超音波による非破壊検査用試験プローブ群と同様の試験プローブおよび試験装置
本発明は、超音波による試験片の非破壊検査用試験プローブ１０に関する。試験プローブは、超音波音場を生成する超音波振動子２０を有する。超音波振動子は、遅延線本体１２に音響学的に結合される。遅延線本体は、試験片表面の試験片に超音波音場の結合を目的として取り付けられるために提供される。さらに、本発明は、試験プローブ１０を用いた超音波による試験片の非破壊検査用試験プローブ群および試験装置に関する。試験プローブの超音波振動子２０は、独立して制御可能な個別の振動子の大多数を有する。さらに、超音波振動子２０の個別の振動子を、中心ビームに回転対称な音波音場が生成されるように、正確な位相で制御するために備え付けられる制御ユニット５０が提供される。試験プローブまたは試験プローブ群、および試験装置は、音波の斜角導入、または湾曲した試験片表面領域上での利用に特に適している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による試験片の非破壊検査用試験プローブ、超音波による試験片の非破壊検査用試験装置、超音波による試験片の非破壊検査用試験プローブ群、および、本発明に係る試験プローブまたは試験プローブ群の利用に関する。本発明は、特に、湾曲した試験片の表面領域における音波の斜角導入に関する。本願において、検査される対象物は、簡単のために、「試験片」または「被試験ユニット」と指定される。
【０００２】
特に、本発明は、いわゆるDGS法の枠組み内の超音波試験の分野に関する。
【０００３】
DGS法（DGS＝Distance（距離）、Gain（増幅率）、Size（大きさ））は、従来技術から長い間知られている。DGS法は、本来、試験材料内で回転対称の音場を発生する平面で円形の垂直ビームプローブのために開発された。それは、試験片内にある実際の反射物（例えば、含有物、空洞、亀裂等）のエコー振幅の、円板反射器のエコー信号との比較に基づいている。いわゆるDGS線図を用いて、検査人は、等価リフレクターサイズ（ERS）を決定することができる。ERSは、実際の反射物のエコー振幅を、DGS線図に記録された円板反射器の曲線の配列と比較することで、実際の反射物の特性を明らかにするものである。これに関し、検査人が装置ゲインを選択することで、参照エコー（通例、後壁エコー）が予め決められたスクリーン高さを実現する。また、反射器エコーは、同じスクリーン高さへのゲイン調整によって調整される。参照エコーと反射器エコーとのゲイン差は、音響経路と同様にDGS評価に通じる。DGS法は、例えば技術標準（例えばEN 583-2を参照）によって予め定められた記録限界を超える試験片内の反射物を大きさによって区分するためによく使用される。超音波による試験片の非破壊検査に関する詳細、特にDGS法による試験片の非破壊検査に関する詳細は、Ｊ．クラウツクレーマー、Ｈ．クラウツクレーマー、超音波での材料試験、１９８６（第５版）、スプリンガー・パブリッシング・ハウス発行（ISBN 3-540-15754-9）の本の特に第１９．２章で学ぶことができる。
【０００４】
しかしながら、DGS法による最近の実証研究によれば、音波の斜角導入、または湾曲した試験片の表面領域の場合の音波の導入における測定のために、試験される円板反射器に期待されていた値に起因して、当初予想されたよりもずれが大きなことが分かった。これに関するずれの大きさは、使用される試験プローブの種類によって決まった。
【０００５】
本発明は、このようにして、特に音波の斜角導入、または湾曲した試験片の表面領域での音波の導入の場合における、非破壊材料試験用の試験プローブを特定することを課題としてきた。その試験プローブは、試験片内で形成される音場が、特にエコー信号のシンプルな解釈または評価を許容するように形作られている。さらに、試験プローブおよび制御ユニットとともに、試験装置が特定されるべきである。その試験装置は、同じ利点の実現を許容する。最後に、試験プローブの一群が特定されるべきである。その試験プローブ群の、試験片内の音場は、同様に簡易化した解釈性と評価性を許容する。最終的に、本発明に係る試験プローブまたは試験プローブ群、または本発明に係る試験装置の有利な応用が特定されるべきである。
【０００６】
この課題は、請求項１に係る試験プローブ、請求項１２に係る試験装置、請求項１９に係る試験プローブ群、および請求項２３に係る応用によって解決される。
【０００７】
平面領域の試験片に対する音波の導入の場合、この課題の解決策は、平面円形超音波振動子を備えたプリセット垂直試験プローブの音場、および、既知遅延線を、予め決められた遅延線と導入角とを備えた斜角導入変換器に数学的に伝達する提案に基づいている。この提案は、試験材料において、選択された導入角度の下で、プリセット垂直試験プローブと同じ音場を形成する。
【０００８】
その一方で、非平面の表面領域を有する試験片への音波導入が試験される場合、課題の解決策は、平面円形超音波振動子を備えたプリセット垂直試験プローブの音場、および、平面領域への音波の導入の場合の既知遅延線を、同様に垂直導入変換器に数学的に伝達する提案に基づいている。それは、遅延線本体の結合表面領域のデザイン、すなわち試験片と接触している領域で伝達され、それに対し、試験片の非平面の表面領域が調節される。ここで、円筒形に湾曲した試験片の表面領域が典型的な方法で述べられる。それに関して、後述の変換器は、選択された試験片の非平面の表面領域の音波導入状況の下、平面領域への音波導入の場合のプリセット垂直試験プローブと同じ音場を試験材料内で形成するべきである。
【０００９】
遅延線については、水の問題でもあり、すなわち、試験プローブは、いわゆる浸漬技術法で使用される。
【００１０】
最終的に、同じ考察に基づき、試験片の非平面の表面にわたって音波を斜角導入する一般的場合の試験もまた可能である。
【００１１】
本発明に係る試験プローブは、音波の斜角導入での超音波による試験片の非破壊検査に提供される。それは、超音波音場の発生のために超音波振動子を有し、超音波振動子は遅延線本体に音響的に結合される。その領域の遅延線本体は、試験片に適合される超音波音場を試験片の表面領域の結合領域と結合するために提供される。この表面領域は平面でもよいし、湾曲していてもよい。一般に、遅延線本体の結合表面領域は、試験される試験片の形状に相補的な方法でデザインされる。
【００１２】
複雑な理論的および実験的な研究を背景として、適切な技術手段を通じて保障されれば、試験片内の反射体に起因する超音波信号の解釈がかなり改善され得ること、試験片に結合された後に試験プローブにより生成された超音波音場が、その主伝播方向を基準にして基本的に回転対称であることが現在明らかである。ここで、実際の回転対称が特に好ましい。しかしながら、「回転対称な」下での本発明との関連で、音場はまた理解されるべきである。音場は主伝播方向に関して回転対称性を有し、すなわち、例えば、１２０°（三回対称性）、９０°（四回対称性）、または６０°（六回対称性）での、主伝播方向の周りの回転により変換されることができる。
【００１３】
本発明によれば、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域は、平面手段には形成されない。特に、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域のデザインが選択されることで、超音波振動子の異なる地点から生じる要素波が、斜角導入または非平面の試験片の表面領域にわたる導入にもかかわらず、試験片内で円形振動子を備えたプリセット垂直試験プローブの場合のように振る舞うことができる。すなわち、試験片内で中心ビームに対して回転対称な同じ音場が形成される。
【００１４】
この問題は、フェルマーの原理および遅延線と試験材料との界面での反射の考察の下、すべての音波ビームに関して、平らな円形垂直ビームプローブから斜角ビームプローブまで、所定の遅延線長さおよび所定の導入角度とともに、飛行時間を伝達することで解決される。この計算は、近接場内であり得るすべての音波ビームに関して実行される。平面円形振動子の近接場は、中心ビームと円形振動子の周囲からのビームとの間の飛行時間の差がＴ／２であるという事実によって特徴づけられる。Ｔは超音波のサイクル継続時間である。こうすることにより、結果として生じるポイントの疑念は、斜角ビームプローブに関する新しい振動子の形状を明確にする。
【００１５】
上記の特定の状況は、連続的な超音波の場合にのみ全く本当であることが言及されなければならない。しかしながら、大抵の試験状況では、パルス状の超音波が使用される。実験的発見として、私たちは、本発明を背景として、パルス状の超音波の使用は、上記の特定の状況、標準的な近接場の状況から、わずかにずれる結果になるようにみえると報告することができる。このずれは、短超音波パルスの高分散度に相互に関連づけられ、実験的性質である補正率Ａを導入することにより説明される。通常は、Ａは０．８〜１の範囲内である。それゆえ、本発明に係る方法の全般的な正確さを改善するために、実験的に決定されなければならない各所定の試験プローブに関し、比例補正率Ａが導入される。あるいは、標準的な近接場長さ状況に頼る代わりに、前段落でさらに詳細に述べたように、パルス状の音場の評価に関する新しい種類の開始点が決定される。これは、上記の標準的な近接場状況とは異なるものである。パルスモードで稼働される所定の試験プローブの音場の数値シミュレーションが、かなり正確な音響軸の音圧の最新最大値の場所の決定を可能にすることが分かった。この場所は、その後、数字で表した近接場長さとして特定され、パルス状の超音波の特異性を説明する。第一アプローチは、簡易であるために利点がある一方で、後者は、本発明に係る方法およびプローブの実際の適用という優れた結果につながる。
