JPH0584463B2

JPH0584463B2 -

Info

Publication number: JPH0584463B2
Application number: JP61104805A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nagai; Ichiro Furumura; Taiji Hirasawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-05-09
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1993-12-02
Also published as: JPS62261955A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は超音波探傷装置に係り、特に、被検体
として複雑に入りくんだ突出し部と凹部から成る
構造物、例えばタービンデイスクとタービン翼と
の嵌合部、所謂羽根植込部に発生する欠陥等を探
傷するに好適な超音波探傷装置に関する。（従来の技術）被検体として複雑に入りくんだ突出し部と凹部
から成る、タービンデイスクとタービン翼との嵌
合部である羽根植込部の超音波探傷は通常のＡス
コープ探傷では被検体形状に起因するエコーと欠
陥エコーとの分離識別が困難であるため、最近で
は被検体内部に超音波ビームを走査させその超音
波ビーム走査面に対応する被検体断面のＢスコー
プを表示させて探傷することが試みられている。その試みの一つである超音波探傷装置として第
９図に示すようなアレイ型探触子１を用いるもの
がある。この探傷装置のアレイ型探触子１は多数
の超音波振動子２を直線状に配列したものであ
り、任意の複数個の超音波振動２の選定と選定さ
れた超音波振動子それぞれの超音波送受信のタイ
ミングを所定時間ずらし、超音波送受信信号の位
相を制御することで超音波ビーム３集束及び偏向
を行ない電子的に超音波ビーム３の走査を行なわ
せるものである。したがつてこのようなアレイ型探触子１を用い
れば、送受信される超音波の主ビーム３を、例え
ば第９図に示すようにタービンデイスク４とター
ビン翼５とのデイスク側羽根植込部６の探傷領域
の全域について扇形走査せさることで、タービン
デイスク４の電子走査に対応したＢスコープ７が
第１０図に示すように表示され羽根植込部６の形
状エコーと欠陥エコーとがＢスコープ７の画像パ
ターンにより識別される。さらには第１０図ｂに示すＢスコープ７に対し
て、仮想される欠陥位置を包含する領域のウイン
ドウ８を設定し、それらウインドウ内エコーだけ
を選択的に表示することも試みられている。（発明が解決しようとする問題点）このような超音波探傷装置によればタービンデ
イスクとタービン翼との嵌合部であるいずれの側
にある羽根植込部においても、羽根植込部の形状
エコーと欠陥エコーとを識別して探傷すること
は、従来のＡスコープ探傷法にくらべ容易に行な
うことができる。しかしながら、羽根植込部の形
状エコー源と仮想される欠陥位置がアレイ型探触
子から見て比較的接近しているような場合には、
Ｂスコープ表示画像上では形状エコーと欠陥エコ
ーの識別が困難になる。従つて仮想される欠陥位
置へのウインドウの設定が欠陥の検出能へ微妙に
影響を与える。一方、アレイ型探触子をタービン
デイスクの円周方向に移送させながら羽根植込部
を探傷する場合、検査員がＢスコープ表示を常に
監視して探傷することは不可能であるから、前記
仮想欠陥位置へのウインドウ設定により、ウイン
ドウ内エコーを監視して探傷することになるが、
アレイ型探触子の位置精度や、被検体との接触状
態によるウインドウ内エコーレベルの変動等の影
響を受け、十分な探傷精度が得られないという問
題点がある。本発明は上記事情に鑑みてなされた
ものであり、被検体の突出し部と凹部が複雑に入
りくんだ形状部に発生した欠陥を探傷する場合に
