超音波探傷方法及び超音波探傷装置
【課題】３次元における検査対象の伝播経路の屈曲を考慮した超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供すること。
【解決手段】検査対象の３次元形状データと超音波センサの位置および向きに関する情報を用いて超音波伝播経路を計算し、前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを表示させることによって解決される。
【解決手段】検査対象の３次元形状データと超音波センサの位置および向きに関する情報を用いて超音波伝播経路を計算し、前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを表示させることによって解決される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊検査技法の一種である超音波探傷法に係り、特に、アレイ型超音波センサを使用した超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種構造材などを検査対象とした超音波探傷法では、フェーズドアレイ法に代表されるように、検査対象内部を高精度に短時間で画像化して検査する探傷方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を複数個配列した、いわゆるアレイ型超音波センサを使用し、各圧電振動素子から送信される超音波の波面が干渉して合成波面を形成しつつ伝播していくという原理に基づいたものである。従って、各圧電振動素子の超音波送信タイミングの遅延時間を制御することで、合成波面の入射角度や集束位置を制御することができる。
【０００４】
また、超音波の受信に際しても、各圧電振動素子で受信した反射超音波をずらして加算することで、送信時と同様、超音波の受信入射角度を制御したり、焦点を合わせて超音波を受信したりすることができる。
【０００５】
このフェーズドアレイ法としては、一次元アレイセンサの圧電振動子を直線的にスキャンするリニアスキャン方式や、超音波の送信と受信方向を扇状に変化させるセクタスキャン方式が一般的に知られている。また、圧電振動子が格子状に並んだ二次元アレイセンサを用いると、３次元的に任意の位置に焦点を合わせることができ、検査対象に合わせた３次元スキャン方式が可能となる。いずれの方式の場合も、超音波センサを動かすことなく超音波を高速にスキャンしたり、超音波センサを交換することなく超音波の入射角度や集束深さの位置を任意に制御したりすることができる。
【０００６】
複数の圧電振動素子を配列したセンサを用いるフェーズドアレイ法では、センサを移動しなくても欠陥の反射超音波信号（以下、計測波形データ）を３次元的に取得することが可能であるが、計測波形データから３次元的な反射位置を特定するためには、空間的に位置の異なる複数の反射強度分布の二次元画像から推定する方法や、反射強度分布を３次元データに変換した後に立体表示するなどして推定する。
【０００７】
例えばフェーズドアレイ法のリニアスキャンやセクタスキャンの場合には、既知のスキャンピッチに対応した複数の二次元反射強度画像が取得できるため、画面上で順次画像を切り替えて表示することで、反射波が出現する方向を特定することができる。しかし、上記以外の任意の３次元的なスキャンに対してはこの方法では限界がある。
【０００８】
このような場合には複数の方向からの計測波形データに内挿処理などを施して３次元格子状データ（以下、３次元探傷データ）を作成し、これをボリュームレンダリングやサーフェスレンダリングといった方法で画像表示したりする技術が、近年の計算機の進歩により可能になってきている。また、格子状のデータに変換せずに３次元的な点群として画像表示する方法もある。いずれも３次元探傷データとして保存しているため、測定後に検査者が任意の方向から確認することができる（例えば、非特許文献２参照）。以下、この手法を３次元フェーズドアレイ法と呼ぶ。
【０００９】
しかし、３次元フェーズドアレイ法においても、反射超音波信号が検査対象の端面や境界面での反射によるものか、欠陥での反射によるものかを、３次元探傷データだけから判断するのは難しい。特に複雑な形状の検査対象の場合には、形状に依存する反射超音波信号（形状エコー）が多数現れるため、熟練者でも判別は困難である。このため、検査対象の３次元形状データを３次元探傷データと一緒に表示するソフトウェアが開発されている。この二つのデータを重ね合わせて比較することにより、形状エコーと欠陥からの反射超音波信号（欠陥エコー）の判別が容易となる。３次元形状データとしては別途汎用のＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成したデータを読込んで用いる場合が多い（例えば、非特許文献２、３、特許文献１参照）。以降、３次元探傷データを形状データと融合して表示させることをＣＡＤ融合３次元表示と呼ぶこととする。
【００１０】
非特許文献４には、形状に起因した超音波伝播経路の屈曲を考慮した２次元表示について述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２８８１２９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】近藤倫正、大橋由昌、実森彰郎 共著 ディジタル信号処理シリーズ１２巻 「計測・センサにおけるディジタル信号処理」 １４３頁〜１８６頁 １９９３年５月２０日 昭晃堂発行
【非特許文献２】馬場淳史、北澤聡、河野尚幸、安達裕二、小田倉満、菊池修：“３次元超音波探傷システム「3D Focus-UT」の開発”、日本保全学会 第５回学術講演会 要旨集、155 (2008)
【非特許文献３】Potts, A. ; McNab, A.; Reilly, D.; Toft, M., “Presentation and analysis enhancements of the NDT Workbench a software package for ultrasonic NDT data”, REVIEW OF PROGRESS IN QUANTITATIVE NONDESTRUCTIVE EVALUATION: Volume 19. AIP Conference Proceedings, Volume 509, pp. 741-748 (2000).
【非特許文献４】Berke M ; Ballenger, T, “Phased array technology for standard ultrasonic testing”, Insight: Volume 48, pp. 218-220 (2006)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
通常、フェーズドアレイ法の探傷データの画像表示は、超音波入射点での屈折角と路程を用い、超音波は直線的に伝播するという仮定の元に描画される。セクタスキャンによるセクタ画像が代表例である。しかし、一般的に超音波は物質中で反射や屈折を幾度も繰り返しながら伝播していくため、形状データと探傷データを重ねて表示させる場合には、探傷データ側の表示に伝播経路の屈曲を考慮する必要がある。そうしないと、探傷データ中の各反射信号は、直接反射に起因する信号以外は形状データとは無関係な位置に表示されてしまう。上記の技術では２次元における超音波伝播経路の屈曲については考慮しているが、３次元での超音波伝播経路の屈曲については考慮されていない。
【００１４】
本発明の目的は、３次元における検査対象の伝播経路の屈曲を考慮した超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的は、検査対象の３次元形状データと超音波センサの位置および向きに関する情報を用いて超音波伝播経路を計算し、前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記計算された超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを表示させることを特徴とする超音波探傷方法及びその方法を実施する装置によって達成される。
【発明の効果】
【００１６】
上記の手段により、３次元における検査対象の伝播経路の屈曲を考慮した超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による超音波探傷方法及び超音波探傷装置の実施例１を示す構成図である。
【図２】本発明の実施例１において探傷データを得るためのスキャン方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１において探傷データを得るためのスキャン方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１において超音波伝播経路の補正方法を説明する概念図である。
【図５】本発明の実施例１において超音波伝播経路を補正しない場合のＣＡＤ融合３次元表示を説明する図である。
【図６】本発明の実施例１において超音波伝播経路を補正した場合のＣＡＤ融合３次元表示を説明する図である。
【図７】本発明の実施例１における一連の処理を説明するフロー図である。
【図８】本発明の実施例２において超音波伝播解析方法を説明する図である。
