JP6764886B2 - プローブ設置方法および送信プローブの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、長尺部材の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブとガイド波を受信する受信プローブを設置するプローブ設置方法および送信プローブの駆動方法に関する。

従来、パイプライン、各種配管や各種機械の構成部材、建築建設部材等の長尺部材に関して、例えば亀裂、摩耗、腐食、変形、材料特性変化などに起因して断面積、断面形状や物理特性の変化が生じた欠陥部位がある場合、その欠陥が生じた箇所を効率的に検出、検査する手段として、弾性波パルス反射法が提案されている（例えば、非特許文献１ないし３参照）。弾性波パルス反射法は、長尺部材の軸線方向に進行する弾性波（一般に超音波周波数領域のガイド波）を送信し、形状等が変化した部分から反射された弾性波（以下、「エコー波」とも表記する）を受信する。欠陥の存在、位置、程度等を検出する弾性波を送信してから反射されたエコー波を受信するまでの時間と波の伝搬速度とに基づいて、欠陥までの距離が評価される。またエコー波の振幅や継続時間によって欠陥の程度が、評価される。

長尺部材を長手方向に伝搬する弾性波は、一般的にガイド波と呼ばれる。このガイド波の特徴として、その波のモードが多数存在する多モード性と音速に周波数依存性のある分散性とが知られている。弾性波パルス反射法では、対象の長尺部材を伝播し得る複数のガイド波のモードのうちの特定の一つまたは複数のモードを用いる。

亀山俊平、その他、ガイド波探傷システム、（社）日本非破壊検査協会、非破壊検査、第５２巻、第１２号、６７２−６７８頁、平成１５年１２月１日発行 永島良昭、その他、ガイド波を用いた配管減肉検査技術、日本工業出版株式会社、配管技術、１９−２４頁、２００８年６月号 林高弘、その他、ガイド波非軸対称モードの抽出、（社）日本非破壊検査協会、非破壊検査、第５３巻、第４号、２２３−２２９頁、平成１６年４月発行

弾性波パルス反射法においては、複数のガイド波のモードのうちの特定の一つまたは複数のモードを用いるが、複数のガイド波のモードのうち、弾性波パルス反射法では利用しないモードが存在する場合がある。弾性波パルス反射法では用いないモードの存在は、エコー波受信信号に影響を与えてＳＮ比を低下させる場合がある。また、ガイド波の送信の際には所望の特定モードのみを生成し送信できたとしても、波の進行にともなう散乱または反射の過程で、利用しないモードが生成（モード変換）され、エコー波受信信号に影響を与えてＳＮ比を低下させる場合もある。

従って本発明の目的は、ガイド波の受信におけるＳＮ比を向上させるプローブ設置方法および送信プローブの駆動方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、長尺部材に、長尺部材の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブと、ガイド波が長尺部材の所定箇所から反射されたガイド波を受信する受信プローブを設置するプローブ設置方法に関する。本発明の第１の特徴に係るプローブ設置方法において、受信プローブによって受信されるガイド波は、所望の第１の信号となるガイド波と、第１の信号のノイズである第２の信号となるガイド波とを含み、第２の信号となるガイド波は、長尺部材の周面における特定方向の変位の周方向分布において節を持ち、送信プローブによって送信されるガイド波は、長尺部材の特定の周面位置において、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなるように形成される。本発明の第１の特徴に係るプローブ設置方法は、長尺部材の周面に、ガイド波を送信する送信プローブを設置するステップと、長尺部材の周面の、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなる位置に、受信プローブを設置するステップを備える。

ここで送信プローブは、長尺部材の周面に、送信プローブの位置と長尺部材の中心軸とを含む平面に平行な方向の変位または変位振動を与えても良い。

また長尺部材は、長さ方向の中心軸に対して軸対称かつ、中心軸に垂直に形成される複数の断面の各形状が同一に形成されても良い。

また受信プローブは、第２の信号となるガイド波の、特定方向の変位がゼロとなる前記特定の周面位置に設置され、特定方向は、前記特定の周面位置と長尺部材の中心軸とを通る平面に平行な方向であっても良い。

また送信プローブが設置される位置を通り、長尺部材の長さ方向の中心軸に垂直に交わる直線と、受信プローブが設置される位置を通り、長さ方向の中心軸に垂直に交わる直線とがなす角θは、式（１）で特定されても良い。

また送信プローブは、複数のプローブからなり、複数のプローブは、長尺部材の長さ方向の中心軸を通る少なくとも１つの平面に関して、面対称な位置関係となるように配置され、複数の送信プローブは、前記平面に対して、面対称となる変位または変位振動を、長尺部材に与えるように駆動されても良い。

本発明の第２の特徴は、長尺部材の周面に設置される送信プローブの駆動方法に関する。本発明の第２の特徴に係る送信プローブの駆動方法において、長尺部材の周面に、長尺部材の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブと、ガイド波が長尺部材の所定箇所から反射されたガイド波を受信する受信プローブが設置され、受信プローブによって受信されるガイド波は、所望の第１の信号となるガイド波と、第１の信号のノイズである第２の信号となるガイド波を含み、第２の信号となるガイド波は、長尺部材の周面における特定方向の変位の周方向分布において節を持ち、送信プローブによって送信されるガイド波は、長尺部材の特定の周面位置において、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなるように形成され、受信プローブは、長尺部材の周面の、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなる位置に設置される。本発明の第２の特徴に係る送信プローブの駆動方法は、送信プローブが、長尺部材の周面に、送信プローブの位置と長尺部材の中心軸とを含む平面に平行な方向の変位または変位振動を与えるように駆動するステップを備える。

