JPH06148151A - 超音波探傷方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リニアアレイ探触子のハードウェア構成及び
欠陥の検出条件に影響を受けることなく副極を高精度で
抑制することを可能とする。 【構成】 受信した反射エコーに応じてリニアアレイ探
触子２の各素子20,20,…から出力される反射エコー信号
の夫々をインパルス処理器６にてインパルス変換し、イ
ンパルス変換した夫々の反射エコー信号を遅延器７，
７，…によって遅延させ、遅延させた夫々の反射エコー
信号を加算器８によって加算し、加算した反射エコー信
号に基づいて前記被検査材の欠陥を検出するようにして
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波を用いて被検査材
の欠陥を検出する超音波探傷方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼材等の被検査材の欠陥を検出する探傷
方法においては、超音波を利用して欠陥を検出する超音
波探傷方法が行われている。この超音波探傷方法として
は、超音波ビームの送信及び受信を行う素子を一方向に
所定間隔で並設してなり、各素子から送信する超音波ビ
ームを位相整合させることによって被検査材の所定位置
に超音波ビームを集束させ、その反射エコーを各素子に
て受信するリニアアレイ探触子を用いて欠陥を検出する
方法が知られている。

【０００３】前記リニアアレイ探触子を用いて欠陥を検
出する方法では、全素子のうち、ある位置に超音波ビー
ムの集束を形成するために送受信動作を行うことを選択
された所定数の素子群を順次切り換えることにより、被
検査材上での超音波ビームの集束位置を素子の並設方向
へ移動させる電子リニア走査と、前記素子群の夫々の駆
動中に超音波ビームの偏向角を変更することによって、
超音波ビームの集束位置を所定範囲内で変更する電子セ
クタ走査とが行われる。

【０００４】ところが、前述の如きリニアアレイ探触子
を用いて超音波ビームを集束させる場合、図５に示され
る如く、目標とする集束位置（以下主極という）以外の
位置にも超音波ビームが集束し副極が生じる。図５は副
極の発生状態を示す説明図である。図中20,20,…はリニ
アアレイ探触子の素子であり、各素子20,20,…から送信
される超音波ビームは、位相整合させられ、被検査材に
おける目標とする位置（以下主極という）Ｍに集束され
る。しかし、リニアアレイ探触子の各素子20,20,…は離
散的に並べられているため、超音波ビームの干渉現象に
よって、目標とする主極Ｍ以外の位置（以下副極とい
う）Ｇにも超音波ビームが集束する。この副極Ｇが生じ
ると、主極Ｍ以外の、レベルが高い反射エコーが検出さ
れるので、欠陥の検出精度が低下する。

【０００５】副極Ｇの出現方位θ_G （探触子の中心から
の角度）は、素子ピッチ（素子間隔）Ｐ，超音波ビーム
の波長λ及び主極Ｍの偏向角θ₀ （探触子の中心からの
角度）によって幾何学的に下記(1) 式の如く表される。

【０００６】 θ_G ＝sin ^-1（λ／Ｐ±sin θ₀ ） …(1)

【０００７】前記(1) 式において副極Ｇが存在しないた
めの条件は、sin θ_G が１よりも大である場合、即ち、
素子ピッチＰが超音波ビームの波長λの半分よりも小さ
い場合であり、副極Ｇを生じさせないためには、素子ピ
ッチＰを小さくすれば良い。但し、このように素子ピッ
チＰを小さくする場合は、次に示すような理由により、
ある位置に集束を形成するために送受信動作を行う素子
数（以下、同時駆動素子数という）を増加させる。

【０００８】下記(2) 式は、超音波ビームのビーム幅Ｗ
_b と、波長λ，同時駆動素子数Ｎ，素子ピッチＰ及び焦
点深さＺとの関係を表す式である。

【０００９】 Ｗ_b ＝２・〔λ／（Ｎ・Ｐ）〕・Ｚ …(2)

【００１０】前記(2) 式に示される如く、超音波ビーム
のビーム幅Ｗ_b は、素子ピッチＰを小さくするに従って
広くなる特性があり、同時駆動素子数Ｎを多くするに従
って狭くなる特性がある。このため、前述の如く素子ピ
ッチＰを小さくすると、ビーム幅Ｗ_b が広くなって欠陥
の検出精度が低下する虞があるので、素子ピッチＰを小
さくする場合は、これと共に同時駆動素子数Ｎを増加さ
せてビーム幅Ｗ_b の拡大を抑制する。

