JPS6319823B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 環状断面の少なくとも一部分を有する対象物
内の不規則性を検知するための超音波傷検知器で
あつて、 (a) 超音波エネルギーを前記対象物に送るための
変換器であつて、 前記超音波エネルギーを半径方向でなく、前
記対象物の横断面のどの点においても実質的に
等しい入射角で対象物に当てるため、伸開線に
より画成される超音波エネルギー放射面を有す
る変換器と、 (b) 前記超音波エネルギー放射面を協働する第１
表面及び前記対象物の外表面と協働する第２表
面を有する超音波伝達手段と、 (c) 前記超音波信号を、前記対象物に存在する不
規則さに関連付けるための解析手段と、 から成り、 前記伸開線は、中心が調査される対象物の軸線
と一致する円形縮閉線により特徴付けられるとこ
ろの超音波傷検知装置。

２ 請求の範囲第１項に記載された超音波傷検知
装置であつて、 前記変換器が、検知−送信用圧電性結晶から成
る超音波傷検知装置。

３ 請求の範囲第１項に記載された超音波傷検知
装置であつて、 前記超音波伝達手段が、ルーサイト製くさびか
ら成る超音波傷検知装置。

４ 請求の範囲第１項に記載された超音波傷検知
装置であつて、 前記第２表面と前記対象物の外表面とを超音波
的に結合させるための流体を供給するための手段
を更に含む超音波傷検知装置。

５ 環状断面を有する対象物内の不規則性を検知
するための超音波傷検知器であつて、 (a) 超音波エネルギーを前記対象物に送るための
変換器であつて、 前記超音波エネルギーを半径方向でなく、前
記対象物の横断面のどの点においても実質的に
等しい入射角で対象物に当てるための超音波エ
ネルギー放射面を有し、 該放射面が、縮閉線から画成される伸開線上
の３点を通る円の弧から成る、 ところの変換器と (b) 前記超音波エネルギー放射面と協働する第１
表面及び前記対象物の外表面と協働する第２表
面を有する超音波伝達手段と、 (c) 前記超音波信号を、前記対象物に存在する不
規則さに関連付けるための、前記変換器に付設
された解析手段と、 から成る超音波傷検知装置。

６ 請求の範囲第５項に記載された超音波傷検知
装置であつて、 前記変換器が、検知−送信用圧電性結晶から成
る超音波傷検知装置。

７ 請求の範囲第５項に記載された超音波傷検知
装置であつて、 前記超音波伝達手段がルーサイト製くさびから
成る超音波傷検知装置。

８ 請求の範囲第５項に記載された超音波傷検知
装置であつて、 前記第２表面と前記対象物の外表面とを超音波
的に結合させるための流体を供給するための手段
を更に含む超音波傷検知装置。

９ パイプ又はパイプ溶接領域のような、軸線を
画成し少なくとも円筒形の一部分を有する外表面
を形成する製品を走査する方法であつて、 (a) 超音波放射表面を有する超音波変換器を製品
に配置する工程であつて、 その放射表面は、中心が前記軸線と一致する
円形母曲線により画成される伸開線から成り、 前記伸開線と協働する第１表面及び前記外表
面と協働する第２表面を有する超音波伝達手段
が、前記超音波エネルギーを半径方向でなく、
前記製品の横断面のどの点においても実質的に
等しい入射角で製品に当てるために、前記超音
波変換器と前記製品との間に挿入される、 ところの工程と、 (b) 超音波エネルギーを与えるための電気信号に
より前記変換器を律動する工程と、 (c) 前記製品からの前記エネルギーの反射と前記
製品内の不規則さとを関連付ける工程と、 から成る方法。

１０ 請求の範囲第９項に記載された方法であつ
て、 前記伝達手段がルーサイト製くさびから成り、
前記配置工程が圧電性結晶から成る超音波変換器
を配置することである方法。

１１ パイプ又はパイプ溶接領域のような、軸線
を有するほぼ円筒形の外表面を有する製品を走査
する方法であつて、 (a) 超音波放射表面を有する超音波変換器を製品
に対して配置する工程であつて、 その放射表面は、中心が前記軸線と一致する
円形母曲線により画成される伸開線上の３点を
通る円の弧から成る、 ところの工程と、 (b) 前記超音波のエネルギーを半径方向でなく、
前記製品の横断面のどの点においても実質的に
等しい入射角で製品に当てるために、前記放射
面と協働する第１表面及び前記外表面と協働す
る第２表面を有する超音波伝達手段を挿入する
ことにより前記超音波変換器と前記製品とを結
合する工程と、 (c) 製品に送信される超音波エネルギーを生じさ
せるための、繰返し電気信号で前記変換器を律
動する工程と、 (d) パイプと変換器とを相対的に移動させる工程
と、 (e) 前記製品内の内部構造の不規則性を示す密度
変化から反射した、製品内の超音波エネルギー
の反射に応答して生成された超音波変換器から
の電気信号を解析する工程と、 から成る方法。

技術分野 本発明は、パイプ又は同様な構造物内の異常を
測定するための超音波傷検知装置に関する。パイ
プのような対象物を非破壊的に超音波で検査する
ことはよく知られている。そのような検査では、
超音波ビームのエネルギーが、変換器によつて対
象物に送られ、その対象内の内部構造からの反射
又はエコーを検知することで、その内部構造の特
徴を明確にする。

特に、圧電性結晶が電気エネルギー信号でパル
ス的に律動されると、その電気パルスによつて超
音波が放射される。超音波信号が経路内にある対
象物から反射し、圧電性結晶に戻ると、その結晶
が応答し、電気信号を発生することも知られてい
る。従つて、超音波信号を、内部構造に関心のあ
る検査対象物の中に送り込むこと、及びその対象
物の内部構造からの反射から生じる結晶出力信号
からの情報を発展させることは可能である。

背景技術 パイプ又は他の円筒状の対象物の内部構造を検
査する超音波技術は、知られている。関心のある
対象物がパイプであり、そのパイプ内の関心のあ
る領域が長手方向に伸びた溶接領域であるときに
は、超音波信号をその溶接領域の長さ方向に沿つ
てではなく横切る方向でパイプに送り込むこと
は、パイプの溶接領域の内部構造を研究する際に
より効果的であつた。

