JPH0619341B2 - 電子走査型超音波探傷装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、金属材料や非金属材料等の被検体内部の欠陥
を探傷する電子走査型超音波探傷装置に関する。

［発明の技術的背景］ 金属材料や非金属材料の被検体内部を検査する手段とし
て従来より超音波を用いた超音波探傷装置が一般に利用
されており、なかでも被検体内部の欠陥が被検体表面に
対し垂直な割れであるような場合には、第５図に示すよ
うに、超音波振動子１に楔２を取付けた斜角探触子を用
い、割れ４の面に対しできるだけ垂直に超音波ビーム５
を入射することのできる斜角探傷法が有利である。また
第６図（ａ）の斜視図及び第６図（ｃ）のＡ−Ａ方向の
断面図である第６図（ｂ）に示すように、超音波送信用
および受信用それぞれ専用の超音波振動子１ａ，１ｂ
を、楔２にとりつけた分割型斜角探触子において、送信
および受信超音波振動子１ａ，１ｂをお互いに若干傾む
け、探触子中心軸上でそれぞれの超音波ビーム５ａ，５
ｂを交叉させ、特定領域７の欠陥検出能を向上させる超
音波探傷方法も良く利用される。この探傷方法は、被検
体表面近傍の垂直な割れに対しても、超音波送受の合焦
領域が欠陥位置に合致した分割型斜角探触子を選定すれ
ば、通常の斜角探傷法に比らべ高い欠陥検出精度が得ら
れる。

しかしながら、その反面、第７図に示すようにｌは距
離、Ｐを受信パワーとすると分割型探触子の距離振幅特
性は超音波送受の合焦領域でのみ反射超音波のレベルが
高く、それ以外では著しく反射超音波のレベルは小さく
なり、欠陥の検出能が悪いことを示している。従ってあ
らかじめ欠陥位置が予測できない場合には、超音波送・
受の合焦領域の異なる複数の探触子を用いる等により対
処せざるを得なく、作業性が悪くなるばかりか、検査精
度の維持を困難にしているという欠点を有していた。

［発明の目的］ 本発明は上記事情にもとづいてなされたものであり、被
検体の内部の欠陥が被検体表面に垂直な割れであって
も、またその欠陥がいかなる深さ位置にあっても良好な
探傷性能を有する電子走査型超音波探傷装置を提供する
ことを目的とする。

［発明の概要］ 上記目的を達成するため本発明による電子走査型超音波
探傷装置は、被検体に当てられて該被検体に送信超音波
ビームを送信し該放検体から反射した受信超音波ビーム
を受信するものであって、送信用超音波振動子群と受信
用超音波振動子群とが分離して配置してなるアレイ型２
分割探触子と、 前記被検体に送信される送信超音波ビームを発生するべ
く前記送信用超音波振動子群の各振動子夫々を送信駆動
する送信系と、 前記被検体から反射された受信超音波ビームを受信する
べく前記受信用超音波振動子群の各振動子夫々から受信
信号を受信する受信系と、 前記送信用超音波振動子群における送信開口を制御する
べく前記送信系における送信駆動される振動子数を制御
すると共に、送信超音波ビームの送信偏向角の変更制御
及び送信超音波ビームの送信集束点の変更制御を行なう
べく送信駆動される振動子の送信遅延量を制御し、前記
受信用超音波振動子群における受信開口を制御するべく
前記受信系における受信駆動される振動子数を制御する
と共に、受信超音波ビームの受信偏向角の変更制御及び
受信超音波ビームの受信集束点の変更制御を行なうべく
受信駆動される振動子の受信遅延量を制御する送受信制
御手段と、 前記被検体の超音波情報を得るべく、前記受信系を介し
て得られた受信信号を信号処理する信号処理系と、 前記送信及び受信集束点と前記送信及び受信開口とによ
る設定条件の変更に伴う受信信号の最大振幅値の変動を
補正するべく、予め測定して得られた前記送信及び受信
集束点と前記送信及び受信開口とによる設定条件毎の距
離振幅特性の最大振幅値に基づき、前記設定条件の変更
毎に、前記受信系から得られた受信信号の最大振幅値を
補正する振幅補正手段と、 前記信号処理系により得られた超音波情報を表示する表
示系と、 を具備することを特徴としている。

