飯塚 幸理
超音波部門では，毎年の非破壊検査総合シンポジウムの場でその時々のホットな話題にフォーカスした部門企画を開催しております。2023 年6 月の総合シンポジウムでは「超音波を用いたイメージング技術の新展開」に関するセッションを開催いたしました。イメージングによる情報量の増大が検査の高度化に有用であることは言うまでもありません。超音波試験においても従来からB-Scope，C-Scopeなどの画像表示法があり，それを得るために機械的走査，アレイ探触子による電子走査が適用され，開口合成，フェーズドアレイといった技術の研究開発が活発に行われてきました。現在でも引き続き超音波分野における主流の研究領域となっています。
本特集号では，上記セッションの講演者の方々に講演内容に沿った解説記事をご執筆して頂きました。いずれの解説記事も新たな発想に基づく最先端の内容です。
富山大学の長谷川先生，（株）エビデントの山本様にはPhase Coherence Imaging について解説して頂きました。この技術は，アレイ探触子で得た複数の超音波信号の位相情報を用いて画像化を行うもので，従来の振幅情報を用いた画像化手法と比べてより高い解像度が得られる可能性が注目されています。
東北大学の小原先生による解説記事では，レーザ2 次元走査を用いた3D イメージングについて述べられています。レーザ2 次元走査を適用することにより，現状の2 次元アレイ探触子（256 素子程度）では困難な超多点（4096 素子相当）でのデータ取得を可能とし，高い空間分解能を実現されています。
（株）島津製作所の堀川様には，音波光干渉イメージングについて解説して頂きました。シアリング干渉法という技術を用いて超音波による面外変形をカメラで撮像できる技術で，非接触に広い範囲の超音波画像を取得できる画期的な技術です。
群馬大学の斎藤先生による解説記事では，様々な超音波イメージング手法について概観された後，深層学習を用いた超音波イメージングについて紹介されています。欠陥位置，大きさのみならず形状も推定できることが示されており，今後の発展が期待されます。
シンシナティ大学のSimonetti 先生には氷を接触媒質としたCryo-UT イメージングについて解説して頂きました。音速が水よりも金属材料に近くなることで音響結合条件が改善され，積層造形材など複雑な形状の対象物への適用が期待されます。
以上のように，超音波イメージング技術に関する新展開を予期させる興味深い内容となっており，本特集号がこの分野のさらなる発展へのきっかけとなりましたら幸いです。最後になりましたが，お忙しい中，執筆をご快諾頂きました各執筆者の皆さま，刊行までの過程でご協力頂きました皆さまに心からお礼を申し上げます。
富山大学 長谷川英之
Phase Coherence Imaging and Adaptive Beamforming
University of Toyama Hideyuki HASEGAWA
キーワード: ビームフォーミング，コヒーレンス，適応処理，超音波画像
はじめに
医用超音波診断装置では，超音波画像構築のために遅延和（Delay-and-Sum：DAS）ビームフォーミングにより超音波アレイ振動子の各素子で受信したエコー信号を処理するのが一般的である。遅延和ビームフォーミング処理は計算量も少なくリアルタイム処理に適している一方，画像の空間分解能やコントラストはアレイ振動子の素子間隔や開口幅により決定（制限）される。空間分解能やコントラストを改善するため，超音波アレイ振動子の各素子で受信されたエコー信号間の相関性に着目した適応的な信号処理手法が開発されている。本稿ではそれら手法の例を紹介する。
（株）エビデント 山本優一郎
Principle and Case Study of Phase Coherence Imaging
EVIDENT Corporation Yuichiro YAMAMOTO
キーワード: Phase Coherence Imaging（PCI），フェーズドアレイ，フルマトリクスキャプチャ，トータルフォーカシングメソッド
はじめに
超音波イメージング技術の進歩は目覚ましく，1990 年代に工業用のポータブルバッテリ駆動のフェーズドアレイ（以下PA）装置が開発され，その有用性から多種多様な分野での適用が加速したのが黎明期であった１）。2000 年代に入りPA に代わる手法としてフルマトリクスキャプチャ（以下FMC）／トータルフォーカシングメソッド（以下TFM）技術の開発が活況となり，当初は莫大な演算処理が必要とされるFMC/TFM 技術はリアルタイムでの画像処理が難しく一部研究開発での使用に留まっていたが，近年ではGPU の発達によりリアルタイムでの画像処理が可能な装置が登場している。2010 年代になると新しい画像処理の手法として位相分散に基づく方法のPhase Coherence Imaging（以下PCI）が提唱された。本技術は今まで一般的に行われていた振幅情報を使用した方法ではなく位相情報を利用した画像処理方法で，今までは難しいとされていた減衰材料への高周波の適用など様々な可能性を持った技術として現在注目を集めている。本稿ではPCI の技術的な解説と適用事例に関して説明を行う。
東北大学 小原 良和
High-Resolution 3D Phased-Array Imaging Method (PLUS) Using Piezoelectric Transmitter and the Ultra-Multiple 2D Scan of Laser Doppler Vibrometer
Tohoku University Yoshikazu OHARA
キーワード: 超音波フェーズドアレイ，3D 映像化，超多素子 2D マトリクスアレイ，レーザドップラ振動計，複雑欠陥
はじめに