【図９】本発明の実施例２において超音波伝播解析方法を説明する図である。
【図１０】本発明による超音波探傷方法及び超音波探傷装置の実施例２を示す構成図である。
【図１１】鋼材中の縦波および横波の反射率を示す図である。
【図１２】鋼材中の縦波および横波の伝播経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の超音波探傷方法及び超音波探傷装置について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１で、図示のように、検査対象１００と、これに超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１、送・受信部１０２、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３で構成されている。
【００２０】
ここで、まず、アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成され、検査対象１００の探傷面に設置された後、送・受信部１０２から供給される駆動信号により超音波ビーム１０５を発生し、これを検査対象１００内に伝播させ、これにより現れる反射波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する働きをする。図ではアレイ型超音波センサ１０１を直接検査対象１００に接触させているが、超音波ビーム１０５の入射角を変えるための、超音波が透過する材質で作製されたくさびを介して検査対象１００に接触させても良い。
【００２１】
アレイ型超音波センサ１０１は固定治具１１０で固定されており、さらに固定治具１１０はセンサ位置制御機１１１によって位置や方向が制御される。センサ位置制御機１１１からはアレイ型超音波センサ１０１の位置と方向に関する情報が解析用計算機１０９に逐次送信され、超音波伝播解析のパラメータとして用いられる。３次元画像として表示するためには、このように超音波の入射に関する位置や方向のパラメータが必要となるため、位置制御機からの情報が必要となる。なおセンサ位置の移動に関しては自動制御としても手動としても構わないが、自動制御とすることで、連続した、より精度の高い検査が実施できる。超音波伝播解析の詳細については、後で改めて述べる。
【００２２】
解析用計算機１０９はセンサ位置制御機１１１からの位置と方向に関する情報を取得するセンサ位置取得部１１２を備える。伝播方向ベクトル処理部１１４はセンサ位置取得部１１２からの位置情報又は超音波の反射点の情報より、超音波が伝播する方向ベクトルを求める。伝播経路解析部１１３は形状データ記憶装置１０８のＣＡＤデータ及びセンサ位置取得部での位置情報や方向ベクトルより、形状データ上での超音波の伝播経路を解析し、伝播経路の空間座標を求める。実際には交差判定を繰り返すことで求める。伝播経路解析部１１３で求められた、超音波の伝播経路の空間座標は計算機１０２Ａに送信され、計算機１０２Ａでは収録した探傷データに補正処理を行い、検査対象の屈曲を考慮した探傷データを作成し、表示部に送信する。
【００２３】
送・受信部１０２はアレイ型超音波センサ１０１により超音波の送信と受信を行うもので、このため、計算機１０２Ａと遅延時間制御部１０２Ｂ、パルサー１０２Ｃ、レシーバ１０２Ｄ、それにデータ収録部１０２Ｅを備え、パルサー１０２Ｃが駆動信号をアレイ型超音波センサ１０１に供給し、これによりアレイ型超音波センサ１０１から入力される受信信号をレシーバ１０２Ｄが処理するようになっている。
【００２４】
計算機１０２Ａは、基本的にはＣＰＵ１０２Ａ１、ＲＡＭ１０２Ａ２、ＲＯＭ１０２Ａ３より構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３にはＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれており、ＣＰＵ１０２Ａ１はこのプログラムに従ってデータ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいはＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅへ出力する。
【００２５】
また、ＣＰＵ１０２Ａ１は、遅延時間制御部１０２Ｂとパルサー１０２Ｃ、レシーバ１０２Ｄを制御し必要な動作が得られるようにするもので、まず遅延時間制御部１０２Ｂは、パルサー１０２Ｃから出力される駆動信号のタイミングとレシーバ１０２Ｄによる受信信号の入力タイミングの双方を制御し、これによりフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作が得られるようにする。
【００２６】
ここにいうフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作とは、超音波ビーム１０５の焦点深さと入射角度１０６を制御して超音波を送信し受信する動作のことであり、これによりレシーバ１０２Ｄからデータ収録部１０２Ｅに受信信号が供給されることになる。
【００２７】
先に述べたように、フェーズドアレイ方式は遅延時間を変化させることにより様々なスキャンが可能である。２次元探傷データを取得する場合には超音波ビーム１０５を平行に移動させるリニアスキャン方式や、超音波ビーム１０５をセクタ１０７状に動かすセクタスキャン方式が良く知られている。３次元探傷データの場合には、例えば図２に示したように、セクタ１０７を基本単位として、セクタ１０７を中心軸の周りに一回転させるスキャンや、図３に示したように、団扇の様にセクタ１０７を煽るスキャン方式がある。図には示さないが、この他にも、検査対象１００の形状に応じて様々なスキャン方式が設定可能である。
【００２８】
これらのスキャン方式によって受信された信号は、データ収録部１０２Ｅに送られ、収録データとして収録されると同時に計算機１０２Ａに送られる。これにより、計算機１０２Ａは各圧電振動素子で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理し、各超音波の入射角度ごとの波形に適当な内挿処理を施し、ピクセルと呼ばれる２次元正方格子を単位としたピクセル形式の２次元探傷データや、ボクセルと呼ばれる３次元立方格子を単位としたボクセル形式の３次元探傷データを作成し、それを画像化し表示部１０３に表示させる動作を実行する。
【００２９】
３次元形状データとして検査対象１００のＣＡＤデータが存在している場合には、計算機１０２Ａの外部からこれを読込んで、ＣＡＤ融合３次元表示させることができる。ＣＡＤデータは形状データ記憶装置１０８に記憶されている。ＣＡＤデータのフォーマットは、市販のＣＡＤソフトウェアで入出力可能なデータ形式となっている。例えば多くのＣＡＤソフトウエアで読込み・出力可能なＳＴＬ（STereoLithographyあるいはStandard Triangulated Languageの略）形式を使用する。ＳＴＬ形式は物体の表面を多数の三角形の集合で表現したものであり、ＳＴＬファイル内にはこれらの三角形の面法線ベクトルと３つの頂点の座標値が書き込まれている。グラフィックスＡＰＩを用いてＳＴＬ形式のファイルから３次元形状データを表示させることは、複数の三角形を描画することで容易に実現できる。
【００３０】
ここで、ＣＡＤ融合表示に際し、ピクセル形式の２次元探傷データやボクセル形式の３次元探傷データを生成する時に、収録データの各サンプリング点に対して検査対象１００の内部反射による超音波伝播経路の屈曲補正を行う必要がある。屈曲補正の概念について図４を用いて説明する。図４は３次元形状データ４０５に対し、代表的な超音波ビーム１０５の補正を行う際の概念図である。
【００３１】
前述のように、通常のフェーズドアレイ法の場合は、超音波入射点４０４での屈折角と路程を用い、超音波は直線的に伝播するという仮定の元に描画される。よって例えば図４のセクタ１０７のような扇として画像化される。更に、内部反射による超音波伝播経路の屈曲が考慮されていないため、例えば、き裂４０１による反射はセクタ１０７中の信号４０２として、３次元形状データ４０５の外部に表示されてしまう。しかしながら、伝播経路４０３のように収録データの各サンプリング点を配置してやることにより、信号４０２はき裂４０１の付近に表示されるようになる。
【００３２】
このような処理をスキャンに用いた全ての超音波ビームに施すことにより、３次元形状データ４０５と各反射信号の位置が対応した探傷データを得ることができる。例えば図５は伝播経路補正前のＣＡＤ融合３次元表示の様子を表している。３次元探傷データに含まれる内部反射信号５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、および５０２ｄは、直接反射に起因する内部反射５０２ａ以外は３次元形状データ４０５の外部に表示される。しかし、図６に示した伝播経路補正後のＣＡＤ融合３次元表示では、内部反射５０２ｂ、内部反射５０２ｃ、および内部反射５０２ｄは、内部反射６０２ｂ、内部反射６０２ｃ、および内部反射６０２ｄとして、３次元形状データ４０５の対応する位置にそれぞれ表示されている。超音波伝播経路を用いて超音波探傷データに補正処理を施すことで、３次元探傷データに含まれる各反射信号が、形状データ上での屈曲を考慮した各反射位置に表示されるようになる。
【００３３】
