專利名稱：超聲波探頭、超聲波探傷方法及超聲波探傷裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲波探頭、超聲波探傷方法及超聲波探傷裝置。具體地
說，本發(fā)明涉及對于金屬制的管狀被檢體管、特別是壁厚t與外徑D之比 (t/D)例如是15%以上的金屬管，能夠通過斜角探傷，高精度而且切實 地探查其外表面、內表面或內部存在的微小缺陷的超聲波探頭、超聲波探 傷方法及超聲波探傷裝置。
背景技術：
作為不破壞金屬制的管狀被檢體(例如作為油井管、線路管進而機械 部件(被鏜過的車軸、汽車部件等使用的機械管，迸而能夠在高溫環(huán)境下 使用的不銹鋼管等)使用的金屬管)地檢出存在的缺陷的無損檢測方法， 向金屬管發(fā)射超聲波，檢出來自內部存在的缺陷的反射回波的超聲波探傷 方法，己經(jīng)廣為人知。為了探查金屬管的內表面、外表面、內部進而焊接 部位中的缺陷，使用向探傷面傾斜地發(fā)射超聲波的斜角探傷法。眾所周知， 在該斜角探傷法中，通常使用具備向探傷面傾斜地發(fā)射超聲波地配置的振 子、吸音材料及收容探傷面中的接觸介質(丙烯等樹脂制的斜楔等)的外 殼的斜角探頭。此外，作為接觸介質使用水時，代替在外殼中收容斜楔等 接觸介質，將金屬管及斜角探頭浸入水中進行探傷。
圖11是表示斜角探傷法中的入射波1及折射波2、3的關系的說明圖。 圖11及后文講述的圖12、 13中的虛線，表示探傷面0的法線。
如圖ii所示，采用斜角探傷法，傾斜地向金屬管(介質n)的探傷
面0射入超聲波的入射波1后，即使射入的超聲波的入射波1是縱波，作 為折射波的超聲波的折射縱波2及折射縱波3也都從未圖示的振子在金屬
4管的內部傳播。如果使介質I (一般是以水為代表的液態(tài)接觸介質或被斜
角探頭內置的斜楔)中的超聲波的入射波i的音速為vi、介質n (管狀被 檢體——金屬管)中的超聲波的折射橫波3的音速為vs、介質n中的超
聲波的折射橫波2的音速為VL、入射波1的射入角為e i、折射橫波3的 折射角為e s、折射橫波2的折射角為9 L，那么入射波1及折射波2、 3 之間的斯內爾定律即sin e i/Vi= sin 9 S/Vs= sin 9 L/VL的關系成立。
圖12是表示折射波2、 3在金屬管5的內部5c中傳播的狀況的說明圖。
如該圖所示，將超聲波以射入角9 i從超聲波探頭的振子4射入金屬 管5后，射入的超聲波2、 3就一邊在金屬管5的內表面5a及外表面5b 反復反射， 一邊在金屬管5的內部5c中傳播。如果金屬管5的內表面5a、 外表面5b及內部5c存在缺陷，被該缺陷反射的超聲波的反射回波就返回 振子4，作為缺陷回波接收。這樣地對金屬管5進行超聲波探傷。
正如參照圖11講述的那樣，因為折射縱波2和折射縱波3都在金屬 管5的內部5c即介質II中傳播，所以難以識別被振子4接收的缺陷回波 究竟是由折射縱波2造成的，還是由折射縱波3造成的。因此，不能夠特 定存在缺陷的位置，或者接收的信號波形復雜，缺陷回波的SN比下降。
于是，為了利用斜角探傷法對金屬管5進行超聲波探傷， 一般將折射 縱波2的臨界角設定成為大于射入角e i，以免折射縱波2混入在金屬管5 的內部5c中傳播的折射波。例如介質I是以水時，在常溫下的介質I中 的折射橫波2的音速Vi大約為1500m/sec，如果使介質II——金屬管中的 折射橫波2的音速VL為5900m/sec、折射橫波3的音速Vs為3200m/sec， 那么根據(jù)公式(1)，成為折射縱波2的臨界角(9L=90° )的射入角9i 就大約為15。，折射縱波3的折射角0s就大約為33。。因此，從原理上 說，如果將入射波l的射入角9i設定成15。以上，在介質II中就不存在 折射縱波3L。
5近幾年來，對于油井管、線路管及作為機械部件等大量使用的鋼管， 不僅對于輕量化，而且對于高強度化的要求越來越高。與此同時，對于壁 厚t與外徑D之比(t/D)例如是15%以上的金屬管(在本說明書中稱作
"高t/D金屬管")的需要也與日俱增?？墒?，如采用斜角探傷法對高t/D 金屬管6進行探傷的狀況的說明圖——圖13所示，采用現(xiàn)有技術的超聲 波探傷法對高t/D金屬管6進行斜角探傷時，即使將超聲波以縱波超聲波 的臨界角以上的射入角9i從高t/D金屬管6的外表面6b射入，傳輸?shù)浇?屬管6的內部6c的折射縱波3也往往不能夠到達金屬管6的內表面6a地 在去往外表面6b的傳輸線路上行走。這時，無法檢出金屬管6的內表面 6a附近存在的缺陷。
因此，例如在專利文獻1中公開了使用同時具備金屬管的內部中的折
射橫波的折射角e s很大(例如超過35度)的第i振子和折射角e s例如
小于35度的第2振子的超聲波探頭，對普通的比(t/D)的金屬管5進行 探傷時只使用第1振子，對高t/D金屬管6進行探傷時則同時使用第1振 子和第2振子的技術。
采用專利文獻1中公開的超聲波探頭后，在對高t/D金屬管6進行探 傷之際，第2振子產(chǎn)生的折射橫波可以切實到達高t/D金屬管6的內表面。 可是，使用第2振子后，因為不僅產(chǎn)生折射橫波，而且還產(chǎn)生折射縱波， 所以不能夠特定存在缺陷的位置，或者接收的信號波形復雜，缺陷回波的 SN比下降。
進而，例如在非專利文獻l中公開了下述發(fā)明。在振子之前配置前端 面具有球面或圓柱面的形狀的聲透鏡，或者將振子的前端面加工成球面或 圓柱面的形狀，在檢出金屬管的管軸方向短而且深度小的缺陷時，使用前 端面為球面形狀的聲透鏡或者將前端面加工成球面形狀的振子，而在檢出 盡管深度小但是在管軸方向上連續(xù)的缺陷時，使用圓柱面的彎曲方向沿著 金屬管的圓周方向的前端面為圓柱面形狀的聲透鏡或者將前端面加工成 圓柱面形狀的振子，從而使射入金屬管的超聲波在金屬管的內部聚焦，這樣就提高了缺陷回波的強度，用良好的SN比檢出，高精度地檢出金屬管 的內部存在的微小缺陷。
圖14是表示采用非專利文獻1公開的發(fā)明，使折射橫波3在金屬管5、 6的內表面聚焦時，在金屬管5、 6的內部傳播的折射橫波2及折射橫波3 的傳播動作的說明圖。圖14 (a)表示使用比(t/D)大約為15%以上的高 t/D金屬管6時的折射橫波3，圖14 (b)表示使用該高t/D金屬管6時的 折射縱波2，圖14 (c)表示使用比(t/D)大約小于15% (10%左右)的 金屬管5時的折射橫波3，圖14 (d)表示使用該金屬管5時的情況。
