JP3606132B2 - 超音波探傷方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の振動素子をアレイ状に配列して超音波の送受信を行い、被検体の探傷を行う超音波探傷方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材など材料や溶接部の内部に存在するきずを非破壊検査する手段として、超音波探傷法が広く用いられている。この超音波探傷法は、被検体の表面から超音波を入射し、内部のきずから反射した超音波を受信して検査を行う方法である。
【０００３】
従来広く行われている超音波探傷では、垂直用、斜角用など探傷目的に応じた探触子が用いられており、一般に、市販品の探触子は、１つの振動子で構成されるものが多い。
【０００４】
なお、微少な振動素子を複数配列し、それぞれの振動素子で超音波の送受信を行うアレイ型探触子を用いた超音波探傷技術がある。このアレイ型探触子を用いた超音波探傷では、例えば特開平９−３３５００号公報や特開平９−２９２３７４号公報などに示されるように、各アレイ素子の送受信のタイミングを制御して、被検体内の超音波ビームを所定位置（焦点位置）に収束（フォーカスイング）させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来広く用いられている超音波探傷方法を用いて、厚い鋼板の探傷など超音波のビーム路程が大きくなる場合や、超音波の減衰が大きな材料の超音波探傷を行う場合、超音波ビームの広がりや超音波の材料中での減衰により、きずから反射する超音波が微弱となり、良好なＳＮ比で探傷ができないという問題が生じている。
【０００６】
そのため、振動子面積の大きな超音波探触子を使用して探傷が行われているが、従来タイプのように１つの振動子で送受信を行う場合、印加電圧等の関係で駆動可能な振動子の大きさに限界があった。また１つの振動子の場合、被検体中の音場は振動子の大きさ（振動子面積）に直接に支配され、音場の制御は不可能である。
【０００７】
一方、アレイ型探触子を用いる場合には、前述の特開平９−３３５００号公報や特開平９−２９２３７４号公報などに代表されるように、各アレイ素子の送受信のタイミングを制御して超音波ビームを収束させる発明においては、超音波ビームの焦点位置もしくはこの近傍位置において検出精度の向上のみを目指したものであった。
【０００８】
前記超音波のビーム路程が大きくなる場合や被検体内での超音波の減衰が大きくなる場合の超音波探傷法としては、一般に振動子面積や振動子開口幅を大きくする方が良いとされているが、所要探傷範囲をカバーするために必要なビーム路程に対して、どの程度に大きくしたらよいのかが不明のため、従来は試行錯誤を繰り返していた。
【０００９】
従って所望のビーム路程で超音波探傷を行うために必要とする振動子面積や振動子開口幅の合理的な基準が求められていた。
【００１０】
また上記振動子面積や振動子開口幅が大きくなった場合においても、被検体内のきずを精度良く検出できるように、被検体内における超音波ビームの広がりを制御可能とすることも要望されていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る超音波探傷方法は、斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷方法において、前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列し、該複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの前記被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定するものである。
【００１２】
【数３】
【００１３】
本発明の請求項２に係る超音波探傷方法は、前記請求項１に係る超音波探傷方法において、前記設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御するものである。
【００１４】
本発明の請求項３に係る超音波探傷装置は、斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷装置において、前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列して構成した斜角接触子と、前記斜角探触子のアレイ状に配列された複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御する音場制御手段とを備えたものである。
【００１５】
【数４】
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施形態１
実施形態１では、送受波兼用の斜角探傷用アレイ探触子を用いた例を示している。
図１は本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構成図である。
図１において、１は複数ｎ個（例えば後述する３２個）の振動素子であり、ここでは各振動素子の形状は短冊形で、寸法は同一とする。そしてこの短冊形の短辺がくさび２の傾斜方向と一致する配列により、ｎ個の振動素子１はくさび２の傾斜面に一定間隔でアレイ状に配置される。２はくさび、３はダンパ材、４は上記１〜３を含む斜角アレイ探触子である。
５はパルサ群であり、前記斜角アレイ探触子４に含まれる複数ｎ個の各振動素子１を個別に励振するｎ個のパルサを含んでいる。
【００１７】
６は送信用遅延時間制御器であり、送信時の各パルサの励振タイミングを制御できるように、データ処理装置１０から入力するトリガパルスに対して、制御装置９から各パルサ毎に個別に指示された遅延時間を付与するための複数ｎ個の遅延時間可変素子を含んでいる。
７は受信用遅延時間制御器であり、受信時に、複数ｎ個の各振動素子による受波信号を合成する際の合成タイミングを制御できるように、受信時にｎ個の振動素子１が出力する各受信信号に対して、制御装置９から各振動素子毎に個別に指示されたｎ個の遅延時間を付与するための複数ｎ個の遅延時間可変素子を含んでいる。
【００１８】
８は受信器であり、受信用遅延時間制御器７の各出力を受信用振動素子選択切替装置１５を介して合成して入力し、所定帯域内の信号を所定ゲインで増幅後、検波したビデオ信号をデータ処理装置１０へ供給する。９は制御装置であり、パルサ群５及び受信器８に対して、超音波の送信及び受信の制御を行うのと共に、送信用遅延時間制御器６内のｎ個の各遅延時間可変素子及び受信用遅延時間制御器７内のｎ個の各遅延時間可変素子に対して、パソコン１１から指示された通りの遅延時間となるように個別の制御を行い、さらに送信用振動素子選択切替装置１４及び受信用振動素子選択切替装置１５の各振動素子毎の選択切替制御をも行う。
１０はデータ処理装置であり、送信用振動素子選択切替装置１４を介して送信用遅延時間制御器６にトリガパルスを出力し、受信器８からの入力信号による探傷データの処理を行う。１１はパソコンであり、制御装置９及びデータ処理装置１０を制御する。１２は被検体内の超音波、１３は被検体である。
【００１９】
