超音波探傷装置および超音波探傷方法
【課題】検査対象の表面が複雑な形状に形成された場合でも、精度が高い検出結果が得られる超音波探傷装置を提供する。
【解決手段】複数の超音波素子を駆動して検査対象２に超音波を入射し、その検査対象２からの反射超音波を受信する超音波プローブ１と、超音波プローブ１が反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析手段７とを備える。解析手段７は、超音波が入射する検査対象２の表面情報に基づいて求めた超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出する。
【解決手段】複数の超音波素子を駆動して検査対象２に超音波を入射し、その検査対象２からの反射超音波を受信する超音波プローブ１と、超音波プローブ１が反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析手段７とを備える。解析手段７は、超音波が入射する検査対象２の表面情報に基づいて求めた超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査対象の健全性を非破壊で確認するための超音波探傷装置および超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に超音波探傷技術は、非破壊で検査対象である構造材の健全性を確認することが可能な技術であり、様々な分野で欠くことができない技術として使用されている。特に、近年は、検査対象の表面が曲面形状などの複雑形状部が形成された構造物に対しても検査要求があり、超音波探傷技術への要求が高度化しているのが現状である。
【０００３】
その一方で、検査対象の表面に曲面などの複雑な形状が形成されている場合には、超音波が適切に検査対象物へ入射することができない問題がある。因みに、溶接線およびその熱影響部においては、溶接の入熱によるひずみや傘折れが生じたり、溶金を盛った後の凸形状など、設計上は平坦である箇所が曲面などの複雑な形状に形成されてしまうことが多い。
【０００４】
また、例えば原子力発電プラントや火力発電プラントのノズル管台などに代表される各種配管や、タービン翼のプラットフォーム部などは、設計上、曲面などの複雑形状に形成され、検査が困難な箇所も多く存在している。現状において、超音波を検査対象へ入射できなかったり、仮に入射することができたとしても目標とする探傷屈折角とならない場合が生じ得るなどの問題がある。また、フェーズドアレイ（ＰＡ）やマトリックスアレイ（ＭＡ）を使用する場合は、各素子の入射位置毎に表面の形状が異なっている場合がある。
【０００５】
このような問題を解決する手段として、従来では、例えば特許文献１に記載された技術がある。この技術は、検査対象の表面形状を超音波プローブにより計測し、その計測した形状に応じてフェーズドアレイ（ＰＡ）の送信遅延時間を最適化して検査する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７０８７７号公報「超音波探傷装置及び方法」
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】超音波による欠陥寸法測定 −非破壊検査の新しい展開− 共立出版発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術は、検査対象の表面形状に応じ、超音波の遅延時間条件を最適化することしか言及されていない。具体的には、表面形状に応じて超音波を入射することで、超音波の入射角が変化する問題には対応することが可能であるものの、探傷結果を表示する際に、この表面形状の影響を考慮せずに探傷結果を表示させると、実際の探傷位置とは異なる箇所に欠陥の指示エコーが検出されることになる。
【０００９】
この指示エコーの位置は、別途表面形状の影響を考慮して探傷結果を補正しなければ、正確な欠陥位置を検知することができず、検出位置の誤差を生じ、精度の低い超音波探傷しか実施することができない。加えて、上記指示エコーが不明瞭になるなどの問題も生じる。
【００１０】
本発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、検査対象の表面が複雑な形状に形成された場合でも、精度が高い検出結果が得られる超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波探傷装置は、複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射し、その検査対象からの反射超音波を受信する超音波プローブと、前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析手段と、を備える超音波探傷装置であって、前記解析手段は、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る超音波探傷方法は、超音波プローブの複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射する超音波入射ステップと、前記超音波入射ステップの後に、前記検査対象からの反射超音波を受信する超音波受信ステップと、前記超音波受信ステップの後に、前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析ステップと、を含む超音波探傷方法であって、前記解析ステップは、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検査対象の表面が複雑な形状に形成された場合でも、精度が高い検出結果が得られ、正確な超音波探傷を実施することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る超音波探傷装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】一般的な探傷例を示す説明図である。
【図３】一般的な探傷結果を再構成する例を示す説明図である。
【図４】一般的な探傷方法を示すフローチャートである。
【図５】検査対象の表面が非平面の超音波の伝搬経路を示す説明図である。
【図６】検査対象の表面形状を考慮しない再構成方法を示す説明図である。
【図７】検査対象の表面形状を考慮した再構成方法を示す説明図である。
【図８】表面形状を計測して探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。
【図９】設計データから読み込んだ表面形状に応じて探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。
【図１０】本実施形態において発振された超音波が検査対象内部で伝播する状態を示す説明図である。
【図１１】検査対象の表面傾きθを用いて実際の入射角と探傷屈折角を算出する場合を示す説明図である。
【図１２】受信信号と検査対象位置情報とを対応付けるためのフローチャートである。
【図１３】検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。
【図１４】別の方法で検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。
【図１５】検査対象の表面形状を考慮しない再構成を行った例の画像を示す図である。
【図１６】検査対象の表面形状を考慮して再構成を行った例の画像を示す図である。
【図１７】超音波の強度を音場シミュレーションにて示す図である。
【図１８】超音波の強度を音場シミュレーションにて示す図である。
【図１９】表面の曲面形状の影響を考慮せずに再構成した結果の画像を示す図である。
【図２０】表面の曲面形状の影響を考慮して再構成させた結果の画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る超音波探傷装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
