JP2011203037A - 超音波探傷装置及び超音波探傷方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象の底面又はコーナー近傍に存在する欠陥を正確にかつ迅速に検出することができる超音波探傷技術を提供する。
【解決手段】超音波探傷装置において、検査対象３に超音波を送信してエコー信号Ｕを受信する複数の圧電素子２５が配列してなるトランスデューサ２と、前記複数の圧電素子２５を所定の周期でスキャンして前記超音波を送信させる素子駆動部１１と、前記複数の圧電素子２５が受信したそれぞれの前記エコー信号Ｕに基づき前記検査対象３の内部画像を合成する合成処理部１５と、前記受信したエコー信号Ｕを前記検査対象３の底面３ｂのエコーが除去されたエコー信号に置換する信号置換部１７と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電素子により送受信される超音波を用いて、構造物や部品内の欠陥、ボイド及び接合部の剥がれ等の状態を可視化する超音波探傷技術に関する。

超音波探傷装置を用い、検査対象である構造物や部品内の、欠陥、ボイド及び接合部の剥がれ等の状態を評価することが広く実施されている。
この検査対象に対し圧電素子から送信された超音波は、主にその表面、欠陥及び底面を反射し、再び圧電素子においてエコー信号が受信される。そして、表面エコーの通過後を始点とし、底面エコーの通過前を終点とし、この始点と終点との間を通過するエコー信号を欠陥エコーとして取り扱う。そして、この欠陥エコーの強度およびタイミングを検出することにより、検査対象における欠陥の位置、大きさ等の情報を可視化している（例えば、特許文献１）。

特開２００３−１２１４２６号公報

ところで、超音波探傷装置においては、検査対象の深度が深くなる程に、検出される欠陥の空間分解能が低下することが知られている。このために、従来の超音波探傷装置においては、検査対象の底面又はコーナー近傍に存在する欠陥は、多重エコーに欠陥エコーが干渉し、可視化した場合の欠陥の視認性が低下する課題があった（図６（Ｃ）参照）。
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、検査対象の底面又はコーナー近傍に存在する欠陥を正確にかつ迅速に検出することができる超音波探傷技術を提供することを目的とする。

本発明に係る超音波探傷装置は、検査対象に超音波を送信してエコー信号を受信する複数の圧電素子が配列してなるトランスデューサと、前記複数の圧電素子を所定の周期でスキャンして前記超音波を送信させる素子駆動部と、前記複数の圧電素子が受信したそれぞれの前記エコー信号に基づき前記検査対象の内部画像を合成する合成処理部と、前記受信したエコー信号を前記検査対象の底面エコーが除去されたエコー信号に置換する信号置換部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、検査対象の底面又はコーナー近傍に存在する欠陥を正確にかつ迅速に検出することができる超音波探傷技術が提供される。

本発明に係る超音波探傷装置による検査対象（角ビレット）の超音波探傷方法の実施形態を示す図。 第１実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図。 （Ａ）圧電素子による超音波スキャンの説明図、（Ｂ）送信される超音波と受信されるエコー信号の説明図。 第１実施形態に係る超音波探傷装置の変形例を示すブロック図。 （Ａ）信号置換部による処理前のエコー信号の説明図、（Ｂ）信号置換部による処理の説明図、（Ｃ）信号置換部による処理後のエコー信号の説明図。 （Ａ）検査対象に含まれる欠陥分布の概念図、（Ｂ）底面エコーを除去して可視化された欠陥分布の画像、（Ｃ）底面エコーを残存させたまま可視化された欠陥分布の画像。 （Ａ）第２実施形態に係る超音波探傷装置による超音波スキャンの説明図、（Ｂ）比較例における超音波スキャンの説明図、（Ｃ）第２実施形態で合成された内部画像における画素強度の分布図、（Ｄ）比較例で合成された内部画像における画素強度の分布図。 （Ａ）第３実施形態に係る超音波探傷装置による超音波スキャンの説明図、（Ｂ），（Ｃ）比較例における超音波スキャンの説明図、（Ｄ）第３実施形態で合成された内部画像、（Ｅ）（Ｆ）比較例で合成された内部画像。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）第４実施形態に係る超音波探傷装置による超音波スキャンの説明図。 第５実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図。 第６実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る超音波探傷装置は、その本体部１にケーブルを介してトランスデューサ２が接続されている。
そして、この超音波探傷装置は、検査対象である鋼材（角ビレット３）の表面３ａにトランスデューサ２を当接させて角ビレット３を移動させることにより、開口合成法によりその内部の三次元画像を合成する。
これにより、角ビレット３の内部に含まれる欠陥４をオンライン検出する超音波探傷方法が実現される。

