專利名稱：超聲波探頭、超聲波探傷裝置、超聲波探傷方法及無(wú)縫管的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于使用超聲波來(lái)探查存在于鋼管等管狀被探 傷件中的傷痕的超聲波探頭、超聲波探傷裝置、超聲波探傷方 法、以及使用該方法制造無(wú)縫管的方法，特別是涉及可以高精 度且高速地探查相對(duì)于管狀被探傷件的軸向具有各種傾斜角度 的傷痕的超聲波探頭、超聲波探傷裝置、超聲波探傷方法、以 及使用該方法制造無(wú)縫管的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著對(duì)管的高品質(zhì)化要求的提高，存在管的無(wú)損 檢查標(biāo)準(zhǔn)傾向于嚴(yán)格化。例如，作為代表性管的無(wú)縫管可這樣制造，即，通過(guò)利用 穿軋機(jī)對(duì)鋼坯進(jìn)行穿孔而形成中空殼，并利用芯棒式無(wú)縫管軋 機(jī)等軋制該中空殼，從而制造無(wú)縫管。在該無(wú)縫管中存在相對(duì) 于軸向具有各種傾斜角度的傷痕(以下，適當(dāng)?shù)胤Q作"傾斜傷 痕，，)。一般說(shuō)來(lái)，該傾斜傷痕是因鋼坯中原本存在的縱向裂痕在 上述制造工序中沿軸向受到變形而產(chǎn)生，或者是因用于維持中空殼的軋道中心的導(dǎo)塊(guide shoe)的引導(dǎo)面上存在的傷痕 轉(zhuǎn)印而產(chǎn)生。因此，傾斜傷痕相對(duì)于無(wú)縫管軸向的傾斜角度因 無(wú)縫管的管徑、傾斜傷痕的產(chǎn)生原因的差異而變化。即，在無(wú) 縫管中存在具有各種傾斜角度的傾斜傷痕。由于無(wú)縫管的使用環(huán)境傾向于逐年嚴(yán)格化，因此要求其高 品質(zhì)化，也嚴(yán)格要求高精度地檢測(cè)出上述傾斜傷痕。但是，以往，提出了各種用于探查存在于無(wú)縫管中的傾斜 傷痕的方法。例如，在日本國(guó)特開(kāi)昭55 - 116251號(hào)公報(bào)(以下，稱作專 利文獻(xiàn)l)中提出一種這樣的方法根據(jù)作為檢測(cè)對(duì)象的傾斜 傷痕的位置及傾斜角度，以適當(dāng)?shù)奈恢眉皟A斜角度配置超聲波 探頭，從而探查傾斜傷痕。但是，專利文獻(xiàn)l所述的方法存在這樣的問(wèn)題由于每次 都需要根據(jù)作為檢測(cè)對(duì)象的傾斜傷痕的傾斜角度來(lái)改變超聲波 探頭的傾斜角度，因此極為費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外，若要用一次探傷 作業(yè)檢測(cè)出如上述那樣存在于無(wú)縫管中的、具有各種傾斜角度 的傾斜傷痕，需要準(zhǔn)備許多個(gè)超聲波探頭，并將它們以各不相 同的傾斜角度配置。即，存在超聲波探頭的配置設(shè)定和校正等 較為復(fù)雜、并且必須需要大型裝置、導(dǎo)致成本上升這樣的問(wèn)題。為了解決上述專利文獻(xiàn)l所述的方法中的問(wèn)題點(diǎn)，在日本 國(guó)特開(kāi)昭61 - 223553號(hào)公報(bào)(以下，稱作專利文獻(xiàn)2)中提出 了 一種應(yīng)用陣列型超聲波探頭的探傷方法，該陣列型超聲波探 頭將多個(gè)振子(超聲波接收發(fā)送用元件)排列成一列。更具體 地講，是如下這樣的方法通過(guò)使上述振子的排列方向與管的 軸向一致，并使超聲波探頭相對(duì)于管的軸心偏心地配置該超聲 波探頭，從而使橫波超聲波傳播到管內(nèi)。并且，通過(guò)對(duì)由各振 子接收發(fā)送超聲波的接收發(fā)送時(shí)機(jī)進(jìn)行電氣控制的電子掃描， 改變由超聲波探頭接收發(fā)送的超聲波的傾斜角度(相對(duì)于管軸 向的傾斜角度)，從而探查具有各種傾斜角度的傾斜傷痕。但是，在專利文獻(xiàn)2所述的方法中，主要存在以下兩個(gè)問(wèn) 題(第l問(wèn)題及第2問(wèn)題)。第1問(wèn)題圖l是表示本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的、應(yīng)用陣列型超聲波探頭的探傷方法中的傾斜傷痕的傾斜角度(傾斜傷痕的 延伸方向與管軸向的夾角)與反射波強(qiáng)度的關(guān)系的一個(gè)例子。更具體地說(shuō)明，圖l表示在使與專利文獻(xiàn)2所述的構(gòu)造相同的陣列型超聲波探頭相對(duì)于管的軸心偏心地配置該超聲波探頭時(shí) 的偏心量為恒定值的狀態(tài)下，根據(jù)各傾斜傷痕的傾斜角度利用 電子掃描來(lái)改變超聲波的傾斜角度、從而使傾斜傷痕的延伸方 向與自超聲波探頭發(fā)送超聲波的傳播方向(從包括超聲波的入射點(diǎn)在內(nèi)的管的節(jié)平面的法線方向看到的傳播方向)正交的情 況下的、在各傾斜傷痕處的反射波強(qiáng)度(使傾斜角度為o。的傾斜傷痕的反射強(qiáng)度為OdB時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度)。如圖l所示，本發(fā)明 的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了這樣的問(wèn)題在專利文獻(xiàn)2所述的方法中，即 使是同樣大小的傾^f傷痕(深0.5mmx長(zhǎng)25mm)，相應(yīng)于傾斜 傷痕的傾斜角度不同，反射波的強(qiáng)度也不同。如上所述，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在專利文獻(xiàn)2所述的方 法中存在相應(yīng)于傾斜傷痕的傾斜角度不同而反射波的強(qiáng)度不同 這樣的問(wèn)題，該問(wèn)題有可能引起漏檢有害的傷痕、或過(guò)度檢測(cè) 出不需檢測(cè)的微小傷痕。第2問(wèn)題在通過(guò)對(duì)由專利文獻(xiàn)2所述的陣列型超聲波探頭的各振子 接收發(fā)送超聲波的接收發(fā)送時(shí)機(jī)進(jìn)行電氣控制的電子掃描、來(lái) 改變由超聲波探頭接收發(fā)送的超聲波的傾斜角度的情況下，需 要在管的特定部位反復(fù)進(jìn)行與作為檢測(cè)對(duì)象的傾斜傷痕的傾斜 角度相應(yīng)的次數(shù)的電子掃描。即，例如要對(duì)分別具有3個(gè)不同 傾斜角度的傾斜傷痕進(jìn)行檢測(cè)，則需要在管的特定部位反復(fù)進(jìn) 行3次電子掃描，與檢測(cè)具有 一 個(gè)方向傾斜角度的傷痕時(shí)相比， 探傷效率降低至l / 3。更具體地說(shuō)明，對(duì)管的特定部位進(jìn)行l(wèi)次超聲波探傷所需要的時(shí)間，除了取決于管的外徑、壁厚之外，還取決于超聲波探頭與管的距離等，大致為50 ~ 100)isec左右。即，作為對(duì)管 的特定部位在單位時(shí)間內(nèi)的探傷次數(shù)(探傷速度)，最大為 10000~ 20000次/ sec左右。因此，利用上述電子掃描來(lái)改變 超聲波的傾斜角度的速度(改變頻率)也不得不成為10000 ~ 20000次/ sec左右以下，盡管與機(jī)械掃描相比電子掃描本身速 度極快，隨著作為檢測(cè)對(duì)象的傾斜傷痕的傾斜角度的數(shù)量增加， 探傷效率也會(huì)降低。如上所述，在專利文獻(xiàn)2所述的方法中，存在因作為檢測(cè) 對(duì)象的傾斜傷痕的傾斜角度的數(shù)量，使探傷效率降低的問(wèn)題。另一方面，在日本國(guó)特開(kāi)昭59 - 163563 (以下，稱作專利 文獻(xiàn)3)中，提出了一種這樣的方法為了探查具有各種傾斜 角度的傾斜傷痕，使用排列成矩陣狀的振子組，使超聲波沿任 意方向入射。更具體地講，從振子組中選擇多個(gè)任意振子，通 過(guò)電氣控制該接收發(fā)送時(shí)機(jī)(驅(qū)動(dòng)時(shí)間)的電子掃描，來(lái)任意 改變超聲波的入射方向。于是，公開(kāi)了預(yù)先將改變超生波入射 方向的模式做成程序來(lái)儲(chǔ)存這樣的內(nèi)容。但是，專利文獻(xiàn)3并沒(méi)有提到相應(yīng)于上述各傾斜傷痕的傾 斜角度而導(dǎo)致反射波的強(qiáng)度產(chǎn)生變化這樣的第l問(wèn)題，對(duì)于為 了解決該問(wèn)題，利用怎樣的變更模式來(lái)改變超聲波入射方向即 可這一點(diǎn)更沒(méi)有任何公開(kāi)。另外，還具有與上述專利文獻(xiàn)2所 述的方法中的第2問(wèn)題同樣的問(wèn)題。即，存在因需要按與作為 檢觀'J對(duì)象的傾斜傷痕的傾斜角度相應(yīng)的次數(shù)反復(fù)進(jìn)行電子掃 描，使探傷效率降低這樣的問(wèn)題。上述以往技術(shù)的問(wèn)題點(diǎn)并不限定于超聲波探傷的對(duì)象為無(wú) 縫管的情況，對(duì)于例如螺旋管等焊接管、鏜孔車軸等可能產(chǎn)生 傾斜傷痕的所有管狀被探傷件的超聲波探傷是共有的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明即是為了解決這樣的以往技術(shù)的問(wèn)題點(diǎn)而做成的， 其課題在于提供一種可以高精度且高速地探查相對(duì)于管狀被探 傷件的軸向具有各種傾斜角度的傷痕的超聲波探頭、超聲波探 傷裝置、超聲波探傷方法、以及使用該方法制造無(wú)縫管的方法。為了解決上述課題，本發(fā)明的發(fā)明人深入研究了如下所述 的內(nèi)容。圖2是表示本發(fā)明的發(fā)明人通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)的、應(yīng)用陣 列型超聲波探頭的探傷方法中的傾斜傷痕的傾斜角度與超聲波 向傾斜傷痕入射的入射角的關(guān)系的圖。更加具體地說(shuō)明，圖2 表示在適當(dāng)設(shè)定(將依據(jù)偏心量確定的向管入射的周向入射 角ai設(shè)定為10、 。16、 。19。)相對(duì)于管(壁厚與外徑之比==11% )波探頭時(shí)的偏心量，相應(yīng)于各傾斜傷痕的傾斜角度利用電子掃 描來(lái)改變超聲波的傾斜角度、從而使傾斜傷痕的延伸方向與自 超聲波探頭發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向正交的情況下的、超聲 波向各傾斜傷痕入射的入射角。圖2 ( a)表示向存在于管內(nèi)表 面的內(nèi)表面?zhèn)廴肷涞娜肷浣?內(nèi)表面折射角)ek,圖2 ( b) 表示向存在于管外表面的外表面?zhèn)廴肷涞娜肷浣?外表面折 射角)er。如圖2所示，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)表面?zhèn)?及外表面?zhèn)蹆烧咧?，均是超聲波的入射角相?yīng)于傾斜傷痕的 傾斜角度而變化。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，之所以如上述那樣地 反射波的強(qiáng)度相應(yīng)于傾斜傷痕的傾斜角度而不同(參照?qǐng)Dl)變超聲波的傾斜角度以使傾斜傷痕的延伸方向與自超聲波探頭 發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向正交，如圖2所示，外表面折射角波的傳播方向)而產(chǎn)生變化?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的發(fā)明人想到 (1 )若將探傷條件設(shè)定為無(wú)論超聲波的傳播方向如何、 外表面折射角(或者內(nèi)表面折射角)都大致相等，則無(wú)論超聲 波的傳播方向如何，都可以獲得對(duì)于外表面?zhèn)?或者內(nèi)表面 傷痕)大致相等的反射波強(qiáng)度，從而可以高精度地探查具有各種傾斜角度的傷痕；(2 )通過(guò)做成可沿多個(gè)不同的傳播方向大致同時(shí)對(duì)管狀 被探傷件接收發(fā)送超聲波的構(gòu)造，可以解決探傷效率降低這樣 的問(wèn)題；結(jié)果，可以高精度且高速地探查具有各種傾斜角度的傷痕。 本發(fā)明是根據(jù)上述發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)而完成的。即，本發(fā)明提 供一種超聲波探傷方法，如技術(shù)方案l所述，該方法的特征在 于，該超聲波探傷方法包括如下步驟將具有多個(gè)振子的超聲 波探頭與管狀被探傷件相面對(duì)地配置；從上述多個(gè)振子中選擇 適當(dāng)?shù)恼褡觼?lái)接收發(fā)送超聲波，以使得在上述管狀被探傷件內(nèi) 的超聲波的傳播方向成為多個(gè)不同的傳播方向，設(shè)定由上述超 聲波探頭進(jìn)行探傷的條件，使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超 聲波的外表面折射角0r分別大致相等，及/或與上述多個(gè)傳播 方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等。采用這樣的發(fā)明，在設(shè)定由超聲波探頭進(jìn)行探傷的條件、 使得與多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角e r分別大致 相等的情況下，無(wú)論多個(gè)傳播方向如何，都可以獲得對(duì)外表面 傷痕大致相等的反射波強(qiáng)度。另外，在設(shè)定由超聲波探頭進(jìn)行 探傷的條件、以使得與多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等的情況下，無(wú)論多個(gè)傳播方向如何，都可以獲得對(duì)內(nèi)表面?zhèn)鄞笾孪嗟鹊姆瓷洳◤?qiáng)度。并且，在設(shè)定由 超聲波探頭進(jìn)行探傷的條件、以使得與多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角er及內(nèi)表面折射角ek兩者分別大致相等 的情況下，無(wú)論多個(gè)傳播方向如何，都可以獲得對(duì)于內(nèi)表面?zhèn)?痕及內(nèi)表面?zhèn)鄞笾孪嗟鹊姆瓷洳◤?qiáng)度。因此，可以高精度地 探查沿分別與多個(gè)傳播方向正交的方向延伸的多個(gè)傷痕(外表 面?zhèn)奂?或內(nèi)表面?zhèn)?。另外，通過(guò)沿多個(gè)不同的傳播方向大致同時(shí)對(duì)管狀被探傷 件接收發(fā)送超聲波，可以高速地探查沿分別與傳播方向正交的 方向延伸的多個(gè)傷痕。如上所述，采用本發(fā)明的超聲波探傷方法，可以高精度且痕。另外，本發(fā)明中的"超聲波傳播方向，，表示從包括超聲波 的入射點(diǎn)在內(nèi)的管狀被探傷件的節(jié)平面的法線方向看到的超聲 波傳播方向。另外，"外表面折射角"表示，在管狀被探傷件p 的超聲波傳播面上，向管狀被探傷件p內(nèi)入射的超聲波u(超聲 波光束的中心線)到達(dá)管狀被探傷件p外表面的點(diǎn)B處的管狀被探傷件P的法線L1、與上述超聲波U (超聲波光束的中心線) 的夾角6r (參照?qǐng)D4 (d))。另外，"內(nèi)表面折射角"表示，在管狀被探傷件p的超聲波傳播面上，向管狀被探傷件p內(nèi)入射的超聲波U(超聲波光束的中心線)到達(dá)管狀被探傷件P內(nèi)表面的 點(diǎn)A處的管狀被探傷件P的法線L2、與上述超聲波U (超聲波光束的中心線)的夾角ek (參照?qǐng)D4 (d))。并且，"與多個(gè)傳播 方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角(或者內(nèi)表面折射角)分別 大致相等"表示，外表面折射角(或者內(nèi)表面折射角)的變動(dòng)范圍在10。以內(nèi)。作為用于如上所述地使與多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角6r分別大致相等、及/或使與多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等的具體方法，例如，通 ?？紤]使用將多個(gè)振子排列成矩陣狀而成的超聲波探頭的方法。即，優(yōu)選為，如技術(shù)方案2所述，采用這樣的方法上述上述選擇的振子，使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外 表面折射角6r分別大致相等、及/或使與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等。另外，本發(fā)明中 的"多個(gè)振子在曲面上排列"作為這樣的意義使用，即，除了 各振子(各振子的振動(dòng)面)以與曲面的一部分形狀一致的方式 形成為曲面的情況之外，還包括各振子(各振子的振動(dòng)面)以 形成為平面狀、且分別與曲面相切的方式排列的情況。具體地講，如技術(shù)方案3所述，為了使與上述多個(gè)傳播方 向相關(guān)的超聲波的外表面折射角9r分別大致相等而選擇的振子例如可以如下地確定。即，分別基于下式(1)來(lái)確定與上述 多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波向上述管狀被探傷件入射的周向入射角ai及軸向入射角pi,使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的、以 下式(1 )表示的超聲波的外表面折射角er分別大致相等，從 而可以確定上述選擇的振子，以獲得上述確定的周向入射角od 及軸向入射角(3i。 [數(shù)l]0r=sin ({(Vs/Vi) '(sin 5i + cos iS卜sin ai)} )…(1)在此，上式(1)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超 聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之 間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度。