如圖14 (c)及圖14 (d)所示，對于比(t/D)大約小于15%的普通 的金屬管5，能夠簡單地設定使折射橫波3在金屬管5的內表面5a聚焦的 同時不產(chǎn)生折射縱波2的條件后，進行超聲波探傷。與此不同，如圖14 (a)及圖14 (b)所示，對于比(t/D)大約為15%以上的高t/D金屬管6， 使折射橫波3到達金屬管6的內表面6a后就產(chǎn)生折射縱波2。產(chǎn)生的折射 縱波2的一部分，和折射橫波3—樣，到達金屬管6的內表面6a，到達的 折射縱波2以接近垂直于金屬管6的內表面6a的角度傳播，所以在金屬 管6的內表面6a及外表面6b之間多重反射。
圖15是表示這樣地對高t/D金屬管6進行探傷時觀察到的反射回波的 一個例子的曲線圖。如在圖15中用曲線圖例示的那樣，折射橫波3形成 的內面缺陷回波，被折射縱波2的多重反射回波之間埋住地觀察到。該折 射縱波2的多重反射回波成為妨礙檢出缺陷的噪聲信號，不能夠用良好的 SN比檢出微小的缺陷。另外，金屬管6的壁較厚時，缺陷回波就完全埋 沒在許多雜亂排列的折射縱波2的多重反射回波中，即使是熟練的檢察員 也不能夠識別缺陷回波。
因此，例如在專利文獻2中公開了使用兩種頻率交替進行探傷(在使 用某個頻率進行探傷，檢出缺陷回波及多重反射回波的同時，使用和它不 同的頻率進行探傷，只檢出多重反射回波)，對用這些頻率獲得的探傷波
7形進行差分處理，除去噪聲一一多重反射回波后，求出高t/D金屬管6的
缺陷回波的發(fā)明。
專利文獻1: JP特幵平10—90239號公報 專利文獻2: JP特開平6—337263號公報
非專利文獻1:《超聲波探傷法》日本學術振興會、制鋼第19委員會、 日刊工業(yè)新聞社、224 227頁
可是，專利文獻2公開的發(fā)明也存在著以下(a) c的課題。
(a) 因為需要收集用兩種頻率交替地在大致相同的位置進行探傷的 探傷波形，所以檢查效率不可避免地大約減少一半。
(b) 缺陷回波的強度和鄰接的多重反射回波的強度相比，同等或者 較小時，以及缺陷回波的出現(xiàn)位置和多重反射回波的出現(xiàn)位置非常接近 時，即使進行多重反射回波的差分處理，大部分缺陷回波也被減去，不能 夠根據(jù)差分處理后的波形，檢出缺陷回波。
(c) 因為需要使用能夠用多種頻率進行探傷的特殊的超聲波探傷裝 置，所以檢查成本必然增大
發(fā)明內容

本發(fā)明就是為了解決現(xiàn)有技術存在的(a) c的課題而研制的，其目 的在于提供對于例如作為油井管、線路管及機械部件(被鏜過的車軸、汽 車部件等使用的機械管，進而能夠在高溫環(huán)境下使用的不銹鋼管等)使用 的金屬制的管狀被檢體、特別是壁厚t與外徑D之比(t/D)例如是15% 以上的金屬管，能夠通過斜角探傷，高精度而且切實地探查其外表面、內 表面或內部等存在的微小缺陷的超聲波探頭、超聲波探傷方法及超聲波探 傷裝置。
為了解決上述課題，本發(fā)明人經(jīng)過專心的研究，結果獲得了以下所列 的(A)及(B)的見識，完成了本發(fā)明。
(A)正如參照圖14 (a)及圖14 (b)所講述的那樣，從前端面具有
8球面或圓柱面的形狀即前端部的縱斷面形狀是圓弧形狀的振子7反射入射
波l， 一邊使射入高t/D金屬管6的內表面6a中的折射橫波聚焦， 一邊進 行探傷后，同時產(chǎn)生的折射縱波2到達金屬管6的內表面6a。該到達金屬 管6的內表面6a的折射縱波2，由從金屬管6的中心看位于超聲波的傳播 方向側(圖14的紙面左側)的部分7a發(fā)送，以較小的射入角射入金屬管 6的外表面6b的入射波l生成。
(B)圖1 (a)是表示將本發(fā)明人想到的改良型的振子8的前端部8c 的縱斷面形狀與上述振子7的前端部7c的縱斷面形狀加以對比后的說明 圖。另外，圖1 (b)是表示使用該振子8對高t/D金屬管6 (外徑40mm、 壁厚10mm)進行斜角探傷的狀況和使用振子7對高t/D金屬管6進行斜 角探傷的狀況加以對比后的說明圖。此外，在圖1 (a)中，橫軸為Omm 的位置，表示探傷對象——高t/D金屬管6的中心位置。 滿足下述兩個條件
(i )如圖1 (a)所示，使構成斜角探頭的振子8的前端部8c成為 至少具有曲率半徑從一端8b側到另一端8a側連續(xù)增加的非對稱曲線形狀
的部分的形狀及
(ii)在對于高t/D金屬管6而言的特定的位置配置該振子8，進行 斜角探傷，以便從金屬管6的中心位置看，振子8的前端部8c中的一端 8b側位于金屬管6中的折射波的非傳播方向側(圖1 (a)的紙面右側) 的同時，振子8的前端部8c中的另一端8a側位于折射波的傳播方向側(圖 1 (a)的紙面左側)
后，如圖l (b)中用實線箭頭所示的那樣，能夠極大地確保另一端8a發(fā) 送的入射波l的射入角及折射縱波2的折射角。因此，折射縱波2未到達 金屬管6的內表面6a地直接到達金屬管6的外表面6b。這樣，能夠消除 折射縱波2引起的多重反射回波。
如上所述，使振子8的前端部8c成為至少具有曲率半徑從一端8b側 到另一端8a側連續(xù)增加的非對稱曲線形狀的部分的形狀，曲率半徑的大 小、增加的程度及設置該非對稱曲線形狀的部分的比例等，可以根據(jù)金屬 管6的種類等單獨地適當決定，以便使折射橫波3到達金屬管6的內表面6a的同時，還在內表面6a附近的特定位置聚焦。
本發(fā)明的超聲波探頭，其特征在于是將超聲波從內置振子的探頭斜 著射入金屬制的管狀被檢體，產(chǎn)生在該管狀被檢體的內部傳播的折射縱波 及折射橫波，從而對該管狀被檢體進行探傷的超聲波探頭，振子的前端部 至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù)增加的非對稱曲線形狀的部 分。
另外，本發(fā)明的超聲波探頭，其特征在于具備內置振子的探頭和在 該振子的超聲波發(fā)送方向的前方配置的聲透鏡，通過該聲透鏡作媒介，將 超聲波斜著射入金屬制的管狀被檢體，產(chǎn)生在該管狀被檢體的內部傳播的 折射縱波及折射橫波，從而對該管狀被檢體進行探傷的超聲波探頭，聲透 鏡的前端部至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù)增加的非對稱曲 線形狀的部分。
另外，本發(fā)明的超聲波探頭，其特征在于是將超聲波從內置振子的 探頭斜著射入金屬制的管狀被檢體，產(chǎn)生在該管狀被檢體的內部傳播的折 射縱波及折射橫波，從而對該管狀被檢體進行探傷的超聲波探頭，振子由 并列設置的多個振動發(fā)生元件構成的同時，在多個振動發(fā)生元件各自振蕩 產(chǎn)生的超聲波的干涉下，具備至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù) 增加的非對稱曲線形狀的部分的波面的入射波振蕩。
