📐 斜角探触子の屈折角 補正計算機

📖 斜角探触子の屈折角 補正の使い方と完全ガイド

斜角探触子に刻印された「70°」「60°」「45°」といった屈折角は、STB-A1（鋼）など特定の標準試験片の音速を前提に表示されています。ところが実際に検査する材料の横波音速が標準とわずかでも違えば、被検材内を進む超音波の実際の屈折角は表示値からズレます。屈折角がズレると、ビーム路程（W）から逆算するきずの位置・深さの計算が狂い、合否判定や補修範囲の決定にまで影響します。このツールは、屈折の法則（スネルの法則）に基づき、STB屈折角と2つの横波音速から、試験体内の本当の屈折角を補正計算するものです。UTレベル1〜2の受験勉強で頻出する計算問題の検算にも、現場で異種材料を扱う検査員の確認にも使えます。

こんな場面で使う

• 鋼用に校正した探触子で、アルミ・ステンレス・銅合金などを斜角探傷するとき。
• UTレベル2の過去問で「STB屈折角71°の探触子で別音速の材料を探傷したときの屈折角は？」という設問を解くとき。
• 探傷図面に書かれた屈折角と、実材料での角度の差を把握して、きず位置の補正量を見積もりたいとき。

使い方

• 探触子の表示屈折角（STB屈折角）β₁：探触子に刻印された角度を入力します。45・60・70°が代表的ですが、STBで実測すると71°などの端数になることもあり、その値を使うとより正確です。
• 標準試験体の横波音速 V₁：校正に使った試験片の横波音速。STB（炭素鋼）の標準は約3230m/sです。ここを実材料の音速と取り違えると結果が逆向きにズレるので注意してください。
• 試験体の横波音速 V₂：実際に探傷する材料の横波音速。代表値は下の早見表を参照。重要部位では実測値を入れるのが理想です。
• 読み取り：表示される「試験体での実際の屈折角 β₂」が、被検材中で超音波が進む本当の角度です。sinβ₂が1を超える条件では「全反射（屈折せず）」と表示され、その方向には横波が伝わらないことを示します。

計算のしくみ・計算式

くさび（シュー）から被検材へ入る入射条件は、校正時に表示屈折角β₁と標準材音速V₁で固定されています。同じ入射条件のまま材料だけ変わると、屈折の法則により sinβ／V が一定に保たれます。つまり次の関係が成り立ちます。

sinβ₁ ／ V₁ ＝ sinβ₂ ／ V₂
これを解くと
β₂ ＝ sin⁻¹( sinβ₁ × V₂ ÷ V₁ )
β₁＝表示（STB）屈折角、V₁＝標準試験体の横波音速、V₂＝試験体の横波音速、β₂＝補正後の実屈折角

計算例1（音速が下がる場合・過去問型）：β₁＝71°、V₁＝3230m/s、V₂＝3150m/s のとき。sin71°＝0.9455 なので、sinβ₂＝0.9455×3150÷3230＝0.9221、β₂＝sin⁻¹(0.9221)＝約67.2°。音速が遅い材料では屈折角は小さくなり、表示より約3.8°浅い角度で伝わります。

計算例2（オーステナイト系ステンレス）：β₁＝45°、V₁＝3230m/s、V₂＝3100m/s のとき。sin45°＝0.7071 なので、sinβ₂＝0.7071×3100÷3230＝0.6786、β₂＝sin⁻¹(0.6786)＝約42.7°。約2.3°小さくなります。板厚が厚いほど、この角度差がきず位置の誤差として効いてきます。

計算例3（音速が上がり全反射になる場合）：β₁＝70°、V₁＝3230m/s、V₂＝3450m/s のとき。sin70°＝0.9397、sinβ₂＝0.9397×3450÷3230＝1.004。1を超えるため屈折波は成立せず、ツールは「全反射」と表示します。音速の速い材料を高角度探触子で探傷するときに起こりやすい現象です。