本発明の第３の特徴は、長尺部材の周面に設置される送信プローブの駆動方法に関する。本発明の第３の特徴に係る送信プローブの駆動方法において、長尺部材の周面に、長尺部材の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブと、ガイド波が長尺部材の所定箇所から反射されたガイド波を受信する受信プローブが設置され、受信プローブによって受信されるガイド波は、所望の第１の信号となるガイド波と、第１の信号のノイズである第２の信号となるガイド波を含み、第２の信号となるガイド波は、長尺部材の周面における特定方向の変位の周方向分布において節を持ち、送信プローブによって送信されるガイド波は、長尺部材の特定の周面位置において、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなるように形成され、送信プローブは、複数のプローブからなり、複数のプローブは、長尺部材の長さ方向の中心軸を通る少なくとも１つの平面に関して、面対称な位置関係となるように配置され、受信プローブは、長尺部材の周面の、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなる位置に設置される。本発明の第３の特徴に係る送信プローブの駆動方法は、複数の送信プローブが、前記平面に対して、面対称となる変位または変位振動を、長尺部材に与えるように駆動するステップを備える。

本発明によれば、ガイド波の受信におけるＳＮ比を向上させるプローブ設置方法および送信プローブの駆動方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る送信プローブおよび受信プローブの設置方法を説明する図であって、図１（ａ）は、長尺部材の長さ方向の中心軸に垂直に切った断面図であって、図１（ｂ）は、長尺部材の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る座標系を説明する図である。 所定の長尺部材についてのガイド波ＦモードとＬモードの位相速度と群速度の分散曲線を説明する図である。 適用例１における送信プローブおよび受信プローブの設置方法を説明する図であって、図４（ａ）は、長尺部材の長さ方向の中心軸に垂直に切った断面図であって、図４（ｂ）は、長尺部材の斜視図である。 適用例２および３における送信プローブおよび受信プローブの設置方法を説明する図であって、図５（ａ）は、長尺部材の長さ方向の中心軸に垂直に切った断面図であって、図５（ｂ）は、長尺部材の斜視図である。 適用例４における送信プローブおよび受信プローブの設置方法を説明する図であって、図６（ａ）は、長尺部材の長さ方向の中心軸に垂直に切った断面図であって、図６（ｂ）は、長尺部材の斜視図である。 所定の長尺部材についてのガイド波ＦモードとＬモードの群速度の分散曲線を説明する図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。

本発明の実施の形態は、図２に示す円筒座標系で説明される。図２（ａ）に示すように、長尺部材３の長さ方向の中心軸をz軸とする。図２（ｂ）に示すように、動径をｒ、所定位置と動径とがなす角をθとする。また本発明の実施の形態において、長尺部材の断面の径（円柱中実ロッドの直径または円筒形パイプの外径）は、２ａで表現される。

（プローブ設置方法）
図１を参照して、本発明の実施の形態において、長尺部材３に、長尺部材３の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブ１と、長尺部材３の欠陥が生じた所定箇所から反射されたガイド波を受信する受信プローブ２を設置するプローブ設置方法を説明する。ガイド波を送信する送信プローブ１と、ガイド波を受信する受信プローブ２は、長尺部材３の周面に当接して設置される。

送信プローブ１は、長尺部材３の周面に設置され、ガイド波を送信する。長尺部材３においてガイド波を送信する方法として、プローブ（トランスデューサ）として圧電素子探触子（アレー）を用いる方法、電磁超音波プローブ（ElectroMagnetic Acoustic Transducer：EMAT）を用いる方法、磁歪センサを用いる方法、レーザーを利用するレーザー超音波法等が知られているが、本発明の実施の形態において、ガイド波を送信する方法はどのようなものであっても構わない。

受信プローブ２は、長尺部材３の周面に設置され、ガイド波を受信する。長尺部材３においてガイド波を受信する方法として、圧電素子探触子を用いる方法、電磁超音波プローブを用いる方法、磁歪センサを用いる方法、レーザー超音波法等が知られているが、本発明の実施の形態において、ガイド波を受信する方法はどのようなものであっても構わない。

受信プローブ２は、送信プローブ１から送信されて長尺部材３の所定箇所で反射された結果生じたガイド波（エコー波とも称される場合がある）を受信する。受信プローブ２はさらに、送信プローブ1から送信されて直接受信プローブ２に到達したガイド波の他、送信プローブ１から長尺部材３の軸の前後方向に送信された後に反射、散乱等の過程を経て、受信プローブ２に到達するガイド波を受信する場合もある。

送信プローブ１によって送信されるガイド波は、長尺部材３の材料特性の変化や形状変化の検出に用いる波である。受信プローブ２によって受信されるガイド波は、所望の第１の信号となるガイド波と、第１の信号のノイズである第２の信号となるガイド波を含む。第２の信号となるガイド波は、長尺部材３の周面における特定方向の変位の周方向分布において節を持つ。周方向の分布とは、長尺部材３の中心軸に垂直な断面における周面上位置の分布である。送信プローブ１によって送信されるガイド波は、長尺部材３の特定の周面位置において、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなるように形成される。ここで特定方向は、特定の周面位置と長尺部材３の中心軸とを通る平面に平行な方向である。言い換えると、特定方向は、図２に示す円筒座標系において、θ成分がゼロであるベクトルで表現される方向である。

本発明の実施の形態において第２の信号は、ガイド波Ｆモードの信号である。第１の信号は、ガイド波Ｌモード、Ｆモードのうちのいずれでもよいが、本発明の実施の形態において、第１の信号が、その変位の分布が長さ方向の中心軸に対して軸対称で、周方向分布に節のないＬモードである場合を説明する。長尺部材３の材料特性または形状の変化の検出に用いるために、第１の信号が用いられ、第２の信号は、第１の信号に対するノイズとなる。

