JP7213511B1

JP7213511B1 - 超音波検査方法、超音波検査装置及びプログラム

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Publication number: JP7213511B1
Application number: JP2022142113A
Authority: JP
Inventors: 洸山口; 維基三津谷; 義弘水谷; 紀彰稲垣
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2023-01-27
Anticipated expiration: 2042-09-07
Also published as: JP2024037336A

Abstract

【課題】検査対象物に超音波信号を送信して超音波検査を行う際に、検査対象物から受信した受信波形から、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波等の不要な周波数成分の波形を消去する。【解決手段】超音波送信部３２は、自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子３３から検査対象物に対して送信する。そして、超音波受信部３４は、検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子３５により受信する。そして、制御部３１は、受信探触子３５において受信された受信波形と入力波形との間で相互相関演算を行うことにより受信波形を時間軸方向にパルス圧縮して表示部３６上に表示する。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波検査方法、超音波検査装置及びプログラムに関する。

構造物の非破壊検査において使用される超音波探傷手法の１つとしてＴＯＦＤ（Time of Flight Diffraction）法が用いられている（例えば非特許文献１）。このＴＯＦＤ法では、超音波のパルス信号を送信探触子から溶接部等の検査対象物に対して送信して、検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信した受信波形により欠陥等の有無の検査が行われる。このようなＴＯＦＤ法によれば、検査対象物の内部に欠陥が存在する場合、欠陥で反射波もしくは回折波が発生することにより欠陥の存在を検知することが可能となる。

黒川悠、水谷義弘、井上裕嗣、「時間―周波数解析を用いたＴＯＦＤ法による欠陥高さ測定の高度化」、非破壊検査、2006年、vol.55、no.12、pp.635-642

このようなＴＯＦＤ法による探傷検査方法では、送信探触子から送信された超音波が検査対象物の表面を伝搬して受信探触子に受信されるラテラル波の存在が問題となる場合がある。具体的には、検査対象物の表面近傍に欠陥が存在する場合、ラテラル波と、欠陥からの回折波とが重なってしまい、回折波の識別が困難となってしまうという問題が発生する。このように、欠陥からの回折波の識別が困難になると正しく欠陥を検出できなくなり、表面近傍は欠陥を検出できない不感帯となってしまう。

このように不感帯が存在する状態で正しい検査を行うとすると、検査対象物の両面から検査を行う必要があり検査の時間、検査費用等が増大してしまうという問題がある。

本発明は、検査対象物に超音波信号を送信して超音波検査を行う際に、検査対象物から受信した受信波形から、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波等の不要な周波数成分の波形を消去することが可能な超音波検査方法、超音波検査装置及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明の第１態様の超音波検査方法は、自己相関を計算するとガボールウェーブレット（Gabor Wavelet）の波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信し、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信し、
受信した受信波形と前記入力波形との間で相互相関演算を行うことにより前記受信波形を時間軸方向に圧縮して表示する。

本発明の第２態様の超音波検査方法は、第１態様の超音波検査方法において、前記ガボールウェーブレットの波形が、特定の周波数成分が短い時間間隔の中に極在するような特性を有する波形であり、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波の周波数成分を含まない波形である。

本発明の第３態様の超音波検査方法は、ガボールウェーブレットの波形の超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信し、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信し、
受信した受信波形を表示する。

本発明の第４態様の超音波検査装置は、自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信する送信部と、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信する受信部と、
受信した受信波形と前記入力波形との間で相互相関演算を行うことにより前記受信波形を時間軸方向に圧縮して表示する表示部とを備えている。

本発明の第５態様の超音波検査装置は、ガボールウェーブレットの波形の超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信する送信部と、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信する受信部と、
受信した受信波形を表示する表示部とを備えている。

本発明の第６態様のプログラムは、自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信するステップと、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信するステップと、
受信した受信波形と前記入力波形との間で相互相関演算を行うことにより前記受信波形を時間軸方向に圧縮して表示するステップとをコンピュータに実行させる。