パイプ又は円筒状の対象物の内部構造を測定す
るための機械の一例が、クラーク（Clark）等の
米国特許第3924453号で提唱されている。クラー
クの装置では、パイプへの超音波ビームの入射角
は、等しくない。こ々の超音波傷検知の技法の利
用では、傷の厳密さと反射信号の強度との相互関
係付けは、受信されたエコーの強度が距離の関数
として非単調に変化するので困難になる。

ウイツチングトン（Whittington）の米国特許
第3693415号で、円筒状の対象物に使用される、
超音波で傷を検知する他の形が、提唱されてい
る。ウイツチングトンの特許では、一連の超音波
変換器をパイプのまわりに円形に又は円筒状に配
列して使用しなければならないことを示唆してい
る。連続して変換器を律動させるための装置を設
けなければならない。その変換器は、超音波ビー
ムの適切なパルスがパイプの構造のある点に到達
し、その構造の中に入り、そのパイプ内の傷又は
不規則さによつて反射されるようにこのような配
列となつているものである。

更に、パーデイジヨン（Perdijon）による米国
特許第3916675号に、超音波で円筒状装置の内部
装置を検査するための他の方法が提唱されてい
る。パーデイジヨンの装置は、超音波変換器から
平行な超音波ビームを受信し、パイプ構造物の中
にこれらビームを反射する複雑な偏向手段を利用
している。パーデイジヨンの提唱は複雑であるの
で、偏向されたビームの入射角が適切な角度でパ
イプに衝突するような偏向手段を設計する際に、
多くの注意がはらわれなければならない。適切な
反射器の形にするのに必要な複雑な設計は異なつ
た大きさのパイプに対して繰り返さなければなら
ない。検知能力をいくらかでも変化させるのに
は、その複雑さは著しく増大させざるえない。

発明の開示 本発明は、内部構造に関心のある対象物の環状
断面を走査するための超音波傷検知器から成る。
新規な設計の超音波変換器を使用することで、超
音波エネルギーはその断面に侵入でき、その断面
は傷及び不規則さに対して完全に走査される。断
面内に傷が存在すると、超音波エネルギーはその
傷で反射し、この入射経路に沿つて変換器に戻
る。その変換器で、反射超音波エネルギーは電気
的エネルギーに変換される。超音波エネルギーを
開心のある環状断面の、その断面への入射角が実
質的に等しくなるように当ることで、走査の信頼
性は増大する。等しい角度でビームを入射させる
と、超音波が関心のある対象物に入射するとき
に、等しい角度でビームが屈折される。屈折角が
等しく、変換器の大きさが適切に決られると、超
音波ビームは環状断面の内部を完全に走査し、傷
を見逃されることがなくなるだろう。

入射角を等しくすることは、形状が伸開線の形
と一致するか又は実質的に一致する超音波変換装
置を利用することでおこなえる。伸開線とは、ぴ
んと張つた糸が曲線の中に巻きつくか、それから
ほどけるかにつれて、ある形状を描く糸の末端が
たどる曲線である。理論的には、超音波変換器の
表面は、一連の微小幅を有する平らな伸開線から
なるべきである。その一連の伸開線は、各々を加
え合わせると伸開面となるものである。しかし、
工学的に考えると、変換器を作る際には、利用さ
れるべき実際の伸開線のかわりに円の一部を使う
べきである。

実際の変換器の表面を設計する際には、理論的
伸開線上に３点を選び、これら３点を通る円を描
く。実際に構成される変換器は、本当の伸開線に
近い円の半径と一致する半径の円筒の断面から成
る。

幾何学的考察から、ある入射角で超音波ビーム
がパイプのような環状断面に入射するならば、伸
開線を母曲線（generating curve）又は円と一致
する縮閉線から作らなければならないことがわか
るだろう。伸開線を作る円形縮閉線の中心が、走
査されるパイプの軸線と一致しなければならない
こともわかるだろう。

本発明では、縮閉線の正確な形及び大きさ、す
なわち母曲線は、検査されるパイプの大きさを考
慮して決定される。縮閉線の半径を決定する際
に、どのような入射角で超音波ビームがパイプに
放射されるかを決定することは、非常に重要であ
る。パイプの半径及び入射角へのその２つの条件
によつて、適切な伸開線の形をした理論的変換器
の表面を作る一定の半径の縮閉線が決まる。理論
的な変換器表面から、円の一部と一致する準縮閉
線が選ばれ、その円から円筒状変換器表面が構成
される。

このような形状の変換器表面によつて、超音波
はパイプの表面上に入射角に等しいか、実質的に
等しく当る。パイプ構造物内で反射されると、こ
れら超音波は、ビームエネルギーを集中も分散も
させない経路で進行していくことになる。

等しい入射角はまた、より一様なエネルギーを
パイプに移す。超音波エネルギーの入射角を変え
ると、パイプに伝わるエネルギー量も変わること
は知られている。パイプ上に入射する波形がその
長さに沿つて入射角を変るならば、伝播波形はパ
イプを通つて伝わるエネルギーの量を変える。こ
の不一様なエネルギー分布は、信号の振幅にピー
ク及び谷を形成するパイプの傷からのエコー信号
を不一様にする。伸開線の変換器から来る放射性
のエネルギーが一定であると、ピーク及び谷が最
少化された応答信号を得ることができる。

一度構成された変換器表面は、適切な入射角が
保たれるように、パイプ構造物と適切な幾何学的
な関係が保たれなければならない。変換器表面と
パイプ表面との間にこのような適切な相関関係を
成し遂げるために、超音波ビームを伝えるくさび
構造物がパイプと変換器の間に置かれる。適切な
相関関係を成し遂げるために、そのくさび構造物
は２つの重要な表面を有するように設計される。
１つの表面はパイプ構造物と協働し、他の表面は
超音波変換器表面と協働する。変換器を構成する
ために用いられた同じ準伸開線は、１つのくさび
表面を形成するために使用され得る。他の面に対
しては、くさび構造物の第２表面とパイプと一致
させるために、そのパイプの外径を知ることのみ
が必要である。

変換器表面の形に課す制限に加えて、変換器構
造物の大きさに関して、１つの必要条件がある。
円筒の一部分からなる変換器表面の実施例におい
て、この大きさは、円筒の弧の円周の範囲若しく
は長さ又は弧が交差するπラジアンの数に起因す
る。

