JP5456367B2 - フェーズドアレイ開口合成処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、フェーズドアレイを用いる超音波探傷法に関する。さらに詳述すると、本発明は、フェーズドアレイを用いた超音波探傷において検出感度の改善を行う開口合成処理方法に関する。

超音波探傷試験は、多くの非破壊検査技術の中で、内在き裂を検出する有効な手法として広く用いられており、最近では探触子を走査させながらＡスコープ波形を輝度変調してプロットしていくＢスコープ画像が、実際の探傷現場で用いられている。Ｂスコープ画像は欠陥の位置・形状・分布の状況を把握し易い特徴を持つ。

一方、検査精度を向上させるためには方位分解能の向上を図ることが重要である。また、クリープボイドのような微小欠陥や、疲労き裂のように閉じたき裂の先端からの微弱なエコーを捉えるためには、ＳＮ比の向上も不可欠である。さらに、超音波のエコー強度は、ビームの広がりによる拡散減衰に加え、結晶粒界での散乱減衰などによる影響で、探傷面からの距離が大きくなるにしたがって弱くなる。このような距離振幅特性によって、厚肉配管等の探傷において肉厚中央部や内面近傍に内在欠陥が存在する場合、損傷の程度を過小評価してしまう可能性がある。

これらの超音波探傷試験における問題点を解決し、検査の高精度化を実現する方法として広く認知されているものに開口合成法がある。開口合成法は探触子を走査し、得られた振幅が各点で集束するように、ビームの拡がりを考慮しながら合成していく技術であり、近年ではフェーズドアレイ法にも適用されている（特許文献１〜３、非特許文献１〜３）。開口合成法を適用すると、方位分解能やＳＮ比が向上し、距離による減衰特性が改善されると考えられている。

特開平８−２０１５６９号公報 特開平１０−１４２２０１号公報 特開２００８−１２２２０９号公報

H. Karasawa, M. Izumi, T. Suzuki, S. Nagai,M. Tamura and S. Fujimori, "Development of under sodium 3D visual inspection technique by using matrix-arrayed ultrasonic transducer", Journal of Nuclear Science and Technology, 37 (2000), pp. 769-779. 阿部素久、黒沢博一著 「ポータブルタイプ３Ｄ超音波検査装置Ｍａｔｒｉｘｅｙｅ」東芝レビューVol.60 No.4、48-51、2005年 唐沢博一、磯部英夫、浜島隆之著「３次元開口合成（3D-SAFT）アレイと適用事９例」非破壊検査Vol.56 No.10、520-524、2007年

しかしながら、単にＡスコープ波形信号に対して開口合成処理を実施しても、距離振幅特性の減衰傾向は緩やかになるものの、エコー強度の低下は抑えられない。このため、厚肉試験体の内部に存在する欠陥の検出には、探触子からの距離が拡大するにつれて超音波の減衰による検出感度の低下が問題となっている。

本発明は、クリープ損傷のような内部欠陥をその欠陥が厚さ方向のどの位置にあっても同一感度で検出できる超音波探傷法を提供することを目的とする。具体的には、本発明は、拡散減衰の影響を抑えられる超音波探傷法、即ち探傷面からの距離（欠陥の深さ）に依らずエコー強度がほぼ一定になる超音波探傷法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、フェーズドアレイを用いた超音波探傷法において、フェーズドアレイの各受信素子で得られたＡスコープ波形信号に対し数式１に示す影響関数Ｆ_ｌｌの逆数を乗じて各信号の振幅を補正し、補正後の前記Ａスコープ波形信号に開口合成処理を行うことによりＢスコープ画像を構築するようにしている。
ここで、
Ｃ:回折係数
ｃ_１およびｃ_２：媒質1および媒質2の音速
ｒ_１：音源から超音波が通過する媒質１と媒質２の境界上の点までの距離
ｒ_２：境界上の点から反射源までの距離
ｕ_１：超音波が通過する境界上の変位
ｕ_２：反射源における変位
Ｔ_１２：媒質1から媒質2への透過率
Ｔ_２１：媒質2から媒質1への透過率
θ_１およびθ_２：境界に対する入射角および屈折角である。
また、上付き添え字t ：送信過程、
上付き添え字ｒ：受信過程を示す。

本発明のフェーズドアレイ開口合成処理方法では、各受信素子で得られたＡスコープ波形信号に対して影響関数Ｆ_llの逆数を乗じることにより、拡散減衰の影響を排除して図４に示すような拡散減衰のない一定エコー強度に補正できる。したがって、この補正後のＡスコープ波形信号を用いて開口合成処理することにより、図３（ｂ）に示すように、探触子からの距離が拡大しても超音波の減衰による検出感度の低下が抑制され、明瞭な指示がえられる。即ち、厚肉試験体の内部に存在する欠陥の検出においても、深い位置にあるきずや欠陥でも明瞭な指示がえられる。