エネルギーインフラ構造物，機械部品，製造材料では，疲労き裂，応力腐食割れ，溶接欠陥など，発生する欠陥が複雑形状を有することが多い。これらの欠陥の3 次元（3D）形状を現場で非破壊計測できれば，効率的な強度評価や維持管理が可能となり，Cyber Physical Systems やDigital Twin などの次世代概念１），２）の実現・高度化にも貢献が期待できる。
現場適用性に優れた非破壊検査法として，超音波探傷（Ultrasonic Testing：UT）３），４）が産業界で幅広く利用されており，最近では，超音波探触子を動かすことなく，内部の映像が得られる超音波フェーズドアレイの普及も進んできた５）−７）。超音波フェーズドアレイは，複数の圧電素子が並んだアレイ探触子を用いて，各圧電素子の遅延励振や受信信号の後処理により，広範囲の内部欠陥を映像化する手法である。異方性の影響や感度の方向依存性に注意は必要だが，結果が直感的に理解しやすいことに加えて，第三者への説明性向上にも優れる利点を有する。
超音波フェーズドアレイは医用超音波の分野で発展してきたが５），近年のエンジニアリング分野での進歩も目覚ましいものがあり，すべての素子の送受信の組み合わせによる収録と後処理で送受信集束処理を行うFMC（Full Matrix Capture）/TFM（Total Focusing Method）８），平面波送信を利用した映像法PWI（Plane Wave Imaging）９）− 12），位相の揃い方に着目したPCI（Phase Coherence Imaging）13）− 18），散乱マトリクス情報に基づく高散乱体の映像法19），20），複数モード融合の映像法21）− 23），表面波フェーズドアレイ24）− 28），曲面部材対応29）− 35），コンクリート用の低周波アレイ36）− 39）なども報告されている。さらに，非線形超音波との融合により，従来法では検出できなかった閉じたき裂の映像法への展開も進められている12），40）− 44）。
しかし，一般に超音波フェーズドアレイで用いられるのは，短冊状の圧電素子が一列に並んだ1 次元（1D）圧電アレイ探触子（図1（a））であるため，奥行き方向の情報は平均化され，複雑な3D 欠陥形状は原理的に得られない。一方，2次元（2D）圧電アレイ探触子（図1（b））を用いた研究も始まったが，素子数が増えると超音波フェーズドアレイ制御装置やアレイ探触子が非常に高額になる課題があった。それゆえ，医用超音波の先端研究45），46）では1024 素子の利用も始まったものの，工学応用では256 素子が最多であり47）− 50），その素子数不足から，分解能や感度向上には限界があった。なお，3D 映像法として，高輝度X 線CT の研究51）も進められているが，適用対象は小型試験片に限られ，現場適用はできない。
本稿では，上記課題を解決する新手法として，レーザスキャンをベースとした高分解能3D 超音波フェーズドアレイ映像法PLUS（Piezoelectric and Laser Ultrasonic System）52）− 55）について解説する。まず，PLUS の基本原理と映像化アルゴリズムを説明した後，平底穴（Flat Bottom Hole：FBH）試験片と疲労き裂試験片でPLUS の受信点数を変えた場合の映像化結果について示し，超多点計測の有効性について解説する52），53）。さらに，複雑欠陥の映像化例として，発電プラントの欠陥を模擬して作製した枝分かれ応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking：SCC）に適用した結果についても紹介する52）。
（株）島津製作所 堀川 浩司
Acoustic Optical Interference Imaging Analysis Technology that Uses Acoustic Wave and Light Interference to Visualize Surface Layer Defects − Ultrasonic Optical Flaw Detector −
Shimadzu Corporation Hiroshi HORIKAWA
キーワード: 音波，スペックル・シアリング干渉，イメージング，表層欠陥，異種材接合
はじめに
多くの産業分野において，製造，整備・保守の検査現場では，競争力を確保するため，作業の効率化，省人化や自動化などによる生産性の向上が求められている。特に，製造における抜き取りによる破壊検査の工程では，品質信頼性の向上にも関わり，非破壊検査方法の開発が求められている。また，打音検査など官能検査に頼っている工程では，検査作業者の技能継承や担い手不足の課題もあり，理化学検査が期待されている。
さらに，自動車を始めとした輸送用機器製造などの産業分野では，低炭素化社会の実現に向けて，軽量化などのために薄肉部材間の接着，溶接などによって一体化させる接合技術の開発，実用化などが進んでいる。また，マテリアル分野では，モビリティ分野，インフラ分野などに向けたマルチマテリアルの活用において，複合材などの素材開発及び接合技術開発が行われている。これら新技術の開発現場，製造，設備・保守では，部材接合部の状態を非破壊で簡便に評価する新たな検査手法も必要とされている。
このように，非破壊検査に関わる市場ニーズが多様化・高度化している状況において，当社では音波の励振とレーザの干渉光とを組み合わせて，試料表面あるいは表面付近（以下，表層）の欠陥を可視化する音波光干渉イメージング技術（以下，本手法）を用いた超音波光探傷装置を開発した。本稿では，音波光干渉イメージング技術の概要，特長，原理，超音波光探傷装置の構成，仕様，観察事例，アプリケーションなどを紹介する。
群馬大学 斎藤 隆泰
The Latest Ultrasonic Imaging – Focused on Applications of Deep Learning–
Gunma University Takahiro SAITOH
キーワード: 深層学習，人工知能，逆問題，超音波シミュレーション
はじめに
