JP7207205B2 - 断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、鋼管や丸棒鋼などの金属材料から形成された断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率を、被評価材の全長・全数について精度良く評価可能な方法に関する。
金属材料から形成された被評価材中に、部分的に粒径の大きな（粒度番号の小さな）金属組織の結晶粒が存在する混粒が生じると、靱性等の機械的特性が低下したり、選択的に腐食することによって耐食性が低下する場合がある。また、金属材料が耐熱鋼の場合、混粒の比率（混粒率）が大きいと、不均一なクリープ変形が生じて、クリープ破断延性及びクリープ疲労特性が低下し、目標とするクリープ破断絞りを確保できない。
このため、金属材料から形成された被評価材の品質評価・品質保証として、被評価材中の金属組織の平均結晶粒度（又は平均結晶粒径）だけではなく、混粒の有無や混粒率を評価することが重要である。
従来、混粒の評価は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定されているように、被評価材を切断し、その切断面の金属組織を顕微鏡で撮像した断面画像に基づき行われていた。
なお、「混粒」とは、１視野内において、最大頻度をもつ粒度番号の粒からおおむね３以上異なった粒度番号の粒が偏在し、これらの粒が約２０％以上の面積を占める状態にあるものをいうのが一般的である。ただし、本明細書では、最大頻度をもつ粒度番号の粒からおおむね３以上異なった粒度番号（３以上小さな粒度番号）の粒（粗粒）が予め定めた割合（例えば、数％）以上の面積を占める状態にあるものを「混粒」と定義している。
また、本明細書における「混粒率」とは、最大頻度をもつ粒度番号の粒からおおむね３以上異なった粒度番号（３以上小さな粒度番号）の粒（粗粒）が占める面積率を意味する。
従来、混粒の評価は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定されているように、被評価材を切断し、その切断面の金属組織を顕微鏡で撮像した断面画像に基づき行われていた。
なお、「混粒」とは、１視野内において、最大頻度をもつ粒度番号の粒からおおむね３以上異なった粒度番号の粒が偏在し、これらの粒が約２０％以上の面積を占める状態にあるものをいうのが一般的である。ただし、本明細書では、最大頻度をもつ粒度番号の粒からおおむね３以上異なった粒度番号（３以上小さな粒度番号）の粒（粗粒）が予め定めた割合（例えば、数％）以上の面積を占める状態にあるものを「混粒」と定義している。
また、本明細書における「混粒率」とは、最大頻度をもつ粒度番号の粒からおおむね３以上異なった粒度番号（３以上小さな粒度番号）の粒（粗粒）が占める面積率を意味する。
しかしながら、上記の評価方法では、被評価材を切断する必要があるため、被評価材の全長について評価できないという問題がある。また、被評価材の端部を切断すれば、全数の評価は可能であるものの、非常に手間を要するという問題がある。
被評価材の結晶粒に関する全長・全数の評価を可能にする方法として、例えば、特許文献１に記載の超音波を用いた方法が提案されている。
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、平均結晶粒径を測定する方法であるため、混粒率を適切に評価できないという問題がある。
しかしながら、特許文献１に記載の方法は、平均結晶粒径を測定する方法であるため、混粒率を適切に評価できないという問題がある。
本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、金属材料から形成された被評価材の結晶粒の混粒率を、被評価材の全長・全数について精度良く評価可能な方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明者らは、特許文献１と同様に、超音波を用いる方法を検討した。
一般的に、被評価材の結晶粒の粒径が大きくなると、被評価材中を伝搬する超音波の減衰が大きくなることが知られている。具体的には、被評価材が混粒材（混粒が生じている被評価材）である場合、超音波の伝搬経路中に存在する粗粒での散乱減衰により、底面エコー（超音波の入射面と反対側の面で反射したエコー）の強度が低下することが知られている。
したがい、超音波探触子で底面エコーを検出して得られる底面エコー信号を周波数解析することで算出される周波数スペクトルを用いて混粒率を評価することが考えられる。
一般的に、被評価材の結晶粒の粒径が大きくなると、被評価材中を伝搬する超音波の減衰が大きくなることが知られている。具体的には、被評価材が混粒材（混粒が生じている被評価材）である場合、超音波の伝搬経路中に存在する粗粒での散乱減衰により、底面エコー（超音波の入射面と反対側の面で反射したエコー）の強度が低下することが知られている。
したがい、超音波探触子で底面エコーを検出して得られる底面エコー信号を周波数解析することで算出される周波数スペクトルを用いて混粒率を評価することが考えられる。
上記の着眼に基づき、本発明者らは鋭意検討を行った。具体的には、超音波探触子から被評価材の略中心に向けて超音波を送信し、超音波探触子が表面エコー（超音波の入射面で反射したエコー）を受信してから最初に受信する底面エコー（第１底面エコー）を受信することで超音波探触子から出力される第１底面エコー信号を周波数解析して第１底面エコー信号の周波数スペクトルを算出した。また、超音波探触子が表面エコーを受信してから２回目に受信する底面エコー（第２底面エコー）を受信することで超音波探触子から出力される第２底面エコー信号を周波数解析して第２底面エコー信号の周波数スペクトルを算出した。そして、これら第１底面エコー信号の周波数スペクトル及び第２底面エコー信号の周波数スペクトルを用いることを検討した。この結果、本発明者らは、第１底面エコー信号の周波数スペクトルと第２底面エコー信号の周波数スペクトルとの比である周波数スペクトル比を算出した場合、この周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量と、被評価材の結晶粒の混粒率とが、比較的良好な相関関係を有することを見出した。
なお、底面エコーの強度は、結晶粒による散乱減衰に加え、被評価材の表面状態による伝達損失の影響も受けて変化する。被評価材の表面状態による伝達損失としては、例えば、被評価材が管である場合のストレートナーマーク（管の矯正時に管の表面に発生する螺旋状の凹部）による伝達損失が挙げられる。しかしながら、上記のように、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量を用いれば、超音波の入射面での伝達損失の影響を低減できることも分かった。
なお、底面エコーの強度は、結晶粒による散乱減衰に加え、被評価材の表面状態による伝達損失の影響も受けて変化する。被評価材の表面状態による伝達損失としては、例えば、被評価材が管である場合のストレートナーマーク（管の矯正時に管の表面に発生する螺旋状の凹部）による伝達損失が挙げられる。しかしながら、上記のように、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量を用いれば、超音波の入射面での伝達損失の影響を低減できることも分かった。
ここで、被評価材の全長・全数について混粒率を評価するには、被評価材の周方向及び長手方向に沿って、超音波探触子を相対的に移動させる必要がある。具体的には、超音波探触子を被評価材の周方向に沿って移動（回転）させると共に被評価材を長手方向に搬送するか、或いは、被評価材を周方向に回転させると共に超音波探触子を被評価材の長手方向に沿って移動させる必要がある。また、これらの代わりに、超音波探触子の位置を固定し、被評価材を周方向に回転させると共に長手方向に搬送する（スパイラル搬送する）か、或いは、被評価材の位置を固定し、超音波探触子を被評価材の周方向に沿って移動（回転）させると共に被評価材の長手方向に沿って移動させる（スパイラル移動させる）必要がある。
しかしながら、超音波探触子を被評価材の周方向に沿って回転させる場合、被評価材を搬送する機構や超音波探触子を回転させる機構の位置決め精度や、被評価材の曲がり等の影響により、被評価材の中心と超音波探触子の回転中心との間に位置ずれ（偏心）が生じる場合がある。同様に、被評価材を周方向に回転させる場合も、被評価材の中心と被評価材の回転中心との間に位置ずれ（偏心）が生じる場合がある。被評価材をスパイラル搬送する場合や、超音波探触子をスパイラル移動させる場合も同様である。
しかしながら、超音波探触子を被評価材の周方向に沿って回転させる場合、被評価材を搬送する機構や超音波探触子を回転させる機構の位置決め精度や、被評価材の曲がり等の影響により、被評価材の中心と超音波探触子の回転中心との間に位置ずれ（偏心）が生じる場合がある。同様に、被評価材を周方向に回転させる場合も、被評価材の中心と被評価材の回転中心との間に位置ずれ（偏心）が生じる場合がある。被評価材をスパイラル搬送する場合や、超音波探触子をスパイラル移動させる場合も同様である。
上記の偏心が生じると、超音波が入射する被評価材の周方向位置に応じて、超音波が被評価材に入射するまでの伝搬距離（水距離）や超音波の入射角が変動することになる。本発明者らが検討した結果によれば、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量と被評価材の結晶粒の混粒率との相関関係は、水距離の変動よりも超音波の入射角の変動に大きく影響されることが分かった。超音波の入射角が変動すると、第１底面エコー及び第２底面エコーの反射位置や反射方向が変動するからだと考えられる。そして、被評価材への超音波の入射角は、被評価材の中心と超音波探触子から送信した超音波の中心軸（超音波ビームの中心）との離間距離の変動に応じて変動する。
したがい、本発明者らは、被評価材の全長・全数について混粒率を精度良く評価するには、超音波が入射する被評価材の周方向位置に応じて変動する、被評価材の中心と超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離毎に、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量と被評価材の結晶粒の混粒率との相関関係を予め取得しておくことを考えた。そして、被評価材と超音波探触子との相対移動中に、超音波探触子から被評価材に超音波を逐次入射させたときの被評価材の中心と超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離を逐次算出し、この算出した離間距離に応じた相関関係を選択して、選択した相関関係と特徴量の大きさとに基づき、被評価材の混粒率を評価すれば、偏心が生じている場合であっても、混粒率を精度良く評価できることに想到し、本発明を完成した。
