JP5672725B2

JP5672725B2 - Ｓｈ波の発生方法および超音波計測方法

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Publication number: JP5672725B2
Application number: JP2010053810A
Authority: JP
Inventors: 飯塚　幸理; 幸理飯塚
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP2010237198A

Description

この発明は、被検体の表面近傍に存在する欠陥や、被検体の厚さ、材質などを超音波探傷あるいは超音波計測するのに適したＳＨ波の発生方法および超音波計測方法に関するものである。

従来から、超音波探傷や超音波を利用した非破壊計測では、一般的に縦波や横波、表面波のモードが広く使われている。これらのモードは、圧電型の超音波探触子を利用して、発生検出が容易にできるためである。これら横波や表面波は、縦波振動子から楔を介して被検体に入射させるセンサが用いられ、いずれも面外方向の振動を持つモードである。この場合、横波はＳＶ（Shear Vertical）波である（図１０参照）。このため、被検体の表面あるいは裏面の水滴や表面粗さ、形状変化などで反射、散乱が生じやすいという問題がある。

一方、被検体の表面あるいは裏面の影響を受けにくい特殊な探傷法として、表面ＳＨ波あるいは斜角のＳＨ波のモードを用いる探傷法が知られている。ＳＨ（Shear Horizontal）波は、振動の方向が超音波の進行方向に対して垂直なモードであり、かつ表面に平行な面内振動であるため、被検体の表面あるいは裏面の影響を受けにくい特徴がある（図１１参照、特許文献１参照）。

一般に、モード変換は、図１０および図１１に示すように、従来の楔型探触子１０２，２０２による斜め透過時に起きることが良く知られているが、固体内部においては反射時にも生ずることが知られている（非特許文献１参照）。そして、例えば、特許文献２に記載されているものでは、図１における被検体１の端面１ｃに対応する端面に探触子を配置し、被検体１中に縦波を送波すると、ビームの広がりによって被検体１の側面１ｂに対応する側面に斜めに入射した縦波は、横波にモード変換され、このモード変換を用いて、横波斜角探触子では探傷できない面に位置している欠陥を探傷するようにしている。

ここで、特許文献２は、被検体の内部に超音波を伝搬させるバルク波であるが、被検体の真上から見ていると、被検体１の表面１ａを伝わる波として考えても、振動の向きやモード変換は全く同様である。そして、このモード変換によって生じた横波は面内振動となるから、ＳＨ波となる。従って、被検体の一方の端面１ｃから縦波を送波し、それと直交する側面１ｂに縦波を当ててやれば、モード変換によってＳＨ波が発生できると言える。

特開２００４−１３８３８９号公報特開２００７−３２２３６６号公報

（社）日本非破壊検査協会編「新非破壊検査便覧」 p.286-287（１９９２年）日刊工業新聞社

ところで、ＳＨ波を発生あるいは検出するための上述の方法においては、被検体と探触子との間に剪断応力を伝達できる粘着性の接触媒質を必要とする。このため、探触子を被検体上で動かしながら探傷することができず、また、音響接触が安定するまで時間を要するため、探傷作業能率が低く、特にオンライン探傷などの連続計測に適用することは全く不可能という問題点があった。

なお、ＳＨ波を発生あるいは検出させる他の方法として、電磁超音波センサを用いる方法がある。電磁超音波センサでは磁石とコイルとの向きを自由に決められるため、剪断応力がかかる方向に配置すれば、この方法により、容易にＳＨ波を発生あるいは検出することができる。しかし、電磁超音波センサは非常に感度が低いため、信号が微弱な探傷用途には適用が困難であり、また、計測用途としても、リフトオフ距離を１ｍｍ〜２ｍｍ程度しか離せないため、適用範囲が限られるという問題点があった。

また、表裏面の影響を受けにくい特殊な探傷法として、斜角縦波の一種で縦波の臨界角近傍の屈折角を持つクリーピング波探傷法が知られているが、原理的に伝搬に伴ってＳＶ波へのモード変換が生じるため、数１０ｍｍ程度以上離れると感度低下が著しく、ごく狭い範囲の探傷にしか適用できないという問題点があった。