【００１６】
本発明に係る試験プローブは、所定の導入角度の下で、および／または、試験片の非平面の表面領域にわたる音波の導入の場合に、試験片内の反射物の大きさの決定に特に適していることが明らかになった。
【００１７】
試験プローブによって生成される超音波音場の本発明に係る音場分布が、試験片内に完全に入った後に生成される、様々な技術概念が以下に述べられる。
【００１８】
大抵の応用において、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域が、音波導入平面において、Ｓ字型外形を有すれば、利点があることが証明されている。したがって、該平面は、音波導入平面といわれ、遅延線本体および超音波の結合場所での試験片表面領域の表面法線での超音波の主伝播方向によって決定される。
【００１９】
その一方で、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域が、導入平面で絶対最小値を有する関数で記載されるのであれば、導入平面に垂直が有利であることが証明されている。特に、この関数は、基本的に上方が開口した放物線に相当することができる。本願を背景として、これは、導入平面に位置する絶対最小値を有し、通例、上方が開口している関数の問題であることを意味するべきである。導入平面の付近では多くの場合、関数は、放物線関数によって、また必要であれば、さらに高次の多項式（偶数＝４次、６次など）によって、よく近似されることができる。
【００２０】
前述したように、試験片内に形成される超音波音場が、試験片内の主伝播方向に対して回転対称であれば、有利であることが証明されている。特に、これは、試験片内におけるビーム断面が円形であることを意味する。それでもなお、超音波音場の生成に使用される斜角ビームプローブの超音波振動子が円形でなければ、すなわち、円形の円周ラインを有さなければ、有利であることが証明されている。むしろ、通例、超音波振動子の円周ラインが回転対称を有さなければ、特に、円形でなければ、または、正多角形の形状を有していれば、好適であることが証明されている。
【００２１】
その部分上で、結合位置での試験片の表面領域の表面法線に傾いている中心ビームに対して回転対称な超音波音場の試験片内への受け入れに基づき、音波ビームにフェルマーの原理を適用して、対応する超音波振動子の最適な形および最適な円周ラインを決定することが可能である。これらは、遅延線本体の領域に適用され、その表面法線は、結合位置での試験片の表面領域の表面法線に傾いている。超音波試験の実施に際して、典型的な導入角度は２５°〜７５°であり、特に４５°、６０°および７０°である。ここで、所要の傾き角度が、最初の材料に依存する屈折の法則の適用を通じて生じる。例えば、試験片内の超音波音場のデータが、円形平面振動子を使用した垂直導入用の特定の試験プローブの超音波音場の計算から入手できる。この参考試験プローブの音場計算の場合における単純化のために、遅延線本体なしですまされる。参考試験プローブの計算された音場に基づき、ここで遅延線本体を備えた斜角導入試験プローブが試験される。例えば、それに糊付けされた遅延線本体の表面領域上に超音波振動子が配置される。さらに、試験片内において、斜角導入試験プローブの音場が、垂直導入参考試験プローブの音場に従うべきであることが規定される。すなわち、試験片内で、回転対称が、主伝播方向に関して、近接場の終端での主伝播方向の最新の音圧の最大値と同様に存在すべきである。言及した境界条件の下、斜角導入試験プローブの、参考試験プローブの振動子の平面配置からのずれが決定される。その結果、もはや平らではない、超音波振動子が取り付けられるべき遅延線本体の領域の形状が入手される。
【００２２】
加えて、たくさんの材料の組合せに関して表にされる遅延線本体の斜角導入−試験片結合係数が考慮されれば、正確さの第二の改良が得られる。
【００２３】
最終的に、多くの場合感じられるほどの、遅延線本体の音波減衰がさらに考慮される。それは、遅延線本体のいくつかの要素波の異なるルートのために、超音波振動子によって送られる音波の裂片のさらなるゆがみにつながる。また、これは計算を手段として考慮されることができる。
【００２４】
試験片内で回転対称として受け入れられた超音波音場の周辺ビームの試験から、実際の超音波振動子の円周ラインの精密な式が上述の方法でさらに決定される。
【００２５】
要するに、通例、超音波振動子の周波数と、遅延線本体および試験片内の音波の速度と、垂直試験プローブおよび斜角試験プローブの遅延線と、垂直試験プローブの円形振動子の直径と、導入角度とのパラメータを入力することを必要とするこの計算から、次のことが得られる。
・超音波振動子が適用されるあるいは適用されるべき、平面として受け入れられた遅延線本体の表面領域からの、対応する（二次元だが三次元に及ぶ）超音波振動子の空間的に分解されたずれ。
・試験片内へのプリセット斜角導入の場合の、試験片に結合後の超音波音場が試験材料内で主伝播方向に対して回転対称である、対応する振動子の周辺ライン。
【００２６】
このように、前述の工程段階により、例えば、接着により超音波振動子が音響学的に結合される（「振動子表面」）、遅延線本体の領域の訂正済みデザインが決定される。さらに、対応する超音波振動子の周辺ラインの具体的な形が決定される。これらの結果は、例えば、超音波振動子の製造に適している圧電性の材料または複合材料の平らな板または薄膜から、超音波振動子を調節されたデザイン、すなわち周辺ラインに切り抜くために即座に使用されることができる。例えばCNCマシニングといった、超音波振動子が音響学的に結合される、対応する遅延線本体の振動子表面の仕上げ加工を通じて、対応する超音波振動子の、平らな形状からの必須のずれが得られる。試験片および遅延線本体の予め定められた材料と同様に、遅延線本体の予め定められた形状、予め定められた超音波振動子周波数に関し、特定の対応する振動子の形状（周辺ライン、平らな形状からのずれ）を決定することは妥当であることが分かっている。しかしながら、これは、測定の正確さの要求が厳しい条件がより少なければ、必須条件ではない。具体的な例は、後に実行例に照らして説明される。
【００２７】
今まで、超音波振動子が使用される場合、個別の振動子一点の問題であるとみなされてきた。しかしながら、その代わりに、超音波振動子は、独立して制御可能な個別の振動子の大多数をまた有することができる。特に、そのような試験プローブは、例えば、個別の振動子が独立して設計された制御ユニットによって同相で制御されるときに、本発明に係る回転対称が試験片内で存在できるように形作られる。そのような形では、超音波振動子が結合される遅延線本体の表面領域は、今度は前述したように平面領域ではない。
【００２８】
広範囲に及ぶ研究の枠組みの中で、さらに、試験プローブの超音波振動子が独立して制御可能な個別の振動子の大多数を有すれば、振動子表面の形に関係なく、同程度の利点が実現されることが明らかになった。このような分割された超音波振動子を有する試験プローブを、正確な位相の超音波振動子の個別の振動子を制御するために備えられた制御ユニットと、試験プローブによって生成された超音波音場が試験片と結合後に、中心ビームに対して本質的に回転対称になるように組み合わせれば、このような試験装置により、本発明に係る利点が今度は実現される。前述の対応する二次元超音波振動子の平面形状からのずれは、例えば、超音波振動子の個別の振動子の等価で正確な位相制御によって実現される。このための必須条件は、試験装置の制御ユニットの十分な時間分解能のみである。しかしながら、通例、超音波振動子の個別の振動子の正確な位相制御は、前述の超音波振動子の周辺ラインの調節に取って代わらない。大抵の場合、これはさらに、試験片内での回転対称ビームプロファイルの達成を必要とする。
【００２９】
さらに、より好適な発展において、試験プローブによって生成された超音波音場の主伝播方向、すなわち中心ビームの方向が、少なくとも平面内で変化できるような方式で、正確な位相を備えた超音波振動子の個別の振動子を制御するために、本発明に係る試験装置の制御ユニットが備えられる。この「フェイズドアレイ（位相配列）」といわれる典型的な特徴は、先行技術で周知のように、本発明に係る試験装置でもまた実現される。通例、このような試験装置の試験プローブは、試験片内での個別の振動子の同相制御の場合に、主伝播方向が結合点で表面法線に傾いている（斜角導入）回転対称な音場が形成されるような方式で形成される。しかしながら、これは強制的な場合ではなく、また、個別の振動子の正確な位相（お互いに対して遅延された）制御が、所望の／予め定められた導入角度での斜角導入のために要求される。この導入角度の変更は、個別の振動子の既知の位相制御により可能である。
【００３０】
本発明に係る試験装置の好適なさらなる発展では、個別の振動子が二次元配列の形に並べられる。これにより、二次元配列の個別の振動子の正確な位相制御だけを通じて、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域を平面方式に形作ることができ、また、試験片内で主伝播方向に対して回転対称な超音波ビームの生成のために必要な調節が実現される。その結果、この個別の振動子の正確な位相制御は、通例、選択された導入角度に対して特異的である。
【００３１】