したがい、本発明者らは、被評価材の全長・全数について混粒率を精度良く評価するには、超音波が入射する被評価材の周方向位置に応じて変動する、被評価材の中心と超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離毎に、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量と被評価材の結晶粒の混粒率との相関関係を予め取得しておくことを考えた。そして、被評価材と超音波探触子との相対移動中に、超音波探触子から被評価材に超音波を逐次入射させたときの被評価材の中心と超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離を逐次算出し、この算出した離間距離に応じた相関関係を選択して、選択した相関関係と特徴量の大きさとに基づき、被評価材の混粒率を評価すれば、偏心が生じている場合であっても、混粒率を精度良く評価できることに想到し、本発明を完成した。
すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、金属材料から形成された断面略円形の被評価材の周方向及び長手方向に沿って、前記被評価材の略中心に向けて超音波を送信する超音波探触子を相対的に移動させながら、前記被評価材の結晶粒の混粒率を評価する方法であって、以下の各工程を含むことを特徴とする断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法を提供する。
（１）底面エコー信号取得工程：前記被評価材と前記超音波探触子との相対移動中に、前記超音波探触子から前記被評価材に超音波を逐次入射させ、前記超音波探触子で第１底面エコー及び第２底面エコーを検出して、第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号を取得する。
（２）周波数スペクトル算出工程：前記第１底面エコー信号を周波数解析することで第１底面エコー信号の周波数スペクトルを算出すると共に、前記第２底面エコー信号を周波数解析することで第２底面エコー信号の周波数スペクトルを算出する。
（３）周波数スペクトル比算出工程：前記第１底面エコー信号の周波数スペクトルと、前記第２底面エコー信号の周波数スペクトルとの比である周波数スペクトル比を算出する。
（４）特徴量算出工程：前記周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量を算出する。
（５）離間距離算出工程：前記底面エコー信号取得工程における前記被評価材と前記超音波探触子との相対移動中に前記超音波探触子から前記被評価材に超音波を逐次入射させたときの前記被評価材の中心と前記超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離を逐次算出する。
（６）混粒率評価工程：前記離間距離毎に予め取得した前記特徴量と前記混粒率との相関関係のうち、前記離間距離算出工程で逐次算出した前記離間距離に応じた相関関係を選択して、前記選択した相関関係と前記特徴量の大きさとに基づき、前記被評価材の混粒率を評価する。
（１）底面エコー信号取得工程：前記被評価材と前記超音波探触子との相対移動中に、前記超音波探触子から前記被評価材に超音波を逐次入射させ、前記超音波探触子で第１底面エコー及び第２底面エコーを検出して、第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号を取得する。
（２）周波数スペクトル算出工程：前記第１底面エコー信号を周波数解析することで第１底面エコー信号の周波数スペクトルを算出すると共に、前記第２底面エコー信号を周波数解析することで第２底面エコー信号の周波数スペクトルを算出する。
（３）周波数スペクトル比算出工程：前記第１底面エコー信号の周波数スペクトルと、前記第２底面エコー信号の周波数スペクトルとの比である周波数スペクトル比を算出する。
（４）特徴量算出工程：前記周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量を算出する。
（５）離間距離算出工程：前記底面エコー信号取得工程における前記被評価材と前記超音波探触子との相対移動中に前記超音波探触子から前記被評価材に超音波を逐次入射させたときの前記被評価材の中心と前記超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離を逐次算出する。
（６）混粒率評価工程：前記離間距離毎に予め取得した前記特徴量と前記混粒率との相関関係のうち、前記離間距離算出工程で逐次算出した前記離間距離に応じた相関関係を選択して、前記選択した相関関係と前記特徴量の大きさとに基づき、前記被評価材の混粒率を評価する。
本発明に係る混粒率評価方法によれば、超音波探触子を被評価材の周方向及び長手方向に沿って相対的に移動させることで、被評価材の全長・全数の評価が可能であり、被評価材を切断する必要がない。なお、被評価材の端部近傍には、超音波を用いた評価において原理的に発生する未評価領域が存在する。本明細書に記載の「被評価材の全長」は、このような超音波を用いた評価において不可避的に発生する未評価領域は除く意味である。
また、本発明に係る混粒率評価方法によれば、底面エコー信号取得工程、周波数スペクトル算出工程、周波数スペクトル比算出工程及び特徴量算出工程を実行することで、第１底面エコー信号の周波数スペクトルと第２底面エコー信号の周波数スペクトルとの比である周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量が算出される。前述のように、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量と、被評価材の結晶粒の混粒率とは、比較的良好な相関関係を有し、超音波の入射面での伝達損失の影響も低減可能である。
さらに、本発明に係る混粒率評価方法によれば、離間距離算出工程において、被評価材と超音波探触子との相対移動中に超音波探触子から被評価材に超音波を逐次入射させたときの被評価材の中心と超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離を逐次算出し、混粒率評価工程において、離間距離算出工程で逐次算出した離間距離に応じた相関関係を選択して、選択した相関関係と特徴量の大きさとに基づき、被評価材の結晶粒の混粒率を評価するため、偏心が生じている場合であっても、被評価材の結晶粒の混粒率を精度良く評価することが可能である。
したがい、本発明に係る混粒率評価方法によれば、金属材料から形成された被評価材の結晶粒の混粒率を、被評価材の全長・全数について精度良く評価可能である。
なお、本発明に係る混粒率評価方法において、「混粒率を評価する」とは、特徴量と一対一対応の混粒率の値を算出する場合に限らず、混粒率が所定値以上の値であると算出する場合も含む概念である。
また、本発明に係る混粒率評価方法によれば、底面エコー信号取得工程、周波数スペクトル算出工程、周波数スペクトル比算出工程及び特徴量算出工程を実行することで、第１底面エコー信号の周波数スペクトルと第２底面エコー信号の周波数スペクトルとの比である周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量が算出される。前述のように、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量と、被評価材の結晶粒の混粒率とは、比較的良好な相関関係を有し、超音波の入射面での伝達損失の影響も低減可能である。
さらに、本発明に係る混粒率評価方法によれば、離間距離算出工程において、被評価材と超音波探触子との相対移動中に超音波探触子から被評価材に超音波を逐次入射させたときの被評価材の中心と超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離を逐次算出し、混粒率評価工程において、離間距離算出工程で逐次算出した離間距離に応じた相関関係を選択して、選択した相関関係と特徴量の大きさとに基づき、被評価材の結晶粒の混粒率を評価するため、偏心が生じている場合であっても、被評価材の結晶粒の混粒率を精度良く評価することが可能である。
したがい、本発明に係る混粒率評価方法によれば、金属材料から形成された被評価材の結晶粒の混粒率を、被評価材の全長・全数について精度良く評価可能である。
なお、本発明に係る混粒率評価方法において、「混粒率を評価する」とは、特徴量と一対一対応の混粒率の値を算出する場合に限らず、混粒率が所定値以上の値であると算出する場合も含む概念である。
具体的には、本発明に係る混粒率評価方法の底面エコー信号取得工程では、例えば、時間幅が互いに同一に設定された各ゲート（エコー信号を検出するためのゲート）によって第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号が取得される。これにより、取得された第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号をＡ／Ｄ変換した場合、横軸が時間についての同じ数のサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の信号強度で表わされる第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号の信号波形（デジタル信号波形）が得られることになる。
また、本発明に係る混粒率評価方法の周波数スペクトル算出工程では、例えば、第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号の信号波形に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すことで、横軸が周波数についての同じ数のサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度（スペクトル強度）で表される第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号の周波数スペクトルが算出されることになる。
また、本発明に係る混粒率評価方法の周波数スペクトル比算出工程では、例えば、第１底面エコー信号の周波数スペクトルを構成する各サンプリング点の強度を、第２底面エコー信号の周波数スペクトルを構成し、第１底面エコー信号の周波数スペクトルを構成する各サンプリング点に対応する各サンプリング点の強度で除算することで、横軸が周波数についてのサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度の比（第１底面エコー信号のスペクトル強度／第２底面エコー信号のスペクトル強度）で表される周波数スペクトル比が算出されることになる。