１４，１５はそれぞれ送信用、受信用の振動素子選択切替装置であり、制御装置９から回路接続位置が指示された選択制御信号を受理し、アレイ状に配列された複数ｎ個の振動素子のうちから連続した配列位置として指示された複数ｍ個（但しｎ＞ｍ、例えば後述する１０個、１６個等）の各振動素子の回路は接続し、その他の各振動素子の回路は非接続とするように選択切替えを行う。
いまｎ＝３２としてアレイの配列順に、各振動素子に＃１，＃２，＃３，…，＃３２と番号を付与しておき、ｍ＝１０とすると、走査探傷を行う場合、送信用、受信用の振動素子選択切替装置は、例えば、１回目の選択指示では＃１〜＃１０の振動素子群を接続し、２回目の選択指示では＃２〜＃１１の振動素子群を接続し、第３回目の選択指示では＃３〜＃１２の振動素子群を接続するというように、選択接続位置をアレイ配列に従って順次ずらせる（走査させる）。
【００２０】
そしてアレイ状に配列された複数ｎ個の振動素子のうちから一度の超音波の送受信に使用する連続した配列位置の複数ｍ個の振動素子の設定法は、本発明に係る所定の振動素子開口幅Ｄを満足するように設定されるものであり、その詳細は後述する。
なお、図１においては、送信用振動素子選択切替器１４と受信用振動素子選択切替器１５は別個の構成になっているが、両方の振動素子選択切替器を一つにして送受兼用としてもよい。
【００２１】
図４は本発明に係る斜角探傷時の駆動素子群の開口幅決定方法の根拠となる仮想振動子開口幅の説明図である。
図４において、媒質Ａはくさび（くさび角度はαとする）、媒質Ｂは被検体である。１２は媒質Ｂ内で一定ビーム幅の超音波であり、この超音波の進行方向は、実際とは逆方向の媒質Ａから媒質Ｂへの方向とする。媒質Ａ内と媒質Ｂ内とで超音波の伝搬速度が異なると、媒質Ａと媒質Ｂとの境界面において、スネルの法則に従った屈折が生じる。いま、この境界面で屈折が生じないと仮定すると、境界面のＰ′点からＱ′点の範囲にわたり、媒質Ｂから媒質Ａへ直進した超音波１２のビームは、くさび傾斜面のＰ点からＱ点の範囲に到達する。
いま、くさび傾斜面のＰ点とＱ点との間に単一の振動子を設けたとして、このＰ点とＱ点の間の距離（即ち振動子開口幅）をＤとする。なおこの振動子からの超音波が実際に媒質Ａから媒質Ｂへ屈折して入射する場合の入射角はα（くさび角度αに等しい）、屈折角はθとする。
【００２２】
いま、Ｐ点から、Ｑ点〜Ｑ′点を通る直線に直角に交るように垂線を引き、その交点をＲとする。またＰ点とＲ点との間の距離をＤ′とする。
このＤ′は、図４において、実際の振動子開口幅Ｄを、超音波が媒質Ａ，Ｂを直進すると考えた場合の超音波伝搬方向と直角な面（波面）に投影したビーム幅であるので、本発明では、これを仮想振動子開口幅と称する。
この仮想振動子開口幅Ｄ′は、くさび角度（即ち媒質Ａの入射角）をα、媒質Ｂの屈折角をθとすると、図４の直角三角形ＰＱＲを参照して、次式（１）で表せる。
Ｄ′＝Ｄcos（θ−α） … （１）
なお、上記Ｄ′は、入射角α、屈折角θ、くさび傾斜面上の振動子開口幅Ｄの斜角探触子を用いた場合に、実際の媒質Ｂ内における超音波ビーム幅であるＤcosθ／cosαとは異なるものであることを付記する。
【００２３】
次に本発明における振動素子開口幅（本発明では複数の振動素子を用いるので振動素子開口幅というが、単一の振動子の場合は振動子開口幅という）を規定する基準式について説明する。
現在、線収束、点収束等の収束型と呼ばれる超音波探触子が市販されているが、これらの探触子は、振動子に１次元又は２次元の曲率を直接設けるか、または振動子の音響放射面に音響レンズを設けて超音波を収束させている。
一般に収束型探触子の場合、収束効果が得られるのは、探触子の近距離音場限界距離以内であるといわれており、円形振動子の場合、近距離音場限界距離ｘ0 は次式（２）で表されている。
ｘ0＝Ｄ2／４λ＝Ｄ2ｆ／４Ｃ … （２）
ここで、Ｄ，λ，ｆ，Ｃは次の通りである。
Ｄ：円形振動子の直径
λ：伝搬媒質中の超音波の波長
ｆ：伝搬媒質中の超音波の周波数
Ｃ：伝搬媒質中の超音波の速度
【００２４】
また、収束効果が得られる、すなわち、音場の制御が可能であるのは、振動子の近距離音場限界距離以内であることから、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬとすると、Ｌは次式（３）となる。
Ｌ≦ｘ0 … （３）
ここで本発明においては、前記式（２）における円形振動子の直径Ｄの代りに、前記式（１）で示される仮想振動素子開口幅Ｄ′を用いることを考える。そして式（１）〜（３）をまとめて整理すると次式（４）のような結果が得られる。
【００２５】
【数５】
【００２６】
ただし、式（４）中のＬには、くさび内の透過距離のパラメータが含まれていないが、このパラメータを例えばｋとすると、式（３）は次式（３′）となる。
Ｌ＋ｋ≦ｘ0 … （３′）
式（３′）を用いると式（４）は次式（４′）となる。
【００２７】
【数６】
【００２８】
従って（Ｌ＋ｋ）の代りにＬを使用しても、式（４）の本質的意味は変化しない。
なお、斜角探傷でなく、実施形態２で述べる垂直探傷の場合は、式（４）において、θ＝α＝０とすればよい。
【００２９】
図１のように複数ｎ個の振動素子１をアレイ状に配置した斜角探触子４を用い、この複数ｎ個の振動素子のうちから連続した配列位置の複数ｍ個（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、この選択された複数ｍ個の振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、本発明に係る所定の振動素子開口幅Ｄを満足するように前記複数ｍ個の振動素子を設定する方法を説明する。
まず図１の短冊形振動子１のうち、一度の送受信で駆動する複数の振動素子による開口幅Ｄは下記の基準に従う。
即ち、くさび傾斜方向における複数ｎ個の振動素子のうち、一度の送受信で駆動する連続した配列の素子数をｍとすると、このｍ個の各振動素子の幅（短冊形振動素子１の短辺の幅）及び間隔の総和で決まる振動素子群としての開口幅Ｄは、くさび角度をα、被検体１３内への屈折角をθとして、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体１３内を伝搬する超音波の波長をλとした場合、前記式（４）を満足するよう選択する。
たとえば、複数配列した振動素子のくさび傾斜方向の幅は一定でａとし、配列の間隔も全て一定でｂとすると、一度の送受信で駆動する振動素子数ｍは、次式（５）を満足するよう選択することになる。
【００３０】
【数７】
【００３１】
パソコン１１は、まず前記式（４）の振動素子開口幅Ｄを満足するように一度の送受信で駆動される連続した配列の振動素子の素子数ｍを前記式（５）により算出する。そしてこの算出した駆動素子数ｍのデータを制御装置９へ供給すると共に、決定された駆動素子開口幅を用いて探傷する際に、きず検出感度や検出分解能等を向上させるために、被検体１３内に形成される超音波音場を収束させて所望の形状となるように、送信用遅延時間制御器６及び受信用遅延時間制御器７内の各遅延時間可変素子に付与すべき各遅延時間を予め算出して、これを音場制御データとして制御装置９に与えておく。
