JPH04323553A - 超音波共振探傷方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属板とコンクリート
など異種材料を組合わせてなる構造材料や構造物に内在
する境界面の欠陥を検出する超音波共振探傷方法および
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種金属板やコンクリート、モ
ルタルなどの単体材料あるいは、それらを組合わせてな
る構造材料や構造物の厚さ、内部欠陥を検査する場合、
超音波探傷法が最も広範囲で使われている。超音波探傷
法は、パルス反射法、共振法、透過法に大別され、目的
によってさらに、各種の適用方法に分けられることが良
く知られている。図２は従来の超音波探傷法の例であり
、図２（ａ）は、垂直・パルス反射法、（ｂ）は共振法
、（ｃ）は透過法の原理の説明図である。図中、Ｔ／Ｒ
は送・受信兼用の超音波探触子、Ｔは送信専用、Ｒは受
信専用の超音波探触子を示す。

【０００３】（ａ）の垂直・パルス反射法は、超音波探
触子１から、被検材２の厚さｄ方向に投入される超音波
３が、被検材２の底面、あるいは、内部欠陥４で反射し
、再び超音波探触子１で受信される間の反射超音波３の
強さと伝播時間ｔに基づいて、ｄ＝ｖｔ／２から、被検
材２の厚みｄや欠陥４の位置、サイズなどを検出するも
のである。この場合、被検材中の音速ｖは各々、既知で
あるものとする。

【０００４】（ｂ）の共振法は、超音波探触子５に連続
波または、数十振動の長いパルス波を加え、かつ、その
周波数を連続的に変化することにより、被検材３中に超
音波を投入し、被検材２の厚さｄでの共振超音波６を発
生させる。該超音波６の波長をλ、音速ｖとして、被検
材２の厚さｄを、ｄ＝ｎλ／２から求めるものである。 図中、ｆｎは共振周波数とその次数を示し、ｎは整数で
ある。即ち、被検材２中に垂直に投入された共振超音波
６の半波長の整数倍が被検材２の厚さｄに等しい時、被
検材２中に最も強い定在波６（共振超音波）が生ずる。 この半波長ごとに生ずる定在波の周波数間隔を測定して
、被検材２の厚さｄを算出する。

【０００５】（ｃ）の垂直・透過法は、送信用超音波探
触子７から被検材２に投入される透過超音波８の強さが
、被検材内を伝播し受信用超音波探触子９によって検出
されるまでに減衰、散乱して変化する程度をとらえるこ
とにより、被検材２中の欠陥４の有・無を判定するもの
である。

【０００６】これら超音波探傷法については、日本非破
壊検査協会による「非破壊検査便覧，Ｐ．４１３〜４６
１，昭和５３年４月発行」に記載されており、類似の文
献や、それら多数の適用例が公知である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、図１に示す
ような被検材１０、すなわち、金属板１１とコンクリー
トまたは、モルタルなどの異種材料１２を接着してなる
境界面１３に発生する剥離、空孔欠陥、あるいは、コン
クリートなどの未充填部位１４を非破壊的に探傷するこ
とを狙うものである。また、被検材１０となる構造材料
や構造物では、その形状やサイズも多種・多様であるた
め、探傷のためのアクセスは、被検材１０の片面からの
み一つの探触子を用いて行うものとした。このような条
件下では、従来の超音波探傷法の適用は困難であり、そ
の実用例も見当らない。すなわち、図２（ａ）に示した
垂直・パルス反射法を用いた場合、被検材１０の境界面
１３の欠陥１４の存否は、超音波の反射強さや伝播時間
上で明瞭な差異が得られず通常、欠陥１４の検出は困難
である。これは、一般に境界面での超音波の音圧が、図
３に示すような２つの物質の各々の音響インピーダンス
Ｚ＝ρｖによって決まることを考えれば理解できる。ρ
は密度、ｖは音速を表わす。いま、境界面での超音波の
入射音圧をＰｉ、物質Ｉ側への反射音圧をＰｒ、物質Ｉ
Ｉ側への通過波音圧をＰｔとすると、この境界面での音
圧反射率ｒは、次式で表わされる。

