CN101341401B - 利用超声波的断面检查方法及装置 - Google Patents

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Abstract

将利用振子阵列的超声波探伤应用于高速传送的被检体的检查时，防止在检查中发生遗漏。具体解决方法是如下所述地在振子阵列的下方形成接收波针束：一种利用超声波的断面检查方法，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其中，从上述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波；利用上述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由所发送的超声波产生的反射波；将接收的信号转换成数字形式的波形信号；根据由选自上述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在上述被检体内部的连续的接收波焦点的距离，对上述各振子的数字化的接收波信号的时间轴进行转换；对转换上述各振子的时间轴的接收波信号进行加算合成。

Description

利用超声波的断面检查方法及装置
技术领域
本发明涉及利用超声波的断面检查方法及装置，特别涉及利用超声波来进行连续传送的被检体的检查的超声波检查装置或适合用于对超声波收发器进行扫描而进行被检体的检查的超声波检查装置的利用超声波的断面检查方法及装置。
背景技术
金属材料等的工业产品，为了确认在其内部没有有害的缺陷，多使用超声波来进行检查。近年来，由于以轻量化作为目的的金属材料的薄壁化、用于环境对策的制造工艺变更、以及以长寿命化作为目的的内部品质改善等，需要在金属材料的全长、全部断面检查出φ20μm左右的超微小内部缺陷。为了对制造出的金属材料产品全部数量的全长、全部断面进行检查，需要检查在制造生产线上传送的产品。上述超微小缺陷检查所需的产品的传送速度，最大为1000mm/s左右。因此，需要在以1000mm/s的高速传送的产品的全长、全部断面，检查出φ20μm左右大小的超微小缺陷。或者，在通过使超声波收发器扫描而对静止的产品进行检查的情况下，需要使超声波收发器以1000mm/s的高速进行扫描。
上述利用超声波的检查装置被称作超声波探伤装置。在所述装置中检查上述内部缺陷时，以高速检查作为目的使用以电子方式扫描超声波束的方法。其中，通过图13说明以往使用的被称作线性电子扫描的扫描方式。
图13是表示现有的超声波检查装置的结构的框图。在图13中，101表示振子阵列。在振子阵列101中，在其前端部等间隔地以阵列状排列有多个超声波振子(以下，简单称作元件)，将其中的多个元件作为一组来进行驱动，使超声波束在确定的位置上集束。在图示的例子中，设元件总数为64个(1011～10164)，1组使用的元件数量为8个。在各元件中标注有元件编号1～64。B1～B57表示由各元件1011～10164形成的超声波束。102是控制所述超声波束B1～B57的发送接收波的控制电路。
在这里，对超声波束B1～B57的发送接收波动作的概况进行说明。首先，通过将元件1011～1018的8个作为1组进行驱动，收发集束点(又称作焦点)在元件1011～1018的中心线上的超声波束B1。接着通过将元件1012～1019作为1组进行驱动，收发集束点在元件1012～1019的中心线上的超声波束B2。以下同样地使驱动元件组逐个位移，最后通过元件10157～10164的驱动，收发超声波束B57。通过这种动作，以与元件排列间距相等的间距，使超声波束对被检体进行电子扫描。在与振子阵列101相连接的控制电路102中进行，上述集束超声波束的收发及电子扫描中所需的控制。
另外，发送超声波束的集束中，可在上述1组元件中变更为了发送超声波而施加在各元件上的电脉冲的施加时序。接收超声波束的集束，可通过使上述1组元件接收的信号对应每个元件仅延迟个别的时间并进行加算来达成。
上述线性电子扫描，与进行超声波探头的机械扫描的方法相比，可进行20倍左右的高速检查。但是，在金属材料等的传送生产线中，要利用上述线性电子扫描对以秒速1000mm左右的高速传送的被检体进行检查时，直到1次电子扫描结束，被检体的相当长的长度部分通过，由此存在在检查中发生遗漏的问题。
