JP4294374B2 - 超音波探傷装置および超音波探傷方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体と固体との境界部分を非破壊的に検査する超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものであり、特に境界部分の付近の腐食の有無を検査することが可能な超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属構造物とその構造物を支持する支持構造物のような異なる固体間の境界部分を非破壊的に検査するために超音波探傷装置が使用されている。この種の従来の超音波探傷装置は、例えば特許文献１に示されている。特許文献１に記載の技術では、送信用探触子を探傷器で励振し、パイプ内に超音波を伝搬させる。伝搬した超音波のエコーは受信用探触子で受信され、エコーのレベルが探傷器の表示器上に表示される。パイプを支持するパイプラックとパイプとの境界部分の付近に腐食があれば、この部分で超音波が乱反射を起こすので、探傷器の表示器上に表示されたエコーのレベルは、その分だけ小さくなる。従って、受信されたエコーレベルが小さければパイプラックとパイプとの間に腐食が存在すると判断できると特許文献１では想定している。
【０００３】
しかし腐食がない場合でも、超音波はパイプラックへ透過していくので、エコーレベルだけで腐食の有無を評価することは難しい。また、この方法は、パイプの周囲にはパイプラック以外には何も存在しない場合にだけ適用できる方法である。例えば、パイプの周囲がコンクリートで固められた状態では、パイプの内部だけでなく、コンクリート中へ超音波が伝搬していくと考えられる。このため、受信されるエコーレベルは腐食の有無に係わらず小さくなる。従って、コンクリートとパイプの境界付近のパイプの腐食の検査には、特許文献１に示されている方法は適用困難である。
【０００４】
また、特許文献２にも腐食による減肉の検査方法が示されている。特許文献２では、送信用探触子により検査対象部中へ表面波を伝搬させ、伝搬した表面波を受信用探触子で受信する。検査対象部を支持する架台と検査対象部との境界付近に腐食があれば、腐食に沿って表面波が伝搬するので、その分だけ受信されるエコーの受信時間が遅れる。この受信時間の遅れを利用して腐食を評価することができると特許文献２では想定している。
【０００５】
しかしこの方法も、検査対象部の周囲には架台以外には何も存在しない場合にだけ適用できる方法である。例えば、検査対象部の周囲がコンクリート等で固められた状態では、検査対象部とコンクリート等との境界面に沿った表面波は伝搬しない。このため、表面波の伝搬遅延時間を利用して腐食を検査することはできない。従って、コンクリート等と検査対象部の境界付近の検査対象部の腐食の検査には、特許文献２に示されている方法は適用困難である。
【０００６】
さらに、特許文献３にも腐食の検査方法が示されている。特許文献３に記載の技術は、ＳＨ波（Ｓｈｅａｒ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｗａｖｅ）を用いるという点が特許文献２に記載の技術と異なる。特許文献３に示されている検査方法では、探触子からＳＨ波を送信し、腐食した場所で反射された反射ＳＨ波および腐食した場所を透過した透過ＳＨ波を用いて、腐食を評価する。
【０００７】
しかしこの方法も、試験対象物の周囲がコンクリート等で固められた状態では、試験対象物内だけでなく、コンクリート等中へ超音波が伝搬していくと考えられる。このため、受信されるエコーレベルは小さくなり、十分な信号対雑音比を確保することは困難と考えられる。従って、コンクリート等と検査対象部の境界付近の検査対象部の腐食の検査には、特許文献３に示されている方法は適用困難である。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６２−１１３０６０号公報
【特許文献２】
特開２００２−５９０５号公報
【特許文献３】
特開２００２−２４３７０４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、試験対象物の周囲が試験対象物と異なる性質の固体で囲まれた状態である場合には、試験対象物と他の固体との境界付近の腐食の検査には、従来示されている方法では困難であるという課題があった。
【００１０】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、試験対象物の周囲が試験対象物と異なる性質の固体で囲まれた状態である場合に、試験対象物と他の固体との境界付近の腐食の有無を非破壊的に検査できる超音波探傷装置および超音波探傷方法を得ることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る超音波探傷装置は、電気信号によって駆動され異なる性質の固体で囲まれた部分を有する試験体中に板波を励振する送信用探触子と、送信用探触子を駆動するためにバースト信号を生成するバースト信号生成部と、バースト信号のキャリア周波数を変更する指令をバースト信号生成部に与える制御部と、試験体中を伝搬した板波、及び、異なる性質の固体で囲まれた部分で生じた擬似板波を電気信号に変換する受信用探触子と、受信用探触子からの電気信号に基づいて、試験体中の板波及び擬似板波の強度を計算する強度計算部と、キャリア周波数の変更に対する試験体中の板波及び擬似板波の強度の変化に基づいて、試験体の異なる性質の固体で囲まれた部分の性状を判定する性状判定部とを備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながらこの発明の様々な実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置を含む超音波探傷システムを示す。図１に示すように、この超音波探傷システムは、送信用探触子１と受信用探触子２と探傷制御ユニット（超音波探傷装置）７とを備える。
【００１３】