另外，本發(fā)明中的"周向 入射角"表示，在管狀被探傷件P的周向截面上，超聲波U(超聲波光束的中心線)的入射點(diǎn)0處的管狀被探傷件P的法線L3、與上述超聲波U (超聲波光束的中心線)的夾角ai (參照?qǐng)D4 (b))。并且，"軸向入射角"表示，在管狀被探傷件P的軸向 截面上，超聲波U (超聲波光束的中心線)的入射點(diǎn)O處的管 狀被探傷件P的法線L4、與上述超聲波U (超聲波光束的中心 線)的夾角(3i (參照?qǐng)D4 (c))。另外，具體地講，如技術(shù)方案4所述，為了使與上述多個(gè) 傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角0k分別大致相等而選 擇的振子例如可以如下地確定。即，分別基于下式(l) ~ (6)來(lái)確定與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波向上述管狀被探傷件 入射的周向入射角ai及軸向入射角(3i,使得與上述多個(gè)傳播方 向相關(guān)的、以下式(2 )表示的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別 大致相等，從而可以確定上述選擇的振子，以獲得上述確定的 周向入射角ai及軸向入射角卩i。 [數(shù)2]0k=cos (cos 0 r-cos^ —sin 0 「cos y "sin 0)…(2)在此，上式(2)中的外表面折射角er、傳播角度Y、及角 度d)分別以下式(1)、 (3)及(4)表示。 [數(shù)3]0r=sin (〖(Vs/Vi) '(sin jSi + cos肝sin ai")…(1)r =tan (-"""0=sin 、k層sin 0 ，) — 0 '另外，上式(1)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超——)…(3) …(4)18聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之 間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度。另外，上式(4)中的k及e，分別以下式(5)及(6)表示。 [數(shù)4]<formula>formula see original document page 19</formula> (5)<formula>formula see original document page 19</formula> (6)另外，上式(5)中的t/D表示管狀被探傷件的壁厚與外 徑之比。另外，在本發(fā)明中，"傳播角度"表示，向管狀被探傷 件P內(nèi)入射的超聲波(超聲波光束的中心線)的傳播方向(從 包括超聲波的入射點(diǎn)O在內(nèi)的管狀被探傷件P節(jié)平面的法線方 向看到的傳播方向)、與通過(guò)入射點(diǎn)O的管狀被探傷件P的周向 切線L的夾角Y (參照?qǐng)D4 ( a))。另一方面，作為用于如上所述地使與多個(gè)傳播方向相關(guān)的 超聲波的外表面折射角er分別大致相等、及/或使與多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等的具體方 法，例如，通常考慮使用包括沿規(guī)定的環(huán)形曲面排列的多個(gè)振子的超聲波探頭的方法。即，優(yōu)選為，如技術(shù)方案5所述，采 用這樣的方法上述超聲波探頭包括沿環(huán)形曲面排列的多個(gè)振 子，該曲面是通過(guò)以不通過(guò)規(guī)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且不夾 著該旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心地相面對(duì)的、并且與該;旋轉(zhuǎn)橢圓體的旋 轉(zhuǎn)軸正交的兩個(gè)平行的平面切斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體而獲得的曲面； 在與上述管狀被探傷件相面對(duì)地配置上述超聲波探頭的步驟 中，配置成使上述超聲波探頭的長(zhǎng)徑方向沿著上述管狀被探傷 件的軸向，上述超聲波探頭的短徑方向沿著上述管狀被探傷件 的周向，并且上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心正對(duì)上述管狀被探傷件的軸心，確定上述環(huán)形曲面的形狀，使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角er分別大致相等、及/或使與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等。 另外，本發(fā)明中的"沿環(huán)形曲面排列的多個(gè)振子"作為這樣的 意義使用，即，除了各振子(各振子的振動(dòng)面)以與環(huán)形曲面 的一部分形狀一致的方式形成為曲面的情況之外，還包括各振 子(各振子的振動(dòng)面)以形成為平面狀、且分別與環(huán)形曲面相 切的方式排列的情況。另外，本發(fā)明中的"旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心 正對(duì)管狀被探傷件的軸心，，作為這樣的意義使用，即，通過(guò)旋 轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且與兩個(gè)平行的平面正交的直線(相當(dāng)于旋 轉(zhuǎn)橢圓體的旋轉(zhuǎn)軸)通過(guò)管狀被探傷件的軸心。另外，本發(fā)明中的"旋轉(zhuǎn)橢圓體，，作為也包括長(zhǎng)徑與短徑相等的球體的術(shù)語(yǔ)使用。與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角er分別大致相等這樣的環(huán)形曲面形狀，例如，可以如技術(shù)方案6所述 地確定。即，分別基于下式(7)算出與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波向上述管狀被探傷件入射的入射角ew,使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的、以下式(7)表示的超聲波的外表面折 射角er分別大致相等，從而確定上述環(huán)形曲面的形狀，以獲得上述算出的入射角ew。[數(shù)5]sin 0 r=Vs/Vi'sin 0 w …(7)在此，上式(7)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超 聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之 間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度。另外，本發(fā)明中的"超聲 波向管狀被探傷件入射的入射角"表示，在管狀被探傷件P的超聲波傳播面上，超聲波U (超聲波光束的中心線)的入射點(diǎn)0處的管狀被探傷件P的法線L3、與上述超聲波U(超聲波光束的中心線)的夾角ew(參照?qǐng)D6(d))。另外，若確定入射角ew,則根據(jù)斯內(nèi)爾定律(Snell's law),折射角6s被唯一確定，因 此，本發(fā)明中的"設(shè)定入射角6w"是這樣的概念，即，不僅包括如文字所記載的設(shè)定入射角ew的情況，也包括設(shè)定折射角es 的情況。另外，與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角 ek分別大致相等這樣的環(huán)形曲面形狀，例如，可以如技術(shù)方案7所述地確定。即，分別基于下式(7)算出與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波向上述管狀被探傷件入射的入射角ew,使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的、以下式(2)表示的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等，/人而確定上述環(huán)形曲面的形狀，以 獲得上述算出的入射角ew。[數(shù)6]0k=cos (cos 0 r-cos0 一sin 0 r'cos 7"-sin<ii>) ---(2)在此，上式(2)中的外表面折射角er、傳播角度y、及角 度c()分別以下式(7)、 ( 3 )及(4)表示。 [數(shù)7]<formula>formula see original document page 21</formula>7)<formula>formula see original document page 21</formula>3)<formula>formula see original document page 21</formula>4)另外，上式(7)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超 聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之 間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度。另外，上式(4)中的k及e，分別以下式(5)及(6)表示。[數(shù)8]0' =cosy .tan0r…(6)另外，上式(5)中的t/D表示管狀被探傷件的壁厚與外 徑之比。在此，管狀被探傷件的探傷通常利用斜角探傷方法完成， 該斜角探傷方法使用超聲橫波。該斜角探傷方法使超聲波以大 于等于縱波臨界角的角度斜射入管狀被探傷件，使超聲縱波在 管狀被探傷件表面全反射，另一方面，使超聲橫波在管狀被探 傷件內(nèi)傳播。此時(shí)，超聲橫波的折射角(橫波折射角)必須約 為35。以上。因此，在利用本發(fā)明的方法對(duì)管狀被探傷件進(jìn)行探 傷時(shí)，在以長(zhǎng)徑方向沿著管狀被探傷件的軸向、短徑方向沿著 管狀被探傷件的周向、且旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心正對(duì)管狀被探傷件 的軸心地位于管狀被探傷件的外表面附近的方式配置超聲波探 頭，使其與管狀被探傷件相面對(duì)的情況下，為了使向管狀被探 傷件內(nèi)入射的超聲縱波稍少 一 些，只要確定環(huán)形曲面的形狀成 如下這樣即可，即，從而至少使自位于超聲波探頭的長(zhǎng)徑部的 振子(發(fā)送來(lái)的超聲波向管入射的入射角、即折射角最大的振 子)發(fā)送來(lái)的超聲波以35。以上的橫波折射角向管狀被探傷件內(nèi) 傳播。因此，優(yōu)選為，如技術(shù)方案8所述這樣即可，即，在與上 述管狀被探傷件相面對(duì)地配置上述超聲波探頭的步驟中，配置 成使上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心正對(duì)上述管狀被探傷件的軸心、且 位于上述管狀被探傷件的外表面附近，確定上述環(huán)形曲面的形 狀，從而使自上述多個(gè)振子中的、至少是位于上述超聲波探頭的長(zhǎng)徑部的振子發(fā)送來(lái)的超聲波以35。以上的橫波折射角向上 述管狀被探傷件內(nèi)傳播。采用這樣的優(yōu)選構(gòu)造，對(duì)于至少使自位于超聲波探頭的長(zhǎng) 徑部的振子發(fā)送來(lái)的超聲波(即，沿管狀被探傷件的軸向傳播 的超聲波)，可以向管狀被探傷件內(nèi)傳播超聲橫波。另外，為了解決上述課題，如技術(shù)方案9所述，本發(fā)明的超聲波探傷裝置用于對(duì)管狀被探傷件進(jìn)行超聲波探傷，其特征在于，該超聲波探傷裝置包括超聲波探頭和接收發(fā)送控制部件； 上述超聲波探頭與上述管狀被探傷件相面對(duì)地配置，由多個(gè)振 子分別沿行'方向及列方向在平面上或曲面上排列成矩陣狀而 成；上述接收發(fā)送控制部件對(duì)由上述超聲波探頭接收發(fā)送超聲 波進(jìn)行控制；上述接收發(fā)送控制部件從多個(gè)振子中、選擇至少 包含一個(gè)振子的一個(gè)振子組，自該選擇的一個(gè)振子組、沿上述 管狀被探傷件內(nèi)的一個(gè)傳播方向接收發(fā)送超聲波，另 一方面， 選擇包含與構(gòu)成上述一個(gè)振子組的振子的行方向及列方向位置 不同的、至少一個(gè)振子的另一個(gè)振子組，自該選擇的另一個(gè)振 子組、沿上述管狀被探傷件內(nèi)的與上述一個(gè)傳播方向不同的另 一個(gè)傳播的方向接收發(fā)送超聲波。采用這樣的發(fā)明，首先，利用接收發(fā)送控制部件，從排列 成矩陣狀的多個(gè)振子中選擇至少包含一個(gè)振子的一個(gè)振子組， 自該選擇的一個(gè)振子組、沿管狀被探傷件的一個(gè)傳播方向接收 發(fā)送超聲波。在此，利用被沿一個(gè)傳播方向接收發(fā)送的超聲波， 檢測(cè)出沿與該一個(gè)傳播方向正交的方向延伸的傷痕(以下，稱 作"第l傷痕")。另外，在采用多個(gè)振子在曲面上排列成矩陣 狀而成的超聲波探頭的情況下，根據(jù)該曲面的曲率半徑及各振 子的位置來(lái)確定由各振子接收發(fā)送的超聲波的方向，因此，從 多個(gè)振子中僅選擇可沿上述一個(gè)傳播方向接收發(fā)送超聲波的振子組即可。另一方面，在采用多個(gè)振子在平面上排列成矩陣狀 而成的超聲波探頭的情況下，可以采用這樣的構(gòu)造，即，對(duì)由 構(gòu)成上述一個(gè)振子組的各振子接收發(fā)送超聲波的時(shí)機(jī)進(jìn)行控 制，從而自上述選擇的振子組沿上述一個(gè)傳播方向接收發(fā)送超聲波。接著，采用本發(fā)明，利用接收發(fā)送控制部件，從排列成矩 陣狀的多個(gè)振子中選擇包含與構(gòu)成上述一個(gè)振子組的振子的行方向及列方向位置不同的、至少一個(gè)振子的另一個(gè)振子組，自 該選擇的另 一 個(gè)振子組、沿管狀被探傷件的與上述 一 個(gè)傳播方 向不同的另 一個(gè)傳播方向接收發(fā)送超聲波。利用被沿上述另一 個(gè)傳播方向接收發(fā)送的超聲波，檢測(cè)出沿與該另 一個(gè)傳播方向正交的方向延伸的傷痕(以下，稱作"第2傷痕")。在此，由 于另 一個(gè)振子組包含與構(gòu)成一個(gè)振子組的振子的行方向及列方 向位置不同的振子，因此，不僅超聲波的傳播方向由一個(gè)傳播 方向變?yōu)榱硪粋€(gè)傳播方向，與此同時(shí)，接收發(fā)送超聲波的振子 組沿著管狀被探傷件的位置也發(fā)生變化。因此，若適當(dāng)設(shè)定該 位置的變更量，則可以在使第l傷痕及第2傷痕兩者與超聲波的 傳播方向正交的同時(shí)、使外表面折射角6r及/或內(nèi)表面折射角ek大致恒定，從而無(wú)論各傷痕的傾斜角度如何，都可以獲得相 等的反射波強(qiáng)度。這樣，若做成選擇與超聲波傳播方向的數(shù)量 相等的振子組，并自該選擇的各振子組接收發(fā)送超聲波的構(gòu)造， 則可以相應(yīng)于上述傳播方向的數(shù)量高精度地探查具有各種傾斜 角度的傷痕。另外，通過(guò)采用分別自選擇的各振子組大致同時(shí)接收發(fā)送 超聲波的構(gòu)造，可以高速地探查具有各種傾斜角度的傷痕。如上所述，采用本發(fā)明的超聲波探傷裝置，可以高精度且 高速地探查相對(duì)于管狀被探傷件的軸向具有各種傾斜角度的傷痕。在此，到自選擇的各振子組發(fā)送的超聲波入射到管狀被探 傷件為止所需要的時(shí)間，根據(jù)各振子組與超聲波入射點(diǎn)的距離 而不同。由于各振子組與超聲波入射點(diǎn)的距離根據(jù)超聲波探頭、 管狀被探傷件的形狀而不同，因此，即使以同一時(shí)機(jī)自選擇的 各振子組發(fā)送超聲波，實(shí)際上，超聲波入射到管狀被探傷件的 時(shí)機(jī)、以及在管狀被探傷件表面(內(nèi)外表面)接收反射波的時(shí) 機(jī)也不同。因此，在合成由各振子組接收的超聲波、基于該合成的反射波檢測(cè)傷痕的情況下，存在這樣的隱患由自各振子 組發(fā)送來(lái)的超聲波的入射時(shí)機(jī)不同，引起由各振子組接收的管 狀被探傷件表面(內(nèi)外表面)上的反射波連續(xù)或一部分重疊， 反射波在管狀被探傷件表面上的整體寬度擴(kuò)大，結(jié)果，管狀被 探傷件內(nèi)外表面附近處的不靈敏區(qū)增大。為了避免這樣的問(wèn)題，如技術(shù)方案10所述，優(yōu)選為，上述 接收發(fā)送控制部件控制上述一個(gè)振子組及上述另 一個(gè)振子組發(fā) 送或接收超聲波的時(shí)機(jī)，從而^吏自上述一個(gè)振子組發(fā)送來(lái)的超 聲波在上述管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí)機(jī)、與自上述 另 一個(gè)振子組發(fā)送來(lái)的超聲波在上述管狀被探傷件表面的反射 波的接收時(shí)機(jī)大致相同。采用這樣的優(yōu)選的發(fā)明，由于控制一個(gè)振子組及另 一個(gè)振 子組發(fā)送或接收^i聲波的時(shí)機(jī)，從而使自 一個(gè)振子組發(fā)送來(lái)的 超聲波在管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí)機(jī)、與自另 一個(gè) 振子組發(fā)送來(lái)的超聲波在管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí) 機(jī)大致相同(例如，成為發(fā)送來(lái)的超聲波的脈沖寬度以下的時(shí) 間差)，因此，即使采用合成由各振子組接收的超聲波、并基于 該合成的反射波檢測(cè)傷痕的構(gòu)造，也可以減少管狀被探傷件內(nèi) 外表面附近處的不靈敏區(qū)。