このようにして計算機１０２Ａにより得られた探傷データは、表示部１０３に表示される。表示部１０３は、２次元探傷データを表示する２次元表示画面１０３Ｂ、３次元探傷データを表示する３次元表示画面１０３Ｃ、および各圧電振動子の波形信号を表示する波形表示画面１０３Ａを備えている。また、図１には表示部１０３は一つしか示していないが、波形表示画面１０３Ａと２次元表示画面１０３Ｂ、および、３次元表示画面１０３Ｃは、複数の表示部に分担させて表示してもよい。
【００３４】
表示部１０３上の３次元表示画面１０３Ｃには図６のようにＣＡＤ融合３次元表示が表示されるが、このとき、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により、任意の表示寸法で表示することができる。更に、マウス１０２Ｆとキーボード１０２Ｇからの入力により表示色や透明度も任意に変えることができる。表示色は反射強度に応じて変えることが可能である。この場合の表示色パターンは複数準備してあり、検査者が用途に応じて選択できる。
【００３５】
尚、これらの３次元描画アルゴリズムは、例えばグラフィックス・アプリケーション向けの業界標準のグラフィックス・アプリケーション・プログラミング・インタフェース（グラフィックスＡＰＩ）であるOpenＧＬ（登録商標）やDirectＸ（登録商標）というライブラリの中で実現されており、これらのグラフィックスＡＰＩをプログラム中で用いて、表示する物体の形状や視点、表示位置などの必要な情報を与えれば３次元表示画面１０３Ｃ上の任意の位置に、任意の色、透明度、大きさで３次元形状を描画することが容易にできる。
【００３６】
また、検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により３次元形状データ４０５の表示色や透明度も任意に変えることができる。更に、検査者は、キーボード１０２Ｇからの数値入力、あるいはマウス１０２Ｆで３次元表示画面１０３Ｃ上をドラッグすることにより、３次元形状データ４０５を任意の位置に平行移動もしくは回転移動させることもできる。また、必要に応じて検査者が表示、非表示を切り替えることができるため、３次元形状データ４０５と３次元探傷データ５０１が重なっていても検査者が見易いような表示にすることができる。
【００３７】
また、検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により３次元形状データ４０５と３次元探傷データ５０１を同一位置で切断した画像を表示させることもできる。切断面では３次元形状データ４０５の輪郭線が色や太さを変えて強調されて表示される。これにより、特定の２次元断面での評価が容易になる。
【００３８】
ここで、本発明の測定データの収録からＣＡＤ融合３次元表示までを自動的に連続して行う処理について図７を用いて説明する。オフライン処理の場合には伝播経路補正および変換処理を全データ取得後に実施する必要があり、検査に手間と時間を要する。自動的に連続して行うことで、形状エコーと欠陥エコーの判別が容易で、かつセンサを移動させながら検査対象の立体領域を高速で探傷することが可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置が実現する。
【００３９】
固定治具１１０に固定されたアレイ型超音波センサ１０１はセンサ位置制御機１１１によって制御され、機械的に移動しながら反射超音波信号を収録するものであるが、まず、第一の測定位置にアレイ型超音波センサ１０１がセットされる（ステップ１）。
【００４０】
この時、第一の測定位置における超音波の入射点と入射方向に関する情報（以下、超音波入射情報）が、センサ位置制御機１１１から解析用計算機１０９に送信される。例えば入射点はセンサ位置制御機１１１に固有の直交座標、入射方向は仰角と俯角で与えられる（ステップ２）。
【００４１】
解析用計算機１０９は、超音波入射情報と、検査対象１００の３次元形状データ４０５に基づき、超音波伝播解析法により、スキャンに用いる各伝播経路を計算する（ステップ３）。
【００４２】
伝播解析は音線追跡（レイトレース）解析とも呼ばれて広く知られている方法であり、検査対象の形状や材質の情報をパラメータとし、幾何光学的理論に基づいて超音波の反射、屈折を計算し、超音波の伝播経路や伝播時間を求めるものである。
【００４３】
また、伝播経路は音線追跡解析以外に有限要素法、境界要素法などから求めてもかまわない。例えば有限要素法で検査対象１００内の音場の時間変化を求めておき、各圧電振動素子１０４の位置での振幅の時間変化を、測定時と同じタイミングでずらして加算することで、フェーズドアレイ方式で得られる波形データを再現することが可能である。
【００４４】
しかし、伝播解析法がもっとも演算量が少ないため、短時間で結果を得たい場合には良く用いられる。また、実際の解析の際には縦波のみ又は横波のみが伝播すると仮定して計算を行うことも考えられる。超音波は検査対象表面（境界面）に斜め入射したときにモード変換が起き、横波から縦波へ、あるいは横波から縦波へと振動モードの違う波が反射波の中に出てくる。従って、これら全ての縦波、横波を計算する場合には時間がかかるため、計算をより早く行うためには縦波のみ又は横波のみの伝播を仮定するとよい。この場合、入射させる超音波は縦波又は横波が選択的に伝播するような入射角を持って探傷することが必要となる。
【００４５】
ここで、探傷に用いる超音波の縦波及び横波について詳細に記載する。探傷に用いる代表的な超音波のモードは縦波（疎密波または弾性波とも呼ばれる）と横波（せん断波とも呼ばれる）があるが、本発明の屈曲補正はどちらの場合にも適用できる。一般に縦波や横波は検査対象の内部で反射する度に、エネルギーの一部を互いに交換しあいながら伝播していく。これをモード変換と呼ぶ。
【００４６】
図１１に鋼材中の縦波および横波の反射率を示す。例えば、縦波は入射角０度以外では反射率は１００％未満になる。すなわち、反射の際に一部のエネルギーが横波に変換されてしまうことを意味する。また、新たに発生した横波も次の反射の際に、図１１に示した割合で、一部のエネルギーが縦波に変換される。ただし横波の場合は入射角が３３度以上では全反射（モード変換無し）となる。
【００４７】
図１２に鋼材中の縦波および横波の伝播経路を示す。入射点９０１から入射縦波９０２として入射した超音波は、反射の際に新たな横波９０３あるいは縦波９０４を発生させる。この反射の際に新たに発生した横波あるいは縦波の反射角は、入射角とは異なる角度となるため、図１２に示すように超音波の伝播経路が分岐することになる。超音波伝播解析により、分岐した全ての伝播経路を追跡することは可能であるが、本発明の屈曲補正では、探傷計画で想定したモードの伝播経路だけを選択的に用いる。これにより、伝播経路解析および屈曲補正の演算量が減り、処理が高速化される。
【００４８】
また、通常、探傷計画を立てる際は、特定のモードの伝播経路だけを想定するため、本発明の屈曲補正により、探傷計画に対応した３次元探傷データを得ることができる。収録データは分岐した全ての伝播経路の反射信号を合算したものであるため、想定した伝播経路以外での反射信号はノイズとなる。これらが問題となる場合は、反射面で入射角３３度以上となるような横波を入射させる。これにより、超音波は全反射の横波として伝播していき、屈曲補正に用いる伝播経路も一つに定まるため、伝播経路解析および屈曲補正の演算量が減り、処理が高速化され、更にノイズも減少する。実際には、入射角が約４０度から約５０度の範囲となるような横波を用いる場合が多い。
【００４９】
一方、超音波伝播解析と平行して、第一の測定位置にセットされたアレイ型超音波センサ１０１により、前述の方式で実測波形データが収録される（ステップ４）。
【００５０】
ステップ４は、ステップ２およびステップ３とは独立に実施できるため、並列的に処理して構わない。もちろん、逐次的に処理しても構わない。
【００５１】
次に収録データの各サンプリング点に対し、前述の方法で伝播経路の屈曲を考慮した補正を施す（ステップ５）。すなわち、収録データが屈曲した伝播経路の空間座標に一致するように補正処理をする。
【００５２】
補正した収録データに内挿処理を施してボクセルデータを生成し（ステップ７）、それをディスプレイに描画する（ステップ８）。この際ＣＡＤデータ（３次元形状データ）と共に表示することでより検査者は検査対象の形状との位置関係を把握しながら検査が実施できるため、より高精度で効率的な検査が実現できる。
【００５３】
ここで、画面上のボタン等により探傷を終了する指示が出ていないかを確認し、出ていない場合には、ステップ１からステップ８までの処理を繰り返す。
【００５４】
ステップ１からステップ８までの処理は、近年の計算機の進歩により数秒もしくは１秒以下で実施することが可能になりつつあり、本発明により、ほぼリアルタイムでのＣＡＤ融合３次元表示が可能となる。
【００５５】
上記の手段により、検査対象の伝播経路の屈曲を考慮した超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することができる。また３次元画像として表示させることで２次元における表示より検査結果がより見やすくなり、効率よく精度の高い検査が実現する。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００５７】