送信用探触子１は電気信号によって駆動され、電気信号の周波数と同じ周波数の超音波を生成する。受信用探触子２は受信した超音波の周波数と同じ周波数の電気信号を生成する（すなわち超音波を電気信号に変換する）。探触子１，２は圧電素子式超音波トランスデューサ、ＥＭＡＴ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）、またはその他の超音波トランスデューサでよい。
【００１４】
図１は、試験対象物８に送信用探触子１および受信用探触子２が戴置された状態を示す。試験対象物８は、例えばパイプや鋼板などの一様な小さい厚さを有する金属構造物の一部分である。試験対象物８の周囲には、コンクリート等の周囲固体１０が配置されている。試験対象物８の周囲固体１０で囲まれた部分には腐食５が存在する可能性があり、腐食５がある部分では試験対象物８は周囲固体１０に接触していないが、他の部分では両者は接触している。探触子１，２は周囲固体１０の両サイドに配置されている。
【００１５】
探傷制御ユニット７は、制御部７１と任意波形発生部（バースト信号生成部）７２と送信部７３と受信部７４と信号処理部（強度計算部、性状判定部）７５と出力部７６を備える。制御部７１は、任意波形発生部７２、送信部７３、受信部７４、信号処理部７５および出力部７６に接続されており、これらに対して制御信号を供給することにより、探傷制御ユニット７の制御を司る。
【００１６】
任意波形発生部７２は送信用探触子１を駆動するために送信電気信号を生成する。任意波形発生部７２が生成する送信電気信号の波形を図２に示す。この送信電気信号は、キャリア周波数ｆ０を持つバースト信号である。また、信号の初期（立ち上がり部分）および末期（立ち下がり部分）の振幅が小さくなるように、この送信電気信号は振幅変調されている。この種の振幅変調がされた送信電気信号を以下「変調バースト信号」と呼ぶことにする。
【００１７】
任意波形発生部７２は送信部７３に接続されており、送信部７３は送信用探触子１に接続されている。送信部７３は任意波形発生部７２で生成された変調バースト信号を増幅して、増幅した変調バースト信号（励振信号）を送信用探触子１に伝達することにより、送信用探触子１を電気的に励振する。すなわち励振信号は送信用探触子１内で超音波に変換される。この超音波が試験対象物８に伝達される。超音波は、周囲固体１０の下方にある試験対象物８中を伝搬し、受信用探触子２で超音波のエコーとして受信される。
【００１８】
受信用探触子２は受信部７４に接続され、受信部７４は信号処理部７５に接続されている。受信部７４は、受信用探触子２から出力された受信電気信号（受信エコー信号）を増幅し、増幅した受信エコー信号を信号処理部７５に伝達する。図示はしないが、信号処理部７５は内部にＡ／Ｄ変換部およびメモリを有する。Ａ／Ｄ変換部は受信部７４からの受信エコー信号をディジタル信号に変換する。ディジタル信号は信号処理部７５内のメモリに記憶される。
【００１９】
一つの変調バースト信号に対応する超音波のエコーに由来する前記のディジタル信号が信号処理部７５内のメモリに記憶されると、信号処理部７５は制御部７１にその旨を通知し、この通知に応じて制御部７１は、別のキャリア周波数ｆ０を指定した制御信号を任意波形発生部７２に供給する。この制御信号に応じて任意波形発生部７２はキャリア周波数ｆ０を変えた変調バースト信号を生成する。
【００２０】
異なる変調バースト信号のキャリア周波数ｆ０について、エコーの測定を繰り返し行うことにより、各キャリア周波数ｆ０についての各エコーに由来するディジタル信号を信号処理部７５は、内部のメモリに記憶する。後述するように、信号処理部７５はこれらのディジタル信号に基づいて、試験体中の超音波の強度（エコー高さ）を計算し、各キャリア周波数ｆ０についてのエコー高さに基づいて試験対象物８の性状を判定する。信号処理部７５は、例えばディスプレイ装置である出力部７６に接続されており、信号処理部７５は出力部７６に性状判定結果を通知し、出力部７６は性状判定結果を出力する（例えば表示する）。
【００２１】
キャリア周波数ｆ０を変える範囲および繰り返しの回数などは、送信用探触子１および受信用探触子２の周波数特性（具体的には安定した送受信が可能な周波数帯域）に基づいて、試験を行う者が予め決めておく。
【００２２】
これらの受信エコー信号から、腐食５を検査する方法を次に述べる。
試験対象物８の厚さが、一様で小さい場合（例えば試験対象物８内を伝搬する超音波の波長と同程度から数倍程度である場合）、試験対象物８内を伝搬する超音波は板波となる。送信用探触子１が通常用いられている斜角探触子である斜角探傷法を利用する場合、板波の振動が進む方向は図１の紙面と平行となる。このような板波はラム波（Ｌａｍｂ波）と呼ばれるが、以降は単に「板波」と呼ぶ。
【００２３】
試験対象物８内を伝搬する板波は複雑な伝搬形態を示す。また、周波数によってその伝搬形態は異なる。この様子を音場シミュレーションによって確認した結果を、図３から図１３（Ａ）に示す。
【００２４】
図３は、音場シミュレーションの条件を示した図である。音場シミュレーションでは、発明者が開発したプログラムに従った数値解析により、各時刻での様々な部分における超音波エネルギの強さおよび粒子変位ベクトルを算出し、それらの結果をグラフィック表示ソフトウェアで表示した。このシミュレーションでは、送信用探触子１からの入射角および受信用探触子２への入射角を６０°とする斜角探傷法を使用すると仮定した。入射角を６０°に保持するくさびの材料にはアクリルを仮定しており、試験対象物８の材料として厚さ４．３６ｍｍの鋼板を仮定した。周囲固体１０としては、長さ３００ｍｍのモルタルを仮定した。試験対象物８と周囲固体１０の間には空隙が存在しないと仮定した。また、探触子１，２の周波数応答特性として、中心周波数１．０ＭＨｚの広帯域のものを仮定した。なお、シミュレーションの都合で、周囲固体１０中に吸収境界１０Ａを設けて解析に不要な反射波を抑制した。
【００２５】
