非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用いた超音波探触子
【課題】入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上させる。
【解決手段】超音波探触子は、非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用いており、被検査管としてのパイプに対向する開口を有する筐体と、筐体内に収容され、パイプに対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子とを備えている。各振動子は、当該各振動子の中心Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋがパイプの中心Ｄから一定距離だけ離れた仮想曲面Ｌ上に位置し、且つ超音波の出力方向がパイプの任意に定めた半径線ｒ１上の位置であって当該パイプの中心Ｄから所定距離だけ離れた位置Ｏに焦点を結ぶように、配列されている。このように構成された超音波探触子によれば、入射角ｉが一定で且つ（距離一定ＡＥ＝ＢＦ＝ＣＧ＝ＫＨに対応して）位相を一定とする位相一定フォーカシング法を適用した構成により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上できる。
【解決手段】超音波探触子は、非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用いており、被検査管としてのパイプに対向する開口を有する筐体と、筐体内に収容され、パイプに対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子とを備えている。各振動子は、当該各振動子の中心Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋがパイプの中心Ｄから一定距離だけ離れた仮想曲面Ｌ上に位置し、且つ超音波の出力方向がパイプの任意に定めた半径線ｒ１上の位置であって当該パイプの中心Ｄから所定距離だけ離れた位置Ｏに焦点を結ぶように、配列されている。このように構成された超音波探触子によれば、入射角ｉが一定で且つ（距離一定ＡＥ＝ＢＦ＝ＣＧ＝ＫＨに対応して）位相を一定とする位相一定フォーカシング法を適用した構成により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用い、被検査管に対して非接触空中超音波で超音波探傷を実施できる超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検査管（以下、パイプともいう）に対して非接触空中超音波で超音波探傷を実施する際に、平面探触子が広く用いられている。しかしながら、パイプを平面探触子により探傷する場合、被検査管の外面における超音波の入射位置によって入射角が異なるため、効率よく超音波を入射させることができない。
【０００３】
これに対し、パイプの中心線上に平行に所定距離だけずらした点に超音波ビームをフォーカシングすることにより、パイプに対する超音波ビームの入射角を一定にする入射角一定フォーカシング法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】高橋雅和他、非接触空中超音波探傷によるパイプの入射角一定フォーカシング法の開発、日本非破壊検査協会、平成２１年度春季大会講演概要集、pp11-12,(2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のような入射角一定フォーカシング法は、通常は特に問題がないものの、本発明者の検討によれば、検出された信号にノイズの目立つ箇所があるため、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）の向上を図る余地があると考えられる。
【０００６】
本発明は上記実情を考慮してなされたもので、入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上し得る超音波探触子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】
【０００７】
本発明の一局面における超音波探触子は、非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用いており、被検査管に対向する開口を有する筐体と、前記筐体内に収容され、前記被検査管に対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子とを備え、前記各振動子としては、当該各振動子の中心が前記被検査管の中心から一定距離だけ離れた仮想曲面上に位置し、且つ前記超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた半径線上の位置であって当該被検査管の中心から所定距離だけ離れた位置に焦点を結ぶように、配列されている超音波探触子である。なお、前記各振動子における超音波の出力面は、前記焦点を結ぶ位置を曲率中心とする曲面に形成されていてもよい。本発明の一局面における超音波探触子によれば、入射角が一定で且つ位相を一定とする位相一定フォーカシング法を適用した構成により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上できる。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように本発明によれば、入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る一実施形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す斜視図及び底面図である。