トランスデューサ２には、図２に示されるように、角ビレット３に超音波を送信してエコー信号を受信する複数の圧電素子２５が配列している。これら圧電素子２５は、角ビレット３の移動方向（Ｙ軸方向）とは垂直方向（Ｘ軸方向）に直線状に配置されている。なお、圧電素子２５は、一列に配列される場合もあるし、マトリックス状に配列される場合もある。
そして、トランスデューサ２の前面に密着するシュー２４、及び液体からなる音響伝播媒体であるカップラント２６を介して、超音波が角ビレット３に送信される。そしてこの送信された超音波は、角ビレット３の内部に含まれる欠陥４から反射される欠陥エコー、表面３ａから反射される表面エコー、及び底面３ｂから反射される底面エコー等からなるエコー信号Ｕとしてトランスデューサ２で受信される。

超音波探傷装置の本体部１は、図２に示すように、信号発生部１０と、素子駆動部１１と、信号検出部１２と、増幅部１３と、Ａ／Ｄ変換部１４と、合成処理部１５と、置換設定部１６と、信号置換部１７と、表示部２２と、これら各機能部の動作を統括する制御部２３とから構成される。
このように本体部１が構成されることにより、開口合成法（ＳＡＦＴ；Synthetic Aperture Focusing Technique）に基づいて欠陥４を画像化することができる。
この開口合成法とは、欠陥エコーを受信した圧電素子２５を中心とする伝播距離の半径の円弧上に欠陥４が存在することに着目し、超音波を送信する圧電素子２５の位置を順次変化させつつ欠陥４の位置を同定する手法である。

信号発生部１０は、圧電素子２５から超音波を送信させるためにパルス状または連続的な電気信号を発生するものである。発生した電気信号は素子駆動部１１に導かれ、順次選択される圧電素子２５に入力され、超音波スキャンが実行される。
圧電素子２５は、その圧電体としての性質から電気信号が入力すると超音波を発生し、逆に超音波が入力すると電気信号を出力するものである。

素子駆動部１１は、図３（Ａ）に示されるように、複数の圧電素子２５を所定の周期でスキャンして角ビレット３に向けて超音波を送信させるものである。
ここで、圧電素子２５の配列数Ｎに対し超音波スキャンの周期Ｔとすると、隣接する圧電素子２５間における超音波の送信間隔Δｔは、Δｔ＝Ｔ／Ｎであらわされる。
そして、次に説明するように、素子駆動部１１においては、角ビレット３の表面エコーの多重反射が内部画像に反映されないように周期Ｔが調整される。なおこの周期Ｔの調整は、合成された内部画像に、多重反射のゴーストが現れないように試行錯誤的に行われる。

ここで、図３（Ａ）上段の斜線で示される位置の圧電素子２５が駆動したとする。
すると、図３（Ｂ）上段に示されるように、超音波Ｔ¹が送信され、最初に表面エコーＳ¹ ₁が受信された後に底面エコーＢ¹が受信される。さらに遅れて表面の多重エコーＳ¹ ₂,Ｓ¹ ₃,Ｓ¹ ₄,Ｓ¹ ₅,Ｓ¹ ₆が順次減衰しながら所定間隔で検出される。

そして、送信間隔Δｔが経過すると、図３（Ａ）中段の斜線で示される位置の圧電素子２５が駆動し、図３（Ｂ）中段のように超音波Ｔ²が送信され、最初に表面エコーＳ² ₁が受信された後に底面エコーＢ²が受信される。さらに遅れて表面の多重エコーＳ² ₂,Ｓ² ₃,Ｓ² ₄が順次減衰しながら所定間隔で検出される。
さらに、送信間隔Δｔが経過し、図３（Ａ）下段、及び図３（Ｂ）下段で示される場合についても同様である。