課題，如技術(shù)方案ll所述，本發(fā)明的 超聲波探頭用于對(duì)管狀被探傷件進(jìn)行超聲波探傷，其特征在于， 該超聲波探頭包括沿環(huán)形曲面排列的多個(gè)振子，上述環(huán)形曲面 是通過(guò)以不通過(guò)身見(jiàn)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且不夾著該旋轉(zhuǎn)橢 圓體的中心地相面對(duì)的、并且與該旋轉(zhuǎn)橢圓體的4t轉(zhuǎn)軸正交的 兩個(gè)平行的平面切斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體而獲得的曲面。采用這樣的超聲波探頭，多個(gè)振子沿環(huán)形曲面排列，該環(huán) 形曲面是通過(guò)以不通過(guò)規(guī)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且不夾著該 旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心地相面對(duì)的、并且與該旋轉(zhuǎn)橢圓體的旋轉(zhuǎn)軸 正交的兩個(gè)平行的平面切斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體而獲得的曲面，因此， 自各振子發(fā)送來(lái)的超聲波可朝向旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心。于是，這 樣操作即可在以長(zhǎng)徑方向沿著管狀被探傷件的軸向、短徑方 向沿著管狀被探傷件的周向、且旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心正對(duì)管狀被 探傷件的軸心的方式配置本發(fā)明的超聲波探頭，使其與管狀被 探傷件相面對(duì)的同時(shí)，例如，選擇發(fā)送超聲波的振子(選擇與 作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的傾斜角度數(shù)量相等的振子)。此時(shí)，由于 從旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心看到的各振子的仰角根據(jù)各振子的排列位 置而不同，因此，自各振子發(fā)送來(lái)的超聲波向管狀被探傷件入 射的入射角也不同。因此，若適當(dāng)設(shè)定超聲波探頭的形狀(環(huán) 形曲面的形狀)，則可以在自各振子發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向 與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的延伸方向正交的同時(shí)、使外表面折射角8r及/或內(nèi)表面折射角6k大致恒定，從而無(wú)論各傷痕的傾斜 角度如何，都可以獲得相等的反射波強(qiáng)度。這樣，若做成選擇 與超聲波傳播方向的數(shù)量相等的振子，并自該選擇的各振子接 收發(fā)送超聲波的構(gòu)造，則可以高精度地探查具有各種傾斜角度 的傷痕。另外，通過(guò)釆用分別自選擇的各振子大致同時(shí)接收發(fā)送超聲波的構(gòu)造，可以高速地探查具有各種傾斜角度的傷痕。如上所述，采用本發(fā)明的超聲波探傷裝置，可以高精度且痕。優(yōu)選為，如技術(shù)方案12所迷，上述超聲波探頭還包括沿通 過(guò)上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且與上述兩個(gè)平行的平面正交的直 線配置的、至少為l個(gè)的垂直探頭。采用這樣的優(yōu)選的構(gòu)造，具有這樣的優(yōu)點(diǎn)可以在由沿環(huán) 形曲面排列的多個(gè)振子進(jìn)行探傷(斜角探傷)的基礎(chǔ)之上，由 垂直探頭(可與管狀被探傷件的外表面垂直地射入超聲波的探 頭)進(jìn)行垂直探傷，因此，可以在對(duì)管狀被探傷件進(jìn)行斜角探 傷的同時(shí)，對(duì)管狀被探傷件進(jìn)行壁厚測(cè)定和夾層檢測(cè)等。另外，為了解決上述課題，如技術(shù)方案13所述，本發(fā)明的 超聲波探傷裝置的特征在于，該超聲波探傷裝置包括超聲波探 頭和接收發(fā)送控制部件；上述超聲波探頭如技術(shù)方案11或12所 述，與上述管狀被探傷件相面對(duì)地配置，使得其長(zhǎng)徑方向沿著 作為探傷件的管狀被探傷件的軸向，短徑方向沿著上述管狀被 探傷件的周向、且上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心正對(duì)上述管狀被探傷 件的軸心；上述接收發(fā)送控制部件對(duì)由上述超聲波探頭接收發(fā) 送超聲波進(jìn)行控制；上述接收發(fā)送控制部件自上述多個(gè)振子中 的至少兩個(gè)以上的振子對(duì)上述管狀被探傷件接收發(fā)送超聲波。采用這樣的發(fā)明，利用接收發(fā)送控制部件，選擇與超聲波 傳播方向的數(shù)量(作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的傾斜角度數(shù)量)相等 的振子，并自該選擇的各振子接收發(fā)送超聲波，從而可以高精 度且高速地探查具有各種傾斜角度的傷痕。在此，在以上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心離開(kāi)上述管狀被探傷件 的外表面附近的方式配置上述超聲波探頭的情況下，自各振子發(fā)送來(lái)的超聲波向管狀被探傷件入射的入射點(diǎn)相對(duì)于每個(gè)各振 子而不同。因此，存在這樣的顧慮即使在以上述旋轉(zhuǎn)橢圓體 的中心位于上述管狀被探傷件的外表面附近的方式配置超聲波 探頭的前提下，確定超聲波探頭的形狀(環(huán)形曲面的形狀)，從 而可以使自各振子發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向與作為檢測(cè)對(duì)象 的傷痕的延伸方向正交的同時(shí)、使外表面折射角及/或內(nèi)表面 折射角大致恒定，也會(huì)因超聲波向管狀被探傷件入射的入射點(diǎn) 相對(duì)于每個(gè)各振子而不同，特別是在小徑的管狀被探傷件(外徑小于等于10 0 m ni )的情況下，導(dǎo)致無(wú)法獲得預(yù)想的那樣的超 聲波傳播動(dòng)作(無(wú)法相應(yīng)于超聲波的傳播方向使外表面折射角 及/或內(nèi)表面折射角恒定)，進(jìn)而使傷痕檢測(cè)能力降低。因此，如技術(shù)方案14所述，優(yōu)選為，以上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的波探頭。采用這樣的優(yōu)選的構(gòu)造，由于自各振子發(fā)送來(lái)的超聲波向 管狀被探傷件入射的入射點(diǎn)大致一致，因此，可以獲得預(yù)想的 那樣的超聲波傳播動(dòng)作(無(wú)論超聲波的傳播方向如何，外表面 折射角及/或內(nèi)表面折射角都大致恒定)，而且可以高精度地探 查具有各種傾斜角度的傷痕。另外，如技術(shù)方案15所述，優(yōu)選為，上述接收發(fā)送控制部 件控制對(duì)上述管狀被探傷件接收發(fā)送超聲波的至少兩個(gè)以上的 振子中的一個(gè)振子及另 一個(gè)振子發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)，從 而使自上述一個(gè)振子發(fā)送來(lái)的超聲波在上述管狀被探傷件表面 的反射波的接收時(shí)機(jī)、與自上述另一個(gè)振子發(fā)送來(lái)的超聲波在 上述管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同。采用這樣的優(yōu)選的構(gòu)造，由于控制一個(gè)振子及另一個(gè)振子 發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)，從而使自 一個(gè)振子發(fā)送來(lái)的超聲波在管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí)機(jī)、與自另 一個(gè)振子發(fā) 送來(lái)的超聲波在管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相 同(例如，成為發(fā)送來(lái)的超聲波的脈沖寬度以下的時(shí)間差)，因 此，即使采用合成由各振子接收的反射波、并基于該合成的反 射波檢測(cè)傷痕的構(gòu)造，也可以減少管狀被探傷件外表面附近處 的不靈敏區(qū)。在此，在設(shè)定超聲波探頭的形狀(環(huán)形曲面的形狀)，從而 可以使自構(gòu)成上述超聲波探頭的各振子發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播 方向與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的延伸方向正交的同時(shí)、使外表面 折射角及/或內(nèi)表面折射角大致恒定的情況下，根據(jù)管狀被探 傷件的壁厚與外徑之比等，適當(dāng)?shù)某暡ㄌ筋^形狀不同，另一 方面，若一旦設(shè)定了形狀，自各振子發(fā)送來(lái)的超聲波的入射角 相對(duì)于每個(gè)各振子為固定值。因此，必須相對(duì)于具有多種多樣 的壁厚與外徑之比等的管狀被探傷件，分別各自準(zhǔn)備適當(dāng)形狀 的超聲波探頭，在成本、維修這些點(diǎn)上存在問(wèn)題。因此，如技術(shù)方案16所述，優(yōu)選包括調(diào)整部件，該調(diào)整部件對(duì)自上述多個(gè)振子分別向上述管狀被探傷件發(fā)送的超聲波的 入射角進(jìn)行調(diào)整。采用這樣的優(yōu)選的構(gòu)造，可獲得這樣的優(yōu)點(diǎn)即使超聲波 探頭的形狀相同，也可以對(duì)自多個(gè)各振子向管狀被探傷件發(fā)送 來(lái)的超聲波的入射角進(jìn)行微調(diào)，從而可以在使自各振子發(fā)送來(lái) 的超聲波的傳播方向與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的延伸方向正交的 同時(shí)，使外表面折射角及/或內(nèi)表面折射角大致恒定，因此， 不需要準(zhǔn)備多種多樣的形狀的超聲波探頭，成本、維修性能優(yōu) 良。另外，作為上述調(diào)整部件，例如，可以采用機(jī)械偏角機(jī)構(gòu)。 此外，如技術(shù)方案17所述，上述多個(gè)振子分別包括沿各振子的徑向被分割成長(zhǎng)方形的多個(gè)壓電元件，上述調(diào)整部件也可以通 過(guò)電氣控制由上述多個(gè)壓電元件接收發(fā)送超聲波的時(shí)機(jī)，來(lái)調(diào) 整向上述管狀被探傷件發(fā)送的超聲波的入射角。采用這樣的優(yōu)選的構(gòu)造，與采用機(jī)械偏角機(jī)構(gòu)相比，可以 容易且再現(xiàn)性能良好地調(diào)整入射角。另外，優(yōu)選為，如技術(shù)方案18所述，上述超聲波探傷裝置 包括追蹤裝置，該追蹤裝置使上述超聲波探頭在與上述管狀被 探傷件的軸向正交的平面內(nèi)相對(duì)于上述管狀被探傷件的相對(duì)位 置大致保持恒定。采用這樣的優(yōu)選的構(gòu)造，在使超聲波探頭沿著管狀被探傷 件的周向相對(duì)旋轉(zhuǎn)、并沿著管狀被探傷件的軸向相對(duì)移動(dòng)地進(jìn) 行超聲波探傷時(shí)，即使管狀被探傷件截面形狀不是正圓形、或 者沿軸向產(chǎn)生彎曲，也可以通過(guò)追蹤裝置使超聲波探頭相對(duì)于 管狀被探傷件的相對(duì)位置大致保持恒定。因此，采用上述優(yōu)選 的構(gòu)造，即使使超聲波探頭沿相對(duì)于管狀被探傷件進(jìn)行相對(duì)旋 轉(zhuǎn)的軸向移動(dòng)，也可抑制超聲波自各振子向管狀被探傷件入射 的入射角產(chǎn)生變動(dòng)，并使傷痕檢測(cè)能力大致保持恒定。作為上述追蹤裝置，也可以采用使用接觸式位移儀的追蹤 裝置、由鞍型靴等接觸式機(jī)械零件構(gòu)成的追蹤裝置。但是，在 采用這些追蹤裝置的情況下，存在如下的問(wèn)題。(1 )在管狀被探傷件的前后端部，接觸式位移儀、接觸 式機(jī)械零件與管狀被探傷件的外表面接觸時(shí)，或遠(yuǎn)離外表面時(shí)， 易于產(chǎn)生晃動(dòng)。因此，管狀被探傷件前后端部處的追蹤性易于 降低。(2) 在接觸式追蹤裝置的情況下，存在因管狀被探傷件外表面的微小凹凸而導(dǎo)致追蹤性降低的情況。(3) 通過(guò)重復(fù)使用，接觸式位移儀或接觸式機(jī)械零件產(chǎn)生磨損，由此導(dǎo)致追蹤性降低(需要頻繁維修)。因此，優(yōu)選為，如技術(shù)方案19所述，上述追蹤裝置包括測(cè) 定到上述管狀被探傷件的距離的l個(gè)以上的非接觸式位移儀、 使上述超聲波探頭沿與上述管狀被探傷件的軸向正交的兩個(gè)軸 向移動(dòng)的定位才幾構(gòu)、和控制該定位才幾構(gòu)的定位控制部件，上述 定位控制部件根據(jù)由上述非接觸式位移儀測(cè)定的距離，控制上 述定位機(jī)構(gòu)，使得上述超聲波探頭相對(duì)于上述管狀被探傷件的相對(duì)位置大致恒定。采用這樣的優(yōu)選的構(gòu)造，由于根據(jù)使用不與管狀被探傷件接觸的非接觸式位移儀算出的超聲波探頭距管狀被探傷件的距 離，控制定位機(jī)構(gòu)，使得超聲波探頭相對(duì)于管狀被探傷件的相對(duì)位置大致恒定(調(diào)整超聲波探頭的位置)，因此，與采用上述接觸式追蹤裝置的情況相比，可以獲得良好的追蹤性，而且可以獲得良好的傷痕檢測(cè)能力。另外，為了解決上述課題，如技術(shù)方案20所述，本發(fā)明的超聲波探傷方法的特征在于，該方法使用技術(shù)方案13~ 19中任 一項(xiàng)所述的超聲波探傷裝置，使上述超聲波探頭沿著上述管狀 被探傷件的周向相對(duì)旋轉(zhuǎn)、并沿著上述管狀被探傷件的軸向相 對(duì)移動(dòng)，從而對(duì)上述管狀被探傷件的全長(zhǎng)或 一部分進(jìn)行探傷。并且，為了解決上述課題，如技術(shù)方案21所述，本發(fā)明的 無(wú)縫管制造方法的特征在于，該方法包括通過(guò)穿孔加工原料鋼 坯來(lái)制造無(wú)縫管的第l工序、和使用技術(shù)方案1 8、 20中任一 項(xiàng)所述的超聲波探傷方法對(duì)由上述第l工序制造的無(wú)縫管進(jìn)行 探傷的第2工序。


圖l是表示應(yīng)用以往的陣列型超聲波探頭的探傷方法中的傾斜傷痕的傾斜角度與反射波強(qiáng)度的關(guān)系的一個(gè)例子的圖。圖2是表示應(yīng)用以往的陣列型超聲波探頭的探傷方法中的 傾斜傷痕的傾斜角度與超聲波向傾斜傷痕入射的入射角的關(guān)系 的圖。圖3是表示本發(fā)明的第l實(shí)施方式的超聲波探傷裝置的概 略構(gòu)造的示意圖。圖4是表示圖3所示的超聲波探傷裝置的超聲波傳播動(dòng)作的說(shuō)明圖，圖4(a)表示立體圖，圖4(b)表示管周向剖視圖， 圖4 ( c)表示管軸向剖視圖，圖4 ( d)表示沿超聲波傳播面的剖視圖。圖5是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的超聲波探傷裝置的概 略構(gòu)造的示意圖，圖5(a)表示立體圖，圖5(b)表示俯視圖， 圖5(c)表示側(cè)視圖，圖5(d)表示說(shuō)明圖。圖6是表示圖5所示的超聲波探傷裝置的超聲波傳播動(dòng)作 的說(shuō)明圖，圖6(a)表示立體圖，圖6 ( b)表示管周向剖視圖， 圖6 ( c)表示俯視圖，圖6 ( d)表示沿超聲波傳播面的剖視圖。圖7表示通過(guò)由本發(fā)明的實(shí)施例l的超聲波探傷裝置進(jìn)行 探傷試驗(yàn)而獲得的、在各內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度。圖8表示在本發(fā)明的實(shí)施例1中，在不控制各振子發(fā)送或接 收超聲波的時(shí)機(jī)的情況下獲得的波形例子。圖9表示在本發(fā)明的實(shí)施例l中，在控制各振子發(fā)送或接收 超聲波的時(shí)機(jī)的情況下獲得的波形例子。圖IO表示通過(guò)由本發(fā)明的實(shí)施例2的超聲波探傷裝置進(jìn)行 探傷試驗(yàn)而獲得的、在各內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度。圖ll表示通過(guò)由本發(fā)明的實(shí)施例3的超聲波探傷裝置進(jìn)行 探傷試驗(yàn)而獲得的、在形成于各t/ D的鋼管中的各內(nèi)表面?zhèn)?處的反射波強(qiáng)度。圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施例4的超聲波探傷裝置的概略構(gòu)造的圖，圖12 ( a)表示主視剖視圖，圖12(b)表示俯視圖， 圖12 ( c)表示側(cè)視剖視圖。圖13是表示本發(fā)明的實(shí)施例4的超聲波探傷裝置所具有的 追蹤裝置的概略構(gòu)造的圖。圖14是表示在本發(fā)明的實(shí)施例4的超聲波探傷裝置中，僅 由1個(gè)振子接收發(fā)送超聲波的情況下獲得的探傷波形的 一 個(gè)例 子。圖15是表示在本發(fā)明的實(shí)施例4的超聲波探傷裝置中，控 制為4個(gè)振子的"^妻收時(shí)機(jī)大致相同地、由各振子接收發(fā)送超聲 波的情況下獲得的探傷波形的 一 個(gè)例子。圖16是表示用于說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例4的超聲波探傷裝置 的超聲波傳播動(dòng)作的圖。
具體實(shí)施方式