この制限を理解するために、パイプ構造物内の
超音波ビームの伝播を調べなければならない。一
度超音波ビームがパイプに入ると、そのビームは
外表面（もちろん、屈折角は、くさび及びパイプ
材の屈折率に依存する。）で屈折され、パイプの
内表面へと進行していく。この表面での入射角
は、実質的に全内反射となるようにする。十分に
減少されていないエネルギーを有する超音波ビー
ムは、外表面に再び送られ、再び実質的に全内反
射される。内反射は、ビームが徐々に減衰される
まで何回も行なわれる。

パイプ構造物内の傷を確実に検知するには、多
数の反射によつて、超音波ビームがパイプ内の関
心ある全断面を掃引しなければならないことはわ
かるだろう。準伸開線からなる表面が不十分な円
周の長さであるならば、超音波ビームが決して交
差しないパイプ構造物内の一部分が存在すること
が考えられる。このような理由のために、検査さ
れるパイプが、そのパイプ内の反射ビームによつ
て十分に掃引されることを保証する変換器の最小
の大きさが存在する。この最小の大きさを越えた
どのような大きさも余分であり、何ら有役な働き
をしないこともまたわかるだろう。超音波変換器
表面を組み立てる費用が、その変換器の大きさが
増加すると共に増加するので、この最小限の大き
さを過度に越えるべきではない。

超音波変換器と直接接触しているところ以外の
領域に関心があるならば、ルートサイト（又はプ
レキシグラス（商標））製くさび及び変換器表面
は、パイプ構造物の他の領域を試験するためにパ
イプ構造物のまわりで周辺にそつて動かすことが
できる。従つて、本発明はパイプ構造を完全に囲
む超音波変換器表面を設計することも、複雑な偏
向装置も必要としない。

従つて、本発明の１つの目的は、環状の対象物
の関心のある領域を完全に走査する、傷を走査す
る装置及び方法を提供することである。この発明
のこれら及び他の目的、特徴並びに利点は、以下
の詳細な記載と添付図面に関連した考察により明
らかになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、傷に対してパイプ断面を走査する超
音波傷検知器の斜視図である。

第２図は、パイプ断面と接触する超音波傷検知
器の断面図である。

第３図は、検査されるパイプの周辺で異なつた
位置にある２つの傷検知器を示す略示的断面図で
ある。

第４図は、前図で示されたパイプを走査するた
めに、円周の長さが十分にある傷検知器を示す。

第５図は、走査されるパイプの近傍で傷検知器
を保持している傷検知器組立体の、一部分に断面
となつている立面図を示す。

第６図は、第５図の傷検知器組立体のパイプか
らみた底面図を示す。

第７図は、超音波信号の送信及び受信を制御す
るための電子装置の略示電気回路図を示す。

発明を実施するための最良の形態 第１図は、パイプに沿つて置かれた本発明であ
る超音波傷検知器組立体を示す。パイプ１０は、
中心軸線１１及び縦長の溶接１４を有している。
溶接１４がパイプの長さに沿つてほとんど直線と
なつていることがわかるだろう。パイプは内表面
及び外表面１５，１７を有し、それらの空間は、
走査されるパイプの厚みである。

検知器を取り付けている組立体すなわち構造物
１６が、第１図で示されているようにパイプ１０
の頂上にある。この取り付け構造物は、パイプの
長さに沿つて、矢印Ａで示されている方向に、何
か適当な手段（図示されていない）によつて引つ
張られる。代りとしては、パイプ１０が、検知器
取り付け構造物１６に関して動かされる。という
のは、このことで相対的な動きがおこなえるから
である。

検知器取り付け構造物１６は、一対の端部品３
２を支える交差部材２６を有する張り出し装置で
ある。各端部材３２は一対の張り出しアーム２８
を有しており、第１図では、そのうちの３つのみ
が見える。各張り出しアーム２８は、張り出しロ
ーラ３０を支えている。回転可能な取り付けロツ
ド３４は２つの部品３２の間に伸びている。２つ
の検知器台アーム１８はこのロツド３４に取り付
けられている。

パイプと検知器が相対的に動くので、張り出し
交差部材２６は、４つの張り出しアーム２８を相
互にしつかり保持している。これとは反対に検知
器取り付けアーム１８は、ロツド３４に回転可能
に取り付けられ、検知器取り付け構造物がパイプ
表面にある小さな変化に会うときに回転するよう
に調節されている。検知器取り付け構造物１６が
矢印Ａで示された方向にパイプに沿つて引かれる
ので、張り出しローラ３０は溶接領域１４に関し
て相互に対称的に保持されている。従つて、その
構造物である組立体１６は、パイプの中心軸線１
１と溶接領域とで決定される平面がロツド３４を
二分割するように操作される。

２つの超音波変換器検知装置２０が、検知器台
アーム１８に取り付けられている。超音波検知装
置２０がパイプ１０に沿つて動くと、信号が、電
気連結線２２及び２３で略示的に示された２つの
手段によつて電子信号モジユール２４から送信さ
れる。モジユール内にある電子信号プロセツサが
信号を超音波変換器検知装置２０に送り、装置２
０は、検知器取り付け構造物がパイプに沿つて動
いて傷や欠陥に対する走査をするために、超音波
をパイプに送る。電子信号モジユール２４はま
た、パイプ構造物内からの反射信号を、これらの
信号がそのパイプ構造物内の密度変化によりはね
返り又は反響したときに、解析する。第７図を参
照してわかるように、適切な手段が電子信号モジ
ユールに接続され、欠陥や傷が見つけられた場所
でパイプに適当にマーク付けをおこなう。

変換器装置２０とパイプ１０との間の超音波的
な結合を確かにおこなうために、流体状の結合媒
体が２つのホース２１によつて与えられる。これ
らのホースは、典型的な層になつた水を与える。
その水は、装置２０とパイプ１０の間で、それら
を超音波の伝播のために結合される。

２つの向い合つて位置している変換器を使うこ
とで、各変換器は、他方の変換器からパルスを送
ることで試験され得る。このようにして、パイプ
と変換器との間の適切な連結が保証される。ま
た、ある傷が１つの変換器で検知することはむず
かしいと思われるが、第２の変換器への方向が異
なるために、傷はその第２変換器装置上に現れる
だろう。