上記被検体１３内における好ましい収束音場としては、斜角探傷範囲をカバーするのに必要なビーム路程の長、短や、探傷位置（振動素子からの距離）の既知、未知等によって、超音波ビームを比較的ゆるやかに収束させる（あまり超音波ビームを絞らない）場合と、かなり超音波ビームを絞って所望の探傷位置におけるビーム径を小さくする場合等があり、探傷仕様に基づき所望の形状の超音波音場が適宜選択される。
【００３２】
制御装置９は、パソコン１１から予め供給されている駆動素子数ｍ及び音場制御データに基づき、超音波の走査探傷を行う場合には、その走査順序に従い同時駆動振動素子群の位置と順番を決定する。例えばアレイの配列順に各振動素子に＃１，＃２，…，＃ｎの番号を付与しておき、１回目の探傷では＃１〜＃ｍの振動素子群、２回目の探傷では＃２〜＃（ｍ＋１）の振動素子群、３回目の探傷では＃３〜＃（ｍ＋２）の振動素子群を選択するというように決めておく。
そして制御装置９は、走査探傷の場合に上記のように決定した同時駆動振動素子群の位置と順番とに基づき超音波送信時には、その時点での同時駆動振動素子群のみを送信回路に接続させるように送信用振動素子選択切替器１４に選択制御信号を供給すると共に、パルサ群５内の各パルサに対する入力トリガパルスに個別の遅延時間を付与する送信用遅延時間制御器６内のｍ個の各遅延時間可変素子に対して、指示された音場制御データの通り各遅延時間を制御する。その結果、パルサ群５内の各パルサがそれぞれ励振するｍ個の振動素子１の各励振タイミングが制御され、所望の送信音場が形成される。
【００３３】
また制御装置９は、超音波受信時には、その時点での同時駆動振動素子群に含まれるｍ個の振動素子１の各受信信号にそれぞれ個別の遅延時間を付与する受信用遅延時間制御器７内の各遅延時間可変素子に対して、指示された音場データの通り各遅延時間を制御すると共に、その時点での同時駆動振動素子群のみを受信部８に接続させるように受信用振動素子選択切替器１５に選択制御信号を供給する。その結果、受信用遅延時間制御器７の出力は、受信時に使用する振動素子の出力のみが選択接続され、この接続されたｍ個の遅延受波信号が受信器８に供給される。このようにしてｍ個の各振動素子毎の受波信号の合成タイミングが制御され、所望の受信音場が形成される。
【００３４】
受信器８では、この合成入力信号に対して、前記式（４）の波長λを中心周波数とする所定周波数帯域の信号を所定ゲインで増幅後、検波したビデオ信号をデータ処理装置１０に供給する。データ処理装置１０では、この入力ビデオ信号からきずデータの抽出、きず位置及び寸法の算出等の処理を行い、この処理結果をパソコン１１に通知する。パソコン１１は、この通知情報を図示しない表示器に表示したり、プリンタや記録計に出力する。
【００３５】
このように図１の実施形態１では、前記式（４）の振動素子開口幅を満足するように、くさび傾斜面にアレイ配置される複数ｎの振動素子うち必要とする連続配列素子数ｍを選択することにより、厚い鋼板の探傷など、超音波ビーム路程が大きくなる場合や超音波の減衰が大きな材料の探傷を行う場合にも高感度での探傷ができるうえ、状況に応じて振動子開口幅を可変とすることができるため、板厚等の被検体の状況変化に対応することができる。
またアレイ配列された複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍの振動素子を選択する際に、これらの選択位置を前記アレイ配列に従って順次ずらせて選択することにより高速で走査探傷を行うことができる。
また送受信に使用する各振動素子のパルス励振タイミング及び受信信号の波形合成タイミングを制御して、被検体内での超音波ビームの広がりを制御することで、超音波の広がりに起因する不要なエコーの発生が抑制され、且つ欠陥部を精度良く検出することができる。
なお複数ｎ個の各振動素子の寸法は、同一であっても同一でなくとも、選択された振動素子ｍ個によって所定の振動素子開口幅を満たせばよい。
【００３６】
図２は本発明の実施形態１に係る図１と異なる超音波探触子の例を示す図である。
図２は、図１の短冊形振動素子１の代りに、正方形又は矩形の振動素子を行方向と列方向にマトリックス状（２次元的）に配置したものである。このマトリックス状配置では、振動素子開口幅と全体の振動素子面積の両方の調整が容易となる（図のＤとＷの調整により）。
また図１の超音波探触子では、ビーム収束は、くさび傾斜方向の１次元方向のみに制御されるが、図２の超音波探触子では、ビーム収束は、くさび傾斜方向とその直角方向の２次元方向に制御が可能となる。
【００３７】
実施形態２
実施形態２では、送受波兼用の垂直探傷用アレイ探触子を用いた例を示している。
図３は本発明の実施形態２に係る超音波探傷装置の構成図である。
図３では、図１の斜角アレイ探触子４の代りに垂直アレイ探触子４Ａを用いてる点のみが、図１と異なり、その他は図１と同一の構成になっている。
【００３８】
図３の垂直探傷の場合には、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程Ｌが、探傷範囲または対象とする探傷位置により決定される探傷面からの深さｄとなり、超音波の入射角α、屈折角θが共に０となるため、一度の送受信で駆動する連続した配列の複数の各短冊形振動子１の短辺の幅及び間隔の総和で決定される振動素子開口幅Ｄは、被検体１３内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（６）となるよう選択すればよい。
【００３９】
【数８】
【００４０】
それ以外の構成および作用、効果は図１の場合と同じである。なお、垂直探傷の場合も、振動素子の配列を２次元的に配列したマトリックス型探触子を用いて２次元方向のビーム制御が可能である。
【００４１】
次に、図１の超音波探傷装置による斜角探傷試験結果を説明する。
ここでは、試験片として、厚さ１２０ｍｍの鋼製ブロックに、探傷面から深さ１００ｍｍの位置にφ３ｍｍの横向きのドリル穴を加工した試験片を用いた場合の斜角探傷試験結果を示す。
この試験では、通常の斜角探傷と同様にくさびを用いて試験片中に横波が入射する構成とし、超音波周波数５ＭＨｚを用いた。また、くさびはポリスチレン製のものを用い、くさび角度は試験片中で屈折角度が７０°になるような角度で４２．７°とした。
【００４２】
図５は、振動素子の開口幅Ｄを変化させ、超音波音場を収束制御した場合と、しない場合での上記試験片横穴でのビーム広がりの測定例を示す図である。
この場合、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程Ｌは、きず位置を対象として、Ｌ＝１００ｍｍ／cos ７０°≒２９２ｍｍとなり、試験片中の横波音速を３２３０ｍ／ｓとすると超音波波長λは０．６５ｍｍとなる。これらのＬ＝２９２ｍｍ、λ＝０．６５ｍｍ、α＝４２．７°、θ＝７０°を用いて計算される必要最小限の開口幅ＤをＤmin とすると、Ｄmin は式（４）に基づき、次式（７）のように求められる。
なお、探傷範囲を試験片全体とする場合には、Ｌ＝１２０ｍｍ／cos ７０°≒３５１ｍｍとすればよい。
【００４３】
【数９】
【００４４】
図５において、横軸はくさび傾斜方向における一度の送受信で駆動する連続した配列の複数の各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄを、上記Ｄmin で除した値Ｄ／Ｄmin を、縦軸は各条件での横穴のエコーピークを０ｄＢとしたときの、−６ｄＢのビーム幅Ｗｂ-6dBを上記Ｄmin で除した値Ｗｂ-6dB／Ｄmin を示している。また図の黒丸は音場制御あり、白丸は音場制御なしの場合である。