一般に受信プローブ２が受信するガイド波は、所望の第１の信号を形成するガイド波と、第１の信号のノイズとなる第２の信号となるガイド波とを含み得るので、本発明の実施の形態は、受信プローブ２による第１の信号の検出において、ノイズとなる第２の信号の影響が少なくなるような、送信プローブ１の設置と駆動、および受信プローブ２の設置の方法を提案する。

長尺部材３は、長さ方向（長手方向）の中心軸に対して対称かつ、中心軸に垂直に形成される複数の断面の各形状が同一に形成される。長尺部材３は、円柱中実ロッド、円筒形パイプ等である。

このような長尺部材３の周面に、送信プローブ１および受信プローブ２を設置する際、本発明の実施の形態に係るプローブ設置方法は、長尺部材３の周面に、ガイド波を送信する送信プローブ１を設置するステップと、長尺部材３の周面の、第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなる位置に、受信プローブ２を設置するステップとを備える。ここで、送信プローブ１は、長尺部材３の周面に、送信プローブ１の位置と長尺部材３の中心軸とを含む平面に平行な方向の変位または変位振動を与える。送信プローブ１の位置と長尺部材３の中心軸とを含む平面に平行な方向とは、図２に示す円筒座標系において、θ成分がゼロであるベクトルで表現される方向である。

本発明の実施の形態において、送信プローブ１はガイド波を送信し、ガイド波は長尺部材３の軸方向に進行する。ガイド波が進行する方向の長尺部材３に、例えば亀裂、摩耗、腐食、変形、材料特性変化などに起因して断面積、断面形状や物理特性の変化が生じた欠陥部位がある場合、その欠陥が生じた箇所でガイド波が反射されてエコー波が発生する。受信プローブ２がエコー波を検出することにより、欠陥の存在と場所に関する情報が特定される。

なお、図示しないが、送信プローブ１によるガイド波の送信、受信プローブ２によるガイド波の受信および解析を行う測定装置を備えても良い。測定装置は、ＣＰＵ、メモリ、送信プローブ１および受信プローブ２とのインタフェースを備える。測定装置は、送信プローブ１からガイド波を送信し、受信プローブ２で受信したエコー波を解析する。測定装置は、欠陥の存在、位置、程度等を検出するガイド波を送信してから反射されたエコー波を受信するまでの時間と波の伝搬速度とに基づいて、プローブ位置から欠陥までの距離を評価する。また測定装置は、エコー波の振幅や継続時間によって欠陥の程度や状態を、評価する。

本発明の実施の形態において、受信プローブ２は、第２の信号となるガイド波の、特定方向の変位がゼロとなる周面上の位置に設置される。ここで特定方向とは、受信プローブ２が設置される位置と長尺部材３の中心軸（ｚ軸）とを通る平面に平行な方向である。長尺部材３の周面位置と、長尺部材３の中心軸とを通る平面に平行な方向とは、図２に示す円筒座標系において、θ成分がゼロであるベクトルで表現される方向である。より具体的には、送信プローブ１が設置される位置を通り、長尺部材３の長さ方向の中心軸（z軸）に垂直に交わる直線と、受信プローブ２が設置される位置を通り、長さ方向の中心軸（z軸）に垂直に交わる直線とがなす角θは、式（１）で特定される。

式（１）は、送信プローブ１のθ座標を０とした場合の、受信プローブ２のθ座標である。

送信プローブ１が、図１に示すように、（ｒ，θ，ｚ）＝（ａ，０，０）の位置に配設された場合、受信プローブ２は、例えば、（ｒ，θ，ｚ）＝（ａ，π／２，Ｌ）の位置に配設される。これにより、受信プローブ２は、所望の第１の信号を形成するガイド波の変位を選択的に検出することが可能になる。

式（１）において、ｎ＝１かつｌ＝０の場合、θは、π/2（90度）になるが、この場合のプローブ設置方法について具体的に説明する。

図１において、長尺部材３の周面の１箇所に送信プローブ１が設置される。さらに、送信プローブ１が設置された位置からｚ方向（軸方向）に距離Ｌ離れ、送信プローブ１とは周方向にπ/2（90度）ずれた位置に、受信プローブ２が設置される。図１に示す例において、長尺部材３は、スチール製円柱中実ロッドである。

長尺部材３に存在し得るガイド波のモードとその特性は、長尺部材３の形状、物理的材料特性とその置かれた環境によって定められる。例えば、空気中または真空中に置かれた直径13mmの長尺部材３（スチール製円柱ロッド）に存在し得るガイド波のモードとその特性は、図３に示す位相速度と群速度の分散曲線により特定される。図３（ａ）および（ｂ）は、真空中の直径13mmの長尺部材３（スチール製円柱ロッド）のガイド波Ｌモード、Ｆモードの位相速度と群速度の分散曲線を示す。バルク波縦波音速5900m/s、バルク波横波音速3200m/s、スチールの密度7860kg/m3の条件下で、分散曲線が算出された。

本発明の実施の形態において、送信プローブ１が、送信プローブ１の位置とz軸とを通る平面に平行な方向の120kHz程度以下の所定の周波数の変位振動（θ成分はゼロである方向の変位振動）を、長尺部材３の周面の接触位置に与えてガイド波を生成、送信する場合を説明する。この場合、図３（ａ）および（ｂ）から分かるように、Ｌ（０，１）モードと、Ｆ（１，１）モードの２種の波が生成される。Ｌ（０，１）モードと、Ｆ（１，１）モードの２種の波は、それぞれ長尺部材３の前後方向（±ｚ方向）に送信される。なお、本発明の実施の形態において、位相速度と群速度の両方から、ガイド波のモードを特定したが、位相速度と群速度のいずれか一方から、ガイド波のモードを特定しても良い。

