CN103168232A - 超声波探伤装置、超声波换能器以及超声波探伤方法 - Google Patents

超声波探伤装置、超声波换能器以及超声波探伤方法 Download PDF

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Abstract

换能器本体（7）在前端侧具有沿层叠部件（W）的弯曲部（Wc）中的大径侧的曲面的侧视弯曲形状的振动面（9），在换能器本体（7）的振动面（9）上，在弯曲方向（AD）以及宽度方向（BD）上矩阵状地配置多个压电振子（11）。控制单元（5）在各振子组（11G）中，根据预定的收发模式沿宽度方向（BD）切换发送用的压电振子（11）以及接收用的压电振子（11），同时从接收用的压电振子（11）根据接收信号依次进行基于开口合成法的处理。

Description

超声波探伤装置、超声波换能器以及超声波探伤方法
技术领域
本发明涉及检查由复合材料形成的层叠部件的弯曲部的内部缺陷的状态的超声波探伤装置以及作为超声波探伤装置的主要构成要素的超声波换能器等。
背景技术
在检查由纤维强化复合材料（FRP）等复合材料形成的层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态时，通常使用收发超声波的超声波换能器等。
超声波换能器具有换能器本体，该换能器本体在前端侧具有与在层叠部件的弯曲部的大径侧的曲面或小径侧的曲面对应的侧视弯曲形状的振动面。此外，在换能器本体的振动面上，沿着换能器本体的振动面的弯曲方面配置了多个振子，各振子向层叠部件的弯曲部侧发送超声波或者接收来自层叠部件的弯曲部侧的超声波，与控制单元电连接。
因此，在检查层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态时，首先，使超声波换能器对于层叠部件相对移动，由此使换能器本体的振动面面向在层叠部件的弯曲部的大径侧的曲面或小径侧的曲面。然后，使从多个振子发送的超声波入射到层叠部件的弯曲部侧，通过多个振子从层叠部件的弯曲部侧接收反射波。由此，通过控制单元从多个振子根据接收信号（来自超声波换能器的探伤信号）能够非破坏性地检查层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态。
作为与本发明相关的现有技术等，例如存在日本专利公开公报特开2003-90829号以及特开平6-18488号。
发明内容
本发明要解决的课题
但是，当层叠部件的层数增加，层叠部件的弯曲部的厚度变厚时，反射波的超声波强度变小，通过超声波换能器难以充分地检查层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的反射波。另一方面，当提高振子接收反射波的检测灵敏度时，噪音回波增大，从超声波换能器探伤信号（来自振子的接收信号）的SN比（缺陷回波的强度与噪音回波的强度比）降低。
因此，当层叠部件的层数增加，层叠部件的弯曲部的厚度变厚时，存在难以提高层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的检查精度的问题。
根据本发明，可以提供SN比高探伤精度提高的超声波探伤装置以及超声波换能器等。
用于解决课题的手段
根据本发明的第一特征，检查由复合材料形成的层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态的超声波探伤装置，具备：收发超声波的超声波换能器；以及根据来自所述超声波换能器的探伤信号（接收信号），进行所述层叠部件的所述弯曲部的所述内部缺陷的状态的检查处理的控制单元。更详细地说，所述超声波换能器具备：在前端侧具有与所述层叠部件的所述弯曲部中的大径侧的曲面或小径侧的曲面对应的侧视弯曲形状的振动面的换能器本体；以及在所述换能器本体的所述振动面上，在所述换能器本体的所述振动面的弯曲方向以及所述换能器本体的宽度方向上（换句话说，与所述触点本体的侧面正交的方向）矩阵状地配置的、向所述层叠部件的所述弯曲部侧发送超声波或者从所述层叠部件的所述弯曲部侧接收反射波的多个振子。所述控制单元在由在所述宽度方向上并排的多个所述振子构成的各振子组中，在根据预先设定的收发模式沿所述宽度方向切换发送用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，根据来自接收用的所述振子的接收信号依次进行基于开口合成法的处理（接收信号的重合处理）。
