JP5565904B2 - 超音波探傷試験体の表面形状の同定方法並びに同定プログラム、開口合成処理プログラム及びフェーズドアレイ探傷プログラム - Google Patents
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まず、表面形状が変化した形状変化部を有する試験体2の表面に、試験体の表面形状に沿って形態を変化させうる媒質3を介してフェーズドアレイ1を配置する。このとき、アレイ探触子1は治具5などで固定され、試験体の表面との間の間隔が保たれる。ここで、探傷器のフェーズドアレイ1と試験体2との間に介在される媒質3は、例えば水などの液体あるいはジェルなどの半固形体の使用が好ましい。水を媒質として用いる場合、一般に局部水浸法と呼ばれる探傷法においてフェーズドアレイを用いたものとなる。
例えば、波は2点間を伝播するのに要する時間が最小となる経路を進むというフェルマーの原理に従って伝播経路を計算することができる。いま、図6に示すように直交座標系x−yが定義され、y=ax2+bx+cで記述される境界線で媒質1と2が区分されている。このとき、媒質1の点P(xt,0)と、媒質2の点Q(xt+x1+x2,y1+y2)の2点間の伝播経路を考えると、幾何学的に次式が成り立つ。
y1tanθ1+(y−y1)tanθ2=x−xt (3-1)
C2sin(θ1+θ0)=C1sin(θ2+θ0) (3-2)
tanθ0=2a(xt+x1)+b (3-3)
y1=a(xt+xi)2+b(xt+x1)+c (3-4)
ここで、C1とC2は媒質1と2の音速である。上式は非線形であるため、逐次近似などで角度を決定する必要がある。式を微分し整理すると次の式が得られる。
(3-5)
δx=0になるように上式に逐次近似を適用することで、θ0,θ1,θ2,y1を計算できる。本手法では試験体表面を複数の二次曲線で近似しており、経路が複数あるため、逐次計算を行う際には初期値を与える曲線を決定する必要がある。
1)試験体表面をn個に分割し、分割点をSi(i=1,n)とする。
2)試験体内の任意点Qを起点として、フェルマーの原理に従って試験体表面上の各点
Siを透過し探傷面に達する点をXi(i=1,n)とする。
3)振動子Pを間に挟む点Xi,Xi+1を探索し、Pと点XiおよびXi+1とのx軸方向の
距離をそれぞれΔxiおよびΔxi+1とおく。
4)試験体表面上の点Rを考え、Rと点SiおよびSi+1とのx軸方向距離をそれぞれΔ
siおよびΔsi+1とおくとき、Δsi:Δsi+1=Δxi:Δxi+1を満たすx座標を
点Rのx座標とする。
5)点Rを初期値として、式(3-5)の逐次計算よりフェルマーの原理を満たす座標を決
定する。
6)線分PRおよびQRがRが存在する表面以外の表面近似曲線と交差していないかを
確認し、伝播経路を決定する。
図8に示すように、Bスコープ画像内の着目する画素Q(xi,yi)の振幅値E (xi,yi)は、振動子位置P(xk,0)で得られたAスコープ波形S(xk,t)を用いて次式で計算される。
(3-6)
ここで、
c1およびc2:媒質1および2の音速
N:素子の総数
r1(xi,yi,xk):振動子位置P(xk,0)から超音波が画素Q(xi,yi)にフェル マーの原理を満たすように到達するまでの経路上で、P(xk, 0)から媒質1と媒質2の境界上の点までの距離
r2(xi,yi,xk):上記経路のうち境界上の点から画素Q(xi,yi)までの距離
である。
1)送受信に1素子を用いたリニアスキャンを超音波探傷器で実行して、各振動子毎の表面反射データを取得する(S1)。
2)受信した表面反射波から試験体表面形状の座標をコンピュータの演算処理で決定する(S3)。具体的には、上述の1),2)のステップ(S1,S3)は、図17に示すように、超音波探傷器から取り込んだ試験体の表面エコーのデータ(S1)を基に表面形状同定処理(S3−1〜S3−12)をコンピュータで実行することにより、y=ax2+bx+cの二次曲線で表される試験体の表面形状データを算出する。
3)また、超音波探傷器で試験体内部を探傷し、受信波形を取得する(S2)。例えば、複数振動素子を同時送信させるリニアスキャンを行って試験体内部の探傷のための探傷領域の内部エコーのデータを取得する。
