JPH073411B2

JPH073411B2 - 超音波探傷方法および装置

Info

Publication number: JPH073411B2
Application number: JP61232752A
Authority: JP
Inventors: 文信 ▲高▼橋; 和則古賀; 祐治一ノ瀬; 正浩小池
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1995-01-18
Anticipated expiration: 2010-01-18
Also published as: JPS6385444A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、複数の超音波送受信素子からなるアレイ探触
子を用いて超音波を送受信し探傷する方法および装置に
係り、特に、材料内部の欠陥からの反射波を幅の狭いパ
ルスで受信し、欠陥位置を高い精度で測定するのに好適
な超音波探傷方法および装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の空間走査式超音波探傷における超音波送受信方法
及び装置は、特願昭60-184604号（特開昭62-44659号公
報）に記載のように、アレイ探触子から所定間隔の素子
を選択して発信電圧を印加するとともに、それら選択さ
れた素子間の素子には、前記発信電圧とは異なる位相の
発信電圧を印加して、各素子から同時に超音波を発生さ
せ、特定方向にのみ超音波ビームを形成させるととも
に、反射波の受信では、選択された素子群からの受信信
号と選択されなかった素子群からの受信信号とを減算し
て受信し、特定の方向からの反射波のみ高感度で受信で
きるようになっている。本方法および装置においては、
所望方向に伝播する超音波ビームを送信でき、また所望
方向からの反射波のみを高感度で受信可能なため、アレ
イ探触子からどの方向に材料中欠陥が存在するかを正確
に判定できるのが特徴である。

この場合、超音波受信時に素子群に印加する電圧は、正
弦波状のパルス電圧であり、周期数が多いので、欠陥か
らの反射波による受信信号も正弦波状のパルス信号にな
り、周期数も発信時のパルス電圧のそれに依存して多く
なる。このため、超音波伝播方向に近接して複数の欠陥
が存在する場合、個々の欠陥からの反射波による受信信
号が時間軸上で重なって受信され、個々の反射波信号に
分離しにくくなる。送信から反射波受信までの時間に媒
質中の音速を乗じ、その1/2の値が探触子から欠陥まで
の距離になるが、個々の反射波信号が時間軸上で分離し
にくくなることは、超音波伝播方向の距離分離能が低下
することを意味する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、探触子から見て欠陥が存在する方向の
精度が十分である反面、超音波送受信で反射波パルスの
パルス幅についての配慮がなく、超音波伝播方向の距離
分解能を高めるための対応策を講じる必要がある。

本発明の目的は、上記従来技術の方向分解能を維持しな
がら、超音波伝播方向の距離分解能を高めた超音波探傷
方法および装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、複数の超音波送
受信素子で形成されたアレイ探触子から所定間隔の素子
を選択して発信電圧を印加するととにも、それら選択さ
れた素子間の素子には前記発信電圧とは異なる位相の発
信電圧を印加して、各素子から同時に超音波を発信さ
せ、特定方向にのみ超音波ビームを形成させる超音波探
傷方法において、前記素子の結線状態から送信，受信，
不使用素子数を判別し、使用状態にある素子数を算出
し、算出結果に基づき使用する素子数ｎと同じｎ周期分
の超音波を各素子に印加して発信させ、被探傷物体から
の反射波を受信し、前記ビーム方向の傷位置までの距離
を算出する超音波探傷方法を提案するものである。

本発明はまた、複数の超音波送受信素子で形成されたア
レイ探触子と、前記素子の結線状態から送信，受信，不
使用素子数を判別し、使用状態にある素子数を算出する
素子数判定器を含み、前記探触子から所定間隔の素子を
選択してそれらを相互接続するとともに、前記選択素子
間に配置した素子の少なくとも一部を相互接続するスイ
ッチ制御装置と、前記素子数判定器の判定結果に基づき
互いに接続された２つの素子群に対し使用する素子数ｎ
と同じｎ周期分の正弦波電圧を印加する発信器と、被探
傷物体からの反射波の受信信号を増幅検知し、アレイ探
触子から前記ビーム方向の傷位置までの距離を算出する
信号処理装置とからなる超音波探傷装置を提案するもの
である。