図５により、Ｄ／Ｄmin が１以下、すなわち、振動素子開口幅ＤがＤmin より小さい場合においては、Ｗｂ-6dB／Ｄmin が大きくビーム幅が広い。また、音場制御の有無でビーム幅に差がなく、音場の制御が有効でないことがわかる。
一方、Ｄ／Ｄmin が１より大きい場合は、音場制御ありの場合ビーム幅が狭くなり、音場制御なしの場合ビーム幅が広くなり、音場制御の有無でビーム幅の違いが明白である。従って音場制御を行う場合、振動素子開口幅Ｄは式（４）を満足させるように設定する必要がある。
【００４５】
次に、厚さ１２０ｍｍの鋼製ブロックに、探傷面から深さ１００ｍｍの位置にφ３ｍｍの横向きのドリル穴を加工した試験片、および、厚さ６０ｍｍの鋼製ブロックに、探傷面から深さ４０ｍｍの位置にφ３ｍｍの横向きのドリル穴を加工した試験片の２種類を用いた試験を行った。
この試験では、通常の斜角探傷と同様にくさびを用いて試験片中に横波が入射する構成とし、超音波周波数５ＭＨｚを用いた。また、くさびはポリスチレン製のものを用い、くさび角度は試験片中で屈折角度が７０゜になるような角度で４２．７゜とした。
【００４６】
これらの試験片では、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程Ｌは、きず位置を対象とした場合、それぞれ以下のようになる。
６０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝４０ｍｍ／cos ７０゜≒１１７ｍｍ
１２０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝１００ｍｍ／cos ７０゜≒２９２ｍｍ
一方、斜角探傷範囲または斜角探傷位置により決定されるビーム路程Ｌは、試験片全体を対象とした場合、それぞれ以下のようになる。
６０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝６０ｍｍ／cos ７０゜≒１７５ｍｍ
１２０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝１２０ｍｍ／cos ７０゜≒３５１ｍｍ
また、試験片中の横波音遠を３２３０ｍ／ｓとすると超音波波長λは０．６５ｍｍとなる。上記のＬ、λ＝０．６５ｍｍ、α＝４２．７゜、θ＝７０゜を用いて計算される必要最小限の開口幅ＤをＤmin とすると、Ｄmin は式（４）に基づき、それぞれの試験片および斜角探傷対象位置に対し次式（８）〜（１１）のようになる。
【００４７】
【数１０】
【００４８】
試験片中での屈折角７０゜、周波数５ＭＨｚの場合で、振動素子配列ピッチ２ｍｍ、振動素子配列数３２の斜角アレイ探触子を用いた場合、上記式（８）〜（１１）の値に基づき、それぞれの場合における同時駆動振動素子数は以下のようになる。
【００４９】
上記のような同時駆動素子数の範囲で、被検体内に形成される超音波音場が所望の形状となるように、同時駆動を行う連続した配列の振動素子の数とその配列位置とを３２個のアレイ配列された振動素子のうちから選択すればよく、音場制御における素子数の選択肢が拡がる。
【００５０】
仮に同時駆動素子を１０素子として走査探傷を行う場合、走査ステップの精粗に応じて、同時駆動振動素子群の選択位置を、超音波の送受信のたびに、前者のときには、例えば（＃１〜＃１０）、（＃２〜＃１１）、（＃３〜＃１２）、…と順次ずらし、後者のときには、例えば（＃１〜＃１０）、（＃４〜＃１３）、（＃７〜＃１６）、…と順次ずらすことにより、高速に超音波の入射点の移動が可能となる。
【００５１】
なお、実施形態１と２は斜角探傷と垂直探傷とが異なるのみで、その他は同様に動作するので、実施形態２においても、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷方法およびその装置において、前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列し、該複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定するようにしたので、斜角探傷において、厚い鋼板の探傷など、超音波ビーム路程が大きくなる場合や超音波の減衰が大きな材料の探傷を行う場合にも高感度での探傷ができるうえ、状況に応じて振動子開口幅を可変とすることができるため、板厚等の被検体の状況変化に対応することができる。
【００５３】
また斜角探傷において、アレイ配列された複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍの振動素子を選択する際に、これらの選択位置を前記アレイ配列に従って順次ずらせて選択することにより高速で走査探傷を行うことができる。
【００５４】
【数１１】
【００５５】
また本発明によれば、前記斜角探傷において、前記設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御するので、超音波の広がりに起因する不要なエコーの発生が抑止され、且つ欠陥部の精度の良い検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る図１と異なる超音波探触子の例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る超音波探傷装置の構成図である。
【図４】本発明に係る斜角探傷時の仮想振動子開口幅の説明図である。
【図５】振動素子開口幅を変化させ、超音波音場を収束制御した場合としない場合での超音波ビーム広がりの測定例を示す図である。
【符号の説明】
１ 振動素子
２ くさび
３ ダンパ材
４ 斜角アレイ探触子
４Ａ 垂直アレイ探触子
５ パルサ群
６ 送信用遅延時間制御器
７ 受信用遅延時間制御器
８ 受信器
９ 制御装置
１０ データ処理装置
１１ パソコン
１２ 超音波
１３ 被検体
１４ 送信用振動素子選択切替装置
１５ 受信用振動素子選択切替装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の振動素子をアレイ状に配列して超音波の送受信を行い、被検体の探傷を行う超音波探傷方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材など材料や溶接部の内部に存在するきずを非破壊検査する手段として、超音波探傷法が広く用いられている。この超音波探傷法は、被検体の表面から超音波を入射し、内部のきずから反射した超音波を受信して検査を行う方法である。
【０００３】
従来広く行われている超音波探傷では、垂直用、斜角用など探傷目的に応じた探触子が用いられており、一般に、市販品の探触子は、１つの振動子で構成されるものが多い。
【０００４】
