１
図ｂは従来の超音波探触子を被検材中心軸に対し
て傾けて所定の屈折角を得て探傷する方法を示す
図である。第２図は従来の超音波探触子の被検材
の長軸方向に対応した超音波ビームの特性図であ
る。

第１図ａ，ｂ及び第２図において１は超音波探
触子、２は送受信用振動子、３は水、油等の探触
媒体、４は鋼管や丸棒等の被検材、５は−6dB音
圧のビーム幅、６は近距離音場限界距離x₀、７は
0.7倍のx₀６，８は1.6倍のx₀６，Ｉは超音波が被
検材４へ入射する入射点、θ₁は入射角、θ₂は設計
温度（例えば20℃）の屈折角、θ₃は設計温度θ₂よ
り高い温度の時の屈折角、θ₄は設計温度θ₂より低
い温度の時の屈折角、△ｌは被検材４の中心軸Ｙ
−Y′から超音波探触子１の中心ビームまでの距
離である。

ところで鋼管の超音波探傷においては被検材４
中の屈折角θ₂の選定が大変重要な事は今さら言う
までもないが（肉厚）／（外径）の比によつて超
音波の中心ビームが内表面に当たらなくなり、欠
陥検出が困難になる場合が生じる。特に超音波自
動探傷装置で高速で探傷を行なう場合には被検材
４を超音波探触子１の位置関係を常に一定に保つ
事は極めて困難であり、この位置づれによつても
屈折角θ₂変化する事になる。従つてこの屈折角θ₂
の変化を小さくさせるためには温度変化による屈
折角θ₃〜θ₄の変化量を少なくさせる事が重要にな
つてくる。

第１図ａ，ｂに示す様な従来の水浸法の超音波
探触子１においては振動子２の表面に薄い整合層
（エポキシ樹指等）が振動子２と平行にコーテイ
ングされているだけであるため、振動子２から放
射された超音波は接触媒体３中を伝播し、被検材
４表面の入射点Ｉへ到達するまでの条件はいかな
る温度においても不変である。

ところが、水、油等の液体の接触媒体３と鉄等
の固体の被検材４の温度と音速の関係がまつたく
逆の特性である。すなわち接触媒体３の水は温度
が上昇するとともに音速も速くなり、逆に被検材
４の鉄は温度が上昇するとともに音速が遅くなる
ため、スネルの法則により、温度が低い時は屈折
角θ₄が大きくなり、温度が高い時は屈折角θ₃が小
さくなる。例えば20℃の温度で屈折角θ₂が38゜で
設計された超音波探触子１の場合には温度が10℃
〜35℃に変化するとそれぞれの屈折角θ₄，θ₃は
39.4゜〜36.7゜となり、実際の設計値とは異なり、
超音波探傷上屈折角がばらつく原因となる。尚、
この角度ばらつきの原因は液体である接触媒体３
の温度特性によるものがほとんどである。

又、自動探傷装置においては被検材４の全面探
傷、検査時間の短縮（高速探傷）、安価である事、
保守性の良い事等が要求される事から、超音波探
触子１の数を少なくし、１個当たりのビーム幅５
を広く確保するため通常は被検材４の寸法から測
定範囲が超音波探触子１の近距離音場限界距離x₀
６内になる様に振動子２の寸法Ｄを選択するが振
動子２寸法Ｄの値が大きくなると動的特性（傾き
特性）が非常に敏感になつたり、ビーム幅５が広
くなるために小さな欠陥の検出能力が低下する等
の欠点が生じる。

逆に振動子２寸法Ｄを小さくすると近距離での
ビーム幅５が狭くなり全面探傷が出来なくなつた
り、遠距離での感度低下が大きくやはり小さな欠
陥の検出能力が低下する等の欠点が生じる。

又、振動子２の寸法Ｄの大きさにも実用性の点
から限界があるため、測定範囲が広い場合には部
分的に全面探傷できない部分が生じる。すなわち
平板の振動子２が有するビーム幅５は0.7x₀７〜
1.6x₀８の範囲の狭くなり、最も狭い部分はx₀６
の点で、約Ｄ／４（−6dB）程度となるから、こ
の区間に存在する測定範囲では全面探傷とならな
い事になる。