在此，在本发明的说明书以及权利要求书的记载中，“内部缺陷的状态”是包含内部缺陷的有无、内部缺陷的大小、内部缺陷的位置等的含义，“与曲面对应的侧视弯曲形状”是包含沿曲面的侧视弯曲形状、沿使曲面反转后的面的形状的含义。此外，“发送用所述振子”是为了发送超声波而选择的所述振子，“接收用的所述振子”是为了接收反射波而选择的所述振子。
根据本发明的第二特征，一种超声波换能器，其在检查由复合材料形成的层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态时使用，收发超声波，该超声波换能器的特征在于，具备：在前端侧具有与所述层叠部件的所述弯曲部中的大径侧的曲面或小径侧的曲面对应的侧视弯曲形状的振动面的换能器本体；以及在所述换能器本体的所述振动面上，在所述换能器本体的所述振动面的弯曲方向以及所述换能器本体的宽度方向即与所述触点本体的侧面正交的方向上矩阵状地配置的、向所述层叠部件的所述弯曲部侧发送超声波或者从所述层叠部件的所述弯曲部侧接收反射波的多个振子。
根据本发明的第三特征，一种超声波探伤方法，其使用第二特征的超声波换能器，检查由复合材料形成的层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态，所述超声波探伤方法的特征在于，包含以下步骤：使所述超声波换能器对于所述层叠部件相对移动，由此使所述换能器本体的所述振动面面向所述层叠部件的所述弯曲部中的大径侧的曲面或小径侧的曲面；在使音响介质介于所述层叠部件的所述弯曲部和所述超声波换能器之间的状态下，在由在所述宽度方向并排的多个所述振子构成的任意一个所述振子组中，在根据预先设定的收发模式沿着所述宽度方向切换发送用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，使从发送用的所述振子发送的超声波射入所述层叠部件的所述弯曲部，通过接收用的所述振子从所述层叠部件的所述弯曲部侧接收反射波，从接收用的所述振子根据接收信号进行基于开口合成法的处理；在其他全部的所述振子组中，也沿所述宽度方向切换发送用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，从接收用的所述振子根据接收信号依次进行基于开口合成法的处理，由此来检查所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷的状态。
附图说明
图1是本发明实施方式的超声波探伤装置的控制框图。
图2是本发明实施方式的超声波换能器的放大侧视图。
图3（a）是沿着图4（b）中的IIIB-IIIB线的图，图3（b）是将本发明实施方式的超声波换能器中的换能器本体的振动面展开为平面的图。
图4（a）是本发明实施方式的超声波换能器的主视图，图4（b）是本发明实施方式的超声波换能器的侧视图。
图5说明基于第1收发模式的发送用的压电振子以及接收用的压电振子的切换。
图6说明基于第2收发模式的发送用的压电振子以及接收用的压电振子的切换。
图7是表示本发明实施方式的超声波探伤装置的概要结构的立体图。
具体实施方式
参照图1至图7说明本发明的实施方式。
如图7所示，本发明的实施方式的超声波探伤装置1是检查由复合材料形成的层叠部件W的弯曲部Wc中的内部缺陷的状态的装置，具备：经由音响介质收发超声波S（参照图2）的超声波换能器3、根据来自该超声波换能器3的探伤信号，进行层叠部件W的弯曲部Wc的内部缺陷的状态的检查处理的控制单元5。在此，在本发明的实施方式中，层叠部件W是由纤维强化复合材料（FRP）构成的作为航空器部件的框体，层叠部件W的弯曲部Wc是框体的带有法兰的根部，音响介质M是水等液体或固体。
本发明实施方式的超声波换能器3的具体结构如下那样。
即，如图1至图4所示，超声波换能器3具备换能器本体7，该换能器本体7在前端侧具有沿着层叠部件W的弯曲部Wc中的大径侧的曲面的侧视弯曲形状的振动面9。换能器本体7还可以是与层叠部件W的弯曲部Wc中的小径侧的曲面对应的形状，来取代具有沿着层叠部件W的弯曲部Wc中的大径侧的曲面的侧视弯曲形状的振动面9。