【図２】同実施形態における超音波探触子の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】同実施形態における受信側の超音波探触子の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】同実施形態における超音波探触子又は従来の超音波探触子を周回波法に用いたときの配置を表す模式図である。
【図５】従来の超音波探触子による周回波と、同実施形態の超音波探触子による周回波とを比較して示す波形図である。
【図６】同実施形態において、同時励振する振動子の個数を変えた場合の周回波を比較して示す波形図である。
【図７】同実施形態の超音波探触子を周回干渉波法に用いたときの干渉波形を示す波形図である。
【図８】同実施形態の超音波探触子を反射法に用いたときの配置を表す模式図である。
【図９】同実施形態の超音波探触子を反射法に用いたときの反射波形を示す波形図である。
【図１０】従来の入射角一定フォーカシング法を説明するための模式図である。
【図１１】一実施形態に適用される位相一定フォーカシング法を説明するための模式図である。
【図１２】一実施形態に適用される位相一定フォーカシング法を説明するための模式図である。
【図１３】一実施形態に適用される位相一定フォーカシング法の具体例を説明するための模式図である。
【図１４】図１３の一部を拡大して示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明するが、その前に一実施形態の前提となる位相一定フォーカシング法（非接触空中超音波探傷技術における位相一定法）について述べる。位相一定フォーカシング法は、従来の入射角一定フォーカシング法を改善した手法であり、一実施形態に係る超音波探触子に適用されている。
【００１１】
従来の入射角一定フォーカシング法においては、図１０に示すように、パイプの任意の半径線ｒ１に平行に（当該半径線ｒ１とは直交する半径線ｒ２から）所定距離Ｘだけシフトした振動子から、当該半径線ｒ１上でパイプの中心Ｄから所定距離Ｘだけ離れたＯ点に超音波ビームをフォーカシングすることにより、超音波ビームの入射角（Ｉ）を一定にする。しかしながら、従来の入射角一定フォーカシング法では、振動子面ａ，ｂ，ｃと、被検査管の外表面ｄ，ｅ，ｆとの距離ａｄ，ｂｅ，ｃｆが異なる。例えば、距離ａｄは２９．８９ｍｍであり、距離ｂｅは３２．０１ｍｍであり、距離ｃｆは３４．１０ｍｍである。
【００１２】
これらの距離の差は、入射する超音波の位相を異ならせることにより、感度及びＳ／Ｎを低下させてしまう。
【００１３】
これに対し、本発明者は、振動子面とパイプの外表面との距離を一定にすることにより、入射角及び位相を一定にする位相一定フォーカシング法を開発した。
【００１４】
始めに、位相一定フォーカシング法では、図１１に示す関係において、各距離ａｄ，ｂｅ，ｃｆの差ΔＷｅ，ΔＷｆを次式に示すように算出する。
【００１５】
ΔＷｅ＝ｂｅ−ａｄ …（１）
ΔＷｆ＝ｃｆ−ａｄ …（２）
続いて、三角形ＤｄＯ，ＤｅＯ，ＤｆＯに関し、ＤＯ＝Ｘで共通、ｄＤ＝ｅＤ＝ｆＤ＝パイプの外径の半径ｒであるから、次の関係が得られる。
【００１６】
∠ＤｄＯ＝∠ＤｅＯ＝∠ＤｆＯ＝入射角（Ｉ）＝ｓｉｎ-1（Ｘ／ｒ）
…（３）
また、三角形ＤｄＯ，ＤｅＯ，ＤｆＯに正弦定理を適用すると、式（４）が得られる。
【数１】
【００１７】
ａｄ＝Ｒ−Ｏｄ …（６）
距離ｂｅも同様にして、次式のように得られる。
【００１８】
ｂｅ＝Ｒ−ｒ・ｃｏｓ（Ｉ） …（７）
距離ｃｆも以下のようにして導く。
【００１９】
ｃｆ＝Ｒ−Ｏｆ …（８）
三角形ＤｆＯに正弦定理を適用して、式（９）を得る。
【数２】
【００２０】
式（３）〜（１０）によって、距離ｂｅ［式（７）］，ａｄ［式（６）］，ｃｆ［式（８）］は容易に求まる。その結果、距離差ΔＷｅ，ΔＷｆを補正することにより、入射角一定・距離差一定の位相一定フォーカシング法を実現できる。位相一定フォーカシング法によれば、図１２に破線Ｌで示す如き、パイプの中心Ｄから一定距離ａＤだけ離れた曲面Ｌ上に各振動子が配列されることになる。
【００２１】