実施例１は、ステップ１からステップ８までの処理を独立に繰り返すだけであったが、実施例２では、第一の測定位置における超音波伝播解析で得られた情報の一部を、次回の測定位置における超音波伝播解析で利用することにより、解析処理の高速化を図った例である。装置の構成や処理の大まかな流れは実施例１とほぼ同様であるため説明は省略するが、図７のステップ３の内容だけが異なるため、以下に詳しく説明する。
【００５８】
前述のように、３次元形状データ４０５はＳＴＬ形式で与えられるため、図８に示すように、３次元形状データ４０５は多数の三角形の集合で表現される。図９には３次元形状データ４０５を見やすいように展開した図を示す。図９のように三角形８０３、８０４、８０５、・・・で表現される。超音波伝播解析の際には、まず超音波の入射点４０４が３次元形状データ４０５のどの三角形上に存在するかをプログラムの繰り返し処理によって求める。これは全ての三角形８０３、８０４、８０５、・・・のうち入射点を含む座標を有する三角形を求める。次に、センサ位置制御機からの超音波の入射角度より超音波が伝播する伝播方向ベクトルを求め、この伝播方向ベクトルと交差する三角形（以下、交差三角形）を繰り返し処理によって求める。これは一つ一つの三角形に対して交差判定をしていくものである。すなわち三角形８０３、８０４、８０５、・・・と全ての三角形と交差判定をする。そして交差点が求められたら、この交点８０１を反射点とし、次に伝播する超音波の伝播方向ベクトルを求める。この伝播方向ベクトルとの交差三角形を同様の繰り返し処理によって求めるというように、処理を繰り返してゆく。例えば、三角形がＮ個ある場合は、プログラム中では三角形番号０からＮ−１までのループ処理として記述される。図８は比較的単純な形状の例であるが、検査対象が複雑な形状を持つ場合は、その形状データを構成する三角形の数も膨大となり、プログラムの繰り返し処理に要する時間も無視できない程度に長くなる。
【００５９】
本発明の実施例２では、第一の測定位置での超音波伝播解析において求まった交差三角形を記憶しておき、次回の超音波伝播で用いるものである。このために交差点記憶部１１５を備えている。
【００６０】
超音波入射点４０４は連続的に変化するため、交差三角形も同一か、もしくは隣接するものである可能性が非常に高い。よって、三角形番号０からＮ−１のループを単純に繰り返すのではなく、前回の交差三角形に対する交差判定を最初に行い、次に、それと隣接した三角形との交差判定を行うのである。これにより、繰り返し処理の回数が大幅に減り、第二の測定位置以降での超音波伝播解析を短時間で行うことができる。
【００６１】
これにより、形状エコーと欠陥エコーの判別が容易で、かつセンサを移動させながら検査対象の立体領域を高速で探傷することが可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００ 検査対象
１０１ アレイ型超音波センサ
１０２ 送・受信部
１０２Ａ 計算機
１０２Ａ１ ＣＰＵ
１０２Ａ２ ＲＡＭ
１０２Ａ３ ＲＯＭ
１０２Ｂ 遅延時間制御部
１０２Ｃ パルサー
１０２Ｄ レシーバ
１０２Ｅ データ収録部
１０２Ｆ マウス
１０２Ｇ キーボード
１０３ 表示部
１０３Ａ 波形表示画面
１０３Ｂ ２次元表示画面
１０３Ｃ ３次元表示画面
１０４ 圧電振動素子
１０５ 超音波ビーム
１０６ 入射角度
１０７ セクタ
１０９ 解析用計算機
１１０ 固定治具
１１１ センサ位置制御機
１１２ センサ位置取得部
１１３ 伝播経路解析部
１１４ 伝播方向ベクトル処理部
４０１ き裂
４０２ 信号
４０３ 伝播経路
４０４ 超音波入射点
４０５ ３次元形状データ
５０１ ３次元探傷データ
５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ 内部反射信号
８０１、８０２ 交点
９０１ 入射点
９０２ 入射縦波
９０３ 横波
９０４ 縦波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊検査技法の一種である超音波探傷法に係り、特に、アレイ型超音波センサを使用した超音波探傷方法及び超音波探傷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種構造材などを検査対象とした超音波探傷法では、フェーズドアレイ法に代表されるように、検査対象内部を高精度に短時間で画像化して検査する探傷方法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
フェーズドアレイ法は、圧電振動素子を複数個配列した、いわゆるアレイ型超音波センサを使用し、各圧電振動素子から送信される超音波の波面が干渉して合成波面を形成しつつ伝播していくという原理に基づいたものである。従って、各圧電振動素子の超音波送信タイミングの遅延時間を制御することで、合成波面の入射角度や集束位置を制御することができる。
【０００４】
また、超音波の受信に際しても、各圧電振動素子で受信した反射超音波をずらして加算することで、送信時と同様、超音波の受信入射角度を制御したり、焦点を合わせて超音波を受信したりすることができる。
【０００５】
このフェーズドアレイ法としては、一次元アレイセンサの圧電振動子を直線的にスキャンするリニアスキャン方式や、超音波の送信と受信方向を扇状に変化させるセクタスキャン方式が一般的に知られている。また、圧電振動子が格子状に並んだ二次元アレイセンサを用いると、３次元的に任意の位置に焦点を合わせることができ、検査対象に合わせた３次元スキャン方式が可能となる。いずれの方式の場合も、超音波センサを動かすことなく超音波を高速にスキャンしたり、超音波センサを交換することなく超音波の入射角度や集束深さの位置を任意に制御したりすることができる。
【０００６】
複数の圧電振動素子を配列したセンサを用いるフェーズドアレイ法では、センサを移動しなくても欠陥の反射超音波信号（以下、計測波形データ）を３次元的に取得することが可能であるが、計測波形データから３次元的な反射位置を特定するためには、空間的に位置の異なる複数の反射強度分布の二次元画像から推定する方法や、反射強度分布を３次元データに変換した後に立体表示するなどして推定する。
【０００７】
例えばフェーズドアレイ法のリニアスキャンやセクタスキャンの場合には、既知のスキャンピッチに対応した複数の二次元反射強度画像が取得できるため、画面上で順次画像を切り替えて表示することで、反射波が出現する方向を特定することができる。しかし、上記以外の任意の３次元的なスキャンに対してはこの方法では限界がある。
【０００８】
このような場合には複数の方向からの計測波形データに内挿処理などを施して３次元格子状データ（以下、３次元探傷データ）を作成し、これをボリュームレンダリングやサーフェスレンダリングといった方法で画像表示したりする技術が、近年の計算機の進歩により可能になってきている。また、格子状のデータに変換せずに３次元的な点群として画像表示する方法もある。いずれも３次元探傷データとして保存しているため、測定後に検査者が任意の方向から確認することができる（例えば、非特許文献２参照）。以下、この手法を３次元フェーズドアレイ法と呼ぶ。
【０００９】
しかし、３次元フェーズドアレイ法においても、反射超音波信号が検査対象の端面や境界面での反射によるものか、欠陥での反射によるものかを、３次元探傷データだけから判断するのは難しい。特に複雑な形状の検査対象の場合には、形状に依存する反射超音波信号（形状エコー）が多数現れるため、熟練者でも判別は困難である。このため、検査対象の３次元形状データを３次元探傷データと一緒に表示するソフトウェアが開発されている。この二つのデータを重ね合わせて比較することにより、形状エコーと欠陥からの反射超音波信号（欠陥エコー）の判別が容易となる。３次元形状データとしては別途汎用のＣＡＤ（Computer Aided Design）で作成したデータを読込んで用いる場合が多い（例えば、非特許文献２、３、特許文献１参照）。以降、３次元探傷データを形状データと融合して表示させることをＣＡＤ融合３次元表示と呼ぶこととする。
【００１０】
非特許文献４には、形状に起因した超音波伝播経路の屈曲を考慮した２次元表示について述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２８８１２９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】近藤倫正、大橋由昌、実森彰郎 共著 ディジタル信号処理シリーズ１２巻 「計測・センサにおけるディジタル信号処理」 １４３頁〜１８６頁 １９９３年５月２０日 昭晃堂発行
【非特許文献２】馬場淳史、北澤聡、河野尚幸、安達裕二、小田倉満、菊池修：“３次元超音波探傷システム「3D Focus-UT」の開発”、日本保全学会 第５回学術講演会 要旨集、155 (2008)
【非特許文献３】Potts, A. ; McNab, A.; Reilly, D.; Toft, M., “Presentation and analysis enhancements of the NDT Workbench a software package for ultrasonic NDT data”, REVIEW OF PROGRESS IN QUANTITATIVE NONDESTRUCTIVE EVALUATION: Volume 19. AIP Conference Proceedings, Volume 509, pp. 741-748 (2000).