本発明に係る試験装置のもう一つの好適な実施形態では、超音波振動子の個別の振動子が直線配列の形に並べられている。そして直線配列の縦軸は、好ましくは導入面に配置される。
【００３２】
この実行例の利点のある第一実施形態では、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域は、平面方式で直線配列の縦軸方向に形作られる。試験片内での回転対称なビームプロファイルの生成のために、配列の個別の振動子は、選択された導入角度に特異的な個別の正確な位相方式で制御される。
【００３３】
利点のある第二実施形態では、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域は、すでに前述したように、平面形状からずれた直線配列の縦軸方向に形作られる。これにより、個別の振動子が同相制御される場合にも、少なくとも入射面での予め定められた入射角に関し、試験片内で所望の回転対称なビームプロファイルが得られる。
【００３４】
試験片内の所望の回転対称に関して最適な結果を得るために、超音波振動子が配置される、平面からずれている遅延線本体の領域の形は、前述したように導入面に垂直に計算され、遅延線本体の適切なデザイン／材料処理を通じて実現される。遅延線本体の表面領域のデザインもまた実際の導入角度によって決まるので、遅延線本体のデザインは、予め定められた導入角度の場合に、回転対称のビームプロファイルになるように有利に最適化される。この予め定められた導入角度は、例えば、直線配列のすべての個別の振動子の同相制御により直接与えられることができる。
【００３５】
この形状で、例えば配列の個別の振動子の対応する正確な位相制御によって導入角度が電子的に修正されれば、基本的に配列を有する遅延線本体の振動子表面のデザインは、この変えられた角度のために再び最適化されなければならない。しかしながら、ここで、意外にも試験片内で生じる所望の回転対称からのビームプロファイルのずれは小さく、（固有の）中心導入角度に関する、導入面に垂直な領域プロファイルの最適化は実際には通例満足できる結果につながることが明らかになった。異なるステアリング角による振動子の形の変化は、適宜に遅延法則を計算することによって、導入されることができる。
【００３６】
すでに説明したように、通例、遅延線本体−試験片結合係数は、遅延線本体での音波減衰と同様に（遅延線本体でのランレングスの変化のため）、導入角度によって決まる。この影響は、フェイズドアレイ試験プローブについては、配列の個別の振動子の送信振幅または／および受信振幅が独立して調節されるように、単純に補償される。
【００３７】
さらに超音波による試験片の非破壊検査のための同周波数の試験プローブ群は、有利であることが分かった。試験プローブ群は、第一導入角度での音波の導入のために提供される第一試験プローブと、第二導入角度での音波の導入のために提供される第二試験プローブと、第三導入角度での音波の導入のために提供される第三試験プローブとを含む（典型的な角度は、例えば、４５°、６０°および７０°）。試験プローブは、試験片内ですべての試験プローブの近接場において、試験プローブによって中心ビーム方向に生成される超音波音場が、基本的に他の試験プローブによってその中心ビーム方向に生成される超音波音場にしたがうという特徴を有する。好ましくは、すべての試験プローブがそれによって音波の斜角導入のために提供される。特に、すべての試験プローブが、前述の好適な実施形態の１つ以上にしたがって、好ましくは本発明に係る試験プローブに対応する。このような試験プローブ群は、いくつかの導入角度の下でのDGS法による試験片内の欠陥の大きさの決定に特に適している。
【００３８】
試験材料内の主伝播方向において、近接場の終端までの音響経路の長さが、基本的にすべての試験プローブについて一致していれば、試験プローブ群の試験プローブの特に単純な応用となる。
【００３９】
さらに、利点および特徴は、実行例と同様に、図面に基づいて以下に詳細に説明される従属請求項から生じる。後半の図は以下の内容を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る試験設定の略図である。
【図２】これまで受け入れられた円形または長方形の形状からの超音波振動子の周辺ラインのずれが明らかになる、本発明に係る試験プローブの超音波振動子の三次元描写を示す図である。
【図３】超音波振動子が配置される遅延線本体の振動子表面を通過した、入射面での切断部を示す図である。
【図４】先行技術から周知の平らな振動子表面を表す直線からの、図３からの交線のずれの目盛のある描写を示す図である。
【図５】入射面に垂直なこの領域を通過した切断部を示す図である。
【図６】これまで受け入れられた円形または長方形の形状からの超音波振動子の周辺ラインのずれが明らかになる、本発明に係る試験プローブの超音波振動子の二次元描写を示す図である。
【図７】第二実行例にしたがった本発明に係る試験プローブの超音波振動子の図である。
【図８】第三実行例の本発明に係る試験プローブの超音波振動子の図である。
【図９】本発明に係る試験プローブ群の２つの典型的な試験プローブを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明に係る試験設定１は試験プローブ１０を含む。試験プローブ１０は、その部分に遅延線本体１２を含む。遅延線本体１２は、例えばPlexiglas(R)（プレキシグラス）から製造される。図示された試験設定において、試験プローブ１０については、斜角試験プローブの問題であり、試験片１００内に超音波ビームを生成するために提供される。超音波ビームは、入射表面の法線から角度βだけ傾いている。したがって、遅延線本体１２は、結合表面１４を有する。結合表面１４では、試験プローブ１０の遅延線本体１２が試験片１００の表面領域１０２に取り付けられる。通例、試験プローブ１０の結合表面領域１４は、試験片表面領域１０２の形状に、その形状を調節される。これは従来技術から周知のことである。
【００４２】
適切な超音波振動子２０は、超音波振動子２０の遅延線本体１２への良好な音響結合がなされるように、遅延線本体１２の振動子表面１６に配置される。例えば、超音波振動子２０は、圧電セラミックからなり、振動子表面１６に接着される。振動子表面１６は、通例、試験片表面領域１０２の表面法線から角度αだけ傾けられる。超音波振動子２０は、独立して設計された制御ユニットで制御され、後者は制御ライン５６を介して接続される。通例、制御ユニット５０は、記録されたエコー信号、および、必要であれば、動作制御５４の大部分を介してある程度調節される装置調節の図形描写のためのディスプレイ５２を含む。それに関して、制御ユニット５０は、試験プローブ１０の制御としてパルスエコー技術で設定される。特に、制御ユニット５０は、いわゆるDGS法にしたがって試験片１００内の反射物の大きさを決定し、必要であれば、操作者のためにディスプレイ５２にそれをプロットするために提供される。制御ユニット５０が、本願の出願者の米国特許US 5,11,425号と同様にドイツ国特許DE 10 2008 037 173号、DE 10 2008 002 445号、またはDE 10 2008 002 450号の明細書に対応すれば、この関係で特別な利点が生じる。参照された特許出願の主題は、この参考文献により本願の開示範囲に完全に追加される。
【００４３】
次に図２は、本発明にしたがって最適化された超音波振動子２０の三次元描写を示す。これにより、超音波振動子２０の周辺ライン２２の、先行技術から最適なものとしてすでに周知である円形または長方形の形状からのずれが明らかになる。試験片内での要求される回転対称なビームプロファイルに基づいて、導入面での超音波振動子２０の、垂直な方向よりも明らかに大きな伸長が生じる。さらに、実際に入射面に対称な周辺ライン２２が生じるが、それは、振動子点Xに関して、あるいは、入射面に垂直なこの点を通過して走る面に関して、点対称ではない。最適化は、現実に近い値に対して、すなわち、遅延線の13.40 mm、計算開始点としての機能を果たす垂直導入円形超音波振動子の直径の13 mm、導入角度の60°、超音波周波数の2 MHz、遅延線本体内での音波速度の2.730 mm/μsec、および試験片内での音波速度3.255 mm/μsecに対して行われた。描写された振動子のグレースケールコーディングは無意味である。ここで試験された超音波振動子２０／試験プローブ１０の特有の大きさは、次の表から分かる。
【００４４】
ここに表を挿入。
【００４５】
図３は、本発明に係る試験プローブ１０の遅延線本体１２の振動子表面１６を通過した切断部であり、図２の振動子２０に基づいている。その切断は導入面で実行された。導入面は試験片内の超音波の伝播方向、および、超音波の結合点での試験片表面領域１０２の表面法線によって定義される。図３の破線は、先行技術の通常の振動子表面１６’の平面進行を表し、実線は、実際の表面進行１６を示す。×で示された点は、超音波振動子２０の中心ビームの出口点を示す。超音波振動子２０の×点が実線上にあるが、点×の両サイドで、平面進行からのずれが生じていることが明らかに分かる。したがって、振動子上の点×で垂直に立つライン（図示せず）は、遅延線本体１２内の中心ビームであり、その方向は、スネルの法則にしたがって導入角度βを決定する。
【００４６】