本実施形態における超音波プローブとは、セラミックス製、その複合材料またはそれ以外の材料で圧電効果により超音波を発生することが可能な圧電素子、高分子フィルムによる圧電素子、またはそれ以外の超音波を発生可能な機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の送信面に取り付けられた前面板とのいずれかの構成、もしくはそれらの組み合わせからなる構成とし、一般的な超音波探触子と称されるものとする。
【００１７】
本実施形態では、圧電素子が一次元状に配列された一般的にアレイセンサと呼ばれるものを適用した場合について説明するが、二次元状に配列されたマトリックスセンサを適用してもよい。
【００１８】
本実施形態における音響接触媒質は、例えば水、グリセリン、マシン油、アクリルやポリスチレンのゲルなどのように超音波を伝播させることが可能な媒質とする。なお、本実施形態においては、超音波プローブから検査対象へ超音波を入射させる際に音響接触媒質の記載を省略している場合もある。また、一般的なフェーズドアレイなどの複数の圧電素子を用いることによって超音波の送受信遅延制御による探傷方法の詳細は、上記非特許文献１などにより周知技術であるので、その説明を省略する。
【００１９】
以下、本実施形態に係る超音波探傷装置の具体的な構成について説明する。
【００２０】
図１は本発明に係る超音波探傷装置の一実施形態を示すブロック図である。図２は一般的な探傷例を示す説明図である。図３は一般的な探傷結果を再構成する例を示す説明図である。図４は一般的な探傷方法を示すフローチャートである。図５は検査対象の表面が非平面の超音波の伝搬経路を示す説明図である。
【００２１】
なお、以下の説明では、配管を検査対象とし、その配管の欠陥部分を超音波により探傷する場合について説明する。また、図１では、配管の中心を一点鎖線で示している。
【００２２】
図１に示すように、超音波探傷装置は超音波プローブ１を有する。この超音波プローブ１は、複数の超音波素子を駆動して検査対象２である配管に音響接触媒質３を通して超音波を入射し、検査対象２からの反射超音波を受信する。
【００２３】
また、超音波探傷装置は、超音波プローブ１で超音波の送受信を行うための超音波送受信部４と、この超音波送受信部４で実際に駆動させる超音波素子を制御するための駆動素子制御部５と、超音波プローブ１で受信した受信信号（超音波信号）を記録するために記憶手段としての信号記録部６と、この信号記録部６に記録した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析部７と、この解析部７により得られた探傷結果を表示するための表示部８と、設計段階における検査対象２の表面形状のデータが予め記録されている設計データベース９と、を備える。
【００２４】
駆動素子制御部５は、送受信感度を調整する送受信感度調整部５ａを備え、複数の超音波素子のそれぞれを任意の時間で発振するための遅延手段を構成する。信号記録部６は、駆動素子制御部５で受信した超音波信号を保存する記憶手段を構成する。
【００２５】
解析部７は、超音波が入射する検査対象２の表面情報に基づいて求めた超音波の伝搬経路に基づいて探傷結果を算出する解析手段を構成する。すなわち、解析部７は、超音波が入射する位置の検査対象２の表面と超音波プローブ１との相対角度を用いて超音波の伝搬経路を求めている。
【００２６】
なお、図１に示す超音波探傷装置は、複数の圧電素子からなる超音波プローブ１に対して遅延時間を付与し送受信の制御を行う機構を備えていれば、他の構成であってもよい。
【００２７】
次に、図２および図３に基づいて一般的なフェーズドアレイ（ＰＡ）を用いた場合の探傷方法について説明する。
【００２８】
図２に示すように、検査対象２の内部に超音波を任意の探傷屈折角で入射させるため、フェーズドアレイ（ＰＡ）の超音波プローブ１に設けられた複数の超音波素子（以下、圧電素子ともいう。）に適切な時間遅延を付与して発振させていくことで、超音波の方向や焦点位置の制御が可能になる。なお、本実施形態では、代表的にリニアスキャン法を適用した場合について説明するが、その他セクタースキャンなど、種々の探傷方法を用いてもよい。
【００２９】
検査対象２に入射された超音波は、検査対象２内部に欠陥などの反射源が存在すると、超音波が反射、散乱され、その反射波が超音波プローブ１の圧電素子で受信される。このようにして得られた超音波波形は、設定した超音波の入射角αと探傷屈折角βに応じて、電子スキャン方向に画像化することが可能である。この画像化は一般的にＢ−ｓｃａｎやＳ−ｓｃａｎと呼ばれている。この画像化は、図３に示すように探傷時の探傷条件に応じた入射角αや探傷屈折角βにより再構成される。なお、以下の実施形態においては、Ｂ−ｓｃａｎを用いて説明する。
【００３０】
このような一般的な探傷方法を図４に基づいて説明する。
【００３１】
図４に示すように、検査対象２に対する探傷屈折角βや焦点位置などの探傷条件に基づいて遅延時間を算出しておき（ステップＳ１）、検査対象２のある位置に超音波プローブ１を設置し（ステップＳ２）、検査対象２を探傷（ステップＳ３）した後、探傷屈折角βに応じて得られた超音波データを再構成し、Ｂ−ｓｃａｎを作成（ステップＳ４）する。その後、再度検査対象２の検査位置を変更し、ステップＳ３およびステップＳ４の処理を繰り返すことになる。
【００３２】
しかしながら、例えば検査対象２の表面が、溶接金属の余盛や、研削によりうねり（部分的な曲面）などが形成されていた場合、あるいはそもそも検査対象２が非平面であった場合は、図３に示す平面条件と想定した探傷条件で探傷および結果の再構成（ステップＳ４）を実施すると、検査結果に誤差が生じる問題がある。
【００３３】
この問題を図５に基づいて説明する。図５は検査対象２の表面にうねりなどの曲面２ａが形成されている場合について検査する場合である。ここで、探傷条件が図２に示すように平面の条件で計算されていた場合、超音波プローブ１のどの位置からも入射角αにより探傷されることになる。そのため、検査対象２の表面が曲面２ａに形成されている箇所に入射する場合、スネルの法則から探傷屈折角βが固定されず、入射位置に応じて様々な変化を生じる。したがって、超音波受信信号に基づいて再構成を行う際は、検査対象２の表面形状を考慮しなければ、再構成の条件の探傷屈折角βと実際の探傷屈折角βが異なってしまい、実際の超音波の伝搬経路と異なる条件で再構成を行ってしまうことになる。
【００３４】
この点について、図６および図７を用いてさらに詳細に説明する。
【００３５】
図６は検査対象の表面形状を考慮しない再構成方法を示す説明図である。図７は検査対象の表面形状を考慮した再構成方法を示す説明図である。具体的に、図６および図７は、それぞれ探傷結果をＢ−ｓｃａｎ表示する際に、再構成の計算に用いる超音波の伝搬経路を示している。図６は検査対象２の表面形状を考慮していない例を示し、図７は検査対象の表面形状を考慮した例を示している。
【００３６】
図６に示す例は、あくまでも平面形状を想定した超音波伝搬経路となっており、実際の検査対象２内部の探傷屈折角βは反映されずに再構成される。すなわち、実際とは異なる超音波伝搬経路を用いて再構成されるため、再構成で得られた欠陥位置などが、実際に検査対象２に生じている欠陥の位置に対して誤差を生じてしまう。
【００３７】
これに対して、図７に示すように、検査対象２の実際の表面形状を考慮した超音波の伝搬経路（すなわち、実際の超音波の伝搬経路）を用いて再構成を行えば、上述したような誤差は生じない。したがって、図７に示す超音波の伝搬経路は、検査対象２の表面形状、入射角αから探傷屈折角βを算出して求めることが可能である。
【００３８】
このように本実施形態では、入射点の各位置で探傷屈折角βを計算し、その角度に応じて探傷結果を再構成することで、実際の超音波探傷の結果を反映し、位置誤差などがない検査が可能になる。
【００３９】
次に、検査対象２の表面形状を考慮して探傷結果を再構成する場合の２つの処理を図８および図９に基づいて説明する。
【００４０】