さらに、本発明に係る混粒率評価方法の特徴量算出工程では、例えば、周波数スペクトル比の横軸に表された全周波数帯域のうち、被評価材の結晶粒の混粒率と比較的良好な相関関係を有し、超音波の入射面での伝達損失の影響を低減できる一部の周波数帯域の特徴量が算出されることになる。
また、本発明に係る混粒率評価方法の周波数スペクトル算出工程では、例えば、第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号の信号波形に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すことで、横軸が周波数についての同じ数のサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度（スペクトル強度）で表される第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号の周波数スペクトルが算出されることになる。
また、本発明に係る混粒率評価方法の周波数スペクトル比算出工程では、例えば、第１底面エコー信号の周波数スペクトルを構成する各サンプリング点の強度を、第２底面エコー信号の周波数スペクトルを構成し、第１底面エコー信号の周波数スペクトルを構成する各サンプリング点に対応する各サンプリング点の強度で除算することで、横軸が周波数についてのサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度の比（第１底面エコー信号のスペクトル強度／第２底面エコー信号のスペクトル強度）で表される周波数スペクトル比が算出されることになる。
さらに、本発明に係る混粒率評価方法の特徴量算出工程では、例えば、周波数スペクトル比の横軸に表された全周波数帯域のうち、被評価材の結晶粒の混粒率と比較的良好な相関関係を有し、超音波の入射面での伝達損失の影響を低減できる一部の周波数帯域の特徴量が算出されることになる。
好ましくは、前記離間距離算出工程において、前記超音波探触子でエコーを検出して取得したエコー信号の伝搬時間の変動に基づき、前記離間距離を算出する。
上記の好ましい構成によれば、超音波探触子でエコー（例えば、表面エコー）を検出して取得したエコー信号（例えば、表面エコー信号）の伝搬時間の変動に基づき離間距離を算出するため、離間距離を算出するための超音波探触子以外の他のセンサ等が不要であり、装置構成を簡略化でき、コストを削減可能である。
ただし、本発明は、これに限るものではなく、例えば、超音波探触子に並置した距離計（レーザ距離計等）によって被評価材までの距離の変動を測定し、これにより離間距離を算出することも可能である。
ただし、本発明は、これに限るものではなく、例えば、超音波探触子に並置した距離計（レーザ距離計等）によって被評価材までの距離の変動を測定し、これにより離間距離を算出することも可能である。
好ましくは、前記特徴量は、前記周波数スペクトル比における前記所定の周波数帯域の強度積分値、又は、前記周波数スペクトル比における前記所定の周波数帯域のピーク強度である。
本発明者らの知見によれば、周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の強度積分値やピーク強度は、被評価材の結晶粒の混粒率と良好な相関関係（正の相関関係）を有するため、これらを特徴量として用いることで、被評価材の結晶粒の混粒率を精度良く評価可能である。
好ましくは、本発明に係る混粒率評価方法は、前記被評価材と同種の金属材料から形成され、結晶粒の混粒率が異なる複数のサンプル材に対して、前記離間距離を変更して、前記底面エコー信号取得工程、前記周波数スペクトル算出工程、前記周波数スペクトル比算出工程及び前記特徴量算出工程を実行することで、前記複数のサンプル材についての前記特徴量を前記離間距離毎に算出する第１準備工程と、前記複数のサンプル材において、前記超音波探触子から入射した超音波が伝搬する部位の断面画像を撮像し、該断面画像に基づき、前記複数のサンプル材の結晶粒の混粒率を算出する第２準備工程と、前記第１準備工程で算出した前記複数のサンプル材についての前記離間距離毎の前記特徴量と、前記第２準備工程で算出した前記複数のサンプル材の結晶粒の混粒率とに基づき、前記特徴量と前記混粒率との相関関係を前記離間距離毎に算出する第３準備工程と、を更に含む。
上記の好ましい方法によれば、第１準備工程～第３準備工程を実行することで、特徴量と混粒率との相関関係が離間距離毎に算出される。このため、これらの相関関係のうち、離間距離算出工程で逐次算出した離間距離に応じた相関関係を選択して用いれば、被評価材について実行する混粒率評価工程において、混粒率の値を精度良く算出することが可能である。
なお、上記の好ましい方法において、「混粒率が異なる複数のサンプル材」とは、以下の（ａ）～（ｃ）の何れの場合をも含む概念である。
（ａ）実際にサンプル材が複数個あって、各サンプル材の混粒率が異なる場合。
（ｂ）サンプル材は１個であるが、この１個のサンプル材中に混粒率の異なる領域が複数存在する場合。
（ｃ）上記（ａ）の場合と上記（ｂ）の場合とが組み合わさっている場合。
また、上記の好ましい方法の第２準備工程において、「断面画像に基づき、・・・（中略）・・・混粒率を算出する」とは、従来（ＪＩＳ Ｇ ０５５１等）と同様に、断面画像を検査員が目視して算出する場合の他、断面画像に２値化等の画像処理を施すことで、混粒率を自動的に算出する場合を含む概念である。
なお、上記の好ましい方法において、「混粒率が異なる複数のサンプル材」とは、以下の（ａ）～（ｃ）の何れの場合をも含む概念である。
（ａ）実際にサンプル材が複数個あって、各サンプル材の混粒率が異なる場合。
（ｂ）サンプル材は１個であるが、この１個のサンプル材中に混粒率の異なる領域が複数存在する場合。
（ｃ）上記（ａ）の場合と上記（ｂ）の場合とが組み合わさっている場合。
また、上記の好ましい方法の第２準備工程において、「断面画像に基づき、・・・（中略）・・・混粒率を算出する」とは、従来（ＪＩＳ Ｇ ０５５１等）と同様に、断面画像を検査員が目視して算出する場合の他、断面画像に２値化等の画像処理を施すことで、混粒率を自動的に算出する場合を含む概念である。
本発明に係る断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法によれば、金属材料から形成された被評価材の結晶粒の混粒率を、被評価材の全長・全数について精度良く評価可能である。
以下、添付図面を適宜参照しつつ、本発明の一実施形態に係る断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法（以下、適宜、単に「混粒率評価方法」という）について、被評価材が鋼管である場合を例に挙げて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る混粒率評価方法を実施するための装置の概略構成を示す模式図（水平方向に配置された鋼管Ｔの長手方向（Ｙ方向）から見た図）である。
図１に示すように、本実施形態に係る混粒率評価方法を実施するための評価装置１００は、超音波探触子１と、超音波探触子１に接続された制御・信号処理手段２とを備えている。また、評価装置１００は、超音波探触子１を被評価材である鋼管Ｔの周方向及び長手方向に沿って相対的に移動させるための機構部（図示せず）も備えている。
図１に示すように、本実施形態に係る混粒率評価方法を実施するための評価装置１００は、超音波探触子１と、超音波探触子１に接続された制御・信号処理手段２とを備えている。また、評価装置１００は、超音波探触子１を被評価材である鋼管Ｔの周方向及び長手方向に沿って相対的に移動させるための機構部（図示せず）も備えている。
超音波探触子１は、鋼管Ｔの略中心Ｏに向けて超音波Ｕを送信するように、鋼管Ｔの外面に対向配置されている。図１に示す状態では、超音波探触子１は、鋼管Ｔに対して鉛直方向（Ｚ方向）上方に位置している。本実施形態の超音波探触子１としては、例えば、単一の振動子を具備し、発振周波数が１０ＭＨｚ（送信波の中心周波数が１０ＭＨｚで周波数範囲が５～１５ＭＨｚ）の垂直探触子が用いられる。
ただし、本発明で用いることのできる超音波探触子１はこれに限るものではない。本発明者らの知見によれば、粒径の大きな結晶粒を検出するには低周波数帯域の超音波を使用し、粒径の小さな結晶粒を検出するには高周波数帯域の超音波を用いることが好ましい。この観点より、例えば、最大頻度をもつ粒（細粒）の粒径が３０μｍ程度であり、混粒を評価したい粒（粗粒）の粒径が１００～２００μｍ程度である場合には、発振周波数が１０～１５ＭＨｚ（送信波の中心周波数が１０～１５ＭＨｚ）の超音波探触子を用いることが好ましい。
ただし、本発明で用いることのできる超音波探触子１はこれに限るものではない。本発明者らの知見によれば、粒径の大きな結晶粒を検出するには低周波数帯域の超音波を使用し、粒径の小さな結晶粒を検出するには高周波数帯域の超音波を用いることが好ましい。この観点より、例えば、最大頻度をもつ粒（細粒）の粒径が３０μｍ程度であり、混粒を評価したい粒（粗粒）の粒径が１００～２００μｍ程度である場合には、発振周波数が１０～１５ＭＨｚ（送信波の中心周波数が１０～１５ＭＨｚ）の超音波探触子を用いることが好ましい。
制御・信号処理手段２は、超音波探触子１から超音波を送信させるためのパルス信号を供給するパルサーや、エコーを受信した超音波探触子１から出力されるエコー信号を増幅するレシーバや、レシーバで増幅されたエコー信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器など、超音波の送受信を制御する機能を果たす部分を有する。また、制御・信号処理手段２は、後述のように、Ａ／Ｄ変換されたエコー信号に基づき周波数スペクトルを算出したり、周波数スペクトル比を算出したり、特徴量を算出したり、離間距離を算出したり、混粒率を評価するなど、各種の信号処理を実行する機能を果たす部分を備えている。
具体的には、制御・信号処理手段２は、例えば、超音波の送受信を制御する機能を果たす部分として、超音波探傷や超音波検査で用いられる従来公知の探傷器を用い、各種の信号処理を実行する機能を果たす部分として、探傷器に電気的に接続され、信号処理を実行するための所定のプログラムがインストールされたコンピュータを用いた構成とされる。
具体的には、制御・信号処理手段２は、例えば、超音波の送受信を制御する機能を果たす部分として、超音波探傷や超音波検査で用いられる従来公知の探傷器を用い、各種の信号処理を実行する機能を果たす部分として、探傷器に電気的に接続され、信号処理を実行するための所定のプログラムがインストールされたコンピュータを用いた構成とされる。
機構部としては、超音波探触子１を鋼管Ｔの周方向に沿って（図１に示すＹ方向周りの矢符ＡＲの方向に）移動（回転）させる機構と、鋼管Ｔを長手方向に搬送する機構とを備えたものを例示できる。本明細書では、主として、これらの機構を備えた機構部を用いる場合を例に挙げて説明する。ただし、本発明は、これに限るものではなく、鋼管Ｔを周方向に回転させる機構と、超音波探触子１を鋼管Ｔの長手方向に沿って移動させる機構とを備えたものを採用することも可能である。
