JP4595117B2 - 超音波伝搬の映像化方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造物のヘルスモニタリング等の際に利用する超音波探傷による非破壊検査に関する技術であり、特に、超音波伝搬の映像化方法および装置に関する。

超音波の伝搬の様子をイメージングする方法としては、シュリーレン法や光弾性法が広く知られているが、これらの方法は透明な物体にしか適用できない。

不透明な物体を伝搬する超音波の映像化方法としては、本発明者らが開発した受信レーザ走査法（非特許文献１参照）があるが、検出感度や作業性の点で実用的な方法ではなかった。

さらに、上記受信レーザ走査法を応用した方法として、受信用圧電センサを走査して弾性波の伝搬を可視化する方法及び装置がすでに特許出願（特許文献１参照））されている。しかしこの方法は受信センサを被検体に接触させた状態で走査させなければならないため、作業性が悪く、また、受信超音波がセンサ接着条件の影響を強く受けるので再現性のある高精度な画像を得ることは難しい。
日本機械学会論文集Ｃ編６５巻６３９号ｐ．４２９９−４３０４，１９９９年１１月 特開２００１−２９６２８２号公報

上記従来の超音波伝搬映像化法は、上記のとおりであるが、その課題をまとめると次のとおりである。
（１）受信レーザ走査法
イ．検出感度が低い。
ロ．被検体表面が平坦で滑らかでなければならない。
ハ．レーザ光を被検体に垂直に当て、かつ一定の焦点距離を保たなければならない。
ニ．受信レーザはコストが高い。

（２）受信圧電センサ走査法
イ．被検体表面が平坦でなければならない。
ロ．接触走査のため、作業性が悪く、また、接着条件の影響を受けやすい。
ハ．レーザ光ビームに比べて圧電センサの直径が１桁以上大きいため、分解能の高い 画像を得ることができない。

本発明は上記課題を解決するために、被検体の表面を走査してパルスレーザ光の走査路の複数の計測点に照射し、熱励起超音波を発生させる発振レーザと、前記被検体に装着して固定され、前記複数の計測点で発生した前記熱励起超音波を前記レーザ光のパルスと同期して検出する受信用圧電センサとを備えた、被検体上を伝搬する超音波の映像化装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、被検体の表面を走査してパルスレーザ光の走査路の複数の計測点に照射し、熱励起超音波を発生させる発振レーザと、前記被検体に装着して固定され、前記複数の計測点で発生した前記熱励起超音波を前記レーザ光のパルスと同期して検出する受信用圧電センサと、Ａ／Ｄ変換器と、パソコンとを備えた、被検体上を伝搬する超音波の映像化装置であって、前記Ａ／Ｄ変換器は、前記受信用圧電センサで検出した超音波に係る信号をＡ／Ｄ変換して波形列データを得て、前記パソコンは、前記波形列データを収録し、該波形列データの、各時刻における振幅値を輝度変調して画像化することを特徴とする、被検体上を伝搬する超音波の映像化装置を提供する。

発振レーザによって、被検体の表面を走査してパルスレーザ光を走査路に沿って複数の計測点に照射し、前記複数の計測点に熱励起超音波を発生させ、該超音波を、前記被検体に装着して固定した受信用圧電センサで前記レーザ光のパルスと同期して検出し、該検出した信号を波形列データとして、該波形列データの各時刻における振幅値を輝度変調して画像化することを特徴とする、被検体上を伝搬する超音波の映像化方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、発振レーザによって、被検体の表面を走査してパルスレーザ光を走査路に沿って複数の計測点に照射し、前記複数の計測点に熱励起超音波を発生させ、該超音波を、被検体に装着し固定した受信用圧電センサで前記レーザ光のパルスと同期して検出し、該検出した信号をＡ／Ｄ変換器により波形列データとしてパソコンに収録し、該パソコンにより、前記収録した波形列データを各時刻における振幅値を輝度変調して画像化することを特徴とする、被検体上を伝搬する超音波の映像化方法を提供する。

前記画像化して得た画像を時系列的に連続表示すれば、超音波伝搬の映像が得られる。

（１）検出感度が受信レーザ走査法に比べて１００〜１０００倍向上する。
（２）レーザ光の入射角や焦点距離を合わす必要がないので作業性が非常に良い。
（３）セクタスキャンを利用すれば、広い領域を伝わる超音波の映像を遠隔から計測でき る。
（４）曲面、段差を有する複雑形状物体の超音波を映像化できる。
（５）発振レーザは受信レーザよりも安いので低価格な計測システムを構成できる。

本発明を実施するための超音波伝搬の映像化方法および装置の最良の形態を、実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

（原理）
Ａ点にレーザ光を照射して熱励起超音波を発生させ、この超音波をＢ点の圧電センサで検出した波は、逆に、Ｂ点にレーザ光を照射して熱励起超音波を発生させ、この超音波をＡ点で検出した波とほぼ同一になる。