4)そして、上記2)のステップ(S3)で決定した表面形状座標から、素子Pから表面Rを通過して試験体内の点Qに達する超音波の伝播経路を決定する(S4)。即ち、試験体内部の探傷範囲をメッシュ状に区画し、同定された試験体表面形状に基づいて受信する振動子毎の各メッシュから振動子までの超音波の伝播距離を演算する。
5)上記4)で決定した経路に対応する受信波形の振幅をQ点の振幅に加算する(S5−1)。
6)試験体内のQ点を移動させながら上記4および5を繰り返す(S5−2)。つまり、探傷範囲の全区画に対して各振動子毎の超音波の伝播経路に基づいて各受信素子で受信されるAスコープ波形信号の遅れを修正するように波形の位相をシフトし、波の位相を揃えた状態で重ね合わせる開口合成処理を行う(S5)。
本実施例においては、表面エコーのデータと内部エコーのデータとは連続してPCに取り込まれ、その後、オフライン状態のPC(パーソナルコンピュータ)で振動子毎の表面エコーを利用して表面形状を演算して同定し、さらにこの同定された表面形状データを利用して内部エコーを受信する振動子毎の試験体内部の任意の点までの超音波の伝播経路を求めて、その伝播経路に応じて各振動子毎に受信したAスコープ波形信号の遅れを修正するように波形の位相をシフトし、波の位相を揃えた状態で重ね合わせる開口合成処理を行うようにしている。そして、開口合成処理により生成された探傷画像をPCのディスプレイに表示させるようにしている(S6)。
図9に示す突合せ溶接と形状不連続部溶接部の形状を模擬した試験体を作製し、溶接熱影響部細粒域を想定した位置にタイプIV損傷を想定した直径1mmの横穴を複数個導入した。ここで、試験体の材質はSUS304である。そして、周波数5MHz、素子数64個、各素子の開口面積0.6mm×10mm、ピッチ0.7mmのフェーズドアレイ探触子を使って水浸探傷を行った。このとき、探傷面が平行であれば屈折角45度で横波が入射する角度を保持できる冶具を探触子に装着した。冶具はアレイ探触子の1chで高さ8mmである。データ取得には三次元開口合成アレイ検査装置(東芝電力システム社製Matrixeye EX(登録商標))を用い、電子走査は送受信に1素子を用いたリニアスキャンとした。Matrixeye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振幅値を内蔵された並列演算回路と4つのA/D変換器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できる。
1)送受信に1素子を用いたリニアスキャンを超音波探傷器で実行して、各振動子毎の表面反射データを取得する(S1)。
2)また、超音波探傷器で1または数素子を用いたリニア電子走査により、試験体内部を探傷し、受信波形を取得する(S2)。ステップ1と2で取得した表面エコーと内部エコーのデータはPCにそれぞれ取り込まれる。
3)取得された表面エコーのデータに基づいて、試験体表面形状の座標をPCでの演算処理で決定する(S3)。
4)そして、ステップ(S3)で決定した表面形状座標から、素子Pから表面Rを通過して試験体内の点Qに達する超音波の伝播経路を決定する(S4)。
5)次いで、ステップ4で算出された超音波の伝播経路に基づいて、試験体の内部の探傷領域の任意の位置に全ての振動子の超音波が集束される遅延時間を計算する(S5’)。ここで、形状変化部に合わせてフェーズドアレイの遅延制御(delay law)を計算する機能を実装したPC用ソフトウェアとしては、例えば米国Zetec社製 UltraVision 3(登録商標)などが知られている。したがって、試験体の表面形状が同定できれば、フェーズドアレイの遅延制御(delay law)は既存のソフトウェアでも容易に計算される。
6)PCの中央演算処理部で算出された各振動子毎の遅延時間を超音波探傷器に入力して、フェーズドアレイ探傷を実施する(S6’)。
7)探傷画像はPCのディスプレイに表示される(S7’)。
Claims (4)