ここで、鋼板などの鉄鋼製品に、特許文献２に記載された原理をそのまま利用することは困難である。なぜなら、鉄鋼製品は連続的に製造されるものであり、端面は製品の幅方向側しかないからである。また、鉄鋼製品は製造ラインを搬送（移動）されながら製造されるので、側面とは異なる端面（先端部、尾端部などの端面）は移動することになり、超音波計測が困難になり、そのような観点からも鉄鋼の製造ラインで利用することは困難である。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被検体に対して粘着性の接触媒質を用いず、被検体に対して容易に相対移動が可能で、高い変換効率でＳＨ波を発生することができるＳＨ波の発生方法および超音波計測方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるＳＨ波の発生方法は、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させることを特徴とする。

また、この発明にかかるＳＨ波の発生方法は、上記の発明において、前記前記クリーピング波は、前記被検体の側面に対して３５°から８５°の範囲の入射角で斜め入射させるようにしたことを特徴とする。

また、この発明にかかるＳＨ波の発生方法は、上記の発明において、複数の縦波斜角振動子を用い、前記各振動子から側面のモード変換によって得られる前記ＳＨ波が、複数の角度から被検体の所望の１点に集中するように前記各振動子の位置または各振動子の送信の際の遅延時間を定めたことを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波計測方法は、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波を受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波計測方法は、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波のうち前記被検体内の検査対象物に入射し、該検査対象物で該入射した方向に反射した反射ＳＨ波が前記側面に対するＳＶ波として前記被検体の側面に対し斜め入射して反射される際のモード変換によって反射斜角縦波を発生させ、該反射斜角縦波を受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波測定方法は、複数の縦波斜角振動子を用いて、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波のうち前記被検体内の検査対象物に入射し、該検査対象物で該入射した方向とは異なる方向に反射した反射ＳＨ波が前記側面に対するＳＶ波として前記被検体の側面に対し斜め入射して反射される際のモード変換によって反射斜角縦波を発生させ、該反射斜角縦波を前記複数の縦波斜角振動子とは別の複数の縦波斜角振動子にて受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする。

また、この発明にかかる超音波測定方法は、縦波斜角振動子を用いて、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波のうち前記被検体内の検査対象物に入射し、該検査対象物で該入射した方向とは異なる方向に反射した反射ＳＨ波が前記側面に対するＳＶ波として前記被検体の側面に対し斜め入射して反射される際のモード変換によって反射斜角縦波を発生させ、該反射斜角縦波を複数の縦波斜角振動子にて受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする。

この発明によれば、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させるようにし、さらにはこのＳＨ波の発生方法を用いて超音波計測を行うようにし、いずれの場合にも、被検体の側面におけるモード変換を用いるべく、板状部材の被検体の上面から斜角縦波を入射するようにしているので、板状部材の被検体に対して粘着性の接触媒質を用いず、板状部材の被検体に対して容易に相対移動が可能で、高い変換効率でＳＨ波を発生することができき、さらには板状部材の被検体の超音波計測を行うことができる。