任意波形発生部７２が生成する送信電気信号としてキャリア周波数ｆ０が０．７ＭＨｚの変調バースト信号を仮定し、音場シミュレーションを行った結果を図４に示す。図４は、８μｓｅｃずつ経過時間が異なる音場のスナップショット（上記のグラフィック表示ソフトウェアで得た）を有しており、一番上のスナップショットが、送信用探触子１を励振してから１２μｓｅｃ後の音場を示し、一番下のスナップショットが９２μｓｅｃ後の音場を示す。図４中のドットの密度は超音波エネルギの強さを示し、ドットが密集しているほど超音波エネルギが強い。
【００２６】
１２μｓｅｃ後の段階では、まだ音は試験対象物８（鋼板）中へは伝搬しておらず、送信用探触子１のアクリル製のくさび内に留まっている。２０μｓｅｃ後の段階で超音波は鋼板中に伝搬する。このときに、鋼板内の超音波は板波となっている。３６ｓｅｃ後の段階では板波は鋼板の上下が空気となっている領域を伝搬し、４４μｓｅｃ後の段階で鋼板の上にモルタルがある領域に差し掛かる。その後、モルタル内にエネルギを漏洩しながら、鋼板内を板波が伝搬していく。
【００２７】
図５は、図４に示した９２μｓｅｃ後の音場のスナップショットを拡大し、さらにその段階での粒子変位ベクトルを併記した図である。図５に示すように、粒子変位の方向が鋼板の上面付近と下面付近とで同じ方向を向いている。すなわち、鋼板の上面付近で上向きに振動するときには鋼板の下面付近でも上向きに振動し、鋼板の上面付近で下向きに振動するときには鋼板の下面付近でも下向きに振動する。このような板波を非対称モードの板波という。図５に示した板波は、非対称モードの中でもこの技術分野で零次非対称モード（Ａ０モード）と呼ばれる板波である。
【００２８】
Ａ０モードの板波は、モルタル中にエネルギを漏洩しながらも受信用探触子２まで伝搬し、受信される。図６は、受信用探触子２で受信されたエコーを示している。縦軸は受信用探触子２から出力された電圧すなわち超音波の振幅を表す。通常の超音波探傷では、図６に示されるように受信されたエコーの振幅の変化しか分からないので、そのエコーがＡ０モードの板波かどうかは判断できない。音場シミュレーションにより得られた図５に例示したような粒子変位ベクトルの形式を観察することにより、超音波の伝搬モードがＡ０モードであると判断できる。
【００２９】
図７は、キャリア周波数ｆ０を１．０ＭＨｚに変えて、同様の音場シミュレーションを行った結果を図４と同様に示す。鋼板中を伝搬した板波がモルタルの下の領域に差し掛かるまでは、超音波エネルギの様子はほぼ図４と同様であるが、モルタルの下の領域を超音波が伝搬する様子が異なる。図４と図７の比較から分かるように、キャリア周波数ｆ０が１．０ＭＨｚの場合には、鋼板からモルタルにエネルギが早く漏れていくので、モルタルの下の鋼板内を伝搬する板波の振幅が非常に小さい（すなわち図７上でドットがより粗い）。また、キャリア周波数ｆ０が１．０ＭＨｚの場合には、経過時間が後の段階で、Ａ０モード以外の板波も伝搬している。
【００３０】
図８は、図７に示した９２μｓｅｃ後の音場のスナップショットを拡大し、さらにその段階での粒子変位ベクトルを併記した図である。図８に示すように、Ａ０モードの板波よりも遅れて伝搬していく板波が鋼板中に存在している様子が確認できる。この板波は、粒子変位の方向が鋼板の上面と下面とで異なる方向を向いている。すなわち、鋼板の上面付近で上向きに振動するときには鋼板の下面付近では下向きに振動し、鋼板の上面付近で下向きに振動するときには鋼板の下面付近では上向きに振動する。このような板波を対称モードの板波という。図８に示した対称モードの板波は、対称モードの中でもこの技術分野で零次対称モード（Ｓ０モード）と呼ばれる板波である。
【００３１】
実は、図４に示したキャリア周波数ｆ０が０．７ＭＨｚの場合にも、Ｓ０モードの超音波は伝搬しているが、キャリア周波数ｆ０が１．０ＭＨｚの場合よりもその減衰が非常に大きい。このため、キャリア周波数ｆ０が０．７ＭＨｚの場合には、９２μｓｅｃ後の段階でＳ０モードの板波は既に見えなくなっている。図４の４４μｓｅｃ後の段階で、Ａ０モードの超音波より少し遅れて伝搬している板波は、実はＳ０モードの板波である。すなわち、キャリア周波数ｆ０が１．０ＭＨｚに変更されたことによって、Ｓ０モードの板波の減衰量が比較的小さくなったため、図８に示すようにＳ０モードの板波がＡ０モードと同等程度の振幅となって鋼板中を伝搬していく。
【００３２】
変調バースト信号のキャリア周波数ｆ０が１．０ＭＨｚの場合には、Ａ０モードおよびＳ０モードの板波は、モルタル中に多くのエネルギを漏洩するため、非常に微弱な振動となるが、受信用探触子２まで伝搬し、微弱ではあるが受信される。図９は、受信用探触子２で受信されたエコーを示している。
【００３３】
図１０は、キャリア周波数ｆ０を１．４ＭＨｚに変えて、同様の音場シミュレーションを行った結果を図４と同様に示す。鋼板中を伝搬した板波がモルタルの下の領域に差し掛かるまでは、超音波エネルギの様子はほぼ図４と同様であるが、モルタルの下の領域を超音波が伝搬する様子が異なる。図４と図７に図１０を比較することで分かるように、キャリア周波数ｆ０が１．４ＭＨｚの場合には、鋼板からモルタル中にエネルギを漏洩しながらも、比較的大きな振幅が後の段階でも維持されて板波が伝搬していく。すなわちエネルギの拡散が他の場合よりも遅い。
【００３４】
図１１は、図１０に示した９２μｓｅｃ後の音場のスナップショットを拡大し、さらにその段階での粒子変位ベクトルを併記した図である。図１１に示すように、Ａ０モードともＳ０モードともいえない振動変位ベクトルを持つ板波が鋼板中を伝搬している。この板波は、鋼板の下側にエネルギが集中しているため、モルタル中へのエネルギの漏洩が少ないと考えられる。このような振動変位の板波を以降は「擬似板波」と呼ぶ。
【００３５】
擬似板波は、モルタル中へのエネルギの漏洩は少ないため、比較的大きな振幅を持った信号として受信用探触子２で受信される。図１２は、受信用探触子２で受信されたエコーを示している。
【００３６】
