JP2011007702A - 超音波探傷法及び装置 - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
【解決手段】フェーズドアレイ1の一部の振動素子1tで垂直送信を行うと共に一部の振動素子1r群で斜角受信を行い、フェースドアレイ1が設置された範囲で試験体の画像化する範囲20をメッシュ状に区画して少なくとも垂直送信の超音波ビーム3tの範囲内の各区画2毎に複数の振動素子1rで斜角受信したAスコープ波形信号を加算する開口合成処理を送受信用振動素子1t,1rの間隔を一定に保った電子走査を行うことにより画像化範囲20の全域に亘って行い、開口合成処理により合成された各区画2の位置におけるAスコープ波形の振幅値を輝度値に変換して、任意断面のBスコープ画像を構築している。
【選択図】図1
Description
即ち、断面像構築領域の各画素の輝度を取得してBスコープ画像を構築する。
まず、境界面での屈折および反射の繰り返しによる超音波の振幅と位相の変化を求める式について述べる。つぎに、斜角探触子の遠距離音場を示し、また、固体内部のスリット先端での回折についても示す。最終的に、これらの関係を用いて、受信波形を求める計算式を導出する。
試験体の材質に起因した減衰がないときには、点音源から放射された超音波の振幅は、エネルギー保存則により距離に反比例して減衰する。図9は、点音源を起点に試験体内に入射し、試験体の上下境界面でn回反射を繰り返して伝搬する超音波の音線を示す。この場合の振幅と位相の変化は次の数式3で表せる。
斜角探触子により生成される音場は、相反定理を利用して斜角探触子を用いたときの信号を計算するための間野の式(間野浩太郎,固体の内部の超音波伝搬理論と超音波探傷への応用,鉄道技術研究報告,第276号,1962。)を用いて計算した。振動子である圧電セラミックスに比べ、樹脂で作られたウェッジの音響インピーダンスは小さいので、振動子面は、送信時には剛体のようなピストン運動を行い、受信時には静止に近い状態で入射波をほとんど反射すると考えてよい。よって、振動子表面の変位速度は次の数式6で表せる。
送信過程と受信過程を図10に示す。点Fnは試験体中の任意の点である。送信過程では、振動子がピストン運動し、超音波が試験体に放射され、数回の反射を経て点Fnに入射する。一方、受信過程では、点Fnが仮想的な点音源となり、数回の反射を経て超音波がウェッジ内に放射される。この2つの過程に相反関係が成り立つことから、上述の数式6を利用すると、斜角探触子から放射された点Fnにおける超音波の変位速度の振幅unは次の数式7で求められる。
図11に示すように、振幅uinの平面波がスリットの先端に入射したときの回折波は次の数式9で表せる。
図12に示すように、スリット先端周囲に境界面SFを考え、この境界面と受信探触子の振動子面SPとに相反関係を用いる。送信波がスリット先端で回折して受信されるまでの経路をRで表し、受信探触子から送信された超音波が経路Rと同じ経路を逆に伝搬してスリット先端に入射する仮想的な経路をVで表す。このとき、二つの境界面SFとSPに関して次の数式12の相反関係が成り立つ。
(実験方法)
まず、開発したシミュレーション手法を検証するため、深さが2mm〜15mmのスリットを有する試験体と深さ5mmで傾斜角が50°〜90°のスリットを有する試験体を用いて実験を行った。試験体の材質はステンレス鋼(SUS316)であり、試験体およびスリットの形状および配置は図13(A),(B)に示す通りである。同一の公称中心周波数(以下、単に周波数と記す)の探触子を送受信に用い、図14に示すように試験体中央で一次元走査して反欠陥側探傷を行った。なお、傾斜角が異なるスリットの試験体に関してはA側からB側へ、B側からA側への2方向で探触子を走査した。周波数の違いによる影響を調べるために、一般的な周波数2MHzおよび5MHzの探触子を用いた。振動子径はともに10mmである。ウェッジのSTB縦波屈折角は45°であり、材質はアクリル製である。また、SPOD法と比較するための斜角探傷では周波数5MHz、振動子寸法10mm×10mm、縦波屈折角45°の斜角探触子も用いた。探触子走査時の位置計測にはリニアスケールエンコーダ(MTL社製)を用い、0.5mm間隔でAスコープ波形を取得してBスコープ画像を描画した。探傷データ取得には市販の超音波探傷装置(TOMOSCAN III)を、接触媒質にはグリセリンペーストを使用した。
(周波数による影響)