【００１１】このように素子ピッチＰを小さくすると共
に同時駆動素子数Ｎを増加させて副極Ｇの発生を抑制す
る場合は、主極Ｍの最大偏向角，焦点深さ及び測定精度
要求等の欠陥の検出条件と、その検出装置のハードウェ
ア構成とに基づいて、リニアアレイ探触子の素子ピッチ
Ｐ及び同時駆動素子数Ｎを決定し、この素子ピッチＰ及
び同時駆動素子数Ｎを実現するリニアアレイ探触子を使
用する必要がある。

【００１２】また、副極Ｇの発生を抑制する方法として
は、各素子20,20,…から送信させる超音波ビームのパル
ス継続時間Ｔ_d を短くすることにより、超音波ビームの
干渉を抑制して副極Ｇの発生を抑制する方法がある。こ
の方法は、パルス継続時間Ｔ_d と、超音波ビームの周期
Ｔ_c との比（Ｔ_d ／Ｔ_c ）が小さくなれば、各素子20,2
0,…から送信させる超音波ビームが、副極Ｇの出現方位
θ_G にて干渉しないという特性を利用したものである。
但し、この方法を実現するためには、パルス継続時間Ｔ
_d が短い、特殊な探触子を制作する必要がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、素子ピッチＰ
を小さくすると共に同時駆動素子数Ｎを増加させたリニ
アアレイ探触子を用いて副極Ｇの発生を抑制する従来の
方法では、そのリニアアレイ探触子では、その素子ピッ
チＰ及び同時駆動素子数Ｎを決定する際に用いた前記検
出条件と異なる検出条件での欠陥の検出を行う場合は、
副極Ｇを十分に抑制できないという問題があった。

【００１４】また、超音波ビームのパルス継続時間Ｔ_d
を短くする従来の方法を実現する場合は、パルス継続時
間Ｔ_d が短い、特殊なリニアアレイ探触子を制作する必
要があるが、そのパルス継続時間Ｔ_d の短縮は、ハード
ウェア構成上限界があるため、副極Ｇの抑制に限界があ
った。

【００１５】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、リニアアレイ探触子のハードウェア構成及び欠
陥の検出条件に影響を受けることなく副極を高精度で抑
制することを可能とする超音波探傷方法及び装置を提供
することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る超音波探傷
方法は、超音波の送受信を行う素子複数を並設してなる
リニアアレイ探触子から被検査材へ、集束した超音波を
入射させ、その反射エコーを各素子にて受信し、受信し
た夫々の反射エコーを表す反射エコー信号に基づいて前
記被検査材の欠陥を検出する超音波探傷方法において、
前記各素子にて受信された反射エコー信号の夫々をイン
パルス変換し、インパルス変換した夫々の反射エコー信
号に集束位置に応じた所定の遅延を加え、遅延させられ
た夫々の反射エコー信号を加算し、加算された反射エコ
ー信号に基づいて前記被検査材の欠陥を検出することを
特徴とする。

【００１７】本発明に係る超音波探傷装置は、超音波の
送受信を行う素子複数を並設してなるリニアアレイ探触
子から被検査材へ、集束した超音波を入射させ、その反
射エコーを各素子にて受信し、受信した夫々の反射エコ
ーを表す反射エコー信号に基づいて前記被検査材の欠陥
を検出する超音波探傷装置において、前記各素子にて受
信された反射エコー信号の夫々をインパルス変換する手
段と、該手段によってインパルス変換した夫々の反射エ
コー信号に集束位置に応じた所定の遅延を加える手段
と、該手段によって遅延させられた夫々の反射エコー信
号を加算する手段とを備え、該手段で加算された反射エ
コー信号に基づいて前記被検査材の欠陥を検出するよう
にしてあることを特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明にあっては、反射エコー信号の夫々がイ
ンパルス変換されることにより、その信号の継続時間が
短縮される。そして、インパルス変換された反射エコー
信号の夫々は、その集束位置（主極）に応じた所定の遅
延を加えられた後、加算されるが、このとき、主極位置
からの反射エコーは、位相が整合するため、強め合う。
一方、インパルス変換された反射エコー信号は夫々継続
時間が短縮されているため、夫々の反射エコー信号の遅
延及び加算演算時に副極位置からの反射エコーの位相整
合が生じ難くなり、副極位置からの反射エコー信号は、
主極位置からの反射エコーに比べて抑制される。