このとき、角ビレット３の内部画像を形成する信号領域Ｖに、前回送信の超音波に由来する多重エコーが重畳されると、この内部画像にゴーストが表示されることになる。このために、超音波スキャンの周期Ｔ（又は隣接する圧電素子２５における超音波の送信間隔Δｔ）は、この信号領域Ｖに前回送信の多重エコーが重畳されないように調整される。

信号検出部１２は、図２に示されるように、圧電素子２５でエコー信号Ｕから変換した電気信号を検出するものである。この検出された微弱なアナログの電気信号は、増幅部１３で増幅された後に、Ａ／Ｄ変換部１４においてデジタル信号に変換される。

合成処理部１５は、これらデジタル信号に変換されたそれぞれのエコー信号に基づき角ビレット３の内部画像を合成するものである。この合成処理部１５は、内部に並列プロセッサが設けられ入力したデジタル信号を開口合成処理して角ビレット３の内部を可視化した三次元画像情報を生成する。

置換設定部１６は、後述する図５（Ｂ）に基づき、エコー信号に対し閾値又は最大ピークの判定をするとともにこの判定時点を含む前後の一定範囲を底面エコーの範囲に設定するものである。
信号置換部１７は、受信したエコー信号（図５（Ａ））を角ビレット３の底面エコーが除去されたエコー信号（図５（Ｃ））に置換するものである。
なお、図２において信号置換部１７は、エコー信号を合成処理部１５に入力させた後に置換を実行しているが、図４に変形例が示されるように、信号置換部１７は、エコー信号を合成処理部１５に入力させる前に置換を実行するように構成されてもよい。

なお合成処理部１５は、このような信号置換処理が行われた場合に、底面エコーが除去された部分で合成される内部画像の画素信号をその周辺の画素信号の平均強度レベルに修正する機能を有している。
これにより、底面エコーの信号部分を単純に０として合成処理をした場合、対応する部分の三次元画像情報が、無欠陥の正常部分と相違するといった事態を回避できる。

次に図５に基づいて、置換設定部１６及び信号置換部１７の動作説明を行う。
図５（Ａ）に示されるように、信号置換部１７による処理前の三次元画像情報を構成するエコー信号には表面エコーＳ、底面エコーＢ、及び欠陥エコーＤの波形が含まれている。これらのうち、置換設定部１６で設定される表面エコーＳ及び底面エコーＢの除去方法として、閾値Ｒを用いる方法、及びピークトップＰを検出する方法について例示する。

まず閾値Ｒを用いる方法について説明する。
置換設定部１６には閾値Ｒが設定され、信号置換部１７は合成処理部１５が生成した三次元画像情報（もしくは三次元画像情報が生成される前のエコー信号）に対し、この設定されている閾値Ｒを超えた信号の強度を０に置換する。
すると、図５（Ｂ）の斜線に示されるように、０に置換された信号前後の閾値Ｒ未満の信号波形が残存してしまう。この残存波形は、欠陥として誤検出される可能性があるので、閾値Ｒを越えた信号前後の拡張範囲Ｗに亘り信号強度を０に置換し、表面エコーＳ及び底面エコーＢを除去する。

次にピークトップＰを検出する方法について説明する。
この場合、置換設定部１６にはエコー信号のピークトップＰを設定する機能が備わる。通常、表面エコーＳ及び底面エコーＢの強度は、欠陥エコーＤの強度よりも大きいために、表面エコーＳ及び底面エコーＢの位置を確実に捉えることができる。
なお、深度の深い所に位置する欠陥を高精度に検出するためには、表面エコーＳよりも底面エコーＢの方の位置を確実に捉えることが重要である。検査対象である角ビレット３の形状が定まれば、表面エコーＳ及び底面エコーＢの出現範囲をおおよそ特定できるので、この特定される出現範囲においてピークトップＰの検出を行えばよい。
検出されたピークトップＰの信号前後の拡張範囲Ｗに亘り信号強度を０に置換する必要があることは、上述した閾値Ｒを用いる場合と同様である。

このように閾値Ｒを用いる方法とピークトップＰを検出する方法を用いた信号置換部１７の機能により、図５（Ｃ）に示されるように、置換処理後の三次元画像情報からは表面エコーＳ（破線部）、底面エコーＢ（破線部）が除去され、欠陥エコーＤの波形のみが抽出される。