図１３及び図１４に位相一定フォーカシング法の具体例を示す。図１３及び図１４に示す例では、各々中心Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋを有する４枚の振動子を用い、振動子面と、パイプの外表面Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈとの距離がＡＥ＝ＢＦ＝ＣＧ＝ＫＨで且つ超音波ビームのパイプ外表面Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈへの入射角（ｉ）が一定になるように設計している。
【００２２】
以上が一実施形態の前提となる位相一定フォーカシング法の説明である。続いて、この位相一定フォーカシング法を適用した超音波探触子の一実施形態を述べる。
【００２３】
＜一実施形態＞
図１は一実施形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す斜視図及び底面図であり、図２はこの超音波探触子の構成を模式的に示す断面図である。この超音波探触子１０は、パイプ（被検査管）に対向する開口を有する筐体１１と、当該筐体１１内に収容され、当該パイプに対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋとを備えている。各振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋは、図１３に示したように、当該各振動子の中心Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋがパイプの中心Ｄから一定距離だけ離れた仮想曲面Ｌ上に位置し、且つ超音波の出力方向がパイプの任意に定めた半径線ｒ１上の位置であって当該パイプの中心Ｄから所定距離Ｘだけ離れた位置Ｏに焦点を結ぶように、配列されている。ここで、一定距離はパイプの外径の半径ｒよりも大きい距離であり、所定距離Ｘはパイプの内径の半径（ｒ−ｔ）（但し、ｔはパイプの厚み）よりも小さい距離である。なお、各振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋにおける超音波の出力面は、図２に示した平面に限らず、当該焦点を結ぶ位置Ｏを曲率中心とする曲面に形成されていてもよい。
【００２４】
また、筐体１１は、電気信号の矩形バースト信号１を並列に入力するための信号ケーブル２を着脱自在に接続する接続端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｋを振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋ毎に備えていてもよい。但し、４つの接続端子１３ａ〜１３ｋに代えて、１つの接続端子を設け、当該１つの接続端子から筐体１１内で電気的に並列に矩形バースト信号１を各振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋに入力する構成としてもよい。また、振動子１２ａ，…としては、４個に限らず、任意の複数個を用いることが可能である。
【００２５】
また、筐体１１は、樹脂製のバッキング材１４が充填され、バッキング材１４上に各振動子１２ａ，…，１２ｋが配列され、各振動子１２ａ，…，１２ｋに貼り付けられた前面板１５を備えていてもよい。
【００２６】
バッキング材１４は、例えば、エポキシ樹脂やゴムに、比重の大きい紛体（セラミックス、金属）を混入して形成され、超音波の吸収とダンピングを行うものである。
【００２７】
前面板１５としては、各振動子１２ａ，…と空気との接続部分における超音波のレベル低下を防止する観点から、例えば、比重が０．７〜０．８程度の多孔性構造を有した樹脂材料の如き、空気の音響インピーダンスに近い材料を使用してもよい。
【００２８】
一方、図３に示すように、受信側の超音波探触子２０は、通常のものであり、パイプに対向する開口を有する筐体２１と、当該筐体２１内に収容され、当該パイプから受けた超音波パルス又は欠陥エコーを電気信号のパルス信号又は欠陥エコー信号３に変換して信号ケーブル４を介して公知の測定装置（図示せず）に出力する振動子２２とを備えている。なお、公知の測定装置は、例えば特開２０１０−２５８１７号公報に開示されている。
【００２９】
以上のように構成された超音波探触子１０によれば、入射角及び位相を一定とする位相一定フォーカシング法を適用した構成により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上できるという効果を得ることができる。
【００３０】
以下、この効果について詳細に説明する。なお、以下の説明中、超音波探触子１０としては、形式：０．４Ｋ４０×２０ＮＲ１９０、公称周波数：４００ｋＨｚ、振動子材質：コンポジット、振動子寸法：１０×２０ｍｍを４枚、曲率半径：１９０ｍｍ、のものを用いている。また、パイプのサイズはφ３１８．５ｍｍ×１４．３ｍｍであり、パイプ外表面への入射角ｉは７．２°である。
【００３１】
（周回波法への適用例） 図４は本実施形態の超音波探触子１０又は従来の超音波探触子Ｔを周回波法に用いたときの配置を表す模式図である。送信側の超音波探触子１０，Ｔは、パイプ３０の任意の半径線ｒ１に平行に（当該半径線ｒ１とは直交する半径線ｒ２から）所定距離Ｘだけ反時計方向にシフトした位置に配置される。受信側の超音波探触子２０は、パイプ３０の半径線ｒ２に平行に（当該半径線ｒ２とは直交する半径線ｒ１から）所定距離Ｙだけ時計方向にシフトした位置に配置される。