図１は、この発明の実施の形態にかかるＳＨ波の発生方法を説明する模式図である。図２は、図１に示した縦波斜角探触子が生成するクリーピング波を示す模式図である。図３は、ＳＨ波探触子によって発生したＳＨ波であって、側面で反射しモード変換された斜角縦波を検出することによってＳＨ波を検出する構成を示す模式図である。図４は、モード変換効率の角度依存性を示した図である。図５は、発生したＳＨ波の計測状態を示す平面図である。図６は、入射角θＬを０°から９０°まで変化させて縦波斜角探触子からクリーピング波を送信した場合における反射角θＳの方向にエコー高さの入射角θＬ依存性の測定結果を示す図である。図７は、図１に示したＳＨ波の発生方法により発生したＳＨ波を用いて被検体の表面に加工した人工欠陥を探傷する構成および結果を示す図である。図８は、ＳＨ波の伝搬時間変化を求める計測を行うための構成を示す図である。図９は、斜角縦波の屈折角を大きくした場合の斜角縦波の伝搬方向を示す図である。図１０は、縦波を被検体に入射してＳＶ波を生成する従来の構成を示す模式図である。図１１は、横波を被検体に入射してＳＨ波を生成する従来の構成を示す模式図である。図１２は、シングル型の縦波斜角探触子を複数備えてアレイ型として用いた実施の形態を示す図である。図１３は、アレイ型縦波斜角探触子を用いた実施の形態を示す図である。図１４は、アレイ型縦波斜角探触子を用い、送受信を別のものを用いて行うようにした実施の形態を示す図である。図１５は、送信に指向角の広いシングル型の縦波斜角探触子を用い、受信にアレイ型縦波斜角探触子を用いるようにした実施の形態を示す図である。

発明者は、クリーピング波を用いた表層部探傷方法の研究を進める内、クリーピング波が面内振動であり、その点においてＳＨ波と似た性質を持つことに気が付き、さらに、縦波と横波とがモード変換によって変換可能であることから、本発明を発想するに至った。

以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態であるＳＨ波の発生方法、ＳＨ波の検出方法、および超音波計測方法について説明する。

図１は、この発明の実施の形態にかかるＳＨ波の発生方法を説明する模式図である。図１において、ＳＨ波を発生させる場合、たとえば厚さ１０ｍｍの板状の炭素鋼などの被検体１の上面である表面１ａ上であって側面１ｂ近傍に、斜角縦波３を発生する縦波斜角探触子２が載置される。縦波斜角探触子２は、楔により発生させるタイプのものであり、楔の角度は、縦波が臨界角近傍となるように決定されている。すなわち、縦波斜角探触子２によって発生する斜角縦波３が臨界角近傍である場合、図２に示すように、斜角縦波３は、表面近傍を伝達するクリーピング波となる。換言すれば、縦波斜角探触子２は、クリーピング波探触子であり、ここでは振動子２ａによって発生した５ＭＨｚの縦波から５ＭＨｚのクリーピング波を発生している。なお、図２に示すように、縦波斜角探触子２により、表面１ａに対して縦波を斜め入射させると、クリーピング波（斜角縦波３）の他に、モード変換された横波１０を被検体１内部に向かって発生する。なお、図１および図２において、太い矢印は、振動方向を示している。

縦波斜角探触子２によって発生したクリーピング波は、被検体１の表面１ａにほぼ平行に伝搬する縦波であるから、被検体１の上面から入射したクリーピング波を被検体１の側面１ｂに斜めに入射させると、クリーピング波は側面１ｂで反射して正反射方向にクリーピング波（斜角縦波４）を生成するとともに、この側面１ｂでモード変換によってＳＨ波５が生ずる。斜め入射におけるモード変換は、入射角θＬによっては非常に高い効率で変換されるため、この現象を利用することで非常に強力なＳＨ波５を発生させることができる。

一方、この側面１ｂでのモード変換の逆過程を考えると、縦波斜角探触子２によってＳＨ波５を検出することができる。すなわち、図３に示すように、ＳＨ波探触子１５によって発生したＳＨ波５あるいは被検体１内で反射したＳＨ波５は、側面１ｂで反射し、モード変換によってクリーピング波（斜角縦波３）を発生し、このクリーピング波を縦波斜角探触子２によって検出することによって、ＳＨ波５を検出することができる。この逆過程の場合も、ＳＨ波５の側面１ｂに対する入射角θＳの値によっては、クリーピング波への変換が非常に高い効率で行われる。