下面，適當(dāng)參照附圖，列舉應(yīng)用于鋼管等管的情況來(lái)說(shuō)明 本發(fā)明的實(shí)施方式。 第l實(shí)施方式圖3是表示本發(fā)明的第l實(shí)施方式的超聲波探傷裝置的概 略構(gòu)造的示意圖。圖4是表示圖3所示的超聲波探傷裝置的超聲 波傳播動(dòng)作的說(shuō)明圖，圖4(a)表示立體圖，圖4(b)表示管 周向剖視圖，圖4 ( c)表示管軸向剖視圖，圖4(d)表示沿超 聲波傳播面(包括圖4 ( a)所示的點(diǎn)O、點(diǎn)A及點(diǎn)B在內(nèi)的面) 的剖視圖。如圖3所示，本實(shí)施方式的超聲波探傷裝置100用于 對(duì)管P進(jìn)行超聲波探傷，包括超聲波探頭l和接收發(fā)送控制部件 2;上述超聲波探頭l由多個(gè)振子ll沿行方向及列方向在平面上 或曲面上排列成矩陣狀(在圖3所示的例子中，沿行方向在彎曲的圓筒上排列成矩陣狀)而成；上述接收發(fā)送控制部件2對(duì)由超聲波探頭l接收發(fā)送超聲波進(jìn)行控制。另外，本實(shí)施方式的超聲波探傷裝置IOO還包括傷痕判定電路3和警報(bào)等輸出部 件4;上述傷痕判定電路3通過(guò)將來(lái)自管P的反射波(更具體地 講，由后述的波形合成電路223合成的反射波)的振幅與規(guī)定 的閾值比較，檢測(cè)出存在于管P中的傷痕；上述警報(bào)等輸出部 件4用于在由傷痕判定電路34全測(cè)出傷痕的情況下，輸出規(guī)定的 警報(bào)等。超聲波探頭1與管P相面對(duì)地配置，從而使其上述行方向沿 著管P的軸向，上述列方向沿著管P的周向。本實(shí)施方式的接收發(fā)送控制部件2包括發(fā)送電路21、接收 電路22和控制電路23。發(fā)送電路21包括脈沖發(fā)生器211和延遲 電路212;上述脈沖發(fā)生器211分別連接于各振子11，供給用于 自各振子ll發(fā)送超聲波的脈沖信號(hào)；上述延遲電路212用于設(shè) 定自各脈沖發(fā)生器211向各振子供給的脈沖信號(hào)的延遲時(shí)間。 接收電路22包括接收器221 、延遲電路222和波形合成電路 223;上述接收器221分別連接于各振子11，用于使由各振子ll 接收的反射波增幅；上述延遲電路222用于設(shè)定利用各接收器 2 21增幅后的反射波的延遲時(shí)間；上述波形合成電路2 2 3用于合 成被各延遲電路222設(shè)定了延遲時(shí)間的反射波?？刂齐娐?3進(jìn) 行動(dòng)作，從而從排列的多個(gè)振子ll中選擇接收發(fā)送超聲波的振 子ll,并且，確定與該選擇的各振子ll相關(guān)的、由延遲電路212 或延遲電路222設(shè)定的延遲時(shí)間。具有以上構(gòu)造的接收發(fā)送控制部件2 (控制電路23)從排 列成矩陣狀的多個(gè)振子ll中選擇一個(gè)振子組，該振子組由包含 沿規(guī)定列排列的一個(gè)振子ll在內(nèi)的一個(gè)以上振子ll構(gòu)成，自該 選擇的 一個(gè)振子組、沿與管P的軸向成規(guī)定角度的方向接收發(fā)送超聲波，另一方面，從排列成矩陣狀的多個(gè)振子ll中選擇另 一個(gè)振子組，該另 一個(gè)振子組由包含沿與上述一個(gè)振子ll不同 的列排列的另 一個(gè)振子ll在內(nèi)的一個(gè)以上振子ll構(gòu)成，且與上 述一個(gè)振子組的重心沿上述列方向不同，自該選^^的另 一個(gè)振 子組、沿與管P的軸向成不同于上述規(guī)定角度的方向接收發(fā)送 超聲波。下面，適當(dāng)參照?qǐng)D4，更加具體地說(shuō)明上述接收發(fā)送控制部件2 (控制電路23 )的動(dòng)作。如圖4所示，由構(gòu)成超聲波探頭 l的各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波從管P外表面上的點(diǎn)O入射之后， 在管P內(nèi)表面上的點(diǎn)A反射，到達(dá)管P外表面上的點(diǎn)B。然后， 將自點(diǎn)O入射的超聲波的傳播方向(從包括入射點(diǎn)O在內(nèi)的管P 節(jié)平面的法線方向看到的傳播方向)與通過(guò)入射點(diǎn)O的管P的周 向切線L的夾角(傳播角度)設(shè)為Y (以下，也適當(dāng)稱作"傳播 方向Y"),將點(diǎn)B的外表面折射角(在圖4 ( d)所示的超聲波傳 播面上，管P的點(diǎn)B處的法線L1與超聲波光束U的夾角)設(shè)為er， 將點(diǎn)A的內(nèi)表面折射角(在圖4 (d)所示的超聲波傳播面上， 管P的點(diǎn)A處的法線L2與超聲波光束U的夾角)設(shè)為ek,在這種 情況下，6r、 ek及Y分別以下式(l) ~ (3)表示。 [數(shù)9]—1 ，9 2 2 1/20r=sin "(Vs/Vi) .(sin /Si + cos yS卜sin ai)} )…(1) 0k=cos 1(cos 0 r,cos 0—sin 0 r-cos r ,sin 0 ) ,.'(2)cos/J i'sin cn在此，在上式(1)及式(3)中，ai表示超聲波向管P入 射的周向入射角(在管周向截面上，管P的點(diǎn)0處的法線L3與 超聲波光束U的夾角，參照?qǐng)D4(b)), (3i表示超聲波向管P入射的軸向入射角(在管軸向截面上，管P的點(diǎn)0處的法線L4與超聲波光束U的夾角，參照?qǐng)D4 ( c))。另外，在上式(1 )中， Vs表示在管P中傳播的超聲波的傳播速度，Vi表示填充于振子ll與管p之間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度。并且，在上式(2)中，ct)表示在圖4(b)所示的管軸向截面上，通過(guò)管中 心C及點(diǎn)O的直線與通過(guò)管中心C及點(diǎn)A的直線的夾角(與通過(guò) 管中心C及點(diǎn)A的直線與通過(guò)管中心C及點(diǎn)B的直線的夾角相 等)，以下式(4 )表示。 [數(shù)IO]0=sin—，(k,sin0，)一0'…(4)而且，在上式(4)中，k及e，分別以下式(5)及(6)表示。[<formula>formula see original document page 36</formula>由上式(1 )及(3 )可知，外表面折射角6r及超聲波傳播 角度Y由超聲波向管P入射的周向入射角ai及超聲波向管P入射 的軸向入射角pi確定。另外，使用上式(1) ~ (6),內(nèi)表面折 射角6k也同樣由周向入射角ai及軸向入射角pi確定(但嚴(yán)格地 講，也受到由管P的壁厚與外徑之比確定的4)的影響)。在此，如上所述，在專利文獻(xiàn)2所述的方法中，在使相對(duì) 于管P的軸心偏心地配置超聲波探頭時(shí)的偏心量恒定(即，使 由偏心量確定的向管P入射的周向入射角ai)的條件下，僅改變 超聲波相對(duì)于管P軸向的傾斜角度，從而使超聲波的傳播方向 與傾斜傷痕的延伸方向正交。僅改變?cè)撦S向入射角(3i的方法也可由上式(1)及式(2)導(dǎo)出，但由于外表面折射角0r及內(nèi)表面折射角ek分別根據(jù)軸向入射角8i的改變而變化，因此，像上述本發(fā)明人的觀點(diǎn)那樣，導(dǎo)致相應(yīng)于超聲波的傳播方向(相應(yīng) 于傾斜傷痕的傾斜角度)，使反射波的強(qiáng)度而不同，而且傷痕檢 測(cè)能力產(chǎn)生變化。相對(duì)于此，如上所述，在本實(shí)施方式的超聲波探傷裝置IOO 中，首先，接收發(fā)送控制部件2 (控制電路23)進(jìn)行動(dòng)作，從 而從排列成矩陣狀的多個(gè)振子11中選擇 一 個(gè)至少包括 一 個(gè)振 子ll的振子組，自該選擇的一個(gè)振子組、沿管P內(nèi)的一個(gè)傳播 方向y接收發(fā)送超聲波。更加具體地說(shuō)明，控制電路23基于上 式(3)來(lái)確定周向入射角ai及軸向入射角(3i，以獲得與作為檢 測(cè)對(duì)象的、具有規(guī)定傾斜角度的傷痕(第l傷痕)的延伸方向 正交的超聲波傳播方向y，從而選擇可獲得這些ai及pi的振子 組。接著，接收發(fā)送控制部件2 (控制電路23 )進(jìn)行動(dòng)作，從 而從排列成矩陣狀的多個(gè)振子ll中選擇行方向及列方向位置 與構(gòu)成上述一個(gè)振子組的振子ll不同的、至少包括一個(gè)振子ll 的另一個(gè)振子組，自該選擇的另一個(gè)振子組、沿管P內(nèi)的與上 述一個(gè)傳播方向Y不同的另 一個(gè)傳播方向y接收發(fā)送超聲波。更 加具體地說(shuō)明，控制電路23根據(jù)上式(3)來(lái)確定周向入射角ai 及軸向入射角(3i,以獲得與作為檢測(cè)對(duì)象的、具有與上述第l 傷痕不同的傾斜角度的傷痕(第2傷痕)的延伸方向正交的超 聲波傳播方向y,從而選擇可獲得這些ai及pi的另 一個(gè)振子組。 此時(shí)，由于另 一個(gè)振子組包括行方向及列方向位置與構(gòu)成一個(gè) 振子組的振子不同的振子，因此，自一個(gè)振子組接收發(fā)送的超 聲波的周向入射角od與自另 一個(gè)振子組接收發(fā)送的超聲波的周 向入射角ai不同。另外，由于另一個(gè)振子組與一個(gè)振子組的超聲波傳播方向Y不同，因此，自 一個(gè)振子組接收發(fā)送的超聲波的 軸向入射角Pi與自另 一個(gè)振子組接收發(fā)送的超聲波的軸向入射 角，i不同。更加具體地說(shuō)明，在選擇另一個(gè)振子組時(shí)，確定與另 一個(gè)振子組相關(guān)的周向入射角cd及軸向入射角(3i,以使其與 一個(gè)振子組相關(guān)的周向入射角ai及軸向入射角pi不同(根據(jù)式 (3 )設(shè)為可獲得與第2傷痕的延伸方向正交的超聲波傳播方向 Y的ai及pi),并且，使由上式(1 )確定的外表面折射角9r及由 上式(2)確定的內(nèi)表面折射角ek兩者分別同與一個(gè)振子組相關(guān)的er及ek大致相等，從而可選擇另 一個(gè)振子組中的各振子11,以獲得該ai及卩i。根據(jù)以上說(shuō)明的接收發(fā)送控制部件2 (控制電路23)的動(dòng) 作，對(duì)于第l傷痕及第2傷痕兩者，可以在使超聲波的傳播方向 y正交的同時(shí)、 -使折射角(er、 ek)大致恒定，從而無(wú)論各傷 痕的傾斜角度如何，都可以獲得相同的反射波強(qiáng)度。這樣，若 選擇與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的傾斜角度數(shù)量相同數(shù)量的振子組，并自該選擇的各振子組接收發(fā)送超聲波，則可以高精度地 探查具有各種傾斜角度的傷痕。另外，通過(guò)分別自選擇的各振 子組大致同時(shí)地接收發(fā)送超聲波，可以高速地探查具有各種傾 斜角度的傷痕。另外，在本實(shí)施方式的超聲波探傷裝置100中，由于使用在曲面上排列成矩陣狀(沿行方向在彎曲的圓筒上排列成矩陣 狀)的超聲波探頭l，因此，自各振子ll接收發(fā)送的超聲波的軸向入射角(3i由上述曲面的曲率半徑及各振子ll的位置確定。 因此，在選擇振子組時(shí)，從多個(gè)振子ll中僅選擇可獲得確定的 軸向入射角(3i的振子組即可。但是，本發(fā)明并不限定于此，也的各振子ll接收發(fā)送超聲波的時(shí)機(jī)進(jìn)行控制即可，從而自選擇 的振子組、以確定的軸向入射角(3i接收發(fā)送超聲波。如上所述，在本實(shí)施方式的超聲波探傷裝置100中，為了 簡(jiǎn)化電路構(gòu)造而降低制造成本，利用波形合成電路223合成由 各振子ll接收的反射波，根據(jù)該合成的反射波，由傷痕判定電 路3檢測(cè)傷痕。因此，作為較佳的構(gòu)造，本實(shí)施方式的接收發(fā) 送控制部件2 (控制電路23)控制上述一個(gè)振子組及上述另一 個(gè)振子組的超聲波發(fā)送時(shí)機(jī)或接收時(shí)機(jī)(設(shè)定對(duì)應(yīng)的延遲電路 212或延遲電路222的延遲時(shí)間)，從而使自上述一個(gè)振子組發(fā) 送來(lái)的超聲波在管P表面的反射波的接收時(shí)機(jī)、與自上述另一 個(gè)振子組發(fā)送來(lái)的超聲波在管P表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致 相同(例如，成為發(fā)送的超聲波的脈沖寬度以下的時(shí)間差)。由于利用這樣的較佳的裝置，使自 一個(gè)振子組發(fā)送的超聲 波在管P表面的反射波的接收時(shí)機(jī)、與自另 一個(gè)振子組發(fā)送的 超聲波在管P表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同，因此，即使 如上述那樣地利用波形合成電路223合成由各振子11 (各振子 組)接收的反射波，也會(huì)因由各振子組接收的管表面(內(nèi)外表 面)上的反射波連續(xù)或一部分重疊，而難以產(chǎn)生反射波整體寬 度擴(kuò)大這樣的狀況，可以減少管P內(nèi)外表面附近處的不靈敏區(qū)。 第2實(shí)施方式圖5是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的超聲波探傷裝置的概 略構(gòu)造的示意圖，圖5(a)表示立體圖，圖5(b)表示俯視圖， 圖5(c)表示側(cè)視圖，圖5(d)表示說(shuō)明圖。圖6是表示圖5所 示的超聲波探傷裝置的超聲波傳播動(dòng)作的說(shuō)明圖，圖6 ( a)表 示立體圖，圖6(b)表示管周向剖視圖，圖6(c)表示俯視圖， 圖6 ( d)表示沿超聲波傳播面(包括圖6 ( b)所示的點(diǎn)O、點(diǎn) A及點(diǎn)B在內(nèi)的面)的剖視圖。如圖5所示，與第l實(shí)施方式的超聲波探傷裝置100相同，本實(shí)施方式的超聲波探傷裝置100A用于對(duì)管P進(jìn)行超聲波探傷，包括超聲波探頭1A和對(duì)由超聲波探 頭1A接收發(fā)送超聲波進(jìn)行控制的接收發(fā)送控制部件2A。另夕卜， 與第l實(shí)施方式的超聲波探傷裝置100相同，本實(shí)施方式的超聲 波探傷裝置10 0 A還包括傷痕判定電路3和警報(bào)等輸出部件4;上 述傷痕判定電路3通過(guò)將來(lái)自管P的反射波的振幅與規(guī)定的閾 值比較，檢測(cè)出存在于管P中的傷痕；上述警報(bào)等輸出部件4用 于在由傷痕判定電路3檢測(cè)出傷痕的情況下，輸出規(guī)定的警報(bào) 等。另外，由于接收發(fā)送控制部件2A的機(jī)器構(gòu)造與第1實(shí)施方 式的超聲波探傷裝置100的接收發(fā)送控制部件2相同，因此，省 略其詳細(xì)說(shuō)明。超聲波探頭1A包括沿環(huán)形曲面排列的多個(gè)振子11 ，上述環(huán) 形曲面可這樣獲得以不通過(guò)規(guī)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心0、 且不夾著該旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O地相面對(duì)的、并且與該旋轉(zhuǎn) 橢圓體的旋轉(zhuǎn)軸正交的兩個(gè)平行的平面S1及S2，切斷該旋轉(zhuǎn)橢 圓體M(參照?qǐng)D5(c)、圖5(d))。于是，超聲波探頭1A與管P 相面對(duì)地配置，從而使超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑方向(圖5 (b)所 示的x方向)沿著管P的軸向，短徑方向(圖5 ( b )所示的y方 向)沿著管P的周向，并且上述旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O正對(duì)管P 的軸心。接收發(fā)送控制部件2A進(jìn)行動(dòng)作，從而自多個(gè)振子ll中的至 少兩個(gè)以上的振子11對(duì)管P接收發(fā)送超聲波。下面，參照?qǐng)D6說(shuō)明確定超聲波探頭1A的形狀(環(huán)形曲面 的形狀)的具體方法。如圖6所示，在確定超聲波探頭1A的形 狀時(shí)，通?？紤]，以使上述旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O位于管P的外 表面附近(因此，自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波以上述中心O為 入射點(diǎn)向管P中入射)的方式配置超聲波探頭1A。如圖6所示，由構(gòu)成超聲波探頭1A的各振子11發(fā)送來(lái)的超 聲波從管P外表面上的點(diǎn)O(旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O )入射之后，在管P內(nèi)表面上的點(diǎn)A反射，到達(dá)管P外表面上的點(diǎn)B。然后， 將自點(diǎn)O入射的超聲波的傳播方向(從包括入射點(diǎn)O在內(nèi)的管P 節(jié)平面的法線方向看到的傳播方向)與通過(guò)入射點(diǎn)O的管P的周 向切線L的夾角(傳播角度)設(shè)為y (以下，也適當(dāng)稱作"傳播 方向Y")，將點(diǎn)B的外表面折射角(在圖6 (d)所示的超聲波傳 播面上，管P的點(diǎn)B處的法線L1與超聲波光束U的夾角)設(shè)為er， 將點(diǎn)A的內(nèi)表面折射角(在圖6 (d)所示的超聲波傳播面上， 管P的點(diǎn)A處的法線L2與超聲波光束U的夾角)設(shè)為ek。另外， 將超聲波向管P入射的入射角(在圖6 ( d)所示的超聲波傳播 面上，管P的點(diǎn)0處的法線L3與入射的超聲波光束U的夾角)設(shè) 為0w，將超聲波在管P上的折射角(在圖6 ( d)所示的超聲波 傳播面上，管P的點(diǎn)0處的法線L3與入射后的超聲波光束U的夾角)設(shè)為es。以入射角es入射的超聲波表示幾何光學(xué)的傳播動(dòng)作。即， 以入射角es入射的超聲波以遵循斯內(nèi)爾定律確定的折射角es 向管p內(nèi)傳播。于是，如利用幾何學(xué)導(dǎo)出的那樣，外表面折射 角er與折射角es相等。即，下式(7)成立。[數(shù)12]sin0r=Vs/Vi'sin0w…(7)在此，在上式(7)中，Vs表示在管P中傳播的超聲波的傳 播速度，Vi表示填充于超聲波探頭1A與管P之間的接觸介質(zhì)中 的超聲波傳播速度。另一方面，如上式(7)及上式(3) ~ (6)導(dǎo)出的那樣， 以上式(2)表示的內(nèi)表面折射角ek是入射角8w、傳播角度y及管P的壁厚與外徑之比t/D的函數(shù)。于是，在超聲波傳播方向y與管P的軸向一致時(shí)(即，傳播角度丫=90°),內(nèi)表面折射角ek為最小值，與外表面折射角er (-折射角es)相等，在超聲波傳播方向y與管P的周向一致時(shí)(即，傳播角度丫=0°)，內(nèi)表面折射角ek為最大值，以下式(8)表示。[數(shù)13]<formula>formula see original document page 42</formula>…(8)