次に図４は、図３における試験プローブの最適化された振動子表面１６を通過する切断部を拡大した描写（適切な座標変換後）で示す。ここで、ｙ軸は、平面領域から計算された振動子形状のずれをmm単位で示す。明らかに分かるように、平面領域からのずれはわずかなミリメートルの範囲にのみ位置している、さらに、理想的な平面振動子表面１６’に基づいて、振動子表面１６の最適化された表面進行がS字形といえることが分かる。すなわち、図３で図示された切断線は、平面振動子表面１６’に基づいて、極大、極小およびその間に位置するターニングポイントを含むことが分かる。このような遅延線本体１２の振動子表面１６のデザインが、例えば遅延線本体１２の製造において機械的な方法で実現される。
【００４７】
図５は、入射面に垂直な方向で前述した実行例にしたがって試験プローブ１０の最適化された振動子表面１６を通過した切断部を示す。最適化はすでに定義された超音波振動子２０の点×で実行された。この切断部での表面輪郭の放物線進行は明らかであり、その中で、平面領域からのずれは、同様にわずかなミリメートルの範囲にのみ位置しているが、焦点がぼけた音波ビームにつながる。
【００４８】
図６は、図２で本発明にしたがって最適化された超音波振動子２０の目盛のある図を示す。その中で、図は点×で最適化された振動子表面１６に垂直に起こる。
【００４９】
すでに前置きの部分で説明されたように、超音波振動子２０は、個別の振動子として設計されることができる。しかしながら、直線配列の形で分割された方法で設計されることも可能であり、その中で超音波振動子２０は、個別の振動子２４の多数に例えば同じ幅で再分割される。このような直線配列は、図７で分かる。さらに、超音波振動子２０を二次元配列として設計することが可能である。これは、図８に基本的に同じ幅の部分として典型的な方法で示されている。
【００５０】
最後に、図９は、本発明に係る一組の試験プローブ１０を図式的に示す。この中で、第一試験プローブ１０．１については、斜角試験プローブの問題であり、固定の導入角β＝４５°に最適化され、超音波振動子２０は一点に設計される。第二試験プローブ１０．２についてもまた、試験プローブまたは音波の斜角導入の問題であるが、今度は固定の導入角度β’＝６０°に対するものである。したがって、試験プローブ１０．１および１０．２は、それらによって生成される超音波音場が、いずれの試験片についても、少なくとも近接場で基本的に一致し、各主伝播方向に対して好ましくは回転対称となるように、お互いに調節される。材料内の近接場の終端までの音響経路が、基本的に試験プローブ１０．１と１０．２との両方で等しいので、試験プローブ群が特に単純で扱いやすいものとなる。×で示された点は、中心ビームが各振動子２０、２０’を切断する点を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波による試験片の非破壊検査用試験プローブ、超音波による試験片の非破壊検査用試験装置、超音波による試験片の非破壊検査用試験プローブ群、および、本発明に係る試験プローブまたは試験プローブ群の利用に関する。本発明は、特に、湾曲した試験片の表面領域における音波の斜角導入に関する。本願において、検査される対象物は、簡単のために、「試験片」または「被試験ユニット」と指定される。
【０００２】
特に、本発明は、いわゆるDGS法の枠組み内の超音波試験の分野に関する。
【０００３】
DGS法（DGS＝Distance（距離）、Gain（増幅率）、Size（大きさ））は、従来技術から長い間知られている。DGS法は、本来、試験材料内で回転対称の音場を発生する平面で円形の垂直ビームプローブのために開発された。それは、試験片内にある実際の反射物（例えば、含有物、空洞、亀裂等）のエコー振幅の、円板反射器のエコー信号との比較に基づいている。いわゆるDGS線図を用いて、検査人は、等価リフレクターサイズ（ERS）を決定することができる。ERSは、実際の反射物のエコー振幅を、DGS線図に記録された円板反射器の曲線の配列と比較することで、実際の反射物の特性を明らかにするものである。これに関し、検査人が装置ゲインを選択することで、参照エコー（通例、後壁エコー）が予め決められたスクリーン高さを実現する。また、反射器エコーは、同じスクリーン高さへのゲイン調整によって調整される。参照エコーと反射器エコーとのゲイン差は、音響経路と同様にDGS評価に通じる。DGS法は、例えば技術標準（例えばEN 583-2を参照）によって予め定められた記録限界を超える試験片内の反射物を大きさによって区分するためによく使用される。超音波による試験片の非破壊検査に関する詳細、特にDGS法による試験片の非破壊検査に関する詳細は、Ｊ．クラウツクレーマー、Ｈ．クラウツクレーマー、超音波での材料試験、１９８６（第５版）、スプリンガー・パブリッシング・ハウス発行（ISBN 3-540-15754-9）の本の特に第１９．２章で学ぶことができる。
【０００４】
しかしながら、DGS法による最近の実証研究によれば、音波の斜角導入、または湾曲した試験片の表面領域の場合の音波の導入における測定のために、試験される円板反射器に期待されていた値に起因して、当初予想されたよりもずれが大きなことが分かった。これに関するずれの大きさは、使用される試験プローブの種類によって決まった。
【０００５】
本発明は、このようにして、特に音波の斜角導入、または湾曲した試験片の表面領域での音波の導入の場合における、非破壊材料試験用の試験プローブを特定することを課題としてきた。その試験プローブは、試験片内で形成される音場が、特にエコー信号のシンプルな解釈または評価を許容するように形作られている。さらに、試験プローブおよび制御ユニットとともに、試験装置が特定されるべきである。その試験装置は、同じ利点の実現を許容する。最後に、試験プローブの一群が特定されるべきである。その試験プローブ群の、試験片内の音場は、同様に簡易化した解釈性と評価性を許容する。最終的に、本発明に係る試験プローブまたは試験プローブ群、または本発明に係る試験装置の有利な応用が特定されるべきである。
【０００６】
この課題は、請求項１に係る試験プローブ、請求項１２に係る試験装置、請求項１９に係る試験プローブ群、および請求項２３に係る応用によって解決される。
【０００７】
平面領域の試験片に対する音波の導入の場合、この課題の解決策は、平面円形超音波振動子を備えたプリセット垂直試験プローブの音場、および、既知遅延線を、予め決められた遅延線と導入角とを備えた斜角導入変換器に数学的に伝達する提案に基づいている。この提案は、試験材料において、選択された導入角度の下で、プリセット垂直試験プローブと同じ音場を形成する。
【０００８】
その一方で、非平面の表面領域を有する試験片への音波導入が試験される場合、課題の解決策は、平面円形超音波振動子を備えたプリセット垂直試験プローブの音場、および、平面領域への音波の導入の場合の既知遅延線を、同様に垂直導入変換器に数学的に伝達する提案に基づいている。それは、遅延線本体の結合表面領域のデザイン、すなわち試験片と接触している領域で伝達され、それに対し、試験片の非平面の表面領域が調節される。ここで、円筒形に湾曲した試験片の表面領域が典型的な方法で述べられる。それに関して、後述の変換器は、選択された試験片の非平面の表面領域の音波導入状況の下、平面領域への音波導入の場合のプリセット垂直試験プローブと同じ音場を試験材料内で形成するべきである。
【０００９】
遅延線については、水の問題でもあり、すなわち、試験プローブは、いわゆる浸漬技術法で使用される。
【００１０】
最終的に、同じ考察に基づき、試験片の非平面の表面にわたって音波を斜角導入する一般的場合の試験もまた可能である。
【００１１】
本発明に係る試験プローブは、音波の斜角導入での超音波による試験片の非破壊検査に提供される。それは、超音波音場の発生のために超音波振動子を有し、超音波振動子は遅延線本体に音響的に結合される。その領域の遅延線本体は、試験片に適合される超音波音場を試験片の表面領域の結合領域と結合するために提供される。この表面領域は平面でもよいし、湾曲していてもよい。一般に、遅延線本体の結合表面領域は、試験される試験片の形状に相補的な方法でデザインされる。
【００１２】
複雑な理論的および実験的な研究を背景として、適切な技術手段を通じて保障されれば、試験片内の反射体に起因する超音波信号の解釈がかなり改善され得ること、試験片に結合された後に試験プローブにより生成された超音波音場が、その主伝播方向を基準にして基本的に回転対称であることが現在明らかである。ここで、実際の回転対称が特に好ましい。しかしながら、「回転対称な」下での本発明との関連で、音場はまた理解されるべきである。音場は主伝播方向に関して回転対称性を有し、すなわち、例えば、１２０°（三回対称性）、９０°（四回対称性）、または６０°（六回対称性）での、主伝播方向の周りの回転により変換されることができる。
【００１３】
本発明によれば、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域は、平面手段には形成されない。特に、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域のデザインが選択されることで、超音波振動子の異なる地点から生じる要素波が、斜角導入または非平面の試験片の表面領域にわたる導入にもかかわらず、試験片内で円形振動子を備えたプリセット垂直試験プローブの場合のように振る舞うことができる。すなわち、試験片内で中心ビームに対して回転対称な同じ音場が形成される。
【００１４】