点音源と点反射体間の経路をモデル化して示す説明図である。 距離振幅特性と影響関数の関係を示すグラフである。 従来の開口合成フェーズドアレイ法により得られたＢスコープ画像（ａ）と、本発明にかかる開口合成フェーズドアレイ法により得られたＢスコープ画像（ｂ）である。 本発明の開口合成フェーズドアレイ法の距離振幅特性の関係を示すグラフである。 実施例１の試験で用いた試験体の（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）探傷子と試験体の説明図である。

以下、本発明の構成を実施形態に基づいて詳細に説明する。尚、開口合成処理技術は周知であり、その原理はよく知られているので詳細は省略する。

開口合成フェーズドアレイ法は、フェーズドアレイによる探傷を対象とし、１つの振動素子で送信して、同一点（探傷範囲の着目されたある点，探傷範囲をメッシュ状に区画したときのあるメッシュ）からの反射エコーが重なるように複数の振動素子で受信した受信波形信号を加算することにより、反射源における対象物の像を再生するようにしたものである。

ここで、同一点からの反射エコーが複数の振動素子で受信される時間は、振動素子の位置と探傷範囲の着目した点との距離に応じて変化し、遅れが生じる。この遅れは、探傷範囲において着目された点と走査位置との幾何学的関係により容易に計算できる。そこで、複数の受信波形信号を探傷範囲において着目された点（即ち該当メッシュ）において焦点を結ぶために必要な斜角とビーム路程となるように受信素子の遅延時間を制御することにより、同一点からの反射エコーを複数の振動素子で受信する。そして、各受信素子で受信されるＡスコープ波形信号の遅れを修正するように波形の位相をシフトし、波の位相を揃えた状態で重ね合わせる開口合成処理を行うと、ビームの中心に傷がある場合の散乱波の振幅が強調され、逆にきずがビームの中心からずれていたり存在しない場合には互いの波の位相が異なることにより振幅が逆に弱まったりノイズ成分が打ち消されバックグランドレベルが低減される。したがって、きずからの散乱波の振幅と、ビームの中心からに傷がない場合の散乱波の振幅との差が大きくなり、きずがあるメッシュにおける振幅が相対的に大きくなり、方位分解能が向上する。

実際の検査においては、傷の位置は探傷範囲において不明であるので、探傷範囲をメッシュ状に区画して各メッシュ毎に焦点が合うように各受信素子の遅延時間パターンを予め作成（マッピング）してテーブルとしてメモリに格納しておき、遅延時間パターンに従って各受信素子を電子制御する開口合成処理を全領域について行う。

この開口合成処理により、最大エコー強度を大きくすることはできるが、減衰によるエコー強度の低下は抑えることができないことが本発明者等の実験・研究により判明した。エコー強度は試験体内において超音波ビームの広がりによる拡散減衰に加え、結晶粒界での散乱減衰などによる影響を受ける。このため、開口合成処理を行うことにより距離振幅特性の減衰傾向は緩やかになるものの、エコー強度の低下は抑えられなかった。一方、開口合成処理は、送信の際の振動素子の寸法即ち素子数が少ない方が走査方向の指示拡がりが小さくなり、分解能の改善効果が大きいことが本発明者等の実験・研究により判明した。このため、振動素子数を増やしてエネルギーを増やすと開口合成処理の効果がなくなる恐れもある。このため、厚肉試験体の内部に存在する欠陥の検出には、エネルギー強度が不足してきずを見落とす可能性が生ずる。処理後の画像では、素子数が少ない方がわかる。

そこで、どれだけきずまでの距離が遠くなっても、エネルギー強度が一定に検出できるようにする拡散減衰補正機能について、線音源、線の反射体と仮定してビームの広がりによる減衰をモデル化して検討した。エコー強度は試験体内において超音波ビームの広がりによる拡散減衰に加え、結晶粒界での散乱減衰などによる影響を受ける。したがって、これらによる影響を表す関数Ｆを用いてＡスコープ波形Ｗを修正した波形Ｗ’では、形状が等しく、振動子との距離のみが異なる反射体のエコー高さは同じになる筈である。
ここで、l はビーム路程を表す。影響関数Ｆは超音波送受信時の振動子表面の変位Ut およびUｒの比として与えることを考える。

ここで、上付き添え字t は送信過程、ｒは受信過程を示す。通常、超音波探傷試験が実施される材料では、難透過材料を除けば、散乱減衰の影響より拡散減衰の影響の方が大きくなり、散乱減衰の影響は無視できる。そこで、本発明では、Uｒは拡散減衰による影響のみを考慮して定式化する。また、本発明者等の実験によると、振動子面積が小さい方が開口合成による効果が顕著であった。よって、フェーズドアレイ探触子の１素子で送受信し、開口合成処理する過程でＷをＦにより修正することによって、エコー強度から拡散減衰による影響を排除できる可能性がある。