【００３２】
図５に従来の超音波探触子Ｔ（入射角一定フォーカシング法）による周回波と、本実施形態の超音波探触子１０（位相一定フォーカシング法）による周回波とを比較して示す。なお、紙面の縦方向はエコー信号の電圧を表し、紙面の横方向は時間を表していて、これらは以下の各波形図でも同様である。従来の超音波探触子Ｔによる周回波は、図５（ａ）に示すように、ノイズの目立つ箇所がある。これに対し、本実施形態の超音波探触子１０による周回波は、図５（ｂ）に示すように、ノイズが見当たらない。このように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、従来の超音波探触子Ｔに比べ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００３３】
図６は本実施形態の超音波探触子１０（位相一定フォーカシング法）において、同時励振する振動子の個数を変えた場合の周回波を比較して示す波形図である。図６（ａ）は１つの振動子１２ａのみを励振した場合を示し、以下、順に、図６（ｂ）は２つの振動子１２ａ，１２ｂを同時励振した場合、図６（ｃ）は３つの振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを同時励振した場合、図６（ｄ）は４つの振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋを同時励振した場合、をそれぞれ示している。図示するように、同時励振する振動子１２ａ，…の個数に応じて、エコー信号の電圧で示される周回波の振幅が大きくなっていることが分かる。このように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、Ｓ／Ｎの向上に加え、振動子の個数に応じて、感度を向上させることができる。
【００３４】
（周回干渉波法への適用例） 図７は本実施形態の超音波探触子１０を周回干渉波法に用いたときの干渉波形を示す波形図である。図７（ｃ）は評価に用いた干渉波形を示しており、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、正の干渉部分及び負の干渉部分をそれぞれ示している。図示するように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、周回干渉波法に用いた場合であっても、ノイズが見当たらず、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００３５】
（反射法への適用例） 図８は本実施形態の超音波探触子１０を反射法に用いたときの配置を表す模式図である。送信側の超音波探触子１０は、パイプ３０の任意の半径線ｒ１に平行に（当該半径線ｒ１とは直交する半径線ｒ２から）所定距離Ｘだけ反時計方向にシフトした位置に配置される。受信側の超音波探触子２０は、パイプ３０の半径線ｒ２に平行に（当該半径線ｒ２とは直交する半径線ｒ１から）所定距離−Ｙだけ反時計方向にシフトした位置に配置される。
【００３６】
図９に本実施形態の超音波探触子１０を反射法に用いたときの反射波形を示す。図示するように、ノイズが見当たらず、基準エコーと、きずエコーとが表れている。このように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、反射法に用いた場合であっても、ノイズが見当たらず、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００３７】
上述したように本実施形態によれば、入射角及び位相を一定とするように構成された超音波探触子１０により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。また、本実施形態によれば、振動子の個数に応じて、感度を向上させることができる。また、本実施形態の超音波探触子１０は、周回波法、周回干渉波法及び反射法といった様々な測定方法に用いることができる。
【００３８】
なお、本願発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…矩形バースト信号、２，４…信号ケーブル、３…パルス信号又は欠陥エコー信号、１０…送信側の超音波探触子、１１，２１…筐体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋ，２２…振動子、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｋ…接続端子、１４…バッキング材、１５…前面板、２０…受信側の超音波探触子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用い、被検査管に対して非接触空中超音波で超音波探傷を実施できる超音波探触子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検査管（以下、パイプともいう）に対して非接触空中超音波で超音波探傷を実施する際に、平面探触子が広く用いられている。しかしながら、パイプを平面探触子により探傷する場合、被検査管の外面における超音波の入射位置によって入射角が異なるため、効率よく超音波を入射させることができない。