在此，若管P的壁厚與外徑之比為百分之幾左右，則利用上式(8)算出的內(nèi)表面折射角ek與外表面折射角er之差納入 在io。左右的范圍內(nèi)。因此，檢測(cè)沿管p的軸向延伸的內(nèi)表面?zhèn)?利用傳播方向Y與管P的周向一致的超聲波來(lái)檢測(cè))的情況的內(nèi)表面折射角ek、與檢測(cè)沿管p的軸向的內(nèi)表面?zhèn)?利用傳播方向Y與管P的軸向一致的超聲波來(lái)檢測(cè))的情況的內(nèi)表面 折射角ek ( = es)之差納入在io。左右的范圍內(nèi)，兩內(nèi)表面?zhèn)?痕的檢測(cè)能力不會(huì)產(chǎn)生明顯誤差。但是，在管P的t/D大于等 于15%時(shí)，利用上式(8)算出的內(nèi)表面折射角ek比外表面折 射角es大出2o。以上(即，通過(guò)將傳播方向Y由管P的軸向變?yōu)?周向，使內(nèi)表面折射角ek也增大2o。以上)，沿管p的軸向的內(nèi) 表面?zhèn)鄣臋z測(cè)能力大大降低。同樣，對(duì)于具有管p的軸向與 周向之間的傾斜角度的內(nèi)表面?zhèn)?，檢測(cè)能力也隨著內(nèi)表面折 射角ek的增加而降低。對(duì)于抑制以上說(shuō)明的與內(nèi)表面折射角ek的變動(dòng)相伴隨的 傷痕的檢測(cè)能力降低，相應(yīng)于超聲波的傳播方向y(即，相應(yīng)于 與超聲波的傳播方向Y正交的傷痕的傾斜角度)來(lái)改變(即，改 變?nèi)肷浣莈s)與各傳播方向Y相對(duì)應(yīng)的折射角es,從而使與各傳 播方向y相對(duì)應(yīng)的內(nèi)表面折射角ek成為大致恒定的值。因此，本實(shí)施方式的超聲波探頭1A設(shè)計(jì)為這樣的形狀根相應(yīng)于自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向Y,與各傳播方向y相對(duì)應(yīng)的入射角ew發(fā)生變化，從而使與各傳纟番方向Y相對(duì)應(yīng)的 內(nèi)表面折射角6k成為大致恒定的值。如上所述，超聲波探頭1A 包括沿環(huán)形曲面排列的多個(gè)振子ll，上述環(huán)形曲面可這樣獲 得以不通過(guò)規(guī)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O、且不夾著該旋轉(zhuǎn) 橢圓體M的中心O地相面對(duì)的、并且與該i走轉(zhuǎn)橢圓體的旋轉(zhuǎn)軸 正交的兩個(gè)平行的平面S1及S2 (參照?qǐng)D5 (c)、圖5(d)),切 斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體M。由此，自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播 方向y處于-180° ~ 180。的范圍內(nèi)。另夕卜，從旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中換言之，各振子ll的仰角由超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑、短徑及超聲 波探頭1A與上述旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O的距離確定，仰角根據(jù) 各振子ll的排列位置(根據(jù)自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播 方向Y)而不同。該仰角減去90。之后的角度相當(dāng)于入射角0w。 因此，本實(shí)施方式的超聲波探頭1A通過(guò)適當(dāng)設(shè)定超聲波探頭1A 的長(zhǎng)徑、短徑及超聲波探頭1A與上述旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心0的 距離，設(shè)定為這樣的形狀根據(jù)自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波的 傳播方向y,與各傳纟番方向y相對(duì)應(yīng)的入射角0w發(fā)生變化，從而使與各傳播方向y相對(duì)應(yīng)的內(nèi)表面折射角ek成為大致恒定的值。更加具體地說(shuō)明，如圖5所示，在將超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑 設(shè)為2x、短徑設(shè)為2y、超聲波探頭1A與旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心0 的距離(從旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心0到平面S1及S2的平均距離) 設(shè)為h時(shí)，自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子11發(fā)送來(lái)的入 射角6w(稱作ewl)與自位于超聲波探頭1A的短徑部的振子11 發(fā)送來(lái)的入射角6w (稱作ew2 )分別以下式(9 )及(10)表V 。[數(shù)14]<formula>formula see original document page 44</formula>9)<formula>formula see original document page 44</formula>)…(10)于是，根據(jù)探傷的管P的t / D來(lái)確定超聲波探頭1A的形狀 (x、 y及h ),從而使以上式(9 )及(10 )表示的入射角ewl 及8w2滿足下式(11 )。 [數(shù)15]sin0w2 = sin0w1'[1—2(t/D)l…(")通過(guò)使的入射角ewi及ew2滿足上式(ii),超聲波的傳播方向Y與管p的軸向一致的情況(自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子ii發(fā)送超聲波的情況)下的內(nèi)表面折射角ek、與超聲波的傳播方向Y與管P的周向 一 致的情況(自位于超聲波探頭1A的短徑部的振子ii發(fā)送超聲波的情況)下的內(nèi)表面折射角ek大致 相等。由此，在超聲波的傳播方向y處于管p的軸向與周向之間 的情況下，也可獲得大致相等的內(nèi)表面折射角ek。即，無(wú)論超聲波的傳播方向y處于-180°~ 180。范圍內(nèi)的任意處，都可獲得大致相等的內(nèi)表面折射角ek。另外，若入射角ewi及ew2滿足上式(ii)，則自位于超聲ek(以下，適當(dāng)稱作eki)、與自位于超聲波探頭iA的短徑部 的振子ii發(fā)送來(lái)的內(nèi)表面折射角ek (以下，適當(dāng)稱作ek2)大致相等的理由如下。在將自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子ii發(fā)送來(lái)的超聲波的折射角設(shè)為esi、自位于超聲波探頭iA的 短徑部的振子ii發(fā)送來(lái)的超聲波的折射角設(shè)為es2時(shí)，這些折射角esl及8s2遵循斯內(nèi)爾定律，分別以下式(12)及(13)表不。[數(shù)16]sin 0 s 1 = Vs/Vi ■ sin 0 w1…(1 2) sin0s2=Vs/Vi'sin0w2…(13)在此，在上式(12)及(13)中，Vs表示在管P中傳播的 超聲波(超聲橫波)的傳播速度，Vi表示填充于振子ll與管P 之間的接觸介質(zhì)中的超聲波(超聲縱波)的傳播速度。于是，由于自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子11發(fā)送來(lái) 的超聲波沿管P的軸向傳播，因此，參照?qǐng)D6而與上述內(nèi)容同樣地，在內(nèi)表面折射角eki與折射角esi之間，下式(14)的關(guān)系成立。另一方面，由于自位于超聲波探頭lA的短徑部的振子ll 發(fā)送來(lái)的超聲波沿管P的周向傳播，因此，與上式(8)同樣地，在內(nèi)表面折射角ek2與折射角es2之間，下式(15)的關(guān)系成立。[數(shù)17]0k1 = 0s1…(14)sin0k2 = sin0s2/{1—2(t/D))…(15)在此，在4吏6kl-6k2時(shí)，sin8kl - sin9k2成立。于是， 若將上式(15)及式(13)應(yīng)用于sinek2中，則下式(16)的 關(guān)系成立。[數(shù)18]sin 0 k1 二sin 0 k2=sin0s2/{1—2(t/D)} =Vs/Vi'sin0w2/{1—2(t/D))…(16)另一方面，若將上式(14)及式(12)應(yīng)用于sinekl中， 則下式(17)的關(guān)系成立。 [數(shù)19]sin 0 k1 =sin 0 s1=Vs/Vi-sin0w1…(17)因此，通過(guò)上式(16)及式(17)，下式(18)的關(guān)系成 立，若整理該式(18),則上式(11 )成立。即，在ekl = ek2 時(shí)，上式(11 )成立。[數(shù)20]Vs八i'sin0w2/H —2 (t/D)}-Vs八卜sin 0 w1 …(18)如上所述，在eki = ek2時(shí)，上式(ii)成立，反之，若滿 足上式(ii),則eki = ek2成立。換言之，若入射角ewi及ew2滿足上式(11 ),則自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子11發(fā)送來(lái)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek(eki)、與自位于超聲波探頭 iA的短徑部的振子ii發(fā)送來(lái)的內(nèi)表面折射角ek (ek2)大致相等。由于本實(shí)施方式的超聲波探頭1A的形狀如上述那樣地確 定，因此，可以在使自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向Y 與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的延伸方向正交的同時(shí)，使內(nèi)表面折射角ek大致恒定，從而無(wú)論各傷痕的傾斜角度如何，都可以獲得相同的反射波強(qiáng)度。這樣，若利用接收發(fā)送控制部件2A選擇與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的傾斜角度數(shù)量相同數(shù)量的振子ll,并自 該選擇的各振子ll接收發(fā)送超聲波，則可以高精度地探查具有 各種傾斜角度的傷痕。另外，滿足上式(ii)的入射角ewi及ew2的組合(即，x、y及h的組合)存在很多種，但為了與通常的斜角探傷同樣地使 向管P內(nèi)入射的超聲縱波稍少一些，確定超聲波探頭1A的形狀 (x、 y及h),從而至少使自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子ii (發(fā)送來(lái)的超聲波向管入射的入射角ew、且折射角es最大的46振子)發(fā)送來(lái)的超聲波以35。以上的橫波折射角6s向管P內(nèi)傳播 即可。在這種情況下，不僅考慮上述管P的壁厚外徑之比(t/ D),也考慮在管P中傳播的超聲波的傳播速度、以及填充于超 聲波探頭1A與管P之間的接觸介質(zhì)中的超聲波的傳播速度，從滿足上式(ll)的x、 y及h的組合中，選擇至少自位于超聲波 探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波以35°以上的橫波折 射角es向管P內(nèi)傳播的組合。即，較佳為，在以超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑方向沿著管P的軸 向、超聲波探頭1A的短徑方向沿著管P的周向、且上述旋轉(zhuǎn)橢 圓體M的中心O正對(duì)管P的軸心地位于管P的外表面附近的方式 配置超聲波探頭1A,使其與管P相面對(duì)的情況下，根據(jù)管P的 壁厚外徑之比(t/D)、在管P中傳播的超聲波的傳播速度、以 及填充于超聲波探頭1A與管P之間的接觸介質(zhì)中的超聲波的傳 播速度，設(shè)定超聲波探頭lA的長(zhǎng)徑2x、短徑2y及超聲波探頭1A 與上述旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O的距離h，從而使多個(gè)振子ll中 的、至少自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子11發(fā)送來(lái)的超聲 波以35°以上的橫波折射角es向管P內(nèi)傳播。采用如上述那樣地確定的較佳形狀的超聲波探頭1A,至少 對(duì)于自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子11發(fā)送來(lái)的超聲波 (即，向管P的軸向傳播的超聲波)，可以使超聲橫波向管P內(nèi) 傳播。本實(shí)施方式的超聲波探頭1A這樣地配置較佳，即，不僅在 確定上述形狀時(shí)，在實(shí)際探傷時(shí)，上述旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O 也位于管P的外表面附近。由于利用這樣的較佳的裝置，使自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲 波向管P入射的入射點(diǎn)大致一致(旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心O為入射 點(diǎn))，因此，可以在確定了超聲波探頭1A的形狀后獲得如預(yù)定好的那樣的超聲波傳播動(dòng)作(無(wú)論超聲波的傳播方向如何，內(nèi)表面折射角ek大致恒定)，而且可以高精度地探查具有各種傾斜角度的傷痕。另外，與第1實(shí)施方式的接收發(fā)送控制部件2相同，本實(shí)施 方式的超聲波探傷裝置11A的接收發(fā)送控制部件2A較佳為，控 制對(duì)管P接收發(fā)送超聲波的至少兩個(gè)以上的振子ll中的、 一個(gè) 振子ll及另 一個(gè)振子ll的超聲波發(fā)送時(shí)機(jī)或接收時(shí)機(jī)，從而使 自上述一個(gè)振子ll發(fā)送的超聲波在管P表面的反射波的接收時(shí) 機(jī)、與自上述另 一個(gè)振子ll發(fā)送的超聲波在管P表面的反射波 的接收時(shí)機(jī)大致相同(例如，成為發(fā)送的超聲波的脈沖寬度以 下的時(shí)間差)。由于利用這樣的較佳的裝置，使自 一個(gè)振子ll發(fā)送的超聲 波在管P表面的反射波的接收時(shí)機(jī)、與自另一個(gè)振子ll發(fā)送的 超聲波在管P表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同，因此，與第l 實(shí)施方式相同，即使利用波形合成電路(未圖示)合成由各振 子ll接收的反射波，也會(huì)因由各振子11接收的管P表面(內(nèi)夕卜 表面)上的反射波連續(xù)或一部分重疊，而難以產(chǎn)生反射波整體 寬度擴(kuò)大這樣的狀況，可以減少管P內(nèi)外表面附近處的不靈敏 區(qū)。另外，如上所述，本實(shí)施方式的超聲波探頭1A根據(jù)探傷的 管P的t/ D等來(lái)確定超聲波探頭1A的形狀(x、 y及h)。換言之， 適當(dāng)?shù)某暡ㄌ筋^lA的形狀根據(jù)探傷的管P的t/ D等而不同。 因此，對(duì)于具有多種多樣的t/D等的管，若不分別各自準(zhǔn)備適 當(dāng)形狀的超聲波探頭1A,則在這成本、維修這些點(diǎn)上存在問(wèn)題。為了解決這樣的問(wèn)題，較佳為，設(shè)置對(duì)自多個(gè)各振子ll向 管P發(fā)送來(lái)的超聲波的入射角6w進(jìn)行調(diào)整的調(diào)整部件。由此， 可獲得這樣的優(yōu)點(diǎn)即使是相同形狀(x、 y及h)的超聲波探頭1A,也可以對(duì)自多個(gè)各振子11向管P發(fā)送來(lái)的超聲波的入射 角6W進(jìn)行微調(diào)，從而可以在使自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波的傳 播方向y與作為;f全測(cè)對(duì)象的傷痕的延伸方向正交的同時(shí)，使內(nèi)表面折射角ek大致恒定，因此，不需要根據(jù)管p的t/D等準(zhǔn)備多種多樣的形狀的超聲波探頭1A,成本、維修性能優(yōu)良。作為上述調(diào)整部件，例如，可以采用機(jī)械偏角機(jī)構(gòu)。此外，如圖5 ( a)所示，多個(gè)振子ll分別包括沿各振子ll的徑向被分 割成長(zhǎng)方形的多個(gè)壓電元件，上述調(diào)整部件(例如，接收發(fā)送 控制部件2A起到上述調(diào)整部件的作用)也可以通過(guò)電氣控制由 多個(gè)壓電元件ll接收發(fā)送超聲波的時(shí)機(jī)，來(lái)調(diào)整向管P發(fā)送的 超聲波的入射角0w。