- 表面形状が変化した形状変化部を有する試験体の表面に、前記試験体の表面形状に沿って形態を変化させうる媒質を介してフェーズドアレイを配置し、前記フェーズドアレイの各振動子毎に超音波を試験体に向けて射出させて表面エコーを受信し、各振動子毎に取得された前記試験体の表面からの反射波を検出して各振動子から前記試験体の表面までのビーム路程を求めると共に、各振動子を中心とし各振動子毎に求まるビーム路程を半径とする円を想定し、隣り合う振動子を中心とする前記円の共通外接線を求め、当該共通外接線が求まる区間と求まらない区間とが存在し、前記共通外接線が求まる区間では前記共通外接線上の点を二次補間したものを試験体表面と同定し、前記共通外接線が求まらない区間ではそれら振動子間を形状変化の境界と判断して、各区間で二次補間し得られた曲線を外挿して前記境界における表面形状として同定し、試験体表面形状を求めることを特徴とする形状変化部を有する試験体の表面形状同定方法。
- 表面形状が変化した形状変化部を有する試験体の表面に、前記試験体の表面形状に沿って形態を変化させうる媒質を介して配置されたフェーズドアレイの各振動子毎に超音波を試験体に向けて射出させて表面エコーを受信するステップと、各振動子毎に取得された前記試験体の表面からの反射波を検出して各振動子から前記試験体の表面までのビーム路程を求めるステップと、各振動子を中心とし各振動子毎に求まるビーム路程を半径とする円を想定し、隣り合う振動子を中心とする前記円の共通外接線を求めるステップと、前記共通外接線が求まる区間と求まらない区間とが存在し、前記共通外接線が求まる区間では前記共通外接線上の点を二次補間したものを試験体表面と同定するステップと、前記共通外接線が求まらない区間ではそれら振動子間を形状変化の境界と判断し、各区間で得られた共通外接線上の点を二次補間したものを外挿して前記境界における表面形状として同定するステップとを、コンピュータに実行させて試験体表面形状を求めることを特徴とする形状変化部を有する試験体の表面形状同定プログラム。
- 表面形状が変化した形状変化部を有する試験体の表面に、前記試験体の表面形状に沿って形態を変化させうる媒質を介して配置されたフェーズドアレイの各振動子毎に超音波を試験体に向けて射出させて表面エコーを受信するステップと、各振動子毎に得られた前記試験体の表面からの反射波を検出して各振動子から前記試験体の表面までのビーム路程を求めるステップと、各振動子を中心とし各振動子毎に求まるビーム路程を半径とする円を想定し、隣り合う振動子を中心とする前記円の共通外接線を求めるステップと、前記共通外接線が求まる区間では前記共通外接線上の点を二次補間したものを試験体表面と同定するステップと、前記共通外接線が求まらない区間ではそれら振動子間を形状変化の境界と判断し、各区間で得られた共通外接線上の点を二次補間したものを外挿して作成した曲線を前記境界における表面形状として同定するステップと、同定された前記試験体表面形状を用いて試験体内部の探傷範囲の任意の区画から振動子までの超音波の伝播距離を受信する振動子毎に演算するステップと、各振動子毎の超音波の伝播経路に基づいて各受信素子で受信されるAスコープ波形信号の遅れを修正するように波形の位相をシフトし、波の位相を揃えた状態で重ね合わせる開口合成処理と、位相操作された後の探傷画像をディスプレイに描写させるステップとをコンピュータに実行させる開口合成処理プログラム。
- 表面形状が変化した形状変化部を有する試験体の表面に、前記試験体の表面形状に沿って形態を変化させうる媒質を介して配置されたフェーズドアレイの各振動子毎に超音波を試験体に向けて射出させて表面エコーを受信するステップと、各振動子毎に得られた前記試験体の表面からの反射波を検出して各振動子から前記試験体の表面までのビーム路程を求めるステップと、各振動子を中心とし各振動子毎に求まるビーム路程を半径とする円を想定し、隣り合う振動子を中心とする前記円の共通外接線を求めるステップと、前記共通外接線が求まる区間では前記共通外接線上の点を二次補間したものを試験体表面と同定するステップと、前記共通外接線が求まらない区間ではそれら振動子間を形状変化の境界と判断し、各区間で得られた共通外接線上の点を二次補間したものを外挿して作成した曲線を前記境界における表面形状として同定するステップと、同定された前記試験体表面形状を用いて試験体内部の探傷範囲の任意の区画から全ての振動子までの超音波の伝播距離を演算するステップと、各振動子毎の超音波の伝播経路に基づいて各振動子の遅延時間を算出するステップと、前記遅延時間に基づいて前記振動子を制御してフェーズアレイ探傷を実施するステップと、探傷画像をディスプレイに描写させるステップとを、コンピュータに実行させるフェーズドアレイ探傷プログラム。
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