【０００３】
これに対し、パイプの中心線上に平行に所定距離だけずらした点に超音波ビームをフォーカシングすることにより、パイプに対する超音波ビームの入射角を一定にする入射角一定フォーカシング法が提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】高橋雅和他、非接触空中超音波探傷によるパイプの入射角一定フォーカシング法の開発、日本非破壊検査協会、平成２１年度春季大会講演概要集、pp11-12,(2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のような入射角一定フォーカシング法は、通常は特に問題がないものの、本発明者の検討によれば、検出された信号にノイズの目立つ箇所があるため、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）の向上を図る余地があると考えられる。
【０００６】
本発明は上記実情を考慮してなされたもので、入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上し得る超音波探触子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】
【０００７】
本発明の一局面における超音波探触子は、非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用いており、被検査管に対向する開口を有する筐体と、前記筐体内に収容され、前記被検査管に対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子とを備え、前記各振動子としては、当該各振動子の中心が前記被検査管の中心から一定距離だけ離れた仮想曲面上に位置し、且つ前記超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた半径線上の位置であって当該被検査管の中心から所定距離だけ離れた位置に焦点を結ぶように、配列されている超音波探触子である。なお、前記各振動子における超音波の出力面は、前記焦点を結ぶ位置を曲率中心とする曲面に形成されていてもよい。本発明の一局面における超音波探触子によれば、入射角が一定で且つ位相を一定とする位相一定フォーカシング法を適用した構成により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上できる。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように本発明によれば、入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る一実施形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す斜視図及び底面図である。
【図２】同実施形態における超音波探触子の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】同実施形態における受信側の超音波探触子の構成を模式的に示す断面図である。
【図４】同実施形態における超音波探触子又は従来の超音波探触子を周回波法に用いたときの配置を表す模式図である。
【図５】従来の超音波探触子による周回波と、同実施形態の超音波探触子による周回波とを比較して示す波形図である。
【図６】同実施形態において、同時励振する振動子の個数を変えた場合の周回波を比較して示す波形図である。
【図７】同実施形態の超音波探触子を周回干渉波法に用いたときの干渉波形を示す波形図である。
【図８】同実施形態の超音波探触子を反射法に用いたときの配置を表す模式図である。
【図９】同実施形態の超音波探触子を反射法に用いたときの反射波形を示す波形図である。
【図１０】従来の入射角一定フォーカシング法を説明するための模式図である。
【図１１】一実施形態に適用される位相一定フォーカシング法を説明するための模式図である。
【図１２】一実施形態に適用される位相一定フォーカシング法を説明するための模式図である。
【図１３】一実施形態に適用される位相一定フォーカシング法の具体例を説明するための模式図である。
【図１４】図１３の一部を拡大して示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明するが、その前に一実施形態の前提となる位相一定フォーカシング法（非接触空中超音波探傷技術における位相一定法）について述べる。位相一定フォーカシング法は、従来の入射角一定フォーカシング法を改善した手法であり、一実施形態に係る超音波探触子に適用されている。
【００１１】
従来の入射角一定フォーカシング法においては、図１０に示すように、パイプの任意の半径線ｒ１に平行に（当該半径線ｒ１とは直交する半径線ｒ２から）所定距離Ｘだけシフトした振動子から、当該半径線ｒ１上でパイプの中心Ｄから所定距離Ｘだけ離れたＯ点に超音波ビームをフォーカシングすることにより、超音波ビームの入射角（Ｉ）を一定にする。しかしながら、従来の入射角一定フォーカシング法では、振動子面ａ，ｂ，ｃと、被検査管の外表面ｄ，ｅ，ｆとの距離ａｄ，ｂｅ，ｃｆが異なる。例えば、距離ａｄは２９．８９ｍｍであり、距離ｂｅは３２．０１ｍｍであり、距離ｃｆは３４．１０ｍｍである。