本発明によれば、検査対象物に超音波信号を送信して超音波検査を行う際に、検査対象物から受信した受信波形から、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波等の不要な周波数成分の波形を消去することが可能となる。

本発明の一実施形態の超音波検査装置１０の構成を示すブロック図である。一般的なＴＯＦＤ法による探傷原理を説明するための図である。ＴＯＦＤ法により得られる受信波形のデータの概略図である。送信探触子３３、受信探触子３５を設置した側の表面近傍に欠陥が存在する場合の様子を示す図である。図４に示すような状態における受信波形の概略図である。パルス圧縮技術を用いたＴＯＦＤ法を説明するための概略図である。自己相関を計算するとガボールウェーブレットとなるような入力波形ｘ（ｔ）の一例を示す図である。図７に示したような入力波形ｘ（ｔ）を用いて得られた受信波形ｙ（ｔ）を示す図である。図８に示した受信波形ｙ（ｔ）のパルス圧縮後の受信波形ｚ（ｔ）を示す図である。図７の入力波形ｘ（ｔ）を用いたシミュレーションの一連の処理の流れを示す図である。図７に示した入力波形ｘ（ｔ）をパルス圧縮した波形を示す図である。ガボールウェーブレットの波形を入力波形として、ＴＯＦＤ法を行った場合のシミュレーション結果を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態の超音波検査装置１０の構成を示すブロック図である。

本実施形態の超音波検査装置１０は、図１に示されるように、制御部３１と、超音波送信部３２と、送信探触子３３と、超音波受信部３４と、受信探触子３５と、表示部３６とを備えている。

超音波送信部３２は、制御部３１による制御に基づいて、超音波信号を入力波形として送信探触子３３から検査対象物に対して送信する。

超音波受信部３４は、検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子３５により受信して、制御部３１に転送する。

制御部３１は、超音波受信部３４から転送されてきた超音波信号を表示部３６上に表示する。

先ず、本実施形態の超音波検査装置１０における動作を説明する前に、一般的なＴＯＦＤ法による探傷原理を図２に示す。

ＴＯＦＤ法により検査対象物における傷等の欠陥を探す場合、超音波のパルス信号を送信探触子３３から溶接部等の検査対象物に対して送信して、検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子３５により受信した受信波形により欠陥の有無の検査が行われる。

このＴＯＦＤ法では、検査対象物の内部に欠陥が存在する場合、欠陥からの回折波が発生することにより欠陥の存在を検知することが可能となる。ＴＯＦＤ法により得られる受信波形のデータの概略図を図３に示す。

受信探触子３５では、最初に表面を伝搬するラテラル波４１が検出され、その後欠陥が存在する場合には欠陥上端及び下端からの回折波４２、４３がそれぞれ検出される。そして、最後に、裏面からの反射波である裏面反射波４４が検出される。

このようなＴＯＦＤ法による探傷検査方法では、ラテラル波４１の存在が問題となる場合がある。例えば、送信探触子３３、受信探触子３５を設置した側の表面近傍に欠陥が存在する場合の様子を図４に示す。また、図４に示すような状態における受信波形の概略図を図５に示す。

図５を参照すると、表面近傍に欠陥が存在する場合、ラテラル波４１と、欠陥からの回折波４２、４３とが重なってしまい、回折波４２、４３の識別が困難となってしまっているのが分かる。このように、欠陥からの回折波４２、４３の識別が困難になると正しく欠陥を検出できなくなり、表面近傍は欠陥を検出できない不感帯となってしまう。

ここで、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波４１と、欠陥からの回折波４２、４３とでは、周波数帯域が異なっている。例えば、入力波形の周波数が５ＭＨｚの場合、ラテラル波の主な周波数成分は１～３ＭＨｚに集中し、回折波の主な周波数成分は３～７ＭＨｚに集中している。

