JP4699242B2 - 超音波探触子のカップリングチェック方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、自動超音波探傷装置及び超音波探傷データの処理方法に関し、特に、自動で超音波探触子を走査する自動超音波探傷装置の超音波探触子と被検体との間のカップリングを確認するための技術に関する。

超音波探触子によって被検体（例えば、橋梁）の探傷を行う場合、超音波探触子と被検体とのカップリングの確認をする必要がある。カップリングが正しく取れていない状態で超音波探傷を行うと、超音波の被検体への入射や被検体からの反射波の検出が正しく行われず、したがって、正しい探傷データが得られない。

超音波探触子と被検体とのカップリングを確認する一つの方法は、反射波の波形を技術者の目視によって確認しながら超音波探触子と被検体との接触状態を調節する方法である。充分な経験を有する技術者は、反射波の波形を目視によって確認することにより、超音波探触子と被検体とが正しくカップリングされていることを確認することができる。

しかしながら、超音波探触子を自動的に走査して探傷データを取得する場合には、目視によって超音波探触子と被検体とのカップリングを確認することは好適でない。超音波探触子を自動的に走査する場合、何らかの原因で走査中にカップリングが不適正になる可能性があるので、各走査位置において（即ち、走査方向と垂直な各断面において）超音波探触子と被検体とのカップリングを確認する必要がある。しかしながら、全ての走査位置（即ち全ての断面）において超音波探触子と被検体とのカップリングを目視によって確認することには、多大な労力を要する。

日本工業規格ＪＩＳ Ｚ ３０７０は、林状エコーを用いてカップリングをチェックする自動超音波探傷方法を開示している（６〜７頁及び図１０）。しかしながら、日本工業規格ＪＩＳ Ｚ ３０７０の当該箇所には、「エコー収録ゲート内の平均的なエコー高さをカップリング監視信号とする」としか記載されていない。日本工業規格ＪＩＳ Ｚ ３０７０は、カップリング監視信号をどのように決定するかについては具体的に記載しておらず、また、カップリングが正しく取れているか否かを判定する基準を具体的に与えるものでもない。

このような背景から、超音波探触子を自動的に走査して探傷データを取得する場合に、超音波探触子と被検体とが正しくカップリングされていることを確認するための技術の提供が望まれている。
ＪＩＳ Ｚ ３０７０ 鋼溶接部の超音波自動探傷試験方法 平成１０年６月３０日、第１刷 財団法人 日本規格協会

本発明の目的は、超音波探触子を自動的に走査して探傷データを取得する場合に、超音波探触子と被検体とが正しくカップリングされていることを確認するための技術を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

本発明による超音波探触子のカップリングチェック方法は、
（Ａ）探触子（６）と対照用構造体との間のカップリングが得られている状態で、探触子（６）によって前記対照用構造体に超音波を入射して、前記対照用構造体の所定の健全部（２１）の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
（Ｂ）健全部（２１）の各位置におけるエコー高さから閾値を定めるステップと、
（Ｃ）探触子（６）を自動的に走査しながら探触子（６）によって被検体（２）に超音波を入射して、被検体（２）の所定の監視範囲（２２）内の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
（Ｄ）前記所定の監視範囲（２２）内の各位置におけるエコー高さと閾値と比較することにより、探触子（６）が自動的に走査されている間において探触子（６）と被検体（２）との間のカップリングが正しく保たれていたか否かを判断するステップ
とを具備する。一実施形態では、探触子（６）を自動的に走査することにより、被検体（２）の複数の断面のそれぞれについてエコー高さが取得され、取得されたエコー高さからカップリングが正しく保たれていたか否かが判断される。

この場合、健全部（２１）の各位置における前記エコー高さの平均値が、前記閾値として定められることが好ましい。

対照用構造体と被検体（２）とは、同一物であることが好適である、即ち、被検体（２）それ自体を閾値の決定に使用することが好適である。この場合、複数の断面のそれぞれに規定された監視範囲（２２）と、健全部（２１）とは、同一の位置であるように定められることが好ましい。

対照用構造体と前記被検体（２）とは、別の構造体であることも可能である。この場合、対照用構造体は、前記被検体と同じ材質で、又は、同じ製造工程で形成されていることが好ましい。