これらにより、超音波送波ビームおよび受波ビームのそ
れぞれの集束点位置を探触子の中心軸上の同一の点とし
た超音波の送・受信が可能になり、その時の超音波送・
受波ビームの集束領域における方位分解能特性および欠
陥検出感度特性は優れたものとなる。さらに超音波送波
・受波ビームの集束点位置を探触子の中心軸上で順次ず
らしながらくりかえし超音波の送受信を行なうと共に、
集束点位置が探触子面よれ近いときには、超音波の送・
受信に寄与する振動子群の数を少なくし、遠くなるにつ
れ振動子群の数を多くして超音波の送受信を行なうこと
により、探触子中心軸上のいかなる位置においても常に
集束された超音波ビームで探傷することが可能となり、
さらに、集束点位置に応じて超音波送受信における振動
子群の開口を変えるようにしたため、集束点位置にかか
わらず集束の強度を概略一定とすることができ、欠陥の
深さ位置にかかわらず安定した方位分解能特性および欠
陥検出感度特性が得られ、欠陥の検出能および欠陥位
置，寸法精度を高めることを可能とする。

［発明の実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面にもとづいて詳細に説明
する。

第１図は本発明にかかる電子走査型超音波探傷装置の一
実施例を示す構成図である。アレイ型２分割探触子２０
は、１個の探触子の中に直線状に配列された超音波送信
専用の超音波振動子群１ａ及び受信専用の超音波振動子
群１ｂを並設してなり、送信専用の超音波振動子群１ａ
はそれぞれ送信パルスを発生する超音波送信器群２１と
結合されており、この超音波送信器群２１は送信遅延設
定器２２からのパルス発生用トリガ信号によって全部の
あるいは数個の送信器を選定しそれぞれの対応する超音
波振動子１ａへ送信パルスを送り、これに応答して超音
波振動子１ａが超音波を送波するよう構成されている。
一方送信専用の超音波振動子１ａより送波された超音波
は、被検体内部で反射され、受信専用の超音波振動子１
ｂに到達する。この受波専用の超音波振動子１ｂは超音
波の音圧変化に対応した電気信号を発生し、受信機能を
有するので、それぞれの受波専用の超音波振動子１ｂで
検出した受信信号は、それぞれに対応する超音波受信器
群２３によって増幅された後、それぞれに対応するＡ／
Ｄ変換器２４へ入力される。

このＡ／Ｄ変換器２４は超音波信号を高速でディジタル
信号に変換するものであり、受信波形を忠実にディジタ
ル量に変換することができる。またＡ／Ｄ変換器２４に
は、受信信号のディジタル変換の開始用トリガ信号が、
受信遅延設定器２５からそれぞれ供給されている。この
トリガ信号を受けた全部のあるいは一部のＡ／Ｄ変換器
２４はトリガ信号の入力時点に同期して超音波受信波形
がディジタル信号化される。

信号制御器２６は、受信遅延設定器２５、送信遅延設定
器２２に対して超音波受信にかかわる振動子群と送信に
かかわる振動子群とを選択し、あらかじめ設定した超音
波ビームの送波および受波方向、および集束点距離に応
じたトリガ信号出力のタイミングを与える。

また、各Ａ／Ｄ変換器２４の出力は加算メモリ２７にデ
ィジタル波形加算されて記憶される。すなわちＡ／Ｄ変
換器２４に一旦保持された超音波受信号のディジタル波
形は、ディジタル波形化された時点をそろえて各超音波
信号専用の振動子群１ｂによる受信信号がディジタル加
算されて記憶されることになる。これらの操作は信号制
御器２６によって制御されている。加算メモリ２７の加
算された受信波形は、信号処理器２８に入力される。信
号処理器２８はこの加算波形を検波し、検波波形にする
と共に、信号制御器２６によりあらかじめ設定された振
幅補正データーにもとづき、検波波形の信号レベルを調
整し、ＣＲＴ等の波形表示器２９へ出力し、Ａスコープ
を表示させる。本発明の最も特徴とする構成は、送受信
制御と受信信号の振幅補正にある。すなわち、本発明の
送受信制御は、送信用超音波振動子群１ａにおける送信
開口を制御するべく超音波送信器群２１における送信駆
動される振動子数を制御すると共に、送信超音波ビーム
の送信偏向角の変更制御及び送信超音波ビームの送信集
束点の変更制御を行なうべく送信駆動される振動子の送
信遅延量を制御する。また、同じく本発明の受信制御
は、受信用超音波振動子群１ｂにおける受信開口を制御
するべく超音波受信器群２３における受信駆動される振
動子数を制御すると共に、受信超音波ビームの受信偏向
角の変更制御及び受信超音波ビームの受信集束点の変更
制御を行なうべく受信駆動される振動子の受信遅延量を
制御するものである。