以上に説明した構成を有する評価装置１００を用いて、本実施形態に係る混粒率評価方法は実施される。
図２は、本実施形態に係る混粒率評価方法に含まれる各工程を示すフロー図である。
図２に示すように、本実施形態に係る混粒率評価方法は、底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３、特徴量算出工程Ｓ４、離間距離算出工程Ｓ５及び混粒率評価工程Ｓ６を含んでいる。また、本実施形態に係る混粒率評価方法は、好ましい方法として、準備工程Ｓ０を含んでいる。以下、底面エコー信号取得工程Ｓ１から順に、各工程について説明する。
図２は、本実施形態に係る混粒率評価方法に含まれる各工程を示すフロー図である。
図２に示すように、本実施形態に係る混粒率評価方法は、底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３、特徴量算出工程Ｓ４、離間距離算出工程Ｓ５及び混粒率評価工程Ｓ６を含んでいる。また、本実施形態に係る混粒率評価方法は、好ましい方法として、準備工程Ｓ０を含んでいる。以下、底面エコー信号取得工程Ｓ１から順に、各工程について説明する。
＜底面エコー信号取得工程Ｓ１＞
底面エコー信号取得工程Ｓ１では、鋼管Ｔと超音波探触子１との相対移動中に超音波探触子１から鋼管Ｔに超音波を逐次入射させ、超音波探触子１で鋼管Ｔからのエコーを検出して、超音波探触子１が制御・信号処理手段２に対して検出したエコーの大きさに応じた電気信号であるエコー信号を出力する。制御・信号処理手段２には、第１底面エコー（鋼管Ｔの内面で反射した底面エコーのうち超音波探触子１が最初に受信する底面エコー）の伝搬距離に応じた第１ゲートと、第２底面エコー（鋼管Ｔの内面で反射した底面エコーのうち超音波探触子１が２回目に受信する底面エコー）の伝搬距離に応じた第２ゲートとが設定されている。第１ゲート及び第２ゲートは、時間幅が互いに同一に設定されている。これら各ゲートによって第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２が取得される。なお、制御・信号処理手段２には、表面エコー（超音波Ｕの入射面である鋼管Ｔの外面で反射したエコー）の伝搬距離に応じたゲートも設定されており、このゲートによって表面エコー信号Ｓも取得される。
取得された第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２を制御・信号処理手段２が備えるＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換することで、横軸が時間（伝搬距離）についての同じ数のサンプリング点で、縦軸が各サンプリグ点の信号強度で表わされる第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２の信号波形（デジタル信号波形）が得られる。
底面エコー信号取得工程Ｓ１では、鋼管Ｔと超音波探触子１との相対移動中に超音波探触子１から鋼管Ｔに超音波を逐次入射させ、超音波探触子１で鋼管Ｔからのエコーを検出して、超音波探触子１が制御・信号処理手段２に対して検出したエコーの大きさに応じた電気信号であるエコー信号を出力する。制御・信号処理手段２には、第１底面エコー（鋼管Ｔの内面で反射した底面エコーのうち超音波探触子１が最初に受信する底面エコー）の伝搬距離に応じた第１ゲートと、第２底面エコー（鋼管Ｔの内面で反射した底面エコーのうち超音波探触子１が２回目に受信する底面エコー）の伝搬距離に応じた第２ゲートとが設定されている。第１ゲート及び第２ゲートは、時間幅が互いに同一に設定されている。これら各ゲートによって第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２が取得される。なお、制御・信号処理手段２には、表面エコー（超音波Ｕの入射面である鋼管Ｔの外面で反射したエコー）の伝搬距離に応じたゲートも設定されており、このゲートによって表面エコー信号Ｓも取得される。
取得された第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２を制御・信号処理手段２が備えるＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換することで、横軸が時間（伝搬距離）についての同じ数のサンプリング点で、縦軸が各サンプリグ点の信号強度で表わされる第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２の信号波形（デジタル信号波形）が得られる。
前述のように、底面エコー信号取得工程Ｓ１は、鋼管Ｔと超音波探触子１との鋼管Ｔの周方向及び長手方向に沿った相対移動中に、鋼管Ｔに超音波を逐次入射させることで実行される。これにより、鋼管Ｔの全周・全長について、第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２を取得可能である。
底面エコー信号取得工程Ｓ１の後に実行する周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４は、鋼管Ｔの全周・全長について底面エコー信号取得工程Ｓ１を先に実行し終えた後（すなわち、鋼管Ｔの全周・全長についての第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２を先に取得した後）に纏めて実行してもよい。或いは、鋼管Ｔの一箇所の部位について底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行した後、超音波探触子１の相対移動に伴う鋼管Ｔの次の箇所の部位について底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行するという動作を、鋼管Ｔの全周・全長について繰り返すことも可能である。
底面エコー信号取得工程Ｓ１の後に実行する周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４は、鋼管Ｔの全周・全長について底面エコー信号取得工程Ｓ１を先に実行し終えた後（すなわち、鋼管Ｔの全周・全長についての第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２を先に取得した後）に纏めて実行してもよい。或いは、鋼管Ｔの一箇所の部位について底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行した後、超音波探触子１の相対移動に伴う鋼管Ｔの次の箇所の部位について底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行するという動作を、鋼管Ｔの全周・全長について繰り返すことも可能である。
＜周波数スペクトル算出工程Ｓ２＞
周波数スペクトル算出工程Ｓ２では、制御・信号処理手段２が、第１底面エコー信号Ｂ１を周波数解析することで第１底面エコー信号の周波数スペクトルＳＢ１を算出すると共に、第２底面エコー信号Ｂ２を周波数解析することで第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２を算出する。
具体的には、制御・信号処理手段２は、第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２の信号波形に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すことで、横軸が周波数についての複数のサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度（スペクトル強度）で表される第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ１、ＳＢ２を算出する（周波数スペクトルＳＢ１、ＳＢ２の波形を得る）。周波数スペクトルＳＢ１、ＳＢ２の横軸のサンプリング点の数は同一とされる。
周波数スペクトル算出工程Ｓ２では、制御・信号処理手段２が、第１底面エコー信号Ｂ１を周波数解析することで第１底面エコー信号の周波数スペクトルＳＢ１を算出すると共に、第２底面エコー信号Ｂ２を周波数解析することで第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２を算出する。
具体的には、制御・信号処理手段２は、第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２の信号波形に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施すことで、横軸が周波数についての複数のサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度（スペクトル強度）で表される第１底面エコー信号Ｂ１及び第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ１、ＳＢ２を算出する（周波数スペクトルＳＢ１、ＳＢ２の波形を得る）。周波数スペクトルＳＢ１、ＳＢ２の横軸のサンプリング点の数は同一とされる。
＜周波数スペクトル比算出工程Ｓ３＞
周波数スペクトル比算出工程Ｓ３では、制御・信号処理手段２が、第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１と、第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２との比である周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２を算出する。
具体的には、制御・信号処理手段２は、第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１を構成する各サンプリング点の強度を、第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２を構成し、第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１を構成する各サンプリング点に対応する各サンプリング点の強度で除算することで、横軸が周波数についてのサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度の比（第１底面エコー信号Ｂ１のスペクトル強度／第２底面エコー信号Ｂ２のスペクトル強度）で表される周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２を算出する（周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２の波形を得る）。