本発明によるコンピュータプログラムは、
（Ｅ）探触子（６）と対照用構造体との間のカップリングが得られている状態で探触子（６）によって前記対照用構造体に超音波を入射して得られた対照用探傷データから、前記対照用構造体の所定の健全部（２１）の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
（Ｆ）健全部（２１）の各位置におけるエコー高さから閾値を定めるステップと、
（Ｇ）探触子（６）を自動的に走査しながら探触子（６）によって被検体（２）に超音波を入射して得られた探傷データから、被検体（２）の所定の監視範囲（２２）内の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
（Ｈ）前記所定の監視範囲（２２）内の各位置におけるエコー高さと閾値とを比較することにより、探触子（６）を自動的に走査している間において探触子（６）と被検体（２）との間のカップリングが正しく保たれていたか否かを判断するステップ
とを演算装置に実行させる。

本発明により、超音波探触子を自動的に走査して探傷データを取得する場合に、超音波探触子と被検体とが正しくカップリングされていることを確認するための技術が提供される。更に、演算装置によって自動的にカップリングを確認することにより、カップリングの確認作業を効率的にすることができる。

図１は、本発明の超音波探触子のカップリングチェック方法が適用される自動超音波探傷装置１の構成の例を示す図である。本実施形態では、所定数の並列の超音波振動子を有する探触子を用いた自動超音波探傷装置１により、一定の探傷屈折角によって電子的に超音波の発振位置を走査して被検体２の探傷が行われる。探傷される被検体２は、突合せ溶接された２枚の鋼板３、４である。以下では、鋼板３、４の溶接部５、及びその周辺の探傷が行われる場合について説明が行われるが、被検体２がこのような構造に限定されないことは、当業者に自明であろう。

本実施形態の自動超音波探傷装置１は、探触子６と、探触子６を所望の走査方向に走査する走査装置７と、演算装置８と、表示装置９を備えている。本実施形態では、鋼板３、４の溶接線に沿った方向に走査方向が定められる。以下の説明では、走査方向をｚ軸方向と、走査方向に垂直で、且つ、鋼板３の表面に平行な方向をｘ軸方向とするｘｙｚ直交座標系が使用されることに留意されたい。

探触子６は、超音波を被検体２に入射し、更に、被検体２から反射波を受けとって反射波に対応する電気信号を生成する。探触子６の表面には、楔形のスペーサ１０が接合されており、探触子６は、楔形のスペーサ１０によって鋼板３の表面に対して斜めに支持されている。探触子６が発生した超音波ビームは、スペーサ１０を介して鋼板３に入射され、その超音波ビームの反射波は、鋼板３からスペーサ１０を介して探触子６に到達する。

探触子６はｘｙ断面内で一列に並べられた複数の超音波振動子で構成されており、探触子６は、それ単独でフェーズドアレイとして機能することが可能である。即ち、探触子６は、探触子６とスペーサ１０の接触面の所望の位置から、被検体２のｘｙ平面に平行な断面内の所望の方向に超音波ビームを入射することができるように構成されている。被検体２のある断面における、ある超音波ビームの経路は、超音波ビームが探触子６から放出される位置（即ち、選択された所定数の超音波振動子によって形成される超音波の発振源（仮想の探触子）、及び超音波ビームの入射方向で決定される。選択された所定数の超音波振動子によって形成される超音波の発振源は、フォーカルローと呼ばれる。

走査装置７は、レール１１と探触子保持機構１２とを備えている。レール１１は、走査方向、即ち、被検体２の溶接線の方向に延設されている。探触子保持機構１２は、探触子６を保持する。探触子保持機構１２は、レール１１の上に探傷方向に移動可能に載置されており、探触子６の走査は、探触子保持機構１２がレール１１の上を移動することによって行われる。探触子６の走査方向の位置は、レール１１に設けられたエンコーダ（図示されない）によって検出可能である。

演算装置８は、探触子６を制御すると共に、被検体２の探傷を行うための様々な演算を行う。具体的には、演算装置８は、探触子６に電気信号を供給して探触子６に超音波ビームを発生させる。更に、演算装置８は、探触子６が受け取った反射波の波形を示すデータである探傷データを記憶装置（図示されない）に保存する。探傷データは、被検体２の各断面の各フォーカルローについてのＡスコープデータ（即ち、反射波の波形データ）で構成されており、被検体２に存在する欠陥を検出するために使用される。演算装置８は、更に、探傷データから様々な超音波画像、即ち、Ａスコープ画像、Ｂスコープ画像、Ｃスコープ画像、Ｄスコープ画像を生成し、表示装置９に表示する機能を有している。

なお、自動超音波探傷装置１の構成は上述されているものに限られず、自動超音波探傷装置１として、ＪＩＳ Ｚ３０７０に記載されているような方形走査型の自動超音波探傷装置が使用されてもよいことは、当業者に自明であろう。