在本發(fā)明涉及的超聲波探頭中，例示具備延遲時間調整裝置(該延遲 時間調整裝置旨在通過調整多個振動發(fā)生元件各自的超聲波收發(fā)的延遲 時間來振蕩入射波)的情況。這時，最好具備在振子的超聲波發(fā)送方向的 前方配置的聲透鏡。
在這些本發(fā)明涉及的超聲波探頭中，例示管狀被檢體是壁厚與外徑之 比是超過15%的金屬管的情況。
從別的的觀點上說，本發(fā)明的超聲波探傷方法，其特征在于對于金屬管而言，配置超聲波探頭，以便從金屬制的管狀被檢體的中心位置看， 使上述的構成本發(fā)明涉及的超聲波探頭的振子或聲透鏡的前端部中的曲 率半徑較小的端部側位于管狀被檢體中的折射波的非傳播方向側，而且該 曲率半徑較大的端部側位于所述折射波的傳播方向側的同時，還能夠發(fā)送 生成未到達所述管狀被檢體的內壁的折射縱波和在該管狀被檢體的內壁 聚焦的折射橫波的入射波，進行斜角探傷。
另外，本發(fā)明的超聲波探傷方法，其特征在于對于金屬管而言，配 置超聲波探頭，以便從金屬制的管狀被檢體的中心位置看，使上述的構成 本發(fā)明涉及的超聲波探頭的振子振蕩的入射波的波面中的曲率半徑較小 的端部側位于金屬管中的折射波的非傳播方向側，而且該波面中的曲率半 徑較大的端部側位于所述折射波的傳播方向側的同時，還能夠發(fā)送生成未 到達金屬管的內壁的折射縱波和在該金屬管的內壁聚焦的折射橫波的入 射波，進行斜角探傷。
另外，本發(fā)明的超聲波探傷方法，其特征在于使用上述的本發(fā)明涉 及的超聲波探傷方法，對于壁厚與外徑之比超過15%的特定的值的金屬制 的管狀被檢體進行斜角探傷。
進而從別的的觀點上說，本發(fā)明的超聲波探傷裝置，其特征在于具 備上述的本發(fā)明涉及的超聲波探頭。
采用本發(fā)明后，對于金屬制的管狀被檢體、特別是壁厚t與外徑D之 比(t/D)是15%以上的金屬管，也能夠在將本發(fā)明涉及的超聲波探頭配 置在適當?shù)奈恢煤?，從而能夠使在該管狀被檢體的內部傳播的折射波中的 折射橫波聚焦，同時還不使折射縱波到達管狀被檢體的內表面。因此，能 夠在通過使折射橫波聚焦的方法提高來自微小缺陷的反射回波強度的同 時，還由于折射縱波在未到達管狀被檢體的內表面的傳播路徑上傳播，能 夠消除折射縱波引起的多重反射回波。這樣，特別是對于高t/D金屬管也 能夠切實進行高精度的斜角探傷。
ii
這樣采用本發(fā)明后，對于管狀被檢體、特別是比(t/D)是15%以上 的高t/D金屬管也能夠不使檢查效率下降及檢查成本上升地利用斜角探 傷，高精度地切實地對其內部存在的微小缺陷進行探傷。



圖1 (a)是表示將本發(fā)明人想到的改良型的振子的前端部的縱斷面形 狀與現(xiàn)有技術的振子的前端部的縱斷面形狀加以對比后的說明圖；圖Kb) 是表示將使用該振子對高t/D金屬管進行斜角探傷的狀況和使用現(xiàn)有技術 的振子對高t/D金屬管進行斜角探傷的狀況加以對比后的說明圖。
圖2是表示本實施方式的超聲波探傷裝置的簡要結構的方框圖。
圖3是簡要地表示設計振子的前端部的形狀的流程圖。
圖4A是為了表示將外徑40mm及壁厚10mm的高t/D金屬管作為檢 查對象時振子的前端部的形狀的設計步驟的說明圖。
圖4B是為了表示將外徑40mm及壁厚10mm的高t/D金屬管作為檢 查對象時振子的前端部的形狀的設計步驟的說明圖。
圖4C是為了表示將外徑40mm及壁厚10mm的高t/D金屬管作為檢 查對象時振子的前端部的形狀的設計步驟的說明圖。
圖4D是為了表示將外徑40mm及壁厚10mm的高t/D金屬管作為檢 查對象時振子的前端部的形狀的設計步驟的說明圖。
圖5是表示對于3種尺寸(外徑40mm而且壁厚10mm、外徑26mm 而且壁厚6.5mm、外徑60mm而且壁厚15mm)的高t/D金屬管，根據(jù)圖 3所示步驟S1 8，設計振子的前端部的形狀的結果的一個例子的說明圖。
圖6是表示缺陷射入角8和向高t/D金屬管的軸方向延伸地狹縫狀存 在的狹縫缺陷的反射率(％)的關系的曲線圖。
圖7是表示采用第1實施方式涉及的超聲波探傷裝置對由高t/D金屬 管構成的機械管的內壁存在的深度為O.lmm的微小缺陷進行探傷之際獲 得的主放大器的輸出信號波形——探傷波形的一個例子的曲線圖。
圖8是表示第2實施方式的超聲波探傷裝置的簡要結構的說明圖。圖9是表示第3實施方式涉及的超聲波探傷裝置的簡要結構的方框圖。
圖io是為了講述發(fā)送延遲時間及接收延遲時間的設定方法的說明圖。
圖11是表示斜角探傷法中的入射波及折射波的關系的說明圖。
圖12是表示折射波在金屬管5的內部中傳播的狀況的說明圖。
圖14是表示采用非專利文獻1公開的發(fā)明，使折射橫波在金屬管的 內表面聚焦時，在金屬管的內部傳播的折射橫波及折射橫波的傳播動作的 說明圖；圖14 (a)表示使用比(t/D)大約為15%以上的高t/D金屬管時 的折射橫波；圖14(b)表示使用該高t/D金屬管時的折射縱波；圖14(c) 表示使用比(t/D)大約小于15% (10%左右)的金屬管時的折射橫波；圖 14 (d)表示使用該金屬管時的情況。
圖15是表示對高t/D金屬管進行探傷時觀察到的反射回波的一個例子 的曲線圖。 符號說明
o探傷面
l入射波
2折射縱波(refracted longitudinal wave)
3折射橫波(refracted transverse wave )
4振子
5金屬管
5a內表面
5b夕卜表面
5c內部
6高t/D金屬管 6a內表面 6b夕卜表面 6c內部 7振子 9金屬管
13IO超聲波探傷裝置 ll超聲波探頭 12超聲波探傷器 13報警器
14標記裝置 15振子 15a另一端 15b —端 15c前端部 16高t/D金屬管 16a內表面 16b外表面 16c內部 17聚焦點 18初始點 19脈沖發(fā)生器 20前置放大器 21濾波器 22主放大器
23缺陷判定部(flaw determining part )
30超聲波探傷裝置
31振子
32超聲波探頭
33探頭支架
34下水平臂
35上下動臂
36水平動臂
37上水平臂
38管跟蹤機構
39氣缸40超聲波探傷裝置
41振子 41a壓電元件 42超聲波探頭 43發(fā)送電路 44接收電路 45報警器 46標記裝置 47金屬管 47a外面 48脈沖發(fā)生器