ここで、各モードの括弧内の引数は、モードを特定する情報である。（ｎ、ｍ）と表記された場合、ｎは、周方向のモードの次数（周方向の変位分布の節の数の１／２）であり、ｎが０の場合、軸対称の変位分布を表す。ｍは、１以上の整数であり、同一のｎに対する異なるモードの識別を表現する指標である（非特許文献３参照）。

上記条件でガイド波は、Ｌ（０，１）モードとＦ（１，１）モードの２種の波を含むところ、Ｌ（０，１）モードの波を、欠陥の検出に用いる波（第１の信号）とする。この場合、Ｆ（１，１）モードの波（第２の信号）が、受信プローブ２によって検出されると、Ｌ（０，１）モードの信号に対するノイズとなり、ＳＮ比を低下させる。具体的には、Ｌ（０，１）モードの空間変位（振動）は、長尺部材３の中心軸に対して軸対称であり、かつ軸方向成分と動径方向成分のみを持ち、円周方向成分は常に０である。ここで、Ｌ（０，１）モードの波を用いて長尺部材３の欠陥を検出するので、受信プローブ２は、長尺部材３の周面において、振動の軸方向成分または動径方向成分（軸方向成分と動径方向成分の両方でも良い）を検出することによって、受信プローブ２の位置に到来したＬ（０，１）モードの波の受信を行う。ここで受信プローブ２が、Ｌ（０，１）モードの波のほか、Ｆ（１，１）モードの波の対応する成分（軸方向成分または動径方向成分）を、同時にあるいは近い時刻に受信するとノイズとなり、ＳＮ比を低下させることとなる。

一般にＦ（ｎ，ｍ）モード（ｎ，ｍは１以上の整数）の長尺部材３中の位置座標（ｒ，θ，ｚ）の時刻ｔにおける空間変位を表すベクトル[ｕ（ｒ，θ，ｚ，ｔ）]は、式（２）で特定される。

なお、式（２）おける±ｎの２つの項は、円周方向の回転が逆方向（右回り、左回り）の２つのＦ（ｎ，ｍ）モードの波を表現している（非特許文献３参照）。

本発明の実施の形態で示すように、長尺部材３が円柱形状で、長尺部材３の周面に設置される送信プローブ１が、送信プローブ１の位置とz軸とを通る平面に平行な方向の変位振動を、長尺部材３の周面位置（ａ，０，０）近傍に与える場合を想定する。この場合、送信プローブ１が生成し送信するガイド波の変位分布は、ロッド形状と送信プローブ１が長尺部材３に与える変位振動の空間的対称性により、送信プローブ1の位置とｚ軸とを通る平面に対して面対称となる。即ち、その変位分布は、座標θについて、送信プローブ１の位置（θ＝０）に対して、動径方向成分（ｕ_ｒ）と軸方向成分（ｕ_ｚ）については対称で、円周方向成分（ｕ_θ）については反対称でなければならず、式（３）が成立する。

式（３）に式（２）を適用することにより、式（４）が得られる。

式（２）に式（４）を適用することにより、式（５）が得られる。

ここで、Ｆ（１，１）モードについては、ｎ＝１，ｍ＝１であるので、式（６）が得られる。

式（６）から、式（７）の位置では、ｒ座標、ｚ座標、時刻ｔに関わらず、変位の動径方向成分ｕ_ｒ（ｒ，θ，ｚ，ｔ）と、軸方向成分ｕ_ｚ（ｒ，θ，ｚ，ｔ）とが、０であることが分かる。

従って、図１に示したように、式（７）を満たす周面位置（ａ，π／２，Ｌ）に設置された受信プローブ２により、設置位置近傍の動径方向または軸方向の変位を検出する場合、その検出する実効的な面積がある程度小さければ（理想的にはθ方向について点接触であれば）、Ｆ（１，１）モードの変位は常に０となる。従って、受信プローブ２が受信する信号は、Ｌ（０，１）モードのみとなり、ノイズであるＦ（１，１）モードの信号の受信が抑制されてＳＮ比が向上できる。なお、式（７）に示す受信プローブ２の位置では、Ｆ（１，１）モードの変位の動径方向と軸方向成分がともに常に０となるため、受信プローブ２が検出するガイド波の変位の方向は、受信プローブ２の位置とｚ軸とを通る平面に平行な任意の方向で良い。

なお、受信プローブ２が受信するＦ（１，１）モードの波は、送信プローブ１から送信されて受信プローブ２に直接到達するものばかりではなく、送信プローブ１から長尺部材３の前後方向（±ｚ方向）に送信された後に反射、散乱等の過程を経て受信プローブ２の位置に到達するものについても、反射、散乱によってＦ（１，１）モードのガイド波について式（６）の変位分布が保持される限り、同様にその受信信号を抑制することができる。

このように、一般にＦ（ｎ，ｍ）モードの空間変位は、式（５）となるので、式（８）の位置に受信プローブ２を設置して、動径方向または軸方向の空間変位を検出することにより、ノイズとなるＦ（ｎ，ｍ）モードの受信信号を抑制することができる。

次に、適用例１ないし４を説明する。

（適用例１）
図４は、スチール製円柱中実ロッドの長尺部材３ａの周面において、長尺部材３ａの中心軸（ｚ軸）に軸対称な２箇所に、それぞれ送信プローブ１を配設し、送信プローブ１から軸方向に、距離Ｌ離れた位置に、受信プローブ２を配設した図を示す。