超音波非破壊評価の最終目的は，きずがどこに，どのように存在するかを明らかにすることである。基本的に，超音波非破壊評価で得られるデータはきずからの散乱波を含む超音波散乱波形である。そのため，超音波非破壊評価の問題は，得られた超音波散乱波形データを用いて，散乱源であるきずが，どこに，どのように存在するかを調べる逆問題へと帰着される。このような超音波非破壊評価における逆問題に関する理論的研究の歴史は古く，開口合成法，ボルン近似やキルヒホフ近似を用いた逆散乱解析，時間反転法等といった逆解析手法が数多くの問題に適用されてきた。最近では，人工知能（AI）の基礎となる深層学習（Deep Learning）を用いて，きずの大きさや位置を推定するような取り組みも見受けられるようになってきた。実際，計測機器が発達し，大量のデータを比較的容易に得られるようになってきただけでなく，大規模なシミュレーションや深層学習を実施するために必要となる計算機の性能も，一昔前に比べると格段に向上している。そのため，超音波散乱波形からきずの形状を推定する逆問題の分野においても，数多くのデータをいかに有効活用し，データサイエンスを駆使して精度の良い超音波イメージングを実行できるかといった議論が沸き起こるのは，当然の流れである。非破壊検査の業界ではNDE4.0 が，社会的にもSociety5.0 が提唱・注目を集め，AI という用語も今日では一般化されている。
そこで，本稿では，超音波非破壊評価における逆問題について簡単に紹介するが，特に，深層学習を使った逆問題に焦点を当て，著者による結果を示しながら簡単に紹介する。なお，超音波シミュレーションや，現在のAI ブームの先駆けとなる，1990 年代におけるニューラルネットワークを用いた超音波非破壊評価に関する研究の歴史等は，著者らによる他の論文１）で紹介しているので，そちらもご参照頂ければ幸いである。なお，以下ではきずの位置や形状を再構成する逆解析を，本特集に沿い，超音波イメージングと呼び解説する。
Department of Aerospace Engineering and Engineering Mechanics, University of Cincinnati
Francesco SIMONETTI
Abstract
Cryo-Ultrasonic Testing (Cryo-UT) is an emerging non-destructive testing technique that utilizes polycrystalline ice as a solid couplant to enable the ultrasonic inspection of complex-shape metallic components. After encasing the component in a block of ice, the inspection is performed by scanning an ultrasonic probe over the surface of the block. The high velocity of compressional and shear waves in ice, combined with its excellent adhesion properties to metals, facilitate the transmission of ultrasonic waves through the contours of the component and provide an effective means to probe its volume. This paper reviews recent progress in cryoultrasonic imaging with linear arrays and compares performance with conventional immersion testing.
Key Words: Ultrasonic testing, Solid couplant, Phased arrays, Curved components, Additive manufacturing
Introduction
The inspection of complex metallic components with curved boundaries, and possible internal features such as vanes and channels, has been a long-standing challenge in Non-Destructive Testing (NDT). Recent progress in Additive Manufacturing(AM)１） has attracted renewed industrial interest for novel NDT techniques that could be directly applied to complex components at the end of the manufacturing process. In this context, Ultrasonic Testing (UT) offers significant potential owing to its high sensitivity to both volumetric and crack-like defects as well as its ability to penetrate dense materials at great depths.