49延遲電路(發(fā)送延遲電路) 50前置放大器
51延遲電路(接收延遲電路) 52加法器 53主放大器 54缺陷判定部
具體實施方式

(第1實施方式)
下面，參照附圖，詳細講述旨在實施本發(fā)明涉及的超聲波探頭、超聲 波探傷方法及超聲波探傷裝置的最佳的方式。此外，在以下的講述中，以 金屬制的管狀被檢體管是壁厚t與外徑D之比(t/D)為15%以上的高1/0 金屬管16為例進行講述。
圖2是表示本實施方式涉及的超聲波探傷裝置10的簡要結構的方框 圖。如圖所示，本實施方式的超聲波探傷裝置IO具備超聲波探頭11、超 聲波探傷器12、報警器13及標記裝置14。下面，對它們依次講述。 (超聲波探頭ll)
15超聲波探頭ll，和用慣的那種超聲波探頭一樣，具有收容吸音材料及 向探傷面傾斜地發(fā)射超聲波地配置的振子15等的外殼。因為外殼及吸音 材料都可以是眾所周知的用慣的東西，所以省略圖2中的圖示及對它們的 說明。另外，在本實施方式中，作為接觸介質使用水，所以使用能夠將水
裝滿到達高t/D金屬管16的探傷面的外殼。
在本實施方式中，振子15輸入來自構成后文講述的超聲波探傷器12 的脈沖發(fā)生器19的每隔規(guī)定的周期的發(fā)送信號后激振。這樣，通過接觸 介質——水W作媒介，將超聲波的入射波U斜著射入高t/D金屬管16的 外面表面16b。入射波U作為由折射縱波UI及折射橫波U2構成的折射波， 在高t/D金屬管16的內部16c中傳播。而且，高t/D金屬管16的外表面 16b、內表面16a及內部16c存在的缺陷等引起的折射橫波U2的反射回波 (缺陷回波)被振子15接收。該接收信號發(fā)送給超聲波探傷器12。這樣 地對高t/D金屬管16進行斜角探傷。
該振子15的前端部15c的一部分，至少如參照圖1 (a)及圖1 (b) 所講述的那樣，曲率半徑從一端15b側到另一端15a側具有從曲率半徑P ,向曲率半徑P 23地連續(xù)增加的非對稱曲線形狀的部分地形成。由于前端部 15c至少具有這種非對稱曲線形狀的部分地高精度地形成，所以該振子15 不是由作為振子而用慣的硬質材料——以不容易加工的PZT (PbZr03 — PbTi03)為代表的陶瓷類壓電元件構成，而是由加工性能良好的PZT—環(huán) 氧復合的壓電元件構成。
該前端部15c的非對稱曲線形狀的部分，例如根據(jù)以下所示的步驟(以 下簡稱"S") 1 S8決定。
現(xiàn)在講述前端部15c的非對稱曲線形狀的部分的決定步驟。圖3是簡 要地表示設計振子15的前端部15c的形狀的流程圖。另外，圖4A 圖4D 是為了表示將外徑40mm及壁厚10mm的高t/D金屬管16作為檢查對象 時振子15的前端部15c的形狀的設計步驟的說明圖。如圖3所示，在步驟l中，條件設定(l)高t/D金屬管16的形狀(外 徑D及壁厚t)、 (2)高t/D金屬管16中的折射橫波U2的音速Vs、 (3) 高t/D金屬管16中的折射縱波U1的音速VL、 (4)接觸介質(在本實施 方式中為水)中的入射波U的音速Vi及(5)振子15的沿著高t/D金屬 管16的前端部的圓周方向的長度。
此外，接觸介質中的入射波的音速Vi及高t/D金屬管16中的折射橫 波U2的音速Vs、折射縱波Ul的音速VL，既可以使用分別與接觸介質 的種類及高t/D金屬管16的材質等對應的已知的數(shù)值數(shù)據(jù)，也可以將預先 采取的實驗數(shù)據(jù)作為設定值使用。
另外，振子15的沿著高t/D金屬管16的前端部的圓周方向的長度， 設定成在能夠獲得足夠的收發(fā)靈敏度的同時，實際可以制作的長度即可。 一般來說，雖然與高t/D金屬管16的形狀及應該檢出的缺陷的尺寸及材質 等息息相關，但是振子15的沿著高t/D金屬管16的前端部的圓周方向的 長度為6 20mm左右。然后，移行到S2。
在S2中，如圖4A所示，適當暫時設定(6)高tAD金屬管16的內表 面16a中的折射橫波U2的聚焦點17。
在暫時設定該聚焦點17時，最好考慮缺陷的反射率。就是說，如說 明缺陷射入角e和向高t/D金屬管16的軸方向延伸地狹縫狀存在的狹縫缺 陷的反射率(％)的關系的圖6所示，狹縫缺陷的折射橫波U2的反射率， 與橫波超聲波的射入角e息息相關。在現(xiàn)實可以設定的射入角的范圍中考 慮后，缺陷射入角e為40 50°時反射率變大。因此，為了提高探傷精度 和缺陷回波的強度，最好將射入角e可以成為40 50°左右的聚焦點17 作為初始值暫時設定。然后，移行到S3。
在S3中，根據(jù)上述(1)、 (2)、 (4)及(6)的條件，演算向暫時設 定的聚焦點17傳播的折射橫波U2的傳播路徑。就是說，如圖4A所示， 從最初在高t/D金屬管16的內表面16a上設定的聚焦點17到高t/D金屬
17管16的外表面16b，輻射狀地描繪折射橫波U2的多個傳播路徑(實際上
折射橫波U2從外表面16b向聚焦點17傳播)，接著根據(jù)在高t/D金屬管 16的外表面16b和接觸介質W的交界面中成立的斯內爾定律和上述(2) 及(4)的條件，計算出入射波的射入角，還計算出分別與折射橫波U2的 各傳播路徑連接的接觸介質W中的縱波超聲波U的各傳播路徑。然后， 決定傳播到聚焦點17的折射縱波Ul及折射橫波U2的各傳播路徑的初始 點即與聚焦點17相反的端點18，以便使初始點18只與高t/D金屬管16 相距和設想的振子15和高t/D金屬管16的偏置距離大致相等的距離，而 且超聲波經(jīng)過各傳播路徑的傳播時間(根據(jù)傳播路徑的長度和音速計算) 互相相同。
這樣，經(jīng)過S1 S3后，根據(jù)要探傷的高t/D金屬管16的形狀(外徑 D、壁厚t等)、該金屬管16中的折射橫波U2的音速Vs、接觸介質中的 入射波的音速Vi、金屬管16中的折射橫波U2的聚焦點17，利用斯內爾 定律，演算傳播到聚焦點17的折射橫波U2的傳播路徑。然后，移行到 S4。
在S4中，根據(jù)在S3中演算的傳播路徑和上述(5)的條件(振子15 沿著高t/D金屬管16的圓周方向的長度)，計算振子15的前端部15c的形 狀。就是說，根據(jù)依次連接各傳播路徑的各初始點18的曲線或者初始點 18，計算出利用最小平方近似法等近似的曲線的長度。將它與上述(5) 的條件加以比較，從一端去掉不需要的傳播路徑，以便使兩者成為大致相 等的長度，將根據(jù)剩下的各傳播路徑的各初始點18求出的曲線D，作為 振子15的前端部15c的縱斷面形狀。此外，圖4A所示的例子，示出去掉 了不需要的傳播路徑，從而成為對于高t/D金屬管16的中心軸而言左右大 致相等的長度的前端部形狀。