换能器本体7的振动面9上，在换能器本体7的振动面9的弯曲方向AD以及换能器本体7的宽度方向即与换能器本体7的侧面垂直的方向BD上矩阵状地配置多个（在本发明的实施方式中，为8×8个）压电振子11。各压电振子11向层叠部件W的弯曲部Wc侧发送超声波S，或者从层叠部件W的弯曲部Wc侧接收反射波S。此外，各压电振子11由复合材料或陶瓷材料构成，并与控制单元5连接。在本发明的实施方式中，通过在宽度方向BD上并排的8个压电振子11构成一个压电振子组11G，压电振子组11G的组数为8。
在换能器本体7内部，设置有吸收多个压电振子11的多余的振动的减振器（省略图示）。
本发明实施方式的控制单元5的具体结构如下所述。
如图1所示，控制单元5具有：向压电振子11供给驱动信号（发送信号）的信号生成部13以及对来自压电振子11的接收信号（来自超声波换能器3的探伤信号）进行放大的接收器15。并且，信号生成部13以及上述的多个压电振子11与切换电路17连接，该切换电路17能够将选择的压电振子11和信号生成部13切换为连接状态和切断状态。此外。接收器15以及上述多个压电振子11与信号检测电路19连接，该信号检测电路19能够把选择出的压电振子11和接收器15切换为连接状态和切断状态。
具体地说，如图5所示，切换电路17根据预先设定的第一收发模式，沿宽度方向BD将各压电振子组11G中的发送用（T）的压电振子11划分为8阶段来进行切换。同样，信号检测电路19根据第一收发模式，沿宽度方向BD，将各压电振子组11G中的接收用（R）的压电振子11划分为8个阶段来进行切换。
此外，还可以取代基于第一收发模式，如图6所示，根据预先设定的第二收发模式，沿宽度方向BD把各压电振子组11G中的收发用的压电振子11（发送用的压电振子11以及接收用的压电振子11）划分为8个阶段来进行切换。在基于第二收发模式时，使发送用的压电振子11位于换能器本体7的振动面9中的宽度方向BD的中间区域内，接收用（R）的压电振子11从宽度方向BD的两侧间隔发送用（T）的压电振子11。
在接收器15上连接信号处理部21，该信号处理部21在各压电振子组11G中，根据对接收用的压电振子11接收到的信号进行放大后的接收信号，依次进行基于开口合成法的处理（接收信号的重合处理）。此外，在基于开口合成法的处理时，使用超声波换能器3和层叠部件W的弯曲部Wc的位置关系、超声波换能器3的探伤频率、层叠部件W以及音响介质M中的音速等***信息。并且，在信号处理部21上连接有结合显示信号处理部21的处理结果（开口合成图像等）和超声波换能器3的位置信息的显示部（省略图示）。
包含作用在内说明本发明实施方式的超声波探伤方法。
使超声波换能器3相对于层叠部件W移动，由此使换能器本体7的振动面9面向层叠部件W的弯曲部Wc中的大径侧的曲面。然后，在使音响介质M介于层叠部件W的弯曲部Wc和超声波换能器3之间的状态下，使从发送用的压电振子11发送的超声波S射入层叠部件W的弯曲部Wc，通过接收用的压电振子11接收反射波S。更详细地说，通过切换电路17以及信号检测电路19根据第一收发模式或第二收发模式，沿着宽度方向BD把任意一个压电振子组11G中的收发用的压电振子11切换为8阶段或4阶段（参照图5以及图6）。在各阶段，使从发送用的压电振子11发送的超声波S射入层叠部件W的弯曲部Wc，通过接收用的压电振子11从层叠部件W的弯曲部Wc侧接收反射波S（参照图2）。然后，通过信号处理部21从任意一个压电振子组11G中的接收用的压电振子11，根据接收信号进行基于开口合成法的处理。
同样地，在其他全部的压电振子组11G中，也通过切换电路17以及信号检测电路19基于第一收发模式或第二收发模式，沿宽度方向BD将发送用的压电振子11切换为8阶段或4阶段的同时，通过信号处理部21从接收用的压电振子11根据接收信号依次进行基于开口合成法的处理。由此，对于层叠部件W的弯曲部Wc中的圆周方向的一部分区域，通过控制单元5能够进行内部缺陷的状态（内部缺陷的有无、内部缺陷的大小、内部缺陷的位置等）的检查处理（探伤处理），换句话说，能够检查（探伤）内部缺陷的状态。
关于层叠部件W的弯曲部Wc中的圆周方向的一部分的检查区域，在检查到内部缺陷的状态后，使超声波换能器3相对于层叠部件W向圆周方向相对地移动，同时继续进行上述的处理，由此能够关于层叠部件W的弯曲部Wc中的圆周方向的全部区域，检查内部缺陷的状态。