【０００８】

【数１】

【０００９】例えば、鋼板とコンクリートの境界面での
音圧反射率ｒ１　は、（１）式から６４％程度であり、
また、境界面に剥離、空洞欠陥や、コンクリート未充填
部位がある場合、鋼板と欠陥との境界面の音圧反射率ｒ
２　は、欠陥を空気とみなしてよいから、ほぼ１００％
となる。但し、鋼板のＺ１　＝４５．３×１０６　（ｋ
ｇ／ｍ２　ｓ）、コンクリートのＺ２　＝１０×１０６
　（ｋｇ／ｍ２　ｓ）、空気のＺ′２　は０．４×１０
３　（ｋｇ／ｍ２　ｓ）とする。したがって、垂直・パ
ルス反射法では、超音波１パルス当りの境界面での無欠
陥部と欠陥部の音圧反射率の差は、約３６％である。こ
の程度の差では、超音波探触子と被検材表面をカップリ
ングするための水、油などの膜厚の微小変化、被検材の
表面粗さや、酸化スケールなどの微小な凹凸、被検材の
境界面の欠陥の有・無や欠陥とみなされない微細な空孔
分布の変化などの影響により、欠陥部と無欠陥部での超
音波音圧反射率は識別困難である。

【００１０】図２（ｂ）の共振法は、金属板など単体材
料の厚さ測定には、良く適用されるものの、境界面の欠
陥探傷に対して既存法の適用例は見当らない。図２（ｃ
）の透過法は、１組２個の超音波探触子７，９を用い、
被検材２は該探触子７，９間に配置する必要があり、ま
た、欠陥の深さ位置が判定できないため、金属板と境界
面の欠陥４との識別は困難であるなど、本発明の対象と
する被検材への適用はできない。

【００１１】本発明は、このような従来技術での問題点
を解消し、金属板とコンクリートまたは、モルタルなど
の異種材料を組合わせてなる構造材料、構造物に内在す
る境界面の欠陥を検出可能な新たな超音波探傷方法およ
び、装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、金属板とコンクリートなどの異種材料を組合わせ
てなる境界面を内在した被検材の金属板側から、適性な
周波数範囲と波数を制御した送信波を広帯域超音波探触
子を介して連続的に送・受信し、該金属板内で発生する
最も有意な共振超音波の受信信号波形および、周波数ス
ペクトルをモニターして、被検材内の境界面に存在する
欠陥を検出することを特徴とした超音波共振探傷方法お
よび、装置を提供するところにある。

【００１３】

【作用】本発明は、図１に示すような被検材１０の金属
板１１内で生ずる共振超音波１５の反射音圧が等比級的
に減少してゆくことを見い出したことに基づいている。 すなわち、被検材１０の金属板１１内で共振超音波１５
が多数回反射した際、最終的に受信される総合音圧ＰＮ
　は、送信波一波当りの入射音圧をＰＯ　とすれば、

【
００１４】

【数２】

【００１５】で表わされる。Ｎは整数であり、共振超音
波の反射回数を表わす。そこで、例えば、鋼板とコンク
リートの接着境界面において、Ｎ＝１００とした場合、
無欠陥部での音圧反射率ｒ１　＝６４（％）であるから
、総合反射音圧ＰＳ１００は、（２）式から

【００１６
】

【数３】

【００１７】となり、一方、欠陥部での音圧反射率ｒ２
　＝１００（％）であるから、総合反射音圧ＰＦ１００
は、

【００１８】

【数４】

【００１９】となる。但し、被検材中での音圧の減衰を
無視した概算値である。したがって、金属板内に生ずる
共振超音波を利用すれば、被検材１０の境界面１３の無
欠陥部と欠陥部１４の総合反射音圧の差は、約３１ｄＢ
と非常に大きな値となり、欠陥部１４の判定が可能とな
ると言える。

【００２０】そこで、広帯域超音波探触子１６に加える
送信波として、或る周波数範囲かつ、大きなパルス波数
にて、その周波数を連続的に掃引し、被検材１０の金属
板１７内で生ずる反射超音波受信信号の周波数スペクト
ル分析を行い、その中で最も有意な共振超音波周波数を
選定する。該共振超音波を用いて金属板面で広帯域超音
波探触子１６を走査すれば、該探触子１６での超音波受
信信号波形および、該超音波周波数のスペクトル振幅の
変化をモニターして、被検材１０の境界面１３に存在す
る欠陥１４の判定を可能とする超音波共振を応用した探
傷方法および、装置を提供できる。