図８は表面形状を計測して探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。図９は設計データから読み込んだ表面形状に応じて探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。
【００４１】
図８において、ステップＳ１１では、超音波プローブ１を検査対象２に音響接触媒質３を介して設置して検査対象２を走査する。次いで、ステップＳ１２では、検査対象２の表面形状を計測する。そして、超音波プローブ１により超音波探傷処理を実行（ステップＳ１３）した後、ステップＳ１２で計測した検査対象２の表面形状に応じた探傷結果の再構成処理を行う（ステップＳ１４）。
【００４２】
図９において、ステップＳ２１では、超音波プローブ１を検査対象２に音響接触媒質３を介して設置して検査対象２を走査する。次いで、ステップＳ２２では、超音波プローブ１により超音波探傷処理を実行する。そして、設計データベース９に予め記録されている検査対象２の表面形状を読み込む処理（ステップＳ２３）を実行した後、その表面形状に応じた探傷結果の再構成処理を行う（ステップＳ２４）。
【００４３】
次に、図１０〜図１２を用いて探傷屈折角βの算出方法について説明する。
【００４４】
図１０は本実施形態において発振された超音波が検査対象内部で伝播する状態を示す説明図である。図１１は検査対象の表面傾きθを用いて実際の入射角と探傷屈折角を算出する場合を示す説明図である。図１２は受信信号と検査対象位置情報とを対応付けるためのフローチャートである。
【００４５】
図１０に示すように、同時送信する素子の中心位置Ｅｍから、超音波プローブ１と検査対象２との位置関係および探傷したい条件（超音波の検査対象２内部での伝播方向、超音波をフォーカスする位置などの情報）により事前に計算された入射角αｉにて音響接触媒質３を伝播し、検査対象２表面に到達する。なお、入射角αｉとは、図６および図７に示した入射角αに相当するものであり、換言すれば超音波プローブ１から検査対象２へ超音波を送信する角度である。表面形状が平面でない場合には、入射角αｉは、実際の入射角度とは異なる。ここで、素子の中心位置Ｅｍは、超音波素子の位置情報であり、入射角αｉは、超音波の送信角度である。
【００４６】
図１０および図１２に示すように、まず、事前に検査対象２の表面形状を計測した結果、または設計データベース９に予め記録されている設計情報に基づいて、検査対象２の表面に座標Ｓ１〜Ｓｎの情報を設定する。なお、本実施形態は、フェーズドアレイ探触子を用いた場合について説明するので、各座標情報は二次元（Ｓ（ｘ，ｚ））であるが、マトリックスアレイ探触子を用いる場合は、三次元(Ｓ(ｘ,ｙ,ｚ))で設定する。（ステップＳ３１）
次いで、超音波素子の中心位置Ｅｍと、各超音波素子から送信する超音波の入射角αｉとから、超音波素子の中心位置Ｅｍから送信される超音波の入射位置（以下、入射点ともいう。）Ｓｍ（ｘ，ｚ）を計算することが可能である。（ステップＳ３２）
ここで、図１１に示すように入射位置Ｓｍ（ｘ，ｚ）の座標における検査対象の表面傾きθを用いることで、実際の入射角αｍと実際の探傷屈折角βｍを、スネルの法則から算出することが可能である。なお、表面傾きθは、平面と仮定された検査対象２の表面に対する傾きであり、換言すれば、超音波入射位置における実際の検査対象２の表面と超音波プローブ１との相対角度である。なお、表面傾きθの算出方法については後述する。（ステップＳ３３，Ｓ３４，Ｓ３５）
この結果、送信される超音波素子の中心位置Ｅｍから入射位置Ｓｍまでの伝播距離ＥｍＳｍ、入射位置Ｓｍから検査対象２内のある位置ＳｍＭｍ（ｘ，ｚ）、および検査対象２内での超音波の伝搬方向が分かるため、実際の超音波の伝搬経路を求めることができる。
【００４７】
そして、音響接触媒質３と検査対象２のそれぞれの音速は既知であることから、素子の中心位置Ｅｍから超音波を送信して受信した超音波信号Ｕｍのデータにおいて、超音波信号の各時間が検査対象内部のどこの位置に対応しているかを算出することが可能となる。なお、図示は省略するが、超音波信号Ｕｍとは縦軸に信号振幅、横軸に時間をとった信号波形である。（ステップＳ３６）
この一連の処理を、超音波探傷を行う全素子位置について繰り返し実行することにより、検査対象２の表面形状を考慮した再構成を行うことが可能である。
【００４８】
次に、上述した座標Ｓｍにおける検査対象２の表面傾きθを求める方法について説明する。図１３は検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。図１４は別の方法で検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。この表面傾きθは、超音波プローブ１と検査対象２との相対角度である。
【００４９】
図１３に示すように、上記の超音波の入射点Ｓｍにおける表面傾きθは、超音波の入射点Ｓｍに隣接した座標点Ｓｍ−１と座標点Ｓｍ＋１から算出することが可能である。また、隣接している座標ではなく、超音波の入射点Ｓｍからａ離れた座標点Ｓｍ−ａと座標点Ｓｍ＋ａを用いて算出することも可能である。
【００５０】
さらに、座標点Ｓｍ−ａから座標点Ｓｍ＋ａまでの各点を利用し、各点を通るように最小二乗法などの手法により直線近似することで傾きを求める手法も可能である。また、図１４に示すように、形状計測結果にノイズが生じている場合もあるため、座標点Ｓｍ−ａから座標点Ｓｍ＋ａまでの複数点のうち、ばらつきの大きいデータ点を除去して表面傾きθを算出するようにしてもよい。
【００５１】
なお、上述した超音波素子の中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍの位置から入射点Ｓｍを特定する際に、表面形状関数Ｓの各位置における表面傾きθを先に計算し、中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍの位置に対して座標Ｓ１から座標Ｓｎまでスネルの法則で計算し、計算結果の絶対値が最小となる値を中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍの位置関係における入射点Ｓｍとする計算も可能である。
【００５２】
また、図１０に示す探傷結果再構成領域Ｍ（ｘ，ｚ）の作成には、超音波信号Ｕｍから探傷結果Ｍへの位置を計算する場合と、探傷結果Ｍの座標点から、各座標に対応する超音波信号Ｕｍの位置を算出する方法の両方を適用することができる。
【００５３】
次に、実際に欠陥を付与した試験体に対して探傷を行い、得られた探傷信号について再構成を行った結果を用いて、表面形状を考慮しない再構成と表面形状を考慮した再構成について比較して説明する。検査対象２の表面形状を考慮しない再構成を行った例を図１５に、検査対象２の表面形状を考慮して再構成を行った例を図１６に示す。これらの例では、超音波が検査対象２の探傷面に存する曲面（うねり）２ａから検査対象２に付与された欠陥に送信される条件で探傷を行っている。
【００５４】
図１５は、平面に４５度で超音波を入射させる条件でうねりを持つ検査対象２に対して探傷し、探傷した結果を表面の曲面形状の影響を考慮せずに再構成した結果を示す。
【００５５】
図１５に示した例では、コーナーエコー部（検査対象２の探傷面と反対側に生じている欠陥開口部からのエコー）を示すピークが、探傷面と反対側の面よりも内側に位置していることが分かる。また、欠陥の端部エコー（欠陥の検査対象内部側の端部からのエコー）は、明確なピークを示していない。
【００５６】
これに対して、図１６に示した例では、コーナーエコー部のピークが探傷面と反対側の面上に位置していることが分かる。また、端部エコーも明確なピークを示している。
【００５７】
さらに、図１５と図１６とを比較すると、図１５に示す例では欠陥位置の紙面において左側の欠陥等が存在しない位置に、エコーを示す領域が現れてしまっていることが分かる。
【００５８】
このように、表面形状を考慮しない再構成では、曲面の影響を受ける検査対象２の内部に付与された欠陥のコーナーエコーおよび端部エコーの指示が不明瞭、かつ指示の位置が実際に付与されている欠陥位置に対して誤差を生じていることが分かる。
【００５９】