また、本発明における振幅補正は、送信及び受信集束点
と送信及び受信開口とによる設定条件の変更に伴う受信
信号の最大振幅値の変動を補正するべく、予め測定して
得られた前記送信及び受信集束点と前記送信及び受信開
口とによる設定条件毎の距離振幅特性の最大振幅値に基
づき、前記設定条件の変更毎に、前記受信系から得られ
た受信信号の最大振幅値を補正するものである。

このようにして第１図に示した超音波探傷装置は送信お
よび受信用の超音波振動子の選定や、送波および受波超
音波ビームの方向と集束点距離の変更毎に繰り返して上
述の操作を行なう。

次に、第１図に示した超音波探傷装置の動作説明につ
き、第２図，第３図，第４図を参照しつつ、本実施例に
係わる超音波探傷方法について説明する。

第２図に示すように超音波の送信と受信それぞれについ
て楔２に設けられたしゃへい板６により分離されて専用
のアレイ型振動子１ａ，１ｂで構成される斜角２分割探
触子を用いる場合について説明する。即ち、アレイ方向
と直角な断面における超音波ビームの伝播経路は第２図
（ａ）に示すように振動子１より送波された超音波ビー
ムの中心軸は、楔２を伝播し、被検体３の表面に対し入
射角αで超音波ビームは被検体３に入射する。この時、
楔２の音速Ｃ_ｗ，被検体の音速Ｃ_Ｍとすれば、スネルの
法則により被検体３への屈折角θは次式で表わされ、一
義的に決定される。

この屈折角θをできるだけ大きくすることにより、被検
体３内部の被検体表面に対し垂直な面をもつ割れなどの
欠陥４において、その欠陥面に対し超音波ビームの入射
角は垂直に近づくため、欠陥４からの超音波反射強度が
大きくなり、有利であることは良く知られている。

超音波送波専用振動子群１ａおよび受波専用振動子群１
ｂによる超音波の集束は、第２図（ｂ）で示した超音波
ビーム中心軸上でのアレイ方向の断面について考えれば
良く、それを第３図（ａ）に示した。

すなわち、第３図（ａ）において、アレイ型２分割探触
子の中心軸上のＦ点に送波超音波ビーム及び受波超音波
ビームを集束させるためには、それぞれの超音波振動波
１ai，１bjと超音波集束点Ｆとの伝播経路において、楔
２と被検体３との境界とのなす角αｉ，θｉおよびα
ｊ，θｊがスネルの法則を満たすような超音波入射点
Ｃ，Ｄが決定されるなら、送波については、楔内伝播距
離ｌ_１ｉ，被検体内伝播距離ｌ_２ｉから送波超音波ビー
ムの集束に必要なそれぞれの振動子の送波遅延時間は次
式で求めることができる。

但し、ｌ_１：探触子中心軸上の楔内距離 ｌ_２：探触子中心軸上の被検体内距離 Ｃ_Ｗ：楔内音速 Ｃ_Ｍ：被検体内音速 同様に受波超音波ビームの集束に必要なそれぞれの振動
子の受波遅延時間は次式で求められる。

但し超音波振動子と集束点を通る音線径路においてスネ
ルの法則を満足する楔２と被検体３との境界での入射点
Ｃ，Ｄを求める式は陰関数となり直接計算により求める
ことはできないので、試行的に入射点Ｃ，Ｄを与え となる時の入射点Ｃ，Ｄを決定している。

このようにして求められた超音波送受信タイミングであ
る送・受信遅延時間を、信号制御器２６により送信遅延
時間設定器２２および受信遅延時間設定器２５へ設定し
超音波の送受信を行なうと、集束点Ｆで集束された送波
超音波ビームと受波超音波ビームとは集束点Ｆで交差す
る。従って第３図（ｂ）（ｃ）に示すように検出感度特
性３１および方位分解能特性３２は、電子集束を行なわ
ない通常の２分割探触子の場合３１ａ，３２ａ（破線で
示す）に比べ、電子集束を行なったアレイ型の２分割探
触子の場合３１ｂ，３２ｂ（実線で示す）は集束点近傍
で秀れた特性が得られる。しかし、集束点より外れるに
つれそれは悪くなるので、欠陥の位置があらかじめ推定
できない場合には、集束領域外の位置の欠陥に対しては
十分な検出能力が得られることになる。