送信プローブ１は、複数の送信プローブ（第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂ）からなる。第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂは、長尺部材３の長さ方向の中心軸（ｚ軸）を通る少なくとも１つの平面に対して、面対称な位置関係となるように配置されている。具体的には、２つの送信プローブは、プローブ位置とｚ軸とを通る平面に対して面対称に配置されている。第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂは、この平面に対して、面対称となる変位または変位振動を、長尺部材３に与えるように駆動される。具体的には、第１の送信プローブ１ａと第２の送信プローブ１ｂとは、ロッド周面に、それぞれの送信プローブ位置と長尺部材３の中心軸とを含む平面に平行な方向の変位または変位振動を与える。換言すると、第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂは、長尺部材３の周面に、θ成分がゼロであるベクトルの方向の変位または変位振動を与える。なお、２つの送信プローブが与える変位振動の方向は、θ成分がゼロであるベクトルの方向である限り、それぞれ別々の任意の方向で良い。

受信プローブ２は、送信プローブ１から軸方向に距離Ｌ離れた位置に、送信プローブ１が長尺部材３に与える変位に関するｚ軸を通る対称平面のθ座標とπ／２（９０度）異なるθ座標の位置に設置される。

第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂの長尺部材３ａにおける設置位置（送信プローブ１の長尺部材３ａの接地面の中心）が、それぞれ、（ｒ，θ，ｚ）＝（ａ，０，０）および（ａ，π，０）の場合、受信プローブ２の長尺部材３ａにおける設置位置（受信プローブ２の長尺部材３ａの接地面の中心）は、（ｒ，θ，ｚ）＝（ａ，π／２，Ｌ）または（ａ，−π／２，Ｌ）となる。

第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂにより、それぞれの設置位置の長尺部材３ａの周面にθ成分がゼロである方向（ｒ成分またはｚ成分の少なくとも一方がゼロではないベクトルの方向であり、送信プローブ1ａと送信プローブ1ｂとで異なる方向でも良い）の60ｋHzの変位振動を与える。この場合、長尺部材３ａに与えられる変位振動は、第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂと長尺部材３ａの中心軸（ｚ軸）を通る平面に関して面対称となる。図３に示す位相速度と群速度の分散曲線から分かるように、第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂから、それぞれ、60ｋHzのＬ（０，１）モードとＦ（１，１）モードのガイド波が生成され、全てのガイド波が長尺部材３ａの前後方向（±ｚ方向）に送信される。

長尺部材３ａの欠陥等の検出にはＬ（０，１）モードを利用し、Ｆ（１，１）モードは不要な（ノイズとなる）モードである例を説明する。円柱ロッド形状及び与えられる変位振動の空間的対称性より、送信されるＦ（１，１）モードは、式（６）を満たす。従って、受信プローブ２を、図４の様にθ＝π／２の位置に配置し、その位置（近傍）の変位の動径方向または軸方向成分を検出、受信することにより、Ｆ（１，１）モードの受信を抑制し、Ｌ（０，１）モード受信信号のＳＮ比を向上することができる。

この例の場合、第１の送信プローブ１ａおよび第２の送信プローブ１ｂにより与える変位振動の方向及び振幅を、θ成分がゼロの方向で長尺部材３の中心軸について軸対称（例えば、ｚ軸方向あるいは動径ｒ方向の同一位相、同一振幅の変位振動）とすれば、理想的にはＦ（１，１）モードは生成されないため、送信プローブ１は、Ｌ（０，１）モードのみを生成し、送信することができる。

しかしながら、２つの送信プローブ１を同一位相、同一振幅で駆動したとしても、現実には２つの送信プローブ１の特性に差異があったり、送信プローブ１の長尺部材３ａの周面への設置条件に差異があったりする場合、２つの送信プローブ１が生成する変位振動に理想値からの差が生じ、これによって、Ｆ（１，１）モードの波も生成され、送信される場合がある。ここで、設置条件の差異とは、例えば、送信プローブ１の位置の誤差やプローブ向きの誤差、送信プローブ１の押しつけ具合の差、長尺部材３ａの周面の凹凸の差、接触媒質の状態の差などである。この場合、生成されたＦ（１，１）モードが直接、あるいは、反射、散乱の過程を経て受信プローブに到達すると、受信プローブに検出され信号振幅を生じる。従って、Ｆ（１，１）モードは、ノイズの原因となり、ＳＮ比を低下させる。

しかしながら、円柱ロッド形状及び与えられる変位振動の空間的対称性より、送信されるＦ（１，１）モードは、式（６）を満たす。従って、受信プローブ２を、図４の様にθ＝π／２の位置に配置し、その位置（近傍）の変位の動径方向または軸方向成分を検出、受信することにより、Ｆ（１，１）モードの受信を抑制し、Ｌ（０，１）モード受信信号のＳＮ比を向上することができる。

（適用例２）
図５は、スチール製円柱中実ロッドの長尺部材３ａの周面において、送信プローブ１を配設し、送信プローブ１から軸方向に、距離Ｌ離れた位置であって、長尺部材３ａの中心軸（ｚ軸）に軸対称な周面位置２箇所に、それぞれ受信プローブ２（第１の受信プローブ２ａおよび第２の受信プローブ２ｂ）を配設した図を示す。受信プローブ２は、送信プローブ１とｚ座標がＬ異なり、θ座標が±π／２（±９０度）異なる位置に設置される。