この超音波伝搬の可逆性を利用すれば、発振レーザを走査させながら、その走査路に沿ってパルスレーザ光を複数の計測点で照射して熱励起超音波を発生させ、この超音波を固定圧電センサで検出した波形列（計測点の数に対応した波形の集合）は、逆に、圧電センサ位置にレーザ光を照射したときに発生する超音波を、圧電センサを走査させながら検出した波形列と同一だと見なすことができる。

そして、発振レーザを走査させたときの検出波形列の各時刻における振幅値を輝度変調して画像化し（等高線図を作り）、この画像化した画像を時系列的に連続表示させると、その映像は、受信点で発信した超音波の伝搬映像となる。このように、本発明は、受信レーザや受信センサを走査させるのではなく、逆に、発振レーザを走査させて固定圧電素子で受信しているので、非接触で高感度な計測が可能となる。

よって、被検体が平坦であること、レーザ光を被検体に垂直に当てかつ一定の焦点距離を保たなければならないこと等、従来の受信レーザや受信センサを走査する場合に必要である事項が、本発明では厳格に要求されない。よって、本発明によれば、作業性が良く、精度においても従来技術に較べると改善される。

図１は、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置を説明する図である。本発明に係る超音波伝搬の映像化装置は、２軸ステージ、発振レーザ、受信用圧電センサ、増幅器、Ａ／Ｄ変換器、パソコンを備えている。Ａ／Ｄ変換器としては、デジタルオシロスコープを利用する。

発振レーザは、例えば、ＹＡＧレーザ等が使用され、２軸ステージ上に載置されており、被検体に向けて１０Ｈｚ程度の周期でパルスレーザ光を照射する。計測点は、パソコンで２軸ステージを制御し格子状に走査させながら、走査路に沿って縦横１００×１００点、合計１０，０００点程度の計測点を照射する。パルスレーザ光が被検体に照射されると、被検体の計測点は急激な熱膨張が生じ、この結果、熱励起超音波が発生する。

受信用圧電センサは、各計測点で発生した熱励起超音波を電気的に検出するものである。受信用圧電センサにより検出された検出電気信号は、増幅器で増幅して、さらにデジタルオシロスコープでデジタル信号に変換し波形列としてパソコンに送信して収録する。

以上の構成によりパソコンに収録した波形列データを、各時刻（同一時刻）における振幅値を、レーザ光を照射した計測点における超音波変位と見なして輝度変調した画像を作成する。このようにして得た画像を、時系列的に連続表示（連続描画）すれば、あたかも、受信点で超音波が発進したかのような映像を取得することができる。

この映像は、実際に伝わっている超音波を映像化したものではないが、実測データを基にしており、実際に存在し得る超音波の映像である。以下、本発明の超音波伝搬装置及び方法によって超音波を映像化する技術の具体的な実験例を示す。

（実験例１）
図２は、実験例１を示す図である。この実験例１は、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置によって、炭素繊維複合材料を伝搬する超音波の映像化を実証する実験例である。

この実験例１では、具体的には、図２に示すような装置を用い、被検体の裏側に、受信用圧電センサとして受信用ＡＥ（Acoustic Emission）センサを取り付け、表側をレーザ走査によりパルスレーザ光を照射して超音波の伝わる様子を映像化した。また、損傷によって超音波の伝わり方がどのように変化するかを見るためにハンマで衝撃損傷を与え、損傷部を伝わる超音波も映像化した。

それらの結果を、図３に無傷材（上段の図）と損傷材（下段の図）とを比較して経時的（２μｓ、６μｓ、１０μｓ、１４μｓ、１８μｓ）に示す。損傷材については、超音波が損傷部を通過した後で波形に乱れが生じている様子が映像化されている（図３下段の１８μｓの図参照）。

また、被検体とした炭素繊維複合材料に特有の音速異方性（Ｓ_ｏ波）もはっきりと観察されている。この炭素繊維複合材料では波の減衰が大きいために、従来の手段では、超音波の映像化は困難であったが、本発明により高感度な映像化が実現可能となった。

（実験例２）
図４は、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置の実験例２を示す図である。この実験例２では、実験例１と同様に、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置（図２参照）によって、ステンレス鋼の溶接部に発生した疲労き裂の周りを伝搬する超音波を映像化した例を示す。

この実験例２で試験対象とした試験片を図４の下段の図に示す。この試験片は、２枚のステンレス鋼平板（板厚８ｍｍ）を溶接して作成したものである。この試験片に疲労き裂を作成しない試験片（無傷材）と、この試験片に疲労き裂を作成した試験片（き裂材）の２種類の試験片を用意する。

き裂材は、無傷の試験片に繰り返し荷重をかけて疲労き裂を作成したものである。疲労き裂は、溶接部界面の内部から発生し、試験片側面に向かって表面長さ２０ｍｍで生成されている。