第２図は、超音波傷検知器５０の略示図で、そ
の機械的な取り付け構造物は除かれている。その
傷検知器５０は、表面５２を有する超音波変換器
５１を有している。検知器５０はまた、表面５２
と協働する音波伝播くさび５４、変換器ハウジン
グ５６、及び変換器５１に接続されている電子連
結線５８を有している。

そのくさび５４は、パイプ６０の外表面６２と
直接接触して示されている。くさびは音波を伝播
させなければならないもので、商標ルーサイト
（Lucite）の名の下で市販されているような合成
アクリル酸樹脂で構成することができる。くさび
５４がパイプの外表面６２と直接接しているの
で、くさびは、パイプの曲率半径に対応した曲率
半径の表面を有している。

作動すると、第１図に略示的に示された信号モ
ジユールは、電気信号を電気連結線５８に沿つて
変換器５１に送られる。変換器はある材質から成
り、その材質は電気信号を受信すると、自らの表
面全体にわたつて超音波エネルギー波を生成す
る。超音波変換器が電気信号を電気信号モジユー
ルから受信すると、超音波エネルギービームは、
そのビームがパイプ上に当たるまで、くさび５４
を通過して伝播する。超音波エネルギーをエネル
ギー量として正確に述べるべきだが、説明のため
に、そのビームを、経路がほぼ直線となつている
多数のビーム成分に関連する断面上で考えよう。

超音波ビームは、パイプ６０に入射すると、そ
のパイプ表面の法線から離れるように屈折を受
け、そしてパイプを通過して進行し、パイプの傷
又は他の不規則さを調査する。傷又は不規則さが
見つけられると、超音波エネルギービームのエネ
ルギーは、その傷で反射され、その入射経路をた
どつて超音波変換器表面５２に戻る。

超音波ビームは変換器５１から直線状の経路に
沿つて進行し、パイプの外表面に当たる。破線７
０，７２，７４で示された典型的な入射ビーム要
素は、変換器５１から進行し、パイプの外表面６
２に沿つた外側の位置７６，７７，７８でパイプ
６０に衝突する。

典型的なビーム要素７０，７２，７４がパイプ
表面に当たると、それら要素は入射角A′，A″及
びＡを形成する。パイプ構造物の中に入ると、
個々の超音波ビームは屈折ビーム経路８０，８
２，８４に沿つて、パイプの表面の法線から離れ
て屈折し、屈折角S′，S″及びＳを形成する。こ
れら屈折ビームがパイプ６０の内表面６４上に位
置する内側点８６，８７，８８に到達するまで、
それらはパイプを通過して進行し、傷や不規則さ
に対して調査をする。内表面上のこの入射屈折角
が臨界角（臨界角の定義は当業者には知られてい
る。）よりも大きいと、ほぼ全内反射が生じ、そ
のビームは内側から外側表面に送られることにな
る。その臨界角は、パイプの屈折率及びパイプ内
に含まれる組成物に依存する。第１図に示された
配置では、その内部組成物は空気である。超音波
ビームは、ビーム強度が減少するといつた減衰が
徐々に生じるまで、パイプの内表面及び外表面で
連続してはね返される。

第２図で良くわかるように、超音波を生成する
変換器表面５２は、ほぼ伸開線から成る。母曲線
（generating curve）又は円５９で示されている
縮閉線がパイプと同軸に位置しており、パイプの
内表面６４よりも小さな直径である。変換器表面
５２は、その表面上のどの点に対してもその点へ
の仮想線が存在するように構成されている。この
仮想線とは、一点で且つその縮閉線に接する方向
で伸開線５９を交差する線である。変換器表面５
２の中央領域に一点５３を選ぶと、縮閉線５９を
点９２で交差する、表面５２への経路７２を引く
ことが可能である。経路７２は、半径９６に垂直
で、交差点９２への方向で縮閉線５９と交差す
る。同様に、変換器表面５２上の他の点５５及び
５７に対して点９０及び９４で且つ縮閉線５９に
接する方向で縮閉線５９と交差する垂直径路７０
及び７４が存在することもわかるだろう。

伸開線をなぞる１つの方法は、ひもを母曲線又
は縮閉線のまわりからそのひもの末端に鉛筆又は
他の記録するもの付けてほどく方法である。従つ
て、第２図を参照すると、ぴんと張つたひもを、
その末端に縛り付けられた鉛筆又は記録するもの
を付けて、縮閉線のまわりからほどく。ひもがほ
どかれると、ひもは経路７０，７２及び７４と一
致するだろう。そして、鉛筆は表面５２の断面で
ある伸開線を描くだろう。

パイプ６０と超音波ビームとの間の入射屈折角
A′，A″及びＡの大きさは、母円（generating
circle）又は縮閉線の大きさに依存するだろう。
縮閉線の半径９５がパイプの内表面の半径に近づ
くと、これらの入射角は増加するだろう。縮閉線
の半径９５がより小さくなると、入射角A′，
A″及びＡはより小さくなる。縮閉線５９の大
きさがパイプ軸の中心の点に近づいた極限では、
入射角は零に収縮し、典型的な射線である経路７
０，７２及び７４はパイプの外表面６２へと放射
状になる。

縮閉線５９が円からなる限り、その縮閉線５９
の大きさにかかわらず、入射角A′，A″及びＡ
が等しくなることを示すことができる。事実、円
状の縮閉線で描かれた変換器表面を有する変換器
によつて放射される超音波ビームのいかなる部分
も、パイプの環状断面にそのパイプの外表面に沿
つて等しい角度で当たるだろう。

