JP4120969B2 - 超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置 - Google Patents

超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波の送信又は受信を行う探触子と板波を伝搬する試験体との間で超音波を伝搬させて前記試験体を試験する超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置に関する。
図７に示すように、空気中を伝搬する超音波を用いた試験方法において、探触子から試験体へ超音波を伝搬させて板波を発生させ、又は、試験体に生じる板波を探触子で受信する方法が知られている（特許文献１参照）。
また、水平方向に湾曲する探触子を利用して入射・漏洩信号の送受信強度を向上させる試験方法については、非特許文献１に開示されている。
特開2005-055197 松原重行、他４名、「エア・カップリングによるＣＦＲＰ材料の超音波探傷（その２）」、破壊検査協会 平成１５年度秋季大会講演概要集 pp.3-4
通常、この種の試験では探触子として単一方向に超音波を送受信するものが用いられている。したがって、この探触子からの超音波の前記伝搬時に、探触子から試験体への超音波の入射角θは単一状態をとることとなる。
ところで、例えば、図８，９に示すように、板波の周波数と板厚との積ＦＴ（ＫＨｚｍ）と超音波が実際に入射し板波を発生させうる入射角θ（°）との関係は、複数の板波のモード毎に異なる符号Ａ０〜５，Ｓ０〜７の曲線で示される。したがって、符号Ｓ１のモードを例にとると、板波の周波数がＦ、板の厚さがＴ３であったとすると、ＦＴ３に対応する入射角θ３を探触子は維持する必要があり、治具等でこれを行っている。
しかし、板厚がＴ＝Ｔ３と予想していたところ、実際の入射部における板厚がＴ＝Ｔ３＋ｄＴ＝Ｔ４である場合には、入射可能な入射角θ＝θ４となり、超音波を試験体に入射させ、板波を発生させることが不可能となる。また、試験体表面の凹凸により入射角θが相対的に変動することにより、同様の現象で超音波を試験体に入射させ、板波を発生させることが不可能となる。さらに、上記相関は材質毎に異なる。その結果、板厚、材質等が異なる試験対象毎に探触子を調整せねばならず、また、材料の状態が大幅に変動することにより超音波探傷試験自体が不能となる不都合もあった。
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、試験体の厚みや表面の角度が変動しても探触子と試験体との間に板波を伝搬させることの可能な超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波試験方法の特徴は、超音波の送信又は受信を行う探触子と板波を伝搬する試験体との間で超音波を伝搬させて前記試験体を試験する方法において、前記探触子は焦点型探触子であると共にこの探触子から試験体への超音波の入射角又は／及び試験体から探触子への超音波の受信可能角が同時に複数状態をとりうるものであり、超音波の伝搬経路に沿った基準軸を前記探触子の焦点を中心に揺動させる方向である揺動方向軸を超音波伝搬部の試験体表面を含む伝搬部表面と交差させるように前記探触子を配向してあり、前記探触子から超音波を送信し、超音波の入射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し前記試験体の材質毎に定まる入射角の超音波により特定のモードの板波を発生させ、この板波は前記試験体を伝搬し、伝搬した前記板波において、超音波の出射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し試験体の材質毎に定まる出射角の超音波を前記探触子により受信することにある。
例えば図２に示すように、振動子が湾曲した焦点型探触子を用いた場合は、湾曲の方向（超音波の伝搬経路に沿った基準軸Ｑを探触子の焦点Ｐを中心に揺動させる方向に沿った揺動方向軸）Ｌ１を焦点Ｐの近傍の伝搬部の試験体１００の表面を含む伝搬部表面Ｌ２と交差させる。このような配置にすると、矢印に示すように、入射角θ（及び受信可能角）が中心軸の入射角θ＝θ０を基準として複数状態をとりうる。その結果、図４に示すように、入射角θ１〜θ２の範囲に対応する周波数×板厚ＦＴ１〜ＦＴ２に関して超音波の伝搬が可能となる。
