超音波探傷装置および超音波探傷方法
【課題】探触子と表面付近の傷との間に障害物がある場合でも、検査の作業効率が良い超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】超音波探傷装置は、入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信し、且つ、試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、超音波探触子を駆動し、且つ、超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、試験体中を伝搬する超音波は、試験体中の伝搬に伴い波面が試験体の表面に達し、且つ、試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、超音波探触子と試験体との境界面において、入力される電気信号が変換された縦波が横波にモード変換され、また、試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換される。
【解決手段】超音波探傷装置は、入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信し、且つ、試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、超音波探触子を駆動し、且つ、超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、試験体中を伝搬する超音波は、試験体中の伝搬に伴い波面が試験体の表面に達し、且つ、試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、超音波探触子と試験体との境界面において、入力される電気信号が変換された縦波が横波にモード変換され、また、試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体の表面近傍に発生した傷を非破壊で検査する超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波探傷装置では、固体の表面に表面波やクリーピング波を伝搬させて、表面近傍の傷を非破壊で検査する（例えば、非特許文献１参照）。
また、表面ＳＨＡＲＥ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ（ＳＨ）波を固体表面に伝搬させて検査する方法も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】社団法人日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、初版、日刊工業新聞社、１９９２年１０月１５日、ｐ．３１０−３１３
【非特許文献２】戸田裕己著、「超音波探傷における諸現象のホイヘンスの原理による物理的解説 第３回（ホイヘンスの原理の応用）」、非破壊検査、社団法人日本非破壊検査協会、１９９１年、第４０巻、第７号、ｐ．４１５−４２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、表面波を伝搬させるとき、表面波の伝搬途中に障害物があると、この障害物が表面波の伝搬を妨げる場合が多い。このため、障害物よりも遠くにある傷の探傷は、表面波を用いては難しい。
また、クリーピング波は、エネルギーを漏洩しながら伝搬するので減衰が大きく、十分な検出感度が得られないという問題がある。
また、表面ＳＨ波は、探触子と試験体との間に粘性の大きな接触媒質を塗布し、接触状態を安定させる必要がある。このため、検査の作業効率が良くないという問題がある。
また、粘性の大きな接触媒質が必要であるため、探触子を走査して探傷を行うには、不向きである。
【０００５】
この発明の目的は、探触子と表面付近の傷との間に障害物がある場合でも、検査の作業効率が良い超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる超音波探傷装置は、入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信し、且つ、上記試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、上記超音波探触子を駆動し、且つ、上記超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、上記超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、上記試験体中を伝搬する超音波は、上記試験体中の伝搬に伴い波面が上記試験体の表面に達し、且つ、上記試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、上記超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記入力される電気信号が変換された縦波が上記横波にモード変換され、また、上記試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わる超音波探傷装置の効果は、斜角探触子と傷との間に障害物があり、従来の表面波やクリーピング波を用いた探傷では困難であるような場合でも、疑似表面ＳＶ波を送受信する構成とすることにより、傷で反射したエコー信号を受信できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
この発明の説明において、「傷」という呼び方で検出対象物を表現しているが、この発明に係わる超音波探傷装置および超音波探傷方法の適用範囲は傷の検出だけに限定するものではなく、試験体の表面近傍の性状の全般を検査対象としている。
図１は、この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。また、図１は、斜角探触子から傷までの超音波の伝搬を説明するための図でもある。図２は、傷から斜角探触子までの超音波の伝搬を説明するための図である。図３は、アクリル樹脂と鋼との境界面における平面波の往復透過率に関するデータを示すグラフである。図４と図５は、斜角探触子のくさび内および試験体内を伝搬する音場シミュレーションの結果である。
【０００９】
この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置は、電気信号を超音波に変換し、検査対象の試験体に超音波を送信し、且つ、試験体を伝搬した超音波を受信し、超音波を電気信号に変換する斜角探触子１と、斜角探触子１を駆動し、且つ、斜角探触子１からの電気信号を受信する送受信器としての探傷器２と、を備える。
そして、斜角探触子１は、探傷器２から供給される電気信号を超音波に変換する振動子３と、振動子３の振動により超音波が発信され、内部を超音波が伝搬するくさび４と、を備える。この斜角探触子１は、送受信される超音波が横波、即ちＳＨＡＲＥ ＶＥＲＴＩＣＡＬ（ＳＶ）波となるように設計された横波斜角探触子である。
【００１０】
このくさび４は、ポリスチロール樹脂で作られており、試験体５が鋼で作られている場合、試験体５に対面する接触面を基準面に採用すると、振動子３が貼り付けられる貼付面の傾斜角αは４６．７°である。そして、くさび４内を伝搬する縦波８は、モード変換されてＳＶ波９になる。このＳＶ波９の伝搬する方向、即ち、接触面の法線からの屈折角θは、スネルの法則に従って決まる。例えば、くさび４がポリスチロール樹脂（縦波音速Ｖ１＝２３６０ｍ／ｓ）で、試験体５が鋼（横波音速Ｖ２＝３２３０ｍ／ｓ）で作られているとき、屈折角θは、式（１）により決まる。傾斜角αが４６．７°のときには、屈折角θは８５°となる。