この問題の証明は容易である。そうするために
は、第２図で示された２つ三角形が一致すること
を示すことが必要である。１つの三角形は、縮閉
線の中心９９、典型的な経路７０と縮閉線との接
点９０及びその経路７０がパイプの外表面７６と
交差する点によつて決めらた頂角を有している。
第２の三角形は、縮閉線の中心９０、その縮閉線
との第２接点９２及びパイプ外表面６２とその接
線との交点である第２点７７で決められた頂角を
有している。仮に、典型的な経路７０及び７２と
典型的な縮閉線の半径９５及び９６との間の角が
等しいとする。半径９５及び９６が同じ円の半径
であるから、これら２つの三角形の辺の長さは、
等しい。縮閉線９９の曲線から２つの交点７７及
び７６への距離もまた、それらが単にパイプ６０
の外径であるので等しい。従つて、上で定義され
た２つの三角形は、等しい２辺と等しい一角を有
し、従つて一致しなければならない。これは正し
いので、典型的な経路７２、その経路７２がパイ
プと交差する点７７におけるパイプの法線とで形
成される角度A′は、角A′に等しくなければなら
ない。その角A′は、第２の典型的な経路７０及
びその経路７０がパイプの外表面６２に当たる点
７６での法線とで形成される角度である。伸開線
から送られた典型的なビーム経路は、パイプ上
で、垂直ではないが等しい入射角で衝突すること
が、これで完全に証明できた。

入射角A′，A″及びＡが等しいと、本発明に
従つて作られた検知器は、パイプを完全に走査す
る。３つの典型的なビーム射線ある径路７０，７
２，７４を、それら径路がパイプに入るので、調
べることは有益である。これら典型的なビーム
は、点７６，７７，７８でパイプに入る。それら
の点は、パイプ６０の外表面６２のまわりに等し
い間隔にとられている。すなわち、低い点７６と
中央の点７７との間の円周距離は、その中央点７
７から最上の点７８への円周距離にほぼ等しい。

パイプに入射すると、超音波ビームは、パイプ
６０とくさび５４の屈折率が異なるので、屈折さ
れる。屈折により、典型的なビーム経路７０，７
２，７４はそれぞれ曲り、等しい屈折角S′，S″及
びＳを形成する。パイプ６０を横断し、典型的
なビームは経路８０，８２，８４をたどり、ほと
んど等しく間隔のあいた点８６，８７，８８で内
表面６４に当たる。従つて、低い位置８６と中央
位置８７との間の円周距離は、中央位置８７と上
方の位置８８との間の円周距離にほぼ等しい。従
つて、これら典型的なビームは、それらがパイプ
６０を貫通して進行したときに発散すること、又
は収束することなしにそれらの分離が保たれる。

適切な入射角が選ばれると、ビーム経路８０，
８２，８４は十分に大きな角度で内表面６４をた
たき、ほぼ全内反射する。第３及び第４図でわか
るように、これらの入射角が適切に選ばれると、
ビームはパイプに入り、それらが減衰する前に何
度も内側及び外側のパイプ壁で反射される。本発
明の一実施例として、33から45度の入射角が、最
も良結果をもたらす約35度の入射角で得られる必
要な成果を効果的に成し遂ることがわかつてい
る。前述したように、縮閉線又は母曲線の半径を
変えることで、所望の入射角を選択的に選ぶこと
は可能である。

前の成果の幾何学的証明及び議論はすべて伸開
線と一致する断面となる変換器表面に関する。工
学的な考察によれば、伸開線となる変換器表面を
構成する可能性を初めから排除しないけれども、
それら考察では伸開線に近似する変換器表面の使
用が提案される。実際に、第２図で選ばれた３つ
の点５３，５５，５７のような点が、実際の伸開
線に選ばれている。これら３点を使うと、実際の
伸開線に非常に接近した点を貫通する円を作るこ
とが可能である。その円は、円筒の断面を順に表
したものである。実際の変換器は円筒の一部分
で、その一部分の断面積は、最適な縮閉線の形と
一致する点を貫通する円の弧と一致する。この準
伸閉線又は円は正確に等しい入射角を形成しない
けれども、その結果は、傷又は不規則さに対して
溶接領域を十分に走査するために必要な程度の正
確さでもつて等しい角度に近づく。

第３及び第４図は、超音波走査をおこなうこと
が、変換器の物理的な大きさにいかに依存して変
化し得るかを示している。第３図の右方で示され
た超音波傷検知器は、第２図に描かれた略示を使
用して構成された傷検知器の略示図を示してい
る。それは、変換器ハウジンング１１２、信号ケ
ーブル１１１、くさび１２２及び表面１１６を有
する変換器１１５から成つている。ルーサイト製
くさび１２２は、内表面１６４及び外表面１６２
を有するパイプ１６０と協働する。図でわかるよ
うに、変換器表面１１６の辺は、パイプの弧の長
さと比較して小さい。変換器から伝播する超音波
ビームの幅は、２つの境界にある超音波ビーム１
１８及び１２０で示されている。

表面１１６から放射された超音波ビーム１２４
は、パイプ１６０の外表面１６２上の場所１２１
まで進行し、そこで屈折する。さらに、ビーム１
２４は、パイプ１６０を貫通して内表面上の場所
１２６まで進行し、そこではほぼ全内反射が生じ
る。同様の内反射がパイプの断面にそつた場所１
２８，１３０で生じる。生じ得るこれらの多重反
射を説明するために、図示された超音波ビーム
は、ビームが傷１００（その傷は、外表面１６２
と一点鎖線との交点にあるとする。）をたたく前
に５回内反射を受け、ルーサイト製くさびに再び
入る前に５回はね返る。

変換器１５は、圧電性結晶で構成されている。
この結晶は、それが音波の形で物理的エネルギー
を受信すると、それはそのエネルギーを電気信号
に変換するという特性を示すものである。従つ
て、その音波がその入射経路を再びたどり、変換
器１１５をたたくと、電気信号がケーブル１１１
に送られる。そのケーブル１１１は、その信号を
適当な電気信号モジユール（第３図に示されてい
ない）に伝えるものである技術的に知れた（そし
て記載される）電子診断方法で、パイプ内の傷１
００の存在及び場所を、反射信号の解析をおこな
つて推定することが可能である。

第３図の左方向に移動した傷検知器の、図から
わかるように、狭いビーム変換器表面は全パイプ
構造を十分には走査できないかもしれない。その
傷検知器１５０は、変換器１５２、信号ケーブル
１５１、ルーサイト１５３及び表面１５６を有す
る変換器１５５から成つている。表面１５６は、
比較的狭いビームを形成する最も外側の境界１６
６，１６８を有する超音波ビーム１６７を生成す
る。ビーム１６７は、外表面１６２上合の場所１
６１でパイプに入射し、そこで屈折する。ビーム
が内表面１６４をたたくと、全内反射（又は全内
反射に近い反射）が生じ、ビームはパイプの内部
に沿つて連続して進行する。しかし、ビーム１６
７の狭い幅のために、ビームは決して傷１００を
たたかない。代りにビームは、それが完全に減衰
するまでその経路にそつて進行し続く。