與釆用機(jī)械偏角機(jī)構(gòu)的情況相比，在這種情況下，可以容易且再現(xiàn)性良好地調(diào)整入射角ew。另外，采用本實(shí)施方式的超聲波探頭1A的形狀，可以使內(nèi) 表面折射角ek大致恒定，但外表面折射角6r相應(yīng)于傳播方向y 而發(fā)生變化。換言之，本實(shí)施方式的超聲波探頭1A做成適合高 精度地探查具有各種傾斜角度的內(nèi)表面?zhèn)鄣男螤睢Ｏ鄬?duì)于此， 為了高精度地探查具有各種角度的外表面?zhèn)郏枰獰o(wú)論各傷 痕的傾斜角度如何(即，無(wú)論超聲波的傳播方向y如何)，都使外表面折射角er大致恒定。如上所述，由于外表面折射角er與折射角es相等，則只要是無(wú)論傳播方向y如何、都使這樣的折射 角es大致恒定即可，因此，無(wú)論傳播方向Y如何，使入射角ew 大致恒定即可。為了無(wú)論超聲波的傳播方向Y如何都使入射角ew大致恒定，將超聲波探頭的長(zhǎng)徑(2x)和短徑(2y )的長(zhǎng)度設(shè)定為大致相等的值即可。即，設(shè)定為在使上述旋轉(zhuǎn)橢圓體為 球體的情況下獲得的形狀即可。采用這樣的形狀的超聲波探頭， 可以無(wú)論傳播方向y如何都使折射角e s大致恒定，從而可以高精 度地探查具有各種傾斜角度的外表面?zhèn)邸Ｓ谑?，根?jù)管P中的傷痕的主要檢測(cè)對(duì)象為內(nèi)表面?zhèn)刍?者外表面?zhèn)?，?lái)選擇適合檢測(cè)各傷痕的超聲波探頭的形狀即 可。或者，在需要同時(shí)檢測(cè)內(nèi)表面?zhèn)奂巴獗砻鎮(zhèn)蹆烧叩那?況下，做成這樣的形狀即可，即，具有滿足適合檢測(cè)內(nèi)表面?zhèn)?痕的式(11)的超聲波探頭的形狀(x、 y及h)、與滿足適合檢測(cè)外表面?zhèn)鄣膞- y的超聲波探頭的形狀的大致中間的x、 y值 的形狀。下面，通過(guò)表示實(shí)施例及比較例進(jìn)一步明確本發(fā)明的特征。 實(shí)施例l (參照?qǐng)D3)利用具有圖3所示的概略構(gòu)造的超聲波探傷裝置100,對(duì)形 成于鋼管內(nèi)表面的、具有各不相同的傾斜角度(相對(duì)于鋼管軸 向的傾斜角度為0。、 10。、 20。、 30°、 45°)的多個(gè)內(nèi)表面?zhèn)?(深0.5mm x長(zhǎng)25.4mm )實(shí)施探傷試驗(yàn)。在此，超聲波探頭l 為，將長(zhǎng)5mm x寬3mm、振蕩頻率為2MHz的多個(gè)(30個(gè))振 子ll沿行方向在以200mm的曲率半徑彎曲的圓筒上排列成矩 陣狀(10行x3列)。下面，將排列于第1列的振子11稱作#1~ #10,將排列于第2列的振子11稱作#11~#20，將排列于第3列 的#展子11牙爾<乍弁21~弁30。表l表示在調(diào)整超聲波探頭l的偏心量(即，調(diào)整振子弁1的 周向入射角ai)、以使第1列振子#1最適合檢測(cè)傾斜角度為0。的 內(nèi)表面?zhèn)鄣那闆r下，自該振子#1及其他振子#2~ #30發(fā)送來(lái) 的超聲波的軸向入射角(3i、超聲波的傳播方向y、以及內(nèi)表面折 射角9k。表l在此，上述專利文獻(xiàn)2所述的方法為，例如，僅使用第l列的振子#1 ~ #10或者第2歹'J的振子#11 ~ #20或者第3歹寸的振子 #21~#30 (在使周向入射角ai恒定的條件下)，改變軸向入射 角卩i,由此，改變傾斜方向y。但是，如表l明示的那樣，在僅 使用同列的振子ll來(lái)改變傾斜方向y的情況下，內(nèi)表面折射角 ek也發(fā)生變化，由此，傷痕檢測(cè)能力也發(fā)生變化。相對(duì)于此，在本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100中，接收發(fā) 送控制部件2進(jìn)行動(dòng)作，從而從排列成矩陣狀的多個(gè)振子11中、 選擇包括排列于第l列的至少一個(gè)振子ll在內(nèi)的一個(gè)振子組 (在本實(shí)施例中為振子#1及#3 )，自該選擇的一個(gè)振子組沿鋼 管內(nèi)的一個(gè)傳播方向接收發(fā)送超聲波。另外，控制電路23進(jìn)行 動(dòng)作，從而從排列成矩陣狀的多個(gè)振子ll中、選擇包括與構(gòu)成 上述振子組的振子ll的行方向及列方向位置不同的至少一個(gè) 振子在內(nèi)的另一個(gè)振子組(在本實(shí)施例中，為由第2列振子#15 及#17構(gòu)成的振子組和由第3列振子#30構(gòu)成的振子組)，自該選 擇的另 一個(gè)振子組沿鋼管內(nèi)的另 一個(gè)傳播方向接收發(fā)送超聲 波。更加具體地說(shuō)明，本實(shí)施例的接收發(fā)送控制部件2進(jìn)行動(dòng) 作，從而(1 )為了檢測(cè)傾斜角度為0。的內(nèi)表面?zhèn)郏x擇第l 列的振子弁1; (2)為了檢測(cè)傾斜角度為10。的內(nèi)表面?zhèn)郏x 擇第l列的振子弁3; ( 3)為了檢測(cè)傾斜角度為20。的內(nèi)表面?zhèn)郏?選擇第2列的振子#15; (4)為了檢測(cè)傾斜角度為30。的內(nèi)表面?zhèn)?，選擇第2列的振子弁17; ( 5)為了檢測(cè)傾斜角度為45。的 內(nèi)表面?zhèn)郏x擇第3列的振子#30;自各選擇的振子#1、 #3、 #15、 #17及#30大致同時(shí)接收發(fā)送超聲波。由此，如表l明示的那樣，對(duì)于具有各不相同的傾斜角度 的各內(nèi)表面?zhèn)?，在使超聲波的傳播方向Y與其正交(使y的值 與作為檢測(cè)對(duì)象的內(nèi)表面?zhèn)鄣膬A斜角度大致相同)的同時(shí)， 使內(nèi)表面折射角ek為大致恒定的值(約40°)。圖7表示通過(guò)由本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100進(jìn)行探傷 試驗(yàn)而獲得的、在各內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度(將傾斜角度 為0。的內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度設(shè)為OdB時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度)。另 外，在圖7中，作為比較例也表示了在如下的情況下獲得的、 在各內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度。該情況為，通過(guò)在使周向入 射角ai恒定的條件下(排列于同列的振子ll)僅改變軸向入射 角卩i,使超聲波的傳播方向Y與各內(nèi)表面?zhèn)壅?。如圖7所示， 可明確，相對(duì)于在比較例中，隨著傷痕傾斜角度的增大，反射 波強(qiáng)度降低、且傷痕檢測(cè)能力降低，在本實(shí)施例中，對(duì)于到傾 斜角度為0。~ 45。的內(nèi)表面?zhèn)?，可獲得大致相等的反射波強(qiáng) 度，而且可獲得大致恒定的傷痕檢測(cè)能力。另外，在本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100中，為了簡(jiǎn)化電 路構(gòu)造而降低制造成本，利用波形合成電路223合成由各振子 11 (4展子#1、弁3、 #15、 #17及弁30)牙秦JR的反射波，才艮據(jù)該合 成的反射波，由傷痕判定電路3檢測(cè)傷痕。于是，本實(shí)施方式 的接收發(fā)送控制部件2控制各振子11發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)使自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波在鋼管表面的反射波的接收時(shí) 機(jī)大致相同(例如，成為發(fā)送來(lái)的超聲波的脈沖寬度以下的時(shí) 間差)。圖8表示這樣的波形例子，即，在不控制振子#1及#30發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)地，自振子#1及#30大致同時(shí)發(fā)送超聲波 的情況下，通過(guò)由波形合成電路223合成分別由振子#1及#30 接收的反射波(分別由振子#1及#30在鋼管表面(外表面)接 收的反射波，以及來(lái)自由振子#30檢測(cè)出的、傾斜角度為45。的 內(nèi)表面?zhèn)鄣姆瓷洳?傷痕反射波))而獲得。在圖8中，波形 El相當(dāng)于由振子#30接收的鋼管表面的反射波，波形E2相當(dāng)于 由振子#1接收的鋼管表面的反射波。如圖8所示，若不控制振 子#1及#30發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)，則波形E1與波形E2連續(xù) 或一部分重疊，使鋼管外表面的反射波整體寬度擴(kuò)大，從而使 鋼管外表面附近處的不靈敏區(qū)增大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于， 到自振子#1發(fā)送來(lái)的超聲波到達(dá)鋼管外表面為止的光束路程、 與到自振子#30發(fā)送來(lái)的超聲波到達(dá)鋼管外表面為止的光束路 程不同。相對(duì)于此，如上所述，由于本實(shí)施例的接收發(fā)送控制部件 2控制各振子11發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)，從而使自各振子11 發(fā)送來(lái)的超聲波在鋼管表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同，因 此，與圖8所示的情況相比，可以減少不靈敏區(qū)。圖9是表示在 利用本實(shí)施例的接收發(fā)送控制部件2使振子#30的發(fā)送時(shí)機(jī)相 對(duì)于振子#1延遲規(guī)定時(shí)間之后、通過(guò)由波形合成電路223合成 分別由振子#1及#30接收的反射波而獲得的波形。如圖9所示， 通過(guò)利用本實(shí)施例的接收發(fā)送控制部件2使振子# 3 0的發(fā)送時(shí) 機(jī)相對(duì)于振子#1延遲規(guī)定時(shí)間，成為圖8所示的波形E1與波形 E2大致完全重合的狀態(tài)?？芍?，圖9所示的波形E1及E2的合成 波形(El + E2 )的寬度雖然比圖8所示的波形E1的寬度大一些， 但與圖8所示的不靈敏區(qū)相比，可以減少至約l / 3以下。實(shí)施例2 (參照?qǐng)D5)利用具有圖5所示的概略構(gòu)造的超聲波探傷裝置100A,對(duì)形成于鋼管(t/d=n%)內(nèi)表面的、具有各不相同的傾斜角度的多個(gè)內(nèi)表面?zhèn)?深0.5mm x長(zhǎng)25.4mm)實(shí)施探傷試驗(yàn)。 在此，超聲波探頭1A為，將長(zhǎng)5mm x寬3mm、振蕩頻率為2MHz 的多個(gè)(3兩個(gè))振子ll沿環(huán)形曲面排列，該環(huán)形曲面是以不 通過(guò)規(guī)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中心0、且不夾著該旋轉(zhuǎn)橢圓體M 的中心O地相面對(duì)的、并且與該旋轉(zhuǎn)橢圓體的旋轉(zhuǎn)軸正交的兩 個(gè)平行的平面S1及S2，切斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體M而獲得的曲面。超 聲波探頭1A的形狀確定為以上式(9)表示的入射角ewl約為 18°,以上式(10)表示的入射角9w2約為14。。這樣的入射角ewi及ew2滿足上式(ii)。在在以超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑方向沿著鋼管的軸向、超聲波 探頭1A的短徑方向沿著鋼管的周向、且上述旋轉(zhuǎn)橢圓體M的中 心o正對(duì)鋼管的軸心地位于鋼管的外表面附近的方式配置超聲 波探頭1A,使其與鋼管相面對(duì)的情況下，進(jìn)行探傷試驗(yàn)。另外， 使用水來(lái)作為填充于超聲波探頭1A與鋼管之間的接觸介質(zhì)。在此，由于鋼管內(nèi)的超聲波(超聲橫波)傳播速度為3200m /sec,作為接觸介質(zhì)的水中的超聲波(超聲縱波)傳播速度為 1500m/sec,因此，自位于超聲波探頭1A的長(zhǎng)徑部的振子11 發(fā)送來(lái)的超聲波的折射角(與入射角6wl對(duì)應(yīng)的折射角)es(稱 作0sl )約為41。，自位于超聲波探頭1A的短徑部的振子11發(fā)送來(lái)的超聲波的折射角(與入射角ew2對(duì)應(yīng)的折射角)es (稱作0s2)約為31°。如上所述，超聲波的外表面折射角er與折射角esi及es2相 等，另一方面，超聲波的內(nèi)表面折射角ek以入射角ew、傳播方向y及管p的t/d的函數(shù)表示。即，在傳播方向y與鋼管的軸向一致時(shí)，內(nèi)表面折射角ek為最小值，與折射角esi相等。即，內(nèi)表面折射角ek約為41。。隨著傳播方向Y自鋼管的軸向朝向周向偏轉(zhuǎn)，折射角es通常變大，在傳播方向Y與周向一致時(shí)，內(nèi) 表面折射角ek為最大值，以上式(8)表示。在本實(shí)施例的情況下，通過(guò)向式(8)中代入t/D^ 11%、 6s ( 6s2) =31。， 該內(nèi)表面折射角ek成為約41°,同傳播方向y與鋼管的軸向一致時(shí)的內(nèi)表面折射角ek的值相等。由此，即使在超聲波的傳播方向y處于鋼管的軸向與周向之間的情況下，也可獲得大致相等的 內(nèi)表面折射角ek。即，無(wú)論超聲波的傳播方向Y處于-180°~180°范圍內(nèi)的任意處，都可獲得大致相等的內(nèi)表面折射角ek。由于本實(shí)施例的超聲波探頭1A的形狀如上述那樣地確定， 因此，可以在使自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向Y與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的延伸方向正交的同時(shí)，無(wú)論傷痕的傾斜角度 如何，都使內(nèi)表面折射角ek大致恒定。圖IO表示通過(guò)由本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100A進(jìn)行探傷試驗(yàn)而獲得的、在各內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度(將傾斜角度為0。的內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度設(shè)為OdB時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度)。 如圖10所示，可知，采用本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100A,對(duì) 于到傾斜角度為-67.5。 ~ 90°的內(nèi)表面?zhèn)?，可獲得大致相等 的反射波強(qiáng)度，而且可獲得大致恒定的傷痕檢測(cè)能力。另外，與實(shí)施例l的超聲波探傷裝置100相同，本實(shí)施例的 超聲波探傷裝置IOOA若也采用接收發(fā)送控制部件2控制各振子 ll發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)、以使自各振子ll發(fā)送來(lái)的超聲波 在鋼管表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同的構(gòu)造，則可以高速 地探查具有各種傾斜角度的傷痕，并且，可以減少鋼管表面附 近處的不靈敏區(qū)。實(shí)施例3 (參照?qǐng)D5)在具有圖5所示的概略構(gòu)造的超聲波探傷裝置100A中，實(shí)施與實(shí)施例2相同的探傷試驗(yàn)。但是，試驗(yàn)條件的不同點(diǎn)在于， 分別由沿各振子ll的徑向被分割為長(zhǎng)方形的8個(gè)壓電元件lll構(gòu)成超聲波探頭1A所具有的多個(gè)振子ll,以及不僅是t/ D為 11%的鋼管，將t / D為5%及14%的鋼管也作為探傷件。與實(shí)施例2相同，超聲波探頭lA的形狀確定為最適合t/ D =11%的鋼管，另一方面，通過(guò)利用接收發(fā)送控制部件2A電氣 控制由多個(gè)壓電元件lll接收發(fā)送超聲波的時(shí)機(jī)，使得對(duì)于t/ D為其他值的鋼管也可獲得大致相等的傷痕檢測(cè)能力，調(diào)整向 鋼管發(fā)送超聲波的入射角ew。圖ll表示通過(guò)由本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100A進(jìn)行探 傷試驗(yàn)而獲得的、在形成于各t / D的鋼管中的各內(nèi)表面?zhèn)厶?的反射波強(qiáng)度(將形成于t/ D = 11%的鋼管中的、傾斜角度為 0 。的內(nèi)表面?zhèn)厶幍姆瓷洳◤?qiáng)度設(shè)為0 d B時(shí)的相對(duì)強(qiáng)度)。如圖 ll所示，可知，采用本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100A,對(duì)于t / D為5% ~ 14%的鋼管中的、傾斜角度為-67.5。 ~ 90°的內(nèi)表 面?zhèn)?，可獲得大致相等的反射波強(qiáng)度，而且可獲得大致恒定 的傷痕檢測(cè)能力。實(shí)施例4本實(shí)施例是上述實(shí)施例2的變形例，對(duì)形成于鋼管(t/D =11%)內(nèi)表面的內(nèi)表面?zhèn)蹖?shí)施探傷試驗(yàn)。