In current industrial practice, UT is limited to the so-called sonic shapes characterized by rectilinear or low curvature contours that can be kept in uniform contact with the active area of a transducer or that can be maintained close to normal to an ultrasonic beam when the inspection is performed in immersion.
To expand the scope of application of UT, several ongoing research efforts are attempting to leverage the flexibility offered by advanced UT technologies, notably Laser Ultrasonics (LU) and phased array testing. The non-contact nature of LU can be ideal when scanning complex contours since, at each point, the inspection can be performed by illuminating the surface with narrow light beams emanating from a high power laser (source) and a laser interferometer (receiver)２）. While the laser excitation of ultrasonic waves is highly effective, the detection of ultrasonic signals by interferometers is often affected by noise which may be exacerbated by surface curvature and roughness. For this reason, a new approach is being developed to maintain the interferometer stationary at a selected location while only the beam of the high-power laser is steered to follow the contour of the component３）.
The work on phased arrays uses flexible probes that can conform to the surface of the part４）−７） or standard linear arrays coupled to the part through a water column８）− 12）. To date, the use of flexible probes has been rather limited due to multiple issues that include achievable curvature, probe durability, and cost. Similarly, application of linear arrays in immersion has been limited to low curvature geometries. This is caused by the low speed of sound and mass density of water relative to metals which impede the transmission of ultrasonic energy through water-metal interfaces. Importantly, both flexible arrays and immersion testing are impractical in the presence of components with internal features.
To overcome the limitations of immersion testing, it is necessary to change the coupling medium with a material that has ultrasonic properties that better match the properties of metals. For this purpose, one possibility is to replace water with ice in what can be referred to as Cryo-Ultrasonic Testing (Cryo-UT) 13）. Although the density of ice is 9％ lower than that of water, the velocity of compressional (P) waves in ice approaches 4000 m・s−1 which is significantly higher than in water 〜1500 m・s−1 and provides a better match to most metals that tend to have P-wave velocities in the order of 6000 m・s−1. Moreover, in contrast with water, ice supports the propagation of shear (S) waves at a speed approaching 2000 m・s−1 which further improves the coupling conditions.