この装置においては、スイッチ制御装置に、アレイ探触
子の素子の結線状態から送信，受信，不使用素子数を判
別し、使用状態にある素子数を算出して前記発信器に与
える素子数判定器を設け、前記正弦波の周期数を自動的
に決定する。

〔作用〕

アレイ探触子から所定間隔の素子を選択して発信電圧を
印加するとともに、それら選択された素子間の中間素子
には、前記発信電圧とは異なる位相の発信電圧を印加し
て、特定方向にのみ超音波ビームを形成させる超音波送
信において、送信に使用する素子数ｎの1/2すなわちn/2
周期分の正弦波パルスを印加すれば、１周期分だけ強い
（１周期分だけピークの）超音波パルスを形成する。同
様に、超音波受信においては、特定の方向から受信に使
用する素子数ｎの1/2すなわちn/2周期分の超音波パルス
が入射すると、１周期分だけ強い超音波受信パルスが形
成される。したがって、送信では、送信に使用する素子
数ｎの1/2すなわちn/2周期分の超音波パルスで十分であ
るが、受信の場合も考慮すると、送信に使用する素子数
ｎの1/2と受信で使用する素子数ｎの1/2の和と同じ周期
分の正弦波パルスを印加し、超音波反射波を受信すれ
ば、１周期分だけ強い受信パルスが得られる。受信パル
スの幅が１周期の場合、距離分解能は超音波伝播方向に
おいて、わずか半波長分を実現できる。

印加する正弦波パルスの周期数は、数MHz以上であり、
使用する素子数に応じて印加パルスの周期数を手動で調
整することは困難である。そこで、送受信に使用する素
子数を、送受信回路のON,OFF状態で認識し、その数値と
同じ周期分の正弦波パルスを自動的に印加すると、１周
期のみ強い超音波信号パルスが得られ、超音波の半波長
の長さに相当する高い距離分解能が達成される。

以下、本発明の原理について詳細に説明する。

アレイ探触子を構成する超音波送受信素子から間隔ｄ毎
に素子を選択し、超音波を同時に発信させると、各素子
から発生した超音波が干渉し、角度θ方向の超音波ビー
ムが形成される。ここで、間隔d,角度θ，超音波波長λ
の間には、次式の関係が成立する。

λ/d＝sinθ …（１）同様に、第１式で示す関係の超音波受信では、角度θ方
向から伝播する超音波を間隔ｄで選択した素子で受信し
た信号を加算すると、強い信号になる。しかしこの場
合、垂直方向（θ＝０°）にも強い超音波ビームが形成
されるし、垂直方向からの超音波入射に対しても強い受
信信号を得ることになる。

そこで、アレイ探触子を構成する超音波送受信素子の間
隔ｄで選択し、選択した第１の素子群と、選択した素子
の中間に位置する第２の素子群とに分け、送信では、第
１および第２の素子群にそれぞれ逆位相の電圧パルスを
印加して超音波を発信させる。第１素子群と第２素子群
からそれぞれ発信された超音波は、角度θ方向では強め
あい、垂直方向では互いに弱めあい、結果として角度θ
方向にのみ強い超音波ビームが伝播する。受信では、第
１素子群の受信信号と、第１素子群の中間に位置する第
２素子群の受信信号を減算、あるいは第２素子群の受信
信号を逆位相に反転して第１素子群の受信信号に加算す
れば、垂直方向から伝播する超音波の受信信号が相殺さ
れ、逆に、角度θ方向から伝播する超音波の受信信号
は、第1,第２素子群では、互いに逆位相になっているた
め、強め合うことになる。