以上、変調バースト信号のキャリア周波数ｆ０を変更した音場シミュレーションに基づいて、伝搬する板波のモードや受信されるエコーについて説明してきた。同様のシミュレーションを、キャリア周波数ｆ０を０．５ＭＨｚから１．５ＭＨｚまで０．１ＭＨｚ間隔で変更して行い、周波数−エコー高さ特性（キャリア周波数の変更に対する試験体中の超音波の強度の変化）を求めた結果を図１３（Ａ）に示す。図１３（Ａ）では、３種類のシミュレーション結果を併せて示している。１つは、これまでに説明したモルタルが鋼板に完全に接着している場合のシミュレーション結果であり、図１３（Ａ）では「空隙なし」として示している。
【００３７】
また、これまでに説明したシミュレーションに加えて、図１３（Ｂ）に示すようにモルタルである周囲固体１０と鋼板である試験対象物８との間に腐食を模擬した空隙１１を設けたと仮定し、同様のシミュレーションを行い、周波数−エコー高さ特性を求めた結果を、「空隙あり」として示している。さらに、モルタルを無視してシミュレーションした周波数−エコー高さ特性を「モルタルなし」として示している。「モルタルなし」の場合には、Ａ０モードとＳ０モードのエコーが伝搬して受信されるが、図１３（Ａ）ではＡ０モードのエコー高さを示している。ここでいうエコー高さとはエコーの最大振幅である。図１３（Ａ）の各曲線とも、「モルタルなし」の場合の最高エコー高さを基準とした相対エコー高さで表した。
【００３８】
図１３（Ａ）から分かるように、モルタルと鋼板とが完全に接着している「空隙なし」の場合では、キャリア周波数１．０ＭＨｚ付近で明らかに特性が変化した。これは、図４から図１２に示したシミュレーション結果から分かるように、０．５ＭＨｚから１．０ＭＨｚまでの周波数帯域ではＡ０モードのエコーが主として受信され、１．０ＭＨｚでは微弱なＳ０モードのエコーが主として受信され、１．０ＭＨｚから１．５ＭＨｚまでの周波数帯域では擬似板波が主として受信されるためである。すなわち、モルタルと鋼板とが完全に接着している状態では、キャリア周波数１．０ＭＨｚ付近で受信されるエコーのモードが入れ替わるため、図１３（Ａ）に示したような特性になった。このように、受信されるエコーのモードが入れ替わるため、エコー高さが最低ピークとなり、エコー高さの変化傾向が急激に遷移する周波数が存在する。以下ではこの周波数を「遷移周波数」と呼ぶことにする。モルタルと鋼板とが完全に接着している「空隙なし」の場合は、モルタルと鋼板との間には腐食がない状況と仮定できるので、試験対象物８に腐食がない場合には遷移周波数が存在するということができる。
【００３９】
一方、「空隙あり」の場合では、「空隙なし」と場合の周波数−エコー高さ特性と類似した特性を示したが、その変化は比較的緩やかになった。このため、エコー高さの最低ピークは存在するが、変化傾向の遷移は緩やかなため、遷移周波数が明確に得られなかった。「空隙あり」の場合は、鋼板とモルタルの境界部分の付近で鋼板の一部が腐食している状況と仮定できる。従って、鋼板とモルタルの境界部分の付近で鋼板の一部が腐食している場合には、遷移周波数は存在するが、明確には現れないということができる。
【００４０】
これに対し、「モルタルなし」の場合では、キャリア周波数０．８ＭＨｚ付近を最高ピークとした単調な特性を示した。すなわち、遷移周波数が存在しない状況となった。「モルタルなし」の場合は、鋼板が全面腐食して、鋼板とモルタルの間に全面的に隙間がある状況と仮定できるので、鋼板とモルタルの境界部分の付近で鋼板が全面腐食している場合には、遷移周波数は存在しないということができる。
【００４１】
以上に示した関係をまとめると、次のようになる。
（１）腐食なしの場合には、遷移周波数が明確に得られる。
（２）鋼板とモルタルの境界部分の付近で鋼板の一部が腐食している場合には、遷移周波数は存在するが、明確には現れない。
（３）鋼板とモルタルの境界部分の付近で鋼板が全面腐食している場合には、遷移周波数は存在しない。
【００４２】
周波数−エコー高さ特性はシミュレーションでなくても実際の測定で得ることが可能である。従って、実測した周波数−エコー高さ特性から明確な遷移周波数の有無を判断することによって、鋼板がモルタルに完全接着しているのか、鋼板の一部が腐食しているのか、あるいは鋼板が全面腐食しているのかを、決定することができる。しかし、現実の探傷を考慮すると、腐食の程度にかかわらず腐食の有無を判定できれば十分であることも多いと思われる。そこで、「一部が腐食」という検査結果は出力せず、腐食の有無を判定する処理および方法について、以下に説明する。
【００４３】
図１４は、実施の形態１に係る腐食の検査方法を説明するためのフローチャートである。以下、図１４のフローチャートを参照しながら、腐食の判定方法を実現する各ステップをあらためて詳細に説明する。
【００４４】
ステップＳＴ１では、制御部７１は、任意波形発生部７２、送信部７３、受信部７４、信号処理部７５および出力部７６を動作可能状態に駆動する。またステップＳＴ１で、制御部７１は探傷を開始する最初のキャリア周波数ｆ０を設定し、このキャリア周波数ｆ０を指定した制御信号を任意波形発生部７２に供給する。また、制御部７１は、このキャリア周波数ｆ０を信号処理部７５に通知する。
【００４５】
ステップＳＴ２では、制御部７１で設定されたキャリア周波数ｆ０に基づいて任意波形発生部７２が変調バースト信号を作成し、送信部７３に送信する。
【００４６】
ステップＳＴ３では、送信部７３が送信用探触子１を励振する。検査方法の実行前に、試験を行う者は、Ａ０モードおよびＳ０モードの板波が効率良く励振されるような角度に送信用探触子１からの超音波の入射角を設定しておく。その結果、検査対象物８中へは、Ａ０モードおよびＳ０モードの板波が伝搬していく。
【００４７】
ステップＳＴ４では、受信用探触子２でエコーを受信する。受信用探触子２への超音波の入射角は、送信用探触子１からの入射角と同じでも構わないし、異なっていても構わない。検査方法の実行前に、試験を行う者は、試験対象物８中を伝搬してきたＡ０モードおよびＳ０モードの板波を効率良く受信できるように受信用探触子２への入射角を設定しておく。
【００４８】
ステップＳＴ５では、受信用探触子２からの受信エコー信号を受信部７４で増幅し、信号処理部７５に送る。
【００４９】