表示部２２（図２）は、信号置換部１７が置換処理をした三次元画像情報を取り込んで表示するものである。
図６（Ａ）は、角ビレット３に含まれる欠陥４の分布を概念的に示したものである。そして図６（Ｂ）の画像は、信号置換部１７による置換処理を実行し、底面エコーを除去して可視化された欠陥分布を示している。さらに、図６（Ｃ）は、信号置換部１７を機能させずに、底面エコーを残存させたまま可視化させた画像である。
このように置換処理をすることにより、底面からの多重エコーの影響を回避して、検査対象である角ビレット３に含まれる欠陥４を正確に検出することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態においては、複数の圧電素子２５を少なくとも二つ以上の領域に分割して素子駆動部１１が超音波スキャンを実行することとした（図７（Ａ）においては二分割したものが例示されている）。
図７（Ａ）に概念的に示された欠陥分布を有する角ビレット３を、二つの領域Ｇ１，Ｇ２に分割して、超音波スキャンを行った。この場合、超音波スキャンの周期が、分割をしない場合の二分の一（分割数の逆数倍）になるために、角ビレット３の検査時間の短縮を図ることができる。

図７（Ｃ）は、このようなスキャン分割を実施して合成処理した場合における画素強度の分布図であり、四つの欠陥４に対応する信号が有為に検出されている。そして、比較例として領域Ｇに対し分割スキャンを実施しない場合（図７（Ｂ））の画素強度分布（図７（Ｄ））と遜色のない結果が得られている。

（第３実施形態）
第３実施形態においては、それぞれの圧電素子２５から下ろした垂線に対し、コーナーに近い領域の方を合成処理部１５において広く合成することとした。
具体的には、図８（Ａ）に示される欠陥４が分布する角ビレット３に対し、コーナーに近い領域を５°とし中心に近い領域を３°として外側領域に偏重した画像合成を行った。その結果、図８（Ｄ）に示されるように、コーナー及び平坦部の近傍に位置する欠陥像が明瞭である画像が得られた。

一方、比較例として、圧電素子２５から下ろした垂線に対し、合成処理する領域を対称とした場合を示す。
コーナーに近い領域、及び中心に近い領域を共に５°に設定した場合は（図８（Ｂ））、コーナーの近傍に位置する欠陥像は明瞭であるが、平坦部の近傍に位置する欠陥像は不明瞭である画像が得られた（図８（Ｅ））。これは、平坦部を構成する合成像の数が増えすぎたことが、かえって画像品質の低下を招いたと考えられる。
またコーナーに近い領域、及び中心に近い領域を共に３°に設定した場合は（図８（Ｃ））、平坦部の近傍に位置する欠陥像は明瞭であるが、コーナーの近傍に位置する欠陥像は不明瞭である画像が得られた（図８（Ｆ））。これは、コーナーを構成する合成像の数が少なすぎたことが、画像品質の低下を招いたと考えられる。

（第４実施形態）
第４実施形態においては、角ビレット３の大きさに対応させて送信及び受信する複数の圧電素子２５の範囲を可変するように素子駆動部１１が動作することとした。
これにより、図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のように、大きさの異なる角ビレット３ａ，３ｂ，３ｃに対し、トランスデューサ２の位置を変更することなく超音波探傷を実行することができる。
さらに、第４実施形態ではそれぞれの大きさの異なる角ビレット３に対し、第２実施形態のスキャン分割、及び第３実施形態の外側領域に偏重した画像合成を実施することもできる。

（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図である。なお、図１０において図２と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
第５実施形態に係る超音波探傷装置には、二次元像生成部１８と、ゲート設定部１９とが追加されている。

二次元像生成部１８は、合成処理部１５において合成された三次元画像情報から検査対象の表面３ａ又は底面３ｂに平行な透視像を生成するものである。すなわち、図１０において、角ビレット３をＸ−Ｙ平面視した欠陥４の分布を示す透視画像を表示部２２に表示させる。これにより、角ビレット３のどの位置に欠陥４が分布しているかを容易に認識することができる。

ゲート設定部１９は、二次元像生成部１８において、透視像を深さ方向のレベル毎に生成させる。ゲート設定部１９は、深さ方向（Ｚ方向）に一つ又は複数の範囲にゲートを設定し、そのゲート範囲に含まれる欠陥４のＸ−Ｙ平面透視画像を表示部２２に表示させる。これにより深さレベル毎の欠陥分布を認識することができる。