To illustrate the benefit of Cryo-UT over conventional immersion UT, Fig.1 shows the power transmission coefficient for a plane P-wave incident on a water-aluminum and an ice-aluminum flat interfaces as a function of the angle of incidenceα. The curves are obtained using the standard elastodynamic theory of plane wave scattering by interfaces 14）assuming that all the media are isotropic and homogenous (material properties are listed in Table 1) and that the media are perfectly bonded at the interface to ensure continuity of displacement and stress. The transmitted power is carried by P-waves and mode converted S-waves as long as the angle of incidence does not exceed the critical angle α crp, s beyond which the relevant wave mode becomes evanescent. The critical angles are expressed as α crp, ＝ arcsin(a/cp, s) where a is the speed of P-waves in the coupling medium (water or ice) and cp and cs are the velocities of P- and S-waves in aluminum, respectively. Figure 1 allows some of the key benefits of Cryo-UT to be highlighted:
1. P-wave transmission is possible for angles of incidence ranging from 0°to about 40°. Within this interval, the angle of incidence has little effect on the transmitted power. On the other hand, in immersion, the interval is reduced to about 13° and the transmitted power rapidly decreases as α increases; this being a consequence of water not supporting the propagation of S-waves which results in no shear stresses at the water-metal interface;
2. No shear critical angle exists since the velocity of P-waves in ice is greater than the speed of shear waves in aluminum and most other metals, typically less than 3500 m・s-1. Therefore, transmission through an ice-metal interface can be achieved regardless of the angle of incidence as demonstrated experimentally in 15）. This is a fundamental advantage over immersion which is limited to a maximum incidence of about 30°;
3. The transmitted power is substantially higher than in immersion even for low angles of incidence;
4. When using mode converted S-waves, refraction effects are minimized since the speed of P-waves in ice is close to the speed of S-waves in most metals.
In spite of these obvious advantages, the state of development of Cryo-UT is still at an early stage. Current research has focused on developing the experimental methods for ice encapsulation 16） and providing initial validation by testing oblique planar interfaces between ice and several different metallic alloys 13），15）. A first assessment of the performance of Cryo-UT in the presence of curved geometries can be found in the numerical study by Xu et al. 17） which applies Cryo-UT to the inspection of turbine blades and in the experimental work in 18）which considers convex and concave interfaces.
This paper reviews the general inspection method associated with Cryo-UT and presents a selection of imaging experiments which compare the performance of Cryo-UT to conventional immersion testing.
齋藤 理，陳 偉堃，董 澤宇，岡部 洋二
Detection of Delamination in Honeycomb Sandwich Structures Based on Dispersion Relation of Laser-ultrasonic Guided Waves
Osamu SAITO, Weikun CHEN, Zeyu DONG and Yoji OKABE
Abstract
Using the laser-ultrasonic visualizing technique, we attempt to detect the delamination of a honeycomb sandwich structure based on the change in dispersive property. By replacing the honeycomb core with an equivalent homogenized layer, a three-layer model of the honeycomb sandwich structure can be constructed. Then, the dispersion relation of the guided waves can be derived and it was found that the wavenumber of A0 mode increases on the delamination region. Moreover, by scanning the laser on a specimen with artificial delamination, the guided waves were received by a PZT sensor. Then, the two-dimensional wavenumber map was derived by taking the ratio of Fourier spectrum between the adjoint data points. As a result, it is shown that the delamination can be detected based on the enhancement of the wavenumber. In addition, since the cell wall is clearly visible in the intact region on the wavenumber map, the delamination can be detected based on the disappearance of the cell wall.