周波数スペクトル比算出工程Ｓ３では、制御・信号処理手段２が、第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１と、第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２との比である周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２を算出する。
具体的には、制御・信号処理手段２は、第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１を構成する各サンプリング点の強度を、第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２を構成し、第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１を構成する各サンプリング点に対応する各サンプリング点の強度で除算することで、横軸が周波数についてのサンプリング点で、縦軸が各サンプリング点の強度の比（第１底面エコー信号Ｂ１のスペクトル強度／第２底面エコー信号Ｂ２のスペクトル強度）で表される周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２を算出する（周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２の波形を得る）。
＜特徴量算出工程Ｓ４＞
特徴量算出工程Ｓ４では、制御・信号処理手段２が、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における所定の周波数帯域の特徴量を算出する。本実施形態では、特徴量として、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における所定の周波数帯域の強度積分値を算出する。
図３は、本実施形態の特徴量算出工程Ｓ４を説明する図である。図３（ａ）は、偏心量ｄが０．００ｍｍ（離間距離Ｌが０．００ｍｍ）である場合の周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２及び強度積分値ＳＩの一例を示す。図３（ｂ）は、偏心量ｄが０．７５ｍｍ（離間距離Ｌが０．７５ｍｍ）である場合の周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２及び強度積分値ＳＩを示す。偏心量ｄ及び離間距離Ｌについては後述する。
特徴量算出工程Ｓ４では、制御・信号処理手段２が、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における所定の周波数帯域の特徴量を算出する。本実施形態では、特徴量として、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における所定の周波数帯域の強度積分値を算出する。
図３は、本実施形態の特徴量算出工程Ｓ４を説明する図である。図３（ａ）は、偏心量ｄが０．００ｍｍ（離間距離Ｌが０．００ｍｍ）である場合の周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２及び強度積分値ＳＩの一例を示す。図３（ｂ）は、偏心量ｄが０．７５ｍｍ（離間距離Ｌが０．７５ｍｍ）である場合の周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２及び強度積分値ＳＩを示す。偏心量ｄ及び離間距離Ｌについては後述する。
図３に示すように、本実施形態の特徴量算出工程Ｓ４では、制御・信号処理手段２が、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における所定の周波数帯域の強度の積分値（ハッチングを施した領域の面積）である強度積分値ＳＩを算出する。強度積分値ＳＩは、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２を構成する各サンプリング点の強度（スペクトル強度）を所定の周波数帯域に亘って積算した値である。具体的には、図３に示す例では、超音波探触子１として発振周波数が１０ＭＨｚ（送信波の中心周波数が１０ＭＨｚ）の超音波探触子１を用いた場合に、所定の周波数帯域として８～１２ＭＨｚが制御・信号処理手段２に記憶されており、制御・信号処理手段２は、強度積分値ＳＩとして、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における８～１２ＭＨｚの強度積分値を算出する。
なお、所定の周波数帯域は、鋼管Ｔと同種の金属材料から形成され、結晶粒の混粒率が異なる複数のサンプル材（好ましくは、鋼管Ｔと同一の製造プロセスで製造され、且つ、同一形状のサンプル材）を用いて、強度積分値が鋼管Ｔの結晶粒の混粒率と良好な相関関係を有するように予め決定し、制御・信号処理手段２に記憶しておけばよい。
なお、所定の周波数帯域は、鋼管Ｔと同種の金属材料から形成され、結晶粒の混粒率が異なる複数のサンプル材（好ましくは、鋼管Ｔと同一の製造プロセスで製造され、且つ、同一形状のサンプル材）を用いて、強度積分値が鋼管Ｔの結晶粒の混粒率と良好な相関関係を有するように予め決定し、制御・信号処理手段２に記憶しておけばよい。
＜離間距離算出工程Ｓ５＞
離間距離算出工程Ｓ５では、制御・信号処理手段２が、底面エコー信号取得工程Ｓ１における鋼管Ｔと超音波探触子１との相対移動中に超音波探触子１から鋼管Ｔに超音波Ｕを逐次入射させたときの鋼管Ｔの中心と超音波探触子１から送信した超音波Ｕの中心軸（鋼管Ｔに入射する前の超音波Ｕの中心軸）との離間距離Ｌを逐次算出する。
なお、図２では、特徴量算出工程Ｓ４を実行した後に離間距離算出工程Ｓ５を実行するように図示しているが、本発明はこれに限るものではなく、底面エコー信号取得工程Ｓ１を実行し始めてから特徴量算出工程を実行し終わるまでの間の任意の時点において、離間距離算出工程Ｓ５を実行することも可能である。
以下、離間距離算出工程Ｓ５の必要性及び具体的な内容について説明する。まず、離間距離算出工程Ｓ５の必要性について説明する。
離間距離算出工程Ｓ５では、制御・信号処理手段２が、底面エコー信号取得工程Ｓ１における鋼管Ｔと超音波探触子１との相対移動中に超音波探触子１から鋼管Ｔに超音波Ｕを逐次入射させたときの鋼管Ｔの中心と超音波探触子１から送信した超音波Ｕの中心軸（鋼管Ｔに入射する前の超音波Ｕの中心軸）との離間距離Ｌを逐次算出する。
なお、図２では、特徴量算出工程Ｓ４を実行した後に離間距離算出工程Ｓ５を実行するように図示しているが、本発明はこれに限るものではなく、底面エコー信号取得工程Ｓ１を実行し始めてから特徴量算出工程を実行し終わるまでの間の任意の時点において、離間距離算出工程Ｓ５を実行することも可能である。
以下、離間距離算出工程Ｓ５の必要性及び具体的な内容について説明する。まず、離間距離算出工程Ｓ５の必要性について説明する。
図４は、偏心が生じている場合の問題点を説明する図である。図４（ａ）は、偏心の状態及び超音波探触子の配置状態を示す模式図（水平方向に配置された鋼管Ｔの長手方向（Ｙ方向）から見た図）である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す状態のときに同じ鋼管Ｔについて得られる第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１である。図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す状態のときに同じ鋼管Ｔについて得られる第２底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２である。
図４（ａ）に示すように、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１の回転中心Ｑとの間に偏心量ｄの偏心が生じている（図４（ａ）に示す例では、鋼管Ｔの長手方向（Ｙ方向）に直交する水平方向（Ｘ方向）に偏心が生じている）場合、超音波Ｕが入射する鋼管Ｔの周方向位置に応じて、超音波Ｕが鋼管Ｔに入射するまでの伝搬距離（水距離）や超音波Ｕの入射角が変動することになる。なお、図４（ａ）に示すように、超音波探触子１が鋼管Ｔに対して鉛直方向（Ｚ方向）上方に位置する状態では、Ｘ方向に偏心量ｄの偏心が生じている場合、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１から送信した超音波Ｕの中心軸（超音波ビームの中心）との離間距離Ｌは、偏心量ｄに等しくなる。
図４（ａ）に示すように、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１の回転中心Ｑとの間に偏心量ｄの偏心が生じている（図４（ａ）に示す例では、鋼管Ｔの長手方向（Ｙ方向）に直交する水平方向（Ｘ方向）に偏心が生じている）場合、超音波Ｕが入射する鋼管Ｔの周方向位置に応じて、超音波Ｕが鋼管Ｔに入射するまでの伝搬距離（水距離）や超音波Ｕの入射角が変動することになる。なお、図４（ａ）に示すように、超音波探触子１が鋼管Ｔに対して鉛直方向（Ｚ方向）上方に位置する状態では、Ｘ方向に偏心量ｄの偏心が生じている場合、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１から送信した超音波Ｕの中心軸（超音波ビームの中心）との離間距離Ｌは、偏心量ｄに等しくなる。
そして、離間距離Ｌが変動すると、超音波Ｕの入射角が変動し、これに伴い、第１底面エコー及び第２底面エコーの反射位置や反射方向も変動することになる。具体的には、離間距離Ｌが０の場合、第１底面エコー及び第２底面エコーの反射位置は、超音波探触子１から送信した超音波Ｕの中心軸上に位置し、第１底面エコー及び第２底面エコーの反射方向は、超音波Ｕの中心軸の方向と合致するが、離間距離Ｌが大きくなればなるほど、第１底面エコー及び第２底面エコーの反射位置や反射方向が超音波Ｕの中心軸から外れることになる。この結果、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、離間距離Ｌが０．００ｍｍ～０．７５ｍｍの間で変化すると、同じ鋼管Ｔ（結晶粒の混粒率が同じ鋼管Ｔ）であったとしても、第１底面エコー信号Ｂ１の周波数スペクトルＳＢ１及び第１底面エコー信号Ｂ２の周波数スペクトルＳＢ２が変動することになると考えられる。離間距離Ｌに応じて、周波数スペクトルＳＢ１及び周波数スペクトルＳＢ２が変動することに伴い、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２も変動し、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における所定の周波数帯域の特徴量（強度積分値ＳＩ）と鋼管Ｔの結晶粒の混粒率との相関関係も変動することになる。前述の図３（ａ）は、図４（ｂ）、（ｃ）に示す離間距離Ｌ＝０．００ｍｍ（偏心量ｄ＝０．００ｍｍ）のときに算出される周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２及び強度積分値ＳＩであり、図３（ｂ）は、図４（ｂ）、（ｃ）に示す離間距離Ｌ＝０．７５ｍｍ（偏心量ｄ＝０．７５ｍｍ）のときに算出される周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２及び強度積分値ＳＩであり、両者が異なる強度積分値ＳＩになっている（したがい、相関関係が変動する）ことが分かる。したがい、例えば、偏心量ｄが０のときに予め取得した強度積分値ＳＩと混粒率との相関関係を用いて、偏心量ｄが０ではない（超音波Ｕが入射する鋼管Ｔの周方向位置に離間距離Ｌが０ではない位置が存在する）鋼管Ｔの混粒率を評価すると、精度良く混粒率を評価できないという問題がある。