そこで、上記のような問題を解決するため、本実施形態における超音波検査装置１０では、以下に説明するような方法によって、送信探触子３３から検査対象物に対して送信する超音波信号の入力波形を最適化することにより、受信波形におけるラテラル波を消去するようにしている。

まず、本実施形態による超音波検査方法を説明する前に、パルス圧縮技術について図６を参照して説明する。図６は、パルス圧縮技術を用いたＴＯＦＤ法を説明するための概略図である。

パルス圧縮技術とは，入力波形を時間軸方向に拡張することによりピーク電圧を増加させることなく送信エネルギを増大させ、受信波形を時間軸方向に圧縮することにより空間分解能を保ったままＳＮ比を改善する技術である。ここで、ＳＮ比とは、欠陥等による回折波の成分と、受信波形におけるノイズ成分との比を意味している。

パルス圧縮技術を用いたＴＯＦＤ法では、入力波形ｘ（ｔ）は時間軸方向に拡張された波形となっており、この入力波形ｘ（ｔ）を送信探触子３３から検査対象物に送信して、受信探触子３５で検査対象物からの超音波信号を受信する。そして、受信波形ｙ（ｔ）と入力波形ｘ（ｔ）との間の相互相関演算を行うことにより、受信波形ｙ（ｔ）に対してパルス圧縮を行う。具体的には、受信波形ｙ（ｔ）と、入力波形ｘ（ｔ）の共役をとって時間反転を施したものとの畳み込み演算（コンボリューション演算）を行うことによりパルス圧縮が行われる。つまり、パルス圧縮後の波形ｚ（ｔ）は、ｚ（ｔ）＝ｙ（ｔ）＊ｘ（－ｔ）と表現される。

そして、このパルス圧縮技術を用いたＴＯＦＤ法において、ラテラル波が消去されるような入力波形の検討を行ったところ、自己相関を計算するとガボールウェーブレットとなるような波形を入力波形とすると、パルス圧縮技術を用いたＴＯＦＤ法において、ラテラル波を消去することができることが分かった。

このような入力波形ｘ（ｔ）の一例を図７に示す。

そして、図７に示したような入力波形ｘ（ｔ）を用いて図６に示したシミュレーションにより得られた受信波形ｙ（ｔ）を図８に示す。そして、図８に示した受信波形ｙ（ｔ）をパルス圧縮してパルス圧縮後の受信波形ｚ（ｔ）を求めたところ図９のようになった。上述したような図７の入力波形ｘ（ｔ）を用いたシミュレーションの一連の処理の流れを図１０に示す。

図９におけるパルス圧縮後の受信波形ｚ（ｔ）を参照すると、ラテラル波がほぼ消失しており回折波と比較して大幅に小さくなっているのが分かる。つまり、検査対象物の表面近傍に欠陥が存在する場合でも、十分に検出可能であることが分かる。

このように自己相関を計算するとガボールウェーブレットとなるような波形を入力波形ｘ（ｔ）として用いてＴＯＦＤ法による探傷検査方法を実行することにより、受信波形におけるラテラル波の成分を消去することが可能となる。そこで、本実施形態の超音波検査装置１０は、図７に示したような入力波形ｘ（ｔ）を用いて検査対象物における探傷検査を行う。

つまり、パルス圧縮技術を用いるＴＯＦＤ法を行う場合には、超音波送信部３２は、自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子３３から検査対象物に対して送信する。そして、超音波受信部３４は、検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子３５により受信する。そして、制御部３１は、受信探触子３５において受信された受信波形と入力波形との間で相互相関演算を行うことにより受信波形を時間軸方向にパルス圧縮して表示部３６上に表示する。

なお、自己相関を計算するとガボールウェーブレットとなるような波形には、自己相関を計算するとガボールウェーブレットと完全に一致するような波形だけではなく、自己相関を計算するとガボールウェーブレットに近似するような波形、つまり、自己相関を計算すると略（ほぼ）ガボールウェーブレットとなるような波形も含まれる。