作为使利用线性电子扫描的检查高速化的现有技术，列举有专利文献1。该专利文献1公开了通过下述技术特征实现线性电子扫描的高速化的内容：一种超声波检查装置，沿着多个超声波振动元件的排列进行超声波束的扫描，其中，设有：超声波束区域区分单元，将上述超声波束的全部区分为连续的多个超声波束区域；超声波束区域选择单元，以规定的顺序选择上述各超声波束区域；和位移单元，将被选择的超声波束区域中的1个超声波束，在该超声波束区域每次被选择时依次位移。
并且，作为使被检体的断面检查高速化的现有技术，列举有专利文献2。该专利文献2公开了通过下述技术特征实现被检体的断面检查的高速化的内容：一种超声波探伤装置，其特征在于，包括：超声波变换器阵列，具有可沿着被检体表面排列的多个振子；激振单元，通过尖脉冲对超声波变换器阵列的各振子进行激振；波形存储器，将由各振子接收的超声波接收回波存储为对应每个振子的波形数据；相位合成单元，读取存储有对应每个振子的波形数据的上述波形存储器的内容，通过加算器进行相位合成；和焦点单元，在上述波形存储器的读取中，将各波形存储器的地址赋予为相当于相对于电子扫描范围内的任意位置的动态焦点的超声波束路径距离的地址。
专利文献1：日本特开平3-248058号公报
专利文献2：日本特开2003-28846号公报
但是，在专利文献1中，仅通过电子方式切换来进行超声波束的扫描，离解决上述检查的遗漏问题还很远。
并且，在专利文献2中，由存储在波形存储器中的振子阵列的全部接收波信号数据形成接收波的焦点时，由于需要依次变更焦点的深度位置，因而存在该工序中耗费时间的问题。在专利文献2的第0042段落中，表示了1个断面检查在1ms内结束的例子，但在例如被检查材料的速度为1000mm/s(60mpm)的情况下，只能间隔1mm进行被检查材料的检查。例如即使在被检查材料中有φ100μm左右的圆形平面缺陷，超声波束垂直地进入该缺陷的几率小于1/10。
并且，在专利文献2中，通过对由n个元件接收的n个接收波信号全部进行相位合成，在特定的位置形成接收波束的焦点。作为n例示了200。由于焦点位置中的接收波束的直径与开口的大小成反比例，因而从提高缺陷检测能力、分解能的观点出发认为n越大越好。但是，由于构成振子阵列的每个超声波振子(又称作元件)在排列方向上具有一定程度的宽度，因而每个超声波振子的接收波定向性，限定在一定程度狭小的角度范围内。例如，考虑振子阵列的公称频率为5MHz，排列方向上的元件宽度为0.8mm(普通5MHz振子阵列的元件宽度为这种程度)时，接收波束中心轴上的相对于接收波效率在-6dB以内的接收波效率的角度(称作接收波定向性)大约为12°(相对于超声波束中心轴)。考虑使用该振子阵列，并只使用相对于焦点的接收波定向性在-6dB以内的元件，在距振子阵列距离50mm的位置形成焦点。设位于焦点正上方的元件为元件i时，相对于焦点的接收波定向性在-6dB以内的元件j位于距元件i大约11mm处。由于设元件宽度为0.8mm，因而元件j为距i第13～14个元件。因而在上述情况下，对接收波束的焦点主要作贡献的元件全体有30个元件就够。将这样表示在专利文献2上的技术方案应用于上述普通的情况时，存在八成以上的元件的相位合成处理变得没用的问题。并且，在将表示在专利文献2中的装置应用于制造现场中的在线探伤的情况下，由于对焦点形成几乎不做贡献的8成以上的元件因加算元件所接收的信号中含有的现场特有的周期性噪声而增大，因而存在容易产生振幅较大的噪声信号的问题。由于振幅较大的噪声信号成为错误检查的原因，因而在在线探伤中是最不受欢迎的不良情况。
发明内容
本发明是为了解决上述现有的问题而作出的，其课题在于将使用振子阵列的超声波探伤应用于高速传送的被检体的检查中或者使振子阵列高速移动而检查被检体时，防止在检查中发生遗漏。并且，本发明的课题在于提供不发生振幅较大的噪声的探伤方法及装置。
