斜角横波入射可能なアレイ探触子の入射波特性について
武蔵工業大学 正会員 白旗弘実
1. はじめに
鋼道路橋溶接部の品質管理に，超音波探傷試験が適 用されてきている．超音波探傷試験の中でも特に最近 は，アレイ探触子の適用性に関する検討が多くなって
いる1),2),3)．アレイ探触子は，十分小さな圧電素子を
密に配列したもので，各圧電素子要素に時間差をつけ て励振することで入射波に角度をつけたり，集束させ たりすることが可能である．
これまでのアレイ探触子においては，縦波(P波)入 射の検討が多いように思われる1),2),3)．アレイ探触子 に限らず，縦波斜角入射においては，スネルの法則よ り，縦波だけでなく，横波(SV波)も入射される．入射 波が溶接きずやビードなどで，モード変換したり，同 時に入射された横波の影響で，反射波形の解釈が難し くなってしまうことがある．そこで，横波斜角入射可 能なアレイ探触子を作成した．本報告は，入射波の特 性を調べたものである．
2. 試作アレイ探触子
作成したアレイ探触子の詳細を図-1に示す．アレイ 探触子は16素子であり，直線状に並んでいる．中心 周波数は5MHzである．アレイ探触子においては，ア レイ素子のサイズおよび間隔が重要である．5MHzの 超音波は鋼中において，横波では波長が0.65mmであ るので，素子の寸法はその半分の0.3mm，素子間隔は 0.4mmとした．素子の幅は7mmとした．
ここで検討したアレイ寸法で横波入射条件を適用し た場合，どのような波が入射されるか，シミュレーショ ンによる検証を行った．結果を図-2に示す．入射屈折 角は40度としているが，入射SV波はなめらかな波面 で進行していくことが確認された．
3. 探傷システム
アレイ探傷システム2)を図-3に示す．探傷システム は，パーソナルコンピュータ，探傷器，アレイ探触子 およびオシロスコープからなる．パソコンで，励振パ ターンや感度を設定する．探傷器はいくつかある励振 パターンの波を収録する．探傷器はいくつかのパター ンのうち，一つの波形を選別することも可能で，オシ Key Words: 超音波探傷，アレイ探触子，SV波，周波数特性
〒158-8557東京都世田谷区玉堤1-28-1
図–1 アレイ探触子
図–2 40度横波入射の数値シミュレーション
図–3 探傷システム
図–4 各素子の波形特性のための実験
ロスコープにデータを送り，そこで表示することがで きる．
4. アレイ各素子の特性
探触子のアレイ素子の送受信特性を調べるために，各 素子からの波形を取得した．図-4に示すように，STB A1試験片底面で反射された波を取得した．垂直入射で あるので，この場合の入射波は縦波である．送受信は
25mm STB A1 標準試験片
各素子の底面反射エコーを受信 パーソナル
コンピュータ
探触子 探傷器
オシロスコープ 29 43
振動子 16 チャンネル
振動子 0.3x7mm 振動子間隔 0.4mm
13 単位 mm
40 度
グレーティング
ローブ 入射横波
素子 0.3mm x 16 チャンネル
1-474 土木学会第63回年次学術講演会(平成20年9月)
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図–5 各素子の波形
図–6 入射波のステアリング
図–7 STB A1試験片による斜角入射波形の実験
各16素子に対して行われた．得られた波形を図-5(a) に，パワースペクトルを図-5(b)に示す．各素子からの 波形はおおむね一致していることが確認できた．
周波数は5MHzにピークがあるが，3MHz付近にも 小さなピークが見られる．これは4.5µ秒以降の波形成 分が大きく寄与している．
5. アレイ探触子のステアリング性能
アレイ探触子の各素子に時間差∆tを与えることで，
入射屈折角度を変化させた．図-6を参照し，次の式を 満たすように，時間差をつけることで入射屈折角θを 変化させることができる．
sinθ= c∆t
d (1)
ここに，cは波速，dは素子間隔である．
入射屈折角度を45，65および70度に設定して，波 形を取得した．波形は図-7に示すように，STB A1試
験片のR=100mmからの反射波を取得した．
図–8 入射屈折角度を変化させたときの波形
得られた波形およびパワースペクトルを図-8に示す．
図-8において，(a)，(b)は45度の場合のそれぞれ波形 とパワースペクトルを，(c)および(d)は65度，(e)お よび(f)は70度の場合を示している．図-8(b)(d)およ び(f)より，中心周波数は4MHzに下がることがわか る．また，入射屈折角度が大きくなるにつれて，4MHz 成分は減少していくことがわかる．
6. まとめ
本研究で得られた結果をここにまとめる．
・数値シミュレーション結果をもとに，斜角横波(SV 波)を入射できるアレイ探触子を作成した．
・縦波送信で得られた波形に対し，横波送信で得られ た波形は周波数が低くなる傾向を示した．また，入射 屈折角度が大きくなるにつれて，感度は低くなった．
ここでは，横穴などの欠陥の画像を示すことはできな かったが，発表日に，示すようにしたいと考えている．
参考文献1) 中畑 和之，河野 尚幸，廣瀬 壮一: フェーズドアレイ探 触子によるパルス波の音場解析，土木学会第61回年次 学術講演会，1-323, 2006.
2) 平林 雅也，三木 千壽，田辺 篤史，白旗 弘実: マルチ フェイズドアレイ探触子を用いた高精度超音波探傷試 験，土木学会論文集A，Vol.64 No.1, pp.71-81, 2008.
3) 唐沢 博一，磯部 英夫，浜島 隆之: 3次元開口合成(3D- SAFT)アレイと適用事例，非破壊検査，Vol.56, No.10, pp.520-524, 2007.
62 64 66 68 70
-2 -1 0 1 2
波動伝播時間 (μ秒)
振幅 (V)
45度
0 2 4 6 8 10
0 1 2 [x103 -9]
周波数 (MHz) パワースペクトル (V
2秒)
45度
(a) (b)
62 64 66 68 70
-2 -1 0 1 2
波動伝播時間 (μ秒)
振幅 (V)
65度
0 2 4 6 8 10
0 1 2 3[x10-9]
周波数 (MHz)
パワースペクトル (V2秒)
65度
62 64 66 68 70
-2 -1 0 1 2
波動伝播時間 (μ秒)
振幅 (V)
70度
0 2 4 6 8 10
0 1 2 3[x10-9]
周波数 (MHz)
パワースペクトル (V2秒)
70度
(c) (d)
(e) (f)
R=100mm
STB A1 試験片 探触子
入射波
(n-1)∆t c n∆t c c∆t
θ
θ
i-1 d i
波の入射方向 素子の励振時刻
∆t
4 5 6
[x10-6] -0.4
-0.2 0 0.2
0.4 1ch4ch
7ch 10ch13ch
波動伝播時間 (秒)
振幅 (V)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 [x107] 0
0.2 0.4 0.6 0.8
[x101 -9]
周波数 (Hz) パワースペクトル(V2秒)
1ch4ch 7ch
10ch13ch
1-474 土木学会第63回年次学術講演会(平成20年9月)
-948-