そこで、第４図（ａ）に示すようにに、探触子の中心軸
上に沿って集束点をＦ_１，Ｆ_２……Ｆ_ｎと段階的に順次
送信遅延設定器２２におよび受信遅延設定器２５へ超音
波送受信タイミングを設定・変更し、超音波の送受信を
行なう。これにより被検体内部のいかなる深さ位置の欠
陥に対しても集束された超音波ビームにより検査するこ
とができる。

さらに、欠陥深さ位置が浅いとき、すなわち集束点距離
が短かい場合にはアレイ型振動子１の作動する振動子数
少なくても十分な集束特性が得られるのと、集束点距離
が長くなる場合には、良好な集束特性を得るためには、
作動する振動子数多くしてやらなければならないため、
集束点変更に伴なう超音波送受遅延時間設定・変更と同
時に、信号制御器２６は、あらかじめ設定されて振動子
開口補正データーにもとづき、作動する超音波振動子群
１ａ，１ｂの選定と変更とを送信遅延設定器２２、受信
遅延設定器２５に対して行なう。

また、信号制御器２６は、集束点の変更および超音波振
動子群の開口の変更に伴なう最大受信号レベルの変動を
補正するため、あらかじめ測定して得られた各集束条件
における距離振幅特性の最大値にもとづき、その最大振
幅値が集束条件にかかわらず略一定となるよう集束点の
変更毎に信号処理器２８に対し振幅補正データーを設定
・変更する。

これにより見かけ上の超音波送受集束領域４１は、探触
子中心軸上に軸集束されたのと等価になり、欠陥の深さ
位置にかかわりなく優れた方位分解能及び検出感度特性
が得られることになる。

なお、第４図（ｂ）は総合検出感度特性３１（ｔ）を説
明する図であり、それは各集束条件における超音波送受
の距離振幅特性３１（１）〜３１（ｎ）の包絡線をとる
形で表わすことができ、欠陥深さ位置にかかわらず、略
一定の検出感度で探傷可能であることを示している。

以上説明した実施例では、楔つきの斜角２分割探触子を
用いる場合について説明したが、垂直２分割型あるいは
楔のかわりに液体を用いる水浸探傷法においても適用で
きるものであり、本発明に含まれるものである。

なお上述の説明においては、超音波の受信号波形を高速
のＡ／Ｄ変換を行ないディジタル量での波形加算を行な
うようにした場合について説明したが、ＣＣＤ（Charge
Coupled Device）やアナログ遅延線等を用いたアナ
ログ量での波形加算を行なうようにしても同様に実現で
きることは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上実施例にもとづいて詳細に説明したように、本発明
は、被検体に当てられて該被検体に送信音波ビームを送
信し該被検体から反射した受信超音波ビームを受信する
ものであって、送信用超音波振動子群と受信用超音波振
動子群とが分離して配置してなるアレイ型２分割探触子
と、 前記被検体に送信される送信超音波ビームを発生するべ
く前記送信用超音波振動子群の各振動子夫々を送信駆動
する送信系と、 前記被検体から反射された受信超音波ビームを受信する
べく前記受信用超音波振動子群の各振動子夫々から受信
信号を受信する受信系と、 前記送信用超音波振動子群における送信開口を制御する
べく前記送信系における送信駆動される振動子数を制御
すると共に、送信超音波ビームの送信偏向角の変更制御
及び送信超音波ビームの送信集束点の変更制御を行なう
べく送信駆動される振動子の送信遅延量を制御し、前記
受信用超音波振動子群における受信開口を制御するべく
前記受信系における受信駆動される振動子数を制御する
と共に、受信超音波ビームの受信偏向角の変更制御及び
受信超音波ビームの受信集束点の変更制御を行なうべく
受信駆動される振動子の受信遅延量を制御する送受信制
御手段と、 前記被検体の超音波情報を得るべく、前記受信系を介し
て得られた受信信号を信号処理する信号処理系と、 前記送信及び受信集束点と前記送信及び受信開口とによ
る設定条件の変更に伴う受信信号の最大振幅値の変動を
補正するべく、予め測定して得られた前記送信及び受信
集束点と前記送信及び受信開口とによる設定条件毎の距
離振幅特性の最大振幅値に基づき、前記設定条件の変更
毎に、前記受信系から得られた受信信号の最大振幅値を
補正する振幅補正手段と、 前記信号処理系により得られた超音波情報を表示する表
示系と、 を具備する電子走査型超音波探傷装置である。

