JP2003207487A - 欠陥検査方法および欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検査物中の腐食や亀裂などの欠陥を、高速
かつ簡便に検出できる欠陥検査法を提供する。 【解決手段】 被検査物内に弾性波動を励起し、被検査
物中を伝播する弾性波動を被検査物の少なくとも一点で
検出し、得られた弾性波動に基づいて被検査物の所定方
向に関する断面積分布を推定し、所定方向に関する被検
査物が有すべき断面積分布と推定された断面積分布とに
基づいて、被検査物の欠陥を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象に生じた腐食
や亀裂などの欠陥を検出するための方法、特に、被検査
物中に弾性波動を励起し、被検査物中を伝播する弾性波
動を検出してその信号から欠陥を検出する方法に関わ
る。

【０００２】

【従来の技術】構造材や配管などに生じた亀裂や腐食な
どの欠陥は、構造物、施設、装置の破壊など重大な事故
につながる可能性を持つため、定期的な検査が必要であ
る。例えば、高圧送電鉄塔、道路標識、街灯などの構造
物においては、多数の中実または中空の棒が構造材とし
て用いられている。これらの構造物の多くは、風雨にさ
らされているため、年月とともに棒の一部が腐食し強度
が低下することを免れない。また、熱交換器や流体輸送
配管には多数の中空棒＝管が用いられており、これらの
管の欠陥は、配管の破断など大きな事故につながる可能
性をもつ。このような対象の検査には、現在、視認検査
とともに、超音波を利用した検査、管の場合にはファイ
バースコープカメラを挿入した検査、電磁誘導を利用し
た検査等が実施されている。しかし、これらの検査法は
原理的に「点」の検査法であるので、対象に沿って多数
の検査を繰り返す必要がある。さらに、しばしば、高所
での作業といった悪条件のもとでの検査となり、長い検
査時間と莫大な費用を要するため、簡便で高速な欠陥検
査法が強く望まれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、被検査対象
全体の状態を高速に検査でき、高所などの悪条件下でも
実施容易な簡便な欠陥検査法を提供することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、被検査物中
に弾性波動を励起し、被検査物中を伝播する弾性波動を
検出する。被検査物中の弾性波動は、伝播媒体の断面積
が変化する場所で反射を起こすため、弾性波動信号には
媒体の断面積変化の情報が含まれている。検出した弾性
波動信号から被検査物の所定方向に沿った断面積分布を
推定し、健全な断面積分布との相違から欠陥を検出す
る。検査点を対象の全長にわたって走査する必要が無
く、対象上のある場所で検出した弾性波動から所定方向
に沿った断面積分布全体を求めるため、検査は高速かつ
簡便で、悪条件下の検査にも適する。

【０００５】図２は、弾性波動が一方向に伝播する弾性
体を表した模式図である。弾性体を、長さｌの短い区間
の連鎖として表現している。第ｍ区間とその右隣の第ｍ
−１区間との境界面に着目する。もし、第ｍ区間と第ｍ
−１区間の断面積が全く等しいなら、弾性体中を進む波
動は、何ら変化することなくこの境界面を通過する。し
かし、断面積に差がある場合には、この境界面に入射し
た波動は反射を起こす。すなわち、第ｍ区間を左から右
に向かう波動の一部は、この境界面を越えて第ｍ−１区
間へ透過し、残りは境界面で左方向に反射される。一
方、第ｍ−１区間内を右から左へ進んできた波動も、一
部は境界面を透過して第ｍ区間を右から左へ進み、残り
は反射されて第ｍ−１区間を右方向へ戻っていく。これ
と同様の現象が、第ｍ区間と左隣の第ｍ＋１区間の境界
面でも発生する。弾性体内で観測される波動は、これら
の透過波と反射波をすべて加え合わせたものである。

【０００６】弾性体中のある場所に断面積の変化がある
と、そこで反射が起こり、この反射波は弾性体の全体に
伝播していく。また、弾性体の端では、一般的に断面積
が変化しているから、やはり反射を生じる。弾性体の一
点で観測される波動は、全ての透過波と反射波の重ね合
わさったものである。従って、弾性体中の波動は、たと
え一カ所で検出されたものであっても、弾性体全長で生
じる全ての反射からの寄与を含んでいる。ところで、断
面積変化のある境界面でどの程度の反射が生じるかは、
境界面における粒子速度の連続条件および力の釣り合い
条件から求めることができ、図２の第ｍ区間と第ｍ−１
区間の境界面での反射率は、両区間の断面積の比Ｓｍ／
Ｓｍ−１で決定される。弾性体のある点で検出した振動
には、断面積変化が存在する全ての場所における断面積
比の情報が含まれており、この振動波形を解析すること
によって、弾性体全長にわたる波動伝播方向の断面積分
布を推定することができる。