【００１１】
θ＝ＡｒｃＳＩＮ（Ｖ２×ＳＩＮα／Ｖ１）・・・（１）
【００１２】
次に、この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置の動作原理について説明する。
この発明の説明では、図１に示すように、試験体５として、表面に傷６があり、その傷６は斜角探触子１からみて障害物７の遠方にあるものを用いる。
探傷器２から励振信号を斜角探触子１に入力し、斜角探触子１の振動子３を励振する。
そして、振動子３が振動すると、くさび４の内部に縦波８が発生し、縦波８がくさび４内部を伝搬し、くさび４と試験体５との境界面に波面が達した縦波８がＳＶ波９にモード変換され、試験体５中を主にＳＶ波９が伝搬する。
なお、試験体５中には、モード変換によって発生した表面波も伝搬していくが、説明を簡単にするため、図１中には表面波は示さない。
【００１３】
ここでもし、屈折角θが小さいと、試験体５中を伝搬していくＳＶ波９は試験体５の表面の影響を殆ど受けずに伝搬する。しかし、この発明のように屈折角θが８５°と９０°に近いような場合には、試験体５中を伝搬していくＳＶ波９は伝搬するに従い、試験体５の表面の影響を受ける。すなわち、ＳＶ波９の波面は拡がりながら伝搬するが、試験体５の表面によって波面の拡がりが止められる。このとき、試験体５の表面に、ＳＶ波９の伝搬に伴い表面に沿って伝搬する波動が発生する。ＳＶ波９は固体と気体との境界面で存在することができないので、この波動は、正確にはＳＶ波９でも表面波でもない。従って、この発明の説明では、この波動を、「疑似表面ＳＶ波」１０と呼ぶことにする。
図１には、ＳＶ波９と疑似表面ＳＶ波１０の波面が伝搬していく模式的な様子を示している。
【００１４】
この疑似表面ＳＶ波１０は、試験体５の表面が存在することにより発生する波動である。このため、伝搬経路に障害物７がある場合、例えば、図１に示すような形状の障害物７が存在する場合には、疑似表面ＳＶ波１０は一旦ＳＶ波９に吸収されるような形で消失する。しかし、ＳＶ波９の波面が再び表面に達する領域に伝搬すると、疑似表面ＳＶ波１０がまた発生する。このように、疑似表面ＳＶ波１０は、常にＳＶ波９に伴って伝搬する。
【００１５】
図１に示すように、屈折角θが大きい斜角探触子１では、試験体５の表面付近をＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０が伝搬していく。すなわち、斜角探触子１の屈折角θが９０°に近い値であれば、試験体５の表面付近にＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０を伝搬させることができる。ＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０は、表面付近の傷６に入射し、エコー信号が発生する。このエコー信号のモードは、傷６の大きさにもよるが、多くの場合はＳＶ波９が主となる。
【００１６】
傷６による反射波としてのＳＶ波９は、図１に示した斜角探触子１から傷６に伝搬した経路の逆の経路を辿って振動子３で受信される。この様子を、図２を用いて説明する。傷６で反射したエコー信号であるＳＶ波９は、くさび４の方向に波面を拡げながら伝搬する。この時、斜角探触子１から傷６に伝搬した場合と同様に、ＳＶ波９の波面は拡がりながら伝搬するが、試験体５の表面に達した波面はそれ以上拡がることができない。このとき、試験体５の表面には、ＳＶ波９の伝搬に伴い表面に沿って伝搬する疑似表面ＳＶ波１０が発生する。
【００１７】
そして、エコー信号であるＳＶ波９の波面がくさび４の下方に位置する試験体５にまで到達しても、伝搬方向が図２に示すように試験体５の表面に対してほぼ平行であるために、くさび４内に波動を形成することはない。一方、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４の下方に位置する試験体５の表面に到達すると、振動のエネルギーをくさび４内に放出しながら伝搬する。このため、くさび４内にはモード変換により縦波８が発生する。この縦波８を振動子３で受信することで、探傷器２には傷６で反射したエコー信号が伝達される。このような動作原理により、試験体５の表面付近にある傷６を探傷することが可能である。
【００１８】
このように、斜角探触子１と傷６との間に障害物７があり、従来の表面波やクリーピング波を用いた探傷では困難であるような場合でも、疑似表面ＳＶ波１０を送受信する構成とすることにより、傷６で反射したエコー信号を受信できる。したがって、表面波やクリーピング波を用いた探傷では困難な場合でも探傷可能となる。
また、ＳＶ波９が主たる波動となる横波斜角探触子１を用いるので、粘性の大きな接触媒質を用いる必要はなく、水を接触媒質としても十分探傷可能である。このため、表面ＳＨ波を用いて探傷する場合に比べて作業効率が大幅に改善できる。
【００１９】
なお、通常の横波斜角探触子は、疑似表面ＳＶ波１０が発生するような構成とはなっていない。その理由は、くさび４と試験体５との往復透過率に関係する。なお、往復透過率は、一定のパワーを与えたときの振幅によって表される。図３に、くさび４をアクリル樹脂、試験体５を鋼とした場合の振幅の屈折角依存性を示す。図３の横軸は、屈折角θで、縦軸は、振幅である。図３から分かるように、屈折角θが８０°を超えた付近から急激に振幅が減少し、屈折角θが９０°で零になる。したがって、従来は往復透過率の減少を避ける方向での設計がなされており、通常の横波斜角探触子の屈折角θは７０°以下である場合が多く、８０°を超えるものはほとんどない。これに対し、この発明では、屈折角θが８０°を超えるような横波斜角探触子１を用いることにより、前記特性をもつ疑似表面ＳＶ波１０が発生することを発見し、これにより表面近傍の超音波探傷を可能にした。このように従来の横波斜角探触子を用いていると、疑似表面ＳＶ波１０を用いて超音波探傷を行うという発想が出てこなかったものと考えられる。
【００２０】
これまで説明してきた縦波８、ＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０の伝搬を確認するため、２次元弾性波Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法による音場シミュレーションを行い、くさび４内および試験体５内をどのように超音波が伝搬していくのかを音場シミュレーションした。この音場シミュレーションでは、くさび４をポリスチロール樹脂（縦波音速２３６０ｍ／ｓ）、試験体５を鋼（横波音速３２３０ｍ／ｓ）とした。また、周波数を５ＭＨｚとした。
音場シミュレーションの結果を、図４および図５に示す。図４および図５では、振動子３を励振してからの経過時間が２０μｓまでの音場を４μｓ経過ごとに示している。図４および図５では、黒い部分がくさび４および試験体５の内部を示し、その黒い部分の中の白い部分が縦波８、ＳＶ波９または疑似表面ＳＶ波１０の波面を示す。
【００２１】
図４（ａ）に示す４μｓ後の音場では、くさび４内に縦波８が励振され伝搬している。
図４（ｂ）に示す８μｓ後の音場では、モード変換によって生じたＳＶ波９と表面波１１が伝搬する。この表面波１１はレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）波と呼ばれるものである。
図４（ｃ）に示す１２μｓ後の音場では、ＳＶ波９が試験体５内を、表面波１１が試験体５の表面に沿って伝搬する。