送信プローブ１の長尺部材３ａにおける設置位置（送信プローブ１の長尺部材３ａの接地面の中心）が、（ｒ，θ，ｚ）＝（ａ，０，０）の場合、受信プローブ２の長尺部材３ａにおける設置位置（受信プローブ２の長尺部材３ａの接地面の中心）は、（ｒ，θ，ｚ）＝（ａ，π／２，Ｌ）および（ａ，−π／２，Ｌ）となる。

送信プローブ１により、その位置の長尺部材３ａの周面に軸方向（ｚ方向）または動径方向（ｒ方向）の60ｋHzの変位振動を与える。この場合、図３に示す位相速度と群速度の分散曲線から、送信プローブ１から、60ｋHzのＬ（０，１）モードとＦ（１，１）モードのガイド波が生成され、それぞれが長尺部材３ａの前後方向（±ｚ方向）に送信される。

長尺部材３ａの欠陥等の検出にはＬ（０，１）モードを利用し、Ｆ（１，１）モードは不要な（ノイズとなる）モードである例を説明する。この例の場合、長尺部材３ａの形状及び与える変位振動の空間的対称性から、Ｆ（１，１）は、式（６）の変位分布を持つ。従って、長尺部材３ａの中心軸に対称な位置（座標として、θがπ異なる位置）に設置された同一の受信特性を持つ２つの受信プローブ２を用いた場合、設置位置付近の軸方向（ｚ方向）または動径方向（ｒ方向）の変位検出による受信信号については、Ｆ（１，１）モードが存在したとしても、２つの受信プローブ２の受信信号の和をとることによって、理想的には、Ｆ（１，１）モードの信号を相殺して０とすることができる。具体的に示すと、Ｆ（１，１）モードの特定方向変位の検出による受信信号は、式（６）の対応する方向の変位に比例すると考えられるので、２つの受信プローブ２のθ座標を、θ＝α，α＋πとした場合、例えば、動径方向変位を検出する2つの受信プローブの受信信号の和は、式（９）に示す通り常に０となる。

この結果、２つの受信プローブ２は、軸対称な変位分布を持つＬ（０，１）モードのみの信号を取得することができる。

ここで、２つの受信プローブ２の特性の個体差、または受信プローブ２の長尺部材３ａの周面への設置条件に差異があったりする場合、Ｆ（１，１）モードに対する２つの受信プローブ２の受信信号に理想値からの差が生じ、これによって、両者の和をとってもＦ（１，１）モードの信号を完全には相殺できずに、結果としてＳＮ比を低下させる場合がある。ここで、設置条件の差異とは、例えば、受信プローブ２の位置の誤差、プローブ向きの誤差、受信プローブ２の押しつけ具合の差、長尺部材３ａの周面の凹凸の差、接触媒質の状態の差などである。

しかしながら、図５のように、Ｆ（１，１）モードの振幅が常に０となるθ＝±π／２の位置に、受信プローブ２を配置して信号を受信することによって、Ｆ（１，１）モードの受信信号を劇的に低減し、ＳＮ比を向上させることが可能になる。

なお、受信プローブ２をθ＝±π／２の位置に設置した場合であっても、受信プローブ２の位置の誤差、プローブ向きの誤差、長尺部材３ａの周面の凹凸の差、接触媒質の状態の差等によって、Ｆ（１，１）モードの受信信号を完全に０にできない場合もあり得る。しかしながら、式（６）より明らかなようにＦ（１，１）モードの動径方向、軸方向の変位は、θ＝±π／２以外の位置よりθ＝±π／２（付近）の位置の方が原理的に小さい。従って、θ＝±π／２の位置に受信プローブ２を設置することにより、他の位置に設置した場合と比べてＳＮ比の向上が期待できる。

（適用例３）
適用例３において、図５と同様に、長尺部材３ａの周面において、送信プローブ１を配設し、送信プローブ１から軸方向に、距離Ｌ離れた位置であって、長尺部材３ａの中心軸（z軸）に軸対称な周面位置２箇所に、それぞれ受信プローブ２（第１の受信プローブ２ａおよび第２の受信プローブ２ｂ）を配設した場合を説明する。適用例２においては、送信プローブ１から、60ｋHzのＬ（０，１）モードとＦ（１，１）モードのガイド波が生成される場合を説明したが、適用例３では、送信プローブ１により、200kHzのz方向の変位振動を部材表面に与えることによって、200ｋHzのＬ（０，１）モードとＦ（１，１）モードとＦ（１，２）モードの３種類のガイド波が生成され送信される場合を説明する。

長尺部材３ａの欠陥等の検出にはＬ（０，１）モードを利用し、Ｆ（１，１）モードおよびＦ（１，２）モードは不要な（ノイズとなる）モードである例を説明する。送信されるＦモード変位分布は、長尺部材３ａの形状および長尺部材３ａに与える変位振動の空間的対称性から、Ｆ（１，１）モードについては、式（６）の変位分布を持ち、Ｆ（１，２）モードについては、式（１０）の変位分布を持つ。

式（６）および式（１０）からわかるように、Ｆ（１，１）モードおよびＦ（１，２）モードの軸方向（ｚ方向）または動径方向（ｒ方向）変位分布は、θのπの変化に対して符号が反転する。従って、長尺部材３ａの中心軸に対称な位置（座標としてθがπ異なる位置）に同一の受信特性を持つ２つの受信プローブ２が設置される場合、軸方向（ｚ方向）または動径方向（ｒ方向）の変位検出における受信信号について、それらの和をとることによって、理想的には各Ｆモードの信号に関してそれぞれ相殺して０とすることができる。この結果、２つの受信プローブ２を用いれば、軸対称な変位分布を持つＬ（０，１）モードの信号のみを取得することができる。