そこで、本実施形態に係る混粒率評価方法は、離間距離算出工程Ｓ５を含み、その算出結果を後述の混粒率評価工程Ｓ６に用いている。
そこで、本実施形態に係る混粒率評価方法は、離間距離算出工程Ｓ５を含み、その算出結果を後述の混粒率評価工程Ｓ６に用いている。
次に、離間距離算出工程Ｓ５の具体的な内容について説明する。
図５及び図６は、図２に示す離間距離算出工程Ｓ５を説明する図である。
本実施形態の離間距離算出工程Ｓ５では、制御・信号処理手段２が、超音波探触子１でエコーを検出して取得したエコー信号の伝搬時間の変動に基づき、離間距離Ｌを算出する。具体的には、底面エコー信号取得工程Ｓ１において鋼管Ｔと超音波探触子１との相対移動中に逐次取得されるエコー信号を、縦軸が伝搬時間で、横軸が時刻（鋼管Ｔの周方向位置に相当）である２次元画像に展開すると、図５に示すようなＢスコープ画像が得られる。本実施形態では、制御・信号処理手段２が、Ｂスコープ画像における表面エコー信号Ｓの伝搬時間が図５に示すような周期的な変動を示す場合に、この表面エコー信号Ｓを用い、この表面エコー信号Ｓの伝搬時間の変動に基づき、離間距離Ｌを算出する。具体的には、図５において、表面エコー信号Ｓの伝搬時間（表面エコー信号Ｓの始端位置までの伝搬時間）が最小となる点Ａと、表面エコー信号Ｓの伝搬時間（表面エコー信号Ｓの始端位置までの伝搬時間）が最大となる点Ｂとを検出し、点Ｂの伝搬時間と点Ａの伝搬時間との差に鋼管Ｔ中の音速を乗算することで、偏心量ｄの２倍の値である２ｄを算出する。鋼管Ｔの外面が真円であり、超音波探触子１の回転中心Ｑ（図４参照）が一定であれば、点Ｂの伝搬時間と点Ａの伝搬時間との差に音速を乗算したものが２ｄに相当することは幾何学的に自明である。
そして、点Ａから点Ｂまでの間のサンプリング点数をＮとし、点Ａをｎ＝０、点Ｂをｎ＝Ｎとすると、測定点ｎにおける離間距離Ｌは、上記のようにして算出した２ｄを用いて、以下の式（１）で算出可能である。
ただし、上記式（１）において、ω＝１８０°／Ｎである。
なお、上記の「周期的な変動」とは、図５に示すような変動であって、Ｂスコープ画像における表面エコー信号Ｓの伝搬時間が、鋼管Ｔ（被評価材）の周方向位置に対して、正弦波状に変動することを意味する。「正弦波状」とは、例えば、各サンプリング点における表面エコー信号Ｓの伝搬時間と、各サンプリング点における表面エコー信号Ｓの伝搬時間に対して最小二乗法等を用いて近似した正弦波との誤差二乗和が、所定のしきい値以下であることを意味する。
図５及び図６は、図２に示す離間距離算出工程Ｓ５を説明する図である。
本実施形態の離間距離算出工程Ｓ５では、制御・信号処理手段２が、超音波探触子１でエコーを検出して取得したエコー信号の伝搬時間の変動に基づき、離間距離Ｌを算出する。具体的には、底面エコー信号取得工程Ｓ１において鋼管Ｔと超音波探触子１との相対移動中に逐次取得されるエコー信号を、縦軸が伝搬時間で、横軸が時刻（鋼管Ｔの周方向位置に相当）である２次元画像に展開すると、図５に示すようなＢスコープ画像が得られる。本実施形態では、制御・信号処理手段２が、Ｂスコープ画像における表面エコー信号Ｓの伝搬時間が図５に示すような周期的な変動を示す場合に、この表面エコー信号Ｓを用い、この表面エコー信号Ｓの伝搬時間の変動に基づき、離間距離Ｌを算出する。具体的には、図５において、表面エコー信号Ｓの伝搬時間（表面エコー信号Ｓの始端位置までの伝搬時間）が最小となる点Ａと、表面エコー信号Ｓの伝搬時間（表面エコー信号Ｓの始端位置までの伝搬時間）が最大となる点Ｂとを検出し、点Ｂの伝搬時間と点Ａの伝搬時間との差に鋼管Ｔ中の音速を乗算することで、偏心量ｄの２倍の値である２ｄを算出する。鋼管Ｔの外面が真円であり、超音波探触子１の回転中心Ｑ（図４参照）が一定であれば、点Ｂの伝搬時間と点Ａの伝搬時間との差に音速を乗算したものが２ｄに相当することは幾何学的に自明である。
そして、点Ａから点Ｂまでの間のサンプリング点数をＮとし、点Ａをｎ＝０、点Ｂをｎ＝Ｎとすると、測定点ｎにおける離間距離Ｌは、上記のようにして算出した２ｄを用いて、以下の式（１）で算出可能である。
ただし、上記式（１）において、ω＝１８０°／Ｎである。
なお、上記の「周期的な変動」とは、図５に示すような変動であって、Ｂスコープ画像における表面エコー信号Ｓの伝搬時間が、鋼管Ｔ（被評価材）の周方向位置に対して、正弦波状に変動することを意味する。「正弦波状」とは、例えば、各サンプリング点における表面エコー信号Ｓの伝搬時間と、各サンプリング点における表面エコー信号Ｓの伝搬時間に対して最小二乗法等を用いて近似した正弦波との誤差二乗和が、所定のしきい値以下であることを意味する。
以下、図６を参照しつつ、測定点ｎにおける離間距離Ｌが式（１）で表わされる理由について、詳細に説明する。
図６において、Ｘ軸は鋼管Ｔの中心Ｏを通る水平方向の軸であり、Ｚ軸は鋼管Ｔの中心Ｏを通る鉛直方向の軸である。図６では、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１の回転中心Ｑとの間にＸ軸方向の偏心量ｄの偏心が生じていることを仮定しており、この場合、前述の図５に示す点Ａ及び点ＢはＸ軸上に位置することになる。そして、図６に示す状態では、超音波探触子１がＸ軸に対して角度θだけ回転している。
図６において、Ｘ軸は鋼管Ｔの中心Ｏを通る水平方向の軸であり、Ｚ軸は鋼管Ｔの中心Ｏを通る鉛直方向の軸である。図６では、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１の回転中心Ｑとの間にＸ軸方向の偏心量ｄの偏心が生じていることを仮定しており、この場合、前述の図５に示す点Ａ及び点ＢはＸ軸上に位置することになる。そして、図６に示す状態では、超音波探触子１がＸ軸に対して角度θだけ回転している。
ここで、超音波探触子１（超音波探触子１の超音波送信面）の回転半径をａとすると、角度θだけ回転した超音波探触子１の超音波送信面の中心Ｐの座標は、幾何学的に（ａ・ｃｏｓθ－ｄ，ａ・ｓｉｎθ）となる。離間距離Ｌは、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１から送信した超音波の中心軸との離間距離であるが、超音波探触子１から送信した超音波の中心軸は、直線ＰＱに等しいため、離間距離Ｌは、鋼管Ｔの中心Ｏと直線ＰＱとの離間距離に等しくなる。点Ｐ（ａ・ｃｏｓθ－ｄ，ａ・ｓｉｎθ）と点Ｑ（－ｄ，０）を通る直線ＰＱの式は、Ｚ＝ｔａｎθ・（Ｘ＋ｄ）で表わされるため、この直線ＰＱと鋼管Ｔの中心Ｏ（０，０）との離間距離Ｌは、以下の式（１ａ）で算出可能である。
そして、超音波探触子１が等速円運動していることを前提にして、上記の式（１ａ）を変形すると、前述の式（１）が得られる。
そして、超音波探触子１が等速円運動していることを前提にして、上記の式（１ａ）を変形すると、前述の式（１）が得られる。
なお、以上の説明では、鋼管Ｔを周方向に回転させずに超音波探触子１を鋼管Ｔの周方向に沿って移動（回転）させる場合を例に挙げたが、超音波探触子１を鋼管Ｔの周方向に沿って移動させずに鋼管Ｔを周方向に回転させる場合についても、前述の式（１）によって、測定点ｎにおける離間距離Ｌを算出可能である。
図７は、鋼管Ｔを周方向に回転させる場合の離間距離算出工程Ｓ５を説明する図である。
図７において、Ｘ軸は鋼管Ｔの回転中心Ｏ’を通る水平方向の軸であり、Ｚ軸は鋼管Ｔの回転中心Ｏ’を通る鉛直方向の軸である。図７では、鋼管Ｔの中心Ｏと回転中心Ｏ’との間に偏心量ｄの偏心が生じ、超音波探触子１がＸ軸上に配置されていることを仮定しており、この場合、前述の図５に示す点Ａ及び点ＢはＸ軸上に位置することになる。そして、図７に示す状態では、鋼管Ｔの中心Ｏと回転中心Ｏ’とを結ぶ直線がＸ軸に対して角度θだけ回転している。
図７は、鋼管Ｔを周方向に回転させる場合の離間距離算出工程Ｓ５を説明する図である。
図７において、Ｘ軸は鋼管Ｔの回転中心Ｏ’を通る水平方向の軸であり、Ｚ軸は鋼管Ｔの回転中心Ｏ’を通る鉛直方向の軸である。図７では、鋼管Ｔの中心Ｏと回転中心Ｏ’との間に偏心量ｄの偏心が生じ、超音波探触子１がＸ軸上に配置されていることを仮定しており、この場合、前述の図５に示す点Ａ及び点ＢはＸ軸上に位置することになる。そして、図７に示す状態では、鋼管Ｔの中心Ｏと回転中心Ｏ’とを結ぶ直線がＸ軸に対して角度θだけ回転している。
ここで、角度θだけ回転した鋼管Ｔの中心Ｏの座標は、幾何学的に（ｄ・ｃｏｓθ，ｄ・ｓｉｎθ）となる。離間距離Ｌは、鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１から送信した超音波の中心軸との離間距離であるが、超音波探触子１から送信した超音波の中心軸は、Ｘ軸に等しいため、離間距離Ｌは、鋼管Ｔの中心ＯとＸ軸との離間距離に等しくなる。したがい、離間距離Ｌは、以下の式（１ｂ）で算出可能である。
そして、超音波探触子１が等速円運動していることを前提にすれば、上記の式（１ｂ）から、前述の式（１）が得られる。
そして、超音波探触子１が等速円運動していることを前提にすれば、上記の式（１ｂ）から、前述の式（１）が得られる。
＜混粒率評価工程Ｓ６＞
混粒率評価工程Ｓ６では、制御・信号処理手段２が、離間距離Ｌ毎に予め取得した特徴量（本実施形態では、強度積分値ＳＩ）と混粒率との相関関係のうち、離間距離算出工程Ｓ５で逐次算出した離間距離Ｌに応じた相関関係を選択する。具体的には、制御・信号処理手段２には、図８に模式的に示すような、離間距離Ｌ毎に予め取得した強度積分値ＳＩと混粒率との相関関係が予め記憶されている。なお、図８において、同じマーカー（「×」、「○」、「△」及び「□」）でプロットしたデータは、同じサンプル材に対して離間距離Ｌを変更して取得したデータを意味する。そして、制御・信号処理手段２は、例えば、離間距離算出工程Ｓ５で逐次算出した離間距離Ｌに近い離間距離Ｌについて取得した相関関係を選択する。次いで、制御・信号処理手段２は、選択した相関関係と強度積分値ＳＩの大きさとに基づき、鋼管Ｔの混粒率を評価する。具体的には、図８において、離間距離Ｌ＝０．５０ｍｍについて取得した相関関係を選択した場合、制御・信号処理手段２は、強度積分値の大きさがＳ１であるとすると、混粒率をＭ１として算出する。