前記探触子は、探触子から試験体への超音波の入射角又は／及び試験体から探触子への超音波の受信可能角が対応モードの異なる複数の板波を同時に発生可能な複数状態をとりうるものであってもよい。また、図２に示すように、上記各特徴における前記探触子の焦点Ｐを前記試験体１００の表面又はその近傍に配置してもよい。これにより、超音波の入射部等の座標が明確となるからである。なお、焦点Ｐは試験体表面に必ずしも一致させる必要はない。
一方、図２，３に示すように、前記揺動方向軸Ｌ１に直交する第二揺動方向軸Ｌ３が超音波伝搬部の試験体表面を含む伝搬部表面と平行となるように前記探触子を配向してもよい。これにより、超音波を試験体１００上で拡散させずに絞り込んで送受信強度を向上させることが可能となる。
一方、本発明に係る超音波試験装置の特徴は、超音波の送信又は受信を行う探触子と板波を伝搬する試験体との間で超音波を伝搬させて前記試験体を試験する構成において、前記探触子は焦点型探触子であると共にこの探触子から試験体への超音波の入射角又は／及び試験体から探触子への超音波の受信可能角が同時に複数状態をとりうるものであり、超音波の伝搬経路に沿った基準軸を前記探触子の焦点を中心に揺動させる方向である揺動方向軸を超音波伝搬部の試験体表面を含む伝搬部表面と交差させるように前記探触子を配向してあり、前記探触子から超音波を送信し、超音波の入射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し前記試験体の材質毎に定まる入射角の超音波により特定のモードの板波を発生させ、この板波は前記試験体を伝搬し、伝搬した前記板波において、超音波の出射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し試験体の材質毎に定まる出射角の超音波を前記探触子により受信することにある。
上記本発明に係る超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置の特徴によれば、超音波の伝搬可能な入射角又は受信可能角と、超音波の伝搬可能な周波数×板厚との範囲が拡大したため、試験体の厚みや表面の角度の変動又は材質の変化に拘わらず超音波の伝搬が可能となった。
本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。
次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。図１は本発明に係る超音波試験装置１を示し、この超音波試験装置１は、パーソナルコンピュータ（以下ＰＣと略す）２により制御される板波送受信機３を用いてスキャンヘッド１０の送信子２０から超音波を送信し、受信子３０を介して受信された超音波をプリアンプ４、フィルタ５、Ａ／Ｄ変換機６を介してＰＣ２にて受信し、演算処理を行う。またＰＣ２はスキャナードライバ７を介してスキャナ８を起動させ、スキャンヘッド１０により、試験体１００の探傷を行う。本実施形態では試験体１００としてＣＦＲＰ(Carbon Fiber Reinforced Plastics、炭素繊維強化樹脂)を使用しており、図７に示すように、受信信号はまず音速の速い試験体中伝播波が受信され、その後に空気中伝播波が受信される。図７（ａ）の健全部に比較して、図７（ｂ）の剥離欠陥部では試験体中伝播波の受信信号が小さくなる。
図２は、送信子２０の部分拡大図である。図２に示すように、送信子２０は振動子４０として湾曲した焦点型探触子を用いている。振動子４０の曲面は球面、楕円円弧回転面又は多角形的な面等、３次的に湾曲しており、湾曲の一方の方向（超音波の伝搬経路の第一揺動方向軸）Ｌ１を焦点Ｐの近傍の伝搬部の試験体１００の表面を含む伝搬部表面Ｌ２と交差させている。図示しないが、受信子３０も同様に、第一揺動方向軸Ｌ１を伝搬部表面Ｌ２と交差させている。
図３（ａ）は送信子２０のＡ方向断面図、図３（ｂ）は受信子３０のＡ方向断面図である。図３（ａ）、（ｂ）で示すように、本発明における送信子２０、受信子３０は共に、超音波の伝搬経路に沿った基準軸Ｑを探触子の焦点Ｐを中心に揺動させる方向に沿った第一揺動軸Ｌ１を伝搬部表面Ｌ２と交差させるだけでなく、先の軸Ｌ１に直交する湾曲の他方の方向軸（焦点Ｐを中心とする第二揺動方向軸）Ｌ３が超音波伝搬部の試験体１００表面を含む伝搬部表面Ｌ２と平行となるように送信子２０、及び受信子３０を構成する振動子４０を配向させている。