なお、微少な振動素子を複数配列し、それぞれの振動素子で超音波の送受信を行うアレイ型探触子を用いた超音波探傷技術がある。このアレイ型探触子を用いた超音波探傷では、例えば特開平９−３３５００号公報や特開平９−２９２３７４号公報などに示されるように、各アレイ素子の送受信のタイミングを制御して、被検体内の超音波ビームを所定位置（焦点位置）に収束（フォーカスイング）させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来広く用いられている超音波探傷方法を用いて、厚い鋼板の探傷など超音波のビーム路程が大きくなる場合や、超音波の減衰が大きな材料の超音波探傷を行う場合、超音波ビームの広がりや超音波の材料中での減衰により、きずから反射する超音波が微弱となり、良好なＳＮ比で探傷ができないという問題が生じている。
【０００６】
そのため、振動子面積の大きな超音波探触子を使用して探傷が行われているが、従来タイプのように１つの振動子で送受信を行う場合、印加電圧等の関係で駆動可能な振動子の大きさに限界があった。また１つの振動子の場合、被検体中の音場は振動子の大きさ（振動子面積）に直接に支配され、音場の制御は不可能である。
【０００７】
一方、アレイ型探触子を用いる場合には、前述の特開平９−３３５００号公報や特開平９−２９２３７４号公報などに代表されるように、各アレイ素子の送受信のタイミングを制御して超音波ビームを収束させる発明においては、超音波ビームの焦点位置もしくはこの近傍位置において検出精度の向上のみを目指したものであった。
【０００８】
前記超音波のビーム路程が大きくなる場合や被検体内での超音波の減衰が大きくなる場合の超音波探傷法としては、一般に振動子面積や振動子開口幅を大きくする方が良いとされているが、所要探傷範囲をカバーするために必要なビーム路程に対して、どの程度に大きくしたらよいのかが不明のため、従来は試行錯誤を繰り返していた。
【０００９】
従って所望のビーム路程で超音波探傷を行うために必要とする振動子面積や振動子開口幅の合理的な基準が求められていた。
【００１０】
また上記振動子面積や振動子開口幅が大きくなった場合においても、被検体内のきずを精度良く検出できるように、被検体内における超音波ビームの広がりを制御可能とすることも要望されていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る超音波探傷方法は、斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷方法において、前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列し、該複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの前記被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定するものである。
【００１２】
【数３】
本発明の請求項２に係る超音波探傷方法は、前記請求項１に係る超音波探傷方法において、前記設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御するものである。
【００１４】
本発明の請求項３に係る超音波探傷装置は、斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷装置において、前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列して構成した斜角接触子と、前記斜角探触子のアレイ状に配列された複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御する音場制御手段とを備えたものである。
【００１５】
【数４】
【発明の実施の形態】
実施形態１
実施形態１では、送受波兼用の斜角探傷用アレイ探触子を用いた例を示している。
図１は本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構成図である。
図１において、１は複数ｎ個（例えば後述する３２個）の振動素子であり、ここでは各振動素子の形状は短冊形で、寸法は同一とする。そしてこの短冊形の短辺がくさび２の傾斜方向と一致する配列により、ｎ個の振動素子１はくさび２の傾斜面に一定間隔でアレイ状に配置される。２はくさび、３はダンパ材、４は上記１〜３を含む斜角アレイ探触子である。
５はパルサ群であり、前記斜角アレイ探触子４に含まれる複数ｎ個の各振動素子１を個別に励振するｎ個のパルサを含んでいる。
【００１７】
６は送信用遅延時間制御器であり、送信時の各パルサの励振タイミングを制御できるように、データ処理装置１０から入力するトリガパルスに対して、制御装置９から各パルサ毎に個別に指示された遅延時間を付与するための複数ｎ個の遅延時間可変素子を含んでいる。
７は受信用遅延時間制御器であり、受信時に、複数ｎ個の各振動素子による受波信号を合成する際の合成タイミングを制御できるように、受信時にｎ個の振動素子１が出力する各受信信号に対して、制御装置９から各振動素子毎に個別に指示されたｎ個の遅延時間を付与するための複数ｎ個の遅延時間可変素子を含んでいる。
【００１８】
８は受信器であり、受信用遅延時間制御器７の各出力を受信用振動素子選択切替装置１５を介して合成して入力し、所定帯域内の信号を所定ゲインで増幅後、検波したビデオ信号をデータ処理装置１０へ供給する。９は制御装置であり、パルサ群５及び受信器８に対して、超音波の送信及び受信の制御を行うのと共に、送信用遅延時間制御器６内のｎ個の各遅延時間可変素子及び受信用遅延時間制御器７内のｎ個の各遅延時間可変素子に対して、パソコン１１から指示された通りの遅延時間となるように個別の制御を行い、さらに送信用振動素子選択切替装置１４及び受信用振動素子選択切替装置１５の各振動素子毎の選択切替制御をも行う。
１０はデータ処理装置であり、送信用振動素子選択切替装置１４を介して送信用遅延時間制御器６にトリガパルスを出力し、受信器８からの入力信号による探傷データの処理を行う。１１はパソコンであり、制御装置９及びデータ処理装置１０を制御する。１２は被検体内の超音波、１３は被検体である。
【００１９】
１４，１５はそれぞれ送信用、受信用の振動素子選択切替装置であり、制御装置９から回路接続位置が指示された選択制御信号を受理し、アレイ状に配列された複数ｎ個の振動素子のうちから連続した配列位置として指示された複数ｍ個（但しｎ＞ｍ、例えば後述する１０個、１６個等）の各振動素子の回路は接続し、その他の各振動素子の回路は非接続とするように選択切替えを行う。
いまｎ＝３２としてアレイの配列順に、各振動素子に＃１，＃２，＃３，…，＃３２と番号を付与しておき、ｍ＝１０とすると、走査探傷を行う場合、送信用、受信用の振動素子選択切替装置は、例えば、１回目の選択指示では＃１〜＃１０の振動素子群を接続し、２回目の選択指示では＃２〜＃１１の振動素子群を接続し、第３回目の選択指示では＃３〜＃１２の振動素子群を接続するというように、選択接続位置をアレイ配列に従って順次ずらせる（走査させる）。
【００２０】
そしてアレイ状に配列された複数ｎ個の振動素子のうちから一度の超音波の送受信に使用する連続した配列位置の複数ｍ個の振動素子の設定法は、本発明に係る所定の振動素子開口幅Ｄを満足するように設定されるものであり、その詳細は後述する。
なお、図１においては、送信用振動素子選択切替器１４と受信用振動素子選択切替器１５は別個の構成になっているが、両方の振動素子選択切替器を一つにして送受兼用としてもよい。