これに対して、表面の曲面形状の影響を考慮した再構成結果では、欠陥のコーナーエコーおよび端部エコーの指示が図１５に比べて明瞭に示されており、欠陥の指示位置も正確であることが判明した。
【００６０】
ところで、上述した本実施形態において、検査対象２へ入射する超音波が位置により探傷屈折角βが変化する問題がある。また、例えば、図１０〜図１４に示すような検査対象２の表面の曲率が大きい場合、探傷屈折角βが大きく変化するため、検査すべき領域に超音波を入射することができない問題がある。
【００６１】
図１７および図１８は、検査対象が平面の場合に探傷屈折角βが４５度、検査対象厚さｔに対して３／４ｔで超音波の焦点が形成される条件で計算された超音波プローブ１の送信遅延条件にて曲面へ超音波を入射した場合の超音波の強度を音場シミュレーションにて示した結果である。
【００６２】
図１７に示すように、平面部の一部から超音波が検査対象２の内部へ入射しているものの、曲面からは超音波が的確に入射することができていないことを確認することができる。一方、図１８に示すように曲面に対応した送信の遅延条件にて超音波を入射した場合、曲面からも超音波が検査対象２内へ入射されることが確認できる。
【００６３】
このように、検査対象２の表面形状に応じて検査対象２内部の探傷条件が同等となるように、各位置における入射角を制御することにより、検査対象２内部の探傷条件が一定となり、また探傷することができなかった位置へ超音波を入射することが可能になる。
【００６４】
本実施形態においても、前述の通り探傷結果を再構成する場合には、表面形状に応じた再構成を実施する必要がある。例えば、図１９には、曲面の形状を考慮して超音波の送信のための遅延時間条件を計算し、探傷した結果を表面の曲面形状の影響を考慮せずに再構成した結果を示す。
【００６５】
図１９によれば、コーナーエコー部が曲面の影響を受ける位置となるが、コーナーエコーの指示が円弧状に間延びしていること、およびピークの指示位置が実際のコーナー位置より若干ずれが生じていることが確認できる。
【００６６】
一方、表面の曲面形状の影響を考慮し、再構成させた結果を図２０に示す。コーナーエコー指示が図１９に比べて明瞭化し、ピークの指示位置の誤差も解消されていることが確認できる。また、欠陥位置も、実際に付与している欠陥位置と同等の位置になる。
【００６７】
このように本実施形態によれば、探傷結果を検査対象２の表面形状に応じて再構成することで、複雑な形状に形成された検査対象２の表面に対して、検出精度が高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が可能になる。その結果、正確な超音波探傷を実施することが可能になり、装置の信頼性を向上させることができる。
【００６８】
なお、本実施形態は、表面形状を考慮しない送信遅延条件で探傷した場合だけでなく、形状を考慮した送信遅延条件により探傷した場合にも適用することが可能である。また、上記実施形態では、検査対象２が非平面形状について説明してきたが、検査対象が平面であるが、超音波プローブ１と検査対象２の位置関係が非平行である場合や、その位置関係が平行であるが超音波プローブ１から検査対象２の表面までの距離の設置誤差の影響を可能な限り除去して正確な計測を行いたい場合などにも有効である。すなわち、検査対象２の表面の超音波が入射する位置における表面形状、相対角度などの表面情報を用いた再構成により、探傷精度を向上することが可能である。
【００６９】
さらに、以上のように本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、単なる例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。
【００７０】
例えば、上述の実施形態では、表面形状の情報を得るにあたり、設計データから取得するか、検査中に表面形状を計測することとして説明したが、検査前に予め計測しておくこととしてもよい。
【００７１】
また、上述の実施形態においては、入射点Ｓｍを、素子の中心位置Ｅｍ、超音波の入射角αｉを用いて特定するものとしたが、例えば表面座標Ｓの各位置における表面傾きθを先に計算し、中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍに対して座標Ｓ１から座標Ｓｎまでスネルの法則で計算し、計算結果の絶対値が最小となる値をＥｍとＳｍＭｍの位置関係における入射点Ｓｍとする計算も可能である。
【００７２】
ここで、計算結果が０となる座標が真の入射点であるが、各座標Ｓの設定数によっては、真の入射点に座標が設定されない場合もあるので、真の入射点に最も近い座標である値が最小となる座標Ｓを、入射位置として採用するようにしてもよい。
【００７３】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１…超音波プローブ
２…検査対象
３…音響接触媒質
４…超音波送受信部
５…駆動素子制御部（遅延手段）
６…信号記録部（記憶手段）
７…解析部（解析手段）
８…表示部
９…設計データベース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査対象の健全性を非破壊で確認するための超音波探傷装置および超音波探傷方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に超音波探傷技術は、非破壊で検査対象である構造材の健全性を確認することが可能な技術であり、様々な分野で欠くことができない技術として使用されている。特に、近年は、検査対象の表面が曲面形状などの複雑形状部が形成された構造物に対しても検査要求があり、超音波探傷技術への要求が高度化しているのが現状である。
【０００３】
その一方で、検査対象の表面に曲面などの複雑な形状が形成されている場合には、超音波が適切に検査対象物へ入射することができない問題がある。因みに、溶接線およびその熱影響部においては、溶接の入熱によるひずみや傘折れが生じたり、溶金を盛った後の凸形状など、設計上は平坦である箇所が曲面などの複雑な形状に形成されてしまうことが多い。
【０００４】
また、例えば原子力発電プラントや火力発電プラントのノズル管台などに代表される各種配管や、タービン翼のプラットフォーム部などは、設計上、曲面などの複雑形状に形成され、検査が困難な箇所も多く存在している。現状において、超音波を検査対象へ入射できなかったり、仮に入射することができたとしても目標とする探傷屈折角とならない場合が生じ得るなどの問題がある。また、フェーズドアレイ（ＰＡ）やマトリックスアレイ（ＭＡ）を使用する場合は、各素子の入射位置毎に表面の形状が異なっている場合がある。
【０００５】
このような問題を解決する手段として、従来では、例えば特許文献１に記載された技術がある。この技術は、検査対象の表面形状を超音波プローブにより計測し、その計測した形状に応じてフェーズドアレイ（ＰＡ）の送信遅延時間を最適化して検査する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７０８７７号公報「超音波探傷装置及び方法」
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】超音波による欠陥寸法測定 −非破壊検査の新しい展開− 共立出版発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術は、検査対象の表面形状に応じ、超音波の遅延時間条件を最適化することしか言及されていない。具体的には、表面形状に応じて超音波を入射することで、超音波の入射角が変化する問題には対応することが可能であるものの、探傷結果を表示する際に、この表面形状の影響を考慮せずに探傷結果を表示させると、実際の探傷位置とは異なる箇所に欠陥の指示エコーが検出されることになる。
【０００９】
この指示エコーの位置は、別途表面形状の影響を考慮して探傷結果を補正しなければ、正確な欠陥位置を検知することができず、検出位置の誤差を生じ、精度の低い超音波探傷しか実施することができない。加えて、上記指示エコーが不明瞭になるなどの問題も生じる。