ステップＳＴ６では、信号処理部７５に送られてきた受信エコー信号を信号処理部７５の内部のＡ／Ｄ変換部がディジタル受信エコー信号に変換して、その結果のディジタル受信エコー信号を信号処理部７５の内部のメモリに記憶する。この際には、制御部７１から通知された変調バースト信号のキャリア周波数ｆ０、すなわちこのディジタル受信エコー信号に対応するキャリア周波数ｆ０をディジタル受信エコー信号と併せて記憶する。
【００５０】
ステップＳＴ７では、予め決められたキャリア周波数全てを用いて探傷したかどうか、判断する。全てのキャリア周波数を用いて探傷した場合には、処理はステップＳＴ９へ進む。ステップＳＴ９以降は、信号処理部７５内の処理だけとなり、送信部７３、受信部７４は処理に関与しない。一方、予め決められたキャリア周波数全て用いて探傷していない場合には、ステップＳＴ８へ進む。ここで、予め決められたキャリア周波数は、探触子１，２の周波数特性（具体的には安定した送受信が可能な周波数帯域）に基づいて試験を行う者によりあらかじめ決められており、公称周波数１ＭＨｚの探触子の場合では、例えばｆ０＝０．５ＭＨｚ，０．６ＭＨｚ，０．７ＭＨｚ，０．８ＭＨｚ，・・・１．３ＭＨｚ，１．４ＭＨｚ，１．５ＭＨｚのように決められている。ただし、キャリア周波数の決め方は場合によって様々であり、変化をさせる範囲およびその周波数間隔は、図１３（Ａ）に示したような特性が明らかに現れるように選択されればよい。
【００５１】
ステップＳＴ８では、制御部７１はキャリア周波数を変化させる。すなわち予め決められたキャリア周波数の中からまだ探傷に使用していないキャリア周波数ｆ０を選択して、このキャリア周波数ｆ０を指定した制御信号を任意波形発生部７２に供給する。また、制御部７１は、このキャリア周波数ｆ０を信号処理部７５に通知する。そして、処理はステップＳＴ２に戻り、予め決められたキャリア周波数全てが探傷に使用されるまで、ステップＳＴ２からステップＳＴ７までの処理を繰り返し行う。
【００５２】
ステップＳＴ９では、ステップＳＴ６でメモリ内に記憶した全てのキャリア周波数およびこれらに対応するディジタル受信エコー信号を信号処理部７５が読み出す。
【００５３】
ステップＳＴ１０では、信号処理部７５は強度計算部として機能し、これらのディジタル受信エコー信号に基づいて、各キャリア周波数ｆ０についてのエコー高さを計算することにより、周波数−エコー高さ特性（すなわちキャリア周波数の変更に対する試験体中の超音波の強度の変化）を求める。ここでいうエコー高さとはエコーの最大振幅である。
【００５４】
ステップＳＴ１１では、信号処理部７５は性状判定部として機能し、周波数−エコー高さ特性から遷移周波数の有無を調べる。すなわちエコー高さの最低ピークを求め、最低ピークに対応するキャリア周波数の付近のキャリア周波数についてのエコー高さと最低ピークのエコー高さとの相違が閾値を超えた場合に、遷移周波数が存在すると判断する。例えば、１．０ＭＨｚのキャリア周波数のときにエコー高さの最低ピークがある場合には、１．０ＭＨｚに最も近い探傷に用いたキャリア周波数（例えば０．９ＭＨｚおよび／または１．０ＭＨｚ）のときのエコー高さと最低ピークの相違を求め、相違が閾値を超えた場合に、遷移周波数が存在すると判断する。この場合、最低ピークに対応するキャリア周波数としての１．０ＭＨｚが遷移周波数である。このような判断を行うことにより、実際には遷移周波数が存在しても、明確には現れない場合には、遷移周波数は存在しないと判断される。
【００５５】
遷移周波数が存在すると判断された場合には、ステップＳＴ１２で信号処理部７５は出力部７６に、試験対象物８中に腐食が存在しない旨を示す性状判定結果を通知し、出力部７６はその性状判定結果を出力し、処理を終える。
【００５６】
他方、遷移周波数が存在しないと判断された場合には、ステップＳＴ１３で信号処理部７５は出力部７６に、試験対象物８中に腐食が存在する旨を示す性状判定結果を通知し、出力部７６はその性状判定結果を出力し、処理を終える。
このようにして、各キャリア周波数ｆ０についてのエコー高さに基づいて試験対象物８の性状を判定することができる。
【００５７】
上記の超音波探傷方法において、ステップＳＴ２で作成する変調バースト信号（図２参照）については、どの程度振幅変調をかける必要があるのかは場合によって異なるので、試験を行う者が適宜決める必要がある。場合によっては、振幅変調をかけないバースト信号を用いても構わない。振幅変調の程度を調節するために任意波形発生部７２を試験を行う者が操作することができる操作部分（図示せず）が設けられている。
【００５８】
ステップＳＴ８のキャリア周波数ｆ０の変え方は、探傷に要する周波数の範囲内であれば一様増加にしてもよいし一様減少にしてもよいし、一様でない間隔でキャリア周波数を増加または減少させてもよい。キャリア周波数をランダムに変化させても構わない。ステップＳＴ１で最初に設定するキャリア周波数も、所要の周波数範囲内であればよく、所要の周波数の下限や上限である必要はない。
【００５９】
また、探傷に使用する全てのキャリア周波数の間隔は、等間隔（例えば上記のように０．１ＭＨｚ間隔）であってもよいが、等間隔でなくても構わない。例えば、ｆ０＝０．５ＭＨｚ，０．７ＭＨｚ，０．９ＭＨｚ，１．０ＭＨｚ，１．１ＭＨｚ，１．３ＭＨｚ，１．５ＭＨｚをキャリア周波数として使用すると予め決めておいてもよい。
【００６０】
送信用探触子１および受信用探触子２の周波数特性（具体的には安定した送受信が可能な周波数帯域）は、遷移周波数を検知できるように広帯域であることが望ましい。また、エコー高さを計算した後には、これらの探触子の周波数特性（周波数と超音波の送受信性能の関係）に基づいてエコー高さを補正して、周波数−エコー高さ特性を求め、この周波数−エコー高さ特性から遷移周波数の有無を判定しても構わない。
【００６１】
送信用探触子１および受信用探触子２の入射角は、Ａ０モードおよびＳ０モードの板波を効率良く送信および受信できるように設定するのが好ましいが、これは試験対象物８の厚さや送信用探触子１および受信用探触子２が動作する周波数によって異なる。そこで、試験対象物８の厚さや、送信用探触子１および受信用探触子２が動作する周波数帯の変更に応じて、これらの入射角を適宜変更できると好ましい。