最初の場所で、検知器１１０が傷１００からの
反射信号を受信し、２番目の場所で検知器１５０
が、傷からの反射信号を受信しないことが、この
議論から明らかである。従つて、パイプ１６０に
対して非常に狭い幅の超音波信号が、パイプの内
部構造にある傷又は不規則さを見逃すかもしれな
い。

第４図に示されているように、本発明に従う超
音波傷検知器１８０を、パイプ１６０を完全に走
査できるほど大きな変換器１８９で構成すること
ができる。第４図に示されたパイプ１６０が第３
図で示されたパイプと同じ内表面１６２及び外表
面１６４を有していることに注意しよう。検知器
１８０は、変換器ハウジング１８４、ケーブル１
８６、ルーサイト製くさび１８８及び表面１９０
を有する超音波変換器１８９から成つている。３
つの典型的な超音波ビーム部分１９１，１９２，
１９３が、変換器表面１９０から現われ、それが
略示的に示されている。超音波ビームが縮めら
れ、第３図のビーム幅にほぼ等しい幅のビーム１
９２のようなものだけを生成すると、傷１００は
ビームがパイプを十分に走査しないために見逃さ
れるかもしれない。第４図に示された２つの外側
の界１９１，１９３によつて形成されるビームを
生成するために増加された幅をもつ変換器でもつ
て、傷の存在による密度のいかなる変化も、パイ
プ内のその位置にかかわらず、検知されるだろ
う。第４図でわかるように、２つの図示されたビ
ーム経路１９１，１９３のいずれかが傷１００を
たたき、反射される。その反射は、超音波変換器
に戻り、電子信号モジユール（第４図に図示され
ていない）によつて解析される。

２つの図示されたビーム経路１９１，１９３
は、パイプの大きさに対してビームが十分に走査
するための必要条件を示している。入射超音波エ
ネルギーの境界１９１内の点１９４で外表面１６
２から最初に反射された１つのビーム経路１９３
があれば、完全な超音波走査がおこなえるだろ
う。従つて、図示された経路１９１又は経路１９
３のいずれかが傷１００をたたくだろう。ビーム
の非収束及び非発散現象のために、それらビーム
は検知器１８０の近傍でパイプ１６０を完全に走
査し、それらがパイプのまわりの円周方向に進行
するので、連続して走査するだろう。

ある内径及び外径のパイプに耐対して、最適な
変換器の幅を決定することができる。パイプの厚
さが増加すると、変換器の幅も増加することは明
らかである。3/8インチ（0.95cm）の壁厚に対し
ては、そのパイプを傷に対して走査する変換器幅
が２インチ（5.1cm）と決定された。他のパイプ
厚さに対しては、パイプ内の傷又は他の不規則さ
に対して望み通り十分に走査するために選択され
た変換器を選ぶことが望ましい。工学的考察によ
つて、円の弧が真の伸開線のかわりに用いられる
ので、弧の円周の長さは、走査されるパイプの厚
さに調和するように変える。

本発明に従つた超音波変換器の取り付け方法
が、第５及び第６図に示されている。第５図は、
第１図に略示的に示された検知器取り付け構造物
の端面図である。

端部品２０２には、２つの円周にそつて伸びた
張り出しアーム２０４が設けられている。その張
り出しアーム２０４（左側）は、ロール用孔２０
６が、パイプ２１０との接触に対していかにロー
ラ２０８を支えているかを、部分断面図にされて
示している。ローラ２０８は、ロツドのような交
差部材２１２から成り、その部材２１２は張り出
しアーム２０４にある孔２０６の中に伸びてい
る。２つのベアリング２１４によつて、ローラ２
０８はロツドのような交差部材のまわりに回転す
る。張り出しアーム２０４は、第５図に示されて
いない他の３つの張り出しアームを代表したもの
である。

第５図の右側にある張り出しアーム２０４は、
超音波検知器取り付け装置２１６を示すために断
面となつている。この検知器取り付け装置は、検
知器取り付けアーム２１８に調節されて取り付け
られている。検知器取り付けアーム２１８は、ス
ロツトのあるアームで、１つしか図示されていな
いが、２つの検知器取り付けブラケツト２２０の
取り付けに役立つ。第５図に示されていない交差
部材が、その２つの検知器取り付けブラケツトを
保持している。そのブラケツトは、パイプの長手
方向に距離を離して固定されている。各取り付け
ブラケツトには螺刻されたネジ２２２が付設さ
れ、そのネジは検知器取り付けアーム２１８にあ
るスロツトを貫通している。

アーム２１８に関するブラケツト２２０の位置
は、螺刻されたノブ２２２と共働する螺刻された
ノブ２２４をネジ回すことなく調節できる。更
に、ノブは締つけワツシヤーに対しても働く。そ
のワツシヤーは、スロツトのあるアーム２１８と
摩擦力によつて接合する。ノブ２２４がゆるむ
と、アーム２１８と締めつけワツシヤーとの間の
摩擦力がなくなり、ブラケツト２２０は、検査さ
れるパイプのまわりに検知器取り付けアーム２１
８に沿つて動くことができる。適切な調節がおこ
なわれると、ノブ２２４は再び締つけられ、摩擦
力により接合が再びおこなわれる。ブラケツト２
２０の調節能力によつて、本発明を実施した超音
波検知装置は、いろいろな直径のパイプ上に調節
して取り付けられる。

検知器取り付けブラケツト２２０はピボツト２
２８を支承している。中間の取り付けブラケツト
２３０は、ピボツト２２８によつて枢動的に取り
付けられている。このピボツト装置によつて、中
間ブラケツト２３０は、ピボツト２２８の軸線
（第６図）のまわりに回転できる。超音波検知器
は中間ブラケツト２３０で取り付けられ、その超
音波検知器を取り付けるためのジンバル装置の一
部のように軸２３２のまわりで回転する。