這樣，在S4中，根據(jù)在S3中演算的傳播路徑和預先設定的振子15 沿著高t/D金屬管16的圓周方向的長度，演算、決定振子15的前端部15c 的形狀，以便如上所述，使曲率半徑成為從一端15b側到另一端15a側具
18有從曲率半徑P,向曲率半徑P23地連續(xù)增加的非對稱曲線形狀。然后，移 行到S5。
在S5中，根據(jù)在S4中決定的振子15的前端部15c的形狀和上述(3) 的條件，演算向高t/D金屬管16的內部傳播的折射縱波Ul的傳播路徑。 就是說，如圖4A所示，關于從構成決定的振子15的前端部15c的形狀的 各初始點18經(jīng)過接觸介質W中的各傳播路徑后的入射波，根據(jù)在高t/D 金屬管16的外表面16b和接觸介質W的交界面中成立的斯內爾定律和上 述(3)的條件，計算出在高t/D金屬管16的內部16c中傳播的縱波超聲 波Ul的折射角，演算與入射波U的各傳播路徑分別聯(lián)系的折射縱波Ul 的傳播路徑。
這樣，在S5中，根據(jù)在S2中演算的振子15的前端部15c的形狀和 預先決定的金屬管16中的折射縱波U1的音速VL，利用斯內爾定律，演 算傳播到金屬管16的內部的折射縱波U1的傳播路徑。然后，移行到S6。
在S6中，判定在S5中計算出的折射縱波U1的各傳播路徑中是否存 在到達高t/D金屬管16的內表面16a的傳播路徑。圖4A所示的例子，是 存在到達內表面16a的傳播路徑的情況。
存在到達內表面16a的傳播路徑時，移行到S7，將暫時決定的折射橫 波U2的聚焦點17變更成例如沿著內表面16a離開規(guī)定間距的位置，反復 進行上述S1 6的演算。
圖4B 圖4D是表示該反復演算的情況的說明圖。如圖4B 圖4D所 示，使聚焦點17的設定位置沿著高t/D金屬管16的內表面16a，從高t/D 金屬管16的中心軸階段性地離開地變更。這樣，在圖4D所示的狀態(tài)中， 折射縱波U1的所有的傳播路徑都未到達高t/D金屬管16的內表面16a。
另一方面，不存在到達內面P2的傳播路徑時，移行到S8，將剛才演算后暫時決定的振子15的前端部15c的形狀，作為振子15的前端部15c 的形狀最終正式?jīng)Q定。在圖A所示的例子中，將成為圖4D所示的狀態(tài)的 振子15的前端部15c的形狀，作為前端部15c的形狀最終正式?jīng)Q定。
這樣，在S6 8中，在S5中演算的折射縱波U1的傳播路徑中存在到 達高t/D金屬管16的內表面16a的傳播路徑時，變更折射橫波U2的聚焦 點17，直到不存在到達高t/D金屬管16的內表面16a的傳播路徑為止， 在反復S1 S3的演算的同時，在不存在到達高t/D金屬管16的內表面16a 的傳播路徑時，將這時的S2演算的形狀，作為前端部15c的形狀決定。
經(jīng)過以上講述的步驟Sl 8后，將振子15的前端部15c的形狀，作 為曲率半徑從一端15b側到另一端15a側具有從曲率半徑P ,向曲率半徑 P 23地連續(xù)增加的非對稱曲線形狀地決定。
此外，在以上的講述中，振子15的前端部15c的整個區(qū)域都成為該 非對稱曲線形狀。但并不局限于此，例如可以在前端部15c的一部分區(qū)域 成為該非對稱曲線形狀的同時，前端部15c的其余的區(qū)域成為該非對稱曲 線形狀以外的形狀(例如直線形狀及圓弧形狀等)。例如在振子15的前端 部15c的圓周方向的內部存在非對稱曲線形狀的部分，在該非對稱曲線形 狀的部分的一個或兩個的端部存在非對稱曲線形狀以外的部分時，也被本 發(fā)明包含。
為了進行高t/D金屬管16的斜角探傷，隨著高t/D金屬管16的比(t/D) 的增大，在振子15的前端部15c形成的非對稱曲線形狀的部分在前端部 15c的圓周方向的整個區(qū)域中所占的比例也增加?？墒窃诒?t/D)為15% 左右時，該比例是70%。因此，對于檢査對象是15%以上的比(t/D)的 高t/D金屬管16而言，振子15的前端部15c形成的非對稱曲線形狀的部 分在前端部15c的圓周方向的整個區(qū)域中所占的比例，最好是70%以上， 80%以上則更好。另外，曲率半徑P!和曲率半徑P23的關系，只要是P,〈P23即可。 該曲率半徑可以根據(jù)測量對象——管子的外徑及壁厚的關系適當規(guī)定。這 樣，能夠不產(chǎn)生折射縱波的多重反射地進行特定的比(t/D)的高(t/D) 管的斜角探傷。
此外，以上講述的步驟S1 8，設計者可以每次作圖后執(zhí)行。但是毫 無疑問，也可以程序化自動地執(zhí)行。從設計效率的這一點上說，最好采用 后者。
另外，在圖4A 圖4D中，為了便于講述，釆用了二維解析超聲波的 傳播路徑后，和現(xiàn)有技術的圓柱面形狀同樣，高t/D金屬管16的軸方向的 振子15的各斷面的端部成為一樣的曲線的那種前端部15c的形狀的設計 步驟的例子?？墒?，還可以三維解析超聲波的傳播路徑后，使高t/D金屬 管16的軸方向的振子15的各斷面的端部成為一樣的曲線地設計前端部 15c的形狀。
圖5是表示對于3種尺寸(外徑40mm而且壁厚10mm、外徑26mm 而且壁厚6.5mm、外徑60mm而且壁厚15mm)的高t/D金屬管16，根據(jù) 上述步驟Sl 8，設計了振子15的前端部15c的形狀的結果的一個例子的 說明圖。在該圖5中，為了明確按照高t/D金屬管16的各種尺寸設計的振 子15的前端部15c的形狀的差異，將設計的前端部15c的形狀，向水平 方向及垂直方向平行移動后，使其位置一致。
如圖5所示，這些前端部15c的形狀，是曲率半徑從一端15b側到另 一端15a側具有從曲率半徑P ,向曲率半徑P 23地連續(xù)增加的非對稱曲線形 狀。
如圖5所示，本實施方式不局限于參照圖4A 圖4D講述的外徑40mm 而且壁厚10mm的高t/D金屬管16，對于普通的比(t/D)的金屬管及各 種尺寸的高t/D金屬管，也同樣能夠適用。
以上講述的超聲波探頭11，采用由從振子15直接發(fā)送入射波的結構。 但是，也可以與此不同，在振子15的超聲波發(fā)送方向的前方，配置例如 丙烯樹脂等制造的聲透鏡(未圖示)，通過該聲透鏡作媒介，向高t/D金屬 管16斜著射入入射波U，在高VD金屬管16的內部傳播的折射縱波Ul 及折射橫波U2。這時，通?？梢允拐褡?5具有圓弧形狀的前端部，同時 可以使聲透鏡的前端部具有曲率半徑從一端側到另一端側由曲率半徑P,
向曲率半徑P23地連續(xù)增加的非對稱曲線形狀。這樣，作為振子15可以使