図４は、モード変換効率の角度依存性を示した図である。図４に示すように、縦波（クリーピング波）入射角αが３５°から８５°の範囲で高い効率で横波（ＳＨ波）に変換され、特に縦波入射角が５０°から８０°の範囲でさらに高い効率で横波に変換される。この結果、クリーピング波の側面１ｂに対する入射角α（θＬ）は、上述した角度の範囲とすることが好ましい。一方、横波（ＳＨ波）から縦波（クリーピング波）への変換については、横波入射角α（θＳ）が１８°から３３．２°の範囲で高い効率で縦波に変換され、特に横波入射角αが２３°から３２°の範囲でさらに高い効率で縦波（クリーピング波）に変換される。なお、この値は、縦波と横波との音速によって多少異なってくるので、横波入射角αの範囲は１８°から３５°の範囲とすることが望ましい。

ここで、クリーピング波は、図２に示すように、被検体１に対して通常の水媒体２ｂで発生および検出が可能であるから、粘着性の接触媒質なしに、結果的にＳＨ波を発生および検出することができる。また、クリーピング波は、伝搬に伴って減衰しやすいという欠点を有するが、クリーピング波の送受信点、すなわち縦波斜角探触子２を被検体１の側面１ｂ側に近づけて伝搬距離を短くすれば、減衰を少なくでき、さらに、一旦、ＳＨ波５にモード変換してしまえば、伝搬に伴う減衰の欠点は消失するので、遠方に超音波（ＳＨ波）を伝搬させることができる。

このように、この実施の形態では、端面１ｃから垂直縦波を被検体に入射するかわりに、縦波斜角探触子２を表面１ａ上に載置してクリーピング波を被検体１に入射し、被検体１に対して通常の水媒体２ｂでクリーピング波の発生および検出を可能とし、粘着性の接触媒質なしに、減衰し難いＳＨ波を発生および検出することができるようにしているので、鉄鋼製品などのように連続的に製造される製造ラインであっても、連続的に被検体の探傷あるいは被検体の測定を行うことができる。

ここで、図１に示したＳＨ波の発生方法を用いて具体的に発生したＳＨ波の計測結果について説明する。図５は、発生したＳＨ波の計測状態を示す平面図である。図５に示すように、図１に示した構成に対し、さらに表面ＳＨ波探触子７を表面１ａ上に設けている。表面ＳＨ波探触子７は、ＳＨ波が生じる反射角θＳ方向であって、側面１ｂの反射点から距離１００ｍｍ離隔させている。表面ＳＨ波探触子７は、粘着性の接触媒質で被検体１に接触している。表面ＳＨ波探触子７は、５ＭＨｚの振動信号を受信する。また、縦波斜角探触子２は、側面１ｂの反射点から２０ｍｍ離隔している。

ところで、側面１ｂで、モード変換して発生したＳＨ波の方向は、スネルの法則で決まり、クリーピング波（斜角縦波３）の側面１ｂへの入射角をθＬとし、縦波（斜角縦波）音速をＣＬとし、ＳＨ波５の反射角をθＳとし、横波（ＳＨ波）音速をＣＳすると、次式（１）の関係を有する。すなわち、
（sinθＬ）／ＣＬ＝（sinθＳ）／ＣＳ …（１）
である。

ここで、図６は、入射角θＬを０°から９０°まで変化させて縦波斜角探触子２から斜角縦波３（クリーピング波）を送信し、このときの式（１）により求めた反射角θＳの方向に表面ＳＨ波探触子７を配置した場合におけるエコー高さ（受信強度）の入射角θＬ依存性の測定結果を示す図である。なお、エコー高さとは超音波探傷器に表示されるエコー波形の高さを表示器の縦軸スパンに対して百分率で示したものである。図６に示すように、表面ＳＨ波探触子７によって計測されたエコー高さの入射角θＬ依存性を示す特性曲線Ｌ１は、入射角θＬが７０°近傍で、エコー高さ６０％以上となる強いエコーを受信している。この場合、縦波斜角探触子２は、被検体１に対して水媒体２ｂで接触し、粘着性の接触媒質を用いなくても、クリーピング波を被検体１の側面１ｂに対して斜め入射することで、強力なＳＨ波５を発生できることが確認された。また、距離が離れていてもあまり減衰しないことも確認された。