材料別 横波音速の目安と補正の早見表

代表的な材料の横波音速と、β₁＝70°・V₁＝3230m/s で校正した探触子を用いた場合の補正後屈折角の目安です（文献値ベースの概算）。

材料	横波音速の目安	表示70°→補正後の目安
炭素鋼（標準）	約3230 m/s	70.0°（補正不要）
オーステナイト系SUS	約3100 m/s	約64.6°
アルミニウム合金	約3130 m/s	約65.7°
銅	約2260 m/s	約40.9°
鋳鉄（おおよそ）	約2200〜2650 m/s	約40〜52°

音速の数値はロット・組成・熱処理で変動します。表は傾向をつかむための目安で、正式な評価には個別材料の実測音速を使ってください。

臨界角と全反射の目安

• 被検材の音速V₂が標準V₁より速い場合、屈折角は大きくなります。高角度探触子では sinβ₂>1 となり横波が伝わらない「全反射」域に入ることがあります。
• 被検材の音速V₂が標準V₁より遅い場合、屈折角は小さくなります。極端に遅い材料（銅など）では70°表示でも実角度が40°台まで落ちることがあります。
• 横波が成立するのは、くさび内縦波の入射角が第一臨界角と第二臨界角の間にあるときです。この計算は横波同士の音速比に着目した実用補正で、くさび材の物性は含みません。

よくある質問

Q. なぜ縦波ではなく横波の音速を使うのですか？
A. 一般的な斜角探傷では、第二臨界角を超えるくさび設計により被検材内を横波（せん断波）が伝わります。屈折角の補正は、実際に伝搬している横波の音速比で行います。縦波斜角探傷を行う場合は縦波音速を使います。

Q. 炭素鋼どうしなら補正は不要ですか？
A. ほぼ不要です。炭素鋼の横波音速差は数十m/s程度で、屈折角への影響は1°未満が普通です。補正が効いてくるのは、アルミ・ステンレス・銅合金など、標準と音速が大きく異なる材料を鋼用校正の探触子で探傷する場面です。

Q. V₁にはいつも3230m/sを入れればよいですか？
A. STB（炭素鋼）で校正したならその値が出発点です。ただし最も正確なのは、使用したSTBで実測した横波音速を入れることです。V₁を取り違えると補正方向が逆になるため、入力時に最も注意したい項目です。

Q. 「全反射」と表示されたらどうすればいいですか？
A. その角度・材料の組み合わせでは横波が伝わりません。屈折角の低い探触子に変える、もしくは縦波斜角や別手法を検討します。設問の検算なら、入力したβ₁またはV₂が現実的でない可能性も見直してください。

Q. 補正後の角度はそのまま探傷図に使えますか？
A. きず位置（深さd、表面距離y）の逆算には補正後のβ₂を使うのが原則です。ただし実機では探触子の実測角度・くさび摩耗・接触状態でも角度はずれるため、最終的にはRB-41などの対比試験片で実測校正した値を優先してください。

注意点・もう一歩踏み込んだ知識

• 屈折角が2〜3°ズレると、ビーム路程から逆算するきず深さ・表面距離に誤差が生じます。板厚が厚いほど、また路程が長いほど位置誤差は拡大します。厚板や1回反射(0.5スキップ超)では特に効いてきます。
• オーステナイト系ステンレス溶接部は音速の異方性（結晶方位で音速が変わる）やビーム偏向が大きく、等方均質を前提とするこの単純補正では追い切れません。重要部位ではTOFD・フェーズドアレイや実測校正を併用してください。
• このツールはくさび材の物性や接触媒質を含まない、横波音速比だけの実用近似です。原理計算（くさび内縦波→被検材横波の二段スネル）とは前提が異なるため、研究用途では原理式と使い分けてください。
• 文献の音速値はあくまで代表値です。同じ「ステンレス」でも組成・圧延方向・熱処理で数%変わります。判定に直結する場面では、被検材から採取した試験片で音速を実測するのが最も確実です。
• 本計算は探傷条件の検討・学習用の概算です。実際の合否判定や設備の健全性評価は、適用規格（JIS Z 3060、各事業者規格など）と有資格者の判断に従ってください。