図４は、試験体１００の材質、各板波のモード（符号Ａ０〜５、Ｓ０〜７）についての超音波の周波数と試験体の厚さとの積と、入射角度との関係を示すグラフである。このような関係を満たす場合のみ、特定のモードの板波が発生する。本発明においては、送信子２０、及び受信子３０を構成する振動子４０に湾曲した焦点型探触子を用いて、第一揺動方向軸Ｌ１を伝搬部表面Ｌ２と交差させている。これにより、図２の矢印で示すように入射角θ（及び受信可能角）がθ＝θ０を基準として複数状態（θ１〜θ２）をとりうる。
よって、図４に示すように、符号Ｓ１のモードを例にとると、入射角θがθ１〜θ２の範囲に対応する周波数×板厚ＦＴ１〜ＦＴ２に関して、板波Ｗとしての超音波の伝搬が可能となる。また、入射角θがθ１〜θ２の範囲に対し、対応モードの異なる波、例えばＳ０モードなら周波数×板厚ＦＴａ１〜ＦＴａ２、Ｓ２モードなら周波数×板厚ＦＴｂ１〜ＦＴｂ２に関して、板波Ｗとしての超音波の伝搬が可能となる。さらに、入射角θと周波数×板厚ＦＴとのそれぞれの範囲関係によっては、複数モードの板波を同時に試験体１００に発生させることが可能となる。なお、第二変更方向軸Ｌ３が伝搬部表面Ｌ２と平行となるように、送信子２０、受信子３０の振動子４０を配向させることにより、超音波の焦点Ｐを試験体１００上で拡散させずに絞り込んで送受信強度を向上させることが可能となる。
また、送信子２０の形状は上記の構成の焦点型探触子に限定されない。例えば、図５（ａ）に示すように、平面振動子４１を用いて、送信子２０からの放出面に、凹型音響レンズ４３を設けて焦点型探触子を構成してもよい。
また、図５（ｂ）に示すように、センサアレイ振動子４２を採用しても良い。この線状（又は面状）に配置された複数の振動子を、時間差で振動させることにより、超音波の焦点Ｐを試験体１００の表面に合致させてもよい。
更には、図５（ｃ）に示すように、平面振動子４１を用いて、送信子２０からの放出面に、凸型音響レンズ４４を設け、又は、図５（ｄ）の如く凸型振動子４５を用いて、送信子２０から超音波を拡散させることにより、入射角θを複数得てもよい。但し、音圧の確保という点からは焦点型のものが望ましい。
上記、本発明に係る実施の形態では、送信子２０と受信子３０における振動子４０を同じ形式である手段を採用した。しかし、図２、図５の如き構成は入射角等θ及びＦＴの値が一定の場合は不要であり、送信子２０、受信子３０のいずれか一方のみを従来型の一方向に超音波を送受信する探触子としてもよい。
本発明によれば、試験体１００の板厚が一定に変化するものだけに対応できるだけではない。例えば図６（ａ）のようにスキャンヘッド１０をＤ方向に走査させた場合、ある箇所で板厚がＴ４からＴ５に一定に変化した場合だけではなく、図６（ｂ）に示すように、試験体１００の表面が荒れて入射角θが変動する場合や、図６（ｃ）に示すように、試験体１００の表面が大きく変動しθ及びＦＴの双方が変動する場合においても、板波を発生させることが可能である。また、図６（ｄ）に示すように種類の異なる材料１００ａ，１００ｂを超音波伝播経路で切替接合してなる試験体１００についても、超音波の送受信が可能となる。これにより、航空機等に用いられている厚さ・材質が種々変化するＣＦＲＰ材等の内部の欠陥を検出することが可能となる。なお、本発明は、探触子と板波を伝搬する試験体との間で空気のみならずあらゆる気体を介して超音波を伝搬させて試験体を試験する超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置に適用することができる。
本発明は、送信子又は受信子を問わず探触子と試験体との間で板波を発生させる超音波を伝搬させて試験体を試験する超音波試験方法及びこれを用いた超音波試験装置として用いることができる。本発明に係る試験装置の適用対象となる試験体は種類を問わず、非接触で媒質を要しないことから、例えば、航空機材料等としてのＣＦＲＰ等の検査に用いることも可能である。