【００１０】
本発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、検査対象の表面が複雑な形状に形成された場合でも、精度が高い検出結果が得られる超音波探傷装置および超音波探傷方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る超音波探傷装置は、複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射し、その検査対象からの反射超音波を受信する超音波プローブと、前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析手段と、を備える超音波探傷装置であって、前記解析手段は、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る超音波探傷方法は、超音波プローブの複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射する超音波入射ステップと、前記超音波入射ステップの後に、前記検査対象からの反射超音波を受信する超音波受信ステップと、前記超音波受信ステップの後に、前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析ステップと、を含む超音波探傷方法であって、前記解析ステップは、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検査対象の表面が複雑な形状に形成された場合でも、精度が高い検出結果が得られ、正確な超音波探傷を実施することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る超音波探傷装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】一般的な探傷例を示す説明図である。
【図３】一般的な探傷結果を再構成する例を示す説明図である。
【図４】一般的な探傷方法を示すフローチャートである。
【図５】検査対象の表面が非平面の超音波の伝搬経路を示す説明図である。
【図６】検査対象の表面形状を考慮しない再構成方法を示す説明図である。
【図７】検査対象の表面形状を考慮した再構成方法を示す説明図である。
【図８】表面形状を計測して探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。
【図９】設計データから読み込んだ表面形状に応じて探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。
【図１０】本実施形態において発振された超音波が検査対象内部で伝播する状態を示す説明図である。
【図１１】検査対象の表面傾きθを用いて実際の入射角と探傷屈折角を算出する場合を示す説明図である。
【図１２】受信信号と検査対象位置情報とを対応付けるためのフローチャートである。
【図１３】検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。
【図１４】別の方法で検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。
【図１５】検査対象の表面形状を考慮しない再構成を行った例の画像を示す図である。
【図１６】検査対象の表面形状を考慮して再構成を行った例の画像を示す図である。
【図１７】超音波の強度を音場シミュレーションにて示す図である。
【図１８】超音波の強度を音場シミュレーションにて示す図である。
【図１９】表面の曲面形状の影響を考慮せずに再構成した結果の画像を示す図である。
【図２０】表面の曲面形状の影響を考慮して再構成させた結果の画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る超音波探傷装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
本実施形態における超音波プローブとは、セラミックス製、その複合材料またはそれ以外の材料で圧電効果により超音波を発生することが可能な圧電素子、高分子フィルムによる圧電素子、またはそれ以外の超音波を発生可能な機構と、超音波をダンピングするダンピング材と、超音波の送信面に取り付けられた前面板とのいずれかの構成、もしくはそれらの組み合わせからなる構成とし、一般的な超音波探触子と称されるものとする。
【００１７】
本実施形態では、圧電素子が一次元状に配列された一般的にアレイセンサと呼ばれるものを適用した場合について説明するが、二次元状に配列されたマトリックスセンサを適用してもよい。
【００１８】
本実施形態における音響接触媒質は、例えば水、グリセリン、マシン油、アクリルやポリスチレンのゲルなどのように超音波を伝播させることが可能な媒質とする。なお、本実施形態においては、超音波プローブから検査対象へ超音波を入射させる際に音響接触媒質の記載を省略している場合もある。また、一般的なフェーズドアレイなどの複数の圧電素子を用いることによって超音波の送受信遅延制御による探傷方法の詳細は、上記非特許文献１などにより周知技術であるので、その説明を省略する。
【００１９】
以下、本実施形態に係る超音波探傷装置の具体的な構成について説明する。
【００２０】
図１は本発明に係る超音波探傷装置の一実施形態を示すブロック図である。図２は一般的な探傷例を示す説明図である。図３は一般的な探傷結果を再構成する例を示す説明図である。図４は一般的な探傷方法を示すフローチャートである。図５は検査対象の表面が非平面の超音波の伝搬経路を示す説明図である。
【００２１】
なお、以下の説明では、配管を検査対象とし、その配管の欠陥部分を超音波により探傷する場合について説明する。また、図１では、配管の中心を一点鎖線で示している。
【００２２】
図１に示すように、超音波探傷装置は超音波プローブ１を有する。この超音波プローブ１は、複数の超音波素子を駆動して検査対象２である配管に音響接触媒質３を通して超音波を入射し、検査対象２からの反射超音波を受信する。
【００２３】
また、超音波探傷装置は、超音波プローブ１で超音波の送受信を行うための超音波送受信部４と、この超音波送受信部４で実際に駆動させる超音波素子を制御するための駆動素子制御部５と、超音波プローブ１で受信した受信信号（超音波信号）を記録するために記憶手段としての信号記録部６と、この信号記録部６に記録した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析部７と、この解析部７により得られた探傷結果を表示するための表示部８と、設計段階における検査対象２の表面形状のデータが予め記録されている設計データベース９と、を備える。
【００２４】
駆動素子制御部５は、送受信感度を調整する送受信感度調整部５ａを備え、複数の超音波素子のそれぞれを任意の時間で発振するための遅延手段を構成する。信号記録部６は、駆動素子制御部５で受信した超音波信号を保存する記憶手段を構成する。
【００２５】
解析部７は、超音波が入射する検査対象２の表面情報に基づいて求めた超音波の伝搬経路に基づいて探傷結果を算出する解析手段を構成する。すなわち、解析部７は、超音波が入射する位置の検査対象２の表面と超音波プローブ１との相対角度を用いて超音波の伝搬経路を求めている。
【００２６】
なお、図１に示す超音波探傷装置は、複数の圧電素子からなる超音波プローブ１に対して遅延時間を付与し送受信の制御を行う機構を備えていれば、他の構成であってもよい。
【００２７】
次に、図２および図３に基づいて一般的なフェーズドアレイ（ＰＡ）を用いた場合の探傷方法について説明する。
【００２８】
図２に示すように、検査対象２の内部に超音波を任意の探傷屈折角で入射させるため、フェーズドアレイ（ＰＡ）の超音波プローブ１に設けられた複数の超音波素子（以下、圧電素子ともいう。）に適切な時間遅延を付与して発振させていくことで、超音波の方向や焦点位置の制御が可能になる。なお、本実施形態では、代表的にリニアスキャン法を適用した場合について説明するが、その他セクタースキャンなど、種々の探傷方法を用いてもよい。