支持部材２３４が中間ブラケツト２３０に枢動
的に取り付けられている。２つのシユー支持部材
２３６は支持部材２３４に接触している。各シユ
ー支持部材２３６は、内側部分２３８と外側部分
２４０を有するＵ形部材とから成る。これらの部
分は、複数の摺動シユー２４２をしつかりとシユ
ー支持部材２３６に保持するのに役立つ。これら
摺動シユー２４２はパイプ上に接して置かれてい
る。検知器取り付け構造物２００がパイプの長さ
方向に沿つて引かれると、これらシユーはパイプ
に沿つて摺動し、パイプに対して適切な関係で検
知器台を保持している。

各支持部材２３４は、中間ブラケツト２３０上
に摺動可能に取り付けられると、軸２３２に垂直
な軸２４４のまわりに回転できる。この回転軸
は、シユー支持部材２３６に対するジンバル装置
の第２番目の軸である。従つて、その部材は２つ
の軸のまわりに自由に回転できるので、支持２４
２はパイプの変化にかかわらず、パイプと接触で
きる。

超音波傷検知器は検知器台内に取り付けられて
いる。検知器台２５０はシユー支持部材２３６に
しつかりと付設されている。検知器ハウジング構
造物２５２は、検知器台２５０中に調節されて取
り付けられている。変換器ハウジング構造物２５
２の検知器台２５０に対する位置は、台のパイプ
に対する関係が超音波をパイプの中に等しい入射
角で送るために最適となるまで調節される。

一対の第１ネジ２５４は検知器台２５０の２つ
のスロツト２５６と共働する。これらのネジ２５
４は、変換器ハウジングにネジ込まれており、ゆ
るめることもできる。それらの位置は２つのスロ
ツトにそつてそれらを摺動させて調節される。

ルーサイト製くさび２６０が、変換器ハウジン
グに取り付けられた変換器とパイプとの間に挿入
されている。変換器のようなルーサイト製くさび
の形が、走査されるパイプに依存するので、くさ
びを取り除いて異なる形のくさびで取り替るため
の手段が設けられている。ルーサイト製くさび２
６０は、２つのサラネジ２６２によつて変換器ハ
ウジング構造物２５２に付設されている。

異なつた大きさのパイプを走査する場合には、
新しい変換器が適当な手段でハウジング２５２内
に取り付けられ、そのハウジングとその変換器が
相互に一定の物理的な関係に保持される。一対の
第１ネジを調節して変換器表面（第５図に示され
ていない）をパイプ２１０と適切な関係に保持す
る。このことがおこなわれると、検査されるパイ
プと同じ曲率半径を有する適切なルーサイト製く
さびが、サラネジ２６２によつてハウジング２５
２に付設される。

第６図は、パイプの表面からみた取り付け装置
２１６を示している。変換器ハウジング構造２５
２の両側に、５つの摺動シユー２４２がある。ル
ーサイトくさびを取り付けるサラネジがこの図か
ら見ることができないけれども、ルーサイト製く
さび２６０は変換器ハウジング構造物に付設され
ているのを見ることができる。水管２６４はルー
サイト製くさび２６０の両側に位置され、その管
を通つて水が放出される。この水は、ルーサイト
製くさび２６０をパイプ２１０と超音波的に結合
させるのに役立つ。典型的には、0.10から0.05イ
ンチ（0.254から0.127cm）の間隙がくさびとパイ
プ壁との間に保持されている。水がその水管から
出され、そのくさびとその壁との間を結合させる
ためにこの間隙に満される。この水は、加湿剤と
して働くエアゾルのような添加物を含んでもよ
い。

詳説されたことがらに対応する超音波変換器表
面２６６は、第６図に破線で示されている。第２
図の図は伸開線又は準伸開線のような表面を特徴
としているけれども、パイプ側からみると、矩形
変換器の１つである。そのより長い方の両側は、
実際の伸開線又は準伸開線の形である。その短い
方の両側は、パイプから見たときの線と、変換器
表面を見ることができ方向から見たときの線の両
方である。内表面と外表面が２インチ（5.1cm）
のパイプを試験するために使用された１つの実施
例として、この矩形変換器の大きさは１ 1/4×２
1/4インチ（3.18×5.72cm）である。

検知器取り付け構造物２１６がパイプに沿つて
進行すると、検知器台２５０内に取り付けられた
変換器は、溶接構造物内の不規則さに対してパイ
プを走査する超音波信号を放射する。この放射信
号のタイミングは、第１図の電子信号モジユール
２４で制御される。超音波変換器によつて信号の
送信及び受信を制御するために使用され得る典型
的な回路３００を説明するブロツク図が第７図に
示されている。回路３００は、電気連結線３０
６，３０８によつて２つの変換器３０２，３０４
に電気的に接続されている。これら２つの変換器
は、第１図に示されているパイプの両側に配置さ
れた変換器に対応している。

変換器は、パルサ回路３１０から送られる起動
信号によつて起動される。パルサ回路３１０は電
子信号モジユール内に置かれ、２つの変換器のそ
れぞれに接続されている。パルサから送られた電
気エネルギーは変換器によつて超音波エネルギー
に変換される。

放射された信号がパイプ構造物内の傷又は不規
則性ではね返されると、帰還信号すなわち反射信
号は変換器に当たり、電気信号に再び変換され
る。この帰還信号はケーブル３０６，３０８に沿
つて受信器回路３１２に戻る。これらの帰還され
た電気信号は受信器によつて処理され、ゲート回
路３１４又は３１６に送られる。そのゲート回路
は、信号を電気連結線によつて、パイプ内の傷又
は欠陥の存在を記録する記録装置に送る。第７図
に示された装置は、予備のある記録装置を有して
いる。その記録装置は、帯形記録装置及びパイプ
表面を傷のある位置に着色スポツトでマークする
ためのペイントマーカ３２２を含んでいる。

パルサ３１０から変換器３０２，３０４に送ら
れた信号は、減衰電圧正弦波で生じる電圧スパイ
クに似た電気パルスである。信号の減衰部分は回
路内の呼び出し信号のためにある。