【００１２】
これらの距離の差は、入射する超音波の位相を異ならせることにより、感度及びＳ／Ｎを低下させてしまう。
【００１３】
これに対し、本発明者は、振動子面とパイプの外表面との距離を一定にすることにより、入射角及び位相を一定にする位相一定フォーカシング法を開発した。
【００１４】
始めに、位相一定フォーカシング法では、図１１に示す関係において、各距離ａｄ，ｂｅ，ｃｆの差ΔＷｅ，ΔＷｆを次式に示すように算出する。
【００１５】
ΔＷｅ＝ｂｅ−ａｄ …（１）
ΔＷｆ＝ｃｆ−ａｄ …（２）
続いて、三角形ＤｄＯ，ＤｅＯ，ＤｆＯに関し、ＤＯ＝Ｘで共通、ｄＤ＝ｅＤ＝ｆＤ＝パイプの外径の半径ｒであるから、次の関係が得られる。
【００１６】
∠ＤｄＯ＝∠ＤｅＯ＝∠ＤｆＯ＝入射角（Ｉ）＝ｓｉｎ-1（Ｘ／ｒ）
…（３）
また、三角形ＤｄＯ，ＤｅＯ，ＤｆＯに正弦定理を適用すると、式（４）が得られる。
【数１】
【００１７】
ａｄ＝Ｒ−Ｏｄ …（６）
距離ｂｅも同様にして、次式のように得られる。
【００１８】
ｂｅ＝Ｒ−ｒ・ｃｏｓ（Ｉ） …（７）
距離ｃｆも以下のようにして導く。
【００１９】
ｃｆ＝Ｒ−Ｏｆ …（８）
三角形ＤｆＯに正弦定理を適用して、式（９）を得る。
【数２】
【００２０】
式（３）〜（１０）によって、距離ｂｅ［式（７）］，ａｄ［式（６）］，ｃｆ［式（８）］は容易に求まる。その結果、距離差ΔＷｅ，ΔＷｆを補正することにより、入射角一定・距離差一定の位相一定フォーカシング法を実現できる。位相一定フォーカシング法によれば、図１２に破線Ｌで示す如き、パイプの中心Ｄから一定距離ａＤだけ離れた曲面Ｌ上に各振動子が配列されることになる。
【００２１】
図１３及び図１４に位相一定フォーカシング法の具体例を示す。図１３及び図１４に示す例では、各々中心Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋを有する４枚の振動子を用い、振動子面と、パイプの外表面Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈとの距離がＡＥ＝ＢＦ＝ＣＧ＝ＫＨで且つ超音波ビームのパイプ外表面Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈへの入射角（ｉ）が一定になるように設計している。
【００２２】
以上が一実施形態の前提となる位相一定フォーカシング法の説明である。続いて、この位相一定フォーカシング法を適用した超音波探触子の一実施形態を述べる。
【００２３】
＜一実施形態＞
図１は一実施形態に係る超音波探触子の構成を模式的に示す斜視図及び底面図であり、図２はこの超音波探触子の構成を模式的に示す断面図である。この超音波探触子１０は、パイプ（被検査管）に対向する開口を有する筐体１１と、当該筐体１１内に収容され、当該パイプに対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋとを備えている。各振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋは、図１３に示したように、当該各振動子の中心Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｋがパイプの中心Ｄから一定距離だけ離れた仮想曲面Ｌ上に位置し、且つ超音波の出力方向がパイプの任意に定めた半径線ｒ１上の位置であって当該パイプの中心Ｄから所定距離Ｘだけ離れた位置Ｏに焦点を結ぶように、配列されている。ここで、一定距離はパイプの外径の半径ｒよりも大きい距離であり、所定距離Ｘはパイプの内径の半径（ｒ−ｔ）（但し、ｔはパイプの厚み）よりも小さい距離である。なお、各振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋにおける超音波の出力面は、図２に示した平面に限らず、当該焦点を結ぶ位置Ｏを曲率中心とする曲面に形成されていてもよい。
【００２４】
また、筐体１１は、電気信号の矩形バースト信号１を並列に入力するための信号ケーブル２を着脱自在に接続する接続端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｋを振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋ毎に備えていてもよい。但し、４つの接続端子１３ａ〜１３ｋに代えて、１つの接続端子を設け、当該１つの接続端子から筐体１１内で電気的に並列に矩形バースト信号１を各振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋに入力する構成としてもよい。また、振動子１２ａ，…としては、４個に限らず、任意の複数個を用いることが可能である。
【００２５】