圖12是表示本實(shí) 施例的超聲波探傷裝置100B的概略構(gòu)造的圖，圖12 ( a)表示 主視剖視圖，圖12(b)表示俯視圖，圖12(c)表示側(cè)視剖視 圖。如圖12所示，本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100B包括超聲波 探頭1B、殼體5和軟管6;上述超聲波探頭1B具有振蕩頻率為 5MHz的4個(gè)振子(斜角振子)IIA、 IIB、 IIC、 IID、以及振 蕩頻率為5MHz的垂直探頭12;上述殼體5為丙烯制，安裝有這 些振子11A 11D及垂直探頭12;上述軟管6為軟質(zhì)性，安裝于殼體5的前端部。另外，與實(shí)施例2相同，本實(shí)施例的超聲波才笨傷裝置100B也包括控制由超聲波探頭1B接收發(fā)送超聲波的接 收發(fā)送控制部件(參照?qǐng)D5所示的接收發(fā)送控制部件2A )。另夕卜， 還包括傷痕判定電路3和警報(bào)等輸出部件4;上述傷痕判定電路 3通過(guò)將來(lái)自鋼管P的反射波的振幅與規(guī)定的閾值比較，檢測(cè)出 存在于鋼管P中的傷痕(參照?qǐng)D5 );上述警報(bào)等輸出部件4用于 在由傷痕判定電路3檢測(cè)出傷痕的情況下，輸出規(guī)定的警報(bào)等 (參照?qǐng)D5)。另外，由于本實(shí)施例的接收發(fā)送控制部件的機(jī)器 構(gòu)造與圖3所示的接收發(fā)送控制部件2相同，因此，省略其詳細(xì) 說(shuō)明。與實(shí)施例2相同，超聲波探頭1B所具有的4個(gè)振子11A IID的這些振動(dòng)面SA ~ SD沿著環(huán)形曲面地配置，該環(huán)形曲面可 這樣獲得以不通過(guò)規(guī)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心O、且不夾著該 旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心O地相面對(duì)的、并且與該旋轉(zhuǎn)橢圓體的旋轉(zhuǎn) 軸正交的兩個(gè)平行的平面S1及S2，切斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心 0。更加具體地講，振子11A及11B沿超聲波探頭1B的長(zhǎng)徑方向 (環(huán)形曲面的長(zhǎng)徑方向，圖12 (b)所示的x方向)配置，使得 以上式(9)表示的入射角ewl約為18。，振子11C及11D沿超聲 波探頭1B的短徑方向(環(huán)形曲面的短徑方向，圖12 (b)所示 的y方向)配置，使得以上式(9)表示的入射角6w2約為14°。 這些入射角ewl及6w2滿足上式(11)。超聲波探頭1B所具有的垂直探頭12的振動(dòng)面SO沿著通過(guò) 上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心0 、且與上述兩個(gè)平行的平面正交的直 線L (相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)橢圓體的旋轉(zhuǎn)軸)地(在圖12所示的例子中， 為旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心O正上方)配置。由此，具有這樣的優(yōu)點(diǎn) 可以在由振子11A IID進(jìn)行探傷的同時(shí)，由垂直探頭12對(duì)鋼 管P進(jìn)行壁厚測(cè)定和夾層檢測(cè)等。于是，在以超聲波探頭1B的長(zhǎng)徑方向沿著鋼管P的軸向、 超聲波探頭1B的短徑方向沿著鋼管P的周向、且上述旋轉(zhuǎn)橢圓 體的中心O正對(duì)鋼管P的軸心地位于鋼管P的外表面附近的方 式配置超聲波探頭1B,使其與鋼管P相面對(duì)的情況下，進(jìn)行探傷試驗(yàn)。另外，通過(guò)自設(shè)置于殼體5的側(cè)壁的供水口51向殼體5 內(nèi)部供水，向超聲波探頭1A與鋼管之間填充作為接觸介質(zhì)的水。在此，與實(shí)施例2中說(shuō)明的內(nèi)容相同，由于鋼管內(nèi)的超聲 波(超聲橫波)傳播速度為3200m/ sec,作為接觸介質(zhì)的水中 的超聲波(超聲縱波)傳播速度為1500m/sec,因此，自位于 超聲波探頭1B的長(zhǎng)徑部的振子11A、 IIB發(fā)送來(lái)的超聲波的折射角(與入射角ewi對(duì)應(yīng)的折射角)es (稱作esi)約為4工。，自位于超聲波探頭1B的短徑部的振子11C、 IID發(fā)送來(lái)的超聲 波的折射角(與入射角ew2對(duì)應(yīng)的折射角)6s (稱作9s2)約為 31。。于是，如上所述，超聲波的外表面折射角er與折射角esi 及es2相等，另一方面，內(nèi)表面折射角ek以入射角ew、傳播方向y及鋼管P的t/D的函數(shù)表示。即，在傳播方向y與鋼管P的軸向一致時(shí)，內(nèi)表面折射角ek為最小值，與折射角esi相等。即，與振子11A、 IIB相關(guān)的內(nèi)表面折射角ek約為41。。隨著傳播方向Y自鋼管P的軸向朝向周向偏轉(zhuǎn)，折射角es通常變大，在傳播 方向Y與鋼管P周向一致時(shí)，內(nèi)表面折射角ek為最大值，以上式(8)表示。在本實(shí)施例的情況下，通過(guò)向式(8)中代入t/ D=ii%、 es(es2) =3i。，與振子iic、 iiD相關(guān)的內(nèi)表面折射角ek成為約41° ，同傳播方向y與鋼管P的軸向 一致時(shí)的內(nèi)表面折射角ek的值相等。由于本實(shí)施例的超聲波探頭1B的形狀(振子11A IID的配置條件)如上述那樣地確定，因此，可以在使自各振子11A 11D發(fā)送來(lái)的超聲波的傳播方向y與作為檢測(cè)對(duì)象的傷痕的延伸方向正交的同時(shí)，無(wú)論傷痕的傾斜角度如何，都使內(nèi)表面折 射角ek大致恒定。換言之，由沿鋼管P的軸向配置的振子11A、 IIB高精度地 檢測(cè)沿鋼管P的周向延伸的傷痕，由沿鋼管P的周向配置的振子 IIC、 11D高精度地檢測(cè)沿鋼管P的軸向延伸的傷痕。另外，在本實(shí)施例中，使鋼管P沿周向旋轉(zhuǎn)、并沿軸向移 動(dòng)地進(jìn)行超聲波探傷。于是，較佳為，超聲波探傷裝置100B包 括追蹤裝置，該追蹤裝置使超聲波探頭1B在與鋼管P的軸向正 交的平面內(nèi)相對(duì)于鋼管P的相對(duì)位置大致保持恒定。下面，適 當(dāng)參照?qǐng)D13更加具體地進(jìn)行說(shuō)明。圖13是表示本實(shí)施方式的超聲波探傷裝置100B所具有的 追蹤裝置的概略枸造的圖。如圖13所示，本實(shí)施例的追蹤裝置 7包括測(cè)定到鋼管P的距離的l個(gè)以上(本實(shí)施例中為兩個(gè))的 非接觸式位移儀(例如，激光位移儀，渦流式位移儀，超聲波 位移儀等)71A、 71B、使超聲波探頭1B沿與鋼管P的軸向正交 的兩個(gè)軸向(本實(shí)施例中為垂直方向(Z方向)及水平方向(Y 方向))移動(dòng)的定位機(jī)構(gòu)(本實(shí)施例中為液壓缸體)72A、 72B、 和控制定位機(jī)構(gòu)72A、 72B的定位控制部件(本實(shí)施例中為液 壓控制器)73A、 73B。在本實(shí)施例中，采用這樣的構(gòu)造由非接觸式位移儀71A 測(cè)定的距離通過(guò)位移儀增幅器7 4 A輸入到定位控制部件7 3 A, 由非接觸式位移儀71B測(cè)定的距離通過(guò)位移儀增幅器7 4 B輸入 到定位控制部件73B。然后，定位控制部件73A根據(jù)自非接觸 式位移儀71A (位移儀增幅器74A)輸入的距離測(cè)定值來(lái)控制 定位機(jī)構(gòu)72A (調(diào)整超聲波探頭1B沿Z方向的位置)，使得超聲波探頭1B相對(duì)于鋼管P的相對(duì)位置大致恒定。定位控制部件73B根據(jù)自非接觸式位移儀71B (位移儀增幅器74B )輸入的距 離測(cè)定值來(lái)控制定位機(jī)構(gòu)72B (調(diào)整超聲波探頭1B沿Y方向的 位置)，使得超聲波探頭1B相對(duì)于鋼管P的相對(duì)位置大致恒定。 更加具體地說(shuō)明，由非接觸式位移儀71A、 71B進(jìn)行的到 鋼管P外表面的距離測(cè)定，可在實(shí)施探傷試驗(yàn)時(shí)始終連續(xù)進(jìn)行。 然后，定位控制部件73A驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72A，從而使自非接觸 式位移儀71A輸入的距離測(cè)定值與預(yù)先設(shè)定好的基準(zhǔn)距離的偏 差為零。換言之，定位控制部件73A驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72A，使超 聲波探頭1B沿Z方向移動(dòng)相當(dāng)于上述偏差的距離。此時(shí)，定位 控制部件73A隨時(shí)測(cè)定定位機(jī)構(gòu)72A的驅(qū)動(dòng)量(超聲波探頭1B 沿Z方向的移動(dòng)距離)的實(shí)績(jī)值，驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72A,直到該測(cè)定的實(shí)績(jī)值與上述偏差相等為止，從而提高位置精度。另外， 在由非接觸式位移儀71A測(cè)定了距離的鋼管P的部位經(jīng)過(guò)規(guī)定 時(shí)間(由鋼管P的外徑、旋轉(zhuǎn)速度算出)之后、到達(dá)配置有超 聲波探頭1B的位置(即，旋轉(zhuǎn)180。之后的位置)的時(shí)機(jī)實(shí)施由 定位控制部件73A驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72A。同樣，定位控制部件73B驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72B,從而使自非 接觸式位移儀71B輸入的距離測(cè)定值與預(yù)先設(shè)定好的基準(zhǔn)距離 的偏差為零。換言之，定位控制部件73B驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72B， 使超聲波探頭1B沿Y方向移動(dòng)相當(dāng)于上述偏差的距離。此時(shí)， 定位控制部件73B隨時(shí)測(cè)定定位機(jī)構(gòu)72B的驅(qū)動(dòng)量(超聲波探 頭1B沿Y方向的移動(dòng)距離)的實(shí)績(jī)值，驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72B,直 到該測(cè)定的實(shí)績(jī)值與上述偏差相等為止，從而提高位置精度。 另外，由定位控制部件73B驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)72B在由非接觸式位 移儀71B測(cè)定了距離的鋼管P的部位經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間(由鋼管P的 外徑、旋轉(zhuǎn)速度算出)之后、到達(dá)旋轉(zhuǎn)180。之后的位置的時(shí)機(jī)實(shí)施。另外，在本實(shí)施例中對(duì)根據(jù)由非接觸式位移儀71A測(cè)定的距離來(lái)調(diào)整超聲波探頭1B沿Z方向的位置、根據(jù)由非接觸式位 移儀71B測(cè)定的距離來(lái)調(diào)整超聲波探頭1B沿Y方向的位置的構(gòu) 造進(jìn)行了說(shuō)明，但并不限定于此。例如，也可以采用這樣的構(gòu) 造在由非接觸式位移儀71A測(cè)定了距離的鋼管P的部位到達(dá)旋 轉(zhuǎn)90°之后的位置的時(shí)機(jī)，根據(jù)由非接觸式位移儀71 A測(cè)定的距 離來(lái)調(diào)整超聲波探頭1B沿Y方向的位置，在由非接觸式位移儀 71B測(cè)定了距離的鋼管P的部位到達(dá)旋轉(zhuǎn)90。之后的位置的時(shí) 機(jī)，根據(jù)由非接觸式位移儀71B測(cè)定的距離來(lái)調(diào)整超聲波探頭 1B沿Z方向的位置。如上所述，由于本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100B包括作為 優(yōu)選構(gòu)造的追蹤裝置7，因此，即使鋼管P截面形狀不是正圓形、 或者沿軸向產(chǎn)生彎曲，也可以通過(guò)追蹤裝置7使超聲波探頭1B 相對(duì)于鋼管P的相對(duì)位置大致保持恒定。因此，可抑制超聲波 自超聲波探頭1B的各振子11A IID向鋼管P入射的入射角產(chǎn) 生變動(dòng)，并使傷痕檢測(cè)能力大致保持恒定。在此，本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100B也與實(shí)施例l、 2 中的超聲波探傷裝置相同，接收發(fā)送控制部件控制各振子 11A~ IID發(fā)送或接收超聲波的時(shí)機(jī)，以使自各振子11A 11D 發(fā)送來(lái)的超聲波在鋼管表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同。于 是，與實(shí)施例l、 2中的超聲波探傷裝置相同，合成由各振子 11A~ IID接收的反射波，根據(jù)該合成的反射波檢測(cè)傷痕。因 此，可以大致同時(shí)才企測(cè)4個(gè)方向的傷痕。由此，與以往實(shí)施的 分時(shí)段探傷(由振子11A進(jìn)行探傷—由振子11B進(jìn)行探傷—由振 子11C進(jìn)行探傷—由振子11D進(jìn)行探傷—由振子11A進(jìn)行探傷 —之后，重復(fù)進(jìn)行)相比，可以將探傷速度提高4倍。圖14是表示在本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100B中，僅由振子11A接收發(fā)送超聲波的情況下獲得的探傷波形(由振子11A 接收的反射波的波形)的一個(gè)例子。圖15是表示在本實(shí)施例的 超聲波探傷裝置100B中，控制為各振子11A IID的接收時(shí)機(jī) 大致相同地、由各振子11A IID接收發(fā)送超聲波的情況下獲 得的探傷波形(合成由振子11A IID接收的反射波的波形) 的一個(gè)例子。若與進(jìn)行通常的斜角探傷時(shí)獲得的探傷波形相比,在圖14 所示的探傷波形中，存在出現(xiàn)了形狀信號(hào)E的特征。另外，在 圖15所示的波形中，在形狀波形E的基礎(chǔ)之上，存在出現(xiàn)了表 面反射信號(hào)S的特征。這些形狀信號(hào)E及表面反射信號(hào)S的出現(xiàn) 的原因在于，將兩個(gè)振子相面對(duì)地配置。即，原因在于，對(duì)于 圖12所示的直線L,將振子11A與11B配置為線對(duì)稱，將振子11C 與IID配置為線對(duì)稱。更加具體地說(shuō)明，如圖16所示，形狀信號(hào)E相當(dāng)于例如， 自振子11B發(fā)送來(lái)的超聲波被鋼管P的外表面反射、進(jìn)一步被相 面對(duì)地配置的振子11A反射、再次被鋼管P的外表面反射而由振 子11B接收的反射波。另外，表面反射信號(hào)S相當(dāng)于例如，自振 子11B發(fā)送來(lái)的超聲波被鋼管P的外表面反射而由相面對(duì)地配 置的振子11 A接收的反射波。如上所述，在利用本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100B獲得的 探傷波形中，出現(xiàn)了這些形狀信號(hào)E及表面反射信號(hào)S這樣的固 定信號(hào)(無(wú)論是否產(chǎn)生傷痕，都會(huì)出現(xiàn)的信號(hào))。但是，在維持 以旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心O正對(duì)鋼管P的軸心地位于鋼管P的外表 面附近的方式配置超聲波探頭1B這樣的條件的同時(shí)，調(diào)整超聲 波探頭lB距旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心O的距離h (參照?qǐng)D5),從而可 以在表面反射信號(hào)S與形狀信號(hào)E之間出現(xiàn)內(nèi)外表面的傷痕信號(hào)，因此，可以與以往的斜角探傷同樣地進(jìn)行檢測(cè)。在此，控制為自各振子11A IID發(fā)送來(lái)的超聲波在鋼管P表面的反射波的4妻收時(shí)機(jī)大致相同的例由如下。 即，為了使這些信號(hào)大致同時(shí)出現(xiàn)，(1 )通過(guò)由振子11B接收自振子11A發(fā)送來(lái)的超聲波而產(chǎn) 生的表面反射信號(hào)；(2)通過(guò)由振子11A接收自振子11B發(fā)送來(lái)的超聲波而產(chǎn) 生的表面反射信號(hào)；(3 )通過(guò)由振子11D接收自振子11C發(fā)送來(lái)的超聲波而產(chǎn) 生的表面反射信號(hào)；(4) 通過(guò)由振子11C接收自振子11D發(fā)送來(lái)的超聲波而產(chǎn) 生的表面反射信號(hào)。另外，為了使這些信號(hào)大致同時(shí)出現(xiàn)，(5) 通過(guò)自振子11A發(fā)送來(lái)的超聲波被振子11B反射、并 被振子IIA接收而產(chǎn)生的形狀信號(hào)；(6) 通過(guò)自振子11B發(fā)送來(lái)的超聲波被振子11A反射、并 被振子IIB接收而產(chǎn)生的形狀信號(hào)；(7) 通過(guò)自振子11C發(fā)送來(lái)的超聲波被振子11D反射、并 被振子IIC接收而產(chǎn)生的形狀信號(hào)；(8) 通過(guò)自振子11D發(fā)送來(lái)的超聲波被振子11C反射、并 被振子IID接收而產(chǎn)生的形狀信號(hào)。通過(guò)這樣地控制，可以縮短圖15所示的形狀信號(hào)E (合成 上述(5) ~ (8)的各形狀信號(hào)后的信號(hào))及表面反射信號(hào)S (合成上述(l) ~ ( 4)的各形狀信號(hào)后的信號(hào))的持續(xù)時(shí)間 (波形寬度)，從而可以使因這些固定信號(hào)的出現(xiàn)而產(chǎn)生的不靈 敏區(qū)變窄。由于以上說(shuō)明的本實(shí)施例的超聲波探傷裝置100B做成在63大致同時(shí)實(shí)現(xiàn)4個(gè)方向的斜角探傷及垂直探傷的同時(shí)、極為小 型的超聲波探頭1B的構(gòu)造，因此，可以使包括一對(duì)非接觸式位移儀71A、 71B、液壓缸體72A、 72B及液壓控制器73A、 73B 的追蹤裝置7 —體化。因此，在提高探傷效率的同時(shí)，也可以 簡(jiǎn)化設(shè)備，抑制成本。另外，由于做成非接觸式的追蹤裝置7， 因此，可以提高在鋼管P的管端部處的追蹤性，高精度地對(duì)包 括管端部在內(nèi)的鋼管P的全長(zhǎng)進(jìn)行探傷。