【００２９】
検査対象２に入射された超音波は、検査対象２内部に欠陥などの反射源が存在すると、超音波が反射、散乱され、その反射波が超音波プローブ１の圧電素子で受信される。このようにして得られた超音波波形は、設定した超音波の入射角αと探傷屈折角βに応じて、電子スキャン方向に画像化することが可能である。この画像化は一般的にＢ−ｓｃａｎやＳ−ｓｃａｎと呼ばれている。この画像化は、図３に示すように探傷時の探傷条件に応じた入射角αや探傷屈折角βにより再構成される。なお、以下の実施形態においては、Ｂ−ｓｃａｎを用いて説明する。
【００３０】
このような一般的な探傷方法を図４に基づいて説明する。
【００３１】
図４に示すように、検査対象２に対する探傷屈折角βや焦点位置などの探傷条件に基づいて遅延時間を算出しておき（ステップＳ１）、検査対象２のある位置に超音波プローブ１を設置し（ステップＳ２）、検査対象２を探傷（ステップＳ３）した後、探傷屈折角βに応じて得られた超音波データを再構成し、Ｂ−ｓｃａｎを作成（ステップＳ４）する。その後、再度検査対象２の検査位置を変更し、ステップＳ３およびステップＳ４の処理を繰り返すことになる。
【００３２】
しかしながら、例えば検査対象２の表面が、溶接金属の余盛や、研削によりうねり（部分的な曲面）などが形成されていた場合、あるいはそもそも検査対象２が非平面であった場合は、図３に示す平面条件と想定した探傷条件で探傷および結果の再構成（ステップＳ４）を実施すると、検査結果に誤差が生じる問題がある。
【００３３】
この問題を図５に基づいて説明する。図５は検査対象２の表面にうねりなどの曲面２ａが形成されている場合について検査する場合である。ここで、探傷条件が図２に示すように平面の条件で計算されていた場合、超音波プローブ１のどの位置からも入射角αにより探傷されることになる。そのため、検査対象２の表面が曲面２ａに形成されている箇所に入射する場合、スネルの法則から探傷屈折角βが固定されず、入射位置に応じて様々な変化を生じる。したがって、超音波受信信号に基づいて再構成を行う際は、検査対象２の表面形状を考慮しなければ、再構成の条件の探傷屈折角βと実際の探傷屈折角βが異なってしまい、実際の超音波の伝搬経路と異なる条件で再構成を行ってしまうことになる。
【００３４】
この点について、図６および図７を用いてさらに詳細に説明する。
【００３５】
図６は検査対象の表面形状を考慮しない再構成方法を示す説明図である。図７は検査対象の表面形状を考慮した再構成方法を示す説明図である。具体的に、図６および図７は、それぞれ探傷結果をＢ−ｓｃａｎ表示する際に、再構成の計算に用いる超音波の伝搬経路を示している。図６は検査対象２の表面形状を考慮していない例を示し、図７は検査対象の表面形状を考慮した例を示している。
【００３６】
図６に示す例は、あくまでも平面形状を想定した超音波伝搬経路となっており、実際の検査対象２内部の探傷屈折角βは反映されずに再構成される。すなわち、実際とは異なる超音波伝搬経路を用いて再構成されるため、再構成で得られた欠陥位置などが、実際に検査対象２に生じている欠陥の位置に対して誤差を生じてしまう。
【００３７】
これに対して、図７に示すように、検査対象２の実際の表面形状を考慮した超音波の伝搬経路（すなわち、実際の超音波の伝搬経路）を用いて再構成を行えば、上述したような誤差は生じない。したがって、図７に示す超音波の伝搬経路は、検査対象２の表面形状、入射角αから探傷屈折角βを算出して求めることが可能である。
【００３８】
このように本実施形態では、入射点の各位置で探傷屈折角βを計算し、その角度に応じて探傷結果を再構成することで、実際の超音波探傷の結果を反映し、位置誤差などがない検査が可能になる。
【００３９】
次に、検査対象２の表面形状を考慮して探傷結果を再構成する場合の２つの処理を図８および図９に基づいて説明する。
【００４０】
図８は表面形状を計測して探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。図９は設計データから読み込んだ表面形状に応じて探傷結果を再構成する場合を示すフローチャートである。
【００４１】
図８において、ステップＳ１１では、超音波プローブ１を検査対象２に音響接触媒質３を介して設置して検査対象２を走査する。次いで、ステップＳ１２では、検査対象２の表面形状を計測する。そして、超音波プローブ１により超音波探傷処理を実行（ステップＳ１３）した後、ステップＳ１２で計測した検査対象２の表面形状に応じた探傷結果の再構成処理を行う（ステップＳ１４）。
【００４２】
図９において、ステップＳ２１では、超音波プローブ１を検査対象２に音響接触媒質３を介して設置して検査対象２を走査する。次いで、ステップＳ２２では、超音波プローブ１により超音波探傷処理を実行する。そして、設計データベース９に予め記録されている検査対象２の表面形状を読み込む処理（ステップＳ２３）を実行した後、その表面形状に応じた探傷結果の再構成処理を行う（ステップＳ２４）。
【００４３】
次に、図１０〜図１２を用いて探傷屈折角βの算出方法について説明する。
【００４４】
図１０は本実施形態において発振された超音波が検査対象内部で伝播する状態を示す説明図である。図１１は検査対象の表面傾きθを用いて実際の入射角と探傷屈折角を算出する場合を示す説明図である。図１２は受信信号と検査対象位置情報とを対応付けるためのフローチャートである。
【００４５】
図１０に示すように、同時送信する素子の中心位置Ｅｍから、超音波プローブ１と検査対象２との位置関係および探傷したい条件（超音波の検査対象２内部での伝播方向、超音波をフォーカスする位置などの情報）により事前に計算された入射角αｉにて音響接触媒質３を伝播し、検査対象２表面に到達する。なお、入射角αｉとは、図６および図７に示した入射角αに相当するものであり、換言すれば超音波プローブ１から検査対象２へ超音波を送信する角度である。表面形状が平面でない場合には、入射角αｉは、実際の入射角度とは異なる。ここで、素子の中心位置Ｅｍは、超音波素子の位置情報であり、入射角αｉは、超音波の送信角度である。
【００４６】
図１０および図１２に示すように、まず、事前に検査対象２の表面形状を計測した結果、または設計データベース９に予め記録されている設計情報に基づいて、検査対象２の表面に座標Ｓ１〜Ｓｎの情報を設定する。なお、本実施形態は、フェーズドアレイ探触子を用いた場合について説明するので、各座標情報は二次元（Ｓ（ｘ，ｚ））であるが、マトリックスアレイ探触子を用いる場合は、三次元(Ｓ(ｘ,ｙ,ｚ))で設定する。（ステップＳ３１）
次いで、超音波素子の中心位置Ｅｍと、各超音波素子から送信する超音波の入射角αｉとから、超音波素子の中心位置Ｅｍから送信される超音波の入射位置（以下、入射点ともいう。）Ｓｍ（ｘ，ｚ）を計算することが可能である。（ステップＳ３２）
ここで、図１１に示すように入射位置Ｓｍ（ｘ，ｚ）の座標における検査対象の表面傾きθを用いることで、実際の入射角αｍと実際の探傷屈折角βｍを、スネルの法則から算出することが可能である。なお、表面傾きθは、平面と仮定された検査対象２の表面に対する傾きであり、換言すれば、超音波入射位置における実際の検査対象２の表面と超音波プローブ１との相対角度である。なお、表面傾きθの算出方法については後述する。（ステップＳ３３，Ｓ３４，Ｓ３５）
この結果、送信される超音波素子の中心位置Ｅｍから入射位置Ｓｍまでの伝播距離ＥｍＳｍ、入射位置Ｓｍから検査対象２内のある位置ＳｍＭｍ（ｘ，ｚ）、および検査対象２内での超音波の伝搬方向が分かるため、実際の超音波の伝搬経路を求めることができる。
【００４７】
そして、音響接触媒質３と検査対象２のそれぞれの音速は既知であることから、素子の中心位置Ｅｍから超音波を送信して受信した超音波信号Ｕｍのデータにおいて、超音波信号の各時間が検査対象内部のどこの位置に対応しているかを算出することが可能となる。なお、図示は省略するが、超音波信号Ｕｍとは縦軸に信号振幅、横軸に時間をとった信号波形である。（ステップＳ３６）
この一連の処理を、超音波探傷を行う全素子位置について繰り返し実行することにより、検査対象２の表面形状を考慮した再構成を行うことが可能である。