本发明是一种解决上述课题的利用超声波的断面检查方法，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其中，从上述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波；利用上述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波；将接收的信号转换成数字形式的波形信号；根据由选自上述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在上述被检体内部的连续的接收波焦点的距离，对上述各振子的数字化的接收波信号的时间轴进行转换；对上述各振子的转换时间轴的接收波信号进行加算合成。其中，形成在被检体内部的连续的接收波焦点，实际上是指将相当于A/D(模拟-数字)转换的取样时间间隔的超声波传播距离作为其间隔而连续形成的接收波焦点。
并且，使由多个超声波振子组成的超声波振子组为多个，在上述多个超声波振子组中同时进行加算合成。
并且，根据振子阵列和焦点的距离，变更构成超声波振子组的超声波振子的个数。
本发明也是一种解决上述课题的利用超声波的断面检查方法，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其中，从上述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波；利用上述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波；将接收的信号转换成数字形式的波形信号；根据由选自上述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在上述被检体内部的n个(n≥2)接收波焦点的距离，从上述各振子的数字化的接收波信号，对应上述n个焦点中的每个焦点提取对该焦点的形成作贡献的信号；将对应上述n个焦点中的每个焦点提取的信号进行加算合成。
并且，使由多个超声波振子构成的超声波振子组为多个，在上述多个超声波振子组中同时进行加算合成。
并且，根据振子阵列和焦点的距离，变更构成超声波振子组的超声波振子的个数。
并且，根据振子阵列和焦点的距离，变更形成在被检体内部的n个(n≥2)接收波焦点的间隔。
本发明是一种解决上述课题的利用超声波的断面检查装置，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其中，包括：从上述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波的单元；利用上述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波的单元；将接收的信号转换成数字形式的波形信号的单元；根据由选自上述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在上述被检体内部的连续的接收波焦点的距离，对上述各振子的数字化的接收波信号的时间轴进行转换的单元；和对上述各振子的转换时间轴的接收波信号进行加算合成的单元。
本发明也是一种解决上述课题的利用超声波的断面检查装置，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其中，从上述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波的单元；利用上述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波的单元；将接收的信号转换成数字形式的波形信号的单元；根据由选自上述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在上述被检体内部的n个(n≥2)接收波焦点的距离，从上述各振子的数字化的接收波信号，对应上述n个焦点中的每个焦点提取对该焦点的形成作贡献的信号的单元；和将对应上述n个焦点中的每个焦点提取的信号进行加算合成的单元。
并且，进行加算合成的单元，同时进行多个超声波振子组中的加算合成。
以上说明中的“同时进行加算合成”中出现的“同时”，是指进行下一次超声波收发而转换时间轴的接收波信号或对应n个焦点中的每个焦点提取的信号，转换成基于上述下一次超声波收发的信号为止的时间带。
附图说明
图1是表示用于实施本发明的超声波检查装置的第一实施方式的简化的结构的框图。
图2是表示第一实施方式的思路的说明图。
图3是表示第一实施方式的整体结构的框图。