權(quán)利要求
1. 一種超聲波探傷方法，其特征在于，該超聲波探傷方法包括如下步驟將具有多個(gè)振子的超聲波探頭與管狀被探傷件相面對(duì)地配置；從上述多個(gè)振子中選擇適當(dāng)?shù)恼褡觼?lái)接收發(fā)送超聲波，以使得在上述管狀被探傷件內(nèi)的超聲波的傳播方向成為多個(gè)不同的傳播方向，設(shè)定由上述超聲波探頭進(jìn)行探傷的條件，使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角θr分別大致相等、及/或與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角θk分別大致相等。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲波探傷方法，其特征在于，上述超聲波探頭的多個(gè)振子在平面上或曲面上排列成矩陣狀；確定上述選擇的振子，使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角er分別大致相等、及/或與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波探傷方法，其特征在于， 分別基于下式(1 )來(lái)確定與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波向上述管狀被探傷件入射的周向入射角od及軸向入射角 (3i，使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的、以下式(1)表示的超聲 波的外表面折射角9r分別大致相等；確定上述選擇的振子，以獲得上述確定的周向入射角ai及 軸向入射角卩i;[數(shù)21]0r=sin ({(Vs/Vi) '(sin iSi + cos ^Si-sin ai)})…(1)在此，上式(1)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超 聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波探傷方法，其特征在于，分別基于下式(1 ) ~ (6)來(lái)確定與上述多個(gè)傳播方向相 關(guān)的超聲波向上述管狀被探傷件入射的周向入射角ai及軸向入 射角(3i，使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的、以下式(2)表示的 超聲波的內(nèi)表面折射角0k分別大致相等；確定上述選擇的振子，以獲得上述確定的周向入射角od及 軸向入射角pi;[數(shù)22]<formula>formula see original document page 3</formula> …(2)在此，上式(2)中的外表面折射角er、傳播角度y、及角 度小分別以下式(1)、 (3)及(4)表示； [數(shù)23]<formula>formula see original document page 3</formula> …(1)<formula>formula see original document page 3</formula> (3)<formula>formula see original document page 3</formula> …(4)另外，上式(1)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超 聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之 間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度，另外，上式(4)中的k及 e，分別以下式(5)及(6)表示；[數(shù)24〗<formula>formula see original document page 3</formula>另外，上式(5)中的t/D表示管狀被探傷件的壁厚與外徑之比。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲波探傷方法，其特征在于， 上述超聲波探頭包括沿環(huán)形曲面排列的多個(gè)振子，該曲面 是通過(guò)以不通過(guò)失見(jiàn)定的旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且不夾著該旋轉(zhuǎn)橢 圓體中心地相面只十的、并且與該旋轉(zhuǎn)橢圓體的^走轉(zhuǎn)軸正交的兩個(gè)平行的平面切斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體而獲得的曲面；在與上述管狀被探傷件相面對(duì)地配置上述超聲波探頭的步 驟中，配置成使上述超聲波探頭的長(zhǎng)徑方向沿著上述管狀被探 傷件的軸向，上述超聲波探頭的短徑方向沿著上述管狀被探傷 件的周向，并且上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心正對(duì)上述管狀被探傷件的軸心；確定上述環(huán)形曲面的形狀，以使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角0r分別大致相等、及/或與上述多 個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角6k分別大致相等。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波探傷方法，其特征在于， 分別基于下式(7)算出與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波向上述管狀被探傷件入射的入射角e w ，以使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的、以下式(7)表示的超聲波的外表面折射角6r 分別大致相等；確定上述環(huán)形曲面的形狀，以獲得上述算出的入射角0w; [數(shù)25]sin 0 r=Vs/Vi'sin 0 w …(7)在此，上式(7)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超 聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之 間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波探傷方法，其特征在于，基于下式(7)算出與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波向 上述管狀被探傷件入射的入射角0W,以使得與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的、以下式(2)表示的超聲波的內(nèi)表面折射角ek分別大致相等；確定上述環(huán)形曲面的形狀，以獲得上述算出的入射角ew;[數(shù)26]<formula>formula see original document page 5</formula>在此，上式(2)中的外表面折射角er、傳播角度Y、及角 度巾分別以下式(7)、 (3)及(4)表示； [數(shù)27]<formula>formula see original document page 5</formula>另外，上式(7)中的Vs表示在管狀被探傷件中傳播的超 聲波的傳播速度，Vi表示填充于超聲波探頭與管狀被探傷件之 間的接觸介質(zhì)中的超聲波傳播速度，另外，上式(4)中的k及 e'分別以下式(5)及(6)表示；[數(shù)28]<formula>formula see original document page 5</formula>…(6)另外，上式(5)中的t/D表示管狀被探傷件的壁厚與外徑之比。
8.根據(jù)權(quán)利要求5 7中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷方法，其 特征在于，在與上述管狀被探傷件相面對(duì)地配置上述超聲波探頭的步 驟中，配置成使上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心正對(duì)上述管狀被探傷件的軸心、且位于上述管狀被探傷件的外表面附近；確定上述環(huán)形曲面的形狀，從而使自上述多個(gè)振子中的、至少是位于上述超聲波探頭長(zhǎng)徑部的振子發(fā)送的超聲波以35° 以上的橫波折射角向上述管狀被探傷件內(nèi)傳播。
9. 一種超聲波探傷裝置，該超聲波探傷裝置用于對(duì)管狀被 探傷件進(jìn)行超聲波探傷，其特征在于，該超聲波探傷裝置包括超聲波探頭和接收發(fā)送控制部件； 上述超聲波探頭與上述管狀被探傷件相面對(duì)地配置，由多個(gè)振 子分別沿行方向及列方向在平面上或曲面上排列成矩陣狀而 成；上述接收發(fā)送控制部件對(duì)由上述超聲波探頭接收發(fā)送超聲 波進(jìn)行控制；上述接收發(fā)送控制部件從上述多個(gè)振子中選擇至少包含一 個(gè)振子的一個(gè)振子組，沿上述管狀被探傷件內(nèi)的一個(gè)傳播方向 自該選擇的一個(gè)振子組接收發(fā)送超聲波；另一方面，選4奪包含與構(gòu)成上述一個(gè)振子組的振子的行方 向及列方向位置不同的、至少一個(gè)振子的另一個(gè)振子組，沿上 述管狀被探傷件內(nèi)的與上述一個(gè)傳播方向不同的另 一個(gè)傳播方 向自該選擇的另 一個(gè)振子組接收發(fā)送超聲波。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲波探傷裝置，其特征在于， 上述接收發(fā)送控制部件控制上述一個(gè)振子組及上述另 一個(gè)振子組發(fā)送或接收超聲波的發(fā)送時(shí)機(jī)或接收時(shí)機(jī)，從而使自上 述一個(gè)振子組發(fā)送來(lái)的超聲波在上述管狀被探傷件表面的反射 波的接收時(shí)機(jī)、與自上述另 一個(gè)振子組發(fā)送來(lái)的超聲波在上述 管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同。
11. 一種超聲波探頭，該超聲波探頭用于對(duì)管狀被探傷件進(jìn)行超聲波探傷，其特征在于，該超聲波探頭包括沿環(huán)形曲面排列的多個(gè)振子；上述環(huán)形曲面是通過(guò)以不通過(guò)規(guī)定旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且不夾著該旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心地相面對(duì)的、并且與該旋轉(zhuǎn)橢圓體的旋轉(zhuǎn)軸正交的兩個(gè)平行的平面切斷該旋轉(zhuǎn)橢圓體而獲得的曲面。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的超聲波探頭，其特征在于，上述超聲波探頭還包括至少l個(gè)垂直探頭，該垂直探頭沿 通過(guò)上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心、且與上述兩個(gè)平行的平面正交的直線配置。
13. —種超聲波探傷裝置，其特征在于，該超聲波探傷裝置包括如權(quán)利要求11或12所述的超聲波 探頭、和接收發(fā)送控制部件；上述超聲波探頭與上述管狀被探 傷件相面對(duì)地配置，使得其長(zhǎng)徑方向沿著上述管狀被探傷件的 軸向、短徑方向沿著上述管狀被探傷件的周向、且上述旋轉(zhuǎn)橢 圓體的中心正對(duì)上述管狀被探傷件的軸心；上述接收發(fā)送控制 部件對(duì)由上述超聲波探頭接收發(fā)送超聲波進(jìn)行控制；上述接收發(fā)送控制部件自上述多個(gè)振子中的至少兩個(gè)以上 的振子對(duì)上述管狀被探傷件接收發(fā)送超聲波。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的超聲波探傷裝置，其特征在于，上述超聲波探頭被配置成上述旋轉(zhuǎn)橢圓體的中心位于上 述管狀被探傷件的外表面附近。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的超聲波探傷裝置，其特征在于，上述接收發(fā)送控制部件控制對(duì)上述管狀被探傷件接收發(fā)送 超聲波的至少兩個(gè)以上的振子中的一個(gè)振子及另 一個(gè)振子發(fā)送或接收超聲波的發(fā)送時(shí)機(jī)或接收時(shí)機(jī)，從而使自上述一個(gè)振子 發(fā)送來(lái)的超聲波在上述管狀被探傷件表面的反射波的接收時(shí) 機(jī)、與自上述另 一個(gè)振子發(fā)送來(lái)的超聲波在上述管狀被探傷件 表面的反射波的接收時(shí)機(jī)大致相同。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13 15中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷裝置，其特征在于，該超聲波探傷裝置包括調(diào)整部件，該調(diào)整部件對(duì)自上述多 個(gè)振子分別向上述管狀被探傷件發(fā)送的超聲波的入射角進(jìn)行調(diào)整。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的超聲波探傷裝置，其特征在于，上述多個(gè)振子分別包括沿各振子的徑向被分割成長(zhǎng)方形的 多個(gè)壓電元件；上述調(diào)整部件通過(guò)電氣控制由上述多個(gè)壓電元件接收發(fā)送 超聲波的接收發(fā)送時(shí)機(jī)，來(lái)調(diào)整向上述管狀被探傷件發(fā)送的超 聲波的入射角。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13 17中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷裝 置，其特征在于，該超聲波探傷裝置包括追蹤裝置，該追蹤裝置使上述超聲管狀被探傷件的相對(duì)位置保持大致恒定。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的超聲波探傷裝置，其特征在于，上述追蹤裝置包括測(cè)定到上述管狀被探傷件外表面的距離 的1個(gè)以上的非接觸式位移儀、使上述超聲波探頭沿與上述管 狀被探傷件的軸向正交的兩個(gè)軸向移動(dòng)的定位機(jī)構(gòu)、和控制該 定位機(jī)構(gòu)的定位控制部件；上述定位控制部件基于由上述非接觸式位移儀測(cè)定的距離 來(lái)控制上述定位機(jī)構(gòu)，以使得上述超聲波探頭相對(duì)于上述管狀 被探傷件的相對(duì)位置大致恒定。
20. —種超聲波探傷方法，其特征在于，該方法使用權(quán)利要求13~ 19中任一項(xiàng)所述的超聲波探傷裝置，使上述超聲波探頭沿著上述管狀被探傷件的周向相對(duì)旋 轉(zhuǎn)、并沿著上述管狀被探傷件的軸向相對(duì)移動(dòng)，從而對(duì)上述管狀被探傷件的全長(zhǎng)或其局部進(jìn)行探傷。
21. —種無(wú)縫管的制造方法，其特征在于，該方法包括通過(guò)對(duì)原料鋼坯進(jìn)行穿孔加工來(lái)制造無(wú)縫管的 第1工序、和使用權(quán)利要求1 8、 20中任一項(xiàng)所述的超聲波探 傷方法對(duì)由上述第1工序制造的無(wú)縫管進(jìn)行探傷的第2工序。
全文摘要
本發(fā)明提供超聲波探頭、超聲波探傷裝置、超聲波探傷方法以及無(wú)縫管的制造方法。該超聲波探傷方法包括如下步驟將具有多個(gè)振子(11)的超聲波探頭(1)與管狀被探傷件(P)相面對(duì)地配置；從多個(gè)振子中選擇適當(dāng)?shù)恼褡觼?lái)接收發(fā)送超聲波，以使得在管狀被探傷件內(nèi)傳播超聲波的方向成為多個(gè)不同的傳播方向，設(shè)定由超聲波探頭進(jìn)行探傷的條件，以使得與多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的外表面折射角θr分別大致相等，及/或與上述多個(gè)傳播方向相關(guān)的超聲波的內(nèi)表面折射角θk分別大致相等。
文檔編號(hào)G01N29/04GK101258403SQ20068003119
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2006年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月26日
發(fā)明者山野正樹(shù) 申請(qǐng)人:住友金屬工業(yè)株式會(huì)社