図５（ａ）に示す１６μｓ後の音場では、表面波１１は試験体５の表面に沿って伝搬し、障害物７を透過する方向に伝搬しない。このことから、図１に示したような試験体５の形状では、表面波１１による探傷が困難であることが分かる。
【００２２】
しかし、図５（ａ）に示す１６μｓ後の音場には、斜角探触子１から見て障害物７より遠方の試験体５の表面にＳＶ波９の波面が達しており、その表面に疑似表面ＳＶ波１０が発生している。
図５（ｂ）に示す２０μｓ後の音場には、傷６で反射されたＳＶ波９が伝搬していく様子を示している。
【００２３】
図４および図５に示した音場シミュレーションの結果だけでは疑似表面ＳＶ波１０の様子は分かりにくので、改めて疑似表面ＳＶ波１０を拡大して説明する。図６は、図５（ａ）に示す１６μｓの音場の内、疑似表面ＳＶ波１０付近を拡大して示したものである。このときは表示感度も変えて示している。
弾性波ＦＤＴＤ法では試験体５中の粒子速度を計算するので、粒子の振動をベクトルとして求めることができる。図７に、疑似表面ＳＶ波１０が伝搬している箇所の小さな矢印によるベクトル図を示している。また、図８に、粒子の振動を表すベクトルの概念図を示している。
【００２４】
この図８のベクトルの概念図から分かるように、試験体５の表面の粒子は回転している。このように粒子が回転する波動は、一般的にはＳＶ波９とは呼べない。どちらかと言えば表面波１１の振動に近い現象である。しかし、ＳＶ波９に伴い表面に沿って伝搬する波動であるので、伝搬速度はＳＶ波９と同じである。このような波動であるので、この発明ではこの波動を「疑似表面ＳＶ波」１０と呼んで説明した。
【００２５】
次に、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４内に形成する波動について説明する。くさび４内の波動は、図４および図５に示した音場シミュレーションでは分かりづらい。そこで、図９に示すような構成で新たに音場シミュレーションを行った。この音場シミュレーションでは、図４と同じ斜角探触子１ａ、１ｂを２つ用意し、一方を送信用の斜角探触子１ａ、他方を受信用の斜角探触子１ｂとし、所定の距離だけ離間して配置して行った。また、送信用の斜角探触子１ａおよび受信用の斜角探触子１ｂの振動子３の傾斜角αを、４５．７°、４６．７°、４７．７°として、疑似表面ＳＶ波１０によりくさび４内に形成する縦波の波面の傾きを求めた。図１０は、２探触子法の受信用の斜角探触子１ｂの内部の音場を示す。図１０（ａ）は、振動子３の傾斜角αが４５．７°、図１０（ｂ）は、振動子３の傾斜角αが４６．７°、図１０（ｃ）は、振動子３の傾斜角αが４７．７°である。なお、くさび４と試験体５の材質は図４の場合と同様に、くさび４はポリスチロール樹脂（縦波音速２３６０ｍ／ｓ）、試験体５は鋼（横波音速３２３０ｍ／ｓ）とした。また、周波数も同様に５ＭＨｚとした。
【００２６】
図１０から、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４内に縦波８を形成する様子が分かる。
また、図１０には、傾斜角αを変えた場合のくさび４内音場を示している。図１０から分かるように、傾斜角αを変えても受信用の斜角探触子１ｂ内部における縦波８の波面の角度は変わらない。この波面と送信用の斜角探触子１ａの振動子３とが平行であると、効率良く疑似表面ＳＶ波１０を送信でき、受信用の斜角探触子１ｂの振動子３と平行であると、効率良く疑似表面ＳＶ波１０を受信できる。すなわち、疑似表面ＳＶ波１０を効率良く送受信する傾斜角αが存在する。この発明に係わる超音波探傷装置においては、斜角探触子１の構成として、傾斜角αが疑似表面ＳＶ波１０を効率良く送受信する角度であることを特徴とする。
【００２７】
なお、疑似表面ＳＶ波１０を効率良く送受信する角度は、試験体５の音速によって変化する。このため、振動子３とくさび４内の縦波の波面が平行になるように調整する角度調整機構２１を備えてもよい。図１１は、振動子３をくさび４内を伝搬する縦波８の波面に平行になるように調整する角度調整機構２１の構成図である。
この角度調整機構２１は、図１１に示すように、くさび４の両側面を挟持する保持棒２２と、保持棒２２を回転自在に支持する軸受２３を一端に設けられた支持棒２４と、支持棒２４の他端を固定する枠２５と、を備える。
【００２８】
そして、角度調整機構２１は、図１２に示すように、枠２５の底面が試験体５の表面に載せられ、くさび４と試験体５の表面との間およびその周りに接触媒質２６が溜められている。接触媒質２６は、水、油、グリセリンなどである。そして、図１２に示すように、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４の下方に位置する試験体５に達すると、疑似表面ＳＶ波１０は、接触媒質２６内およびくさび４内を伝搬する縦波８を発生する。
図１２からも分かるように、角度調整機構２１により振動子３の傾斜角αを調整することにより、くさび４内の縦波８の波面と振動子３とを平行にすることができ、効率良く疑似表面ＳＶ波１０により発生される縦波８を受信することができる。すなわち、ＳＮ比を向上させるという効果がある。送信についても同様である。このような角度調整は、直接接触法では困難であるが、水ギャップ法や水浸法であれば角度調整は可能である。
【００２９】
なお、角度調整機構２１を用いて振動子３の傾斜角αを変化させ、角度変化に対するエコー高さを求めることにより、試験体５の横波音速測定を行うことも可能である。
【００３０】
実施の形態２．
図１３は、この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置の構成図である。
この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置は、実施の形態１に係わる超音波探傷装置と超音波の送受信を別々の斜角探触子１ａ、１ｂを用いて行うことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
【００３１】
実施の形態２に係わる超音波探傷装置は、実施の形態１に係わる斜角探触子１と同様な斜角探触子１ａを送信用とし、同様に実施の形態１に係わる斜角探触子１と同様な斜角探触子１ｂを受信用として配置する。この斜角探触子１ａの振動子３ａの傾斜角αは、実施の形態１に係わる斜角探触子１の振動子３の傾斜角αと同様に、くさび４ａと試験体５の境界面でモード変換されたＳＶ波９の屈折角θが８０°を超え、ＳＶ波９の伝搬に伴い、試験体５の表面に疑似表面ＳＶ波１０が発生するように設定されている。
【００３２】
また、この斜角探触子１ｂの振動子３ｂの傾斜角αは、屈折角θが８０°を超えているＳＶ波９により試験体５の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波１０によりくさび４ｂ内に発生された縦波８を検出できるように設定されている。
そして、この実施の形態２に係わる探傷器２Ｂは、送信用の斜角探触子１ａに対して振動子３ａを励振する励振信号を入力する。一方、受信用の斜角探触子１ｂの振動子３ｂがくさび４ｂを伝搬してきた縦波８を検出したときの検出信号が入力される。
【００３３】
次に、この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置の動作について説明する。
実施の形態１と同様に、斜角探触子１ａから試験体５の表面に近い部分にＳＶ波９を伝搬させ、ＳＶ波９の伝搬に伴って発生する疑似表面ＳＶ波１０を試験体５の表面に伝搬させる。