このような超音波送受信において、素子数と送受信パル
スの周期数との関係を説明すると、次のようになる。第
９図に、アレイ探触子から送信した超音波波面を模式的
に示す。アレイ探触子１を構成する各素子をそれぞれ
,1,,2,…，,nの記号で表わす。白ヌキで示す素子
ｉ（ｉ＝1,…,n）には信号Ａを、斜線で示す素子（ｉ
＝1,…,n）には信号を、それぞれ印加する。ここで、
信号は図で示すように、信号Ａの逆位相正弦波であ
る。信号A,Ａともｎ周期分のパルス信号である。この
場合、発信された超音波（長さはｎλ，λは波長）は、
矢印２と方向に波面３を形成しながら伝播する。アレイ
接触子１から十分離れた波面３上で、各素子から伝播す
る超音波パルスを観測すると,1,…，,nから発信さ
れた波は、それぞれパルス波▲Ｗ⁻ _１▼，W₁，……,W
,Wnのようになっている。図で明らかなように、波面
Ｃの一波長分のみが全てのパルス波▲Ｗ⁻ _１▼，W₁，
…,W,Wnの振幅が強め合う領域になる。以上のよう
に、素子数2nに対し、ｎ周期の超音波パルスを同時に発
信すれば、半波長分だけ強い振幅の超音波パルスが形成
されることがわかる（同図（Ｂ））。したがって、2n周
期の超音波パルスを発信すれば、（ｎ＋1/2）周期分の
強い振幅の超音波パルスが伝播する（同図（Ｃ））。

次に、受信の場合について説明する。

アレイ探触子１で超音波パルスを受信するときの波面３
の信号の模式図を第10図に示す。矢印２の方向から、波
面C₁,C₂,…,Cnを形成しながら伝播する超音波パルスWn
（長さ：（ｎ＋1/2）λ）が波面３に沿って、アレイ接
触子１に入射する。入射超音波はアレイ接触子１で電気
信号に変換され、素子,i（ｉ＝1,…,n）で信号▲Ｓ⁻
_ｉ▼，S_iが出力される。このとき、素子の受信信号S_i
は、電圧の正負が反転されているものとする。波面３が
アレイ接触子１に対して傾いているため、素子,iとも
ｉの値が大きくなる素子の順に超音波Wrが時間的に遅れ
て受信されていく。信号▲Ｓ⁻ _ｉ▼，S_iは、時間軸ｔを
一致させて図中に表示したように、時刻Ｔでのみ▲Ｓ⁻
_ｉ▼,S_i（ｉ＝1,…,n）の全信号の一波長分の振幅が一
致する。したがって、全ての素子からの信号を加算した
信号S_Tは、時刻Ｔで１周期分だけ強い振幅の受信パルス
信号を得る。第９図（Ｃ）のように発射されて戻ってき
た第10図（Ｂ）のような（ｎ＋1/2）周期分の超音波パ
ルスを受信すると、１波長分だけ強い振幅の受信パルス
が得られる。

以上のように、素子数が2nのとき、2n周期分の正弦波パ
ルスを印加して（ｎ＋1/2）周期分の超音波パルスを形
成させて発信し、伝播方向にある欠陥等の反射体で反射
された超音波パルスを受信すれば、１周期分だけ振幅が
強い受信パルスを得ることができる。受信パルスの振幅
が強くなる時点は、第10図に示すごとく、時刻Ｔと特定
でき、振幅が高い時間帯は１周期分であるから、超音波
発信から受信時刻Ｔまでの時間に音速を乗じて得る超音
波の伝播距離、その1/2のアレイ接触子から反射体まで
の距離を算出する場合、その誤差（距離分解能）は、超
音波半波長以内になる。

さて、上述のごとく、距離分解能を超音波半波長以内に
高めるには、アレイ接触子に素子数2nと同じ2n周期分の
正弦波電圧パルスを印加すればよいが、送受信に使用す
る素子数がいくつかを把握すること、またその素子数と
同じ周期数の正弦波電圧パルスを印加するための制御法
が問題となる。そこで、送受信に使用する素子数を自動
的に把握する原理について述べる。