ここで、２つの受信プローブ２の特性の個体差、または受信プローブ２の長尺部材３ａの周面への設置条件に差異がある場合、Ｆ（１，１）モードおよびＦ（１，２）モードに対する２つの受信プローブ２の受信信号の振幅や位相に理想値からの差が生じ、これによって、両者の和をとっても完全には相殺できずに、結果としてＳＮ比を低下させる場合がある。ここで、設置条件の差異とは、例えば、受信プローブ２の位置の誤差、プローブ向きの誤差、受信プローブ２の押しつけ具合の差、長尺部材３ａの周面の凹凸の差、接触媒質の状態の差などである。

しかしながら、図５のように、Ｆ（１，１）モードおよびＦ（１，２）モードの振幅が常に０となるθ＝±π／２の位置に、受信プローブ２を配置して信号を受信することによって、Ｆ（１，１）モードおよびＦ（１，２）モードの受信信号を劇的に低減し、ＳＮ比を向上させることが可能になる。

なお、受信プローブ２をθ＝±π／２の位置に設置した場合であっても、受信プローブ２の位置の誤差、プローブ向きの誤差、長尺部材３ａの周面の凹凸の差、接触媒質の状態の差等によって、Ｆ（１，１）モードおよびＦ（１，２）モードの受信信号を完全に０にできない場合もあり得る。しかしながら、式（６）および式（１０）より明らかなようにＦ（１，１）モードおよびＦ（１，２）モードの動径方向、軸方向の変位は、θ＝±π／２以外の位置よりθ＝±π／２（付近）の位置の方が原理的に小さい。従って、θ＝±π／２の位置に受信プローブ２を設置することにより、他の位置に設置した場合と比べてＳＮ比の向上が期待できる。

（適用例４）
図６は、スチール製円筒形パイプである長尺部材３ｂの周面（外周面）において、送信プローブ１を配設し、送信プローブ１から軸方向に、距離Ｌ離れた位置であって、長尺部材３ｂの中心軸に対称な２箇所に、それぞれ受信プローブ２（第１の受信プローブ２ａおよび第２の受信プローブ２ｂ）を配設した図を示す。図６に示す送信プローブ１、受信プローブ２の設置位置は、図５と同様であるが、図５において長尺部材３ａは、円柱中実ロッドであるのに対し、図６において長尺部材３ｂは、円筒形パイプである点が異なる。

図７に、真空中における外径87mm、内径76mmのスチール製円筒形パイプのガイド波Ｌ（０，１）モードおよびＦ（１，１）モードの群速度分散曲線を示す。図６のパイプが外径87mm（a=43.5mm）、内径76mmのスチール製円筒形パイプである場合、図７の群速度分散曲線からわかるように、送信プローブ１により、その設置位置の長尺部材３ｂの周面に対して軸方向（ｚ方向）に10ｋHzの変位振動を与えると、10ｋHzのＬ（０，１）モードおよびＦ（１，１）モードのガイド波が生成され、それぞれが長尺部材３ｂの前後方向（±ｚ方向）に送信される。

長尺部材３ｂの欠陥等の検出にはＬ（０，１）モードを利用し、Ｆ（１，１）モードは不要な（ノイズとなる）モードである例を説明する。この例の場合、送信プローブ１が送信するＦ（１，１）モードは、長尺部材３ｂの形状と、送信プローブ１がパイプ周面に与える変位振動の空間的対称性とから、パイプの内（38mm≦ｒ≦43.5mm）において、式（６）の変位分布を持つ。従って、長尺部材３ｂの中心軸に軸対称な位置（座標として、θがπ異なる位置）に設置された２つの同一の受信特性を持つ受信プローブ２は、設置位置付近の軸方向（ｚ方向）または動径方向（ｒ方向）の変位検出による受信信号において、Ｆ（１，１）モードが存在したとしても、２つの受信プローブ２の受信信号の和をとることによって、理想的には、Ｆ（１，１）モード信号を相殺して０とすることができる。具体的に示すと、Ｆ（１，１）モードの特定方向変位の検出による受信信号は、式（６）の対応する方向の変位に比例すると考えられるので、２つの受信プローブ２のθ座標を、θ＝α，α＋πとした場合、例えば、動径方向変位を検出する2つの受信プローブの受信信号の和は、式（９）に示す通り常に０となる。

この結果、２つの受信プローブ２は、軸対称な変位分布を持つＬ（０，１）モードの信号のみを取得することができる。

ここで、２つの受信プローブ２の特性の個体差、または受信プローブ２の長尺部材３ａの周面への設置条件に差異があったりする場合、２つの受信プローブ２がθ座標のみπ異なる位置に設置されていたとしても、Ｆ（１，１）モードに対する受信信号の振幅や位相に理想値からの差が生じ、これによって、両者の信号の和をとっても完全には相殺できずに、結果としてＳＮ比を低下させる場合がある。ここで、設置条件の差異とは、例えば、受信プローブ２の位置の誤差、向きの誤差、受信プローブ２の押しつけ具合の差、長尺部材３ｂの周面の凹凸の差、接触媒質の状態の差などである。

しかしながら、図６のように、Ｆ（１，１）モードの動径方向および軸方向の変位が常に０となるθ＝±π／２の位置に、受信プローブ２を配置して信号を受信することによって、Ｆ（１，１）モードの受信信号を劇的に低減し、ＳＮ比を向上させることが可能になる。

（第１の変形例）
本発明の実施の形態において、長尺部材３が、長さ方向の中心軸に対して軸対称かつ、中心軸に垂直に形成される複数の断面の各形状が同一に形成される円柱中実ロッド、円筒形パイプ等である場合を説明したが、これに限らない。長尺部材３は、特定の周面位置において、第２の信号となるガイド波の特定の成分の変位がゼロとなるように形成されていれば良い。