そして、実施の形態１のように傷６からのエコー信号を受信するのではなく、そのまま斜角探触子１ｂにより疑似表面ＳＶ波１０を受信する。また、くさび４ａ、４ｂ内の縦波８の伝搬遅延時間を予め求めておく。また、送信用の探触探触子１ａと受信用の斜角探触子１ｂとの間の距離を測定しておく。
それから、送信用の斜角探触子１ａから試験体５内を伝搬するＳＶ波９を送信し、受信用の斜角探触子１ｂにより試験体５の表面を伝搬した疑似表面ＳＶ波１０を受信して伝搬遅延時間を求め、伝搬遅延時間と距離とから試験体５を伝搬するＳＶ波９の音速を測定する。
【００３４】
試験体５の表面に沿って伝搬するＳＶ波９の音速を求めることは、従来は困難であった。図３に示したように、屈折角θ９０°では往復透過率が零になるので、この発明の実施の形態２のようにして音速測定を行うという発想自体が、従来はなかったものと思われる。このため従来は、垂直横波探触子を用い、振動方向が図１２の紙面に平行な方向の横波の音速を測定していた。しかしこの方法では試験体５の厚さ測定が必須であり、また、表面ＳＨ波と同様に、垂直横波探触子用の粘性の高い接触媒質を用いる必要があるので、困難な点が多い。
【００３５】
これに対し、この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置を用いて音速を測定すると、試験体５の厚さを測定する必要はなく、且つ、送信用の斜角探触子１ａと受信用の斜角探触子１ｂの距離が分かれば良い。また、垂直横波探触子を用いたときのように、粘性の高い接触媒質を用いる必要もない。従って、音速測定が簡易的に行える。
また、従来は、試験体５の表面に対して垂直方向に伝搬する横波の音速を求めていたが、実施の形態２に係わる超音波探傷装置を用いて測定した音速は、試験体５の表面に沿って伝搬する音速とほぼ同じであるので、傷６が表面にあるために起こる音速の変化を検出することにより、精度よく超音波探傷を行うことができる。
【００３６】
なお音速測定方法として、図１３に示したように送信用の斜角探触子１ａと受信用の斜角探触子１ｂを用いる２探触子法による方法を説明したが、基準となる反射源があれば、これを用いて１探触子法で音速測定しても構わない。この場合、送信用の斜角探触子１ａから基準となる反射源までの距離を測定する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。
【図２】傷から斜角探触子までの超音波の伝搬を説明するための図である。
【図３】アクリル樹脂と鋼との境界面における平面波の往復透過率に関するグラフである。
【図４】斜角探触子のくさび内および試験体内を伝搬する励振から４、８、１２μｓ経過後の音場シミュレーションの結果である。
【図５】斜角探触子のくさび内および試験体内を伝搬する励振から１６、２０μｓ経過後の音場シミュレーションの結果である。
【図６】励振から１６μｓ経過後の音場の内の疑似表面ＳＶ波付近を拡大して示したものである。
【図７】疑似表面ＳＶ波付近の粒子の振動ベクトルの分布図である。
【図８】疑似表面ＳＶ波の付近の粒子の振動の概念図である。
【図９】疑似表面ＳＶ波によりくさび内を伝搬する縦波を音場シミュレーションするときの構成図である。
【図１０】疑似表面ＳＶ波によりくさび内を伝搬する縦波の様子を示す図である。
【図１１】振動子の傾斜角を縦波の波面の傾きに合わせるために調整する角度調整機構の構成図である。
【図１２】角度調整機構を用いて縦波の波面の傾きに振動子の傾斜角を調整する様子を説明するための図である。
【図１３】この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１ａ、１ｂ 斜角探触子、２、２Ｂ 探傷器、３、３ａ、３ｂ 振動子、４、４ａ、４ｂ くさび、５ 試験体、６ 傷、７ 障害物、８ 縦波、９ 横波（ＳＶ波）、１０ 疑似表面ＳＶ波、１１ 表面波、２１ 角度調整機構、２２ 保持棒、２３ 軸受、２４ 支持棒、２５ 枠、２６ 接触媒質。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体の表面近傍に発生した傷を非破壊で検査する超音波探傷装置および超音波探傷方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波探傷装置では、固体の表面に表面波やクリーピング波を伝搬させて、表面近傍の傷を非破壊で検査する（例えば、非特許文献１参照）。
また、表面ＳＨＡＲＥ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ（ＳＨ）波を固体表面に伝搬させて検査する方法も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００３】
【非特許文献１】社団法人日本非破壊検査協会編、「新非破壊検査便覧」、初版、日刊工業新聞社、１９９２年１０月１５日、ｐ．３１０−３１３
【非特許文献２】戸田裕己著、「超音波探傷における諸現象のホイヘンスの原理による物理的解説 第３回（ホイヘンスの原理の応用）」、非破壊検査、社団法人日本非破壊検査協会、１９９１年、第４０巻、第７号、ｐ．４１５−４２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、表面波を伝搬させるとき、表面波の伝搬途中に障害物があると、この障害物が表面波の伝搬を妨げる場合が多い。このため、障害物よりも遠くにある傷の探傷は、表面波を用いては難しい。
また、クリーピング波は、エネルギーを漏洩しながら伝搬するので減衰が大きく、十分な検出感度が得られないという問題がある。
また、表面ＳＨ波は、探触子と試験体との間に粘性の大きな接触媒質を塗布し、接触状態を安定させる必要がある。このため、検査の作業効率が良くないという問題がある。
また、粘性の大きな接触媒質が必要であるため、探触子を走査して探傷を行うには、不向きである。
【０００５】
この発明の目的は、探触子と表面付近の傷との間に障害物がある場合でも、検査の作業効率が良い超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係わる超音波探傷装置は、入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信し、且つ、上記試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、上記超音波探触子を駆動し、且つ、上記超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、上記超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、上記試験体中を伝搬する超音波は、上記試験体中の伝搬に伴い波面が上記試験体の表面に達し、且つ、上記試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、上記超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記入力される電気信号が変換された縦波が上記横波にモード変換され、また、上記試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換される。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わる超音波探傷装置の効果は、斜角探触子と傷との間に障害物があり、従来の表面波やクリーピング波を用いた探傷では困難であるような場合でも、疑似表面ＳＶ波を送受信する構成とすることにより、傷で反射したエコー信号を受信できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