〔考案の概要〕

この考案は従来の欠点を大幅に改善し、周囲温
度が変化してもほぼ同一の屈折角が得られと同時
に0.7x₀〜1.6x₀に存在するビーム幅の狭くなる部
分を除去した超音波探触子を提供するものであ
る。

〔考案の実施例〕

第３図はこの考案による超音波探触子の横断面
図と超音波ビームの経路を示す図である。

第４図ａはこの考案による超音波探触子の楔の
後方からの斜視図、第４図ｂはこの考案による超
音波探触子の楔の他の例で、後方からの斜視図で
ある。

第５図はこの考案による超音波探触子の被検材
の長軸方向に対応した超音波ビームの特性図であ
る。

第３図、第４図ａ，ｂ及び第５図において、１
は超音波探触子、２は送受信用振動子、３は水、
油等の接触媒体、４は鋼管や丸棒等の被検材、９
はこの考案による被検材４との対向面Ａに所定の
角度を設け、かつ振動子２の接着面で超音波の屈
折方向とは90゜異なる方向（第４図では被検材４
の搬送方向）に凸レンズ（超音波の拡散効果を有
するレンズ）状の曲率を設けた有機ガラス製の
楔、１０はこの考案による他の案で、被検材４と
の対向面Ａに所定の角度を設け、かつＡ面の超音
波屈折方法とは90゜異なる方向（第４図では被検
材４の搬送方向）に凸レンズ状の曲率を設けた有
機ガラス製の楔、Ｒは超音波の屈折角方向とは
90゜異なる左右方向の楔９，１０に設けた曲率、
Ｐは楔９，１０のＡ面における超音波の中心ビー
ムの入射点、θ₆は楔９，１０のＡ面となす法線Ｘ
−X′に対する入射角、θ₁は設計温度（例えば20
℃）における被検材４への入射角、θ_1aは設計温
度より高い温度での入射角、θ_1bは設計温度より
低い温度での入射角、I₀は設計温度での入射点、
I₁は設計温度より高い温度での入射点、I₂は設計
温度より低い温度での入射点、θ₂は設計温度での
被検材４中の屈折角、θ_2aは設計温度より温度が
高い時の屈折角、θ_2bは設計温度より温度が低い
時の屈折角である。

この考案による超音波探触子１ａにおいては振
動子２と接触媒体３の間に楔９，１０が設けられ
ているため楔９，１０の入射点Ｐを基準とした法
線Ｘ−X′に対する楔９，１０内での超音波の入
射する方向が超音波の進行方向で後方より入射す
る条件であれば楔９，１０から接触媒体３への放
射角βと被検材４への接触媒体３中の入射角θ₁は
それぞれ(1)，(2)式となる。

β＝sin^-1（V₂／V₁×sinθ₆） …(1) θ₁＝β＋θ₅ …(2) V₁：楔の音速、V₂：接触媒体の音速 θ₅：楔のＡ面の角度、θ₆：楔中の入射角度 又、被検材４中の屈折角θ₂は(3)式となる。

θ₂＝sin^-1（V₃／V₂×sinθ₁） …(3) V₃：被検材の音速 すなわち(3)式より明らかな様に被検材４への入
射角θ₁は被検材の音速V₃と接触媒体の音速V₂の
温度特性がまつたく逆である事を利用して、接触
媒体の音速V₂の値が大きくなつたら接触媒体３
中の入射角θ₁の値が大きくなり、逆に接触媒体の
音速V₂の値が小さくなつたら接触媒体３中の入
射角θ₁の値も小さくなる様にする事により被検材
４中の屈折角θ₂の温度変化によるばらつきを極め
て少なくする事が可能となる。楔９，１０が有機
ガラスの場合のＡ面の角度θ₅の最適値は2゜〜4゜位
に存在する。

具体的な超音波の伝播経路は以下の様になる。
温度が常温より低い場合の超音波は楔９，１０の
入射点Ｐから被検材４上の入射点I₂へ到達する径
路となるため被検材４への入射角θ_1bの値は小さ
くなる。又、温度が常温より高い場合の超音波は
楔９，１０の入射点Ｐから被検材４上の入射点I₁
へ到達する経路となるため被検材４への入射角
θ_1aの値は大きくなる。第６図にこの考案による
超音波探触子の温度と被検材中の屈折角の関係の
実側値と、いくつかの計算例を示す。