Key Words: Laser-ultrasonic wave, Guided wave, Dispersion relation, Honeycomb sandwich structure, Delamination
緒言
ハニカムサンドイッチ構造（Honeycomb Sandwich Structure，HSS）は，軽量で曲げ剛性に優れ，航空機のフラップやエルロン，フロア等に使用されている。HSS の製造過程での検査は，ウォータジェットを介した超音波透過法で行われており，多量の水を扱うため煩雑である。そのため，より効率的な非破壊検査法が求められている。
その一つの有望な候補として，超音波ガイド波を用いる方法が注目されている。一般にガイド波は欠陥部で伝搬挙動が変化するため欠陥検出に利用でき，さらに，減衰が小さく長距離を伝搬できるという特長がある１）。これまでに，ガイド波でHSS の欠陥を検出するための様々な研究が行われており，例えば，Schaal らはハニカムコアを均質材で置き換えたHSS の三層モデルを用いて速度分散関係を解析した２）。また，Hosseini らはFEM でコア厚やセルサイズによる分散関係の変化を解析した３）。さらに，Song らは，ガイド波の伝搬の周波数依存性を調べ，低周波数ではHSS 全体を伝搬するのに対し，高周波数では主にスキンに局在して伝搬することを示した４）。
HSS に超音波を効率的に励起する方法の一つは，レーザ超音波法である５）。検査対象に向けてパルスレーザを照射すると，非接触で超音波を励起できるため，水のようなカップラントが不要になる。さらに，レーザ走査によって超音波の励起点を変えながら圧電センサで受信した波形データを基に，超音波の伝搬を可視化する方法は，低コストで，複雑形状にも適用可能なことから注目されている６）。しかし，この方法で得られる超音波可視化動画に基づいて検査を行う場合，時間的に変化する超音波の伝搬状況から欠陥を判断するため，欠陥の検出可能性は熟練者の裁量に依存する。これに対し，超音波可視化動画のデータを圧縮・処理することで，一枚の静止画像を作成し，それに基づいて判断を行えば，定量的かつ客観的な上に効率的でもある。これまでに，欠陥による超音波の伝搬挙動の変化を強調するために様々な信号処理の研究が行われており，例えば，波数−周波数領域における反射波の抽出７），定在波の表出８），隣接する波形データの差分計算９），局所相関関数の算出10）等が知られている。
有望な信号処理法の一つとして，波数を算出して2 次元図を作成する方法がある11）− 13）。この波数に基づく方法では，欠陥に関する，より詳細な情報を得ることができる。例えば，Flynn らは，金属の減肉の検出を試み，波数の違いで，30％の減厚と60％の減厚を明瞭に区別できた12）。また，Rogge らは，複合材料の衝撃損傷部において，はく離深さに応じて波数が変化することを示した13）。しかし，上記の方法の問題点は，信号処理に要する計算時間が長いことである11）。例えば，Rogge らは，2 次元空間フィルタで評価点近傍の波形データを抽出し，3 次元フーリエ変換で波数を評価する作業を，フィルタをスライドさせながら繰り返しているため計算コストが高い。
そこで本研究では，計算負荷を抑えるために，隣接する2点間の波形データから波数を評価する方法を導入する。なお，本手法とよく似た方法として，文献14）− 16）で提案された周波数領域瞬時的波数（FDIW）評価法がある。本研究の方法とFDIW 法を比較すると，各点の波数k（x，y，f）を求める方法は等価だが，後処理に違いがある。FDIW 法では，外れ値を除去するために，座標点（x，y）近傍で2 次元フィルタを用いるが，本研究では，周波数f に関する1 次元フィルタを用いる。このため，FDIW 法では空間解像度が低下するのに対して，本手法では，高い空間解像度が維持される。これにより，波長よりも小さなはく離を検出できる。さらに，FDIW法では大半の計算時間が2 次元フィルタ処理に使用されるが，本手法ではフィルタが1 次元であり，計算コストの面でも優位性がある。
本研究では，上記の波数評価法を用いて，HSS に発生したはく離の検出を試みる。まず，HSS を伝搬するガイド波の分散関係を計算し，はく離による波数の変化を予測する。そして，HSS 試験片を用いた実験を行い，取得データのフーリエ変換に基づいて波数を求め，2 次元的に波数を表示することにより，はく離を検出する。なお，文献17）では，アルミニウム合金製HSS 試験片において，レーザドップラー振動計で計測したデータを基に波数を計算し，58 mm × 58 mm のはく離を検出しているが，本手法では，これよりも小さなはく離を検出可能なことを示し，さらに，セル壁も可視化できることを示す。