混粒率評価工程Ｓ６では、制御・信号処理手段２が、離間距離Ｌ毎に予め取得した特徴量（本実施形態では、強度積分値ＳＩ）と混粒率との相関関係のうち、離間距離算出工程Ｓ５で逐次算出した離間距離Ｌに応じた相関関係を選択する。具体的には、制御・信号処理手段２には、図８に模式的に示すような、離間距離Ｌ毎に予め取得した強度積分値ＳＩと混粒率との相関関係が予め記憶されている。なお、図８において、同じマーカー（「×」、「○」、「△」及び「□」）でプロットしたデータは、同じサンプル材に対して離間距離Ｌを変更して取得したデータを意味する。そして、制御・信号処理手段２は、例えば、離間距離算出工程Ｓ５で逐次算出した離間距離Ｌに近い離間距離Ｌについて取得した相関関係を選択する。次いで、制御・信号処理手段２は、選択した相関関係と強度積分値ＳＩの大きさとに基づき、鋼管Ｔの混粒率を評価する。具体的には、図８において、離間距離Ｌ＝０．５０ｍｍについて取得した相関関係を選択した場合、制御・信号処理手段２は、強度積分値の大きさがＳ１であるとすると、混粒率をＭ１として算出する。
以上に説明した各工程Ｓ１～Ｓ６を含む本実施形態に係る混粒率評価方法によれば、機構部によって超音波探触子１を鋼管Ｔの周方向及び長手方向に沿って相対的に移動させることで、鋼管Ｔの全周・全長・全数の評価が可能である。超音波を用いる方法であるため、鋼管Ｔを切断する必要がない。
また、本実施形態に係る混粒率評価方法によれば、底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行することで、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における強度積分値ＳＩが算出される。強度積分値ＳＩと、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率とは、比較的良好な相関関係を有し、超音波の入射面での伝達損失の影響も低減可能である。
さらに、本実施形態に係る混粒率評価方法によれば、離間距離算出工程Ｓ５において、離間距離Ｌを逐次算出し、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離算出工程Ｓ５で逐次算出した離間距離Ｌに応じた相関関係を選択して、選択した相関関係と強度積分値ＳＩの大きさとに基づき、鋼管Ｔの混粒率を評価する。このため、偏心（鋼管Ｔの中心Ｏと超音波探触子１の回転中心Ｑとの間の偏心、又は、鋼管Ｔの中心Ｏと鋼管Ｔの回転中心Ｏ’との間の偏心）が生じている場合であっても、鋼管Ｔの混粒率を精度良く評価することが可能である。
以上のように、本実施形態に係る混粒率評価方法によれば、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率を、鋼管Ｔの全周・全長・全数について評価可能である。
以下、好ましい方法として、本実施形態に係る混粒率評価方法が含んでいる準備工程Ｓ０について説明する。
以下、好ましい方法として、本実施形態に係る混粒率評価方法が含んでいる準備工程Ｓ０について説明する。
＜準備工程Ｓ０＞
図２に示すように、準備工程Ｓ０には、第１準備工程Ｓ０１、第２準備工程Ｓ０２及び第３準備工程Ｓ０３が含まれている。以下、これら各工程Ｓ０１～Ｓ０３について順に説明する。
図２に示すように、準備工程Ｓ０には、第１準備工程Ｓ０１、第２準備工程Ｓ０２及び第３準備工程Ｓ０３が含まれている。以下、これら各工程Ｓ０１～Ｓ０３について順に説明する。
＜第１準備工程Ｓ０１＞
第１準備工程Ｓ０１では、被評価材である鋼管Ｔと同種の金属材料から形成され、結晶粒の混粒率が異なる複数のサンプル材（好ましくは、鋼管Ｔと同一の製造プロセスで製造され、且つ、同一形状のサンプル材）を用意する。そして、複数のサンプル材に対して、離間距離Ｌを変更して、底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行する。具体的には、例えば、図４に示すように超音波探触子１を配置し、偏心量ｄを変更して（これにより離間距離Ｌを変更して）、各離間距離Ｌの状態で、底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行する。これにより、複数のサンプル材についての強度積分値ＳＩを離間距離Ｌ毎に算出する。複数のサンプル材について実行する底面エコー信号取得工程Ｓ１～特徴量算出工程Ｓ４の内容については、被評価材である鋼管Ｔについて前述したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。
第１準備工程Ｓ０１では、被評価材である鋼管Ｔと同種の金属材料から形成され、結晶粒の混粒率が異なる複数のサンプル材（好ましくは、鋼管Ｔと同一の製造プロセスで製造され、且つ、同一形状のサンプル材）を用意する。そして、複数のサンプル材に対して、離間距離Ｌを変更して、底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行する。具体的には、例えば、図４に示すように超音波探触子１を配置し、偏心量ｄを変更して（これにより離間距離Ｌを変更して）、各離間距離Ｌの状態で、底面エコー信号取得工程Ｓ１、周波数スペクトル算出工程Ｓ２、周波数スペクトル比算出工程Ｓ３及び特徴量算出工程Ｓ４を実行する。これにより、複数のサンプル材についての強度積分値ＳＩを離間距離Ｌ毎に算出する。複数のサンプル材について実行する底面エコー信号取得工程Ｓ１～特徴量算出工程Ｓ４の内容については、被評価材である鋼管Ｔについて前述したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。
＜第２準備工程Ｓ０２＞
第２準備工程Ｓ０２では、複数のサンプル材において、超音波探触子１から入射した超音波が伝搬する部位の断面画像を撮像する。そして、この断面画像に基づき、複数のサンプル材の結晶粒の混粒率を算出する。
第２準備工程Ｓ０２では、複数のサンプル材において、超音波探触子１から入射した超音波が伝搬する部位の断面画像を撮像する。そして、この断面画像に基づき、複数のサンプル材の結晶粒の混粒率を算出する。
図９は、第２準備工程Ｓ０２で撮像した混粒材の断面画像の例を示す。図９に示すように、混粒材の場合には、断面画像中に周りよりも暗く撮像される粗粒が偏在している。
混粒率は、図９に示すような断面画像を拡大して検査員が目視して算出してもよい。或いは、断面画像におけるサンプル材に相当する画素領域に２値化等の画像処理を施し、所定のしきい値以下の濃度を有する画素領域を粗粒に対応する画素領域として検出することで、混粒率を自動的に算出することも可能である。なお、粗粒に対応する画素領域を検出するための２値化のしきい値は、検査員の目視判定結果と合致するように調整して設定しておけばよい。
混粒率は、図９に示すような断面画像を拡大して検査員が目視して算出してもよい。或いは、断面画像におけるサンプル材に相当する画素領域に２値化等の画像処理を施し、所定のしきい値以下の濃度を有する画素領域を粗粒に対応する画素領域として検出することで、混粒率を自動的に算出することも可能である。なお、粗粒に対応する画素領域を検出するための２値化のしきい値は、検査員の目視判定結果と合致するように調整して設定しておけばよい。
なお、超音波探触子１から入射した超音波は、サンプル材の周方向の一部の部位から径方向に伝播する。第１準備工程Ｓ０１では、上記のような超音波の伝播によって生じる第１底面エコー及び第２底面エコーを用いて、強度積分値ＳＩを算出している。したがい、第２準備工程Ｓ０２での混粒率の算出に際しては、例えば、図９に示すような断面画像を周方向に沿った所定の角度ピッチで複数の扇形の領域、すなわち超音波が伝搬する領域に分割し、分割した領域毎に混粒率を算出することが好ましい。これにより、後述の第３準備工程Ｓ０３で算出する相関関係の精度を高めることが可能である。
＜第３準備工程Ｓ０３＞
第３準備工程Ｓ０３では、第１準備工程Ｓ０１で算出した複数のサンプル材についての離間距離Ｌ毎の強度積分値ＳＩと、第２準備工程Ｓ０２で算出した複数のサンプル材の結晶粒の混粒率とに基づき、前述の図８に示すような強度積分値ＳＩと混粒率との相関関係を離間距離Ｌ毎に算出する。
第３準備工程Ｓ０３では、第１準備工程Ｓ０１で算出した複数のサンプル材についての離間距離Ｌ毎の強度積分値ＳＩと、第２準備工程Ｓ０２で算出した複数のサンプル材の結晶粒の混粒率とに基づき、前述の図８に示すような強度積分値ＳＩと混粒率との相関関係を離間距離Ｌ毎に算出する。
以上のように、本実施形態に係る混粒率評価方法は、好ましい方法として、第１準備工程Ｓ０１～第３準備工程Ｓ０３を含んでいるため、これらの工程を実行することで、強度積分値ＳＩと混粒率との相関関係が離間距離Ｌ毎に算出される。このため、この相関関係を用いれば、鋼管Ｔについて実行する混粒率評価工程Ｓ５において、混粒率の値を精度良く算出することが可能である。
以下、本発明の実施例及び参考例について説明する。
実施例では、超音波探触子１として、０．６２５インチ径で発振周波数が１０ＭＨｚのラインフォーカス型の垂直探触子を用い、鋼管Ｔとして、外径４５ｍｍ、肉厚１２ｍｍであって混粒率の異なる複数のステンレス鋼管を用いた。また、接触媒質として水を用い（水浸法）、水距離を２０ｍｍとし、偏心量ｄを０ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍにそれぞれ変更して評価を行った。
実施例では、超音波探触子１として、０．６２５インチ径で発振周波数が１０ＭＨｚのラインフォーカス型の垂直探触子を用い、鋼管Ｔとして、外径４５ｍｍ、肉厚１２ｍｍであって混粒率の異なる複数のステンレス鋼管を用いた。また、接触媒質として水を用い（水浸法）、水距離を２０ｍｍとし、偏心量ｄを０ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍにそれぞれ変更して評価を行った。
図１０は、実施例において、準備工程Ｓ０を実行することで取得した強度積分値ＳＩと混粒率との相関関係を示す。なお、図１０において、同じマーカー（「×」、「○」、「△」及び「□」）でプロットしたデータは、同じサンプル材に対して離間距離Ｌを変更して取得したデータを意味する。図１０から分かるように、強度積分値ＳＩと混粒率とは比較的良好な相関関係を有すると共に、離間距離Ｌに応じて相関関係は異なるものとなっている。