图4是表示信号合成部的动作的说明图。
图5是表示用于实施本发明的超声波检查装置的第二实施方式的简化的结构的框图。
图6是表示第二实施方式的思路的说明图。
图7是表示超声波在第二实施方式中特别指定的2个元件和焦点之间传输的时间的相对关系的说明图。
图8是表示第二实施方式的整体结构的框图。
图9是表示作为第二实施方式的变形例的第三实施方式的整体结构的框图。
图10是表示作为第二实施方式的另一变形例的第四实施方式的整体结构的框图。
图11是表示向角度θ的方向形成1个针束的结构的图。
图12是将通过第二实施方式的装置和专利文献2及现有的线性电子扫描得到的C-scope比较而表示的图。
图13是表示现有的超声波检查装置的结构的框图。
标号说明
1…振子阵列
11～1384…超声波振子
21～2384…脉冲发生器
31～3384…接收波放大器
41～4384…A/D转换器
71～7384…信号提取部
81～8384…波形存储器
91～9384…加算合成处理部
101～10384…信号合成部
111～11384…时间轴转换部
121～12384…波形存储器
131～13384…加算合成处理部
141～14384…部分清除部
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示将用于实施本发明的超声波检查装置的第一实施方式简化的例子的框图；图2是表示第一实施方式中的着重点的说明图；图3是表示第一实施方式的整体图像的框图。
作为第一实施方式，关于使元件(超声波振子)总数为384个、接收波集束超声波束的形成所用的1组元件数量为24个的情况进行说明。在本实施方式中，表示通过利用24个元件，在该排列的下方形成超声波直径较小的1个接收波束(下面称为针束)，进而在可从384个全部元件选择的24个元件组的排列下方同时形成接收波针束，由此在振子阵列1的下方形成接收波针束密集排列的接收波针束帘的例子。另外，在该第一实施方式中，为了形成上述接收波针束，从使超声波束在距振子阵列的距离不同的8个(n＝8)的位置集束而成为焦点地、各元件接收的信号，仅提取该焦点附近(以超声波束焦点位置为中心的规定区域)的信号，通过对其进行加算合成，实现基于上述接收波针束的接收波。
如图1(简化图)及图3(整体图)所示，第一实施方式由下述部件构成：振子阵列1；脉冲发生器21～2384，向各元件11～1384施加电脉冲，以从所述振子阵列1的各元件11～1384发送超声波；接收波放大器31～3384，用于放大基于各元件11～1384接收的超声波的信号；A/D转换器41～4384，将基于放大后的所接收的超声波的信号转换成数字信号；信号提取部71～7384，从数字化的接收波信号仅提取接收波束焦点的接收波信号；波形存储器81～8384，存储提取的信号；加算合成处理部9，对存储的提取信号进行加算合成，生成与通过集束到一点(也称作接收波束焦点)的接收波束接收波时等价的接收波合成信号；和信号合成部10，通过对来自加算合成处理部9的信号在时间上连续合成，生成与通过形成在振子1i和1i+1之间的下方的1个针束接收波时等价的接收波信号。即在本实施方式中，对应每个振子阵列11～1384的元件，设有脉冲发生器21～2384、接收波放大器31～3384、A/D转换器41～4384、信号提取部71～7384以及波形存储器81～8384。其中，脉冲发生器21～2384、接收波放大器31～3384、A/D转换器41～4384、信号提取部71～7384、波形存储器81～8384、加算合成处理部91～9384、信号合成部101～10384中，省略在动作说明中不使用的构成元件的图示。在以下的附图中省略在动作说明中不使用的构成元件的图示。
