JP2010249591A - 非破壊検査方法及び非破壊検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特定対象部位における欠陥の有無や程度を検査するのに好適な非破壊検査方法と装置を提供する。
【解決手段】 壁１を貫通する金属管２の貫通部２ａ（特定対象部位）に向けてアクチュエータ３から入射波を送り、反射波との干渉による定在波ｗを生じさせる。貫通部２ａに腐食等の欠陥部２ｂが存在するときには透過波強度が小さくなり、反射波強度が増すので、上述の通り粒子速度の節ｗ’における振幅は小さくなる。一方、欠陥部が無い場合は貫通部２ａは健全であるため、透過波強度が大きく、また反射波強度は小さくなるため、節における振幅は大きくなる（定在波比は小さくなる）。即ち、壁１の手前の金属管内に定在波を生ぜしめ、定在波態様を検出して壁貫通部２ａにおける音響インピーダンスを計算し、その値が健全値からどの程度隔っているかを知って、壁貫通部２ａにおける欠陥の有無を判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、検査対象の内部にある欠陥を非破壊的に検査する方法に関する。特に、棒状部材や管状部材の壁貫通部に欠陥が生じると、その箇所を透過ないしはその箇所で反射する弾性波（ないしは音波）のパワーが変化すること、あるいは、検査対象の内部状態や接合状態が変わると対象表面からの反射パワーが変化することを利用し、透過パワーないしは反射パワーを測定して欠陥の有無や程度を推定する非破壊検査方法及び非破壊検査装置に関する。

内部欠陥の非破壊検査には、超音波・弾性波、渦電流、磁気、放射線、サーモグラフィーなど様々な手法が利用されている。棒状部材や管状部材の欠陥検査においては、広い範囲を効率的に検査して、精査すべき箇所を見つけ出す手法として、ガイド波（弾性波）を利用した検査法が注目を集めている（例えば「非破壊検査」54巻、11号、2005年の特集を参照）。しかし、部材が壁を貫通したり地下に埋設されたりすると、その箇所を越えては、弾性波がほとんど透過できない。このため、ガイド波法は、もっぱら部材の露出部分を対象としている。ところが、棒状部材や管状部材は、壁貫通部、地下埋設部、あるいは懸架支持部において、欠陥を生じる場合が多く、これらの部分の検査が可能な方法が強く求められている。

コンクリート構造物などの内部欠陥を検査する方法として、弾性定在波の周波数を利用する方法が提案され、例えば特許文献１および２に記載されている。また、欠陥からの音波の反射を利用して管の欠陥を検査する方法として、特許文献３が提案されている。これらの方法は、いずれも、欠陥の位置を検出することを主目的としており、そのために、対象表面と内部欠陥の間に生じる定在波の周波数を用いたり、反射波伝播時間の情報を含む空間伝播特性を用いたりしている。

特開２００１−３３７０７７号公報 特開２００２−１９５９８９号公報 特開２００４−６１３６１号公報

棒状部材や管状部材の壁貫通部、地下埋設部、懸架支持部などに生じる欠陥を検査する場合、あるいは対象物体の内部状態や接合状態を検査する場合に、対象部位に向けて波動を送出すると、ほとんどのエネルギーは反射されて音源方向に戻っていく。一方、波動の反射が生じる位置はあらかじめ分かっている。このため、ガイド波法を適用しても、その場所に壁貫通部などが存在するという既知の事実以上の情報は得られない。また、定在波を発生させてその周波数を測定しても、やはり壁貫通部などまでの距離からあらかじめ予測できる周波数が得られるだけで、ほとんど欠陥に関する情報を得ることはできない。