欠陥エコーを容易に形状エコーと分離検出可能と
すると共に、エコーレベルの変動の影響を軽減
し、被検体全体の欠陥分布状況を容易にかつ高精
度に出力可能な超音波探傷装置を提供することを
目的とする。〔発明の構成〕（問題点を解決するための手段）第１図は本発明の超音波探傷装置のブロツク図
であつて、被検体外部に探触子を当接させて被検
体内部に発生した欠陥を探傷する超音波探傷装置
において、上記探触子内部に超音波を送受信可能
とする振動子２が直線状に配列されたアレイ型探
触子１を用いて被検体内部へ超音波ビーム３を振
動子配列方向に電子走査する電子走査手段１１と
前記アレイ型探触子１を被検体表面上で位相する
機械的走査手段１２と電子走査位置および機械走
査位置とそれら走査位置における前記被検体内部
からの超音波エコーの振幅および伝播時間（ある
いはビーム路程）情報を検出し、探傷データとし
て集録する超音波信号手段１３と、この情報を用
いて演算処理を行なう演算処理手段１４と、演算
処理によつて得られた探傷結果を出力する出力手
段１５とによつて構成した事を特徴とするもので
ある。（作用）このように構成されたものにおいては、あらか
じめ被検体と同一形状の標準試験体あるいは被検
体の特別な部位（通常では欠陥の無い健全部が用
いられる）を電子走査手段１１により超音波探傷
し、電子走査位置毎の超音波エコーの振幅および
伝幡時間（あるいはビーム路程）情報を超音波信
号集録手段１３により検出し、比較参照データと
して集録しておく、そして被検体の機械走査位置
毎に前記比較参照データの集録と同様にして被検
体の電子走査位置毎の超音波エコーの振幅および
伝幡時間情報を検出し探傷データとして集録する
と共に、演算処理手段１４により、前記参照デー
タとの比較演算を行ない、被検体の形状部からの
エコーと欠陥エコーを識別する。即ち、比較参照
データ集録時の探傷条件と被検体の探傷データ集
録時の探傷条件が同一であれば、検出される形状
エコーの電子走査位置及び、伝幡時間は比較参照
データと被検体探傷データとで同一となるので電
子走査位置及び伝幡時間毎に比較し、被検体探傷
データにおいて比較参照データで得られていない
エコーが欠陥エコーとして出力手段１５により出
力される。従つて機械走査位置毎に前述の操作を
繰り返すことにより被検体の欠陥位置分布を得る
ことができるものである。（実施例）以下本発明の一実施例を図面によつて説明す
る。第２図は本発明の超音波探傷装置によりター
ビン翼の羽根植込部の探傷を説明するための図で
あり、タービンロータ２０は軸方向に円板状のタ
ービンデイスク４が焼嵌により多数嵌合されてお
り、そのタービンデイスク４の外周に複雑なダブ
テール構造（羽根植込部と称する）で多数のター
ビン翼５が嵌合された状態で一組の回転架台２１
上に横置きされるが、回転架台２１の一方はその
内部のモーターにより回転ローラ２２を介してタ
ービンローターを回転駆動可能なように構成し、
他方は回転ローラ２２による支持だけとしてい
る。尚回転架台２１の回転駆動の起動・停止およ
び回転速度の調整が容易行ない得るよう配慮され
ていることはいうまでもない。さらにタービンロ
ータ２０の軸端部にはロータリエンコーダ等によ
る位置検出器２３取り付けが可能にされており、
タービンロータ２０の回転移動量が得られるよう
に構成されている。また、任意のタービンデイス
ク４とタービン翼５の嵌合部である羽根植込部６
の側面にアレイ型探触子を当接するための探触子
保持機構３０を固定する支持棒２４が固着された
移動台車２５はタービンロータ２０の下方に配置
されている。移動台車２５は容易に床面２６上を
移動および固定可能なように台車枠に車輪２７と
この車輪２７を床面２６から浮かせて固定するス
トツパー２７が取り付けられている。つぎに第３
図を用い前記探触子保持機構３０の構成を説明す
る。アレイ型探触子１にはその両端に設けられた
回動可能なピン継手３１，３２により２本のアー