アレイ素子では、第11図に示すように、素子１〜ｎは、
パワーアンプ10と結線されるが、素子〜は、直接結
線されていない。結線は、アナログスイッチ11で切り換
えている。アナログスイッチ11中の端子a,bは、制御端
子ｃがレベル“1"のときONで、レベル“0"のときOFF状
態になる。したがって、制御端子ｃの制御信号を出力す
る制御回路12の制御信号をデコーダ13に入力し、デコー
ダ13で制御信号のレベル“1"になっている数を２進数に
変換すれば、素子１〜ｎの素子数を得る。同様に、素子
〜に対しては、アナログスイッチ▲▼，制御回
路▲▼，デコーダ▲▼の系統で素子数を得る。
デコーダ13,▲▼の出力値をアダー14で加算する
と、素子１〜n,素子〜の送信に使用する素子の総数
が自動的に得られる。この素子総数に合わせて周期数を
決めた正弦波状の電圧パルスを素子に印加すれば、アレ
イ接触子による探傷で、反射体からの反射波パルスは１
周期分だけ振幅の強い受信パルスとして得られ、距離分
解能は、超音波の半波長分に向上できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例の装置構成を示すブロック
図である。アレイ探触子１の送受信に使用する素子数を
検出し、その数と一致する周期数の正弦波電圧パルスを
各素子に印加して超音波を発信させて探傷する装置であ
る。装置を構成する各要素の動作内容を、第２図に示す
信号のタイムチャートとともに説明する。

正弦波発信器20は、信号Ｂで示す周期Tsの正弦波信号を
出力する。遅延回路21は、信号Ｂを時間τ_dだけ遅延し
た信号Ｄを出力する。一方、コンパレータ22は、信号Ｂ
の電圧が正になるとき、レベル“1"、それ以外はレベル
“0"になるクロックパルス信号Ｃを作る。パルスカウン
タ23は、信号処理装置27から出力される信号Ａ（周期τ
_tで幅τ_wのTTLレベルパルス信号）により、信号Ａのレ
ベル“1"のときに、信号Ｃのパルスを計数し、レベル
“0"のときは、計数値をクリアする。計数値を信号Ｈと
してディジタルコンパレータ25に出力する。素子数判定
器26では、送受信に使用する素子数を検出し、信号Ｉと
して出力する。信号Ｉは、最初６で次に４になる例を第
２図に示した。ディジタルコンパレータ25では、信号Ｈ
と信号Ｉとを比較し、信号Ｈの値が１以上で、信号Ｉの
値以内であるとき、レベル“1"の信号Ｇを出力する。ゲ
ートスイッチ24では、信号Ｇがレベル“1"のときのみ、
信号Ｄを通過させる。ゲートスイッチ24を通過した信号
が信号Ｅである。ゲートスイッチ24には応答時間があ
り、信号Ｇによるスイッチング時間遅れτ_dを補償する
ため、遅延回路21により信号Ｂをτ_dだけ遅らせた信号
Ｄをゲートスイッチング24に入力している。

信号Ｅでわかるように、信号Ｉの値が、例えば6,4に応
じて６周期,4周期の正弦波パルスＥが抽出される。パワ
ーアンプ10は、入力信号Ｅを高電圧に増幅した信号Ｆを
スイッチ回路28を通してアレイ探触子１に印加し、超音
波を発信させる。スイッチ回路28のスイッチングは、ス
イッチング制御回路12で制御され、アレイ探触子１で受
信された反射波信号Ｊは、信号処理装置27に供給され
る。信号Ｊのうち、反射波パルスが１周期分だけ強い信
号として受信される。受信信号Ｊの検波と波形整形を行
い、信号Ｊの発信時刻から反射波立上り時刻までの時間
を測定し、その時間に基づきアレイ探触子から反射体ま
での距離を算出する処理を実行する。この装置27には、
通常普及しているＡスコープ型探傷器の他、B,Cスコー
プを表示する信号処理装置も使用できる。