【０００７】弾性体に亀裂が入っている場合には、その
場所の断面積は減少する。弾性体が腐食している場合に
は、腐食部分は脆くなるため、弾性波動の媒体として見
たときの断面積はやはり減少する。このように、弾性体
に何らかの欠陥があると、その場所の断面積が変化す
る。振動波形から推定した断面積分布が、欠陥の無い健
全な弾性体の断面積分布と異なってくることから、欠陥
の存在とその位置を知ることができる。以上の事は、中
実の弾性体だけでなく、管などのように中空の弾性体に
ついても同様に当てはまり、管壁断面積すなわち管肉厚
の分布から、欠陥の有無と位置を知ることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明は、被検査物内に弾性波動
を励起し、被検査物中を伝播する弾性波動を被検査物の
少なくとも一点で検出し、得られた弾性波動に基づいて
被検査物の所定方向に関する断面積分布を推定し、所定
方向に関する被検査物が有すべき断面積分布と推定され
た断面積分布とに基づいて、被検査物の欠陥を検出す
る。被検査物である弾性体に弾性波動を励起するには、
圧電素子、磁歪素子、動電変換素子などを用いて被検査
物を振動させる。被検査物が強磁性体である場合には、
被検査物に磁場を印可して、磁気歪み（磁歪）効果によ
る伸縮を与え、弾性波動を直接励起することができる。
また、被検査物が導電性を持つ場合には、磁気音響変換
素子（ＥＭＡＴ）を用いることもできる。更に、ハンマ
ーなどによって機械的な打撃を与えて弾性波動を励起す
ることも可能である。弾性波動の検出には、圧電素子を
用いた加速度ピックアップ、動電型の速度ピックアッ
プ、磁歪効果を利用する方法、磁気音響変換素子（ＥＭ
ＡＴ）などの他、レーザードップラー振動計やレーザー
変位計、あるいは歪みゲージなどを用いることができ
る。検出された弾性波動から波動伝播方向の断面積分布
を推定する問題は、所謂逆問題の一つであり、種々のア
ルゴリズムが考案されている。

【０００９】

【実施例】（第一実施例）以下、実施例に即して本発明
の詳細を説明をする。図１は、本発明の第一実施例であ
る。図１において、１は検査対象の鉄棒である。２は、
励振コイルであり、鉄棒の一端に巻き付けられている。
３は、ピックアップコイルであり、鉄棒の他の端に巻き
付けられている。４は雑音発生器であり、白色雑音を発
生している。５は増幅器で、雑音発生器からの雑音を増
幅して励振コイルに電流を供給する。６は、検出回路
で、ピックアップコイル３と組み合わされて、鉄棒の端
の振動を検出している。７は、信号処理装置であり、検
出回路で検出された振動波形を解析して、鉄棒の断面積
分布を計算する。８は、表示装置であり、信号処理装置
で計算した断面積分布をグラフィカルに表示している。

【００１０】本実施例では、検査対象が強磁性体である
鉄棒であるので、弾性波動の励振に磁歪現象を利用して
いる。雑音発生器で発生した白色雑音を増幅して励振コ
イルを駆動することで、鉄棒をランダムに磁化してお
り、これに伴って生じる磁気歪みが鉄棒中を伝播する。
他端に伝播してきた弾性波動は、やはり磁歪現象を利用
して検出している。

【００１１】信号処理装置７の実体は、デジタルコンピ
ューターであり、内部で図３に示すような処理を実行し
ている。すなわち、検出された信号をA/D変換し、励振
源や振動検出回路の特性を補償する逆フィルターに通し
た後、PARCOR（偏自己相関）分析を行っている。図４に
示すのは、図３中のPARCOR分析部の処理の流れを表す格
子型フィルター（PARCOR分析フィルター）である。格子
の上下の信号の間の相互相関を計算して、それぞれの信
号から相互に相関のある成分を引き去って次の段の信号
とする処理を、棒の長さに応じて必要な段数まで行う。
第ｍ段の相互相関係数kmをｍ次のPARCOR係数と呼ぶ。km
は、棒を図２のような短区間の連鎖で表現したときの、
第ｍ区間と第ｍ−１区間の境界における反射係数に対応
しており、断面積とはｋｍ＝（Ｓｍ−Ｓｍ−１）／（Ｓ
ｍ＋Ｓｍ−１）という関係にあることが知られている。
図３の断面積分布演算部は、受け取ったPARCOR係数ｋi
から、鉄棒の軸方向の断面積分布を計算して、表示装置
８に出力する。