【００６２】
以上説明したように、この実施の形態１によれば、バースト信号のキャリア周波数の変更に対する試験対象物８中の超音波の強度の変化に基づいて試験対象物８の性状を判定するので、試験対象物８の周囲が試験対象物８と異なる性質の周囲固体１０で囲まれた状態である場合に、試験対象物８と周囲固体１０との境界付近の腐食の有無を簡単に非破壊的に検査することができる。
【００６３】
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、探傷制御ユニット７自体が試験対象物８内の腐食の有無を判定するが、この発明の実施の形態２として、判定を容易にさせる情報を探傷制御ユニット７が提供し、試験を行う者がこの情報に基づいて腐食の有無を判定してもよい。例えばディスプレイ装置である出力部７６が、前記の周波数−エコー高さ特性を折れ線グラフなどのグラフで表示してもよい。
【００６４】
この実施の形態２では、信号処理部７５が、各キャリア周波数ｆ０についてのエコー高さを計算することにより、周波数−エコー高さ特性を求めた（図１４のステップＳＴ１０）後、信号処理部７５は出力部７６に、各キャリア周波数ｆ０に対応するエコー高さを出力部７６に通知し、出力部７６は周波数−エコー高さ特性を出力し、処理を終える。この実施の形態でも、試験対象物８の周囲が試験対象物８と異なる性質の周囲固体１０で囲まれた状態である場合に、試験対象物８と周囲固体１０との境界付近の腐食の有無を簡単に非破壊的に検査することができる。
【００６５】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る超音波探傷方法および超音波探傷装置について説明する。実施の形態３のシステムの構成は図１と同じであるのでその説明を省略し、動作について以下に説明する。
【００６６】
実施の形態１では、任意波形発生部７２においてバースト信号を発生し、バースト信号のキャリア周波数ｆ０を変えて探傷し、キャリア周波数とエコー高さとの関係か腐食５の有無を検査する。この場合には、キャリア周波数を変えて繰り返し探傷するので、腐食５の有無を判定するまでに時間がかかる。これに対して、実施の形態３では、広い周波数帯域、すなわち異なる周波数を持つ電気信号で送信用探触子１を励振し、受信用探触子２で受信されたエコーの周波数スペクトラムを求め、この周波数スペクトラムから腐食５の有無を判定する。これによれば、バースト信号のキャリア周波数を変えて探傷を行う方法よりも、短時間で判定結果が得られる。
【００６７】
図１５は、実施の形態３で任意波形発生部（送信電気信号生成部）７２が生成する送信電気信号の一例を示す図である。前記の広い周波数帯域を持つ信号は、図１５に示すようなスパイク状の送信電気信号でよい。実施の形態３では、バースト信号のキャリア周波数を変えて探傷する代わりに、図１５に示すようなスパイク状の信号で送信用探触子１を一回励振することで、腐食５の有無を判定する。
【００６８】
図１６は、実施の形態３に係る腐食の検査方法を説明するためのフローチャートである。以下、図１６のフローチャートを参照しながら、腐食の判定方法を実現する各ステップを詳細に説明する。
【００６９】
ステップＳＴ２１では、制御部７１は、任意波形発生部７２、送信部７３、受信部７４、信号処理部７５および出力部７６を動作可能状態に駆動する。またステップＳＴ２１で、任意波形発生部７２はスパイク状の送信電気信号を発生し、送信部７３に送信する。ここでスパイク状の信号とは、図１５に示したような振幅が負の信号だけでなく、振幅が正である信号でもよい。また、インパルス状の信号も、スパイク状の信号に含まれる。
【００７０】
ステップＳＴ２２では、任意波形発生部７２で発生したスパイク状の送信電気信号を送信部７３が増幅し、異なる周波数で送信用探触子１を励振する。
ステップＳＴ２３では、受信用探触子２でエコーを受信する。受信用探触子２は受信したエコーをエコー受信信号に変換する
ステップＳＴ２４では、受信用探触子２からの受信エコー信号を受信部７４で増幅し、信号処理部７５に送る。
【００７１】
ステップＳＴ２５では、信号処理部７５に送られてきた受信エコー信号を信号処理部７５の内部のＡ／Ｄ変換部がディジタル受信エコー信号に変換して、その結果のディジタル受信エコー信号を信号処理部７５の内部のメモリに記憶する。
ステップＳＴ２６では、ステップＳＴ２５でメモリ内に記憶したディジタル受信エコー信号を信号処理部７５が読み出す。
【００７２】
ステップＳＴ２７では、信号処理部７５は特性計算部として機能し、ディジタル受信エコー信号に基づいて、異なる周波数に対するエコー高さの関係を表す周波数−エコー高さ特性をスペクトラムとして求める。スペクトラムを求める方法としては、高速フーリエ変換を使用することが可能であるが、他の方法を用いても構わない。高速フーリエ変換を使用する場合、元の信号に種々の窓関数（例えば、矩形、ハミング、ハニング、カイザーなど）を掛けることがしばしば行われるが、どのような窓関数を用いるかは、送信用探触子１や受信用探触子２の周波数特性等によって適宜決めておけばよい。
【００７３】
ステップＳＴ２８では、信号処理部７５は性状判定部として機能し、ステップＳＴ２７で求めたスペクトラムとしての周波数−エコー高さ特性から遷移周波数の有無を調べる。すなわちエコー高さの最低ピークを求め、最低ピークに対応する周波数の付近の周波数についてのエコー高さと最低ピークのエコー高さとの相違が閾値を超えた場合に、遷移周波数が存在すると判断する。例えば、１．０ＭＨｚの周波数のときにエコー高さの最低ピークがある場合には、１．０ＭＨｚに最も近い探傷に用いた周波数（例えば０．９ＭＨｚおよび／または１．０ＭＨｚ）のときのエコー高さと最低ピークの相違を求め、相違が閾値を超えた場合に、遷移周波数が存在すると判断する。この場合、最低ピークに対応する周波数としての１．０ＭＨｚが遷移周波数である。このような判断を行うことにより、実際には遷移周波数が存在しても、明確には現れない場合には、遷移周波数は存在しないと判断される。