この問題は、フェルマーの原理および遅延線と試験材料との界面での反射の考察の下、すべての音波ビームに関して、平らな円形垂直ビームプローブから斜角ビームプローブまで、所定の遅延線長さおよび所定の導入角度とともに、飛行時間を伝達することで解決される。この計算は、近接場内であり得るすべての音波ビームに関して実行される。平面円形振動子の近接場は、中心ビームと円形振動子の周囲からのビームとの間の飛行時間の差がＴ／２であるという事実によって特徴づけられる。Ｔは超音波のサイクル継続時間である。こうすることにより、結果として生じるポイントの疑念は、斜角ビームプローブに関する新しい振動子の形状を明確にする。
【００１５】
上記の特定の状況は、連続的な超音波の場合にのみ全く本当であることが言及されなければならない。しかしながら、大抵の試験状況では、パルス状の超音波が使用される。実験的発見として、私たちは、本発明を背景として、パルス状の超音波の使用は、上記の特定の状況、標準的な近接場の状況から、わずかにずれる結果になるようにみえると報告することができる。このずれは、短超音波パルスの高分散度に相互に関連づけられ、実験的性質である補正率Ａを導入することにより説明される。通常は、Ａは０．８〜１の範囲内である。それゆえ、本発明に係る方法の全般的な正確さを改善するために、実験的に決定されなければならない各所定の試験プローブに関し、比例補正率Ａが導入される。あるいは、標準的な近接場長さ状況に頼る代わりに、前段落でさらに詳細に述べたように、パルス状の音場の評価に関する新しい種類の開始点が決定される。これは、上記の標準的な近接場状況とは異なるものである。パルスモードで稼働される所定の試験プローブの音場の数値シミュレーションが、かなり正確な音響軸の音圧の最新最大値の場所の決定を可能にすることが分かった。この場所は、その後、数字で表した近接場長さとして特定され、パルス状の超音波の特異性を説明する。第一アプローチは、簡易であるために利点がある一方で、後者は、本発明に係る方法およびプローブの実際の適用という優れた結果につながる。
【００１６】
本発明に係る試験プローブは、所定の導入角度の下で、および／または、試験片の非平面の表面領域にわたる音波の導入の場合に、試験片内の反射物の大きさの決定に特に適していることが明らかになった。
【００１７】
試験プローブによって生成される超音波音場の本発明に係る音場分布が、試験片内に完全に入った後に生成される、様々な技術概念が以下に述べられる。
【００１８】
大抵の応用において、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域が、音波導入平面において、Ｓ字型外形を有すれば、利点があることが証明されている。したがって、該平面は、音波導入平面といわれ、遅延線本体および超音波の結合場所での試験片表面領域の表面法線での超音波の主伝播方向によって決定される。
【００１９】
その一方で、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域が、導入平面で絶対最小値を有する関数で記載されるのであれば、導入平面に垂直が有利であることが証明されている。特に、この関数は、基本的に上方が開口した放物線に相当することができる。本願を背景として、これは、導入平面に位置する絶対最小値を有し、通例、上方が開口している関数の問題であることを意味するべきである。導入平面の付近では多くの場合、関数は、放物線関数によって、また必要であれば、さらに高次の多項式（偶数＝４次、６次など）によって、よく近似されることができる。
【００２０】
前述したように、試験片内に形成される超音波音場が、試験片内の主伝播方向に対して回転対称であれば、有利であることが証明されている。特に、これは、試験片内におけるビーム断面が円形であることを意味する。それでもなお、超音波音場の生成に使用される斜角ビームプローブの超音波振動子が円形でなければ、すなわち、円形の円周ラインを有さなければ、有利であることが証明されている。むしろ、通例、超音波振動子の円周ラインが回転対称を有さなければ、特に、円形でなければ、または、正多角形の形状を有していれば、好適であることが証明されている。
【００２１】
その部分上で、結合位置での試験片の表面領域の表面法線に傾いている中心ビームに対して回転対称な超音波音場の試験片内への受け入れに基づき、音波ビームにフェルマーの原理を適用して、対応する超音波振動子の最適な形および最適な円周ラインを決定することが可能である。これらは、遅延線本体の領域に適用され、その表面法線は、結合位置での試験片の表面領域の表面法線に傾いている。超音波試験の実施に際して、典型的な導入角度は２５°〜７５°であり、特に４５°、６０°および７０°である。ここで、所要の傾き角度が、最初の材料に依存する屈折の法則の適用を通じて生じる。例えば、試験片内の超音波音場のデータが、円形平面振動子を使用した垂直導入用の特定の試験プローブの超音波音場の計算から入手できる。この参考試験プローブの音場計算の場合における単純化のために、遅延線本体なしですまされる。参考試験プローブの計算された音場に基づき、ここで遅延線本体を備えた斜角導入試験プローブが試験される。例えば、それに糊付けされた遅延線本体の表面領域上に超音波振動子が配置される。さらに、試験片内において、斜角導入試験プローブの音場が、垂直導入参考試験プローブの音場に従うべきであることが規定される。すなわち、試験片内で、回転対称が、主伝播方向に関して、近接場の終端での主伝播方向の最新の音圧の最大値と同様に存在すべきである。言及した境界条件の下、斜角導入試験プローブの、参考試験プローブの振動子の平面配置からのずれが決定される。その結果、もはや平らではない、超音波振動子が取り付けられるべき遅延線本体の領域の形状が入手される。
【００２２】
加えて、たくさんの材料の組合せに関して表にされる遅延線本体の斜角導入−試験片結合係数が考慮されれば、正確さの第二の改良が得られる。
【００２３】
最終的に、多くの場合感じられるほどの、遅延線本体の音波減衰がさらに考慮される。それは、遅延線本体のいくつかの要素波の異なるルートのために、超音波振動子によって送られる音波の裂片のさらなるゆがみにつながる。また、これは計算を手段として考慮されることができる。
【００２４】
試験片内で回転対称として受け入れられた超音波音場の周辺ビームの試験から、実際の超音波振動子の円周ラインの精密な式が上述の方法でさらに決定される。
【００２５】
要するに、通例、超音波振動子の周波数と、遅延線本体および試験片内の音波の速度と、垂直試験プローブおよび斜角試験プローブの遅延線と、垂直試験プローブの円形振動子の直径と、導入角度とのパラメータを入力することを必要とするこの計算から、次のことが得られる。
・超音波振動子が適用されるあるいは適用されるべき、平面として受け入れられた遅延線本体の表面領域からの、対応する（二次元だが三次元に及ぶ）超音波振動子の空間的に分解されたずれ。
・試験片内へのプリセット斜角導入の場合の、試験片に結合後の超音波音場が試験材料内で主伝播方向に対して回転対称である、対応する振動子の周辺ライン。
【００２６】
このように、前述の工程段階により、例えば、接着により超音波振動子が音響学的に結合される（「振動子表面」）、遅延線本体の領域の訂正済みデザインが決定される。さらに、対応する超音波振動子の周辺ラインの具体的な形が決定される。これらの結果は、例えば、超音波振動子の製造に適している圧電性の材料または複合材料の平らな板または薄膜から、超音波振動子を調節されたデザイン、すなわち周辺ラインに切り抜くために即座に使用されることができる。例えばCNCマシニングといった、超音波振動子が音響学的に結合される、対応する遅延線本体の振動子表面の仕上げ加工を通じて、対応する超音波振動子の、平らな形状からの必須のずれが得られる。試験片および遅延線本体の予め定められた材料と同様に、遅延線本体の予め定められた形状、予め定められた超音波振動子周波数に関し、特定の対応する振動子の形状（周辺ライン、平らな形状からのずれ）を決定することは妥当であることが分かっている。しかしながら、これは、測定の正確さの要求が厳しい条件がより少なければ、必須条件ではない。具体的な例は、後に実行例に照らして説明される。
【００２７】
今まで、超音波振動子が使用される場合、個別の振動子一点の問題であるとみなされてきた。しかしながら、その代わりに、超音波振動子は、独立して制御可能な個別の振動子の大多数をまた有することができる。特に、そのような試験プローブは、例えば、個別の振動子が独立して設計された制御ユニットによって同相で制御されるときに、本発明に係る回転対称が試験片内で存在できるように形作られる。そのような形では、超音波振動子が結合される遅延線本体の表面領域は、今度は前述したように平面領域ではない。
【００２８】
広範囲に及ぶ研究の枠組みの中で、さらに、試験プローブの超音波振動子が独立して制御可能な個別の振動子の大多数を有すれば、振動子表面の形に関係なく、同程度の利点が実現されることが明らかになった。このような分割された超音波振動子を有する試験プローブを、正確な位相の超音波振動子の個別の振動子を制御するために備えられた制御ユニットと、試験プローブによって生成された超音波音場が試験片と結合後に、中心ビームに対して本質的に回転対称になるように組み合わせれば、このような試験装置により、本発明に係る利点が今度は実現される。前述の対応する二次元超音波振動子の平面形状からのずれは、例えば、超音波振動子の個別の振動子の等価で正確な位相制御によって実現される。このための必須条件は、試験装置の制御ユニットの十分な時間分解能のみである。しかしながら、通例、超音波振動子の個別の振動子の正確な位相制御は、前述の超音波振動子の周辺ラインの調節に取って代わらない。大抵の場合、これはさらに、試験片内での回転対称ビームプロファイルの達成を必要とする。