【００１２】図４のPARCOR分析フィルターで、適当な段
数まで順次相関を除去された残差信号は、白色雑音とな
ることが知られている。励振コイルに白色雑音を入力し
たときの検出回路の出力信号を、PARCOR分析フィルター
に通した結果が白色雑音となることから、PARCOR分析フ
ィルターは、励振コイル、鉄棒、ピックアップコイル、
および検出回路を含むシステムの逆フィルターとなって
いることが分かる。従って、あらかじめ健全な棒につい
てPARCOR分析を行い、そのPARCOR係数を用いたPARCOR分
析フィルターを構成すれば、励振源や振動検出回路の特
性を補償する逆フィルターが自動的に出来上がる。図３
に示した逆フィルターは、このようにして構成したもの
である。

【００１３】（第二実施例）図５は、本発明の第二実施
例である。９は信号発生器、１０は信号処理装置であ
る。本実施例でも、磁歪現象を利用して弾性波動を励起
するが、第一実施例と異なり、励振コイルとピックアッ
プコイルは、棒上の近接した位置に取り付けられてい
る。本実施例では、信号発生器で発生したパルスを増幅
して励振コイルを駆動し、棒中にパルス状の弾性波動を
励起する。この際、信号発生器から信号処理装置へは同
期信号が出力されている（図中の点線は同期信号の流れ
を示す）。棒を伝播して反射してきた振動をピックアッ
プコイルと検出回路で検出し、信号処理装置７において
棒のインパルス応答を求める。インパルス応答から棒の
断面積分布を推定する逆問題は、連立一次偏微分方程式
の初期値問題として定式化され、数値積分を用いて解け
ることが知られており、信号処理装置１０では、この手
法を用いて断面積分布を数値的に求めている。なお、イ
ンパルス応答を求めるにあたり、Ｓ／Ｎ比が不十分な場
合などには、パルスで棒を励振するのではなく、時間引
き延ばしパルスあるいは疑似不規則信号で棒を励振し
て、信号処理装置７でインパルス応答を計算する場合も
ある。

【００１４】（他の実施例）以上説明した二実施例で
は、被検査物は棒状であったが、被検査物の形状は棒あ
るいは管に限られている訳ではない。例えば、板状の対
象に対しては、弾性波動を励起する手段として線状に広
がりのある励起手段を用い、一方向に伝播する波動を励
起し、対象のある点で弾性波動を検出する。この場合に
は、検出した弾性波動から、単位幅当たりの断面積の、
波動の伝播方向に関する分布、すなわち波動伝播方向に
関する対象の板厚分布が推定できるので、これに基づい
て欠陥を検出することができる（図示せず）。

【００１５】

【発明の効果】本発明では、弾性体中を伝播反射してき
た波動を弾性体上のある点で検出して、この信号を解析
することによって弾性体の全長にわたる断面積分布を推
定し、健全な場合の断面積分布との差異に基づいて欠陥
を検出する。多数回の検査を被検査物に沿って繰り返す
必要が無く、被検査物全長にわたる情報が一度の検査で
得られるため、高速、簡便に欠陥検出を行えることが本
発明の効果である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示す図である。

【図２】弾性体中の弾性波動の伝播を説明する模式図で
ある。

【図３】第一実施例の信号処理装置の構成を示す図であ
る。

【図４】図３中のPARCOR分析部の処理内容を示す図であ
る。

【図５】本発明の第二実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ 棒 ２ 励振コイル ３ ピックアップコイル ４ 雑音発生器 ５ 増幅器 ６ 検出回路 ７ 信号処理装置 ８ 表示装置 ９ 信号発生器 １０ 信号処理装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検査物内に弾性波動を励起し、被検査物
   中を伝播する弾性波動を被検査物の少なくとも一点で検
   出し、得られた弾性波動に基づいて被検査物の所定方向
   に関する断面積分布を推定し、所定方向に関する被検査
   物が有すべき断面積分布と推定された断面積分布とに基
   づいて、被検査物の欠陥を検出することを特徴とする欠
   陥検査方法。
2. 【請求項２】被検査物内に弾性波動を励起する振動励起
   手段と、被検査物中を伝播する弾性波動を検出する波動
   検出手段と、検出された弾性波動に基づいて被検査物の
   所定方向に関する断面積分布を推定する推定手段と、所
   定方向に関する被検査物が有すべき断面積分布と推定さ
   れた断面積分布とに基づいて被検査物の欠陥を検出する
   検出手段とを含むことを特徴とする欠陥検査装置。