【００２１】以下、図面に従い本発明をさらに詳細に説
明する。図１は、本発明による超音波共振探傷方法の原
理および、装置構成の説明図である。金属板１１とコン
クリートなど異種材料１２を接着してなる被検材１０に
、前もって設定する送信周波数範囲、周波数ステップ、
送信波の波数および、送信繰返し周波数にて、送信波が
可変周波数形発信器１７から発生される。送信波は設定
された周波数ステップの繰返し周波数ごとに、周波数が
変化する波数の大きいバースト波であり、設定周波数範
囲内で周波数の変化する送信波が連続的に広帯域超音波
探触子１６に加えられる。該超音波探触子１６は、水、
油などの媒質を介して被検材１０に投入され共振超音波
１５となる。この超音波は、金属板１１とコンクリート
などの異種材料１２との境界面１３で反射し、再び、広
帯域超音波探触子１６にて受信される。この受信された
超音波信号には、金属板内で共振する周波数成分の全て
が含まれており、受信増幅器１８にて増幅後、分岐して
、一方は、時間軸上で変化する受信超音波信号生波形と
して表示器１９に表示される。他方では、送信波に対応
した時間領域の初期波動域を除く時間軸上の限定される
範囲の受信信号を切り出すゲート回路２０を経て、その
ゲート出力信号の周波数成分を分析する周波数スペクト
ル分析器２１に入力され、周波数スペクトル分析の結果
が表示器１９に、前記の受信超音波生波形と共に表示さ
れる。

【００２２】次に、この周波数スペクトルのうちで最も
振幅が大きく、低い共振次数の周波数を選定し、前記、
可変周波数形発振器１７から広帯域超音波探触子１６に
加える送信波の周波数、波数を固定した後、該探触子１
６を被検材１０の金属板面で走査し探傷する。この際、
被検材１０の金属板１１とコンクリートなど異種材料１
２の境界面１３の欠陥部１４と無欠陥部では、表示器１
９に表示される受信超音波信号生波系のプロフィールあ
るいは、振幅に明瞭な差異を確認することができる。ま
た、固定した共振周波数スペクトル振幅においても欠陥
部１４と無欠陥部では明瞭な振幅差をとらえることがで
きる。これら、いづれの信号情報を用いても欠陥位置、
欠陥サイズを判定できる。

【００２３】

【実施例】図１の被検材１０に対応するものとして、鋼
板１１とコンクリート１２を接着してなる合成構造物を
探傷対象とした。鋼板厚みは１１．８ｍｍであり、表面
は酸化スケールの付着による凹凸が認められ、表面肌は
悪いものである。超音波探触子１６と被検材面とのカッ
プリング剤には、軟質のグリースを用いた。広帯域超音
波探触子１６の適用周波数帯域は０．３〜１．３ＭＨｚ
　、有効探触子径は２４ｍｍφのものを用いた。

【００２４】まず、可変周波数形発振器１７から、設定
周波数範囲０．３〜１．０ＭＨｚ　、周波数ステップ５
ｋＨｚ　、送信波の波数２０波、送信繰返し周波数２ｋ
Ｈｚ　にて送信波が広帯域超音波探触子１６に加えられ
、被検材１０の鋼板１１内に超音波が送信され、かつ、
受信される。受信超音波信号は増幅後、生波形として表
示器１９に表示される。このような動作が設定周波数範
囲内で繰返され、受信超音波信号がモニターされる。

【００２５】図４（ａ）には、被検材内の境界面が無欠
陥である場合の受信超音波信号の生波形の模式図を示す
。一方、この信号はゲート回路２０を経て、図４（ａ）
に示すように、初期波動を除く時間域ｔ１　〜ｔ２　が
切り出された信号として、周波数スペクトル分析器２１
に入力される。この信号の周波数スペクトル成分の分析
グラフの模式図を図５に示す。図中、横軸ｆは周波数、
ＳＰ　は周波数スペクトル振幅、ｆＬ２，ｆＳ３などで
示すのは各々縦波、横波共振周波数および、共振次数を
表わしている。この図５から、共振次数の低い超音波と
して、横波共振周波数（ｆＳ３）０．４１ＭＨｚ　、３
次の超音波を選定する。

【００２６】次に、横波共振周波数（ｆＳ３）に、周波
数を固定し、超音波探触子１６を被検材１０表面で走査
したところ、鋼板１１とコンクリート１２境界面１３に
剥離欠陥１４を明瞭に検出できた。図４（ｂ）は、剥離
欠陥信号生波形の模式図であり、図４（ａ）の無欠陥部
に比べて明瞭に識別が可能であるのがわかる。また、剥
離欠陥位置中央部より超音波探触子１６を移動して、共
振周波数（ｆＳ３）のスペクトル振幅をモニターしなが
ら、その振幅の最大値から−１２ｄＢダウン値となる範
囲を被検材１０上にマークしてゆくことにより、欠陥サ
イズが約１００ｍｍφであることも確認された。図６は
、欠陥部と無欠陥部での周波数スペクトル振幅差を示す
模式図である。Ａは欠陥部、Ｂは無欠陥部であり、両欠
陥のスペクトル振幅差は、約２７ｄＢが得られ、明瞭な
欠陥判定が可能であった。なお、実施例では、横波共振
超音波を用いたが、縦波共振超音波でもよく、共振超音
波の次数も特に制限しない。