【００２９】
さらに、より好適な発展において、試験プローブによって生成された超音波音場の主伝播方向、すなわち中心ビームの方向が、少なくとも平面内で変化できるような方式で、正確な位相を備えた超音波振動子の個別の振動子を制御するために、本発明に係る試験装置の制御ユニットが備えられる。この「フェイズドアレイ（位相配列）」といわれる典型的な特徴は、先行技術で周知のように、本発明に係る試験装置でもまた実現される。通例、このような試験装置の試験プローブは、試験片内での個別の振動子の同相制御の場合に、主伝播方向が結合点で表面法線に傾いている（斜角導入）回転対称な音場が形成されるような方式で形成される。しかしながら、これは強制的な場合ではなく、また、個別の振動子の正確な位相（お互いに対して遅延された）制御が、所望の／予め定められた導入角度での斜角導入のために要求される。この導入角度の変更は、個別の振動子の既知の位相制御により可能である。
【００３０】
本発明に係る試験装置の好適なさらなる発展では、個別の振動子が二次元配列の形に並べられる。これにより、二次元配列の個別の振動子の正確な位相制御だけを通じて、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域を平面方式に形作ることができ、また、試験片内で主伝播方向に対して回転対称な超音波ビームの生成のために必要な調節が実現される。その結果、この個別の振動子の正確な位相制御は、通例、選択された導入角度に対して特異的である。
【００３１】
本発明に係る試験装置のもう一つの好適な実施形態では、超音波振動子の個別の振動子が直線配列の形に並べられている。そして直線配列の縦軸は、好ましくは導入面に配置される。
【００３２】
この実行例の利点のある第一実施形態では、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域は、平面方式で直線配列の縦軸方向に形作られる。試験片内での回転対称なビームプロファイルの生成のために、配列の個別の振動子は、選択された導入角度に特異的な個別の正確な位相方式で制御される。
【００３３】
利点のある第二実施形態では、超音波振動子が配置される遅延線本体の表面領域は、すでに前述したように、平面形状からずれた直線配列の縦軸方向に形作られる。これにより、個別の振動子が同相制御される場合にも、少なくとも入射面での予め定められた入射角に関し、試験片内で所望の回転対称なビームプロファイルが得られる。
【００３４】
試験片内の所望の回転対称に関して最適な結果を得るために、超音波振動子が配置される、平面からずれている遅延線本体の領域の形は、前述したように導入面に垂直に計算され、遅延線本体の適切なデザイン／材料処理を通じて実現される。遅延線本体の表面領域のデザインもまた実際の導入角度によって決まるので、遅延線本体のデザインは、予め定められた導入角度の場合に、回転対称のビームプロファイルになるように有利に最適化される。この予め定められた導入角度は、例えば、直線配列のすべての個別の振動子の同相制御により直接与えられることができる。
【００３５】
この形状で、例えば配列の個別の振動子の対応する正確な位相制御によって導入角度が電子的に修正されれば、基本的に配列を有する遅延線本体の振動子表面のデザインは、この変えられた角度のために再び最適化されなければならない。しかしながら、ここで、意外にも試験片内で生じる所望の回転対称からのビームプロファイルのずれは小さく、（固有の）中心導入角度に関する、導入面に垂直な領域プロファイルの最適化は実際には通例満足できる結果につながることが明らかになった。異なるステアリング角による振動子の形の変化は、適宜に遅延法則を計算することによって、導入されることができる。
【００３６】
すでに説明したように、通例、遅延線本体−試験片結合係数は、遅延線本体での音波減衰と同様に（遅延線本体でのランレングスの変化のため）、導入角度によって決まる。この影響は、フェイズドアレイ試験プローブについては、配列の個別の振動子の送信振幅または／および受信振幅が独立して調節されるように、単純に補償される。
【００３７】
さらに超音波による試験片の非破壊検査のための同周波数の試験プローブ群は、有利であることが分かった。試験プローブ群は、第一導入角度での音波の導入のために提供される第一試験プローブと、第二導入角度での音波の導入のために提供される第二試験プローブと、第三導入角度での音波の導入のために提供される第三試験プローブとを含む（典型的な角度は、例えば、４５°、６０°および７０°）。試験プローブは、試験片内ですべての試験プローブの近接場において、試験プローブによって中心ビーム方向に生成される超音波音場が、基本的に他の試験プローブによってその中心ビーム方向に生成される超音波音場にしたがうという特徴を有する。好ましくは、すべての試験プローブがそれによって音波の斜角導入のために提供される。特に、すべての試験プローブが、前述の好適な実施形態の１つ以上にしたがって、好ましくは本発明に係る試験プローブに対応する。このような試験プローブ群は、いくつかの導入角度の下でのDGS法による試験片内の欠陥の大きさの決定に特に適している。
【００３８】
試験材料内の主伝播方向において、近接場の終端までの音響経路の長さが、基本的にすべての試験プローブについて一致していれば、試験プローブ群の試験プローブの特に単純な応用となる。
【００３９】
さらに、利点および特徴は、実行例と同様に、図面に基づいて以下に詳細に説明される従属請求項から生じる。後半の図は以下の内容を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る試験設定の略図である。
【図２】これまで受け入れられた円形または長方形の形状からの超音波振動子の周辺ラインのずれが明らかになる、本発明に係る試験プローブの超音波振動子の三次元描写を示す図である。
【図３】超音波振動子が配置される遅延線本体の振動子表面を通過した、入射面での切断部を示す図である。
【図４】先行技術から周知の平らな振動子表面を表す直線からの、図３からの交線のずれの目盛のある描写を示す図である。
【図５】入射面に垂直なこの領域を通過した切断部を示す図である。
【図６】これまで受け入れられた円形または長方形の形状からの超音波振動子の周辺ラインのずれが明らかになる、本発明に係る試験プローブの超音波振動子の二次元描写を示す図である。
【図７】第二実行例にしたがった本発明に係る試験プローブの超音波振動子の図である。
【図８】第三実行例の本発明に係る試験プローブの超音波振動子の図である。
【図９】本発明に係る試験プローブ群の２つの典型的な試験プローブを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明に係る試験設定１は試験プローブ１０を含む。試験プローブ１０は、その部分に遅延線本体１２を含む。遅延線本体１２は、例えばPlexiglas(R)（プレキシグラス）から製造される。図示された試験設定において、試験プローブ１０については、斜角試験プローブの問題であり、試験片１００内に超音波ビームを生成するために提供される。超音波ビームは、入射表面の法線から角度βだけ傾いている。したがって、遅延線本体１２は、結合表面１４を有する。結合表面１４では、試験プローブ１０の遅延線本体１２が試験片１００の表面領域１０２に取り付けられる。通例、試験プローブ１０の結合表面領域１４は、試験片表面領域１０２の形状に、その形状を調節される。これは従来技術から周知のことである。
【００４２】
適切な超音波振動子２０は、超音波振動子２０の遅延線本体１２への良好な音響結合がなされるように、遅延線本体１２の振動子表面１６に配置される。例えば、超音波振動子２０は、圧電セラミックからなり、振動子表面１６に接着される。振動子表面１６は、通例、試験片表面領域１０２の表面法線から角度αだけ傾けられる。超音波振動子２０は、独立して設計された制御ユニットで制御され、後者は制御ライン５６を介して接続される。通例、制御ユニット５０は、記録されたエコー信号、および、必要であれば、動作制御５４の大部分を介してある程度調節される装置調節の図形描写のためのディスプレイ５２を含む。それに関して、制御ユニット５０は、試験プローブ１０の制御としてパルスエコー技術で設定される。特に、制御ユニット５０は、いわゆるDGS法にしたがって試験片１００内の反射物の大きさを決定し、必要であれば、操作者のためにディスプレイ５２にそれをプロットするために提供される。制御ユニット５０が、本願の出願者の米国特許US 5,11,425号と同様にドイツ国特許DE 10 2008 037 173号、DE 10 2008 002 445号、またはDE 10 2008 002 450号の明細書に対応すれば、この関係で特別な利点が生じる。参照された特許出願の主題は、この参考文献により本願の開示範囲に完全に追加される。
【００４３】
次に図２は、本発明にしたがって最適化された超音波振動子２０の三次元描写を示す。これにより、超音波振動子２０の周辺ライン２２の、先行技術から最適なものとしてすでに周知である円形または長方形の形状からのずれが明らかになる。試験片内での要求される回転対称なビームプロファイルに基づいて、導入面での超音波振動子２０の、垂直な方向よりも明らかに大きな伸長が生じる。さらに、実際に入射面に対称な周辺ライン２２が生じるが、それは、振動子点Xに関して、あるいは、入射面に垂直なこの点を通過して走る面に関して、点対称ではない。最適化は、現実に近い値に対して、すなわち、遅延線の13.40 mm、計算開始点としての機能を果たす垂直導入円形超音波振動子の直径の13 mm、導入角度の60°、超音波周波数の2 MHz、遅延線本体内での音波速度の2.730 mm/μsec、および試験片内での音波速度3.255 mm/μsecに対して行われた。描写された振動子のグレースケールコーディングは無意味である。ここで試験された超音波振動子２０／試験プローブ１０の特有の大きさは、次の表から分かる。