第６図において２０はこの考案による超音波探
触子１ａの実測値、２１，２２はこの考案による
楔９，１０のＡ面の角度θ₅が6゜と10゜の場合の計算
値、２３は楔９，１０のＡ面の角度θ₅が13゜の場
合の計算値、２４は従来の超音波探触子の実測
値、θ₂は被検材４中の屈折角、Ｔは温度である。
第６図からも明らかな様に、この考案による超音
波探触子は例えば温度Ｔが20℃で屈折角が38゜の
設計値の場合でも周囲温度が10℃〜35℃と変化し
ても被検材４中の屈折角θ_2a〜θ_2bは設計値の屈折
角θ₂に対して±0.5゜以内の精度に入れる事が可能
であり、探傷性能の信頼性が大幅に向上する。

又、この考案の超音波探触子１ａの楔９，１０
には超音波の屈折角方向と90゜異なる方向（第４
図では被検材４の搬送方向）に凸レンズ状の曲率
Ｒが設けられているため、平板振動子２の時に見
られた0.7x₀７〜1.6x₀８の範囲でのビーム幅の縮
少現象はまつたく無くなり、第５図に示す様にx₀
６の距離まではほぼ振動子２寸法Ｄの値と同等の
ビーム幅５が得られる。従つて、完全な全面探傷
が可能となる。さらに超音波ビームを拡散させて
いるために、超音波探触子１ａに対して傾いた欠
陥でも検出できる様になる。又、必要最小限のビ
ーム幅５で探傷する事が出来るので小さな欠陥の
Ｓ／Ｎが向上するなどの特徴を有しており、自動
探傷装置用の超音波探触子としては最適な物と成
り得る。

尚、実施例では有機ガラスの例で示してある
が、その他の材料においても最適値は異なつても
同様な考え方ができるためこの考案の適用はまぬ
がれない事は言うまでもない。

〔考案の効果〕

以上説明した様にこの考案は超音波の屈折角方
向で、かつ被検材と対向する楔の面に2゜〜10゜の
傾斜を設けるとともに超音波の屈折角方向とは
90゜異なる方向（被検材の搬送方向）に凸レンズ
状の曲率を設けた事により、温度変化に対する被
検材中の屈折角の変化を少なくし、かつ必要最小
限の平行ビームを形成する事で完全な全面探傷を
可能としたり、小さな欠陥のＳ／Ｎが向上した
り、傾いた欠陥の検出が可能となる実用的な超音
波探触子を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来の超音波探触子を被検材中心軸
に対して平行移動させて所定の屈折角を得て探傷
する方法を示す図、第１図ｂは従来の超音波探触
子を被検材中心軸に対して傾けて所定の屈折角を
得て探傷する方法を示す図、第２図は従来の超音
波探触子の超音波ビーム特性図、第３図はこの考
案による超音波探触子の横断面図と超音波ビーム
の経路を示す図、第４図はこの考案による超音波
探触子の楔の後方からの斜視図、第５図はこの考
案による超音波探触子の超音波ビーム特性図、第
６図は超音波探触子の温度と屈折角の関係を示す
図である。 図において１は従来の超音波探触子、１ａはこ
の考案による超音波探触子、２は振動子、３は接
触媒体、４は被検材、５は超音波ビーム、９，１
０はこの考案による超音波探触子の楔、θ₅は楔の
Ａ面に設けられた角度、Ｒは超音波の伝播方向と
は90゜異なる左右方向の楔に曲けた曲率である。
尚、図中同一あるいは相当部分には同一符号を付
して示してある。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 超音波振動子の被検材との対向面に楔を有し、
   かつ上記楔と被検材との間に間隙を設け、この間
   隙に液体の接触媒体を介在させて斜角探傷を行な
   うための超音波探触子において、超音波の屈折角
   方向で、かつ被検材と対向する楔の面に2゜〜10゜
   の傾斜を設けるとともに超音波の屈折角方向とは
   90゜異なる被検材の搬送方向と平行な方向に凸レ
   ンズ（超音波の拡散効果を有するレンズ）状の曲
   率を設けた事を特徴とする超音波探触子。