このような構成を有する本発明によれば、アレイ型の２
分割探触子を用い、超音波送受波ビームを探触子の中心
軸上で集束・交叉させると共に、その集束・交叉点位置
を探触子中心軸上で段階的に繰返し設定・変更させ、さ
らに集束点の設定変更毎に、超音波送受信にかかわるそ
れぞれの振動子群の選定・変更を行ない、見かけ上、探
触子中心軸上で軸集させたのと等価な、集束領域が得ら
れるようにしたので、被検体内部のいかなる深さ位置に
ある欠陥に対しても集束超音波ビームにより検出するこ
とができるという利点がある。

また、超音波ビームの集束点位置にかかわらず、略一定
の集束程度とするように、集束位置に応じ作動する超音
波振動子群の開口を変更するとともに、各集束深さでの
距離振幅特性の最大振幅データにもとづく感度補正を各
集束点位置毎に行なうよう構成されているので、方位分
解能および、検出感度特性が、被検体内部の深さ位置に
かかわらず略一定とすることができ、欠陥の位置を正確
に検出することができるという実用上極めて有利な電子
走査型超音波探傷装置が提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はいずれも本発明の一実施例の電子走査
型超音波探傷装置を説明するための図であって、第１図
は超音波探傷装置の構成図、第２図は本実施例で用いら
れるアレイ型の斜角２分割探触子を説明する図、第３図
はアレイ型斜角２分割探触子の超音波送受を説明する
図、第４図は本実施例の作用を説明する図、第５図〜第
７図は夫々従来の超音波探傷方法を説明する図である。 １……超音波振動子、２……楔、３……被検材、４……
欠陥、５……超音波ビーム、６……しゃへい板、２０…
…アレイ型２分割探触子、２１……超音波送信器群、２
２……送信遅延設定器、２３……超音波受信器群、２４
……Ａ／Ｄ変換器、２５……受信遅延設定器、２６……
信号制御器、２７……加算メモリ、２８……信号処理
器、２９……波形表示器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検体に当てられて該被検体に送信超音波
   ビームを送信し該被検体から反射した受信超音波ビーム
   を受信するものであって、送信用超音波振動子群と受信
   用超音波振動子群とが分離して配置してなるアレイ型２
   分割探触子と、 前記被検体に送信される送信超音波ビームを発生するべ
   く前記送信用超音波振動子群の各振動子夫々を送信駆動
   する送信系と、 前記被検体から反射された受信超音波ビームを受信する
   べく前記受信用超音波振動子群の各振動子夫々から受信
   信号を受信する受信系と、 前記送信用超音波振動子群における送信開口を制御する
   べく前記送信系における送信駆動される振動子数を制御
   すると共に、送信超音波ビームの送信偏向角の変更制御
   及び送信超音波ビームの送信集束点の変更制御を行なう
   べく送信駆動される振動子の送信遅延量を制御し、前記
   受信用超音波振動子群における受信開口を制御するべく
   前記受信系における受信駆動される振動子数を制御する
   と共に、受信超音波ビームの受信偏向角の変更制御及び
   受信超音波ビームの受信集束点の変更制御を行なうべく
   受信駆動される振動子の受信遅延量を制御する送受信制
   御手段と、 前記被検体の超音波情報を得るべく、前記受信系を介し
   て得られた受信信号を信号処理する信号処理系と、 前記送信及び受信集束点と前記送信及び受信開口とによ
   る設定条件の変更に伴う受信信号の最大振幅値の変動を
   補正するべく、予め測定して得られた前記送信及び受信
   集束点と前記送信及び受信開口とによる設定条件毎の距
   離振幅特性の最大振幅値に基づき、前記設定条件の変更
   毎に、前記受信系から得られた受信信号の最大振幅値を
   補正する振幅補正手段と、 前記信号処理系により得られた超音波情報を表示する表
   示系と、 を具備する電子走査型超音波探傷装置。