深さが異なるスリットを有する試験体に対して送受信に2MHzの探触子を用いた場合と5MHzを用いた場合に得られるBスコープ画像の実験結果を図15(A),(B)に示す。ここでは、垂直および斜角探触子の交軸点が底面(FP=0mm)および試験体厚さ方向に底面から10mm(FP=10mm)に位置するように探触子間隔を設定した。同図から2MHzと5MHzの場合を比較すると、5MHzのほうが明瞭なL1およびL2エコーが得られ、2MHzでは両エコーと比較して底面エコー(図中のBW)が強くなっている。これは探触子の指向性に起因している。よって、散乱減衰による影響が少ない場合には5MHzの探触子が望ましい。散乱減衰の影響があり、低い周波数の探触子を用いる場合には、S/N比と時間分解能の低下に加えL1およびL2エコーと底面エコーの強度比が大きく変化することを留意する必要がある。交軸位置については交軸点と近い位置に先端があるスリットのL1エコーが最も強く、図15(B)の5MHzの場合のL1エコーの強度をFP=0mmとFP=10mmの場合の最大値で規格化した数値を図16に示す。参考のために記載した縦波斜角探触子による値(図中のLA45)とは異なり、交軸点から離れるとL1エコーが検出し難くなる。
き裂の傾斜度合いが探傷結果に与える影響を調査した。まず、参考のため傾斜角の異なるスリットを有する試験体を縦波斜角探傷した結果を図19に示す。この図から傾斜角が50°のスリットのようにスリット面と超音波の中心ビームのなす角が90°に近づくとスリット面での鏡面反射波が顕著になり、端部エコーと開口部エコーを分離できなくなる。一方、FP=10mmとしたときのSPOD法の探傷結果は図20の通りである。なお、図19および20は周波数5MHzの探触子を用いた場合の結果である。SPOD法の場合、スリット面への入射角は上記の斜角探傷の場合と同じにも関わらず、受信経路の違いからL1およびL2エコーを分離できることを同図から確認できる。図20に対応した計算結果を図21に示す。両図から、鏡面反射の条件に近づくにつれてL1エコーの指示が強くなっている。傾斜したスリットの傾斜角によるエコーの分離性やエコー強度において計算結果は実験結果と良く一致している。実験および計算結果から、SPOD法は従来の斜角探傷と比べ傾斜したき裂の深さ測定において優位性があることを確認できた。斜角探触子の屈折角を30度とし、スリット先端付近に交軸点を設定した場合の計算結果を図22に示す。この結果からも両エコーの分離が確認され、屈折角の違いにより両者の大小関係が変化していることが判る。
まず、シミュレーションによる性能予測を行った。なお、SPOD法では送信に斜角探触子を、受信に垂直探触子を用いた場合と、それらを入れ替えた場合とでは、測定系が線形であれば相反性により同じ波形が得られる。また、フェーズドアレイを電子走査することによって効率的にデータ取得できるようになる。相反性および電子走査を利用して、距離振幅特性を修正することをシミュレーションツールを活用し検討した。図26に示す計算モデルは、前述のシミュレーション手法の検証において、異なる深さのスリットを有する試験体での実験を参考として設定した。周波数5MHzのフェーズドアレイ探触子の素子の幅を1mmとし、深さ2、5、10および15mmのスリットを有する試験体の厚さを25mmとした。送信には1個の素子を、受信には11個の素子を用い、これらの間に9個の素子を設けた。受信用振動素子1r群で得られた素子ごとのAスコープ波形を焦点が各スリット先端となるように開口合成処理した。
上記のシミュレーション結果を検証するため、前述のシミュレーション手法の検証において用いた深さの異なるスリットを有する試験体および図28に示す機械試験によって付与した疲労き裂を有する厚さ38mmのステンレス鋼(SUS316)製試験体2体を用いて実験を行った。なお、4本の疲労き裂の最大深さは7mmから15mmである。フェーズドアレイ探触子の周波数は5MHzである。また、素子数は64 であり、各素子の開口面積は0.8mm×10mm、ピッチは1mmである。探触子には高さが30mmのポリスチレン製の垂直探傷用ウェッジを装着した。スキャナーを用いて試験体中央で一次元機械走査し、L1エコーが確認された位置でBスコープ画像データを記録した。探傷データ取得には開口合成処理機能を有する超音波フェーズドアレイ探傷装置((株)東芝製商品名Matrixeye EX)のほかに、SPOD法と従来のパルスエコー法を比較するために一般的な超音波フェーズドアレイ探傷装置(商品名OmniscanMX)も使用した。接触媒質には水を使用した。図1及び図2に示すように本発明の超音波探傷法の性能予測を行ったシミュレーション結果と探傷装置と探触子の仕様を勘案し、送受信パターン1(図2(A))および2(図2(B))を決定した。その結果、送信に1または9個の素子1tを、受信には送信用振動素子1tの両側に合計20個の素子1rを用いた。送信用振動素子1tと受信用振動素子1r群の間の素子数は5または1とした。受信用振動素子1r群を両側に配置した理由は、L1エコーのS/N比を向上させる狙いと左右対称な指示を得るためである。なお、図26の計算モデルと実験条件は異なるが、この条件でも期待される効果が得られることをシミュレーションにより確認している。Matrixeyeでは各素子で受信されたAスコープ波形からBスコープ画像内の画素の値を内蔵された並列演算回路と4つのA/Dコンバータにより高速に開口合成処理し、リアルタイムでBスコープ画像を表示可能である(唐沢博一,磯部英夫,浜島隆之,3次元開口合成(3D-SAFT)アレイと適用事9例,非破壊検査,Vol.56,No.10,520-524,2007)。本測定で設定した画素数は垂直および水平方向にそれぞれ512および64であり、空間分解能は垂直および水平方向に0.07mmおよび1mmである。