【００２１】
図４は本発明に係る斜角探傷時の駆動素子群の開口幅決定方法の根拠となる仮想振動子開口幅の説明図である。
図４において、媒質Ａはくさび（くさび角度はαとする）、媒質Ｂは被検体である。１２は媒質Ｂ内で一定ビーム幅の超音波であり、この超音波の進行方向は、実際とは逆方向の媒質Ａから媒質Ｂへの方向とする。媒質Ａ内と媒質Ｂ内とで超音波の伝搬速度が異なると、媒質Ａと媒質Ｂとの境界面において、スネルの法則に従った屈折が生じる。いま、この境界面で屈折が生じないと仮定すると、境界面のＰ′点からＱ′点の範囲にわたり、媒質Ｂから媒質Ａへ直進した超音波１２のビームは、くさび傾斜面のＰ点からＱ点の範囲に到達する。
いま、くさび傾斜面のＰ点とＱ点との間に単一の振動子を設けたとして、このＰ点とＱ点の間の距離（即ち振動子開口幅）をＤとする。なおこの振動子からの超音波が実際に媒質Ａから媒質Ｂへ屈折して入射する場合の入射角はα（くさび角度αに等しい）、屈折角はθとする。
【００２２】
いま、Ｐ点から、Ｑ点〜Ｑ′点を通る直線に直角に交るように垂線を引き、その交点をＲとする。またＰ点とＲ点との間の距離をＤ′とする。
このＤ′は、図４において、実際の振動子開口幅Ｄを、超音波が媒質Ａ，Ｂを直進すると考えた場合の超音波伝搬方向と直角な面（波面）に投影したビーム幅であるので、本発明では、これを仮想振動子開口幅と称する。
この仮想振動子開口幅Ｄ′は、くさび角度（即ち媒質Ａの入射角）をα、媒質Ｂの屈折角をθとすると、図４の直角三角形ＰＱＲを参照して、次式（１）で表せる。
Ｄ′＝Ｄcos（θ−α） … （１）
なお、上記Ｄ′は、入射角α、屈折角θ、くさび傾斜面上の振動子開口幅Ｄの斜角探触子を用いた場合に、実際の媒質Ｂ内における超音波ビーム幅であるＤcosθ／cosαとは異なるものであることを付記する。
【００２３】
次に本発明における振動素子開口幅（本発明では複数の振動素子を用いるので振動素子開口幅というが、単一の振動子の場合は振動子開口幅という）を規定する基準式について説明する。
現在、線収束、点収束等の収束型と呼ばれる超音波探触子が市販されているが、これらの探触子は、振動子に１次元又は２次元の曲率を直接設けるか、または振動子の音響放射面に音響レンズを設けて超音波を収束させている。
一般に収束型探触子の場合、収束効果が得られるのは、探触子の近距離音場限界距離以内であるといわれており、円形振動子の場合、近距離音場限界距離ｘ0 は次式（２）で表されている。
ｘ0＝Ｄ2／４λ＝Ｄ2ｆ／４Ｃ … （２）
ここで、Ｄ，λ，ｆ，Ｃは次の通りである。
Ｄ：円形振動子の直径
λ：伝搬媒質中の超音波の波長
ｆ：伝搬媒質中の超音波の周波数
Ｃ：伝搬媒質中の超音波の速度
【００２４】
また、収束効果が得られる、すなわち、音場の制御が可能であるのは、振動子の近距離音場限界距離以内であることから、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬとすると、Ｌは次式（３）となる。
Ｌ≦ｘ0 … （３）
ここで本発明においては、前記式（２）における円形振動子の直径Ｄの代りに、前記式（１）で示される仮想振動素子開口幅Ｄ′を用いることを考える。そして式（１）〜（３）をまとめて整理すると次式（４）のような結果が得られる。
【００２５】
【数５】
ただし、式（４）中のＬには、くさび内の透過距離のパラメータが含まれていないが、このパラメータを例えばｋとすると、式（３）は次式（３′）となる。
Ｌ＋ｋ≦ｘ0 … （３′）
式（３′）を用いると式（４）は次式（４′）となる。
【００２７】
【数６】
従って（Ｌ＋ｋ）の代りにＬを使用しても、式（４）の本質的意味は変化しない。
なお、斜角探傷でなく、実施形態２で述べる垂直探傷の場合は、式（４）において、θ＝α＝０とすればよい。
【００２９】
図１のように複数ｎ個の振動素子１をアレイ状に配置した斜角探触子４を用い、この複数ｎ個の振動素子のうちから連続した配列位置の複数ｍ個（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、この選択された複数ｍ個の振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、本発明に係る所定の振動素子開口幅Ｄを満足するように前記複数ｍ個の振動素子を設定する方法を説明する。
まず図１の短冊形振動子１のうち、一度の送受信で駆動する複数の振動素子による開口幅Ｄは下記の基準に従う。
即ち、くさび傾斜方向における複数ｎ個の振動素子のうち、一度の送受信で駆動する連続した配列の素子数をｍとすると、このｍ個の各振動素子の幅（短冊形振動素子１の短辺の幅）及び間隔の総和で決まる振動素子群としての開口幅Ｄは、くさび角度をα、被検体１３内への屈折角をθとして、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体１３内を伝搬する超音波の波長をλとした場合、前記式（４）を満足するよう選択する。
たとえば、複数配列した振動素子のくさび傾斜方向の幅は一定でａとし、配列の間隔も全て一定でｂとすると、一度の送受信で駆動する振動素子数ｍは、次式（５）を満足するよう選択することになる。
【００３０】
【数７】
パソコン１１は、まず前記式（４）の振動素子開口幅Ｄを満足するように一度の送受信で駆動される連続した配列の振動素子の素子数ｍを前記式（５）により算出する。そしてこの算出した駆動素子数ｍのデータを制御装置９へ供給すると共に、決定された駆動素子開口幅を用いて探傷する際に、きず検出感度や検出分解能等を向上させるために、被検体１３内に形成される超音波音場を収束させて所望の形状となるように、送信用遅延時間制御器６及び受信用遅延時間制御器７内の各遅延時間可変素子に付与すべき各遅延時間を予め算出して、これを音場制御データとして制御装置９に与えておく。
上記被検体１３内における好ましい収束音場としては、斜角探傷範囲をカバーするのに必要なビーム路程の長、短や、探傷位置（振動素子からの距離）の既知、未知等によって、超音波ビームを比較的ゆるやかに収束させる（あまり超音波ビームを絞らない）場合と、かなり超音波ビームを絞って所望の探傷位置におけるビーム径を小さくする場合等があり、探傷仕様に基づき所望の形状の超音波音場が適宜選択される。
【００３２】
制御装置９は、パソコン１１から予め供給されている駆動素子数ｍ及び音場制御データに基づき、超音波の走査探傷を行う場合には、その走査順序に従い同時駆動振動素子群の位置と順番を決定する。例えばアレイの配列順に各振動素子に＃１，＃２，…，＃ｎの番号を付与しておき、１回目の探傷では＃１〜＃ｍの振動素子群、２回目の探傷では＃２〜＃（ｍ＋１）の振動素子群、３回目の探傷では＃３〜＃（ｍ＋２）の振動素子群を選択するというように決めておく。
そして制御装置９は、走査探傷の場合に上記のように決定した同時駆動振動素子群の位置と順番とに基づき超音波送信時には、その時点での同時駆動振動素子群のみを送信回路に接続させるように送信用振動素子選択切替器１４に選択制御信号を供給すると共に、パルサ群５内の各パルサに対する入力トリガパルスに個別の遅延時間を付与する送信用遅延時間制御器６内のｍ個の各遅延時間可変素子に対して、指示された音場制御データの通り各遅延時間を制御する。その結果、パルサ群５内の各パルサがそれぞれ励振するｍ個の振動素子１の各励振タイミングが制御され、所望の送信音場が形成される。