なお、図６では、参考のため、２つの縦波斜角探触子２を１００ｍｍ離隔して対向させて送受信したときのエコー高さＬ３と、２つの表面ＳＨ波探触子７を１００ｍｍ離隔して対向させて送受信したときのエコー高さＬ２とを示している。ここで、ゲイン設定は、比較のため、表面ＳＨ波探触子７を対向配置させたときのエコー高さが１００％（特性曲線Ｌ３）となるように、設定されており、このときのエコー高さが特性曲線Ｌ１である。また、このゲイン設定で、縦波斜角探触子２を対向配置させた場合、特性曲線Ｌ２で示すように、エコー高さは、１４％程度であり、非常に弱かった。これは、クリーピング波の伝搬に伴うモード変換時によって、一部がＳＶ波となって被検体１内部方向に伝搬していったためである。

つぎに、上述した縦波斜角探触子２を用いて、被検体１の表面１ａに加工した人工欠陥８（φ＝３ｍｍ，深さ＝３ｍｍ）の探傷した結果について説明する。図７に示すように、図１で示した縦波斜角探触子２と同様に、被検体１の表面１ａ上で縦波斜角探触子２を、被検体１上に水媒体２ｂを介して被検体１上に載置する。その後、被検体１を矢印Ａ１で示すように長手方向に移動する。すなわち、縦波斜角探触子２と被検体１とを相対的に移動させる。縦波斜角探触子２から側面１ｂに入射したクリーピング波は、モード変換によって反射角θＳ方向にＳＨ波が発生する。ここで、被検体１を矢印Ａ１方向に移動すると、人工欠陥８も矢印Ａ１方向に移動する。縦波斜角探触子２は、クリーピング波を送信するとともに、受信し、超音波（ＳＨ波）は、人工欠陥８などの空気などによって反射するため、反射ＳＨ波が再び側面１ｂで反射し、モード変換されたクリーピング波が縦波斜角探触子２によって受信される。

図７の左側に示したグラフは、被検体１を矢印Ａ１方向に移動した場合のエコー高さを示している。このグラフによるエコー高さの入射位置依存性から、１２ｍｍ程度の被検体１の移動位置、換言すれば入射位置から１２ｍｍ程度の位置で大きなエコー高さを示し、人工欠陥８の存在を検出することができる。すなわち、ＳＨ波が人工欠陥８に向かう位置関係で最も強いエコー高さを検出することができた。この場合、被検体１の移動距離あるいは探触子の移動距離と、送受信の時間差、特にＳＨ波の送受信時間差とによって、人工欠陥８の位置も特定することができる。なお、ＳＨ波の伝搬経路上に水を垂らしたり、鋼の小片を押し当ててもエコー高さには変化がなく、表面１ａでの外乱に影響されにくいＳＨ波の特徴をもって超音波探傷が可能であることを確認することができた。

つぎに、図１に示した配置構成で、ＳＨ波の伝搬時間変化を求める計測を行った。図８に示すように、２つの表面ＳＨ波探触子７ａ，７ｂをＳＨ波の伝搬方向に前後させて配置した。すなわち、ＳＨ波の伝搬方向に、表面ＳＨ波探触子７ａを側面１ｂの反射点から１００ｍｍ離隔して配置し、さらに同じＳＨ波の伝搬方向に、表面ＳＨ波探触子７ｂを側面１ｂの反射点から１８０ｍｍ離隔して配置した。この結果、表面ＳＨ波探触子７ａ，７ｂ間は、８０ｍｍ離隔して配置されたことになる。