【非特許文献４】Berke M ; Ballenger, T, “Phased array technology for standard ultrasonic testing”, Insight: Volume 48, pp. 218-220 (2006)．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
通常、フェーズドアレイ法の探傷データの画像表示は、超音波入射点での屈折角と路程を用い、超音波は直線的に伝播するという仮定の元に描画される。セクタスキャンによるセクタ画像が代表例である。しかし、一般的に超音波は物質中で反射や屈折を幾度も繰り返しながら伝播していくため、形状データと探傷データを重ねて表示させる場合には、探傷データ側の表示に伝播経路の屈曲を考慮する必要がある。そうしないと、探傷データ中の各反射信号は、直接反射に起因する信号以外は形状データとは無関係な位置に表示されてしまう。上記の技術では２次元における超音波伝播経路の屈曲については考慮しているが、３次元での超音波伝播経路の屈曲については考慮されていない。
【００１４】
本発明の目的は、３次元における検査対象の伝播経路の屈曲を考慮した超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的は、検査対象の３次元形状データと超音波センサの位置および向きに関する情報を用いて超音波伝播経路を計算し、前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記計算された超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを表示させることを特徴とする超音波探傷方法及びその方法を実施する装置によって達成される。
【発明の効果】
【００１６】
上記の手段により、３次元における検査対象の伝播経路の屈曲を考慮した超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による超音波探傷方法及び超音波探傷装置の実施例１を示す構成図である。
【図２】本発明の実施例１において探傷データを得るためのスキャン方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１において探傷データを得るためのスキャン方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１において超音波伝播経路の補正方法を説明する概念図である。
【図５】本発明の実施例１において超音波伝播経路を補正しない場合のＣＡＤ融合３次元表示を説明する図である。
【図６】本発明の実施例１において超音波伝播経路を補正した場合のＣＡＤ融合３次元表示を説明する図である。
【図７】本発明の実施例１における一連の処理を説明するフロー図である。
【図８】本発明の実施例２において超音波伝播解析方法を説明する図である。
【図９】本発明の実施例２において超音波伝播解析方法を説明する図である。
【図１０】本発明による超音波探傷方法及び超音波探傷装置の実施例２を示す構成図である。
【図１１】鋼材中の縦波および横波の反射率を示す図である。
【図１２】鋼材中の縦波および横波の伝播経路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の超音波探傷方法及び超音波探傷装置について、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１は、本発明の実施例１で、図示のように、検査対象１００と、これに超音波を入射するアレイ型超音波センサ１０１、送・受信部１０２、受信信号及び探傷画像を表示する表示部１０３で構成されている。
【００２０】
ここで、まず、アレイ型超音波センサ１０１は、図示のように、基本的には超音波を発生し受信する複数個の圧電振動素子１０４で構成され、検査対象１００の探傷面に設置された後、送・受信部１０２から供給される駆動信号により超音波ビーム１０５を発生し、これを検査対象１００内に伝播させ、これにより現れる反射波を検知して受信信号を送・受信部１０２に入力する働きをする。図ではアレイ型超音波センサ１０１を直接検査対象１００に接触させているが、超音波ビーム１０５の入射角を変えるための、超音波が透過する材質で作製されたくさびを介して検査対象１００に接触させても良い。
【００２１】
アレイ型超音波センサ１０１は固定治具１１０で固定されており、さらに固定治具１１０はセンサ位置制御機１１１によって位置や方向が制御される。センサ位置制御機１１１からはアレイ型超音波センサ１０１の位置と方向に関する情報が解析用計算機１０９に逐次送信され、超音波伝播解析のパラメータとして用いられる。３次元画像として表示するためには、このように超音波の入射に関する位置や方向のパラメータが必要となるため、位置制御機からの情報が必要となる。なおセンサ位置の移動に関しては自動制御としても手動としても構わないが、自動制御とすることで、連続した、より精度の高い検査が実施できる。超音波伝播解析の詳細については、後で改めて述べる。
【００２２】
解析用計算機１０９はセンサ位置制御機１１１からの位置と方向に関する情報を取得するセンサ位置取得部１１２を備える。伝播方向ベクトル処理部１１４はセンサ位置取得部１１２からの位置情報又は超音波の反射点の情報より、超音波が伝播する方向ベクトルを求める。伝播経路解析部１１３は形状データ記憶装置１０８のＣＡＤデータ及びセンサ位置取得部での位置情報や方向ベクトルより、形状データ上での超音波の伝播経路を解析し、伝播経路の空間座標を求める。実際には交差判定を繰り返すことで求める。伝播経路解析部１１３で求められた、超音波の伝播経路の空間座標は計算機１０２Ａに送信され、計算機１０２Ａでは収録した探傷データに補正処理を行い、検査対象の屈曲を考慮した探傷データを作成し、表示部に送信する。
【００２３】
送・受信部１０２はアレイ型超音波センサ１０１により超音波の送信と受信を行うもので、このため、計算機１０２Ａと遅延時間制御部１０２Ｂ、パルサー１０２Ｃ、レシーバ１０２Ｄ、それにデータ収録部１０２Ｅを備え、パルサー１０２Ｃが駆動信号をアレイ型超音波センサ１０１に供給し、これによりアレイ型超音波センサ１０１から入力される受信信号をレシーバ１０２Ｄが処理するようになっている。
【００２４】
計算機１０２Ａは、基本的にはＣＰＵ１０２Ａ１、ＲＡＭ１０２Ａ２、ＲＯＭ１０２Ａ３より構成されている。ＲＯＭ１０２Ａ３にはＣＰＵ１０２Ａ１を制御するプログラムが書き込まれており、ＣＰＵ１０２Ａ１はこのプログラムに従ってデータ収録部１０２Ｅから必要とされる外部データを読込んだり、あるいはＲＡＭ１０２Ａ２との間でデータの授受を行ったりしながら演算処理し、必要に応じて処理したデータをデータ収録部１０２Ｅへ出力する。
【００２５】
また、ＣＰＵ１０２Ａ１は、遅延時間制御部１０２Ｂとパルサー１０２Ｃ、レシーバ１０２Ｄを制御し必要な動作が得られるようにするもので、まず遅延時間制御部１０２Ｂは、パルサー１０２Ｃから出力される駆動信号のタイミングとレシーバ１０２Ｄによる受信信号の入力タイミングの双方を制御し、これによりフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作が得られるようにする。
【００２６】
ここにいうフェーズドアレイ方式によるアレイ型超音波センサ１０１の動作とは、超音波ビーム１０５の焦点深さと入射角度１０６を制御して超音波を送信し受信する動作のことであり、これによりレシーバ１０２Ｄからデータ収録部１０２Ｅに受信信号が供給されることになる。
【００２７】
先に述べたように、フェーズドアレイ方式は遅延時間を変化させることにより様々なスキャンが可能である。２次元探傷データを取得する場合には超音波ビーム１０５を平行に移動させるリニアスキャン方式や、超音波ビーム１０５をセクタ１０７状に動かすセクタスキャン方式が良く知られている。３次元探傷データの場合には、例えば図２に示したように、セクタ１０７を基本単位として、セクタ１０７を中心軸の周りに一回転させるスキャンや、図３に示したように、団扇の様にセクタ１０７を煽るスキャン方式がある。図には示さないが、この他にも、検査対象１００の形状に応じて様々なスキャン方式が設定可能である。
【００２８】
これらのスキャン方式によって受信された信号は、データ収録部１０２Ｅに送られ、収録データとして収録されると同時に計算機１０２Ａに送られる。これにより、計算機１０２Ａは各圧電振動素子で得られた波形を遅延時間に応じて合成処理し、各超音波の入射角度ごとの波形に適当な内挿処理を施し、ピクセルと呼ばれる２次元正方格子を単位としたピクセル形式の２次元探傷データや、ボクセルと呼ばれる３次元立方格子を単位としたボクセル形式の３次元探傷データを作成し、それを画像化し表示部１０３に表示させる動作を実行する。
【００２９】