【００７４】
遷移周波数が存在すると判断された場合には、ステップＳＴ２９で信号処理部７５は出力部７６に、試験対象物８中に腐食が存在しない旨を示す性状判定結果を通知し、出力部７６はその性状判定結果を出力し、処理を終える。
【００７５】
他方、遷移周波数が存在しないと判断された場合には、ステップＳＴ３０で信号処理部７５は出力部７６に、試験対象物８中に腐食が存在する旨を示す性状判定結果を通知し、出力部７６はその性状判定結果を出力し、処理を終える。
このようにして、一度出力されたスパイク状の送信電気信号に含まれる異なる周波数に対するエコー高さの関係に基づいて試験対象物８の性状を判定することができる。
【００７６】
上記の超音波探傷方法において、ステップＳＴ１では、スパイク状の送信電気信号を任意波形発生部７２が作成するが、試験対象物８へ伝搬していく超音波の周波数が広帯域であれば送信電気信号はスパイク状でなくてもよく、例えば、階段状の信号でも構わない。
【００７７】
実施の形態１と同様に、送信用探触子１および受信用探触子２の周波数特性（具体的には安定した送受信が可能な周波数帯域）は、遷移周波数を検知できるように広帯域であることが望ましい。また、エコー高さを計算した後には、これらの探触子の周波数特性（周波数と超音波の送受信性能の関係）に基づいてエコー高さを補正して、周波数−エコー高さ特性を求め、この周波数−エコー高さ特性から遷移周波数の有無を判定しても構わない。
【００７８】
また、実施の形態１と同様に、送信用探触子１および受信用探触子２の入射角は、Ａ０モードおよびＳ０モードの板波を効率良く送信および受信できるように設定するのが好ましいが、これは試験対象物８の厚さや送信用探触子１および受信用探触子２が動作する周波数によって異なる。そこで、試験対象物８の厚さや、送信用探触子１および受信用探触子２が動作する周波数帯の変更に応じて、これらの入射角を適宜変更できると好ましい。
【００７９】
以上説明したように、この実施の形態３によれば、送信電気信号が持つ異なる周波数に対する試験対象物８中の超音波の強度の関係に基づいて試験対象物８の性状を判定するので、試験対象物８の周囲が試験対象物８と異なる性質の周囲固体１０で囲まれた状態である場合に、試験対象物８と周囲固体１０との境界付近の腐食の有無を簡単に非破壊的に検査することができる。また、探傷工程では、一回の送信電気信号を出力すれば、その送信電気信号に対応する受信エコー信号からスペクトラムとして周波数−エコー高さ特性が求められるので、短時間で判定結果が得られる。
【００８０】
実施の形態４．
上述した実施の形態３では、探傷制御ユニット７自体が試験対象物８内の腐食の有無を判定するが、この発明の実施の形態４として、判定を容易にさせる情報を探傷制御ユニット７が提供し、試験を行う者がこの情報に基づいて腐食の有無を判定してもよい。例えばディスプレイ装置である出力部７６が、前記の周波数−エコー高さ特性を折れ線グラフなどのグラフで表示してもよい。
【００８１】
この実施の形態４では、信号処理部７５が、スペクトラムとしての周波数−エコー高さ特性を求めた（図１６のステップＳＴ２７）後、信号処理部７５は出力部７６に、周波数−エコー高さ特性を出力部７６に通知し、出力部７６は周波数−エコー高さ特性を出力し、処理を終える。この実施の形態でも、試験対象物８の周囲が試験対象物８と異なる性質の周囲固体１０で囲まれた状態である場合に、試験対象物８と周囲固体１０との境界付近の腐食の有無を簡単に非破壊的に検査することができ、短時間で判定結果が得られる。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、試験対象物の周囲が試験対象物と異なる性質の固体で囲まれた状態である場合に、試験対象物と他の固体との境界付近の腐食の有無を簡単に非破壊的に検査することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係る超音波探傷装置を含む超音波探傷システムを示す概略図である。
【図２】 この発明の実施の形態１で使用する送信電気信号の波形を示す図である。
【図３】 この発明の実施の形態の原理を発見した音場シミュレーションの条件を示す概略図である。
【図４】 キャリア周波数が０．７ＭＨｚの場合の音場シミュレーション結果を示す図である。
【図５】 キャリア周波数が０．７ＭＨｚの場合の粒子変位ベクトルを示す図である。
【図６】 キャリア周波数が０．７ＭＨｚの場合の受信エコー信号の振幅変化を示す図である。
【図７】 キャリア周波数が１．０ＭＨｚの場合の音場シミュレーション結果を示す図である。
【図８】 キャリア周波数が１．０ＭＨｚの場合の粒子変位ベクトルを示す図である。
【図９】 キャリア周波数が１．４ＭＨｚの場合の受信エコー信号の振幅変化を示す図である。
【図１０】 キャリア周波数が１．４ＭＨｚの場合の音場シミュレーション結果を示す図である。
【図１１】 キャリア周波数が１．４ＭＨｚの場合の粒子変位ベクトルを示す図である。
【図１２】 キャリア周波数が１．４ＭＨｚの場合の受信エコー信号の振幅変化を示す図である。
【図１３】 （Ａ）は三つの条件の下にシミュレーションして得られた周波数−エコー高さ特性を示す図であり、（Ｂ）はそのうちの一つの条件を示す概略図である。
【図１４】 実施の形態１に係る腐食の検査方法を説明するためのフローチャートである。
【図１５】 実施の形態３で使用する送信電気信号の波形を示す図である。
【図１６】 実施の形態３に係る腐食の検査方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１ 送信用探触子、２ 受信用探触子、５ 腐食、７ 探傷制御ユニット（超音波探傷装置）、８ 試験対象物、１０ 周囲固体、１０Ａ 吸収境界、１１ 空隙、７１ 制御部、７２ 任意波形発生部（バースト信号生成部、送信電気信号生成部）、７３ 送信部、７４ 受信部、７５ 信号処理部（強度計算部、性状判定部、特性計算部）、７６ 出力部。

Claims (8)