既述のように、被検体２の探傷を正しく行うためには、探触子６が自動的に走査されている間、探触子６と被検体２との間のカップリングが正しく保たれていることを確認する必要がある。このために、本実施形態では、下記の手順でカップリングチェックが行われる。

図２を参照して、本実施形態のカップリングチェック方法では、被検体２の自動探傷を行う前に、対照用探傷データが取得される（ステップＳ０１）。対照用探傷データとは、カップリングチェックのための閾値を決定するために使用される探傷データであり、探触子６と被検体２との間のカップリングが正しく保たれていることを技術者の目視によって確認した状態で取得される。対照用探傷データの採取の際には、表示装置９に超音波画像が表示され、技術者は、表示された超音波画像から探触子６と被検体２との間のカップリングが正しく保たれていることを確認する。

図３に示されているように、対照用探傷データの採取は、被検体２のある断面について行われ、且つ、少なくとも、当該断面に予め定義された健全部２１を含む範囲について行われる。対照用探傷データが採取されるフォーカルローの走査範囲および超音波ビームの経路は、健全部２１の全体を少なくともカバーするように決定される。健全部２１としては、きずが存在しないと考えられる部分が選択される。被検体２の形状からきずが存在しない部分を考察することは、経験上可能である。健全部２１は、被検体２の表面２ａ、裏面２ｂ、及び溶接部５から離れているように選択される。健全部２１は、きずを含まない部分であるから、健全部２１の各位置から得られるエコーは、全て林状エコーである。

図２に示されているように、対照用探傷データの採取の後、対照用探傷データから閾値が決定される（ステップＳ０２）。より具体的には、演算装置８は、対照用探傷データから健全部２１の各位置から得られるエコーのエコー高さを抽出し、そのエコー高さの平均値を算出する。その平均値が閾値として決定される。

続いて、被検体２の自動探傷が行われる（ステップＳ０３）。探触子６が溶接線に平行に定められた走査方向に自動的に走査され、これにより、探傷データが被検体２の複数の断面について取得される。

自動探傷が行われた後、ステップＳ０２で決定された閾値を用いてカップリングチェックが行われる（ステップＳ０４）。図４に示されているように、被検体２には、予め監視範囲２２が定められており、演算装置８は、その監視範囲２２の各位置におけるエコー高さを示すデータを、自動探傷で得られた探傷データから抽出する。更に演算装置８は、監視範囲２２の各位置におけるエコー高さを示すデータと、ステップＳ０２で得られた閾値とを比較し、その比較結果に基づいてカップリングチェックを行う。

詳細には、ある断面のあるフォーカルローについての探傷データの取得時に探触子６と被検体２とのカップリングが正しく保たれていたか否かの判断は、当該フォーカルローの監視範囲２２内のエコー高さが閾値を超える位置の数に基づいて行われる。演算装置８は、ある断面のあるフォーカルローの監視範囲２２内に、エコー高さが閾値を超える位置が所定数以上存在する場合、当該フォーカルローの探傷データの取得時に探触子６の当該フォーカルローによる超音波の入射位置と被検体２とのカップリングが正しく保たれていたと判断する。そうでない場合、演算装置８は、カップリング不良が発生していたと判断する。

例えば、図５Ａに示されているように、ある断面のあるフォーカルローのＡスコープデータに、エコー高さが閾値を超える位置が所定数以上、現れている場合には、演算装置８は、カップリングが正しく保たれていたと判断する。一方、図５Ｂに示されているように、エコー高さが閾値を超える位置の数が所定数に満たない場合（図５Ｂでは、エコー高さが閾値を超える位置の数が０である）、演算装置８は、当該フォーカルローの探傷データの取得時にカップリング不良が発生していたと判断する。

各断面の監視範囲２２は、対照用探傷データが採取された断面の健全部２１と相違する位置に定められることは許容される。しかしながら、各断面の監視範囲２２と健全部２１とは、同一の位置に定められることが好ましい。即ち、各断面の監視範囲２２のｘｙ平面への投影は、健全部２１のｘｙ平面への投影と同一の範囲であることが好ましい。このように監視範囲２２を決定することにより、カップリングが正しく保たれた状態で自動探傷の際に得られた探傷データに現れる林状エコーの高さと、対照用探傷データ位置に現れる林状エコーの高さとを同一にすることができる。これは、カップリングを確実にチェックするために好適である。