【００４８】
次に、上述した座標Ｓｍにおける検査対象２の表面傾きθを求める方法について説明する。図１３は検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。図１４は別の方法で検査対象の表面傾きを求めるための説明図である。この表面傾きθは、超音波プローブ１と検査対象２との相対角度である。
【００４９】
図１３に示すように、上記の超音波の入射点Ｓｍにおける表面傾きθは、超音波の入射点Ｓｍに隣接した座標点Ｓｍ−１と座標点Ｓｍ＋１から算出することが可能である。また、隣接している座標ではなく、超音波の入射点Ｓｍからａ離れた座標点Ｓｍ−ａと座標点Ｓｍ＋ａを用いて算出することも可能である。
【００５０】
さらに、座標点Ｓｍ−ａから座標点Ｓｍ＋ａまでの各点を利用し、各点を通るように最小二乗法などの手法により直線近似することで傾きを求める手法も可能である。また、図１４に示すように、形状計測結果にノイズが生じている場合もあるため、座標点Ｓｍ−ａから座標点Ｓｍ＋ａまでの複数点のうち、ばらつきの大きいデータ点を除去して表面傾きθを算出するようにしてもよい。
【００５１】
なお、上述した超音波素子の中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍの位置から入射点Ｓｍを特定する際に、表面形状関数Ｓの各位置における表面傾きθを先に計算し、中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍの位置に対して座標Ｓ１から座標Ｓｎまでスネルの法則で計算し、計算結果の絶対値が最小となる値を中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍの位置関係における入射点Ｓｍとする計算も可能である。
【００５２】
また、図１０に示す探傷結果再構成領域Ｍ（ｘ，ｚ）の作成には、超音波信号Ｕｍから探傷結果Ｍへの位置を計算する場合と、探傷結果Ｍの座標点から、各座標に対応する超音波信号Ｕｍの位置を算出する方法の両方を適用することができる。
【００５３】
次に、実際に欠陥を付与した試験体に対して探傷を行い、得られた探傷信号について再構成を行った結果を用いて、表面形状を考慮しない再構成と表面形状を考慮した再構成について比較して説明する。検査対象２の表面形状を考慮しない再構成を行った例を図１５に、検査対象２の表面形状を考慮して再構成を行った例を図１６に示す。これらの例では、超音波が検査対象２の探傷面に存する曲面（うねり）２ａから検査対象２に付与された欠陥に送信される条件で探傷を行っている。
【００５４】
図１５は、平面に４５度で超音波を入射させる条件でうねりを持つ検査対象２に対して探傷し、探傷した結果を表面の曲面形状の影響を考慮せずに再構成した結果を示す。
【００５５】
図１５に示した例では、コーナーエコー部（検査対象２の探傷面と反対側に生じている欠陥開口部からのエコー）を示すピークが、探傷面と反対側の面よりも内側に位置していることが分かる。また、欠陥の端部エコー（欠陥の検査対象内部側の端部からのエコー）は、明確なピークを示していない。
【００５６】
これに対して、図１６に示した例では、コーナーエコー部のピークが探傷面と反対側の面上に位置していることが分かる。また、端部エコーも明確なピークを示している。
【００５７】
さらに、図１５と図１６とを比較すると、図１５に示す例では欠陥位置の紙面において左側の欠陥等が存在しない位置に、エコーを示す領域が現れてしまっていることが分かる。
【００５８】
このように、表面形状を考慮しない再構成では、曲面の影響を受ける検査対象２の内部に付与された欠陥のコーナーエコーおよび端部エコーの指示が不明瞭、かつ指示の位置が実際に付与されている欠陥位置に対して誤差を生じていることが分かる。
【００５９】
これに対して、表面の曲面形状の影響を考慮した再構成結果では、欠陥のコーナーエコーおよび端部エコーの指示が図１５に比べて明瞭に示されており、欠陥の指示位置も正確であることが判明した。
【００６０】
ところで、上述した本実施形態において、検査対象２へ入射する超音波が位置により探傷屈折角βが変化する問題がある。また、例えば、図１０〜図１４に示すような検査対象２の表面の曲率が大きい場合、探傷屈折角βが大きく変化するため、検査すべき領域に超音波を入射することができない問題がある。
【００６１】
図１７および図１８は、検査対象が平面の場合に探傷屈折角βが４５度、検査対象厚さｔに対して３／４ｔで超音波の焦点が形成される条件で計算された超音波プローブ１の送信遅延条件にて曲面へ超音波を入射した場合の超音波の強度を音場シミュレーションにて示した結果である。
【００６２】
図１７に示すように、平面部の一部から超音波が検査対象２の内部へ入射しているものの、曲面からは超音波が的確に入射することができていないことを確認することができる。一方、図１８に示すように曲面に対応した送信の遅延条件にて超音波を入射した場合、曲面からも超音波が検査対象２内へ入射されることが確認できる。
【００６３】
このように、検査対象２の表面形状に応じて検査対象２内部の探傷条件が同等となるように、各位置における入射角を制御することにより、検査対象２内部の探傷条件が一定となり、また探傷することができなかった位置へ超音波を入射することが可能になる。
【００６４】
本実施形態においても、前述の通り探傷結果を再構成する場合には、表面形状に応じた再構成を実施する必要がある。例えば、図１９には、曲面の形状を考慮して超音波の送信のための遅延時間条件を計算し、探傷した結果を表面の曲面形状の影響を考慮せずに再構成した結果を示す。
【００６５】
図１９によれば、コーナーエコー部が曲面の影響を受ける位置となるが、コーナーエコーの指示が円弧状に間延びしていること、およびピークの指示位置が実際のコーナー位置より若干ずれが生じていることが確認できる。
【００６６】
一方、表面の曲面形状の影響を考慮し、再構成させた結果を図２０に示す。コーナーエコー指示が図１９に比べて明瞭化し、ピークの指示位置の誤差も解消されていることが確認できる。また、欠陥位置も、実際に付与している欠陥位置と同等の位置になる。
【００６７】
このように本実施形態によれば、探傷結果を検査対象２の表面形状に応じて再構成することで、複雑な形状に形成された検査対象２の表面に対して、検出精度が高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が可能になる。その結果、正確な超音波探傷を実施することが可能になり、装置の信頼性を向上させることができる。
【００６８】
なお、本実施形態は、表面形状を考慮しない送信遅延条件で探傷した場合だけでなく、形状を考慮した送信遅延条件により探傷した場合にも適用することが可能である。また、上記実施形態では、検査対象２が非平面形状について説明してきたが、検査対象が平面であるが、超音波プローブ１と検査対象２の位置関係が非平行である場合や、その位置関係が平行であるが超音波プローブ１から検査対象２の表面までの距離の設置誤差の影響を可能な限り除去して正確な計測を行いたい場合などにも有効である。すなわち、検査対象２の表面の超音波が入射する位置における表面形状、相対角度などの表面情報を用いた再構成により、探傷精度を向上することが可能である。
【００６９】
さらに、以上のように本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、単なる例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更することができる。
【００７０】
例えば、上述の実施形態では、表面形状の情報を得るにあたり、設計データから取得するか、検査中に表面形状を計測することとして説明したが、検査前に予め計測しておくこととしてもよい。
【００７１】
また、上述の実施形態においては、入射点Ｓｍを、素子の中心位置Ｅｍ、超音波の入射角αｉを用いて特定するものとしたが、例えば表面座標Ｓの各位置における表面傾きθを先に計算し、中心位置Ｅｍと検査対象２内のある位置ＳｍＭｍに対して座標Ｓ１から座標Ｓｎまでスネルの法則で計算し、計算結果の絶対値が最小となる値をＥｍとＳｍＭｍの位置関係における入射点Ｓｍとする計算も可能である。