本発明にかかる超音波試験装置の構成図である。 図１の送信子の部分断面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は受信子の（ａ）相当図である。 本発明の試験装置における、各板波のモード（符号Ａ０〜５、Ｓ０〜７）についての超音波の周波数と試験体の厚さとの積と、入射角度との関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明にかかる送信子の他の実施形態を示す図２相当図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の試験対象となる試験体の断面図である。 本発明の受信信号波形であり、（ａ）は健全部、（ｂ）は剥離部の場合である。 従来型の超音波試験装置における送信子の部分断面図である。 従来型の超音波試験装置における、図４相当図である。
符号の説明
１：超音波試験装置、２：ＰＣ、３：板波送受信機、４：プリアンプ、５：フィルタ、６：Ａ／Ｄ変換機、７：スキャナードライバ、８：スキャナ、１０：スキャンヘッド、２０：送信子、３０：受信子、４０：振動子（凹型）、４１：平面振動子、４２：センサアレイ振動子、４３：凹型音響レンズ、４４：凸型音響レンズ、４５：振動子（凸型）、１００：試験体（ＣＦＲＰ）、１００ａ、ｂ：種類の異なる試験体材料、Ｗ：板波、Ｌ１：第一揺動方向軸、Ｌ２：伝搬部表面、Ｌ３：第二揺動方向軸、Ｐ：焦点、θ：入射角、Ｆ：周波数、Ｔ：板厚、Ｄ：走査方向

Claims (5)

  1. 超音波の送信又は受信を行う探触子と板波を伝搬する試験体との間で超音波を伝搬させて前記試験体を試験する超音波試験方法であって、
    前記探触子は焦点型探触子であると共にこの探触子から試験体への超音波の入射角又は／及び試験体から探触子への超音波の受信可能角が同時に複数状態をとりうるものであり、超音波の伝搬経路に沿った基準軸を前記探触子の焦点を中心に揺動させる方向である揺動方向軸を超音波伝搬部の試験体表面を含む伝搬部表面と交差させるように前記探触子を配向してあり、前記探触子から超音波を送信し、超音波の入射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し前記試験体の材質毎に定まる入射角の超音波により特定のモードの板波を発生させ、この板波は前記試験体を伝搬し、伝搬した前記板波において、超音波の出射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し試験体の材質毎に定まる出射角の超音波を前記探触子により受信する超音波試験方法。
  2. 前記探触子は、探触子から試験体への超音波の入射角又は／及び試験体から探触子への超音波の受信可能角が対応モードの異なる複数の板波を同時に発生可能な複数状態をとりうるものである請求項１記載の超音波試験方法。
  3. 前記探触子の焦点を前記試験体表面又はその近傍に配置した請求項１又は２記載の超音波試験方法。
  4. 前記揺動方向軸に直交する第二揺動方向軸が超音波伝搬部の試験体表面を含む伝搬部表面と平行となるように前記探触子を配向した請求項１〜３のいずれかに記載の超音波試験方法。
  5. 超音波の送信又は受信を行う探触子と板波を伝搬する試験体との間で超音波を伝搬させて前記試験体を試験する超音波試験装置であって、
    前記探触子は焦点型探触子であると共にこの探触子から試験体への超音波の入射角又は／及び試験体から探触子への超音波の受信可能角が同時に複数状態をとりうるものであり、超音波の伝搬経路に沿った基準軸を前記探触子の焦点を中心に揺動させる方向である揺動方向軸を超音波伝搬部の試験体表面を含む伝搬部表面と交差させるように前記探触子を配向してあり、前記探触子から超音波を送信し、超音波の入射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し前記試験体の材質毎に定まる入射角の超音波により特定のモードの板波を発生させ、この板波は前記試験体を伝搬し、伝搬した前記板波において、超音波の出射位置における超音波の周波数と試験体の板厚との積に対応し試験体の材質毎に定まる出射角の超音波を前記探触子により受信する超音波試験装置。
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