スリット入り試験体に対して送受信パターン1で得られたBスコープ画像を図29に示す。L1およびL2エコーが観測され、送信用振動素子1tの両側に受信用振動素子1rを対称に配置したことにより、両エコーの指示が対称に現れている。各スリットのL1エコーの最大振幅を図30に示す。図24(A),(B)では開口合成処理したにも関わらず、距離振幅特性が修正されなかったのに対し、本発明の超音波探傷法を用いることによって最大値に対して4割の範囲内に修正できることが確認できた。よって、本発明にかかる探傷法の活用により、SPOD法のBスコープ画像が構成できるといった効率改善が図られるだけでなく、距離振幅特性も修正できることを確認できた。また、従来の斜角探傷では端部エコーと開口部エコーが分離できない傾斜したき裂状欠陥に対してもL1およびL2エコーは分離することを確認できた。
電子走査はリニアスキャンとし、同時送受信用振動素子1rの数を16素子まで増やしたが、いずれの疲労き裂の先端も捉えることができなかった。一方、送受信パターン1で疲労き裂をSPOD法により探傷したときのBスコープ画像を図31に示す。疲労き裂4本中3本は図31(A)の破線で囲まれた領域のようにき裂先端を容易に捉えることができたが、1本は図31(B)に示すように明瞭な先端の指示が得られなかった。これは他の3本に比べ、先端が閉じているためと考えられる。そこで、送信用振動素子1t数を増やし図2の送受信パターン2で探傷を行った。このBスコープ画像を図31(C)に示す。図31(B)と比較して判るように明瞭なき裂先端の指示を確認できる。つまり、従来のフェーズドアレイ探触子を用いた垂直探傷で観測できなかった疲労き裂の先端の指示を送信用振動素子1t数を増やすことによって識別できるようになった。疲労き裂の先端の指示のような微弱な指示のS/N比を向上させる手段として、超音波の送受信の開口面積を増やすこと、例えば、送信用振動素子1t数を増やすことは有効な手段の一つであることが判明した。
1t 送信用振動素子
1r 受信用振動素子
1g 不動作振動素子
2 試験体の画像化する範囲をメッシュ状に区画した点
3t 垂直送信の超音波ビーム
3r 斜角受信したエコー
4 制御装置
5 画像化処理装置
20 試験体の画像化する範囲
Claims (6)
- フェーズドアレイを用い、前記フェーズドアレイの一部の振動素子で垂直送信を行うと共に一部の振動素子群で斜角受信を行い、前記フェースドアレイが設置された範囲で試験体の画像化する範囲をメッシュ状に区画して少なくとも垂直送信の超音波ビームの範囲内の各区画毎に複数の前記振動素子で斜角受信したAスコープ波形信号を加算する開口合成処理を前記送受信用振動素子の間隔を一定に保った電子走査を行うことにより前記画像化範囲の全域に亘って行い、前記開口合成処理により合成された各区画の位置における前記Aスコープ波形の振幅値を輝度値に変換する輝度変調処理を施して画像表示手段の対応する画素に表示することにより検査対象の任意断面のBスコープ画像を構築することを特徴とする超音波探傷法。
- 前記垂直送信を行う前記送信用振動素子を挟んで両側に斜角受信を行う前記受信用振動素子群を配置するものである請求項1記載の超音波探傷法。
- 前記送信用振動素子と前記受信用振動素子群との間には少なくも1素子分のギャップが配置されているものである請求項1または2記載の超音波探傷法。
- 複数の小さな振動素子を一列に配置したフェーズドアレイと、前記フェーズドアレイの一部の振動素子に垂直送信を行わせると共に一部の振動素子群に斜角受信を行わせ、かつ前記フェースドアレイが設置された範囲で試験体の画像化する範囲をメッシュ状に区画して少なくとも垂直送信の超音波ビームの範囲内の各区画毎に複数の前記振動素子でAスコープ波形信号を斜角受信させると共に前記送受信用振動素子の間隔を一定に保って前記画像化範囲の全域に亘って電子走査を行う制御装置と、各区画の位置毎に複数の前記振動素子で斜角受信した前記Aスコープ波形信号を波形が重なるように加算する開口合成処理を行い、前記開口合成処理により合成された各区画の位置における前記Aスコープ波形の振幅値を輝度値に変換する輝度変調処理を施して画像表示手段の対応する画素に表示することにより検査対象の任意断面のBスコープ画像を構築する画像化処理装置とを備えるものである超音波探傷装置。
- 前記垂直送信を行う前記送信振動素子を挟んで両側に斜角受信を行う前記受信振動素子群を配置するものである請求項4記載の超音波探傷装置。
- 前記送信用振動素子と前記受信用振動素子群との間には少なくも1素子分の不動作振動素子が配置されているものである請求項4または5記載の超音波探傷法。
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