ここで、表面ＳＨ波探触子７ａは、縦波斜角探触子２からの送信信号を、３４．６μｓで受信し、表面ＳＨ波探触子７ｂは、縦波斜角探触子２からの同じ送信信号を５９．６μｓで受信した。この結果、表面ＳＨ波探触子７ａ，７ｂ間の距離８０ｍｍの伝搬時間は、２５μｓとなり、ＳＨ波の音速を求めると、８０ｍｍ/２５μｓ＝３２００ｍ／ｓとなり、超音波の横波の音速に等しいことがわかった。すなわち、縦波斜角探触子２から送信されたクリーピング波が側面１ｂで反射しモード変換された超音波は、横波であり、ＳＨ波であることを確認することができた。逆に、このＳＨ波が発生していることを利用して、上述したように、図７に示した人工欠陥８の位置を、エコーの時間差から、特定することができる。

ところで、この実施の形態では、斜角縦波３が斜め入射であることが必要であるから、ＳＨ波５の方向は、被検体１の側面１ｂに対して直角方向にすることは困難であり、ある角度を持つことになる。この場合であっても、斜角縦波３の入射角θＬに比べてＳＨ波５の反射角θＳは、小さくなるため、比較的側面１ｂに対して浅い角度でＳＨ波を伝搬させることができる。すなわち、ＳＨ波５を側面１ｂに対してほぼ鉛直方向側に向けることができる。逆に、側面１ｂに対する入射角θＬを制御することで、ＳＨ波５の方向を制御することができる。これにより、凹面型の探触子やアレイ型の探触子を用いることにより、ＳＨ波を集束することも可能となる。この集束したＳＨ波を用いることによって、さらに被検体１の探傷を精度高く行うことができる。

つぎに、アレイ型の探触子を用いた実施の形態について説明する。図１２は、シングル型の縦波斜角探触子を複数備えてアレイ型として用いた実施の形態であり、図中２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄがシングル型の縦波斜角探触子である。図では４個としているが数はこれに限らない。

図中８はモード変換によって得られるＳＨ波を集束させる場所を示している。ここで、各シングル型探触子は、側面に対する角度をそれぞれ少しずつ変えており、各探触子の振動子の位置は、それぞれのモード変換ＳＨ波が図中８で重なる位置に合わせている。さらに、各探触子の振動子位置から図中８までの伝搬時間が等しくなるように、ＷＬｉ／縦波音速＋ＷＳｉ／横波音速の値が各探触子で全て一定になるように位置を合わせている。

ここで、集束点の座標を（Ｘｆ、Ｙｆ）、各振動子位置を（Ｘpi、Ｙpi）、各側面の入射位置を（Ｘｉ、Ｙｉ）、各縦波の入射角をθli、各ＳＨ波の入射角（反射角）をθsiとすると、各位置の関係はスネルの法則を考慮し、以下の式（２），（３）で求められる。但し、縦波音速をＣｌ、横波音速をＣｓ、側面のＸ座標は０とする。
Ｙｉ＝Ｙｆ＋Ｘｆ・tan［sin^−１（sin（θli）×Ｃｓ／Ｃｌ）］ …（２）
Ｙpi＝Ｙｉ＋Ｘpi×tan（θｌ） …（３）

各伝搬時間を等しくするには、以下の式（４）を満たすように、振動子の座標を定めれば良い。
√（Ｘｆ^２＋（Ｙｆ−Ｙｉ）²）／Ｃｓ＋√（Ｘpi^２＋（Ｙpi−Ｙｉ）²）／Ｃｌ＝const
…（４）

また、上記では、各振動子の伝搬時間が等しくなるように、各探触子の位置を定めたが、これに限らず、下式（５）に示す伝搬時間ｔｉを求め、各伝搬時間ｔｉの差として遅延時間Δｔｉを求め、それを送信および受信の際にかけて位相を揃えても良い。
ｔｉ＝√（Ｘｆ²＋（Ｙｆ−Ｙｉ）²）／Ｃｓ＋√（Ｘpi²＋（Ｙpi−Ｙｉ）²）／Ｃｌ
…（５）
Δｔｉ＝ｔｉ−min（ｔｉ）ｉ＝１〜Ｎ但し、Ｎは振動子数