また、筐体１１は、樹脂製のバッキング材１４が充填され、バッキング材１４上に各振動子１２ａ，…，１２ｋが配列され、各振動子１２ａ，…，１２ｋに貼り付けられた前面板１５を備えていてもよい。
【００２６】
バッキング材１４は、例えば、エポキシ樹脂やゴムに、比重の大きい紛体（セラミックス、金属）を混入して形成され、超音波の吸収とダンピングを行うものである。
【００２７】
前面板１５としては、各振動子１２ａ，…と空気との接続部分における超音波のレベル低下を防止する観点から、例えば、比重が０．７〜０．８程度の多孔性構造を有した樹脂材料の如き、空気の音響インピーダンスに近い材料を使用してもよい。
【００２８】
一方、図３に示すように、受信側の超音波探触子２０は、通常のものであり、パイプに対向する開口を有する筐体２１と、当該筐体２１内に収容され、当該パイプから受けた超音波パルス又は欠陥エコーを電気信号のパルス信号又は欠陥エコー信号３に変換して信号ケーブル４を介して公知の測定装置（図示せず）に出力する振動子２２とを備えている。なお、公知の測定装置は、例えば特開２０１０−２５８１７号公報に開示されている。
【００２９】
以上のように構成された超音波探触子１０によれば、入射角及び位相を一定とする位相一定フォーカシング法を適用した構成により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上できるという効果を得ることができる。
【００３０】
以下、この効果について詳細に説明する。なお、以下の説明中、超音波探触子１０としては、形式：０．４Ｋ４０×２０ＮＲ１９０、公称周波数：４００ｋＨｚ、振動子材質：コンポジット、振動子寸法：１０×２０ｍｍを４枚、曲率半径：１９０ｍｍ、のものを用いている。また、パイプのサイズはφ３１８．５ｍｍ×１４．３ｍｍであり、パイプ外表面への入射角ｉは７．２°である。
【００３１】
（周回波法への適用例） 図４は本実施形態の超音波探触子１０又は従来の超音波探触子Ｔを周回波法に用いたときの配置を表す模式図である。送信側の超音波探触子１０，Ｔは、パイプ３０の任意の半径線ｒ１に平行に（当該半径線ｒ１とは直交する半径線ｒ２から）所定距離Ｘだけ反時計方向にシフトした位置に配置される。受信側の超音波探触子２０は、パイプ３０の半径線ｒ２に平行に（当該半径線ｒ２とは直交する半径線ｒ１から）所定距離Ｙだけ時計方向にシフトした位置に配置される。
【００３２】
図５に従来の超音波探触子Ｔ（入射角一定フォーカシング法）による周回波と、本実施形態の超音波探触子１０（位相一定フォーカシング法）による周回波とを比較して示す。なお、紙面の縦方向はエコー信号の電圧を表し、紙面の横方向は時間を表していて、これらは以下の各波形図でも同様である。従来の超音波探触子Ｔによる周回波は、図５（ａ）に示すように、ノイズの目立つ箇所がある。これに対し、本実施形態の超音波探触子１０による周回波は、図５（ｂ）に示すように、ノイズが見当たらない。このように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、従来の超音波探触子Ｔに比べ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００３３】
図６は本実施形態の超音波探触子１０（位相一定フォーカシング法）において、同時励振する振動子の個数を変えた場合の周回波を比較して示す波形図である。図６（ａ）は１つの振動子１２ａのみを励振した場合を示し、以下、順に、図６（ｂ）は２つの振動子１２ａ，１２ｂを同時励振した場合、図６（ｃ）は３つの振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを同時励振した場合、図６（ｄ）は４つの振動子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋを同時励振した場合、をそれぞれ示している。図示するように、同時励振する振動子１２ａ，…の個数に応じて、エコー信号の電圧で示される周回波の振幅が大きくなっていることが分かる。このように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、Ｓ／Ｎの向上に加え、振動子の個数に応じて、感度を向上させることができる。
【００３４】
（周回干渉波法への適用例） 図７は本実施形態の超音波探触子１０を周回干渉波法に用いたときの干渉波形を示す波形図である。図７（ｃ）は評価に用いた干渉波形を示しており、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、正の干渉部分及び負の干渉部分をそれぞれ示している。図示するように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、周回干渉波法に用いた場合であっても、ノイズが見当たらず、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００３５】
（反射法への適用例） 図８は本実施形態の超音波探触子１０を反射法に用いたときの配置を表す模式図である。送信側の超音波探触子１０は、パイプ３０の任意の半径線ｒ１に平行に（当該半径線ｒ１とは直交する半径線ｒ２から）所定距離Ｘだけ反時計方向にシフトした位置に配置される。受信側の超音波探触子２０は、パイプ３０の半径線ｒ２に平行に（当該半径線ｒ２とは直交する半径線ｒ１から）所定距離−Ｙだけ反時計方向にシフトした位置に配置される。