この発明の説明において、「傷」という呼び方で検出対象物を表現しているが、この発明に係わる超音波探傷装置および超音波探傷方法の適用範囲は傷の検出だけに限定するものではなく、試験体の表面近傍の性状の全般を検査対象としている。
図１は、この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。また、図１は、斜角探触子から傷までの超音波の伝搬を説明するための図でもある。図２は、傷から斜角探触子までの超音波の伝搬を説明するための図である。図３は、アクリル樹脂と鋼との境界面における平面波の往復透過率に関するデータを示すグラフである。図４と図５は、斜角探触子のくさび内および試験体内を伝搬する音場シミュレーションの結果である。
【０００９】
この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置は、電気信号を超音波に変換し、検査対象の試験体に超音波を送信し、且つ、試験体を伝搬した超音波を受信し、超音波を電気信号に変換する斜角探触子１と、斜角探触子１を駆動し、且つ、斜角探触子１からの電気信号を受信する送受信器としての探傷器２と、を備える。
そして、斜角探触子１は、探傷器２から供給される電気信号を超音波に変換する振動子３と、振動子３の振動により超音波が発信され、内部を超音波が伝搬するくさび４と、を備える。この斜角探触子１は、送受信される超音波が横波、即ちＳＨＡＲＥ ＶＥＲＴＩＣＡＬ（ＳＶ）波となるように設計された横波斜角探触子である。
【００１０】
このくさび４は、ポリスチロール樹脂で作られており、試験体５が鋼で作られている場合、試験体５に対面する接触面を基準面に採用すると、振動子３が貼り付けられる貼付面の傾斜角αは４６．７°である。そして、くさび４内を伝搬する縦波８は、モード変換されてＳＶ波９になる。このＳＶ波９の伝搬する方向、即ち、接触面の法線からの屈折角θは、スネルの法則に従って決まる。例えば、くさび４がポリスチロール樹脂（縦波音速Ｖ１＝２３６０ｍ／ｓ）で、試験体５が鋼（横波音速Ｖ２＝３２３０ｍ／ｓ）で作られているとき、屈折角θは、式（１）により決まる。傾斜角αが４６．７°のときには、屈折角θは８５°となる。
【００１１】
θ＝ＡｒｃＳＩＮ（Ｖ２×ＳＩＮα／Ｖ１）・・・（１）
【００１２】
次に、この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置の動作原理について説明する。
この発明の説明では、図１に示すように、試験体５として、表面に傷６があり、その傷６は斜角探触子１からみて障害物７の遠方にあるものを用いる。
探傷器２から励振信号を斜角探触子１に入力し、斜角探触子１の振動子３を励振する。
そして、振動子３が振動すると、くさび４の内部に縦波８が発生し、縦波８がくさび４内部を伝搬し、くさび４と試験体５との境界面に波面が達した縦波８がＳＶ波９にモード変換され、試験体５中を主にＳＶ波９が伝搬する。
なお、試験体５中には、モード変換によって発生した表面波も伝搬していくが、説明を簡単にするため、図１中には表面波は示さない。
【００１３】
ここでもし、屈折角θが小さいと、試験体５中を伝搬していくＳＶ波９は試験体５の表面の影響を殆ど受けずに伝搬する。しかし、この発明のように屈折角θが８５°と９０°に近いような場合には、試験体５中を伝搬していくＳＶ波９は伝搬するに従い、試験体５の表面の影響を受ける。すなわち、ＳＶ波９の波面は拡がりながら伝搬するが、試験体５の表面によって波面の拡がりが止められる。このとき、試験体５の表面に、ＳＶ波９の伝搬に伴い表面に沿って伝搬する波動が発生する。ＳＶ波９は固体と気体との境界面で存在することができないので、この波動は、正確にはＳＶ波９でも表面波でもない。従って、この発明の説明では、この波動を、「疑似表面ＳＶ波」１０と呼ぶことにする。
図１には、ＳＶ波９と疑似表面ＳＶ波１０の波面が伝搬していく模式的な様子を示している。
【００１４】
この疑似表面ＳＶ波１０は、試験体５の表面が存在することにより発生する波動である。このため、伝搬経路に障害物７がある場合、例えば、図１に示すような形状の障害物７が存在する場合には、疑似表面ＳＶ波１０は一旦ＳＶ波９に吸収されるような形で消失する。しかし、ＳＶ波９の波面が再び表面に達する領域に伝搬すると、疑似表面ＳＶ波１０がまた発生する。このように、疑似表面ＳＶ波１０は、常にＳＶ波９に伴って伝搬する。
【００１５】
図１に示すように、屈折角θが大きい斜角探触子１では、試験体５の表面付近をＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０が伝搬していく。すなわち、斜角探触子１の屈折角θが９０°に近い値であれば、試験体５の表面付近にＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０を伝搬させることができる。ＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０は、表面付近の傷６に入射し、エコー信号が発生する。このエコー信号のモードは、傷６の大きさにもよるが、多くの場合はＳＶ波９が主となる。
【００１６】
傷６による反射波としてのＳＶ波９は、図１に示した斜角探触子１から傷６に伝搬した経路の逆の経路を辿って振動子３で受信される。この様子を、図２を用いて説明する。傷６で反射したエコー信号であるＳＶ波９は、くさび４の方向に波面を拡げながら伝搬する。この時、斜角探触子１から傷６に伝搬した場合と同様に、ＳＶ波９の波面は拡がりながら伝搬するが、試験体５の表面に達した波面はそれ以上拡がることができない。このとき、試験体５の表面には、ＳＶ波９の伝搬に伴い表面に沿って伝搬する疑似表面ＳＶ波１０が発生する。
【００１７】
そして、エコー信号であるＳＶ波９の波面がくさび４の下方に位置する試験体５にまで到達しても、伝搬方向が図２に示すように試験体５の表面に対してほぼ平行であるために、くさび４内に波動を形成することはない。一方、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４の下方に位置する試験体５の表面に到達すると、振動のエネルギーをくさび４内に放出しながら伝搬する。このため、くさび４内にはモード変換により縦波８が発生する。この縦波８を振動子３で受信することで、探傷器２には傷６で反射したエコー信号が伝達される。このような動作原理により、試験体５の表面付近にある傷６を探傷することが可能である。
【００１８】
このように、斜角探触子１と傷６との間に障害物７があり、従来の表面波やクリーピング波を用いた探傷では困難であるような場合でも、疑似表面ＳＶ波１０を送受信する構成とすることにより、傷６で反射したエコー信号を受信できる。したがって、表面波やクリーピング波を用いた探傷では困難な場合でも探傷可能となる。
また、ＳＶ波９が主たる波動となる横波斜角探触子１を用いるので、粘性の大きな接触媒質を用いる必要はなく、水を接触媒質としても十分探傷可能である。このため、表面ＳＨ波を用いて探傷する場合に比べて作業効率が大幅に改善できる。
【００１９】