第１図および第２図の装置および方法によれば、所望の
周期数の正弦波電圧パルスをアレイ探触子に印加でき
る。

次に、第１図中のスイッチ回路28の詳細について説明す
る。スイッチ回路28の構造の一例を第３図に示す。スイ
ッチ回路28は、一点鎖線で示した枠内の構成である。図
において、端子32は信号Ｆの入力端子、端子33は受信信
号Ｊの出力端子、端子C₁,C₂,C₃からなる３ビットの端子
34は、制御信号の入力端子である。アレイ探触子を構成
する素子ｉには、印加電極30,31があり、各電極はスイ
ッチ35に結線されている。スイッチ35の動作特性は、制
御端子ｄが“1"のとき、端子ａとｂが導通になり、端子
ｄが“0"のとき、端子ａとｃが導通になる。

制御信号の入力端子C₁,C₂,C₃において、C₁が“1",C₂が
“1",C₃が“1"のとき、電極32に入力端子32からの信号
Ｆが印加され、電極30は接地される。次に、C₁が“0",C
₂が“1"のときには、電極31が接地され、電極30に信号
Ｆが印加されることになる。C₁が“1",C₂が“0",C₃が
“1"のときは、電極30が接地され、電極31が受信信号出
力端子33と導通になり、C₁が“0",C₂が“0",C₃が“1"の
ときには、電極31が接地され、電極30が出力端子33と導
通になり、受信用素子としての使用状態となる。C₃が
“0"のときは、電極30あるいは電極31がオープン状態と
なり、素子ｉは送信，受信いずれにも使用できない状態
となる。スイッチ回路28による素子ｉの使用状態をまと
めると、第４図に示す状態になる。素子ｉが送受信状態
であることは、制御信号C₃がレベル“1"になっているこ
とで判断できる。

さて次に、第１図で示したスイッチ制御回路12の構造に
ついて説明する。第５図中、一点鎖線がスイッチ制御回
路である。端子43から信号Ａを入力し、信号Ａの立上り
毎にカウンタ40で計数する。計数値はメモリ41の番地を
示し、計数値に対応したメモリ41の内容が、一時メモリ
42にラッチされる。一時メモリ42の値はビット毎にスイ
ッチ回路26の制御信号入力端子34に出力される。C₁,C₂,
C₃の３ビットで構成される端子34は、各素子ｉのスイッ
チ制御用として設けられている。このようにすること
で、各送信時には、各素子ｉの使用状態が決定され、超
音波探傷を実施できる。

次に、素子数判定器26について詳細に説明する。既に第
４図に示したように、素子ｉが使用状態であることは、
制御信号C₃がレベル“1"であることからわかる。使用状
態の素子の総数は、第６図に示す回路で得られる。各素
子への制御信号C₃を入力し、デコーダ44によりその数Ｉ
を出力する。この第６図に示す素子数判定器26は、第７
図に示す素子の使用状態では、不適になる。第７図に示
す例では、斜線素子、一点鎖線斜線素子、白ヌキ素子は
それぞれ第４図に示した使用状態X,，の状態を示
す。第７図の場合、状態X,の素子数は10個あるが、隣
接した素子が同じ状態なら、隣接素子は１個分と考える
必要があり、素子数は６個と判定しなくてはならない。

このような場合の判定回路は、第８図に示すようにな
る。スキャンセレクタ45は、各素子の制御信号C₁,C₂,C₃
の３ビット情報を逐次切り換えてα，β，γ，δで示す
ディジタルコンパレータ25に入力する。コンパレータ25
では、情報C₁,C₂,C₃がαでは111（Ｘ状態）、βでは011
（Ｘ状態）、γでは101（Ｒ状態）、δでは001（状
態）と一致したとき、“1"を出力する。カウンタ40で
は、コンパレータ25の出力パルスを計数する。したがっ
て、カウンタ40α，β，γ，δでは、それぞれX,,R,
状態の素子数が計数される。ただし、隣り合う素子が
同じ状態では、コンパレータ25の出力が“1"のまま継続
されるので、計数は増えない。このようにして、計数さ
れた値は、アダー46を用いて加算され、素子数Ｉとして
出力される。以上により、第７図の使用状態にふさわし
い発信正弦波パルスの周期数が指定される。