【００３６】
図９に本実施形態の超音波探触子１０を反射法に用いたときの反射波形を示す。図示するように、ノイズが見当たらず、基準エコーと、きずエコーとが表れている。このように、本実施形態の超音波探触子１０によれば、反射法に用いた場合であっても、ノイズが見当たらず、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００３７】
上述したように本実施形態によれば、入射角及び位相を一定とするように構成された超音波探触子１０により、従来の入射角一定フォーカシング法を用いつつ、Ｓ／Ｎを向上させることができる。また、本実施形態によれば、振動子の個数に応じて、感度を向上させることができる。また、本実施形態の超音波探触子１０は、周回波法、周回干渉波法及び反射法といった様々な測定方法に用いることができる。
【００３８】
なお、本願発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合せてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１…矩形バースト信号、２，４…信号ケーブル、３…パルス信号又は欠陥エコー信号、１０…送信側の超音波探触子、１１，２１…筐体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｋ，２２…振動子、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｋ…接続端子、１４…バッキング材、１５…前面板、２０…受信側の超音波探触子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用いた超音波探触子であって、
被検査管に対向する開口を有する筐体と、
前記筐体内に収容され、前記被検査管に対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子とを備え、
前記各振動子は、当該各振動子の中心が前記被検査管の中心から一定距離だけ離れた仮想曲面上に位置し、且つ前記超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた半径線上の位置であって当該被検査管の中心から所定距離だけ離れた位置に焦点を結ぶように、配列されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記各振動子における超音波の出力面は、前記焦点を結ぶ位置を曲率中心とする曲面に形成されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１】
非接触空中超音波探傷技術における位相一定法を用いた超音波探触子であって、
被検査管に対向する開口を有する筐体と、
前記筐体内に収容され、前記被検査管に対してパルス状の超音波を出力する複数の振動子とを備え、
前記各振動子は、当該各振動子の中心が前記被検査管の中心から一定距離だけ離れた仮想曲面上に位置し、且つ前記超音波の出力方向が前記被検査管の任意に定めた半径線上の位置であって当該被検査管の中心から所定距離だけ離れた位置に焦点を結ぶように、配列されていることを特徴とする超音波探触子。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波探触子において、
前記各振動子における超音波の出力面は、前記焦点を結ぶ位置を曲率中心とする曲面に形成されていることを特徴とする超音波探触子。
【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】
【公開番号】特開２０１３−１０８９２５（Ｐ２０１３−１０８９２５Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５９８４（Ｐ２０１１−２５５９８４）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年５月２５日 社団法人日本非破壊検査協会発行の「平成２３年度春季講演大会 講演概要集」に発表 平成２３年７月１５日 社団法人日本機械学会頒布の「Ｍ＆Ｍ２０１１材料力学カンファレンス ＣＤ−ＲＯＭ論文集 講演番号０Ｓ０３０９」に発表
【出願人】（０００１６４４３８）九州電力株式会社 (245)
【出願人】（５９１０４１４１７）ジャパンプローブ株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年５月２５日 社団法人日本非破壊検査協会発行の「平成２３年度春季講演大会 講演概要集」に発表 平成２３年７月１５日 社団法人日本機械学会頒布の「Ｍ＆Ｍ２０１１材料力学カンファレンス ＣＤ−ＲＯＭ論文集 講演番号０Ｓ０３０９」に発表
【出願人】（０００１６４４３８）九州電力株式会社 (245)
【出願人】（５９１０４１４１７）ジャパンプローブ株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]