なお、通常の横波斜角探触子は、疑似表面ＳＶ波１０が発生するような構成とはなっていない。その理由は、くさび４と試験体５との往復透過率に関係する。なお、往復透過率は、一定のパワーを与えたときの振幅によって表される。図３に、くさび４をアクリル樹脂、試験体５を鋼とした場合の振幅の屈折角依存性を示す。図３の横軸は、屈折角θで、縦軸は、振幅である。図３から分かるように、屈折角θが８０°を超えた付近から急激に振幅が減少し、屈折角θが９０°で零になる。したがって、従来は往復透過率の減少を避ける方向での設計がなされており、通常の横波斜角探触子の屈折角θは７０°以下である場合が多く、８０°を超えるものはほとんどない。これに対し、この発明では、屈折角θが８０°を超えるような横波斜角探触子１を用いることにより、前記特性をもつ疑似表面ＳＶ波１０が発生することを発見し、これにより表面近傍の超音波探傷を可能にした。このように従来の横波斜角探触子を用いていると、疑似表面ＳＶ波１０を用いて超音波探傷を行うという発想が出てこなかったものと考えられる。
【００２０】
これまで説明してきた縦波８、ＳＶ波９および疑似表面ＳＶ波１０の伝搬を確認するため、２次元弾性波Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ（ＦＤＴＤ）法による音場シミュレーションを行い、くさび４内および試験体５内をどのように超音波が伝搬していくのかを音場シミュレーションした。この音場シミュレーションでは、くさび４をポリスチロール樹脂（縦波音速２３６０ｍ／ｓ）、試験体５を鋼（横波音速３２３０ｍ／ｓ）とした。また、周波数を５ＭＨｚとした。
音場シミュレーションの結果を、図４および図５に示す。図４および図５では、振動子３を励振してからの経過時間が２０μｓまでの音場を４μｓ経過ごとに示している。図４および図５では、黒い部分がくさび４および試験体５の内部を示し、その黒い部分の中の白い部分が縦波８、ＳＶ波９または疑似表面ＳＶ波１０の波面を示す。
【００２１】
図４（ａ）に示す４μｓ後の音場では、くさび４内に縦波８が励振され伝搬している。
図４（ｂ）に示す８μｓ後の音場では、モード変換によって生じたＳＶ波９と表面波１１が伝搬する。この表面波１１はレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）波と呼ばれるものである。
図４（ｃ）に示す１２μｓ後の音場では、ＳＶ波９が試験体５内を、表面波１１が試験体５の表面に沿って伝搬する。
図５（ａ）に示す１６μｓ後の音場では、表面波１１は試験体５の表面に沿って伝搬し、障害物７を透過する方向に伝搬しない。このことから、図１に示したような試験体５の形状では、表面波１１による探傷が困難であることが分かる。
【００２２】
しかし、図５（ａ）に示す１６μｓ後の音場には、斜角探触子１から見て障害物７より遠方の試験体５の表面にＳＶ波９の波面が達しており、その表面に疑似表面ＳＶ波１０が発生している。
図５（ｂ）に示す２０μｓ後の音場には、傷６で反射されたＳＶ波９が伝搬していく様子を示している。
【００２３】
図４および図５に示した音場シミュレーションの結果だけでは疑似表面ＳＶ波１０の様子は分かりにくので、改めて疑似表面ＳＶ波１０を拡大して説明する。図６は、図５（ａ）に示す１６μｓの音場の内、疑似表面ＳＶ波１０付近を拡大して示したものである。このときは表示感度も変えて示している。
弾性波ＦＤＴＤ法では試験体５中の粒子速度を計算するので、粒子の振動をベクトルとして求めることができる。図７に、疑似表面ＳＶ波１０が伝搬している箇所の小さな矢印によるベクトル図を示している。また、図８に、粒子の振動を表すベクトルの概念図を示している。
【００２４】
この図８のベクトルの概念図から分かるように、試験体５の表面の粒子は回転している。このように粒子が回転する波動は、一般的にはＳＶ波９とは呼べない。どちらかと言えば表面波１１の振動に近い現象である。しかし、ＳＶ波９に伴い表面に沿って伝搬する波動であるので、伝搬速度はＳＶ波９と同じである。このような波動であるので、この発明ではこの波動を「疑似表面ＳＶ波」１０と呼んで説明した。
【００２５】
次に、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４内に形成する波動について説明する。くさび４内の波動は、図４および図５に示した音場シミュレーションでは分かりづらい。そこで、図９に示すような構成で新たに音場シミュレーションを行った。この音場シミュレーションでは、図４と同じ斜角探触子１ａ、１ｂを２つ用意し、一方を送信用の斜角探触子１ａ、他方を受信用の斜角探触子１ｂとし、所定の距離だけ離間して配置して行った。また、送信用の斜角探触子１ａおよび受信用の斜角探触子１ｂの振動子３の傾斜角αを、４５．７°、４６．７°、４７．７°として、疑似表面ＳＶ波１０によりくさび４内に形成する縦波の波面の傾きを求めた。図１０は、２探触子法の受信用の斜角探触子１ｂの内部の音場を示す。図１０（ａ）は、振動子３の傾斜角αが４５．７°、図１０（ｂ）は、振動子３の傾斜角αが４６．７°、図１０（ｃ）は、振動子３の傾斜角αが４７．７°である。なお、くさび４と試験体５の材質は図４の場合と同様に、くさび４はポリスチロール樹脂（縦波音速２３６０ｍ／ｓ）、試験体５は鋼（横波音速３２３０ｍ／ｓ）とした。また、周波数も同様に５ＭＨｚとした。
【００２６】
図１０から、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４内に縦波８を形成する様子が分かる。
また、図１０には、傾斜角αを変えた場合のくさび４内音場を示している。図１０から分かるように、傾斜角αを変えても受信用の斜角探触子１ｂ内部における縦波８の波面の角度は変わらない。この波面と送信用の斜角探触子１ａの振動子３とが平行であると、効率良く疑似表面ＳＶ波１０を送信でき、受信用の斜角探触子１ｂの振動子３と平行であると、効率良く疑似表面ＳＶ波１０を受信できる。すなわち、疑似表面ＳＶ波１０を効率良く送受信する傾斜角αが存在する。この発明に係わる超音波探傷装置においては、斜角探触子１の構成として、傾斜角αが疑似表面ＳＶ波１０を効率良く送受信する角度であることを特徴とする。
【００２７】
なお、疑似表面ＳＶ波１０を効率良く送受信する角度は、試験体５の音速によって変化する。このため、振動子３とくさび４内の縦波の波面が平行になるように調整する角度調整機構２１を備えてもよい。図１１は、振動子３をくさび４内を伝搬する縦波８の波面に平行になるように調整する角度調整機構２１の構成図である。
この角度調整機構２１は、図１１に示すように、くさび４の両側面を挟持する保持棒２２と、保持棒２２を回転自在に支持する軸受２３を一端に設けられた支持棒２４と、支持棒２４の他端を固定する枠２５と、を備える。
【００２８】
そして、角度調整機構２１は、図１２に示すように、枠２５の底面が試験体５の表面に載せられ、くさび４と試験体５の表面との間およびその周りに接触媒質２６が溜められている。接触媒質２６は、水、油、グリセリンなどである。そして、図１２に示すように、疑似表面ＳＶ波１０がくさび４の下方に位置する試験体５に達すると、疑似表面ＳＶ波１０は、接触媒質２６内およびくさび４内を伝搬する縦波８を発生する。
図１２からも分かるように、角度調整機構２１により振動子３の傾斜角αを調整することにより、くさび４内の縦波８の波面と振動子３とを平行にすることができ、効率良く疑似表面ＳＶ波１０により発生される縦波８を受信することができる。すなわち、ＳＮ比を向上させるという効果がある。送信についても同様である。このような角度調整は、直接接触法では困難であるが、水ギャップ法や水浸法であれば角度調整は可能である。
【００２９】
なお、角度調整機構２１を用いて振動子３の傾斜角αを変化させ、角度変化に対するエコー高さを求めることにより、試験体５の横波音速測定を行うことも可能である。
【００３０】
実施の形態２．
図１３は、この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置の構成図である。