２つの変換器を配置するために必要なことは、
パルサがそれらの起動信号を交互に変えて、一方
（例えば３０２）からの信号を確実にすることで
ある。その一方の変換器は、他方３０４によつて
超音波エネルギーの受信に逆に影響を受けない。
たとえば、両方の変換器がパルサ回路によつて同
時に起動したとすると、それら変換器はそれらが
溶接構造物内の傷又は欠陥からの反射信号を受信
するかどうか、又はそれらが２つの変換器の一方
からの伝播された波を単に受信したのかどうかわ
からないだろう。変換器を適切に連続して起動さ
せるために、パルス回路が、トリガ装置によつて
制御されるシーケンサーを有している。トリガ装
置は、パルサ内で時計又は参照時間として作動
し、シーケンサーは２つの変換器を交互に起動さ
せて、本発明の超音波を発生させる。

上述したようなパルサは技術的に知られてい
る。１つの市販された有用な装置は、モデル
TG1トリガ装置とモデルFSTシーケンサーを有
するクラウトクラマー−ブランソン・インコーポ
レイデツド（Krautkramer−Branson、Inc.）製
の装置である。この装置は、NE2電源モジユー
ルによつて付勢される２つのSD4送信器装置を使
用している。NE2又は同等の電源は、記載され
た電子信号モジユールの残りの要素に対してエネ
ルギーを与えるものである。

第７図に示してあるように、両方の変換器は、
受信器回路３１２に電気的に接続されている。受
信器３１２の２つの主な機能は、変換器３０２及
び３０４から信号を増幅させること及び成形する
ことである。溶接領域内の傷からの典型的な反射
信号によつて、変換器は適度に微弱な電圧のRF
信号の包絡線を生じる。つづく記録装置がこれら
の信号に応答するために、それらは十分に増幅さ
れなければならない。その記録装置３２０及び３
２２が最も都合よくパルス又はスパイクに応答す
るので、増幅されたRF包絡線もまた、ほぼ５マ
イクロ秒の信号パルスを達成するように形成され
なければならない。

この必要なパルスを達成するための回路は、技
術的に知られている。たとえば、クラウトクラマ
ー−ブランソン・インコーポレイテツド製のモデ
ルANS11及びANS1は、１つの典型的な受信器
回路で増幅器として作動する。TA1距離強度補
正回路もまた、パイプ内で減衰が自然に生じるた
めに反射ビーム強度における変化に対して自動的
に補正するために含めるべきものである。この
TA1回路はこの減衰に対して自動的に補正し、
従つてゲート回路３１４，３１６に対して一様な
信号を与える。

ゲート回路３１４，３１６は反射超音波エネル
ギーから信号を受信する。このことは、これらの
信号を生じさせる傷が溶接領域にあるかどうかに
関係ない。記載された実施例において、本来は溶
接領域内にある傷のみが、使用者にとつて関心が
ある。ゲート３１４，３１６は、溶接領域の外の
傷又は不規則さから到来する信号を締め出すのに
役立つ。このような性能は、パルスが溶接領域に
到着し、変換器に戻つてくる時間がどれだけかか
るかを知ることによつて達成できる。

第３図を考察すれば、溶接領域は、その図内に
示された欠陥１００を囲む２つの境界１７８，１
７９によつて示された範囲であつてもよい。超音
波ビームがパイプを通つてどれだけ素早く進行す
るかを知つて、それを利用すると、どの反射信号
も溶接領域の外から到来するにちがいない間に、
最初の遅延後のみ、信号が記録装置を起動させる
ように、第７図のゲート回路３１４，３１６をプ
ログラムすることは可能である。例えば、ゲート
回路が初期の信号で記録装置を起動させたなら
ば、第３図の境界領域１７９の右側での不規則さ
が検知されるだろう。これらの不規則さはこの応
用における使用者にとつてさほど関心事ではな
く、従つて、記録装置３２０又は３２２を制御さ
せることはない。左側の溶接の境界１７８での同
様の不規則さもさほどの関心事ではない。従つ
て、ゲート回路は作動して、反射信号が溶接領域
内から到来する間に短い期間だけ記録装置を起動
させる。

上述した能力を有するゲート回路は、クラウト
クラマー−ブランソン・インコーポレイテツド社
製のモデルNo.BL1である。この回路は調節可能
で、いろいろな直径のパイプを調査でき、パイプ
溶接構造物に関して変換器の位置を変ることがで
きる。説明のための一実施例としてBL1ゲート回
路が閉られると、信号は50マイクロ秒の間、記録
装置に到着することはできない。これらの回路が
開くと、反射信号は20マイクロ秒の間、記録装置
を起動させる。この20マイクロ秒の開いている間
に、反射信号は溶接領域を走査するであろうし、
使用者にとつて関心のあるものである。その時、
BL1は閉じ、帰還信号を無視する。この信号は溶
接構造物を越えた領域から到来したものであり、
従つて関心のないものである。

ゲート３１４，３１６が受信信号を記録装置に
送つている間中、それらゲートはまた作動して、
受信器から送られたパルスを成形し、長くする。
典型的な例として、受信器から送られた５マイク
ロ秒パルスは、30マイクロ秒パルスのように長く
してもよい。そのパルスは記録装置を動作し、制
御する。

第７図の回路は、溶接領域に傷があることを示
す一連の異なつたすべての記録装置を起動させる
ために使用することができる。第７図に示されて
いるように、装置３２０は、溶接構造物内の傷の
存在を帯形記録に恒久的に記録するために設けて
もよい。ゲート回路を着色マーキング装置３２２
に接続することも可能である。この装置３２２
は、溶接の傷の領域のパイプ上に点着色をさせる
ものである。視覚装置に取り付けられた陰極線管
もまた、製品にある傷を表示するものとして使用
してもよい。

このような結果をもたらすために、技術的に知
られた装置の例として、ペインテイング装置を起
動させるためにクラウトクラマー−ブランソン・
インコーポレイテツド製のTO1モデルを、帯形
記録器を起動させるために同社製のRV1モデル
を選ぶことができるだろう。同社製のPS1シーケ
ンサーもまた、傷の存在を示す直接読み取り可能
な信号を与えるためにオシロスコープCRT装置
として使用することができるだろう。

本発明は、特別な例で記載されているが、請求
の範囲内にある本発明の思想から逸脱することな
く、いろいろな変形及び交換ができることは理解
されるだろう。