そこで、フェーズドアレイ探触子の１素子を用いた送受信におけるUt とUｒの関係式を以下に示すように導出し、影響関数の関数形を決定することができる。
図１に示す媒質１の点音源が媒質２の点反射源に与える変位は遠距離音場において幾何光学回折理論に基づきエネルギー保存則と音線の回折から次式が導出される。
ここで、
c1およびc2：媒質1および媒質2の音速
ｒ1：点音源から超音波が通過する媒質1と媒質2
の境界上の点までの距離
ｒ2：境界上の点から点反射源までの距離
u1：超音波が通過する境界上の変位
u2：点反射源における変位
T12：媒質1から媒質2への透過率
θ1およびθ2 ：境界に対する入射角および屈折角である。

表１で用いたフェーズドアレイ探触子の振動子寸法は10mm×0.6mm と線状の音源と考えられることから、点音源を線音源に置き換え、さらに反射源も線状とすると、図１の紙面直交方向の拡散がなくなることから、数式４を次式のように書き換えることができる。

上式中のｒ_１ ^1/2ｕ₁は振動子の指向性により決まり、ｒ_１とｕ₁はｒ_１ ^1/2ｕ₁が一定となる関係にある。なお、ｒ_１ ^1/2ｕ₁は幾何光学理論によればＲ１＞＞λ／２πが成り立つ前提でＲ_１ ^1/2Ｕ_１に置き換えることができる。ただし、Ｒ_１は振動子とその近傍の点までの距離であり、Ｕ_１はその点の変位である。そこで、Ｒ_１=１mm に固定すると、線反射源上の変位ｕ_２ ^ｔを次式のように表現できる。

一方、線反射源上の変位による線音源上の変位は相反定理から次式で与えられる。

また、ｕ_２ ^ｔとｕ_２ ^ｒは反射源における反射係数または回折係数Ｃで関連付けられる。

線音源と線反射源の場合の影響関数Ｆ_ll は数式６から数式８を用いると以下のようになる。
ここで、
Ｃ:回折係数
ｃ_１およびｃ_２：媒質1および媒質2の音速
ｒ_１：音源から超音波が通過する媒質１と媒質２の境界上の点までの距離
ｒ_２：境界上の点から反射源までの距離
ｕ_１：超音波が通過する境界上の変位
ｕ_２：反射源における変位
Ｔ_１２：媒質1から媒質2への透過率
Ｔ_２１：媒質2から媒質1への透過率
θ_１およびθ_２：境界に対する入射角および屈折角である。

この影響関数Ｆ_llを用いて各受信素子で得られるＡスコープ波形信号の補正を行う。例えば、測定装置は、複数の小さな振動子（以下、素子と呼ぶ）を一列に配置したフェーズドアレイ探触子（本明細書では単にフェーズドアレイと呼ぶ）と、このフェーズドアレイの各振動子に与えるパルス電圧の遅延時間を個別に制御することにより、超音波ビームの収束や偏向を容易に制御する送受信装置と、受信した超音波波形信号をＡ／Ｄ変換してから画像化する画像化処理装置とで主に構成されている。そして、フェーズドアレイでは、１つの素子から放射された超音波は、材料内部を伝播し、複数の素子で受信される。そこで、振動素子を順次送信し、その都度他の振動素子で超音波波形を受信すると共に、受信した超音波波形信号をＡ／Ｄ変換し、ディジタル信号として画像化処理装置に保存する。

ここで、フェーズドアレイの各受信素子で得られたＡスコープ波形信号に対し上記数式９に示す影響関数Ｆ_llの逆数を乗じて各信号の振幅を拡散減衰分に応じて補正する。そして、補正後のＡスコープ波形信号を一旦メモリに格納してから、あるいはそのまま補正後のＡスコープ波形信号を用いて開口合成処理を行う。開口合成処理は、画像化処理装置に内蔵の演算回路で、各受信素子毎の波形データから、各ビーム路程でのフライトタイム（欠陥からの反射波の遅れ時間に相当）の振幅値を取り出し探傷範囲を区分した対応するメッシュの画像メモリーに加算し、引き続き、他の受信素子で得られた波形データについても同様の処理を施すことにより、多数の反射波形のピーク値が同位相で加算される。例えば、きずからの反射エコーの場合、多数の欠陥からの反射波形のピーク値が同位相で加算され、さらに輝度変調処理により鮮明な欠陥画像・画素が得られる。きずの存在しないバックグランド画像では、ノイズ成分が打ち消されバックグランドレベルが低減される。これら処理を画像化処理領域の全てのメッシュに対して行うことにより、鮮明なＢスコープ画像が合成される。