対照用探傷データは、被検体２ではなく、被検体２と同一の材料で形成された構造体、又は被検体２と同一の製造工程で作製された構造体から取得されることも可能である。林状エコーは、概ね材質で決定されるから、被検体２と同一の材料で形成された別の構造体や、同一の製造工程で作製された別の構造体から対照用探傷データを取得しても、概ね適切な閾値を決定することが可能である。ただし、検査されるべき被検体２そのものを用いて対照用探傷データを取得することは、材料や製造工程のばらつきがあっても閾値を決定できる点で好適である。

また、本実施形態では、自動探傷が完了した後にカップリングチェックが行われているが、自動探傷が行われている間に、各断面及び各フォーカルローについてカップリングチェックが行われることも可能である。

また、カップリングチェックは、オフラインで行われることも可能である。即ち、ステップＳ０１で得られた対照用探傷データとステップＳ０３の自動探傷で得られた探傷データとが他の演算装置に転送され、当該他の演算装置によってカップリングチェックが行われることも可能である。この場合、当該他の演算装置には、ステップＳ０２、ステップＳ０４を実行するためのプログラムがインストールされ、このプログラムによってカップリングチェックが行われる。

図１は、本発明の一実施形態において使用される自動超音波探傷装置の構成を示す図である。 図２は、本実施形態で行われるカップリングチェックの手順を示すフローチャートである。 図３は、対照用探傷データの採取の手順を示す断面図である。 図４は、自動探傷によって探傷データの採取する手順を示す断面図である。 図５Ａは、カップリングが良好である場合のＡスコープデータの一例を示すグラフである。 図５Ｂは、カップリングが不良である場合のＡスコープデータの一例を示すグラフである。

符号の説明

１：自動超音波探傷装置
２：被検体
３、４：鋼板
５：溶接部
６：探触子
７：走査装置
８：演算装置
９：表示装置
１０：スペーサ
１１：レール
１２：探触子保持機構
２１：健全部
２２：監視範囲

Claims (6)

1. （Ａ）探触子と対照用構造体との間のカップリングが得られている状態で前記探触子によって前記対照用構造体に超音波を入射して、前記対照用構造体の所定の健全部の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
   （Ｂ）前記健全部の各位置における前記エコー高さから閾値を定めるステップと、
   （Ｃ）前記探触子を自動的に走査しながら前記探触子によって被検体に超音波を入射して、前記被検体の所定の監視範囲内の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
   （Ｄ）前記所定の監視範囲内の各位置における前記エコー高さと前記閾値とを比較することにより、前記探触子が自動的に走査されている間において前記探触子と前記被検体との間のカップリングが正しく保たれていたか否かを判断するステップ
   とを具備し、
   前記（Ｃ）ステップでは、前記被検体の複数の断面のそれぞれについて前記エコー高さが取得され、前記複数の断面のそれぞれに規定された前記監視範囲と前記健全部とは、同一の位置であるように規定されている
   超音波探触子のカップリングチェック方法。
2. 請求項１に記載の超音波探触子のカップリングチェック方法であって、
   前記閾値は、前記健全部の各位置における前記エコー高さの平均値に一致するように定められる
   超音波探触子のカップリングチェック方法。
3. 請求項１に記載のカップリングチェック方法であって、
   前記対照用構造体と前記被検体とは、同一物である
   超音波探触子のカップリングチェック方法。
4. 請求項１に記載の超音波探触子のカップリングチェック方法であって、
   前記対照用構造体は、前記被検体と同じ材質で形成されている
   超音波探触子のカップリングチェック方法。
5. 請求項１に記載の超音波探触子のカップリングチェック方法であって、
   前記対照用構造体は、前記被検体と同じ製造工程で形成されている
   超音波探触子のカップリングチェック方法。
6. （Ｅ）探触子と対照用構造体との間のカップリングが得られている状態で前記探触子によって前記対照用構造体に超音波を入射して得られた対照用探傷データから、前記対照用構造体の所定の健全部の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
   （Ｆ）前記健全部の各位置における前記エコー高さから閾値を定めるステップと、
   （Ｇ）前記探触子を自動的に走査しながら前記探触子によって前記被検体に超音波を入射して得られた探傷データから、前記被検体の所定の監視範囲内の各位置におけるエコー高さを取得するステップと、
   （Ｈ）前記所定の監視範囲内の各位置における前記エコー高さと前記閾値とを比較することにより、前記探触子を自動的に走査している間において前記探触子と前記被検体との間のカップリングが正しく保たれていたか否かを判断するステップ
   とを演算装置に実行させ、
   前記（Ｇ）ステップでは、前記被検体の複数の断面のそれぞれについて前記エコー高さが取得され、前記複数の断面のそれぞれに規定された前記監視範囲と前記健全部とは、同一の位置であるように規定されている
   コンピュータプログラム。

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