【００１９】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面に基づい
て具体的に説明する。第１図は本発明に係る超音波探傷
装置の構成を示すブロック図である。

【００２０】図中１は被検査材であり、超音波ビームの
送受信を行う多数の素子20,20,…を所定間隔で１列に並
設してなり、各素子20,20,…から送信される超音波ビー
ムを位相整合させることによって被検査材１の所定位置
に超音波ビームを集束させ、その反射エコーを各素子2
0,20,…にて受信するリニアアレイ探触子２が、前記鋼
管１に対して水（図示せず）を介して配設されている。

【００２１】このリニアアレイ探触子２は、その全素子
20,20,…のうち、ある所定の位置に超音波ビームの集束
を形成するために送受信動作を行うことを選択された所
定数の素子群を順次切り換えることによって、被検査材
１内での超音波ビームの集束位置を素子の列設方向へ移
動させる走査である電子リニア走査を行うと共に、前記
素子群の夫々の駆動の際に各素子20,20,…から送信する
超音波ビームの送信タイミングを変更することによっ
て、位相整合された超音波ビームの偏向角を所定範囲内
で変更する走査である電子セクタ走査を行うことが可能
となっている。

【００２２】リニアアレイ探触子２の各素子20,20,…に
は、これらを励振するパルス信号が多数のパルサ３，
３，…の夫々から与えられるようになっている。但し、
パルサ３，３，…の数は、各素子群における同時駆動素
子数Ｎと同数設けられており、パルサ３，３，…からの
パルス信号は、リニアアレイ探触子２において、順次的
に各素子群に与えられるようになっている。前記パルサ
３，３，…の夫々は、パルサ駆動制御器４によって、そ
の駆動タイミングを制御されるようになっており、パル
サ駆動制御器４は、前記電子リニア走査及び電子セクタ
走査を行うべく予め定められたタイミングにて、パルサ
３，３，…へ駆動タイミング信号を与えるようになって
いる。各素子20,20,…は、前記パルス信号によって励振
され、超音波ビームを被検査材１へ送信し、その被検査
材１からの反射エコーを受信するようになっている。

【００２３】各素子20,20,…で受信された反射エコーの
夫々は、電気信号（反射エコー信号という）に変換さ
れ、それらの反射エコー信号が各別に増幅器５，５，…
に与えられる。増幅器５，５，…へ与えられた反射エコ
ー信号は夫々増幅され、インパルス処理器６に与えられ
る。

【００２４】インパルス処理器６は、A/D 変換器61,61,
…と演算器62,62,…とよりなるものであり、A/D 変換器
61,61,…の夫々は、増幅器５，５，… から与えられた
夫々の反射エコー信号（アナログ信号）をA/D 変換し、
A/D 変換後の反射エコー信号（ディジタル信号）を演算
器62,62,…の夫々に与える。演算器62,62,…は、A/D変
換後の反射エコー信号に対して、ウィナーフィルタリン
グ処理又はL1ノルム処理等の数値演算によるインパルス
変換を行い、前記反射エコー信号をスパイク状のインパ
ルス信号に変換する。このようにインパルス処理器６に
てインパルス化された夫々の反射エコー信号は遅延器
７，７，…の夫々に各別に与えられる。

【００２５】遅延器７，７，…では、インパルス処理器
６から与えられた反射エコー信号を以下に示すように夫
々遅延させることにより、主極位置から得られる夫々の
反射エコー信号の位相を合わせて加算器８へ与える。被
検査材１の表面における超音波ビームの焦点位置（主極
位置）での反射により得られる反射エコー信号は、各素
子20,20,…に受信されるが、前記焦点位置から各素子2
0,20,…までの距離は、素子20,20,…毎に異なるため、
前記反射エコー信号の受信タイミングが素子20,20,…毎
に異なる。即ち、前記焦点位置からの距離が短い素子20
は、その距離が長い素子20よりも前記反射エコー信号の
受信タイミングが早くなる。

【００２６】このため、遅延器７，７，…では、各素子
20,20,…における前記距離の値に基づいて、出力する前
記主極位置からの反射エコー信号の夫々の位相が一致す
るような遅延時間を素子20,20,…毎に定めておき、この
遅延時間分だけその出力を遅延させることにより、位相
を一致させた反射エコー信号を夫々加算器８へ与える。