３次元形状データとして検査対象１００のＣＡＤデータが存在している場合には、計算機１０２Ａの外部からこれを読込んで、ＣＡＤ融合３次元表示させることができる。ＣＡＤデータは形状データ記憶装置１０８に記憶されている。ＣＡＤデータのフォーマットは、市販のＣＡＤソフトウェアで入出力可能なデータ形式となっている。例えば多くのＣＡＤソフトウエアで読込み・出力可能なＳＴＬ（STereoLithographyあるいはStandard Triangulated Languageの略）形式を使用する。ＳＴＬ形式は物体の表面を多数の三角形の集合で表現したものであり、ＳＴＬファイル内にはこれらの三角形の面法線ベクトルと３つの頂点の座標値が書き込まれている。グラフィックスＡＰＩを用いてＳＴＬ形式のファイルから３次元形状データを表示させることは、複数の三角形を描画することで容易に実現できる。
【００３０】
ここで、ＣＡＤ融合表示に際し、ピクセル形式の２次元探傷データやボクセル形式の３次元探傷データを生成する時に、収録データの各サンプリング点に対して検査対象１００の内部反射による超音波伝播経路の屈曲補正を行う必要がある。屈曲補正の概念について図４を用いて説明する。図４は３次元形状データ４０５に対し、代表的な超音波ビーム１０５の補正を行う際の概念図である。
【００３１】
前述のように、通常のフェーズドアレイ法の場合は、超音波入射点４０４での屈折角と路程を用い、超音波は直線的に伝播するという仮定の元に描画される。よって例えば図４のセクタ１０７のような扇として画像化される。更に、内部反射による超音波伝播経路の屈曲が考慮されていないため、例えば、き裂４０１による反射はセクタ１０７中の信号４０２として、３次元形状データ４０５の外部に表示されてしまう。しかしながら、伝播経路４０３のように収録データの各サンプリング点を配置してやることにより、信号４０２はき裂４０１の付近に表示されるようになる。
【００３２】
このような処理をスキャンに用いた全ての超音波ビームに施すことにより、３次元形状データ４０５と各反射信号の位置が対応した探傷データを得ることができる。例えば図５は伝播経路補正前のＣＡＤ融合３次元表示の様子を表している。３次元探傷データに含まれる内部反射信号５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、および５０２ｄは、直接反射に起因する内部反射５０２ａ以外は３次元形状データ４０５の外部に表示される。しかし、図６に示した伝播経路補正後のＣＡＤ融合３次元表示では、内部反射５０２ｂ、内部反射５０２ｃ、および内部反射５０２ｄは、内部反射６０２ｂ、内部反射６０２ｃ、および内部反射６０２ｄとして、３次元形状データ４０５の対応する位置にそれぞれ表示されている。超音波伝播経路を用いて超音波探傷データに補正処理を施すことで、３次元探傷データに含まれる各反射信号が、形状データ上での屈曲を考慮した各反射位置に表示されるようになる。
【００３３】
このようにして計算機１０２Ａにより得られた探傷データは、表示部１０３に表示される。表示部１０３は、２次元探傷データを表示する２次元表示画面１０３Ｂ、３次元探傷データを表示する３次元表示画面１０３Ｃ、および各圧電振動子の波形信号を表示する波形表示画面１０３Ａを備えている。また、図１には表示部１０３は一つしか示していないが、波形表示画面１０３Ａと２次元表示画面１０３Ｂ、および、３次元表示画面１０３Ｃは、複数の表示部に分担させて表示してもよい。
【００３４】
表示部１０３上の３次元表示画面１０３Ｃには図６のようにＣＡＤ融合３次元表示が表示されるが、このとき、計算機１０２Ａに接続されたマウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により、任意の表示寸法で表示することができる。更に、マウス１０２Ｆとキーボード１０２Ｇからの入力により表示色や透明度も任意に変えることができる。表示色は反射強度に応じて変えることが可能である。この場合の表示色パターンは複数準備してあり、検査者が用途に応じて選択できる。
【００３５】
尚、これらの３次元描画アルゴリズムは、例えばグラフィックス・アプリケーション向けの業界標準のグラフィックス・アプリケーション・プログラミング・インタフェース（グラフィックスＡＰＩ）であるOpenＧＬ（登録商標）やDirectＸ（登録商標）というライブラリの中で実現されており、これらのグラフィックスＡＰＩをプログラム中で用いて、表示する物体の形状や視点、表示位置などの必要な情報を与えれば３次元表示画面１０３Ｃ上の任意の位置に、任意の色、透明度、大きさで３次元形状を描画することが容易にできる。
【００３６】
また、検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により３次元形状データ４０５の表示色や透明度も任意に変えることができる。更に、検査者は、キーボード１０２Ｇからの数値入力、あるいはマウス１０２Ｆで３次元表示画面１０３Ｃ上をドラッグすることにより、３次元形状データ４０５を任意の位置に平行移動もしくは回転移動させることもできる。また、必要に応じて検査者が表示、非表示を切り替えることができるため、３次元形状データ４０５と３次元探傷データ５０１が重なっていても検査者が見易いような表示にすることができる。
【００３７】
また、検査者は、マウス１０２Ｆやキーボード１０２Ｇを用いた入力により３次元形状データ４０５と３次元探傷データ５０１を同一位置で切断した画像を表示させることもできる。切断面では３次元形状データ４０５の輪郭線が色や太さを変えて強調されて表示される。これにより、特定の２次元断面での評価が容易になる。
【００３８】
ここで、本発明の測定データの収録からＣＡＤ融合３次元表示までを自動的に連続して行う処理について図７を用いて説明する。オフライン処理の場合には伝播経路補正および変換処理を全データ取得後に実施する必要があり、検査に手間と時間を要する。自動的に連続して行うことで、形状エコーと欠陥エコーの判別が容易で、かつセンサを移動させながら検査対象の立体領域を高速で探傷することが可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置が実現する。
【００３９】
固定治具１１０に固定されたアレイ型超音波センサ１０１はセンサ位置制御機１１１によって制御され、機械的に移動しながら反射超音波信号を収録するものであるが、まず、第一の測定位置にアレイ型超音波センサ１０１がセットされる（ステップ１）。
【００４０】
この時、第一の測定位置における超音波の入射点と入射方向に関する情報（以下、超音波入射情報）が、センサ位置制御機１１１から解析用計算機１０９に送信される。例えば入射点はセンサ位置制御機１１１に固有の直交座標、入射方向は仰角と俯角で与えられる（ステップ２）。
【００４１】
解析用計算機１０９は、超音波入射情報と、検査対象１００の３次元形状データ４０５に基づき、超音波伝播解析法により、スキャンに用いる各伝播経路を計算する（ステップ３）。
【００４２】
伝播解析は音線追跡（レイトレース）解析とも呼ばれて広く知られている方法であり、検査対象の形状や材質の情報をパラメータとし、幾何光学的理論に基づいて超音波の反射、屈折を計算し、超音波の伝播経路や伝播時間を求めるものである。
【００４３】
また、伝播経路は音線追跡解析以外に有限要素法、境界要素法などから求めてもかまわない。例えば有限要素法で検査対象１００内の音場の時間変化を求めておき、各圧電振動素子１０４の位置での振幅の時間変化を、測定時と同じタイミングでずらして加算することで、フェーズドアレイ方式で得られる波形データを再現することが可能である。
【００４４】
しかし、伝播解析法がもっとも演算量が少ないため、短時間で結果を得たい場合には良く用いられる。また、実際の解析の際には縦波のみ又は横波のみが伝播すると仮定して計算を行うことも考えられる。超音波は検査対象表面（境界面）に斜め入射したときにモード変換が起き、横波から縦波へ、あるいは横波から縦波へと振動モードの違う波が反射波の中に出てくる。従って、これら全ての縦波、横波を計算する場合には時間がかかるため、計算をより早く行うためには縦波のみ又は横波のみの伝播を仮定するとよい。この場合、入射させる超音波は縦波又は横波が選択的に伝播するような入射角を持って探傷することが必要となる。
【００４５】
ここで、探傷に用いる超音波の縦波及び横波について詳細に記載する。探傷に用いる代表的な超音波のモードは縦波（疎密波または弾性波とも呼ばれる）と横波（せん断波とも呼ばれる）があるが、本発明の屈曲補正はどちらの場合にも適用できる。一般に縦波や横波は検査対象の内部で反射する度に、エネルギーの一部を互いに交換しあいながら伝播していく。これをモード変換と呼ぶ。
【００４６】