用以PZT為代表雖然加工性能低但是卻具有良好的壓電效果的陶瓷類壓 電元件，所以可以提高振子15的性能。
本實施方式的超聲波探頭ll，由以下部件構成。 (超聲波探傷器12) 如圖2所示，本實施方式涉及的超聲波探傷器12，具備脈沖發(fā)生器 19、前置放大器20、濾波器21、主放大器22、缺陷判定部23。
脈沖發(fā)生器19及前置放大器20，都通過在超聲波探頭11的外殼后部 設置的連接栓(都未圖示)作媒介，利用同軸電纜C，與振子15連接。 每隔規(guī)定的周期發(fā)送的發(fā)送信號，由脈沖發(fā)生器19輸入振子15。這樣， 振子15被激振，入射波U通過作為接觸介質的水W作媒介射入高t/D金 屬管16。然后，入射波U作為由折射縱波U1及折射縱波U2構成的折射 波，在高t/D金屬管16內部傳播。其反射回波(缺陷回波等)被振子15 接收。該接收信號通過同軸電纜C作媒介，發(fā)送給前置放大器20。用前 置放大器20放大、用濾波器21實施在規(guī)定頻帶中的濾波后，再用主放大 器22進一步放大。來自主放大器22的輸出信號，在缺陷判定部23中和 預先規(guī)定的閾值加以比較。再然后，如果是該閾值以上的輸出信號，缺陷 判定部23就判定有缺陷。判定有缺陷時，缺陷判定部23向報警器13及 標記裝置14輸出動作指令。
本實施方式的超聲波探傷器12，因為是采用以上結構的眾所周知的用
22慣的部件，所以對于超聲波探傷器12不再贅述。 (報警器13)
本實施方式的報警器13，根據(jù)來自超聲波探傷器12的動作指令，輸
出報警音。
本實施方式的報警器13，因為是采用以上結構的眾所周知的用慣的部 件，所以對于報警器13不再贅述。 (標記裝置14)
本實施方式的標記裝置14，根據(jù)來自超聲波探傷器12的動作指令， 在高t/D金屬管16的表面實施規(guī)定的標記。
本實施方式的標記裝置14，因為是釆用以上結構的眾所周知的用慣的 部件，所以對于標記裝置14不再贅述。
下面，使用采用這種結構的本實施方式的超聲波探傷裝置，講述進行 高t/D金屬管16的探傷的狀況。
在本實施方式中，如圖2所示，對于高t/D金屬管16而言配置振子 15后進行斜角探傷，以便從超聲波探傷的對象——高t^)金屬管16的中 心位置看，構成本實施方式的超聲波探傷裝置的超聲波探頭11的振子15 的前端部15c中的一端15b偵U，位于高t/D金屬管16中的折射波的非傳播 方向側(圖2的高t/D金屬管16的右側)的同時，振子15的前端部15c 中的另一端15a側位于折射波的傳播方向側(圖l (a)的紙面左側)。
就是說，對于高t/D金屬管16而言只要使振子15的前端部15c中的 一端15b側位于高t/D金屬管16中的折射波的非傳播方向側(圖2的高t/D 金屬管16的右側)的同時，振子15的前端部15c中的另一端15a側位于 折射波的傳播方向側(圖2的高t/D金屬管16的左側)地配置超聲波探頭 11就行。
也就是說，這樣地對于高t/D金屬管16而言地配置超聲波探頭11后，
23如圖2所示，能夠極大地確保曲率半徑大的另一端15a側發(fā)送的入射波U 的射入角及折射縱波U1的折射角。
這樣，采用本實施方式后，因為能夠使在比(t/D)為15%以上的高 t/D金屬管16的內部傳播的折射波2、 3中的折射橫波U2聚焦，同時還不 使折射縱波U2到達金屬管16的內表面16a，所以能夠在通過使折射橫波 U2聚焦的方法提高來自微小缺陷的反射回波強度的同時，還由于折射縱 波U1在未到達金屬管16的內表面16a的傳播路徑上傳播，能夠消除折射 縱波引起的多重反射回波。這樣，特別是對于高t/D金屬管16也能夠切實 進行高精度的斜角探傷。
因此，采用本實施方式后，能夠不使檢查效率下降及檢査成本上升地 利用斜角探傷，高精度地切實對比(t/D)例如為15n/。以上的高t/D金屬管 16的內部存在的微小缺陷進行探傷。
利用具有以上講述的結構的超聲波探傷裝置，對高t/D金屬管16進行 探傷之際，使高t/D金屬管16—邊向圓周方向旋轉， 一邊向軸方向輸送， 因此能夠幾乎遍及高t/D金屬管16的所有面地進行探傷。但是，并不局限 于此，還可以一邊使高t/D金屬管16向軸方向直線輸送， 一邊使超聲波探 頭10向高t/D金屬管16的圓周方向旋轉。
此外，本實施方式涉及的超聲波探傷裝置10，特別適合于例如對汽車 部件等使用的機械管及在高溫環(huán)境下使用的不銹鋼管等比(t/D)是15% 以上的鋼管的內部進行探傷。
圖7是表示采用本實施方式涉及的超聲波探傷裝置10對由高t/D金屬 管構成的機械管的內壁存在的深度為O.lmm的微小缺陷進行探傷之際獲 得的主放大器24的輸出信號波形——探傷波形的一個例子的曲線圖。
如在圖7中用曲線圖例示的那樣，采用本實施方式涉及的超聲波探傷
24裝置10后，因為能夠使折射波UI及U2中的折射橫波U2在高t/D金屬管 16的內部聚焦，從而提高來自微小缺陷的反射回波強度，還由于同時產(chǎn)生 的折射縱波U1在未到達金屬管16的內表面16a的傳播路徑上傳播，所以 能夠抑制折射縱波UI引起的多重反射回波，用良好的SN比只檢出缺陷回 波。
(第2實施方式)
圖8是表示本實施方式的超聲波探傷裝置30的簡要結構的說明圖。
如圖8所示，本實施方式涉及的超聲波探傷裝置30，具備分別具有振 子31、 31的2基的超聲波探頭32、超聲波探傷器(未圖示)、報警器(未 圖示)及標記裝置(未圖示)。此外，未圖示的超聲波探傷器、報警器及 標記裝置，是和上述第1實施方式同樣的結構，所以不再贅述。
進而，該超聲波探傷裝置30具備分別保持振子3K 31的探頭支架
33、 33;分別保持探頭支架33、 33的下水平臂34、 34;在支持下水平臂
34、 34的同時，和上水平臂37在上下方向上連接的上下動臂35、 35;在 被上下動臂35、 35的上部固定的同時，還能夠在上水平臂37的上面向上 水平臂37的延伸方向(圖8中的左右方向)自由移動地配置的水平動臂 36、 36;在水平方向上自由移動地搭載水平動臂36、 36及上下動臂35、 35的同時，還被氣缸39升降自由地支持的管跟蹤機構38;氣缸39。
探頭支架33、 33，通過下水平臂34、 34、上下動臂35、 35、水平動 臂36、 36、上水平臂37作媒介，與管跟蹤機構38連接后上下動作。在管 跟蹤機構38上下動作之際，下水平臂34、 34、上下動臂35、 35、水平動 臂36、 36、上水平臂37也上下動作，從而使探頭支架33、 33也成為一體 地上下動作。