そして、実施例では、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０ｍｍ≦Ｌ＜０．３ｍｍである場合には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０ｍｍについて取得した相関関係を選択し、選択した相関関係と強度積分値ＳＩの大きさとに基づき、鋼管Ｔの混粒率を評価した。同様に、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．５ｍｍである場合には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０．４ｍｍについて取得した相関関係を選択して鋼管Ｔの混粒率を評価した。また、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０．５ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍである場合には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０．６ｍｍについて取得した相関関係を選択して鋼管Ｔの混粒率を評価した。さらに、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０．７ｍｍ≦Ｌ＜０．９ｍｍである場合（本実施例ではＬ≦０．８ｍｍ）には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０．８ｍｍについて取得した相関関係を選択して鋼管Ｔの混粒率を評価した。なお、例えば、偏心量ｄが大きすぎて離間距離Ｌが０．９ｍｍ以上になる場合には、適切な評価ができないため、評価不能として処置することが考えられる。
後述の図１１に評価結果の一例を示す参考例では、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌの大小に関わらず、全て離間距離Ｌ＝０ｍｍについて取得した相関関係を選択し、選択した相関関係と強度積分値ＳＩの大きさとに基づき、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率を評価した。
そして、実施例では、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０ｍｍ≦Ｌ＜０．３ｍｍである場合には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０ｍｍについて取得した相関関係を選択し、選択した相関関係と強度積分値ＳＩの大きさとに基づき、鋼管Ｔの混粒率を評価した。同様に、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０．３ｍｍ≦Ｌ＜０．５ｍｍである場合には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０．４ｍｍについて取得した相関関係を選択して鋼管Ｔの混粒率を評価した。また、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０．５ｍｍ≦Ｌ＜０．７ｍｍである場合には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０．６ｍｍについて取得した相関関係を選択して鋼管Ｔの混粒率を評価した。さらに、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌが０．７ｍｍ≦Ｌ＜０．９ｍｍである場合（本実施例ではＬ≦０．８ｍｍ）には、混粒率評価工程Ｓ６において、離間距離Ｌ＝０．８ｍｍについて取得した相関関係を選択して鋼管Ｔの混粒率を評価した。なお、例えば、偏心量ｄが大きすぎて離間距離Ｌが０．９ｍｍ以上になる場合には、適切な評価ができないため、評価不能として処置することが考えられる。
後述の図１１に評価結果の一例を示す参考例では、離間距離算出工程Ｓ５で算出した離間距離Ｌの大小に関わらず、全て離間距離Ｌ＝０ｍｍについて取得した相関関係を選択し、選択した相関関係と強度積分値ＳＩの大きさとに基づき、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率を評価した。
図１１は、実施例及び参考例による混粒率の評価結果の一例を示す。図１１（ａ）は混粒率が小さい鋼管Ｔについての評価結果を、図１１（ｂ）は混粒率が中程度の鋼管Ｔについての評価結果を、図１１（ｃ）は混粒率が大きい鋼管Ｔについての評価結果を示す。
図１１に示すように、実施例の評価方法では、偏心量ｄが大きいために離間距離Ｌが大きくなったとしても、偏心量ｄが小さい（離間距離Ｌが小さい）場合と同等の値の混粒率が算出されることが分かる。すなわち、偏心が生じている場合であっても、実施例の評価方法によれば、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率を精度良く評価することが可能である。
これに対し、参考例の評価方法では、偏心量ｄが大きいために離間距離Ｌが大きくなると、これに応じて算出される混粒率が大きくなる。すなわち、偏心が生じている場合には、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率を精度良く評価することができない。
図１１に示すように、実施例の評価方法では、偏心量ｄが大きいために離間距離Ｌが大きくなったとしても、偏心量ｄが小さい（離間距離Ｌが小さい）場合と同等の値の混粒率が算出されることが分かる。すなわち、偏心が生じている場合であっても、実施例の評価方法によれば、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率を精度良く評価することが可能である。
これに対し、参考例の評価方法では、偏心量ｄが大きいために離間距離Ｌが大きくなると、これに応じて算出される混粒率が大きくなる。すなわち、偏心が生じている場合には、鋼管Ｔの結晶粒の混粒率を精度良く評価することができない。
なお、本実施形態及び実施例では、特徴量として、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における強度積分値ＳＩを算出する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、特徴量として、周波数スペクトル比ＳＢ１／ＳＢ２における所定の周波数帯域のピーク強度を算出する態様を採用することも可能である。
また、本実施形態及び実施例では、超音波探触子１として発振周波数が１０ＭＨｚ（送信波の中心周波数が１０ＭＨｚ）の超音波探触子を用いる場合を例に挙げて説明したが、発振周波数が１０～１５ＭＨｚ（送信波の中心周波数が１０～１５ＭＨｚ）の超音波探触子を用いた場合には、図１０に示す例と同様に、強度積分値ＳＩ又はピーク強度と混粒率とが、比較的良好な相関関係（正の相関関係）を有することを確認している。
１・・・超音波探触子
２・・・制御・信号処理手段
１００・・・評価装置
Ｕ・・・超音波
Ｓ・・・表面エコー信号
Ｂ１・・・第１底面エコー信号
Ｂ２・・・第２底面エコー信号
ＳＢ１、ＳＢ２・・・周波数スペクトル
ＳＢ１／ＳＢ２・・・周波数スペクトル比
ＳＩ・・・強度積分値（特徴量）
Ｔ・・・鋼管（被評価材）
２・・・制御・信号処理手段
１００・・・評価装置
Ｕ・・・超音波
Ｓ・・・表面エコー信号
Ｂ１・・・第１底面エコー信号
Ｂ２・・・第２底面エコー信号
ＳＢ１、ＳＢ２・・・周波数スペクトル
ＳＢ１／ＳＢ２・・・周波数スペクトル比
ＳＩ・・・強度積分値（特徴量）
Ｔ・・・鋼管（被評価材）
Claims (4)
- 金属材料から形成された断面略円形の被評価材の周方向及び長手方向に沿って、前記被評価材の略中心に向けて超音波を送信する超音波探触子を相対的に移動させながら、前記被評価材の結晶粒の混粒率を評価する方法であって、
前記被評価材と前記超音波探触子との相対移動中に、前記超音波探触子から前記被評価材に超音波を逐次入射させ、前記超音波探触子で第１底面エコー及び第２底面エコーを検出して、第１底面エコー信号及び第２底面エコー信号を取得する底面エコー信号取得工程と、
前記第１底面エコー信号を周波数解析することで第１底面エコー信号の周波数スペクトルを算出すると共に、前記第２底面エコー信号を周波数解析することで第２底面エコー信号の周波数スペクトルを算出する周波数スペクトル算出工程と、
前記第１底面エコー信号の周波数スペクトルと、前記第２底面エコー信号の周波数スペクトルとの比である周波数スペクトル比を算出する周波数スペクトル比算出工程と、
前記周波数スペクトル比における所定の周波数帯域の特徴量を算出する特徴量算出工程と、
前記底面エコー信号取得工程における前記被評価材と前記超音波探触子との相対移動中に前記超音波探触子から前記被評価材に超音波を逐次入射させたときの前記被評価材の中心と前記超音波探触子から送信した超音波の中心軸との離間距離を逐次算出する離間距離算出工程と、
前記離間距離毎に予め取得した前記特徴量と前記混粒率との相関関係のうち、前記離間距離算出工程で逐次算出した前記離間距離に応じた相関関係を選択して、前記選択した相関関係と前記特徴量の大きさとに基づき、前記被評価材の混粒率を評価する混粒率評価工程と、
を含むことを特徴とする断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法。 - 前記離間距離算出工程において、前記超音波探触子でエコーを検出して取得したエコー信号の伝搬時間の変動に基づき、前記離間距離を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法。 - 前記特徴量は、前記周波数スペクトル比における前記所定の周波数帯域の強度積分値、又は、前記周波数スペクトル比における前記所定の周波数帯域のピーク強度である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法。 - 前記被評価材と同種の金属材料から形成され、結晶粒の混粒率が異なる複数のサンプル材に対して、前記離間距離を変更して、前記底面エコー信号取得工程、前記周波数スペクトル算出工程、前記周波数スペクトル比算出工程及び前記特徴量算出工程を実行することで、前記複数のサンプル材についての前記特徴量を前記離間距離毎に算出する第１準備工程と、
前記複数のサンプル材において、前記超音波探触子から入射した超音波が伝搬する部位の断面画像を撮像し、該断面画像に基づき、前記複数のサンプル材の結晶粒の混粒率を算出する第２準備工程と、
前記第１準備工程で算出した前記複数のサンプル材についての前記離間距離毎の前記特徴量と、前記第２準備工程で算出した前記複数のサンプル材の結晶粒の混粒率とに基づき、前記特徴量と前記混粒率との相関関係を前記離間距離毎に算出する第３準備工程と、を更に含む、
ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の断面略円形の被評価材の結晶粒の混粒率評価方法。
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