【００３３】
また制御装置９は、超音波受信時には、その時点での同時駆動振動素子群に含まれるｍ個の振動素子１の各受信信号にそれぞれ個別の遅延時間を付与する受信用遅延時間制御器７内の各遅延時間可変素子に対して、指示された音場データの通り各遅延時間を制御すると共に、その時点での同時駆動振動素子群のみを受信部８に接続させるように受信用振動素子選択切替器１５に選択制御信号を供給する。その結果、受信用遅延時間制御器７の出力は、受信時に使用する振動素子の出力のみが選択接続され、この接続されたｍ個の遅延受波信号が受信器８に供給される。このようにしてｍ個の各振動素子毎の受波信号の合成タイミングが制御され、所望の受信音場が形成される。
【００３４】
受信器８では、この合成入力信号に対して、前記式（４）の波長λを中心周波数とする所定周波数帯域の信号を所定ゲインで増幅後、検波したビデオ信号をデータ処理装置１０に供給する。データ処理装置１０では、この入力ビデオ信号からきずデータの抽出、きず位置及び寸法の算出等の処理を行い、この処理結果をパソコン１１に通知する。パソコン１１は、この通知情報を図示しない表示器に表示したり、プリンタや記録計に出力する。
【００３５】
このように図１の実施形態１では、前記式（４）の振動素子開口幅を満足するように、くさび傾斜面にアレイ配置される複数ｎの振動素子うち必要とする連続配列素子数ｍを選択することにより、厚い鋼板の探傷など、超音波ビーム路程が大きくなる場合や超音波の減衰が大きな材料の探傷を行う場合にも高感度での探傷ができるうえ、状況に応じて振動子開口幅を可変とすることができるため、板厚等の被検体の状況変化に対応することができる。
またアレイ配列された複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍの振動素子を選択する際に、これらの選択位置を前記アレイ配列に従って順次ずらせて選択することにより高速で走査探傷を行うことができる。
また送受信に使用する各振動素子のパルス励振タイミング及び受信信号の波形合成タイミングを制御して、被検体内での超音波ビームの広がりを制御することで、超音波の広がりに起因する不要なエコーの発生が抑制され、且つ欠陥部を精度良く検出することができる。
なお複数ｎ個の各振動素子の寸法は、同一であっても同一でなくとも、選択された振動素子ｍ個によって所定の振動素子開口幅を満たせばよい。
【００３６】
図２は本発明の実施形態１に係る図１と異なる超音波探触子の例を示す図である。
図２は、図１の短冊形振動素子１の代りに、正方形又は矩形の振動素子を行方向と列方向にマトリックス状（２次元的）に配置したものである。このマトリックス状配置では、振動素子開口幅と全体の振動素子面積の両方の調整が容易となる（図のＤとＷの調整により）。
また図１の超音波探触子では、ビーム収束は、くさび傾斜方向の１次元方向のみに制御されるが、図２の超音波探触子では、ビーム収束は、くさび傾斜方向とその直角方向の２次元方向に制御が可能となる。
【００３７】
実施形態２
実施形態２では、送受波兼用の垂直探傷用アレイ探触子を用いた例を示している。
図３は本発明の実施形態２に係る超音波探傷装置の構成図である。
図３では、図１の斜角アレイ探触子４の代りに垂直アレイ探触子４Ａを用いてる点のみが、図１と異なり、その他は図１と同一の構成になっている。
【００３８】
図３の垂直探傷の場合には、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程Ｌが、探傷範囲または対象とする探傷位置により決定される探傷面からの深さｄとなり、超音波の入射角α、屈折角θが共に０となるため、一度の送受信で駆動する連続した配列の複数の各短冊形振動子１の短辺の幅及び間隔の総和で決定される振動素子開口幅Ｄは、被検体１３内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（６）となるよう選択すればよい。
【００３９】
【数８】
それ以外の構成および作用、効果は図１の場合と同じである。なお、垂直探傷の場合も、振動素子の配列を２次元的に配列したマトリックス型探触子を用いて２次元方向のビーム制御が可能である。
【００４１】
次に、図１の超音波探傷装置による斜角探傷試験結果を説明する。
ここでは、試験片として、厚さ１２０ｍｍの鋼製ブロックに、探傷面から深さ１００ｍｍの位置にφ３ｍｍの横向きのドリル穴を加工した試験片を用いた場合の斜角探傷試験結果を示す。
この試験では、通常の斜角探傷と同様にくさびを用いて試験片中に横波が入射する構成とし、超音波周波数５ＭＨｚを用いた。また、くさびはポリスチレン製のものを用い、くさび角度は試験片中で屈折角度が７０°になるような角度で４２．７°とした。
【００４２】
図５は、振動素子の開口幅Ｄを変化させ、超音波音場を収束制御した場合と、しない場合での上記試験片横穴でのビーム広がりの測定例を示す図である。
この場合、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程Ｌは、きず位置を対象として、Ｌ＝１００ｍｍ／cos ７０°≒２９２ｍｍとなり、試験片中の横波音速を３２３０ｍ／ｓとすると超音波波長λは０．６５ｍｍとなる。これらのＬ＝２９２ｍｍ、λ＝０．６５ｍｍ、α＝４２．７°、θ＝７０°を用いて計算される必要最小限の開口幅ＤをＤmin とすると、Ｄmin は式（４）に基づき、次式（７）のように求められる。
なお、探傷範囲を試験片全体とする場合には、Ｌ＝１２０ｍｍ／cos ７０°≒３５１ｍｍとすればよい。
【００４３】
【数９】
図５において、横軸はくさび傾斜方向における一度の送受信で駆動する連続した配列の複数の各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄを、上記Ｄmin で除した値Ｄ／Ｄmin を、縦軸は各条件での横穴のエコーピークを０ｄＢとしたときの、−６ｄＢのビーム幅Ｗｂ-6dBを上記Ｄmin で除した値Ｗｂ-6dB／Ｄmin を示している。また図の黒丸は音場制御あり、白丸は音場制御なしの場合である。
図５により、Ｄ／Ｄmin が１以下、すなわち、振動素子開口幅ＤがＤmin より小さい場合においては、Ｗｂ-6dB／Ｄmin が大きくビーム幅が広い。また、音場制御の有無でビーム幅に差がなく、音場の制御が有効でないことがわかる。
一方、Ｄ／Ｄmin が１より大きい場合は、音場制御ありの場合ビーム幅が狭くなり、音場制御なしの場合ビーム幅が広くなり、音場制御の有無でビーム幅の違いが明白である。従って音場制御を行う場合、振動素子開口幅Ｄは式（４）を満足させるように設定する必要がある。
【００４５】
次に、厚さ１２０ｍｍの鋼製ブロックに、探傷面から深さ１００ｍｍの位置にφ３ｍｍの横向きのドリル穴を加工した試験片、および、厚さ６０ｍｍの鋼製ブロックに、探傷面から深さ４０ｍｍの位置にφ３ｍｍの横向きのドリル穴を加工した試験片の２種類を用いた試験を行った。
この試験では、通常の斜角探傷と同様にくさびを用いて試験片中に横波が入射する構成とし、超音波周波数５ＭＨｚを用いた。また、くさびはポリスチレン製のものを用い、くさび角度は試験片中で屈折角度が７０゜になるような角度で４２．７゜とした。