この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置は、実施の形態１に係わる超音波探傷装置と超音波の送受信を別々の斜角探触子１ａ、１ｂを用いて行うことが異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
【００３１】
実施の形態２に係わる超音波探傷装置は、実施の形態１に係わる斜角探触子１と同様な斜角探触子１ａを送信用とし、同様に実施の形態１に係わる斜角探触子１と同様な斜角探触子１ｂを受信用として配置する。この斜角探触子１ａの振動子３ａの傾斜角αは、実施の形態１に係わる斜角探触子１の振動子３の傾斜角αと同様に、くさび４ａと試験体５の境界面でモード変換されたＳＶ波９の屈折角θが８０°を超え、ＳＶ波９の伝搬に伴い、試験体５の表面に疑似表面ＳＶ波１０が発生するように設定されている。
【００３２】
また、この斜角探触子１ｂの振動子３ｂの傾斜角αは、屈折角θが８０°を超えているＳＶ波９により試験体５の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波１０によりくさび４ｂ内に発生された縦波８を検出できるように設定されている。
そして、この実施の形態２に係わる探傷器２Ｂは、送信用の斜角探触子１ａに対して振動子３ａを励振する励振信号を入力する。一方、受信用の斜角探触子１ｂの振動子３ｂがくさび４ｂを伝搬してきた縦波８を検出したときの検出信号が入力される。
【００３３】
次に、この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置の動作について説明する。
実施の形態１と同様に、斜角探触子１ａから試験体５の表面に近い部分にＳＶ波９を伝搬させ、ＳＶ波９の伝搬に伴って発生する疑似表面ＳＶ波１０を試験体５の表面に伝搬させる。
そして、実施の形態１のように傷６からのエコー信号を受信するのではなく、そのまま斜角探触子１ｂにより疑似表面ＳＶ波１０を受信する。また、くさび４ａ、４ｂ内の縦波８の伝搬遅延時間を予め求めておく。また、送信用の探触探触子１ａと受信用の斜角探触子１ｂとの間の距離を測定しておく。
それから、送信用の斜角探触子１ａから試験体５内を伝搬するＳＶ波９を送信し、受信用の斜角探触子１ｂにより試験体５の表面を伝搬した疑似表面ＳＶ波１０を受信して伝搬遅延時間を求め、伝搬遅延時間と距離とから試験体５を伝搬するＳＶ波９の音速を測定する。
【００３４】
試験体５の表面に沿って伝搬するＳＶ波９の音速を求めることは、従来は困難であった。図３に示したように、屈折角θ９０°では往復透過率が零になるので、この発明の実施の形態２のようにして音速測定を行うという発想自体が、従来はなかったものと思われる。このため従来は、垂直横波探触子を用い、振動方向が図１２の紙面に平行な方向の横波の音速を測定していた。しかしこの方法では試験体５の厚さ測定が必須であり、また、表面ＳＨ波と同様に、垂直横波探触子用の粘性の高い接触媒質を用いる必要があるので、困難な点が多い。
【００３５】
これに対し、この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置を用いて音速を測定すると、試験体５の厚さを測定する必要はなく、且つ、送信用の斜角探触子１ａと受信用の斜角探触子１ｂの距離が分かれば良い。また、垂直横波探触子を用いたときのように、粘性の高い接触媒質を用いる必要もない。従って、音速測定が簡易的に行える。
また、従来は、試験体５の表面に対して垂直方向に伝搬する横波の音速を求めていたが、実施の形態２に係わる超音波探傷装置を用いて測定した音速は、試験体５の表面に沿って伝搬する音速とほぼ同じであるので、傷６が表面にあるために起こる音速の変化を検出することにより、精度よく超音波探傷を行うことができる。
【００３６】
なお音速測定方法として、図１３に示したように送信用の斜角探触子１ａと受信用の斜角探触子１ｂを用いる２探触子法による方法を説明したが、基準となる反射源があれば、これを用いて１探触子法で音速測定しても構わない。この場合、送信用の斜角探触子１ａから基準となる反射源までの距離を測定する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。
【図２】傷から斜角探触子までの超音波の伝搬を説明するための図である。
【図３】アクリル樹脂と鋼との境界面における平面波の往復透過率に関するグラフである。
【図４】斜角探触子のくさび内および試験体内を伝搬する励振から４、８、１２μｓ経過後の音場シミュレーションの結果である。
【図５】斜角探触子のくさび内および試験体内を伝搬する励振から１６、２０μｓ経過後の音場シミュレーションの結果である。
【図６】励振から１６μｓ経過後の音場の内の疑似表面ＳＶ波付近を拡大して示したものである。
【図７】疑似表面ＳＶ波付近の粒子の振動ベクトルの分布図である。
【図８】疑似表面ＳＶ波の付近の粒子の振動の概念図である。
【図９】疑似表面ＳＶ波によりくさび内を伝搬する縦波を音場シミュレーションするときの構成図である。
【図１０】疑似表面ＳＶ波によりくさび内を伝搬する縦波の様子を示す図である。
【図１１】振動子の傾斜角を縦波の波面の傾きに合わせるために調整する角度調整機構の構成図である。
【図１２】角度調整機構を用いて縦波の波面の傾きに振動子の傾斜角を調整する様子を説明するための図である。
【図１３】この発明の実施の形態２に係わる超音波探傷装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１ａ、１ｂ 斜角探触子、２、２Ｂ 探傷器、３、３ａ、３ｂ 振動子、４、４ａ、４ｂ くさび、５ 試験体、６ 傷、７ 障害物、８ 縦波、９ 横波（ＳＶ波）、１０ 疑似表面ＳＶ波、１１ 表面波、２１ 角度調整機構、２２ 保持棒、２３ 軸受、２４ 支持棒、２５ 枠、２６ 接触媒質。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信し、且つ、上記試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、上記超音波探触子を駆動し、且つ、上記超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、
上記超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、
上記試験体中を伝搬する超音波は、上記試験体中の伝搬に伴い波面が上記試験体の表面に達し、且つ、上記試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、
上記超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記入力される電気信号が変換された縦波が上記横波にモード変換され、また、上記試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換されることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信する送信用の超音波探触子と、上記試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する受信用の超音波探触子と、上記送信用の超音波探触子を駆動し、且つ、上記受信用の超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、
上記送信用および受信用の超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、