ム３３，３４が連結されており、さらにこの２本
のアーム３３，３４はアームの軸方向にスライド
可能なスライド軸受３５，３６と連結されると共
に、アレイ型探触子１への押し付力が生じるよう
にコイルバネ３７，３８が装着されている。ここ
で片方のアームのスライド軸受３５は、それと直
角方向の探触子位置調整用スライド軸３９に固着
されている。もう片方のアームのスライド軸受３
６は前記探触子位置調整用スライド軸３９に回動
可能なピン継手４０により連結されている。ま
た、探触子位置調整用スライド軸３９は移動台車
２５と固着された支持棒２４の先端に固着された
スライド軸受４１と連結されており、タービンデ
イスク５とタービン翼４との嵌合部である羽根植
込部６の側面にアレイ型探触子１が当接し得るよ
うスライド可能にすると共に所定位置で固定でき
るようにスライド軸受４１に固定用ネジ４２を設
けている。このように探触子保持機構を構成する
ことで任意のタービンデイスク５とタービン翼４
との側面にアレイ型探触子１を密着可能にするも
のである。尚アレイ型探触子１およびコイルバネ
３７，３８は容易に交換可能なように配慮されて
いる。次に第４図を用い、前述のアレイ型探触子を用
いて超音波の送受信を行なうための超音波探傷装
置本体の構成を説明する。アレイ型探触子１内部
には超音波送受信可能な振動子２が直線状に多数
配列して成り個々の振動子２はそれぞれ送信パル
スを発生する超音波送信器群５１および超音波受
信器群５２と結合されており、この超音波送信器
群５１は遅延設定器５３からのパルス発生用トリ
ガ信号によつて全部のあるいは数個の送信器を選
定しそれぞれの対応する振動子２へ送信パルスを
送り、これに応答して振動子２が超音波を送波す
る。送波された超音波は、被検体内部で反射さ
れ、振動子２に到達する。この振動子２は超音波
の音圧変化に対応した電気信号を発生し、受信機
能を有するので、それぞれの振動子２で検出した
受信信号は、それぞれに対応する超音波受信器群
５２によつて増幅された後、それぞれに対応する
Ａ／Ｄ変換器５４へ入力される。このＡ／Ｄ変換器５４は超音波信号を高速でデ
ジタル信号に変換するものであり、受信波形を忠
実にデジタル量に変換することができる。また
Ａ／Ｄ変換器５４には、受信信号のデジタル変換
の開始用トリガ信号が、遅延設定器５３からそれ
ぞれ供給されている。このトリガ信号を受けた全
部のあるいは一部のＡ／Ｄ変換器５４はトリガ信
号の入力時点に同期して超音波受信波形がデジタ
ル信号化される。信号制御器５５は、遅延設定器５３に対して超
音波の送受信にかかわる振動子群を選択し、あら
かじめ設定した超音波ビームの送波および受波方
向、および集束点距離に応じたトリガ信号出力の
タイミングを与える。また、各Ａ／Ｄ変換器５４の出力は加算メモリ
５６にデジタル波形加算されて記憶される。すな
わちＡ／Ｄ変換器５４に一旦保持された超音波受
信号のデジタル波形はデジタル波形化された時点
をそろえて超音波受信時に選択された振動子群２
の受信信号がデジタル加算されて記憶されること
になる。これらの操作は信号制御器５５によつて
制御されている。加算メモリ５６の加算された受信波形は、信号
処理器５７に入力される。信号処理器５７はこの
加算波形を検波し、検波波形にすると共に、信号
制御器５５によりあらかじめ設定されている、超
音波の送受波位置および方向にもとづき掃引信号
をCRT等の表示器５８へ出力する。この時掃引
信号に同期して検波波形をも出力し掃引信号に輝
度変調をかける。このようにして信号制御器５５は超音波ビーム
の送受波位置、あるいは超音波ビームの方向を順
次変更して繰り返えすことにより、被検体内部を
電子的に走査が可能であり、かつ走査断面に対応
したＢスコープをCRT等の表示器５８に表示さ
せモニタ可能としている。また、信号処理器５５はゲート機能をも有し、
ゲート内の所定信号レベル以上の超音波信号波形
に対しそのピーク振幅値と伝幡時間を検出し、デ