【００２７】被検材には、鋼板とコンクリートの合成構
造物を対象としたが、コンクリートのみならず、モルタ
ル、樹脂、ガラス、他金属など、他の異種材料を組合わ
せた構造材料や構造物にも適用できる。欠陥サイズ判定
にて、探傷に用いた共振超音波周波数のスペクトル振幅
を用いて説明したが、図４（ａ），（ｂ）に示した受信
信号生波形のプロフィールや、時間軸上で特定した時間
域の振幅をモニターしても、大略のサイズ判定は可能で
ある。周波数スペクトル分析方式は、ＦＦＴによるディ
ジタル方式でもアナログ方式のいづれを用いてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明による超音波共振
探傷方法および、装置を用いれば、金属板とコンクリー
ト、モルタルなど異種材料とを組合わせてなる構造材料
や構造物における金属板と異種材料の境界面に存在する
剥離、空洞欠陥あるいは、コンクリートなどの未充填部
位を、高感度でかつ、容易に探傷することが可能である
。

【００２９】また、本発明になる探傷方法では、探傷の
初期手順において、適用する最も有意な共振超音波の波
動モード（縦波又は横波）および、次数を周波数スペク
トル成分中から選定して欠陥探傷を行うため、被検材と
超音波探触子のカップリング状態の微小変動、被検材の
表面状況（表面粗さやスケールなどによる）の微小変化
、被検材内の異種材料の境界面の微小変動などの影響が
小さい良好な探傷性能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波共振探傷方法の原理および
装置構成の説明図である。

【図２】従来の超音波探傷法の例であり、（ａ）は垂直
・パルス反射法、（ｂ）は共振法、（ｃ）は透過法の原
理の説明図を示す。

【図３】物質の境界面における超音波伝播挙動の説明図
である。

【図４】（ａ）は、境界面が無欠陥である場合の受信超
音波信号波形の模式図である。 （ｂ）は、境界面に欠陥があった場合の受信超音波信号
波形の模式図である。

【図５】受信共振超音波信号の周波数スペクトル分析グ
ラフの模式図である。

【図６】欠陥と無欠陥部での周波数スペクトル振幅差を
示す模式図である。

【符号の説明】

１　　　　超音波探触子 ２　　　　被検材 ３　　　　反射超音波 ４　　　　内部欠陥 ５　　　　超音波探触子 ６　　　　共振超音波 ７　　　　送信用超音波探触子 ８　　　　透過超音波 ９　　　　受信用超音波探触子 １０　　被検材 １１　　金属板 １２　　コンクリート、モルタルなど異種材料１３　　
境界面 １４　　欠陥 １５　　共振超音波 １６　　広帯域超音波探触子 １７　　可変周波数形発振器 １８　　受信増幅器 １９　　表示器 ２０　　ゲート回路 ２１　　周波数スペクトル分析器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　金属板とコンクリートなどの異種材料
   を組合わせてなる境界面を内在した被検材の金属板側か
   ら、適正な周波数範囲と波数を制御した送信波を広帯域
   超音波探触子を介して連続的に送・受信し、該金属板内
   で発生する最も有意な共振超音波の受信信号波形および
   周波数スペクトルをモニターして、被検材内の境界面に
   存在する欠陥を検出することを特徴とした超音波共振探
   傷方法。
2. 【請求項２】　　金属板とコンクリートなどの異種材料
   を組合わせてなる境界面を内在した被検材に超音波を送
   ・受信するための広帯域超音波探触子と、該探触子に加
   える送信波の周波数範囲と波数を連続的に可変できる発
   振器と、被検材内からの反射超音波受信信号を増幅する
   広帯域受信増幅器と、該受信信号を時間軸上で適正な幅
   で切り出すゲート回路と、ゲートからの出力信号の周波
   数スペクトルを分析する周波数スペクトル分析器と、超
   音波受信信号波形と該信号の周波数スペクトルを表示す
   る表示器とからなる超音波共振探傷装置。