（第２の変形例）
本発明の実施の形態においては、材料特性の変化等の欠陥の検出に用いる第１の信号（所望の信号）が、θ方向に節のないＬモードであって、第２の信号（ノイズ）が、θ方向に節のあるＦモードである場合を説明したが、第２の変形例では、第１の信号が、θ方向に節のあるＦモードである場合を説明する。

所望のＦモードの変位がゼロではない振幅を持つ位置に、ノイズとなるＦモードの変位が常にゼロである位置を合わせるように、送信プローブ１の設置、駆動及び受信プローブ２の設置を行うことにより、ＳＮ比を向上させることができる。ここで、所望のＦモードの変位の周面方向の節の数は、ノイズとなるＦモードの変位の周面方向の節の数とは異なる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態とその変形例１ないし２によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなる。

本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１ 送信プローブ
２ 受信プローブ
３ 長尺部材

Claims (8)

1. 長尺部材に、前記長尺部材の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブと、前記ガイド波が前記長尺部材の所定箇所から反射されたガイド波を受信する受信プローブを設置するプローブ設置方法であって、
   前記受信プローブによって受信されるガイド波は、所望の第１の信号となるガイド波と、前記第１の信号のノイズである第２の信号となるガイド波とを含み、前記第２の信号となるガイド波は、前記長尺部材の周面における特定方向の変位の周方向分布において節を持ち、
   前記送信プローブによって送信されるガイド波は、前記長尺部材の特定の周面位置において、前記第２の信号となるガイド波の前記特定方向の変位がゼロとなるように形成され、
   前記プローブ設置方法は、
   前記長尺部材の周面に、前記ガイド波を送信する前記送信プローブを設置するステップと、
   前記長尺部材の周面の、前記第２の信号となるガイド波の前記特定方向の変位がゼロとなる位置に、前記受信プローブを設置するステップ
   を備えることを特徴とするプローブ設置方法。
2. 前記送信プローブは、前記長尺部材の周面に、前記送信プローブの位置と前記長尺部材の中心軸とを含む平面に平行な方向の変位または変位振動を与える
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ設置方法。
3. 前記長尺部材は、長さ方向の中心軸に対して軸対称かつ、前記中心軸に垂直に形成される複数の断面の各形状が同一に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ設置方法。
4. 前記受信プローブは、前記第２の信号となるガイド波の、前記特定方向の変位がゼロとなる前記特定の周面位置に設置され、
   前記特定方向は、前記特定の周面位置と前記長尺部材の中心軸とを通る平面に平行な方向である
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ設置方法。
5. 前記送信プローブが設置される位置を通り、前記長尺部材の長さ方向の中心軸に垂直に交わる直線と、前記受信プローブが設置される位置を通り、前記長さ方向の中心軸に垂直に交わる直線とがなす角θは、式（１）で特定される
   

   

   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ設置方法。
6. 前記送信プローブは、複数のプローブからなり、前記複数のプローブは、前記長尺部材の長さ方向の中心軸を通る少なくとも１つの平面に関して、面対称な位置関係となるように配置され、
   前記複数の送信プローブは、前記平面に対して、面対称となる変位または変位振動を、前記長尺部材に与えるように駆動される
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ設置方法。
7. 長尺部材の周面に設置される送信プローブの駆動方法であって、
   前記長尺部材の周面に、前記長尺部材の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブと、前記ガイド波が前記長尺部材の所定箇所から反射されたガイド波を受信する受信プローブが設置され、
   前記受信プローブによって受信されるガイド波は、所望の第１の信号となるガイド波と、前記第１の信号のノイズである第２の信号となるガイド波を含み、前記第２の信号となるガイド波は、前記長尺部材の周面における特定方向の変位の周方向分布において節を持ち、
   前記送信プローブによって送信されるガイド波は、前記長尺部材の特定の周面位置において、前記第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなるように形成され、
   前記受信プローブは、前記長尺部材の周面の、前記第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなる位置に設置され、
   前記送信プローブの駆動方法は、
   前記送信プローブが、前記長尺部材の周面に、前記送信プローブの位置と前記長尺部材の中心軸とを含む平面に平行な方向の変位または変位振動を与えるように駆動するステップ
   を備えることを特徴とする送信プローブの駆動方法。
8. 長尺部材の周面に設置される送信プローブの駆動方法であって、
   前記長尺部材の周面に、前記長尺部材の長手方向に進行するガイド波を送信する送信プローブと、前記ガイド波が前記長尺部材の所定箇所から反射されたガイド波を受信する受信プローブが設置され、
   前記受信プローブによって受信されるガイド波は、所望の第１の信号となるガイド波と、前記第１の信号のノイズである第２の信号となるガイド波を含み、前記第２の信号となるガイド波は、前記長尺部材の周面における特定方向の変位の周方向分布において節を持ち、
   前記送信プローブによって送信されるガイド波は、前記長尺部材の特定の周面位置において、前記第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなるように形成され、
   前記送信プローブは、複数のプローブからなり、前記複数のプローブは、前記長尺部材の長さ方向の中心軸を通る少なくとも１つの平面に関して、面対称な位置関係となるように配置され、
   前記受信プローブは、前記長尺部材の周面の、前記第２の信号となるガイド波の特定方向の変位がゼロとなる位置に設置され、
   前記送信プローブの駆動方法は、
   前記複数の送信プローブが、前記平面に対して、面対称となる変位または変位振動を、前記長尺部材に与えるように駆動するステップ
   を備えることを特徴とする送信プローブの駆動方法。

Images