ータ集録処理装置５９へ出力するよう構成されて
いる。一方、信号制御器５５はタービンロータの
回転移動量を検出する位置検出器２３からの出力
を受け超音波ビームの送受波位置と超音波ビーム
の方向データをデータ集録処理装置５９へ出力す
る。データ集録処理装置５９は信号処理器５７よ
り入力されたピーク振幅値と伝幡時間データおよ
び信号制御器５５より入力された超音波ビームの
送受波位置と超音波ビーム方向データを所定記憶
領域に格納する。データ集録処理装置５９は高速演算機能を有す
るコンピユーターにより構成されており、プログ
ラムによつて所定記憶領域に格納された前述のデ
ータを高速に演算処理が可能であり、その結果を
CRTプリンタ等の出力装置６０に出力する。このようにして、第２図、第３図、第４図に示
した超音波探傷装置は、タービンロータを回転さ
せながら、タービン翼の羽根植込部の側面に当接
させたアレイ型探触子によつて超音波ビームを電
子走査させ、得られた超音波エコーの集録と共に
演算処理可能なように構成したものである。次に上記構成の超音波探傷装置を用いてタービ
ン翼の羽根植込部を探傷する場合の作用について
説明する。第２図で示されたようにアレイ型探触
子１を取り付けた移動台車２５は、回転架台２１
上に横置されたタービンロータ２０の下方に移動
させて、アレイ型探触子１が概略検査対象タービ
ン翼４の羽根植込部側面に当接されるよう移動台
車２５の位置を調整した後、ストツパー２７によ
り固定する。概略、アレイ型探触子１の位置が設
定されたなら、第３図で示されたように探触子位
置調整用スライド軸３９を固定している。固定用
ネジ４２をゆるめアレイ型探触子１が羽根植込部
の所定位置に当接されるよう調整し固定用ネジ４
２により固定する。この時探触子位置調整用スラ
イド軸３９の上・下移動に対しアレイ型探触子１
は、その両端で連結されたアームのスライド軸３
３，３４がコイルバネ３７，３８によつて羽根植
込部側面に押し付けられる力を受けるタめ、常に
密着した状態で羽根植込部側面を摺動する。その
ため容易にアレイ型探触子１の位置合せが行ない
得ると共に、タービンロータ２０の回転時におい
ても良好な接触状態が得られる。次に回転架台２１を作動させ、タービンロータ
２０を回転させつつタービン翼羽根植込部側面に
当接されたアレイ型探触子１で超音波の送受信を
行なうが、この時信号制御器５５は位置検出器２
３より入力されたタービンロータ２０の回転移動
量を監視し、所定回転移動量毎に、遅延時間設定
器５３を作動させる。遅延時間設定器５３はあら
かじめ信号制御器５５により設定されている、モ
レイ型探触子１の超音波ビーム送受波位置およ
び、方向と集束位置データにもとづき、超音波送
信器群５１のそれぞれに送信パルス発生用トリガ
信号のタイミングを制御して出力される。それに
よつてアレイ型探触子１の超音波送信にかかわる
振動子の選定と共に超音波の送波が行なわれ、超
音波の干渉作用により所定方向への超音波ビーム
の偏向及び集束が制御される。一方、被検体内部
に送波された超音波ビームは被検体内部の欠陥あ
るいは形状部で反射し振動子に到達するので超音
波受信器群５２により受信し所定信号レベルに増
幅した後Ａ／Ｄ変換器５４へ出力する。Ａ／Ｄ変
換器５４は超音波受信号を高速にデジタル変換す
るが、この時、超音波の送波時と同様にして信号
制御器５５によりあらかじめ設定されているアレ
イ型探触子１の超音波ビーム送受波位置および方
向と集束位置データに基づいてＡ／Ｄ変換開始用
トリガ信号を遅延設定器５３よりＡ／Ｄ変換器５
４へ出力される。これにより超音波の受信にかかわる振動子の選
定と共に、超音波の受波タイミングが制御され、
Ａ／Ｄ変換器５４によつてデジタル波形化された
超音波受信号は加算メモリに入力されデジタル波
形化開始位置をそろえてデジタル加算され記憶さ
れる。従つて超音波波時の超音波干渉用と同じ効
果を受波時においても電気的な干渉作用により行