〔発明の効果〕

本発明によれば、次に結果が得られる。

（１）アレイ探触子を構成する素子のうち、送受信に使
用する素子数を自動的に検出できる。

（２）上記検出した素子数に対応した正弦波状の印加パ
ルスの周期分を抽出し、素子に印加して超音波を発信で
きる。

（３）このとき、アレイ探触子で受信した反射パルス
は、１周期分だけ振幅の大きい信号を形成し、探触子か
ら反射体までの距離測定に関し、超音波半波長以内の高
い距離分解能が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波探傷装置の一実施例の構成を示
すブロック図、第２図は第１図装置の信号相互の関係を
示すタイムチャート、第３図はスイッチ回路の詳細を示
す図、第４図は第３図の素子の使用状態をまとめて示す
図、第５図はスイッチ制御回路の構成を示す図、第６図
は素子数判定器の構成を示す図、第７図はアレイ探触子
の使用状態の一例を示す図、第８図は第７図に示す配置
に適応した素子数判定器の一実施例を示す図、第９図は
本発明における送信時の周期数によって強くなる超音波
の波面を模式的に示す図、第10図は本発明における受信
時の超音波波面と受信信号の振幅との関係を模式的に示
す図、第11図は本発明装置の原理的構成を示す図であ
る。１……アレイ探触子、10……パワーアンプ、11……アナ
ログスイッチ、12……スイッチ制御回路、13……デコー
ダ、14……アダー、20……正弦波発信器、21……遅延回
路、22……コンパレータ、23……パルスカウンタ、24…
…ゲートスイッチ、25……ディジタルコンパレータ、26
……素子数判定器、27……信号処理装置、28……スイッ
チ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小池正浩茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献特開昭50−83088（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−18860（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−44659（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の超音波送受信素子で形成されたアレ
イ探触子から所定間隔の素子を選択して発信電圧を印加
するとともに、それら選択された素子間の素子には前記
発信電圧とは異なる位相の発信電圧を印加して、各素子
から同時に超音波を発信させ、特定方向にのみ超音波ビ
ームを形成させる超音波探傷方法において、前記素子の結線状態から送信，受信，不使用素子数を判
別し、使用状態にある素子数を算出し、前記算出結果に基づき使用する素子数ｎと同じｎ周期分
の超音波を前記各素子に印加して発信させ、被探傷物体からの反射波を受信し、前記ビーム方向の傷位置までの距離を算出することを特
徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の超音波探傷
方法において、前記位相の異なる電圧が、基本となる発信電圧を反転さ
せた電圧であることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項３】複数の超音波送受信素子で形成されたアレ
イ探触子と、前記素子の結線状態から送信，受信，不使用素子数を判
別し、使用状態にある素子数を算出する素子数判定器を
含み、前記探触子から所定間隔の素子を選択してそれら
を相互接続するとともに、前記選択素子間に配置した素
子の少なくとも一部を相互接続するスイッチ制御装置
と、前記素子数判定器の判定結果に基づき互いに接続された
前記２つの素子群に対し使用する素子数ｎと同じｎ周期
分の正弦波電圧を印加する発信器と、被探触物体からの反射波の受信信号を増幅検波し前記ア
レイ探触子から前記ビーム方向の傷位置までの距離を算
出する信号処理装置とからなる超音波探傷装置。
【請求項４】特許請求の範囲第３項に記載の超音波探傷
装置において、前記素子数判定器が、予め使用素子数に対応して設定し
た計数値とスイッチ制御装置の制御信号を比較し前記素
子のうち送受信状態の素子数を検出する素子数判定器で
あることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項５】特許請求の範囲第３項または第４項に記載
の超音波探傷装置において、前記発信器が、前記素子数判定器で検出した素子数の計
数値と正弦波発信器の正弦波の計数値とを比較し、計数
値が等しくなる時刻までの正弦波を出力する回路を含
み、検出した素子数に対応した周期分の超音波パルスを
発生させ、当該超音波パルスを所定の素子群に印加する
ことを特徴とする超音波探傷装置。