图2表示第一实施方式中的接收波针束形成的思路。从振子阵列1的全部元件11～1384发送超声波。并且，利用振子阵列1的全部元件11～1384接收来自被检体的超声波的反射信号(回波)。基于由各元件11～1384接收的超声波的信号，分别被图1所示的接收波放大器31～3384放大后，由A/D转换器41～4384转换成数字信号。所述数字化的信号的进行同相处理后，进行加算合成，由此可形成如图2所示的接收波集束超声波束。在本实施方式中，为了以高分解能检查被检体的断面，着眼于只要仅提取来自在图2用虚线的圆标记所示的部位的反射信号即可。具体来说，从由A/D转换器41～4384转换的接收波数字信号中，利用信号提取部71～7384，仅提取在相当于各元件1i-12和1i+11和圆形区域的距离的时间范围内接收的信号，并进行加算合成即可。另外，信号提取部7，根据从设定部20输入的各元件1i-12和1i+11和圆形区域的距离、以及介质中的声速等的信息，设定提取条件参量。在图2中的单点划线上，取多个用虚线圆标记表示的区域，如图1所示的圆形区域没有断处以使其排列后(设定多个焦点距离FR，以使区域没有断处地排列)，仅提取从所述多个区域接收的信号，进行加算合成时，能够接收仅来自所述单点划线附近的信号。此时，所形成的接收波束可以说是局部存在于以单点划线为中心的与集束超声波束直径对应的尖细区域的针束。
图1表示将上述局部存在于以单点划线为中心的尖细区域的接收波针束形成1个的简化结构。设定接收波束集束的8个区域(用实线表示的圆形区域)，以在距振子阵列的元件1i-12～1i+11距离FRS～FRE之间形成接收波针束。具体动作如下所述：从振子阵列1的全部元件11～1384发送超声波。并且，利用振子阵列1的全部元件11～1384接收来自被检体的超声波的反射信号(回波)。基于由各元件1i-12～1i+11接收的超声波的信号，分别被接收波放大器3i-12～3i+11放大后，由A/D转换器4i-12～4i+11转换成数字信号。信号提取部7i-12～7i+11，为了形成集束在8个区域的中心的接收波束，提取从各区域接收的信号并发送至波形存储器8i-12～8i+11。波形存储器8i-12～8i+11分为8个区域(在图1中利用8种花纹表示)，分别存储从8个区域接收的信号。存储在波形存储器8i-12～8i+11中的信号向加算合成处理部9发送，进行加算合成。在图1中，利用1根线将相同花纹的波形存储器连接到加算合成处理部9的相同花纹的部位，表示将从相同区域接收的信号导入加算合成处理部9。其中，在加算合成处理中，可与各元件1i-12至1i+11与焦点的位置关系对应地，与存储在波形存储器8i-12～8i+11中的信号重叠后进行加算合成。通过这样加算合成处理而得到的基于集束到8个区域的接收波束的接收波信号向信号合成部10发送，汇集成1个接收波信号。
接着，利用图4对信号合成部10的动作进行说明。将8个区域的各区域表示为区域k(k＝1、2、3、…、8)而识别时，通过集束到各区域k的接收波束得到的信号，例如成为具有相当于如图4的k＝1至k＝8为止表示的所提取的区域的大小的时间幅度的信号。由于振子阵列1和各区域的距离不同，因而由振子阵列1从各区域接收的信号，可由时间不同的时序表示。信号合成部10，通过对所述信号进行加算，生成1个接收波信号。这样可得到通过形成在距离FRS～FRE之间的接收波针束接收的信号。
图3表示在振子阵列1的元件的下方同时排列接收波针束而形成接收波针束帘的结构。在该结构中，振子阵列1中，可在元件1j～1j+1(j＝12、13、14、…、370、371、372)的下方形成共计361个接收波针束。在图3中，为了防止附图的复杂化，表示分别在元件1i-13～1i+10、元件1i-12～1i+11、元件1i-11～1i+12这3个处位置的下方形成接收波针束的情况。设由元件1i-13～1i+10形成的接收波针束为NBi-1，由元件1i-12～1i+11形成的接收波针束为NBi，由元件1i-11～1i+12形成的接收波针束为NBi+1。振子阵列1、脉冲发生器2、接收波放大器3以及A/D转换器4的动作与已经利用图1说明的相同。由于振子阵列的1个元件同时用在24处位置中的24个接收波针束的形成中，因而需要将来自共计24×8个接收波束焦点附近的信号存储在与各元件连接的波形存储器中。因此，波形存储器81～8384分在24×8个区域。向波形存储器8发送接收波信号的信号提取部7，与各元件和使24×8个接收波束集束的区域的距离对应地，从接收波信号取出24×8个信号并向波形存储器8发送。为了从记录在波形存储器8中的接收波信号，例如得到基于接收波针束NBi-1的接收波信号，从记录在波形存储器8i-13～8i+10中的接收波信号中，将来自设定在元件1i-13～1i+10下方(具体来说，元件1i-2和元件1i-1的中间的下方)的8个接收波束焦点附近(以焦点位置为基准的规定区域)的信号向加算合成处理部9发送。所述信号在加算合成处理部9中进行加算合成。这样得到的由集束到8个区域的接收波束得到的信号向信号合成部10发送，汇集成1个接收波信号。这样可得到通过形成在距离FRS～FRE之间的接收波针束NBi-1接收的信号。通过其他接收波针束接收的信号也可以利用相同的工序得到。