ないえるものである。次に、加算された超音波受信号波形は信号処理
器５７に入力され、受信号波形の検波が行なわれ
ると共に、表示器５８に対し、超音波ビーム送受
波位置及び方向のデータにもとづく掃引信号と共
に輝度信号として出力される。以上の一連の動作の制御は信号制御器５５によ
つて行なわれるが、第５図に示すように、アレイ
型探触子１の超音波ビーム送受波位置及び方向を
順次変更してくり返し行なうことで羽根植込部の
探傷が行なわれ、羽根植込部６の断面に対応する
Ｂスコープが表示器５８に表示される。一方、信号処理器５７はゲート機能を有してお
り、第６図に示した特定形状エコー及び仮想され
る欠陥位置からのエコーが含まれる領域G₁−G₂
にあらかじめ信号制御器５５によつて設定された
ゲート内の所定レベル以上の超音波信号波形に対
し、そのピーク振幅値及び伝幡時間を検出し、デ
ータ集録処理装置５９へ出力する。そして、デー
タ集録処理装置５９は、タービンロータ２０の所
定回転移動量毎に超音波送受波位置及び方向デー
タと共に所定記憶領域に格納する。次に、データ集録処理装置５９は、それら情報
にもとづき、第７図に示すような電子走査位置x_s
に対するピーク振幅値Ｐのグラフを演算処理によ
り求める。ここでアレイ型探触子１の基準点に対する電
子走査位置x_sは、超音波ビームの送受波位置Ｃお
よび方向θが既知であることから、反射エコーの
伝幡時間から反射エコー源Ｒのビーム路程ｌを求
めることで次式により算出できる。 x_s＝x_i＋ｌ・sinθ …(1) このようにして演算処理により求めた電子走査
位置x_sに対するピーク振幅値Ｐのグラフにおい
て、もし被検体に欠陥がなければ、健全部のそれ
と相似の曲線が常に得られ、欠陥のある部位では
その曲線に変化が生じる。従つて、あらかじめ健
全部の電子走査位置x_sに対するピーク振幅値グラ
フを参照データA1として求めておき、被検体の
それA₂と差分をとることで形状エコーと分離し
て欠陥エコーを抽出することができる。しかし、
実際の被検体の探傷時では、アレイ型探触子１の
基準点を被検体の基準Ｑに対して一定の位置関
係を保つことは困難であることから電子走査位置
x_sには常に△_xだけシフトする誤差が含まれてし
まう。さらにアレイ型探触子１を被検体に対し一
定の接触状態に保つことも困難でありそれによつ
てピーク振幅値も変動するため、何らかの補正を
行なう必要がある。そこで被検体の特定形状部
B₁，B₂，B₃のピーク振幅値データは常に検出さ
れており、その電子走査位置も概略予測されるこ
とから第図に示すように参照データA₁の同じ形
状部B₁，B₂，B₃のピーク振幅値データとそれぞ
れ相互相関を演算し、アレイ型探触子１の位置誤
差△_xを求め被検体の電子走査位置x_sを補正すれ
ば良い。すなわち、参照データA₁および被検体探傷デ
ータA₂における特定形状部B₁，B₂，B₃のピーク
振幅データの相互相関の演算する範囲をx_s1・x_s2
とすれば、その相互相関関数Ｃ（△_x）は次式によ
り与えられ、相関値のピークを示す位置が参照デ
ータA₁と被検体探傷データA₂の探触子位置誤差
△_xとして求められる。

【化】次に参照データA₁と被検体探傷データA₂との
ピーク振幅値の補正は、電子走査位置X_sについ
て最小自乗誤差範囲になる振幅補正係数ｍを下式
により求めて行なわれる。

〔発明の効果〕

本発明にかかる超音波探傷装置は、探触子は超
音波振動子を直線上に多数配列したアレイ型探触
子であつて、超音波ビームを振動子配列方向に電
子走査する手段と、前記アレイ型探触子を被検体
表面上で移送する機械的走査手段と、電子走査位
置及び機械走査位置とそれら走査位置における前
記被検体内部からの超音波エコーの振幅及び伝播
時間情報を検出して集録する手段と、それら情報
を用いた演算処理により被検体の形状部からのエ
コーと欠陥部からのエコーとを識別する演算処理
手段と、その演算処理結果にもとづく探傷結果を