【００２７】加算器８では、遅延器７，７，…から与え
られた夫々の反射エコー信号を加え合わせる（加算す
る）。この場合、主極位置からの反射エコー信号は位相
が整合しているので、加算器８において強められ（レベ
ルを高くされ）る。加算器８にて加算された反射エコー
信号は表示器９へ与えられる。表示器９では、加算器８
から与えられた反射エコー信号を欠陥の検出結果とし
て、画面表示する。

【００２８】以上の如き構成の超音波探傷装置では、リ
ニアアレイ探触子２により、超音波ビームが被検査材１
の目標位置（主極）に集束させられる場合に、超音波ビ
ームの干渉現象によって前記目標位置以外の位置（副
極）にも超音波ビームが集束される。このため、リニア
アレイ探触子２の各素子20,20,…に受信される反射エコ
ーには主極位置からの反射エコーと、副極位置からの反
射エコーとが含まれている。その反射エコーに係る反射
エコー信号夫々をそのまま集束位置に応じた所定の遅延
を加えた後、加算した場合、副極位置からの反射エコー
信号の位相整合が生じ易く、その結果として副極位置か
らの比較的大きい反射エコー信号が検出される。このよ
うな信号をそのまま欠陥の検出信号として用いると、主
極に係る反射エコー信号のピークの他に副極に係る反射
エコー信号のピークが、検出信号に現れることとなり、
欠陥の検出精度が低下する。

【００２９】このため、インパルス処理器６，遅延器
７，７，…及び加算器８では、前記副極を抑制するよう
な信号処理を行う。以下、その信号処理について説明す
る。

【００３０】インパルス処理器６においては反射エコー
信号がインパルス変換されるが、その変換により、反射
エコー信号は図２に示される如く整形される。図２(a),
(b)は反射エコー信号の原波形とそのインパルス変換後
の波形との関係を示す波形図であって、図２(a) には原
波形、図２(b) にはインパルス変換後の波形を夫々示し
てあり、図２(a),(b) では共に縦軸に信号の振幅、横軸
に時間をとってある。

【００３１】図２(a),(b) に示されている如く反射エコ
ー信号は、インパルス変換によってその信号継続時間Ｔ
a を短縮され、信号継続時間Ｔb が短いスパイク状のイ
ンパルス信号となる。このように反射エコー信号の信号
継続時間が短縮されると、遅延器７において行われる信
号の遅延処理と、加算器８において行われる信号の加算
処理とにおいて、主極位置以外の部位からの反射エコー
信号は位相整合を生じ難く、副極成分が抑制され易くな
る。

【００３２】インパルス化された夫々の反射エコー信号
は、遅延器７，７，…にてその主極成分の位相が一致さ
せられ、加算器８にて加算されるが、この場合、各反射
エコー信号の主極成分は、位相が一致しているため、信
号が加算されると、位相整合によって強め合い、その主
極成分が強調されることとなる。一方、各反射エコー信
号の副極成分は、各反射エコー信号において前述の如く
主極成分の位相が一致しても、その位相が一致しないの
で、信号が加算されると、位相不整合によって弱め合
い、除去又は抑制される。

【００３３】次に、以上の如き超音波探傷方装置を用い
て実際に欠陥の検出を行った結果について説明する。こ
の検出にあっては、水中に沈めた直径0.3cm の鋼球の被
検査材に対して、リニアアレイ探触子２を、リニアアレ
イ探触子２の同時駆動素子群幅の約５倍の距離が焦点深
さとなるように配し、リニアアレイ探触子２の偏向角を
０度にした場合と、その偏向角を30度にした場合との２
ケースについて、前述の如きインパルス処理を実行した
場合と、インパルス処理を実行しなかった場合との欠陥
検出を行った。

【００３４】図３(a),(b) は偏向角を０度にした条件に
おけるインパルス処理を実行しなかった場合と、インパ
ルス処理を実行した場合とについてリニアアレイ探触子
２の走査位置と反射エコー信号の振幅との関係を示す波
形図であって、縦軸に反射エコー信号振幅、縦軸にリニ
アアレイ探触子２の走査位置を夫々とり、これらの関係
を示してあり、図３(a) にはインパルス処理を実行しな
かった場合の前記関係を示し、図３(b) にはインパルス
処理を実行した場合の前記関係を示す。