図１１に鋼材中の縦波および横波の反射率を示す。例えば、縦波は入射角０度以外では反射率は１００％未満になる。すなわち、反射の際に一部のエネルギーが横波に変換されてしまうことを意味する。また、新たに発生した横波も次の反射の際に、図１１に示した割合で、一部のエネルギーが縦波に変換される。ただし横波の場合は入射角が３３度以上では全反射（モード変換無し）となる。
【００４７】
図１２に鋼材中の縦波および横波の伝播経路を示す。入射点９０１から入射縦波９０２として入射した超音波は、反射の際に新たな横波９０３あるいは縦波９０４を発生させる。この反射の際に新たに発生した横波あるいは縦波の反射角は、入射角とは異なる角度となるため、図１２に示すように超音波の伝播経路が分岐することになる。超音波伝播解析により、分岐した全ての伝播経路を追跡することは可能であるが、本発明の屈曲補正では、探傷計画で想定したモードの伝播経路だけを選択的に用いる。これにより、伝播経路解析および屈曲補正の演算量が減り、処理が高速化される。
【００４８】
また、通常、探傷計画を立てる際は、特定のモードの伝播経路だけを想定するため、本発明の屈曲補正により、探傷計画に対応した３次元探傷データを得ることができる。収録データは分岐した全ての伝播経路の反射信号を合算したものであるため、想定した伝播経路以外での反射信号はノイズとなる。これらが問題となる場合は、反射面で入射角３３度以上となるような横波を入射させる。これにより、超音波は全反射の横波として伝播していき、屈曲補正に用いる伝播経路も一つに定まるため、伝播経路解析および屈曲補正の演算量が減り、処理が高速化され、更にノイズも減少する。実際には、入射角が約４０度から約５０度の範囲となるような横波を用いる場合が多い。
【００４９】
一方、超音波伝播解析と平行して、第一の測定位置にセットされたアレイ型超音波センサ１０１により、前述の方式で実測波形データが収録される（ステップ４）。
【００５０】
ステップ４は、ステップ２およびステップ３とは独立に実施できるため、並列的に処理して構わない。もちろん、逐次的に処理しても構わない。
【００５１】
次に収録データの各サンプリング点に対し、前述の方法で伝播経路の屈曲を考慮した補正を施す（ステップ５）。すなわち、収録データが屈曲した伝播経路の空間座標に一致するように補正処理をする。
【００５２】
補正した収録データに内挿処理を施してボクセルデータを生成し（ステップ７）、それをディスプレイに描画する（ステップ８）。この際ＣＡＤデータ（３次元形状データ）と共に表示することでより検査者は検査対象の形状との位置関係を把握しながら検査が実施できるため、より高精度で効率的な検査が実現できる。
【００５３】
ここで、画面上のボタン等により探傷を終了する指示が出ていないかを確認し、出ていない場合には、ステップ１からステップ８までの処理を繰り返す。
【００５４】
ステップ１からステップ８までの処理は、近年の計算機の進歩により数秒もしくは１秒以下で実施することが可能になりつつあり、本発明により、ほぼリアルタイムでのＣＡＤ融合３次元表示が可能となる。
【００５５】
上記の手段により、検査対象の伝播経路の屈曲を考慮した超音波探傷方法及び超音波探傷装置を提供することができる。また３次元画像として表示させることで２次元における表示より検査結果がより見やすくなり、効率よく精度の高い検査が実現する。
【実施例２】
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００５７】
実施例１は、ステップ１からステップ８までの処理を独立に繰り返すだけであったが、実施例２では、第一の測定位置における超音波伝播解析で得られた情報の一部を、次回の測定位置における超音波伝播解析で利用することにより、解析処理の高速化を図った例である。装置の構成や処理の大まかな流れは実施例１とほぼ同様であるため説明は省略するが、図７のステップ３の内容だけが異なるため、以下に詳しく説明する。
【００５８】
前述のように、３次元形状データ４０５はＳＴＬ形式で与えられるため、図８に示すように、３次元形状データ４０５は多数の三角形の集合で表現される。図９には３次元形状データ４０５を見やすいように展開した図を示す。図９のように三角形８０３、８０４、８０５、・・・で表現される。超音波伝播解析の際には、まず超音波の入射点４０４が３次元形状データ４０５のどの三角形上に存在するかをプログラムの繰り返し処理によって求める。これは全ての三角形８０３、８０４、８０５、・・・のうち入射点を含む座標を有する三角形を求める。次に、センサ位置制御機からの超音波の入射角度より超音波が伝播する伝播方向ベクトルを求め、この伝播方向ベクトルと交差する三角形（以下、交差三角形）を繰り返し処理によって求める。これは一つ一つの三角形に対して交差判定をしていくものである。すなわち三角形８０３、８０４、８０５、・・・と全ての三角形と交差判定をする。そして交差点が求められたら、この交点８０１を反射点とし、次に伝播する超音波の伝播方向ベクトルを求める。この伝播方向ベクトルとの交差三角形を同様の繰り返し処理によって求めるというように、処理を繰り返してゆく。例えば、三角形がＮ個ある場合は、プログラム中では三角形番号０からＮ−１までのループ処理として記述される。図８は比較的単純な形状の例であるが、検査対象が複雑な形状を持つ場合は、その形状データを構成する三角形の数も膨大となり、プログラムの繰り返し処理に要する時間も無視できない程度に長くなる。
【００５９】
本発明の実施例２では、第一の測定位置での超音波伝播解析において求まった交差三角形を記憶しておき、次回の超音波伝播で用いるものである。このために交差点記憶部１１５を備えている。
【００６０】
超音波入射点４０４は連続的に変化するため、交差三角形も同一か、もしくは隣接するものである可能性が非常に高い。よって、三角形番号０からＮ−１のループを単純に繰り返すのではなく、前回の交差三角形に対する交差判定を最初に行い、次に、それと隣接した三角形との交差判定を行うのである。これにより、繰り返し処理の回数が大幅に減り、第二の測定位置以降での超音波伝播解析を短時間で行うことができる。
【００６１】
これにより、形状エコーと欠陥エコーの判別が容易で、かつセンサを移動させながら検査対象の立体領域を高速で探傷することが可能な超音波探傷方法及び超音波探傷装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００ 検査対象
１０１ アレイ型超音波センサ
１０２ 送・受信部
１０２Ａ 計算機
１０２Ａ１ ＣＰＵ
１０２Ａ２ ＲＡＭ
１０２Ａ３ ＲＯＭ
１０２Ｂ 遅延時間制御部
１０２Ｃ パルサー
１０２Ｄ レシーバ
１０２Ｅ データ収録部
１０２Ｆ マウス
１０２Ｇ キーボード
１０３ 表示部
１０３Ａ 波形表示画面
１０３Ｂ ２次元表示画面
１０３Ｃ ３次元表示画面
１０４ 圧電振動素子
１０５ 超音波ビーム
１０６ 入射角度
１０７ セクタ
１０９ 解析用計算機
１１０ 固定治具
１１１ センサ位置制御機
１１２ センサ位置取得部
１１３ 伝播経路解析部
１１４ 伝播方向ベクトル処理部
４０１ き裂
４０２ 信号
４０３ 伝播経路
４０４ 超音波入射点
４０５ ３次元形状データ
５０１ ３次元探傷データ
５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ 内部反射信号
８０１、８０２ 交点
９０１ 入射点
９０２ 入射縦波
９０３ 横波
９０４ 縦波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象の３次元形状データと超音波センサの位置および向きに関する情報を用いて超音波伝播経路を計算し、前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記計算された超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを表示させることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波探傷データを前記３次元形状データと重ねて表示させることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波探傷データを前記３次元形状データと重ねて表示させる画像が３次元画像であることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項４】
請求項１または３に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波伝播経路を超音波伝播解析法を用いて計算することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波伝播経路の計算には前記超音波伝播解析法による計算から得られる音線と前記３次元形状データの相対的な位置情報を次回の超音波伝播解析法による計算に用いることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項３に記載の超音波探傷方法において、