（第６実施形態）
図１１は、第６実施形態に係る超音波探傷装置のブロック図である。なお、図１１において図１０と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。第６実施形態に係る超音波探傷装置には、閾値設定部２０と、二値化生成部２１とが追加されている。
二値化生成部２１は、内部画像を二値化して輝度表示させるものであり、閾値設定部２０は、輝度表示を二値化するための閾値を設定するものである。
二値化生成部２１は、二次元像生成部１８が生成した二次元画像において、閾値を越える部分を抽出し、二値化された画像を表示部２２に表示させる。
これにより、角ビレット３の欠陥４の有無をより容易に認識、判定できるようになる。

本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。実施形態において検査対象は、角ビレットであることを例示して説明したが、平板にも適用することができる。
またオンラインで検査対象の欠陥検出をする装置について例示したが、本発明はオフライン装置にも適用することができる。

１…本体部、２…トランスデューサ、３…角ビレット（検査対象）、３ａ…表面、３ｂ…底面、４…欠陥、１０…信号発生部、１１…素子駆動部、１２…信号検出部、１３…増幅部、１４…Ａ／Ｄ変換部、１５…合成処理部、１６…置換設定部、１７…信号置換部、１８…二次元像生成部、１９…ゲート設定部、２０…閾値設定部、２１…二値化生成部、２２…表示部、２３…制御部、２４…シュー、２５…圧電素子、２６…カップラント、Ｓ…表面エコー、Ｂ…底面エコー、Ｕ…エコー信号。

Claims (12)

1. 検査対象に超音波を送信してエコー信号を受信する複数の圧電素子が配列してなるトランスデューサと、
   前記複数の圧電素子を所定の周期でスキャンして前記超音波を送信させる素子駆動部と、
   前記複数の圧電素子が受信したそれぞれの前記エコー信号に基づき前記検査対象の内部画像を合成する合成処理部と、
   前記受信したエコー信号を前記検査対象の底面エコーが除去されたエコー信号に置換する信号置換部と、を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
2. 請求項１に記載の超音波探傷装置において、
   前記信号置換部は、前記エコー信号を前記合成処理部に入力させる前又は後に前記置換を実行することを特徴とする超音波探傷装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波探傷装置において、
   前記受信したエコー信号に対し閾値又は最大ピークの判定をするとともにこの判定時点を含む前後の一定範囲を前記底面エコーの範囲に設定する置換設定部を、備えることを特徴とする超音波探傷装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
   前記合成処理部は、前記底面エコーが除去された部分から合成される前記内部画像の画素信号をその周辺の画素信号の平均強度レベルに修正することを特徴とする超音波探傷装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
   前記合成処理部において、それぞれの前記圧電素子から前記検査対象の表面に下ろした垂線に対し前記検査対象のコーナーに近い領域の方を広く合成させることを特徴とする超音波探傷装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
   前記素子駆動部において、前記複数の圧電素子が少なくとも前記検査対象を二つ以上の領域に分割して前記スキャンを実行することを特徴とする超音波探傷装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
   前記素子駆動部において、前記検査対象の大きさに対応させて前記送信及び前記受信する複数の圧電素子の範囲を可変させることを特徴とする超音波探傷装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
   前記素子駆動部において、前記検査対象の表面エコーの多重反射が前記内部画像に反映されないように前記周期が調整されることを特徴とする超音波探傷装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
   前記合成処理部において合成された前記内部画像から前記検査対象の表面又は底面に平行な透視像を生成する二次元像生成部を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
10. 請求項９に記載の超音波探傷装置において、
    前記透視像を深さ方向のレベル毎に生成させるゲート設定部を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の超音波探傷装置において、
    前記内部画像を二値化して輝度表示する二値化生成部を備えることを特徴とする超音波探傷装置。
12. 超音波を送信してエコー信号を受信する複数の圧電素子が配列してなるトランスデューサに検査対象をセットするステップと、
    前記複数の圧電素子を所定の周期でスキャンして前記超音波を送信させる素子駆動ステップと、
    前記複数の圧電素子が受信したそれぞれの前記エコー信号に基づき前記検査対象の内部画像を合成する合成処理ステップと、
    前記受信したエコー信号を前記検査対象の底面エコーが除去されたエコー信号に置換する信号置換ステップと、を含むことを特徴とする超音波探傷方法。

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