【００３５】インパルス処理を実行しなかった場合は、
図３(a) に示される如く主極Ｍの両側に、該主極Ｍと20
dBの差がある明らかな副極Ｇ，Ｇが現れているが、イン
パルス処理を実行した場合は、図３(b) に示される如く
主極Ｍの近傍に、該主極Ｍと26dBの差がある微小な副極
Ｇが現れているのみであり、この図から明らかな如くイ
ンパルス処理を実行した場合は、副極Ｇが十分に抑制さ
れる。

【００３６】図４(a),(b) は偏向角を30度にした条件に
おけるインパルス処理を実行しなかった場合と、インパ
ルス処理を実行した場合とについてリニアアレイ探触子
２の走査位置と反射エコー信号の振幅との関係を示す波
形図であって、縦軸に反射エコー信号振幅、縦軸にリニ
アアレイ探触子２の走査位置を夫々とり、これらの関係
を示してあり、図４(a) にはインパルス処理を実行しな
かった場合の前記関係を示し、図４(b) にはインパルス
処理を実行した場合の前記関係を示す。

【００３７】インパルス処理を実行しなかった場合は、
図４(a) に示される如く主極Ｍの近傍に、該主極Ｍと６
dBの差がある明らかな副極Ｇが現れているが、インパル
ス処理を実行した場合は、図４(b) に示される如く主極
Ｍの近傍に、該主極Ｍと18dBの差がある微小な副極Ｇが
現れているのみであり、この図から明らかな如くインパ
ルス処理を実行した場合は、副極Ｇが十分に抑制され
る。

【００３８】なお、本実施例において、インパルス変換
は、ウィナーフィルタリング処理又はL1ノルム処理等の
数値演算によって実行したが、これに限らず、パルスジ
ェネレータ及びコンパレータ等を用いて反射エコー信号
をインパルス化しても良い。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明に係る超音波探
傷方法及び装置においては、反射エコー信号のインパル
ス変換，インパルス変換した夫々の反射エコー信号の遅
延及び遅延された夫々の反射エコー信号の加算等の信号
処理によって副極を除去するため、リニアアレイ探触子
のハードウェア構成及び欠陥の検出条件に影響を受ける
ことなく副極を高精度で抑制することを可能となる等、
本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波探傷装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図２】反射エコー信号の原波形とそのインパルス変換
後の波形との関係を示す波形図である。

【図３】偏向角を０度にした条件におけるインパルス処
理を実行しなかった場合と、インパルス処理を実行した
場合とについてリニアアレイ探触子の走査位置と反射エ
コー信号の振幅との関係を示す波形図である。

【図４】偏向角を30度にした条件におけるインパルス処
理を実行しなかった場合と、インパルス処理を実行した
場合とについてリニアアレイ探触子の走査位置と反射エ
コー信号の振幅との関係を示す波形図である。

【図５】副極の発生状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 被検査材 ２ 探触子 ６ インパルス処理器 ７ 遅延器 ８ 加算器 20 素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波の送受信を行う素子複数を並設し
   てなるリニアアレイ探触子から被検査材へ、集束した超
   音波を入射させ、その反射エコーを各素子にて受信し、
   受信した夫々の反射エコーを表す反射エコー信号に基づ
   いて前記被検査材の欠陥を検出する超音波探傷方法にお
   いて、 前記各素子にて受信された反射エコー信号の夫々をイン
   パルス変換し、インパルス変換した夫々の反射エコー信
   号に集束位置に応じた所定の遅延を加え、遅延させられ
   た夫々の反射エコー信号を加算し、加算された反射エコ
   ー信号に基づいて前記被検査材の欠陥を検出することを
   特徴とする超音波探傷方法。
2. 【請求項２】 超音波の送受信を行う素子複数を並設し
   てなるリニアアレイ探触子から被検査材へ、集束した超
   音波を入射させ、その反射エコーを各素子にて受信し、
   受信した夫々の反射エコーを表す反射エコー信号に基づ
   いて前記被検査材の欠陥を検出する超音波探傷装置にお
   いて、 前記各素子にて受信された反射エコー信号の夫々をイン
   パルス変換する手段と、 該手段によってインパルス変換した夫々の反射エコー信
   号に集束位置に応じた所定の遅延を加える手段と、 該手段によって遅延させられた夫々の反射エコー信号を
   加算する手段とを備え、該手段で加算された反射エコー
   信号に基づいて前記被検査材の欠陥を検出するようにし
   てあることを特徴とする超音波探傷装置。