前記３次元画像が、指定した任意位置で切断された３次元画像として表示されることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波探傷法において、
前記３次元画像が、前記任意位置で切断された３次元形状データの輪郭線と共に表示されることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項８】
複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、
前記超音波センサの位置および向きの情報を供給するセンサ情報供給装置と、
前記超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサー、前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバ、前記各圧電振動子毎に異なった遅延時間を前記送信信号と前記受信信号に設定する遅延制御部及び前記超音波センサで受信した超音波の音場強度データを収録するデータ収録部と、
検査対象の３次元形状データと前記センサ情報供給装置の位置および向きに関する情報に基づいて超音波伝播経路を計算するための解析用計算機と、
前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記計算された超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを生成する画像処理用計算機と、
前記生成した超音波探傷データを表示させる表示部を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波探傷装置において、
前記画像処理用計算機は前記超音波探傷データを前記３次元形状データと重ねて表示させることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波探傷装置において、
前記超音波探傷データと前記３次元形状データを重ねた画像が３次元画像であることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１１】
請求項８または１０に記載の超音波探傷装置において、
前記解析用計算機は、前記超音波伝播経路を超音波伝播解析法を用いて計算することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超音波探傷装置において、
前記超音波伝播解析法による計算から得られる音線と前記３次元形状データの相対的な位置情報を記憶する記憶部を備え、前記記憶部の情報を次回の超音波伝播解析法による計算に用いることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の超音波探傷装置において、
前記３次元画像が、指定した任意位置で切断された３次元画像として表示されることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の超音波探傷装置において、
前記３次元画像が、前記任意位置で切断された３次元形状データの輪郭線と共に表示されることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１】
検査対象の３次元形状データと超音波センサの位置および向きに関する情報を用いて超音波伝播経路を計算し、前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記計算された超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを表示させることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波探傷データを前記３次元形状データと重ねて表示させることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波探傷データを前記３次元形状データと重ねて表示させる画像が３次元画像であることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項４】
請求項１または３に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波伝播経路を超音波伝播解析法を用いて計算することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波探傷方法において、
前記超音波伝播経路の計算には前記超音波伝播解析法による計算から得られる音線と前記３次元形状データの相対的な位置情報を次回の超音波伝播解析法による計算に用いることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項６】
請求項３に記載の超音波探傷方法において、
前記３次元画像が、指定した任意位置で切断された３次元画像として表示されることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
請求項６に記載の超音波探傷法において、
前記３次元画像が、前記任意位置で切断された３次元形状データの輪郭線と共に表示されることを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項８】
複数の圧電振動子を備えた超音波センサと、
前記超音波センサの位置および向きの情報を供給するセンサ情報供給装置と、
前記超音波センサの各圧電振動子に送信信号を供給するパルサー、前記超音波センサの各圧電振動子素子から受信信号を入力するレシーバ、前記各圧電振動子毎に異なった遅延時間を前記送信信号と前記受信信号に設定する遅延制御部及び前記超音波センサで受信した超音波の音場強度データを収録するデータ収録部と、
検査対象の３次元形状データと前記センサ情報供給装置の位置および向きに関する情報に基づいて超音波伝播経路を計算するための解析用計算機と、
前記超音波センサで時系列的に受信した超音波の音場強度データの各点に前記計算された超音波伝播経路に沿った空間座標を与え、前記音場強度データと前記空間座標を用いて得られた超音波探傷データを生成する画像処理用計算機と、
前記生成した超音波探傷データを表示させる表示部を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項９】
請求項８に記載の超音波探傷装置において、
前記画像処理用計算機は前記超音波探傷データを前記３次元形状データと重ねて表示させることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波探傷装置において、
前記超音波探傷データと前記３次元形状データを重ねた画像が３次元画像であることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１１】
請求項８または１０に記載の超音波探傷装置において、
前記解析用計算機は、前記超音波伝播経路を超音波伝播解析法を用いて計算することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の超音波探傷装置において、
前記超音波伝播解析法による計算から得られる音線と前記３次元形状データの相対的な位置情報を記憶する記憶部を備え、前記記憶部の情報を次回の超音波伝播解析法による計算に用いることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の超音波探傷装置において、
前記３次元画像が、指定した任意位置で切断された３次元画像として表示されることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の超音波探傷装置において、
前記３次元画像が、前記任意位置で切断された３次元形状データの輪郭線と共に表示されることを特徴とする超音波探傷装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−７９９３８（Ｐ２０１３−７９９３８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４２５９１（Ｐ２０１２−１４２５９１）
【出願日】平成２４年６月２６日（２０１２．６．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２６日（２０１２．６．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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