简要地说，因为在换能器本体7的振动面9上在弯曲方向AD以及宽度方向BD上矩阵状地配置了多个压电振子11，所以能够在通过切换电路17以及信号检测电路19沿宽度方向BD切换各压电振子组11G中的收发用的压电振子11的同时，通过信号处理部21根据来自各压电振子组11G中的接收用的压电振子11的接收信号，进行基于开口合成法的处理。由此，即使层叠部件W的层数增加，层叠部件W的弯曲部Wc的厚度变厚，也不需要提高设定通过接收用的压电振子11接收的反射波S的检测灵敏度，可以通过超声波换能器3充分并且切实地检测层叠部件W的弯曲部Wc中的内部缺陷的反射波S。
因此，根据本实施方式，即使层叠部件W的层数增加，层叠部件W的弯曲部Wc的厚度变厚，也可以降低噪音回波，提高来自超声波换能器3的探伤信号（来自接收用的压电振子11的接收信号）的SN比，提高层叠部件W的弯曲部Wc中的内部缺陷的状态的检查精度（探伤精度）。
特别是如图6所示，在基于第二收发模式时，可以限定超声波换能器3的检查范围（探伤范围），根据来自用于接收反射波S的接收用的压电振子11的接收信号，进行基于开口合成法的处理，能够进一步提高层叠部件W的弯曲部Wc中的内部缺陷的状态的检查精度。
如上所述，根据第一以及第二特征，使超声波换能器相对于层叠部件移动，由此使换能器本体的振动面面向层叠部件的弯曲部中的大径侧的曲面或小径侧的曲面。然后，在通过控制单元根据收发模式沿着所述超声波换能器的宽度方向切换任意一个振子组中的发送用的振子以及接收用的振子的同时，使从发送用的振子发送的超声波射入所述层叠部件的所述弯曲部，通过接收用的所述振子从所述层叠部件的所述弯曲部侧接收反射波。然后，通过所述控制单元从任意一个的所述振子组中的接收用的所述振子根据接收信号进行基于开口合成法的处理。同样地，在其他全部的所述振子组中，也在通过控制单元沿所述宽度方向切换发送用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，从接收用的所述振子根据接收信号依次进行基于开口合成法的处理。由此能够通过控制单元进行所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷的状态的检查处理，换句话说，能够检查所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷的状态。
简要地说，在上述超声波换能器中，在所述换能器本体的所述振动面上在所述弯曲方向以及所述宽度方向上矩阵状地配置了多个所述振子，所以能够在通过所述控制单元根据所述收发模式沿所述宽度方向切换各振子组中的收发用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，从接收用的所述振子根据接收信号，依次进行基于开口合成法的处理。由此，即使所述层叠部件的层数增加，所述层叠部件的弯曲部的厚度变厚，也不需要提高设定通过接收用的所述振子接收的反射波的检测灵敏度，可以通过所述超声波换能器充分并且切实地检测到所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷引起的反射波。
根据本发明的第三特征是超声波换能器，因为在所述换能器本体的所述振动面上在所述弯曲方向以及所述宽度方向上矩阵状地设置了多个所述振子，所以如上所述，能够在通过所述控制单元根据所述收发模式沿所述宽度方向切换各振子组中的收发用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，从接收用的所述振子根据接收信号，进行基于开口合成法的处理。由此，即使所述层叠部件的层数增加，所述层叠部件的弯曲部的厚度变厚，也不需要提高设定通过接收用的所述振子接收的反射波的检测灵敏度，可以通过所述超声波换能器充分并且切实地检测所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷的反射波。
根据本发明，即使所述层叠部件的层数增加，所述层叠部件的弯曲部的厚度变厚，也可以通过所述超声波换能器充分并且切实地检测所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷的反射波，所以能够降低噪音回波，提高来自所述超声波换能器的探伤信号的SN比，提高所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷的状态的检查精度。