以上のような構成により、被検材側面でのモード変換を考慮した位置に探触子を複数配置し、任意位置からの伝搬時間が等しくなるように各振動子位置または各振動子の遅延時間を設定しているので、上記任意位置へＳＨ波を集束させることができる。なお、上述の説明では、振動子から斜角縦波を被検材に入射し、ＳＨ波を集束させることについて述べたが、その逆に任意位置から発せられたＳＨ波を複数の斜角縦波探触子で受信することもできる。

図１３はアレイ型縦波斜角探触子を用いた実施の形態であり、図中２ａは微小な振動子が複数配列されたアレイ型の縦波斜角探触子である。

この例でも先の図１２と同様に、各微小振動子から側面のモード変換で得られるＳＨ波が図中８で重なるようにしている。ここで各振動子の位置は、上記シングル型の探触子と同様に配置しても良いし、リニア型のアレイ探触子として遅延時間をかけるようにしても良い。

ここで、遅延時間は以下の計算により求めることができる。
まず、各振動子の位置（Ｘpi、Ｙpi）と、集束位置（Ｘｆ，Ｙｆ）から、伝搬時間ｔｉは下式（５）を満たす何れかとなるが、フェルマーの原理により、最もこの値が小さくなる時が実際のパスとなるから、ｔｉが最も小さくなる値を求める。すなわち、
ｔｉ＝√（Ｘｆ²＋（Ｙｆ−Ｙｉ）²）／Ｃｓ＋√（Ｘpi²＋（Ｙpi−Ｙｉ）²）／Ｃｌ
…（５）
にて、
ｄｔｉ／ｄＹｉ＝０を与えるＹｉの時の値としてｔｉが定まる。
この時のｔｉを各振動子それぞれについて求めることにより、下式により遅延時間が求められる。
Δｔｉ＝ｔｉ−min（ｔｉ）ｉ＝１〜Ｎ但し、Ｎは振動子数

図１４はアレイ型縦波斜角探触子を用い、送受信を別のものを用いて行うようにした実施の形態である。図中２ａは送信用のアレイ型縦波斜角探触子、２ｂは受信用のアレイ型縦波斜角探触子である。この実施の形態では、図中８ａに欠陥があることを想定している。薄板の内部欠陥では、欠陥は圧延の長手方向に伸ばされていることが多く、反射波は図中の上から下へ向かうので、受信用の探触子は左上から入射する斜角縦波を受信するように配置している。このような構成により、微小な欠陥の反射波を検出できるようになった。

さらに、図１４の実施の形態では、アレイ探触子を用いて任意の位置にビームを集束させることができるので、点線の超音波パスに示されるように、図中８ｂのように８ａとは異なる位置にも集束させることができる。

図１５の実施の形態では、送信に指向角の広いシングル型の縦波斜角探触子を用い、受信にアレイ型縦波斜角探触子を用いるようにしている。この構成では、１回の送信で被検材の幅方向の広い領域にＳＨ波を送信することができ、一方、一旦受信を行えば、集束位置を変えることは遅延時間を変化させて計算だけで行うことができるので、集束位置を変えるたびに送信する必要がなくなり、高速に探傷を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、縦波斜角探触子２から出力される斜角縦波の屈折角がほぼ９０°であるクリーピング波を用いるようにしていたが、このクリーピング波に限らず、斜角縦波であればよい。クリーピング波のように、縦波斜角探触子２からの被検体１への屈折角が９０°近傍であれば、側面１ｂでモード変換されるＳＨ波は、表面ＳＨ波となるが、図９に示すように、縦波斜角探触子２の入射角度をさらに小さくすると、屈折角は小さくなり、斜角縦波１３に示すように、被検体１内の深い方向に向かう屈折角をもち、側面１ｂで反射しモード変換されたＳＨ波も、被検体１内の深い方向に向かう斜角ＳＨ波を発生することができる。このような斜角ＳＨ波を用いることによって、被検体１内の探傷も行うことができる。すなわち、縦波斜角探触子２の屈折角を適宜設定することにより、側面１ｂでモード変換されるＳＨ波の屈折角を制御することができる。