在本实施方式中，为了防止说明的复杂化，表示在1种介质中接收上述接收波针束的结构。在如金属材料的水浸探伤等存在2种以上介质的情况下，在上述距离的计算中，当然考虑超声波的折射。
并且，在本实施方式中，表示在24个元件的下方设定8个接收波束焦点而形成接收波针束的方法。这是一例，在超声波束的形成中使用的元件的数量可以在4个以上。并且，进行设定的接收波束焦点的数量也可以根据被检体的厚度、所需要的分解能、检测能自由地进行变更。
并且，在本实施方式中，接收波束的焦点大致以等间隔一定地设定。这也只是一例，进行设定的接收波束的焦点之间的距离也可以不是等间隔。通常，由于接收波束的发送方向中的集束范围根据焦点和振子阵列的距离变大，因而与此对应地决定接收波束焦点之间的距离即可。
其中，焦点位置中的超声波的超声波束直径Bd可大致如(1)式一样表示：
Bd＝λ·F/D  …………(1)
在这里，λ：超声波的波长、F：集束超声波束的焦点距离、D：分组的振子的幅度(相当于元件间距×元件数量)
因此，由于在使振子幅度D一定的状态下使焦点距离F变大时超声波束直径Bd变大，因而也可以是变更D以根据焦点距离F成为所希望的超声波束直径的结构。具体来说，根据焦点距离F变更在接收波针束的形成中使用的元件的数量即可。
接着，参照附图对本发明的第二实施方式进行详细说明。
图5是表示将第二实施方式简化的例子的框图；图6是表示第二实施方式中的着重点的说明图；图7是表示超声波在特别指定的2个元件和焦点之间传输的时间的相对关系的说明图；图8是表示第二实施方式的整体图像的框图。
作为第二实施方式，关于使元件总数为384个、接收波集束超声波束的形成所用的1组元件数量为24个的情况进行说明。在本实施方式中，表示通过利用24个元件，在其排列方向中心的下方形成焦点连续的1个尖细的接收波束(下面称为针束)，进而在可从384个全部元件选择的24个元件组的排列下方同时形成接收波针束，由此在振子阵列1的正下方形成接收波针束密集排列的接收波针束帘的例子。其中，在本实施方式中，利用24个元件使接收波集束超声波束的焦点连续。
如图5(简化图)及图8(整体图)所示，本实施方式由下述部件构成：振子阵列1；脉冲发生器21～2384，向各元件11～1384施加电脉冲，以从所述振子阵列1的各元件11～1384接收超声波；接收波放大器31～3384，用于放大基于各元件11～1384接收的超声波的信号；A/D转换器41～4384，将基于放大后的接收的超声波的信号转换成数字信号；时间轴转换部111～11384，对数字化的接收波信号的时间轴进行转换；波形存储器121～12384，存储转换时间轴后的信号；和加算合成处理部13，利用所存储的时间轴转换信号，生成与通过形成在振子1i和1i+1中间的正下方的焦点没有断处地连续的1个针束接收波时等价的接收波信号。即在本实施方式中，对应每个振子阵列11～1384，设有脉冲发生器21～2384、接收波放大器31～3384、A/D转换器41～4384、时间轴转换部111～11384以及波形存储器121～12384。
图6表示本实施方式中的接收波针束形成的思路。从振子阵列1的全部元件11～1384发送超声波。并且，利用振子阵列1的全部元件11～1384接收来自被检体的超声波的反射信号(回波)。基于由各元件11～1384接收的超声波的信号，分别被图5所示的接收波放大器31～3384放大后，由A/D转换器41～4384转换成数字信号。所述数字化的信号的进行同相处理后，进行加算合成，由此可形成如图5所示的接收波集束超声波束。
在本实施方式中，如图6所示，在元件1i-12～1i+11的下方距振子阵列1距离FR的位置形成接收波束焦点的情况下，着重于元件1i-12～1i+11和焦点的位置之间的距离，可由相对于距离FR的增加而单调增加的函数来表示。在图6所示的例子中，由于焦点设定在1i-1及1i的中心的下方，因而最靠近焦点的元件为1i-1及1i。使超声波在该元件和焦点位置之间传输的时间和超声波在距焦点最远的元件1i-12和焦点之间传输的时间对比而表示在图7。在该计算中，使传输超声波的介质中的超声波的速度为1500m/s，元件间距p为0.2mm，并使FR在4mm～25mm变化。