本発明は、弾性波の強い反射が生じて従来法が適用困難な対象であって、おおよその位置が既知であるような特定対象部位における、欠陥の有無や程度を検査するのに好適な非破壊検査方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の非破壊検査方法は、対象部位を透過ないしは対象部位で反射する音波ないしは弾性波のパワーを測定し、これらのパワーが、健全な対象のそれとどの程度異なるかによって、対象部位における欠陥の有無や対象部位の状態を推定する。
請求項２に記載の発明においては、対象部位に向けて音波ないしは弾性波を入射して定在波を励起し、励起された定在波の態様を検出し、定在波態様に基づいて、透過パワーないしは反射パワーを測定する。
請求項３に記載の発明においては、励起された定在波の態様から、検査対象部位の音響インピーダンスないしはその等価量を計算し、この量から透過パワーないしは反射パワーを測定する。
また、請求項４に記載の発明においては、音波ないしは弾性波を入射するための手段を、波動伝播経路において共鳴が起こるような位置に設置することで、音波ないしは弾性波の入射の効率を高め、検査時のＳ／Ｎ比を高める。

また、請求項５に記載の非破壊検査装置に係る発明は、上記の非破壊検査方法を実施する装置であって、被検査物体の検査対象部位に向けて音波ないしは弾性波を送る手段と、前記検査対象部位を透過ないしは前記検査対象部位から反射する音波ないしは弾性波のパワーを測定する手段を備える。

前記対象部位として好適な例として、埋設部、壁貫通部または支持部を挙げることができる。特に前記対象部位が、棒状または管状部材の埋設部分、壁貫通部分または支持部分であるとき、本発明方法が有効である。また、平面状部材の内部状態、例えば層状平面構造物の表層と下層との接合状態の検査などにも、本発明方法は有効である。

検査対象部位に向けて、音波あるいは弾性波を入射したとき、入射パワーの大部分は反射され、残りの入射パワーは対象部位において散逸ないしは対象部位を越えて透過する。どれだけのパワーが反射ないしは散逸・透過するかは、対象部位に欠陥があるか否かといった検査対象部位の状態に依存するので、これらの反射パワーあるいは透過パワーを測定することで、対象部位の検査が可能となる。
入射波と反射波が干渉すると定在波が生じる。したがって、検査対象中にどのような定在波が生じるかは、検査対象部位の状態に依存し、このことから、定在波の態様を検出することで、対象部位の状態を推定することが可能となる。音響インピーダンスは、対象部位に加わる力と対象部位における振動速度との比で定義され、通常は複素量である。音源側からみた音響インピーダンスの実数部（音響抵抗）は、検査対象部位で波動のエネルギーがどれだけ散逸・透過するかを表し、虚数部は、検査対象部位で波動のエネルギーがどのような形態を取っているかを表す。
音波あるいは弾性波の反射パワーおよび透過・散逸パワーは、対象部位における音響インピーダンスで決まる。このことは、対象部位の音響インピーダンスで定在波態様が決まることを意味する。したがって、検査対象部位の音響インピーダンスが分かれば、やはり対象部位の状態を推定することが可能になる。音響インピーダンスを計算する方法として、定在波を利用する方法が代表的なものである。

正弦波信号を送出したときに発生する定在波を利用する場合には、受波器を移動させて定在波態様を検出し、最大と最小の振幅値およびそれらの位置を利用して音響インピーダンスを計算することができ、また、別法として、受波器を固定して、受波器の位置に定在波の節が一致するように送信周波数を変化させ、周波数および定在波振幅を利用して音響インピーダンスを測定することもできる。
しかし、音響インピーダンスを測定する方法自体は、定在波を用いる方法に限らず、音響工学の分野において公知のいずれの方法を援用しても構わない（例えば、L.L.Beranek, Measurement of Acoustic Impedance, Acoustic Measurements, John Wiley & Sons Inc., ISBN:978-0471068648を参照）。

本発明の非破壊検査方法によれば、従来の波動を用いた非破壊検査法では検査困難であった、強い反射が生じる部位の状態や欠陥の推定が可能となる。

（ａ）および（ｂ）は、定在波を利用して壁内配管の音響インピーダンスを測定し、欠陥の有無を推定する本発明の非破壊検査方法の一例を示す断面図である。 定在波を利用して配管に弾性波を入射して、壁貫通部を透過する弾性波のパワーを測定し、欠陥の有無を推定する本発明の非破壊検査方法の他の例を示す断面図である。 定在波を利用して、棒状構造物の支持部の音響インピーダンスを測定し、支持部の腐食の有無を推定する非破壊検査方法の第３の例を示す図である。 層構造対象物の前面に音響管を設置して対象表面を終端面とする音響管を構成し、二マイクロホン法を用いて対象表面の音響インピーダンスを測定し、対象内部の層間接合状態を検査する非破壊検査方法の第４の例を示す図である。