【００４４】
ここに表を挿入。
【００４５】
図３は、本発明に係る試験プローブ１０の遅延線本体１２の振動子表面１６を通過した切断部であり、図２の振動子２０に基づいている。その切断は導入面で実行された。導入面は試験片内の超音波の伝播方向、および、超音波の結合点での試験片表面領域１０２の表面法線によって定義される。図３の破線は、先行技術の通常の振動子表面１６’の平面進行を表し、実線は、実際の表面進行１６を示す。×で示された点は、超音波振動子２０の中心ビームの出口点を示す。超音波振動子２０の×点が実線上にあるが、点×の両サイドで、平面進行からのずれが生じていることが明らかに分かる。したがって、振動子上の点×で垂直に立つライン（図示せず）は、遅延線本体１２内の中心ビームであり、その方向は、スネルの法則にしたがって導入角度βを決定する。
【００４６】
次に図４は、図３における試験プローブの最適化された振動子表面１６を通過する切断部を拡大した描写（適切な座標変換後）で示す。ここで、ｙ軸は、平面領域から計算された振動子形状のずれをmm単位で示す。明らかに分かるように、平面領域からのずれはわずかなミリメートルの範囲にのみ位置している、さらに、理想的な平面振動子表面１６’に基づいて、振動子表面１６の最適化された表面進行がS字形といえることが分かる。すなわち、図３で図示された切断線は、平面振動子表面１６’に基づいて、極大、極小およびその間に位置するターニングポイントを含むことが分かる。このような遅延線本体１２の振動子表面１６のデザインが、例えば遅延線本体１２の製造において機械的な方法で実現される。
【００４７】
図５は、入射面に垂直な方向で前述した実行例にしたがって試験プローブ１０の最適化された振動子表面１６を通過した切断部を示す。最適化はすでに定義された超音波振動子２０の点×で実行された。この切断部での表面輪郭の放物線進行は明らかであり、その中で、平面領域からのずれは、同様にわずかなミリメートルの範囲にのみ位置しているが、焦点がぼけた音波ビームにつながる。
【００４８】
図６は、図２で本発明にしたがって最適化された超音波振動子２０の目盛のある図を示す。その中で、図は点×で最適化された振動子表面１６に垂直に起こる。
【００４９】
すでに前置きの部分で説明されたように、超音波振動子２０は、個別の振動子として設計されることができる。しかしながら、直線配列の形で分割された方法で設計されることも可能であり、その中で超音波振動子２０は、個別の振動子２４の多数に例えば同じ幅で再分割される。このような直線配列は、図７で分かる。さらに、超音波振動子２０を二次元配列として設計することが可能である。これは、図８に基本的に同じ幅の部分として典型的な方法で示されている。
【００５０】
最後に、図９は、本発明に係る一組の試験プローブ１０を図式的に示す。この中で、第一試験プローブ１０．１については、斜角試験プローブの問題であり、固定の導入角β＝４５°に最適化され、超音波振動子２０は一点に設計される。第二試験プローブ１０．２についてもまた、試験プローブまたは音波の斜角導入の問題であるが、今度は固定の導入角度β’＝６０°に対するものである。したがって、試験プローブ１０．１および１０．２は、それらによって生成される超音波音場が、いずれの試験片についても、少なくとも近接場で基本的に一致し、各主伝播方向に対して好ましくは回転対称となるように、お互いに調節される。材料内の近接場の終端までの音響経路が、基本的に試験プローブ１０．１と１０．２との両方で等しいので、試験プローブ群が特に単純で扱いやすいものとなる。×で示された点は、中心ビームが各振動子２０、２０’を切断する点を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波音場を生成するための超音波振動子（２０）を備え、前記超音波振動子は遅延線本体（１２）に音響学的に結合され、前記遅延線本体は試験片の表面領域上の前記試験片への超音波音場の結合を目的として取り付けられるために提供される超音波による前記試験片の非破壊検査用試験プローブ（１０）において、
ａ．前記試験プローブ（１０）によって生成された超音波音場が、前記試験片への結合後に、その中心ビームに対して基本的に回転対称であり、
ｂ．前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域が平面ではない、
ことを特徴とする超音波による非破壊検査用試験プローブ（１０）。
【請求項２】
前記試験片への音波の斜角導入のために提供されることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項３】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項４】
前記超音波振動子（２０）の周辺ラインが、回転対称、特に円形ではなく、あるいは正多角形であることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項５】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域のデザインが、主伝播方向に位置する点が存在するように選択され、そこで前記中心ビームと周辺ビームとの間のランタイムの差がＴ／２であり、Ｔは超音波のサイクル持続時間であることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項６】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域が、導入面で非線形の輪郭を有し、特にＳ字形の輪郭を有することを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項７】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域が、関数によって導入面に垂直に記述され、前記関数は絶対最小値を有することを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項８】
前記関数が、上方が開放された放物線に本質的に対応することを特徴とする請求項７に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項９】
前記超音波振動子（２０）が、独立して制御可能な個別の振動子の大多数を有することを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１０】
前記個別の振動子が同相制御される場合に、音波音場の回転対称性が存在することを特徴とする請求項９に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１１】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が平面であることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１２】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が平面ではないことを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１３】
超音波による試験片の非破壊検査用試験装置であって、
ａ．超音波音場の生成のための超音波振動子（２０）を有する試験プローブ（１１）と、
i．前記試験プローブは、遅延線本体（１２）に音響学的に結合され、前記遅延線本体は試験片の表面上の試験片への超音波音場の結合を目的として取り付けられるために提供され、
ii．前記試験プローブは、独立して制御可能な個別の振動子の大多数を有し、
ｂ．前記試験プローブ（１０）によって生成される超音波音場が、前記試験片への結合後に、その中心ビームに対して基本的に回転対称になるように、正確な位相で前記超音波振動子（２０）の個別の振動子を制御するために備え付けられる制御ユニット（５０）と
を備えることを特徴とする超音波による非破壊検査用試験装置。
【請求項１４】
前記超音波振動子（２０）の前記個別の振動子を、前記試験プローブ（１０）によって生成される超音波音場の主伝播方向が変化されるように正確な位相で制御するために、前記制御ユニットがさらに備え付けられることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１５】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が平面ではないことを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１６】
前記超音波振動子（２０）の前記個別の振動子が二次元配列の形に並べられることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１７】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面が平面であることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１８】