これらの２種類の試験片（無傷材とき裂材）を、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置を利用して走査して得られた映像化画像を、図４の上段の２枚の図に比較して示す。

き裂材（図４の上段の左図）については、超音波は特に支障なく進行している状態を示している。しかし、き裂材（図４の上段の右図）については、超音波がき裂を回り込むようにして進んで行く様子が観察されている。この結果、溶接して作成し試験片について、溶接部のき裂の有無を検出することができ、溶接部の健全性をチェックすることができる。

（実験例３）
図５は、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置を曲面形状物体に適用した実験例３を示す図である。この実験例３では、実験例１と同様に、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置（図２参照）によって、茶碗を伝わる超音波を映像化した例を示す。

この実験例３では、図５の下段の図に示すように、曲面形状物体である茶碗の内側に受信用ＡＥセンサを取り付け、その裏面をレーザ走査によりパルスレーザ光を照射して得た画像を図５の上段の図に、経時的（４μｓ、８μｓ、１２μｓ、１６μｓ）に示す。このように、従来、映像化が難しかった曲面形状物体の超音波伝搬の映像化も可能であることが実証された。

従来、超音波伝搬の映像化技術は測定に高度な機器調整が必要だったため、大学の実験室等における超音波研究の手段としてしか使用されてこなかったが、本発明に係る超音波伝搬の映像化方法および装置は、機器調整が容易で作業性もよく、また、非接触での高感度な測定が可能なので、製造や検査等の現場での超音波の映像化を容易に実現するものである。

本発明は、構造物や製品の非破壊検査や、超音波機器開発における補助ツールとしての利用が考えられる。特に本発明は、レーザをセクタスキャンすることにより、非接触で遠隔から広範囲な領域を検査することも可能であり、橋梁等の高所の検査や原子力施設等における放射能環境下や高温環境下での検査など、人の近づけない特殊環境下での遠隔検査に威力を発揮する。

最近の超音波診断技術は、人間の耳に相当する信号解析技術から、目に相当する画像診断技術へと移行しつつある。従来の画像診断技術は、Ｂモード断層像、Ｃモード断層像に代表される静止画を対象にしたものであったが、本発明は、動画を対象とした新しい超音波画像診断技術への応用も可能である。

本発明の実施例を説明する図である。 本発明の実験例１を説明する図である。 本発明の実験例１を説明する図である。 本発明の実験例２を説明する図である。 本発明の実験例３を説明する図である。

Claims (6)

1. 被検体の表面を走査してパルスレーザ光の走査路の複数の計測点に照射し、熱励起超音波を発生させる発振レーザと、前記被検体に装着して固定され、前記複数の計測点で発生した前記熱励起超音波を前記レーザ光のパルスと同期して検出する受信用圧電センサとを備えた、被検体上を伝搬する超音波の映像化装置。
2. 被検体の表面を走査してパルスレーザ光の走査路の複数の計測点に照射し、熱励起超音波を発生させる発振レーザと、前記被検体に装着して固定され、前記複数の計測点で発生した前記熱励起超音波を前記レーザ光のパルスと同期して検出する受信用圧電センサと、Ａ／Ｄ変換器と、パソコンとを備えた、被検体上を伝搬する超音波の映像化装置であって、
   前記Ａ／Ｄ変換器は、前記受信用圧電センサで検出した超音波に係る信号をＡ／Ｄ変換して波形列データを得て、
   前記パソコンは、前記波形列データを収録し、該波形列データの、各時刻における振幅値を輝度変調して画像化することを特徴とする、被検体上を伝搬する超音波の映像化装置。
3. 前記画像化して得た画像を時系列的に連続表示することを特徴とする、請求項２記載の被検体上を伝搬する超音波の映像化装置。
4. 発振レーザによって、被検体の表面を走査してパルスレーザ光を走査路に沿って複数の計測点に照射し、前記複数の計測点に熱励起超音波を発生させ、該超音波を、前記被検体に装着して固定した受信用圧電センサで前記レーザ光のパルスと同期して検出し、該検出した信号を波形列データとして、該波形列データの各時刻における振幅値を輝度変調して画像化することを特徴とする、被検体上を伝搬する超音波の映像化方法。
5. 発振レーザによって、被検体の表面を走査してパルスレーザ光を走査路に沿って複数の計測点に照射し、前記複数の計測点に熱励起超音波を発生させ、該超音波を、被検体に装着し固定した受信用圧電センサで前記レーザ光のパルスと同期して検出し、該検出した信号をＡ／Ｄ変換器により波形列データとしてパソコンに収録し、該パソコンにより、前記収録した波形列データを各時刻における振幅値を輝度変調して画像化することを特徴とする、被検体上を伝搬する超音波の映像化方法。
6. 前記画像化して得た画像を時系列的に連続表示することを特徴とする、請求項４又は５記載の被検体上を伝搬する超音波の映像化方法。