1. 電気信号によって駆動され異なる性質の固体で囲まれた部分を有する試験体中に板波を励振する送信用探触子と、
   前記送信用探触子を駆動するためにバースト信号を生成するバースト信号生成部と、
   前記バースト信号のキャリア周波数を変更する指令を前記バースト信号生成部に与える制御部と、
   前記試験体中を伝搬した板波、及び、前記異なる性質の固体で囲まれた部分で生じた擬似板波を電気信号に変換する受信用探触子と、
   前記受信用探触子からの電気信号に基づいて、前記試験体中の板波及び擬似板波の強度を計算する強度計算部と、
   前記キャリア周波数の変更に対する前記試験体中の板波及び擬似板波の強度の変化に基づいて、前記試験体の前記異なる性質の固体で囲まれた部分の性状を判定する性状判定部とを備えた超音波探傷装置。
2. 性状判定部は、キャリア周波数の変更に対する試験体中の板波及び擬似板波の強度の変化のピークを求め、前記ピークに対応するキャリア周波数の付近のキャリア周波数についての前記試験体中の板波及び擬似板波の強度と前記ピークとの相違が閾値を超えた場合に、前記試験体中の異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食がないと判定し、他の場合には前記試験体中の前記異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食があると判定することを特徴とする請求項１記載の超音波探傷装置。
3. 電気信号によって駆動され異なる性質の固体で囲まれた部分を有する試験体中に板波を励振する送信用探触子と、
   前記送信用探触子を駆動するバースト信号を生成するバースト信号生成部と、
   前記バースト信号のキャリア周波数を変更する指令を前記バースト信号生成部に与える制御部と、
   前記試験体中を伝搬した板波、及び、前記異なる性質の固体で囲まれた部分で生じた擬似板波を電気信号に変換する受信用探触子と、
   前記受信用探触子からの電気信号に基づいて、前記試験体中の板波及び擬似板波の強度を計算する強度計算部と、
   前記キャリア周波数の変更に対する前記試験体中の板波及び擬似板波の強度の変化を表す周波数−エコー強度特性を出力する出力部とを備えた超音波探傷装置。
4. 電気信号によって駆動され異なる性質の固体で囲まれた部分を有する試験体中に板波を励振する送信用探触子と、
   前記送信用探触子を駆動するために異なる周波数を持つ送信電気信号を生成する送信電気信号生成部と、
   前記試験体中を伝搬した板波、及び、前記異なる性質の固体がある部分で生じた擬似板波を電気信号に変換する受信用探触子と、
   前記受信用探触子からの電気信号に基づいて、前記異なる周波数に対する前記試験体中の板波及び擬似板波の強度の関係を表す周波数−エコー強度特性を計算する特性計算部と、
   前記周波数−エコー強度特性に基づいて前記試験体の前記異なる性質の固体で囲まれた部分の性状を判定する性状判定部とを備えた超音波探傷装置。
5. 性状判定部は、異なる周波数に対する試験体中の板波及び擬似板波の強度のピークを求め、前記ピークに対応する周波数の付近の周波数についての前記試験体中の板波及び擬似板波の強度と前記ピークとの相違が閾値を超えた場合に、前記試験体中の異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食がないと判定し、他の場合には前記試験体中の前記異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食があると判定することを特徴とする請求項４記載の超音波探傷装置。
6. 電気信号によって駆動され異なる性質の固体で囲まれた部分を有する試験体中に板波を励振する送信用探触子と、
   前記送信用探触子を駆動するために異なる周波数を持つ送信電気信号を生成する送信電気信号生成部と、
   前記試験体中を伝搬した板波、及び、前記異なる性質の固体がある部分で生じた擬似板波を電気信号に変換する受信用探触子と、
   前記受信用探触子からの電気信号に基づいて、前記異なる周波数に対する前記試験体中の板波及び擬似板波の強度の関係を表す周波数−エコー強度特性を計算する特性計算部と、
   前記周波数−エコー強度特性を出力する出力部とを備えた超音波探傷装置。
7. キャリア周波数を変更しながら異なる性質の固体で囲まれた部分を有する試験体中に板波を励振し、前記試験体中の板波、及び、前記異なる性質の固体がある部分で生じた擬似板波の強度の測定結果から、キャリア周波数の変更に対する前記試験体中の板波及び擬似板波の強度の変化のピークを求め、
   前記ピークに対応するキャリア周波数の付近のキャリア周波数についての前記試験体中の板波及び擬似板波の強度と前記ピークとの相違が閾値を超えた場合に、前記試験体中の前記異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食がないと判定し、他の場合には前記試験体中の前記異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食があると判定することを特徴とする超音波探傷方法。
8. 異なる周波数を持つ送信電気信号により異なる性質の固体で囲まれた部分を有する試験体中に板波を励振し、前記試験体中の各周波数に対する板波、及び、各周波数に対する前記異なる性質の固体がある部分で生じた擬似板波の強度の測定結果から、異なる周波数に対する前記試験体中の板波及び擬似板波の強度のピークを求め、
   前記ピークに対応する周波数の付近の周波数についての前記試験体中の板波及び擬似板波の強度と前記ピークとの相違が閾値を超えた場合に、前記試験体中の前記異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食がないと判定し、他の場合には前記試験体中の前記異なる性質の固体で囲まれた部分に腐食があると判定することを特徴とする超音波探傷方法。

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