本発明は、対象部位で反射する音波ないしは弾性波のパワー、あるいは対象部位を透過する音波ないしは弾性波のパワーを測定し、これらのパワーが、健全な対象のそれとどのように異なるかによって対象部位における欠陥の有無や対象部位の状態を推定することを特徴とする。これらのパワーを測定することは、上述の通り、対象部位の音響インピーダンスを測定することと等価である。音響インピーダンスＺａとは、測定部位における力をそこでの粒子速度で割った複素比であり、下記式（１）に示す実数部と虚数部で表わすことができる。

Ｚａ＝Ｒａ＋ｉＸａ （１）
（式中、Ｒａは音響抵抗，Ｘａは音響リアクタンスを示す。）

このとき、実数部である音響抵抗Ｒａの値は欠陥部におけるエネルギー散逸・透過に関わり、虚数部である音響リアクタンスの値は欠陥部のイナータンスあるいはコンプライアンスに関わる。

例えば管状部材の壁貫通部における欠陥を調べる場合は、管状部材内部に定在波を発生させ、その定在波態様を受波器で計測することにより、対象部位の音響インピーダンスを計算し、これによって対象部位の締結状態や腐食状態を推定することが可能となる。

壁貫通部では、管状部材はモルタルや樹脂などで固定されるのが通常であるから、この部位において振動が拘束される。このため、壁貫通部において部材の音響インピーダンスに不連続が生じ、弾性波動が入射した場合、強い反射波を生じる。このとき、反射波と送信波の干渉によって定在波が発生する。ただし、管状部材外周は完全に剛に拘束される訳ではなく、また、部材自身に弾性が存在するため、入射パワーがすべて反射されるのではなく、入射パワーの一部は貫通部を越えて透過する。このため、定在波の粒子速度の節においても、速度振幅が完全にはゼロとならない。なお、実際の部材では、伝播波動の内部損失が存在するので、もし対象部位で完全反射しても、節における振幅はゼロではなく有限の値となる。しかし、健全部材との比較によって検査を行う場合は、内部損失の効果は相殺し、検査には影響は及ばない。したがって、説明を単純にするため、以下では内部損失は無いものと仮定している。

壁貫通部の管状部材に腐食がある場合には、外からの拘束に加えて部材自身の中にも音響インピーダンス不連続があるために、健全な部材の場合とは、反射波強度が異なり、発生する定在波にも差異が生じる。例えば、部材中の欠陥のために透過パワーがより小さくなり、反射パワーが増大すれば、定在波の節における振幅はより小さくなる。この事を利用して、定在波の粒子速度の節における振幅を検出し、健全な部材の場合の振幅と比較することで、欠陥の有無と程度を推定することができる。

本発明の非破壊検査方法は、特に埋設部、壁貫通部または支持部のように、複雑な不透視部を対象部位とできることに特徴がある。例えば、街灯の支持部に見られるような金属管や金属棒をコンクリート構造物内に埋設した部位、配管をコンクリート壁に貫通させた部位、あるいは配管を支持した部位などである。金属管や金属棒のみでなく、セラミック製、プラスチック製の材料について破損状態を検査することが可能である。また、管状、棒状以外の形状、例えば平面状のものであっても、その平面を終端面とする音響管を構成し、音響管内の音波の定在波を計測して終端面の音響インピーダンスを測定し、内部欠陥を検出することも可能である。もちろん、前記対象部位が、棒状または管状部材の埋設部分、壁貫通部分または支持部分である場合に本発明の検査方法を適用することが有利であることは確かである。なお、対象部位における欠陥が、部材内部ではなく、部材固定用のモルタルや樹脂あるいはコンクリートの方に在っても、音響インピーダンスに変化が生じることに変わりはないから、本発明が適用可能であることは言うまでもない。