上記試験体中を伝搬する超音波は、上記試験体中の伝搬に伴い波面が上記試験体の表面に達し、且つ、上記試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、
上記送信用の超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記入力される電気信号が変換された縦波が上記横波にモード変換され、
上記受信用の超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換されることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】
上記超音波探触子の振動子は、上記表面に沿って伝搬する疑似表面ＳＶ波がモード変換されて上記超音波探触子のくさび内に形成される縦波の波面に対して平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項４】
上記試験体の表面に沿って伝搬する疑似表面ＳＶ波がモード変換されて上記超音波探触子のくさび内に形成される縦波の波面に対して、上記超音波探触子の振動子が平行になるように調整する角度調整機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
上記疑似表面ＳＶ波が上記試験体の表面の所定の距離を伝搬したときの伝搬遅延時間を求め、上記伝搬遅延時間から上記試験体の横波音速を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
入力された電気信号が超音波探触子により縦波に変換され、該縦波が上記超音波探触子と試験体との境界面で波面が上記試験体の表面に達する横波にモード変換されるステップと、
上記試験体の表面近傍の傷で反射して戻る上記横波が伝搬するとき、上記試験体の表面に発生する疑似表面ＳＶ波が上記超音波探触子と試験体との境界面で縦波にモード変換されるステップと、
を有することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
上記疑似表面ＳＶ波が上記試験体の表面の所定の距離を伝搬したときの伝搬遅延時間を求め、上記伝搬遅延時間から上記試験体の横波音速を測定し、該横波音速に基づいて傷を探傷するステップを有することを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷方法。
【請求項１】
入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信し、且つ、上記試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する超音波探触子と、上記超音波探触子を駆動し、且つ、上記超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、
上記超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、
上記試験体中を伝搬する超音波は、上記試験体中の伝搬に伴い波面が上記試験体の表面に達し、且つ、上記試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、
上記超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記入力される電気信号が変換された縦波が上記横波にモード変換され、また、上記試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換されることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
入力される電気信号を超音波に変換して試験体中に送信する送信用の超音波探触子と、上記試験体中を伝搬する超音波を受信し、該超音波を電気信号に変換する受信用の超音波探触子と、上記送信用の超音波探触子を駆動し、且つ、上記受信用の超音波探触子からの電気信号を受信する送受信器と、を備える超音波探傷装置において、
上記送信用および受信用の超音波探触子を伝搬する超音波は、縦波であり、
上記試験体中を伝搬する超音波は、上記試験体中の伝搬に伴い波面が上記試験体の表面に達し、且つ、上記試験体の表面に疑似表面ＳＶ波を発生する横波であり、
上記送信用の超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記入力される電気信号が変換された縦波が上記横波にモード変換され、
上記受信用の超音波探触子と上記試験体との境界面において、上記試験体の表面を伝搬する疑似表面ＳＶ波が縦波に変換されることを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項３】
上記超音波探触子の振動子は、上記表面に沿って伝搬する疑似表面ＳＶ波がモード変換されて上記超音波探触子のくさび内に形成される縦波の波面に対して平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項４】
上記試験体の表面に沿って伝搬する疑似表面ＳＶ波がモード変換されて上記超音波探触子のくさび内に形成される縦波の波面に対して、上記超音波探触子の振動子が平行になるように調整する角度調整機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
上記疑似表面ＳＶ波が上記試験体の表面の所定の距離を伝搬したときの伝搬遅延時間を求め、上記伝搬遅延時間から上記試験体の横波音速を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
入力された電気信号が超音波探触子により縦波に変換され、該縦波が上記超音波探触子と試験体との境界面で波面が上記試験体の表面に達する横波にモード変換されるステップと、
上記試験体の表面近傍の傷で反射して戻る上記横波が伝搬するとき、上記試験体の表面に発生する疑似表面ＳＶ波が上記超音波探触子と試験体との境界面で縦波にモード変換されるステップと、
を有することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項７】
上記疑似表面ＳＶ波が上記試験体の表面の所定の距離を伝搬したときの伝搬遅延時間を求め、上記伝搬遅延時間から上記試験体の横波音速を測定し、該横波音速に基づいて傷を探傷するステップを有することを特徴とする請求項６に記載の超音波探傷方法。
【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１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１４９１１（Ｐ２００８−１４９１１Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８９２８１（Ｐ２００６−１８９２８１）
【出願日】平成１８年７月１０日（２００６．７．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３９２０３６１５３）菱電湘南エレクトロニクス株式会社 (13)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月１０日（２００６．７．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（３９２０３６１５３）菱電湘南エレクトロニクス株式会社 (13)
【Ｆターム（参考）】
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