さらに、被検体１が薄い場合、発生するＳＨ波はガイド波となり、上述した斜角縦波の屈折角を制御することによって、ＳＨ０やＳＨ１などのガイド波としてのＳＨ波モードを制御することができる。

なお、上述した縦波斜角探触子２による斜角縦波３の発生あるいは検出は、楔により発生させるタイプのものに限らず、水浸型の探触子を斜めに傾けて水浸法により発生あるいは検出する方法でも良く、さらには圧電探触子を用いることに限らず、たとえば、レーザー超音波法や電磁超音波法を用いて斜角縦波を発生あるいは検出するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、斜角縦波を被検体の上面側から側面に対して斜めに照射し、前記斜角縦波が前記被検体の側面に対して斜め入射した際のモード変換によってＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波のうち前記被検体内で反射した反射ＳＨ波が前記被検体の側面に対し斜め入射した際のモード変換によって反射斜角縦波を発生させ、該反射斜角縦波を受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行い、あるいは、斜角縦波を被検体の上面側から側面に対して斜めに照射し、前記斜角縦波が前記被検体の側面に対して斜め入射した際のモード変換によってＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波を受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うようにしているが、これに限らず、ＳＨ波を被検体の上面側から側面に対して斜めに照射し、前記ＳＨ波が前記被検体の側面に対し斜め入射した際のモード変換によって斜角縦波を発生させ、前記斜角縦波を受信することによって前記ＳＨ波を検出して前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うようにしてもよい。

１被検体
１ａ表面
１ｂ側面
１ｃ端面
２縦波斜角探触子
２ａ振動子
２ｂ水媒体
３，４斜角縦波
５ＳＨ波
７表面ＳＨ波探触子
８人工欠陥
１５ＳＨ波探触子

Claims

斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させることを特徴とするＳＨ波の発生方法。
前記クリーピング波は、前記被検体の側面に対して３５°から８５°の範囲の入射角で斜め入射させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のＳＨ波の発生方法。
複数の縦波斜角振動子を用い、前記各振動子から側面のモード変換によって得られる前記ＳＨ波が、複数の角度から被検体の所望の１点に集中するように前記各振動子の位置または各振動子の送信の際の遅延時間を定めたことを特徴とする請求項１または２に記載のＳＨ波の発生方法。
斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波を受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする超音波計測方法。
斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波のうち前記被検体内の検査対象物に入射し、該検査対象物で該入射した方向に反射した反射ＳＨ波が前記側面に対するＳＶ波として前記被検体の側面に対し斜め入射して反射される際のモード変換によって反射斜角縦波を発生させ、該反射斜角縦波を受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする超音波計測方法。
複数の縦波斜角振動子を用いて、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波のうち前記被検体内の検査対象物に入射し、該検査対象物で該入射した方向とは異なる方向に反射した反射ＳＨ波が前記側面に対するＳＶ波として前記被検体の側面に対し斜め入射して反射される際のモード変換によって反射斜角縦波を発生させ、該反射斜角縦波を前記複数の縦波斜角振動子とは別の複数の縦波斜角振動子にて受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする超音波計測方法。
縦波斜角振動子を用いて、斜角縦波を、板状部材の被検体の上面および側面に垂直な面に対して斜めであって、かつ、前記上面に対する斜角縦波の屈折角がクリーピング波を発生する角度となるように前記上面に対して斜め入射し、前記クリーピング波が前記被検体の側面に対して斜め入射して反射される際のモード変換によって前記上面に対するＳＨ波を発生させ、該発生したＳＨ波のうち前記被検体内の検査対象物に入射し、該検査対象物で該入射した方向とは異なる方向に反射した反射ＳＨ波が前記側面に対するＳＶ波として前記被検体の側面に対し斜め入射して反射される際のモード変換によって反射斜角縦波を発生させ、該反射斜角縦波を複数の縦波斜角振動子にて受信することによって前記被検体内の探傷あるいは前記被検体の超音波計測を行うことを特徴とする超音波計測方法。