以下、本発明の非破壊検査方法のうち定在波を利用した例を図によって説明する。図１（ａ）および（ｂ）は、定在波を利用して壁内配管の音響インピーダンスを測定し、欠陥の有無を推定する方法の一例を示す断面図である。

図１（ａ）において、対象部位は壁１を貫通する金属管２の貫通部２ａである。検査の開始に当たって、まず貫通部２ａに向けてアクチュエータ３から入射波を送り、反射波との干渉による定在波ｗを生じさせる。本実施例では、アクチュエータ３は、圧電素子のアレイによって構成されているが、電磁音響変換型トランスデューサー（EMAT）や磁歪素子などを利用した他のアクチュエータも利用可能である。貫通部２ａに腐食等の欠陥部２ｂが存在するときには透過波強度が小さくなり、反射波強度が増すので、上述の通り粒子速度の節ｗ’における振幅は小さくなる。

受波器であるピックアップ４は、本実施例では、電磁誘導を利用して振動を検出する電磁音響変換型検出器（EMAT）である。ピックアップ４を金属管２に沿って移動させて粒子速度を検出し、定在波の節の位置、最大振幅と最小振幅の比（いわゆる定在波比）を測定する。これらの測定値に基づき、対象部位における音響インピーダンスの実数部および虚数部を計算している。

一方、図１（ｂ）は欠陥部が無い場合を示している。この場合、貫通部２ａは健全であるため、（ａ）の場合と比較して透過波強度が大きく、また反射波強度は小さくなるため、節における振幅は大きくなる（定在波比は小さくなる）。このとき、音響インピーダンスの実数部および虚数部もまた、（ａ）の場合とは異なった値となる。すなわち、本実施例は、壁１の手前の金属管内に定在波を生ぜしめ、定在波態様を検出して壁貫通部２ａにおける音響インピーダンスを計算し、その値が健全値からどの程度隔っているかを知って、壁貫通部２ａにおける欠陥の有無を判定している。なお、受波器としては、電磁音響変換型（EMAT）ピックアップ４に代えてレーザードップラー速度計５や歪ゲージ式ピックアップ（図示せず）、加速度ピックアップ（図示せず）などを使うことも可能である。

図２は、対象部位の音響インピーダンスを測定するのではなく、透過波のパワーから欠陥の有無を直接推定するように構成した他の例を示す断面図である。本実施例では、検査対象部位である貫通部２ａから、おおよそ１／４波長離れた位置にアクチュエータ３を設置して定在波ｗを励起する。この位置で音響インピーダンスが小さい値をとる共鳴状態が起こるので、アクチュエータ３が定応力動作をする場合、非常に強い弾性波を送信することができ、検査のＳ／Ｎ比を高めることができる。ただし、アクチュエータ３として定速度動作に近いタイプのアクチュエータを使用する場合には、貫通部２ａからおよそ１／２波長の位置に設置したときに共鳴状態となり、Ｓ／Ｎ比を高めるのに有利となる。

一方、ピックアップ４は、アクチュエータ３側から見て、貫通部２ａの反対側の金属管２の、固定した位置に設置する。ピックアップ側の金属管内に強い定在波が発生しない状況では、任意の位置に設置したピックアップによって、透過波を検出することが可能である。ただし、弾性波動の距離減衰を考慮すれば、貫通部２から離れた位置ほど不利になり、貫通部の直近が最も有利になる。

貫通部２ａにおいて、アクチュエータ３から入射した弾性波動は、反射してアクチュエータ側に戻っていくが、貫通部２ａの拘束は剛ではなく、また金属管自身が弾性変形をするから、入射パワーの一部は、貫通部２ａを越えて反対側に透過する。このとき、貫通部２ａの拘束の状態によって、あるいは貫通部の金属管内の腐食等の欠陥の有無によって、透過波パワーが変化する。したがって、貫通部が健全な場合の透過波振幅と、検査対象の透過波振幅とを比較することで、貫通部における欠陥の有無と程度を推定することが可能になる。