さらに、上記ではパルス圧縮技術を用いたＴＯＦＤ法による場合について説明したが、パルス圧縮技術を用いないＴＯＦＤ法においても本発明は適用可能である。

パルス圧縮技術を用いないＴＯＦＤ法では、入力波形として、時間軸方向に拡張されていないパルス信号が用いられる。そのため、まず、図７に示した入力波形ｘ（ｔ）をパルス圧縮した波形を図１１に示す。入力波形ｘ（ｔ）をパルス圧縮する際には、同一の入力波形ｘ（ｔ）との間の相互相関演算を計算することになるため、結果的には、入力波形ｘ（ｔ）の自己相関演算を行うことになる。

このようにして得られた波形は、ガボールウェーブレットの波形となっており、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波の周波数成分を含まない波形となっている。なお、ガボールウェーブレットの波形とは、特定の周波数成分が短い時間間隔の中に極在するような特性を有する波形である。

つまり、図７に示した入力波形ｘ（ｔ）は、自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号となっている。

そして、パルス圧縮技術を用いないＴＯＦＤ法を行う場合には、超音波送信部３２は、ガボールウェーブレットの波形の超音波信号を入力波形として送信探触子３３から検査対象物に対して送信する。そして、超音波受信部３４は、検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子３５により受信する。そして、制御部３１は、受信探触子３５において受信された受信波形をそのまま表示部３６上に表示する。

そして、このガボールウェーブレットの波形を入力波形として用いてＴＯＦＤ法を行った場合のシミュレーション結果を図１２に示す。

この場合であっても、受信波形ｙ（ｔ）として、パルス圧縮後の受信波形ｚ（ｔ）と同様な波形が得られることになる。ただし、この場合には、パルス圧縮技術を用いないことにより、ＳＮ比が悪くなるというデメリットがある。

上記で説明した本実施形態の超音波検査方法によれば、検査対象物に超音波信号を送信して超音波検査を行う際に、検査対象物から受信した受信波形から、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波を消去することができる。しかし、本発明は、検査対象物から受信した受信波形からラテラル波を消去する場合に限定されるものではない。本発明は、検査対象物に超音波信号を送信して超音波検査を行う場合だけでなく、多孔質材などの高い減衰材料に対して、周波数ごとの超音波伝搬特性を調査する際にも適用することができ、受信波形に含まれる不要な周波数成分の波形を消去することができるという効果を得ることができる。

さらに、本発明によれば、特定の周波数の弾性波を高ＳＮ比で送受信することができるようになるという効果を得ることもできる。

１０超音波検査装置
３１制御部
３２超音波送信部
３３送信探触子
３４超音波受信部
３５受信探触子
３６表示部
４１ラテラル波
４２、４３回折波
４４裏面反射波
７０ＴＯＦＤ法実験装置

Claims

自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信し、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信し、
受信した受信波形と前記入力波形との間で相互相関演算を行うことにより前記受信波形を時間軸方向に圧縮して表示する、
超音波検査方法。
前記ガボールウェーブレットの波形は、特定の周波数成分が短い時間間隔の中に極在するような特性を有する波形であり、検査対象物の表面を伝搬するラテラル波の周波数成分を含まない波形である請求項１記載の超音波検査方法。
自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信する送信部と、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信する受信部と、
受信した受信波形と前記入力波形との間で相互相関演算を行うことにより前記受信波形を時間軸方向に圧縮して表示する表示部と、
を備えた超音波検査装置。
自己相関を計算するとガボールウェーブレットの波形となるような超音波信号を入力波形として送信探触子から検査対象物に対して送信するステップと、
前記検査対象物において反射又は回折された超音波信号を受信探触子により受信するステップと、
受信した受信波形と前記入力波形との間で相互相関演算を行うことにより前記受信波形を時間軸方向に圧縮して表示するステップと、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。