構成超聲波探頭32的振子31、 31，按照測量對象——金屬管9的材 質(超聲波的折射縱波、折射縱波的音速)、外徑D、壁厚t等，其前端部 如圖1所示，形成曲率半徑從一端15b側到另一端15a側由曲率半徑P,向曲率半徑P 23地連續(xù)增加的非對稱曲線形狀，被手動或自動地裝入探頭
支架33、 33。
振子31、 31，驅動上下動臂35、 35及水平動臂36、 36，對于金屬管 9而言，將振子31、 31的一端15b側配置在位于金屬管9中的折射波的非 傳播方向側(在圖8中，左側的振子31對著金屬管9的右側部分，右側 的振子31對著左側部分)的同時，將另一端15a側配置在位于折射波的 傳播方向側(在圖8中，左側的振子31對著金屬管9的左側部分，右側 的振子31對著右側部分)。
振子31、 31和金屬管9的相對的位置關系偏移后，由于決定振子31、 31的前端部31c、 31c的非對稱曲線形狀之際設想的橫波超聲波的聚焦點 (圖2中的符號17)的位置偏移，所以缺陷檢出能力降低。這樣，為了高 精度地設定振子31、 31和金屬管9的相對的位置關系，作為上下動臂35、 35及水平動臂36、 36，最好使用直線導向裝置。
釆用具有以上結構的超聲波探傷裝置30，對金屬管9進行探傷之際， 以將防止水侵入內部用的栓(未圖示)塞住金屬管9的前端部的狀態(tài)，使 金屬管9一邊向圓周方向旋轉， 一邊向軸方向輸送，使其通過探傷用水槽 (未圖示)。
這時，利用規(guī)定的材料檢知傳感器，在檢知金屬管9的前端部的時刻， 啟動氣缸37，從而使管跟蹤機構38、上下動臂35、 35、水平動臂36、 36、 探頭支架33、 33成為一體的下降，管跟蹤機構38以適當?shù)膲毫鹤〗饘?管9的外面。
以適當?shù)膲毫鹤〗饘俟?的管跟蹤機構38，只能夠上下左右規(guī)定的 范圍可動地構成， 一邊保持它的下面與金屬管9的外面接觸的狀態(tài)， 一邊 跟蹤輸送金屬管9時的松動而上下左右地移動。這時，與管跟蹤機構38 連接的上下動臂35、 35、水平動臂36、 36、探頭支架33、 33也跟著上下左右地移動。這樣，裝入探頭支架33、 33的振子3K 31和金屬管9的相 對的位置關系就被保持一定。
這樣，采用本實施方式涉及的超聲波探傷裝置30后，也能夠使折射 橫波聚焦，從而提高來自微小缺陷的反射回波強度，還由于同時產(chǎn)生的折 射縱波在未到達金屬管9的內面的傳播路徑上傳播，所以能夠抑制折射縱 波引起的多重反射回波，用良好的SN比只檢出缺陷回波。
此外，在圖8所示的超聲波探傷裝置30中，以配置2個振子31、 31， 從而使金屬管9中的折射波的傳播方向成為順時針及逆時針的兩個方向的 形態(tài)的例子進行了講述。但是，為了進一步提高探傷效率，還可以例如沿 著金屬管9的軸方向，分別各配置多個折射波的傳播方向成為順時針及逆 時針的振子31。
(第3實施方式)
在第3實施方式中，講述與上述第l、第2實施方式不同，振子由并 列設置的多個振動發(fā)生元件平板狀地構成的情況。
圖9是表示本實施方式涉及的超聲波探傷裝置40的簡要結構的說明 圖。如該圖所示，本實施方式涉及的超聲波探傷裝置40，具備具有振子 41的超聲波探頭42、發(fā)送電路43、接收電路44、報警器45、標記裝置 46。此外，報警器45及標記裝置46是和上述第1實施方式同樣的結構，
所以不再贅述。
構成本實施方式涉及的超聲波探頭42的振子41 ，與金屬管47的外面 47a相對地配置，朝著與金屬管47的軸方向正交的方向例如以0.5mm的 間隔直線狀地并列配置多個(例如32個)微小的片狀的壓電元件41a后 構成。就是說，該超聲波探頭42是所謂陣列探頭。
發(fā)送電路43，具備和振子41擁有的壓電元件41a的數(shù)量相同數(shù)量的 脈沖發(fā)生器48及延遲電路(發(fā)送延遲電路)49。各脈沖發(fā)生器48，在與的同時，還與各延遲電路49連接。各壓電 元件41a，被來自與各壓電元件41a連接的各脈沖發(fā)生器48的每隔規(guī)定的 周期發(fā)送的發(fā)送信號激振，通過作為接觸介質的水W作媒介，將超聲波 的入射波U射入金屬管47。
在這里，各脈沖發(fā)生器48發(fā)送發(fā)送信號時刻，可以按照被各延遲電 路49設定的發(fā)送延遲時間，使每個脈沖發(fā)生器48都不同，正如后文所述， 適當設定各脈沖發(fā)生器48的發(fā)送延遲時間后，可以實現(xiàn)和由第1、第2 實施方式所示的前端部為非對稱曲線形狀的振子發(fā)送超聲波的入射波U 的樣態(tài)同樣的樣態(tài)。
射入金屬管47的入射波U，作為由折射縱波Ul及折射橫波U2構成 的折射波，傳播到金屬管47的內部47c，其反射回波被振子41的各壓電 元件41a接收，該接收信號被發(fā)送給接收電路44。
接收電路44，具備和振子41擁有的壓電元件41a的數(shù)量相同數(shù)量的 前置放大器50及延遲電路(接收延遲電路)51。另外，接收電路44還具 備加法器52、主放大器53、缺陷判定部54。各前置放大器50，在與振子 41的各壓電元件41a連接的同時，還與各延遲電路51連接。來自與各壓 電元件41a的接收信號，被與各壓電元件41a連接的各前置放大器50放 大后，被與各前置放大器50連接的各延遲電路51實施和各壓電元件41a 的發(fā)送延遲時間(與各壓電元件41a連接的各脈沖發(fā)生器48的發(fā)送延遲 時間)相同的接收延遲時間的延遲。各延遲電路51的輸出信號被接收電 路44具備的加法器52相加后，被主放大器53放大。來自主放大器53的 輸出信號，被輸入和第1實施方式的缺陷判定部28相同結構的缺陷判定 部54，判定有無缺陷。
下面，講述上述發(fā)送延遲時間及接收延遲時間的設定方法。 圖IO是為了講述發(fā)送延遲時間及接收延遲時間的設定方法的說明圖。 如該圖所示，設定發(fā)送延遲時間及接收延遲時間之際，首先選擇使用的壓
28電元件41a,以便對用和最初在實施方式中講述的、圖3所示的步驟S1 8同樣的步驟設計的非對稱曲線形狀D的水平方向(圖10的左右方向) 的長度與振子11的長度加以比較兩者，使它們成為大致相同的長度。將 選擇的壓電元件41a的組合，稱作"選擇元件組"。
接著，將某個壓電元件41a和非對稱圓弧形狀的相對距離作為0，分 別計算構成該選擇元件組的各壓電元件41a的中心座標和非對稱曲線形狀 D的相對距離。在圖10中，將右端的壓電元件41a和非對稱圓弧形狀的 相對距離作為0。然后，將用接觸介質W中的入射波U的音速除各相對 距離的值，作為與各壓電元件41a對應的發(fā)送延遲時間及接收延遲時間設 定。