なお、ピックアップ側の金属管内にも定在波ができるような場合には、ピックアップ４は、定在波の節の位置を避けて設置しなくてはならない。本実施例では、粒子速度の腹の位置にピックアップを設置している。なお、ピックアップ側の定在波パターンが全く推定出来ない場合には、実施例１と同様に、ピックアップ位置を金属管２に沿って走査し、最も振幅が大きくなる位置において検出するようにすることが望ましい。

図３は第３の実施例を示す図であり、この実施例にあってはコンクリート構造物１０に金属管からなる街灯１２を埋設している。この街灯１２の埋設部１２ａに向けてアクチュエータ３から入射波を送り、反射波との干渉による定在波ｗを生じさせる。埋設部１２ａに腐食等の欠陥部１２ｂが存在するときには、埋設部１２ａにおいて散逸する弾性波パワーに変化が生じるため、定在波パターンが変化する。ピックアップ４を街灯１２に沿って移動させて粒子速度を検出し、定在波の節の位置、最大振幅と最小振幅の比を測定し、これらの測定値に基づき、対象部位における音響インピーダンスの実数部および虚数部を計算する。この音響インピーダンスを、健全な街灯における値と比較して、埋設部の状態を推定することができる。

図４は第４の実施例を示す図であり、この実施例にあっては被検査対象は金属板、セラミック板、プラスチック板あるいは管材や棒材同士を接合した層構造対象物２０である。この層構造対象物２０の前面に音響管２１を設置して対象表面を終端面とする音響管を構成し、二マイクロホン法を用いて対象表面の音響インピーダンスを測定し、対象内部の接着不良部２２の有無を検査するようにしている。二マイクロホン法ではなく、音響管における標準的な方法である定在波法を用いて音響インピーダンスを測定しても構わないことは言うまでもない。

本発明の非破壊検査方法によれば、強い反射が生じるために超音波探傷法やガイド波法など従来の非破壊検査が適用困難であった部位の正確な検査を行うことが可能となるため、建築、建設分野、設備診断、製造業などにおいて好適に利用することができる。

１…壁、２…金属管、２ａ…貫通部、２ｂ…欠陥部、３…アクチュエータ、４…ピックアップ、５…レーザードップラー速度計、１０…コンクリート構造物、１２…街灯、１２ａ…埋設部、１２ｂ…欠陥部、２０…層構造対象物、２１…音響管、２２…接着不良部、ｗ…定在波、ｗ´…節。

Claims (5)

1. 被検査物体の検査対象部位に向けて、音波ないしは弾性波を入射して、前記検査対象部位を透過ないしは前記検査対象部位から反射する音波ないしは弾性波のパワーを測定し、測定した前記パワーと健全な対象に対する値とを比較して、検査対象部位の状態を推定することを特徴とする非破壊検査方法。
2. 検査対象部位に向けて音波ないしは弾性波を入射して、検査対象部位からの反射波との干渉による定在波を励起し、励起された定在波の態様を検出し、検出された定在波態様から、前記検査対象部位を透過ないしは前記検査対象部位から反射する音波ないしは弾性波のパワーを測定することを特徴とする非破壊検査方法。
3. 検査対象部位に向けて音波ないしは弾性波を入射して、検査対象部位からの反射波との干渉による定在波を励起し、励起された定在波の態様を検出し、検出された定在波態様から、前記検査対象部位における音響インピーダンスないしはその等価量を計算し、計算された音響インピーダンスないしはその等価量に基づいて、前記検査対象部位を透過ないしは前記検査対象部位から反射する音波ないしは弾性波のパワーを測定することを特徴とする非破壊検査方法。
4. 検査対象部位に向けて音波ないしは弾性波を入射するための手段を、前記手段と前記検査対象部位との間の音波ないしは弾性波の伝播路において共鳴が起きる位置に設置することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非破壊検査方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の非破壊検査方法を用いる非破壊検査装置であって、被検査物体の検査対象部位に向けて音波ないしは弾性波を送る手段と、前記検査対象部位を透過ないしは前記検査対象部位から反射する音波ないしは弾性波のパワーを測定する手段を備えることを特徴とする非破壊検査装置。

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