前記超音波振動子（２０）の前記個別の振動子が直線配列の形に並べられることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１９】
直線配列の縦軸が導入面に位置することを特徴とする請求項１８に記載の試験装置。
【請求項２０】
その部材がいくつかの導入角度の下での音波導入のために提供される試験プローブ群において、試験片内のすべての試験プローブの中心ビームに関連する近接場の終端が、他の試験プローブの中心ビームに関連する前記他の試験プローブによって生成される超音波音場に基本的に一致することを特徴とする試験プローブ群。
【請求項２１】
部材群がいくつかの角度の下での斜角導入のために提供されることを特徴とする請求項２０に記載の試験プローブ群。
【請求項２２】
請求項１から１０の一つ以上に係るいくつかの試験プローブを備えることを特徴とする請求項２１に記載の試験プローブ群。
【請求項２３】
試験材料内の中心ビーム方向での近接場の終端までの音響経路が、基本的に一群の試験プローブで一致することを特徴とする請求項２０に記載の試験プローブ群。
【請求項２４】
請求項１に記載の試験プローブ、請求項１３に係る試験装置、または、請求項２０に係る試験プローブ群の、DGS法による試験片内の反射物の大きさを決定するための応用。
【請求項１】
超音波音場を生成するための超音波振動子（２０）を備え、前記超音波振動子は遅延線本体（１２）に音響学的に結合され、前記遅延線本体は試験片の表面領域上の前記試験片への超音波音場の結合を目的として取り付けられるために提供される超音波による前記試験片の非破壊検査用試験プローブ（１０）において、
ａ．前記試験プローブ（１０）によって生成された超音波音場が、前記試験片への結合後に、その中心ビームに対して基本的に回転対称であり、
ｂ．前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域が平面ではない、
ことを特徴とする超音波による非破壊検査用試験プローブ（１０）。
【請求項２】
前記試験片への音波の斜角導入のために提供されることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項３】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項４】
前記超音波振動子（２０）の周辺ラインが、回転対称、特に円形ではなく、あるいは正多角形であることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項５】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域のデザインが、主伝播方向に位置する点が存在するように選択され、そこで前記中心ビームと周辺ビームとの間のランタイムの差がＴ／２であり、Ｔは超音波のサイクル持続時間であることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項６】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域が、導入面で非線形の輪郭を有し、特にＳ字形の輪郭を有することを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項７】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面領域が、関数によって導入面に垂直に記述され、前記関数は絶対最小値を有することを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項８】
前記関数が、上方が開放された放物線に本質的に対応することを特徴とする請求項７に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項９】
前記超音波振動子（２０）が、独立して制御可能な個別の振動子の大多数を有することを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１０】
前記個別の振動子が同相制御される場合に、音波音場の回転対称性が存在することを特徴とする請求項９に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１１】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が平面であることを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１２】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が平面ではないことを特徴とする請求項１に記載の試験プローブ（１０）。
【請求項１３】
超音波による試験片の非破壊検査用試験装置であって、
ａ．超音波音場の生成のための超音波振動子（２０）を有する試験プローブ（１１）と、
i．前記試験プローブは、遅延線本体（１２）に音響学的に結合され、前記遅延線本体は試験片の表面上の試験片への超音波音場の結合を目的として取り付けられるために提供され、
ii．前記試験プローブは、独立して制御可能な個別の振動子の大多数を有し、
ｂ．前記試験プローブ（１０）によって生成される超音波音場が、前記試験片への結合後に、その中心ビームに対して基本的に回転対称になるように、正確な位相で前記超音波振動子（２０）の個別の振動子を制御するために備え付けられる制御ユニット（５０）と
を備えることを特徴とする超音波による非破壊検査用試験装置。
【請求項１４】
前記超音波振動子（２０）の前記個別の振動子を、前記試験プローブ（１０）によって生成される超音波音場の主伝播方向が変化されるように正確な位相で制御するために、前記制御ユニットがさらに備え付けられることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１５】
前記遅延線本体（１２）の結合表面領域（１４）が平面ではないことを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１６】
前記超音波振動子（２０）の前記個別の振動子が二次元配列の形に並べられることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１７】
前記超音波振動子（２０）が配置される前記遅延線本体（１２）の表面が平面であることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１８】
前記超音波振動子（２０）の前記個別の振動子が直線配列の形に並べられることを特徴とする請求項１３に記載の試験装置。
【請求項１９】
直線配列の縦軸が導入面に位置することを特徴とする請求項１８に記載の試験装置。
【請求項２０】
その部材がいくつかの導入角度の下での音波導入のために提供される試験プローブ群において、試験片内のすべての試験プローブの中心ビームに関連する近接場の終端が、他の試験プローブの中心ビームに関連する前記他の試験プローブによって生成される超音波音場に基本的に一致することを特徴とする試験プローブ群。
【請求項２１】
部材群がいくつかの角度の下での斜角導入のために提供されることを特徴とする請求項２０に記載の試験プローブ群。
【請求項２２】
請求項１から１０の一つ以上に係るいくつかの試験プローブを備えることを特徴とする請求項２１に記載の試験プローブ群。
【請求項２３】
試験材料内の中心ビーム方向での近接場の終端までの音響経路が、基本的に一群の試験プローブで一致することを特徴とする請求項２０に記載の試験プローブ群。
【請求項２４】
請求項１に記載の試験プローブ、請求項１３に係る試験装置、または、請求項２０に係る試験プローブ群の、DGS法による試験片内の反射物の大きさを決定するための応用。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５２６９７５（Ｐ２０１２−５２６９７５Ａ）
【公表日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１０３１０（Ｐ２０１２−５１０３１０）
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５６６１４
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３０８１９
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（５０６０８２１２４）ジーイー インスペクション テクノロジーズ ゲ−エムベーハー (14)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０５６６１４
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３０８１９
【国際公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【出願人】（５０６０８２１２４）ジーイー インスペクション テクノロジーズ ゲ−エムベーハー (14)
【Ｆターム（参考）】
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