本发明不限于上述实施方式的说明，能够通过各种方式来实施。本发明包含的权利要求范围不限于这些实施方式。
（美国指定）
本国际申请针对美国指定，关于在2010年10月22日申请的日本专利申请No.2010－237649号（2010年10月22日申请），基于美国专利法第119条（a）享受基于优先权的好处；其全部内容被收容于本申请中，以资参考。

Claims (8)

1.一种超声波探伤装置，其检查由复合材料形成的层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态，其特征在于，
具备：收发超声波的超声波换能器；以及
根据来自所述超声波换能器的探伤信号，进行所述层叠部件的所述弯曲部的所述内部缺陷的状态的检查处理的控制单元，
所述超声波换能器具备：
在前端侧具有与所述层叠部件的所述弯曲部中的大径侧的曲面或小径侧的曲面对应的侧视弯曲形状的振动面的换能器本体；以及
在所述换能器本体的所述振动面上，在所述换能器本体的所述振动面的弯曲方向以及所述换能器本体的宽度方向上矩阵状地配置的、向所述层叠部件的所述弯曲部侧发送超声波或者从所述层叠部件的所述弯曲部侧接收反射波的多个振子，
所述控制单元在由在所述宽度方向上并排的多个所述振子构成的各振子组中，在根据预先设定的收发模式沿所述宽度方向切换发送用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，根据来自接收用的所述振子的接收信号依次进行基于开口合成法的处理。
2.根据权利要求1所述的超声波探伤装置，其特征在于，
以使发送用的所述振子位于所述换能器本体的所述振动面中的所述宽度方向的中间区域内，并且接收用的所述振子从所述宽度方向的两侧间隔发送用的所述振子的方式，构成发送用的所述振子。
3.一种超声波换能器，其在检查由复合材料形成的层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态时使用，收发超声波，该超声波换能器的特征在于，
具备：在前端侧具有与所述层叠部件的所述弯曲部中的大径侧的曲面或小径侧的曲面对应的侧视弯曲形状的振动面的换能器本体；以及
在所述换能器本体的所述振动面上，在所述换能器本体的所述振动面的弯曲方向以及所述换能器本体的宽度方向上矩阵状地配置的、向所述层叠部件的所述弯曲部侧发送超声波或者从所述层叠部件的所述弯曲部侧接收反射波的多个振子。
4.一种超声波探伤方法，其使用权利要求3所述的超声波换能器，检查由复合材料形成的层叠部件的弯曲部中的内部缺陷的状态，所述超声波探伤方法的特征在于，
包含以下步骤：
使所述超声波换能器相对于所述层叠部件移动，由此使所述换能器本体的所述振动面面向所述层叠部件的所述弯曲部中的大径侧的曲面或小径侧的曲面；
在使音响介质介于所述层叠部件的所述弯曲部和所述超声波换能器之间的状态下，在由在所述宽度方向并排的多个所述振子构成的任意一个所述振子组中，在根据预先设定的收发模式沿着所述宽度方向切换发送用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，使从发送用的所述振子发送的超声波射入所述层叠部件的所述弯曲部，通过接收用的所述振子从所述层叠部件的所述弯曲部侧接收反射波，从接收用的所述振子根据接收信号进行基于开口合成法的处理；
在其他全部的所述振子组中，也沿所述宽度方向切换发送用的所述振子以及接收用的所述振子的同时，从接收用的所述振子根据接收信号依次进行基于开口合成法的处理，由此来检查所述层叠部件的所述弯曲部中的所述内部缺陷的状态。
5.根据权利要求4所述的超声波探伤方法，其特征在于，
发送用的所述振子位于所述换能器本体的所述振动面中的所述宽度方向的中间区域内，并且接收用的所述振子从所述宽度方向的两侧间隔发送用的所述振子。
6.根据权利要求4所述的超声波探伤方法，其特征在于，
所述层叠部件是由纤维强化复合材料构成的航空器部件。
7.根据权利要求4至6的任意一项所述的超声波探伤方法，其特征在于，
所述音响介质是液体。
8.根据权利要求4至6的任意一项所述的超声波探伤方法，其特征在于，
所述音响介质是固体。
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