【００４６】
これらの試験片では、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程Ｌは、きず位置を対象とした場合、それぞれ以下のようになる。
６０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝４０ｍｍ／cos ７０゜≒１１７ｍｍ
１２０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝１００ｍｍ／cos ７０゜≒２９２ｍｍ
一方、斜角探傷範囲または斜角探傷位置により決定されるビーム路程Ｌは、試験片全体を対象とした場合、それぞれ以下のようになる。
６０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝６０ｍｍ／cos ７０゜≒１７５ｍｍ
１２０ｍｍ試験片の場合：Ｌ＝１２０ｍｍ／cos ７０゜≒３５１ｍｍ
また、試験片中の横波音遠を３２３０ｍ／ｓとすると超音波波長λは０．６５ｍｍとなる。上記のＬ、λ＝０．６５ｍｍ、α＝４２．７゜、θ＝７０゜を用いて計算される必要最小限の開口幅ＤをＤmin とすると、Ｄmin は式（４）に基づき、それぞれの試験片および斜角探傷対象位置に対し次式（８）〜（１１）のようになる。
【００４７】
【数１０】
試験片中での屈折角７０゜、周波数５ＭＨｚの場合で、振動素子配列ピッチ２ｍｍ、振動素子配列数３２の斜角アレイ探触子を用いた場合、上記式（８）〜（１１）の値に基づき、それぞれの場合における同時駆動振動素子数は以下のようになる。
上記のような同時駆動素子数の範囲で、被検体内に形成される超音波音場が所望の形状となるように、同時駆動を行う連続した配列の振動素子の数とその配列位置とを３２個のアレイ配列された振動素子のうちから選択すればよく、音場制御における素子数の選択肢が拡がる。
【００５０】
仮に同時駆動素子を１０素子として走査探傷を行う場合、走査ステップの精粗に応じて、同時駆動振動素子群の選択位置を、超音波の送受信のたびに、前者のときには、例えば（＃１〜＃１０）、（＃２〜＃１１）、（＃３〜＃１２）、…と順次ずらし、後者のときには、例えば（＃１〜＃１０）、（＃４〜＃１３）、（＃７〜＃１６）、…と順次ずらすことにより、高速に超音波の入射点の移動が可能となる。
【００５１】
なお、実施形態１と２は斜角探傷と垂直探傷とが異なるのみで、その他は同様に動作するので、実施形態２においても、実施形態１と同様の効果が得られる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷方法およびその装置において、前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列し、該複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定するようにしたので、斜角探傷において、厚い鋼板の探傷など、超音波ビーム路程が大きくなる場合や超音波の減衰が大きな材料の探傷を行う場合にも高感度での探傷ができるうえ、状況に応じて振動子開口幅を可変とすることができるため、板厚等の被検体の状況変化に対応することができる。
【００５３】
また斜角探傷において、アレイ配列された複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍの振動素子を選択する際に、これらの選択位置を前記アレイ配列に従って順次ずらせて選択することにより高速で走査探傷を行うことができる。
【００５４】
【数１１】
また本発明によれば、前記斜角探傷において、前記設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御するので、超音波の広がりに起因する不要なエコーの発生が抑止され、且つ欠陥部の精度の良い検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る超音波探傷装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る図１と異なる超音波探触子の例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る超音波探傷装置の構成図である。
【図４】本発明に係る斜角探傷時の仮想振動子開口幅の説明図である。
【図５】振動素子開口幅を変化させ、超音波音場を収束制御した場合としない場合での超音波ビーム広がりの測定例を示す図である。
【符号の説明】
１ 振動素子
２ くさび
３ ダンパ材
４ 斜角アレイ探触子
４Ａ 垂直アレイ探触子
５ パルサ群
６ 送信用遅延時間制御器
７ 受信用遅延時間制御器
８ 受信器
９ 制御装置
１０ データ処理装置
１１ パソコン
１２ 超音波
１３ 被検体
１４ 送信用振動素子選択切替装置
１５ 受信用振動素子選択切替装置
Claims (3)
- 斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷方法において、
前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列し、該複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、前記くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの前記被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定することを特徴とする超音波探傷方法。
- 前記設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御することを特徴とする請求項１記載の超音波探傷方法。
- 斜角探傷用くさびを介して被検体探傷面より超音波を屈折入射させて被検体の探傷を行う超音波探傷装置において、
前記斜角探傷用くさびの傾斜面に複数ｎの振動素子をアレイ状に配列して構成した斜角接触子と、
前記斜角探触子のアレイ状に配列された複数ｎの振動素子のうちから連続した配列の複数ｍ（但しｎ＞ｍ）の振動素子を選択し、該選択された複数ｍの振動素子により一度に超音波の送受信を行う場合に、くさび傾斜方向における前記複数ｍの各振動素子の幅及び間隔の総和で決まる振動素子開口幅Ｄが、前記くさびの傾斜面に対して垂直に超音波を入射させたときの前記被検体探傷面に対する超音波の入射角をα、屈折角をθ、斜角探傷範囲または斜角探傷の対象位置により決定されるビーム路程をＬ、被検体内を伝搬する超音波の波長をλとすると、次式（Ａ）を満足するように前記複数ｍの振動素子を設定する設定手段と、
前記設定手段により設定された複数ｍの各振動素子をそれぞれ励振する際に、前記複数ｍの各振動素子毎にその励振タイミングを制御し、また前記複数ｍの各振動素子がそれぞれ受波した信号を合成する際に、前記複数ｍの各振動素子毎の受波信号の合成タイミングを制御し、前記被検体内に形成される超音波音場を所望の形状とするように制御する音場制御手段とを備えたことを特徴とする超音波探傷装置。
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