【００７２】
ここで、計算結果が０となる座標が真の入射点であるが、各座標Ｓの設定数によっては、真の入射点に座標が設定されない場合もあるので、真の入射点に最も近い座標である値が最小となる座標Ｓを、入射位置として採用するようにしてもよい。
【００７３】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１…超音波プローブ
２…検査対象
３…音響接触媒質
４…超音波送受信部
５…駆動素子制御部（遅延手段）
６…信号記録部（記憶手段）
７…解析部（解析手段）
８…表示部
９…設計データベース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射し、その検査対象からの反射超音波を受信する超音波プローブと、
前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析手段と、を備える超音波探傷装置であって、
前記解析手段は、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記超音波素子の各々を任意の時間で発振するための遅延手段と、受信した超音波信号を保存する記憶手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
前記表面情報は、前記検査対象の表面形状情報を含む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】
前記解析手段は、前記超音波が入射する位置の前記検査対象表面と前記超音波プローブとの相対角度を用いて前記超音波の伝搬経路を求めることを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記解析手段は、前記超音波プローブから前記検査対象へ入射する超音波の送信角度と、前記超音波を送信する超音波素子の位置情報とを用いて、前記検査対象表面の前記超音波の入射位置を特定することを特徴とする請求項４に記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
前記解析手段は、
前記送信角度、前記入射位置、前記相対角度に基づいて前記超音波の前記検査対象への入射角度を求め、
前記入射角度に基づいて前記超音波が前記検査対象に入射したときの屈折角度を求め、
前記送信角度、前記入射位置、前記屈折角度に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする請求項５に記載の超音波探傷装置。
【請求項７】
前記表面情報は、前記検査対象の前記超音波プローブに対する相対角度を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項８】
超音波プローブの複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射する超音波入射ステップと、
前記超音波入射ステップの後に、前記検査対象からの反射超音波を受信する超音波受信ステップと、
前記超音波受信ステップの後に、前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析ステップと、を含む超音波探傷方法であって、
前記解析ステップは、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項９】
前記解析ステップは、
前記送信角度、前記入射位置、前記相対角度に基づいて前記超音波の前記検査対象への入射角度を求める入射角度算出ステップと、
前記入射角度に基づいて前記超音波が前記検査対象に入射したときの屈折角度を求める屈折角度算出ステップと、
前記送信角度、前記入射位置、前記屈折角度に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出する探傷結果算出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項８に記載の超音波探傷方法。
【請求項１】
複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射し、その検査対象からの反射超音波を受信する超音波プローブと、
前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析手段と、を備える超音波探傷装置であって、
前記解析手段は、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする超音波探傷装置。
【請求項２】
前記超音波素子の各々を任意の時間で発振するための遅延手段と、受信した超音波信号を保存する記憶手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項３】
前記表面情報は、前記検査対象の表面形状情報を含む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】
前記解析手段は、前記超音波が入射する位置の前記検査対象表面と前記超音波プローブとの相対角度を用いて前記超音波の伝搬経路を求めることを特徴とする請求項３に記載の超音波探傷装置。
【請求項５】
前記解析手段は、前記超音波プローブから前記検査対象へ入射する超音波の送信角度と、前記超音波を送信する超音波素子の位置情報とを用いて、前記検査対象表面の前記超音波の入射位置を特定することを特徴とする請求項４に記載の超音波探傷装置。
【請求項６】
前記解析手段は、
前記送信角度、前記入射位置、前記相対角度に基づいて前記超音波の前記検査対象への入射角度を求め、
前記入射角度に基づいて前記超音波が前記検査対象に入射したときの屈折角度を求め、
前記送信角度、前記入射位置、前記屈折角度に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする請求項５に記載の超音波探傷装置。
【請求項７】
前記表面情報は、前記検査対象の前記超音波プローブに対する相対角度を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波探傷装置。
【請求項８】
超音波プローブの複数の超音波素子を駆動して検査対象に超音波を入射する超音波入射ステップと、
前記超音波入射ステップの後に、前記検査対象からの反射超音波を受信する超音波受信ステップと、
前記超音波受信ステップの後に、前記超音波プローブが反射超音波を受信した受信信号を解析して探傷結果を算出する解析ステップと、を含む超音波探傷方法であって、
前記解析ステップは、前記超音波が入射する前記検査対象の表面情報に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出することを特徴とする超音波探傷方法。
【請求項９】
前記解析ステップは、
前記送信角度、前記入射位置、前記相対角度に基づいて前記超音波の前記検査対象への入射角度を求める入射角度算出ステップと、
前記入射角度に基づいて前記超音波が前記検査対象に入射したときの屈折角度を求める屈折角度算出ステップと、
前記送信角度、前記入射位置、前記屈折角度に基づいて求めた前記超音波の伝搬経路を用いて探傷結果を算出する探傷結果算出ステップと、
を含むことを特徴とする請求項８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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２１８１４（Ｐ２０１２−２１８１４Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５８１６７（Ｐ２０１０−１５８１６７）
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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