采用以上講述的方法，設定發(fā)送延遲時間及接收延遲時間后，就出現(xiàn) 和使用斷面端形狀成為非對稱曲線形狀D的振子41收發(fā)超聲波時同樣的 傳播。就是說，如圖9所示，在傳播到金屬管47的內部47c的由折射縱 波U1及折射橫波U2構成的折射波中，在折射橫波U2被聚焦的同時，折 射縱波Ul未到達金屬管47的內部47c。這樣，由于能夠使折射波U2聚 焦，從而提高來自微小缺陷的反射回波強度，還能夠消除同時產(chǎn)生的折射 縱波UI引起的多重反射回波，所以能夠用良好的SN比只檢出缺陷回波。
本實施方式的超聲波探傷裝置40，超聲波探頭42利用多個壓電元件 41a構成振子41，作為陣列探頭構成，是模擬具備對于各壓電元件41a適 當設定超聲波收發(fā)的延遲時間后，和采用第l、第2實施方式講述的前端 部具有非對稱曲線形狀的振子的超聲波探頭的部件。
就是說，采用能夠在被多個振動發(fā)生元件的每一個振蕩的超聲波的干 涉下，振蕩具備至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù)增加的非對稱 曲線形狀的部分的波面的入射波的結構。這樣，可以提供使用各壓電元件 41a的排列象本實施方式這樣直線條地排列后固定的振子41，只適當變更 超聲波收發(fā)的延遲時間，就獲得和具有多種非對稱曲線形狀的前端部的振
29子同等作用效果的振子。
所以，不需要按照金屬管47的材質、外徑D、壁厚t等，準備多個非 對稱曲線形狀的振子，能夠抑制試運轉成本的上升。另外，因為不需要按 照金屬管47的材質、外徑D、壁厚t等更換非對稱曲線形狀的振子，所以 能夠縮短準備等所需的時間，還能夠提高檢査能率
此外，在本實施方式中，作為振子41，講述了采用直線狀排列各壓電 元件41a的陣列探頭的情況。但是本發(fā)明并不局限于此。只要設定與各排 列對應的超聲波收發(fā)的延遲時間，還可以采用圓弧狀及多邊形排列的陣列 探頭。
權利要求
1、一種超聲波探頭，使超聲波從內置于所述超聲波探頭的振子斜著射入金屬制的管狀被檢體，通過產(chǎn)生在所述管狀被檢體的內部傳播的折射縱波及折射橫波，從而對所述管狀被檢體進行探傷，所述振子的前端部，至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù)增加的非對稱曲線形狀的部分。
2、 一種超聲波探頭，具備內置的振子和配置在所述振子的超聲波發(fā) 送方向的前方的聲透鏡，通過所述聲透鏡，使超聲波斜著射入金屬制的管 狀被檢體，通過產(chǎn)生在所述管狀被檢體的內部傳播的折射縱波及折射橫 波，從而對該管狀被檢體進行探傷，所述聲透鏡的前端部，至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù)增 加的非對稱曲線形狀的部分。
3、 一種超聲波探頭，使超聲波從內置于所述超聲波探頭的振子斜著 射入金屬制的管狀被檢體，通過產(chǎn)生在所述管狀被檢體的內部傳播的折射 縱波及折射橫波，從而對所述管狀被檢體進行探傷，所述振子，由并列設置的多個振動發(fā)生元件構成，產(chǎn)生入射波，該入 射波具有如下波面，在所述多個振動發(fā)生元件各自振蕩產(chǎn)生的超聲波的干 涉下，至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù)增加的非對稱曲線形狀的部分。
4、 如權利要求3所述的超聲波探頭，其特征在于具備延遲時間調 整裝置，該延遲時間調整裝置旨在通過調整所述多個振動發(fā)生元件各自的 超聲波收發(fā)的延遲時間，來產(chǎn)生所述入射波。
5、 如權利要求4所述的超聲波探頭，其特征在于具備配置在所述振子的超聲波發(fā)送方向的前方的聲透鏡。
6、 如權利要求1 5任一項所述的超聲波探頭，其特征在于所述管 狀被檢體是壁厚與外徑之比超過15%的金屬管。
7、 一種超聲波探傷方法，將超聲波探頭與金屬制的管狀被檢體按如 下狀態(tài)配置，進行斜角探傷，從所述管狀被檢體的中心位置看，使構成權 利要求1或2所述的超聲波探頭振子或聲透鏡的前端部中的曲率半徑較小的端部側，位于所述管狀被檢體中的折射波的非傳播方向側，而且所述曲 率半徑較大的端部側，位于所述折射波的傳播方向側，并發(fā)送可生成未到 達所述管狀被檢體的內壁的折射縱波和在所述管狀被檢體的內壁聚焦的 折射橫波的入射波。
8、 一種超聲波探傷方法，將超聲波探頭與金屬制的管狀被檢體按如 下狀態(tài)配置，進行斜角探傷，從所述管狀被檢體的中心位置看，使構成權利要求3 5任一項所述的超聲波探頭的振子振蕩的入射波的波面中的曲率半徑較小的端部側，位于所述管狀被檢體中的折射波的非傳播方向側， 而且使所述波面中的曲率半徑較大的端部側，位于所述折射波的傳播方向 側，并發(fā)送可生成未到達所述管狀被檢體的內壁的折射縱波和在所述管狀 被檢體的內壁聚焦的折射橫波的入射波。
9、 一種超聲波探傷方法，其特征在于使用權利要求7或8所述的 超聲波探傷方法，對壁厚與外徑之比超過15%的特定的值的金屬制的管狀 被檢體進行斜角探傷。
10、 一種超聲波探傷裝置，其特征在于具備權利要求1 6任一項所述的超聲波探頭。
全文摘要
一種超聲波探頭，從高t/D金屬管的中心位置看，使超聲波從振子斜著射入金屬管，通過產(chǎn)生在金屬管的內部傳播的折射縱波及折射橫波，從而對金屬管進行探傷。振子的前端部至少具有曲率半徑從一端側到另一端側連續(xù)增加的非對稱曲線形狀的部分。將超聲波探頭與金屬管按如下狀態(tài)配置進行斜角探傷，曲率半徑較小的端部側位于折射波的非傳播方向側，而曲率半徑較大的端部側位于折射波的傳播方向側，并發(fā)送可生成未到達金屬管內壁的折射縱波和在金屬管內壁聚焦的折射橫波的入射波。通過斜角探傷，可高精度而且切實地探查壁厚(t)與外徑(D)之比(t/D)是15％以上的高t/D金屬管內部存在的微小缺陷，而且不會造成檢查效率降低和成本上升。
文檔編號G01N29/04GK101460838SQ20068005486
公開日2009年6月17日 申請日期2006年4月5日 優(yōu)先權日2006年4月5日
發(fā)明者山野正樹 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社