実際の探傷により取得したＢスコープ画像に、本発明の開口合成フェーズドアレイ法を適用し、その有効性を検証した。尚、試験体としては、線反射体に近似できる横穴（傷に相当）を有する2.25Cｒ-1Mo 鋼ブロックを用い、水距離10 mm の水浸探傷を行った。フェーズドアレイ探触子としては、前述の表１に示す仕様のものを用い、64素子のうち中心付近に配置されている１６素子のみを用い、１素子で送信したものを１６素子で受信するようにして電子リニア走査した。ここでは、水の音速を1,480m/s、2.25Cｒ-1Mo 鋼の縦波音速を5,900 m/s とした。

まず、影響関数Ｆ の有効性を検証した。図５の試験体の表面と裏面の両面を探傷とすることで、エコー強度を探傷面からの距離6mm、12mm、18mm、24mm で整理した距離振幅特性を図２に示す。同図には、点音源を仮定した場合と線音源を仮定した場合の影響関数Ｆ の距離による変化も併せて示している。図２より、実験結果の距離振幅特性は、Fpl とFll の間に収まっていることがわかり、点音源と線音源のどちらを仮定した影響関数Ｆ でも、実験結果の減衰傾向と同じ傾向を示していることがわかった。

次に、実験結果に本発明の開口合成フェーズドアレイ法を適用した。図３は、影響関数Ｆ_llを用いていない通常の開口合成処理を行ったＢスコープ画像と、影響関数Ｆ_llを用いた新しい開口合成処理を行ったＢスコープ画像を示す。指示の拡がりに関しては、通常の開口合成処理を行った結果と影響関数Ｆ_llを用いた結果は同程度であることがわかる。しかしながら、図３（ａ）に示すように、通常の開口合成フェーズドアレイ法を適用しただけの場合には、左図から右図へと、探傷面から横穴（きず）が離れるにしたがってエコー強度が弱くなっているのに対し、図３（ｂ）に示すように本発明の開口合成フェーズドアレイ法を適用した場合には、左図から右図へと探傷面から横穴が離れても、エコー強度が一定であり、明瞭に指示が描かれた。

図４には、通常の開口合成、影響関数Ｆ_llを用いた開口合成、影響関数Fpl を用いた開口合成を適用した結果の距離振幅特性曲線を示す。数式３で定義した影響関数Ｆが妥当であれば、エコー強度は探傷面と反射体との距離に依らず一定となるはずである。図４より、線音源を仮定した結果では、距離の変化に依らずエコー強度がほぼ一定になることがわかる。一方、点音源を仮定した結果では、探傷面からの距離が大きくなるにつれて逆にエコー強度が増加している。

以上の結果より、今回の探傷で用いたフェーズドアレイ探触子のように長方形の振動子をもつ場合は、線音源を仮定した影響関数Ｆ_llを用いた修正の方が妥当であると言える。

本発明で提案した新しい開口合成フェーズドアレイ法は、影響関数Ｆを用いることで、拡散減衰による影響を排除ことができるため、より高精度な探傷が行える。また、Ｂスコープ画像の１画像あたり計算時間は３２ビットの一般的なパソコン（CPU ： Xeon, クロック周波数：3.06ＧＨz）で、影響関数Ｆ による補正無しで30.5秒、補正有りで30.8秒であり、補正による計算時間の増加は1秒以下である。本手法による拡散減衰補正機能を探傷データ分析ソフトウェアに追加することにより、距離振幅特性の影響を抑えた探傷が可能となる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本発明は、フェーズドアレイを用いる全ての超音波探傷法に適用でき、特定の超音波探傷法に限られない。

Claims (1)

1. フェーズドアレイを用いた超音波探傷法において、前記フェーズドアレイの各受信素子で得られたＡスコープ波形信号に対し数式１に示す影響関数Ｆ_ｌｌの逆数を乗じて各信号の振幅を補正し、補正後の前記Ａスコープ波形信号に開口合成処理を行うことによりＢスコープ画像を構築することを特徴とするフェーズドアレイ開口合成処理方法。
   ここで、
   Ｃ:回折係数
   ｃ_１およびｃ_２：媒質1および媒質2の音速
   ｒ_１：音源から超音波が通過する媒質１と媒質２の境界上の点までの距離
   ｒ_２：境界上の点から反射源までの距離
   ｕ_１：超音波が通過する境界上の変位
   ｕ_２：反射源における変位
   Ｔ_１２：媒質1から媒質2への透過率
   Ｔ_２１：媒質2から媒質1への透過率
   θ_１およびθ_２：境界に対する入射角および屈折角である。
   また、上付き添え字t ：送信過程、
   上付き添え字ｒ：受信過程を示す。