外部に出力する手段とを具備し、上記演算処理手
段は、予じめデータとして集録しておいた欠陥の
ない被検体における探触子の機械的走査位置およ
び探触子から受信した超音波ビームの振幅値の情
報を呼び出し、これら呼び出した情報にもとずい
て欠陥のある被検体における探触子の機械的走査
位置および探触子から受信した超音波ビームの振
幅値の実情報に補正を加えたものであるから、正
確にしてかつ安定な欠陥エコーだけを抽出でき、
羽根植込部全体の欠陥位置、方向性、大きさ等を
容易に知り得るので複雑形状部を有する羽根植込
部等の被検体の自動探傷に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第８図はいずれも本発明の実施例に
係わる超音波探傷装置を説明するための図であつ
て、第１図は超音波探傷装置の全体の構成を示す
ブロツク図、第２図は超音波探傷装置の機械走査
手段を説明するための図、第３図は超音波探傷装
置のアレイ型探触子の保持機構を説明する図、第
４図はアレイ型探触子を用いて超音波探傷を行な
う超音波探傷装置本体を説明するブロツク図、第
５図は超音波探傷装置を用いてタービン翼の羽根
植込部の探傷を説明する図、第６図は超音波探傷
によつて得られるエコーを示す図、第７図は超音
波探傷装置のデータ集録を説明する図、第８図は
超音波探傷装置の演算処理を説明する図、第９図
は従来の超音波探傷装置を説明する図、第１０図
は電子走査によるスコープを示す図である。１……アレイ型探触子、２……振動子、３……
超音波ビーム、４……タービンデイスク、５……
タービン翼、６……羽根植込部、７……Ｂスコー
プ、８……ウインドウ、１１……電子走査手段、
１２……機械走査手段、１３……超音波信号集録
手段、１４……演算処理手段、１５……出力手
段、２０……タービンロータ、２１……回転架
台、２３……検出器、２４……アレイ型探触子支
持棒、２５……移動台車、３０……アレイ型探触
子保持機構、３１，３２，４０……ピン継手、３
３，３４，３９……スライド軸、３５，３６，４
１，スライド軸受、３７，３８……コイルバネ、
５１……超音波送信器群、５２……超音波受信器
群、５３……遅延設定器、５４……Ａ／Ｄ変換
器、５５……信号制御器、５６……加算メモリ、
５７……信号処理器、５８……表示器、５９……
データ集録処理装置、６０……出力装置、Ｆ……
欠陥、Ｇ……ゲート位置、……アレイ型探触子
基準位置、Ｑ……羽根植込部基準位置、Ｃ……超
音波ビーム送受波位置、θ……超音波ビーム方
向、ｌ……超音波ビーム路程、x_s……電子走査位
置、A₁……参照データ、A₂……被検体探傷デー
タ、Ｃ（△_x）……相互相関値、△_x……アレイ型
探触子位置誤差、A₂′……補正後の被検体探傷デ
ータ、Ｄ……差分データ。

Claims

【特許請求の範囲】

１被検体外部に探触子を当接させ、この探触子
から被検体内部へ超音波を送受信して被検体内部
の欠陥を探傷する超音波探傷装置において、前記
探触子は超音波振動子を直線上に多数配列したア
レイ型探触子であつて、超音波ビームを振動子配
列方向に電子走査する手段と、前記アレイ型探触
子を被検体表面上で移送する機械的走査手段と、
電子走査位置及び機械走査位置とそれら走査位置
における前記被検体内部からの超音波エコーの振
幅及び伝播時間情報を検出して集録する手段と、
それら情報を用いた演算処理により被検体の形状
部からのエコーと欠陥からのエコーとを識別する
演算処理手段と、その演算処理結果にもとづく探
傷結果を外部に出力する手段とを具備し、上記演
算処理手段は、予じめデータとして集録しておい
た欠陥のない被検体における探触子の機械的走査
位置および探触子から受信した超音波ビームの振
幅値の情報を呼び出し、これら呼び出した情報に
もとずいて欠陥のある被検体における探触子の機
械的走査位置および探触子から受信した超音波ビ
ームの振幅値の実情報に補正を加えることを特徴
とする超音波探傷装置。