如图7所示，超声波在上述2个元件和焦点的位置之间传输所需的时间具有单调变化的函数关系(下面称为传输时间相对关系)。在这里，图7的横轴为将图6的距离di-1转换成传输时间的值，纵轴为将图6的距离di-12转换成传输时间的值，因此，利用图7所述的关系，将一方元件接收的信号的时间轴(接收波的时刻)与另一方元件接收的信号的时间轴(接收波的时刻)合并时(下面称为时间轴转换)，即使焦点和振子阵列1的距离FR变化，也能够使两者的相位总是一致。
由于超声波在元件1i-1和焦点之间传输的时间和超声波在元件1i-12以外的元件和焦点之间传输的时间之间具有与图7相同的关系，因而可预先计算所述关系，进行所接收的信号的时间轴转换时，能够与焦点和振子阵列1的距离FR无关地，同样使元件1i-12以外的元件和元件1i-1的相位一致。即，可进行各元件1i-12～1i+11接收的信号的时间轴转换时，能够在元件1i-12～1i+11的下方，形成焦点没有断处地连续的尖细的接收波束。该接收波束可以说是局部存在于以单点划线为中心的尖细的区域的针束。
其中，在上述说明中将作为时间轴转换的基准的元件作为元件1i-1而进行了说明，作为基准的元件可以是24个元件中的任一个。以最靠近焦点的元件作为基准进行时间轴转换时，能够最大限度地减少时间轴转换后的数据的数量(元件和焦点之间的超声波传输时间最短)，因而有装置制作方面的优点。
更具体来说，如下所述地进行上述时间轴转换。将作为时间轴转换的基准的元件作为元件1i-1并设其时间轴为t。这样，对时间轴进行转换的元件(例如元件1i-12)的时间轴ti-12，参考图7，可利用函数写成ti-12＝fi-12(t)。此时，通过元件1i-12接收的信号由函数A来表示其振幅时，可表示为Ai-12(ti-12)。因此，时间轴转换的操作不限于求Ai-12(t)，也可以利用逆函数写成Ai-12(f1 i-12(ti-12))。在时间轴转换部中，可从设定部21预先赋予该操作所需的时间轴转换关系。由于在这里处理的信号是数字数据，最靠近焦点的元件的数据数量最少(超声波的传输距离短)，因而以最靠近焦点的元件作为基准时，可在其他元件的时间轴转换中，进行减少数据数量的处理。减少数据数量时，进行设法以防止损失振幅较大的数据的间断处理即可。
图5表示将上述局部存在于以单点划线为中心的与集束尺寸对应的尖细区域的接收波针束形成1个的简化结构。具有时间轴转换部11，所述时间轴转换部11在振子阵列的元件1i-12～1i+11下方的距离FRS～FRE之间形成焦点没有断处地连续的接收波针束地接收超声波，进行A/D转换后的信号的时间轴转换。
具体动作如下所述：从振子阵列1的全部元件11～1384发送超声波。并且，利用振子阵列1的全部元件11～1384接收来自被检体的超声波的反射信号(回波)。基于由各元件1i-12～1i+11接收的超声波的信号，分别被接收波放大器3i-12～3i+11放大后，由A/D转换器4i-12～4i+11转换成数字信号。时间轴转换部11i-12～11i+11，在设定部21输入预先计算并存储的时间轴转换关系的数据，以在距离FRS～FRE之间连续地设定焦点，并据此，对作为基准的元件以外的元件接收的信号的时间轴进行转换并向波形存储器12i-12～12i+11发送。作为基准的元件的信号，可直接发送。存储在波形存储器12i-12～12i+11中的信号向加算合成处理部13发送并进行加算合成。这样可得到通过形成在距离FRS～FRE之间的焦点没有断处地连续的接收波针束接收的信号。
图8表示在振子阵列1的元件的下方同时排列接收波针束而形成接收波针束帘的结构。在该结构中，振子阵列1中，可在元件1j～1j+1(j＝12、13、14、…、370、371、372)的下方形成共计361个接收波针束。在图8中，为了防止附图的复杂化，表示分别在元件1i-13～1i+10、元件1i-12～1i+11、元件1i-11～1i+12的下方形成接收波针束的情况。设由元件1i-13～1i+10形成的接收波针束为NBi-1，由元件1i-12～1i+11形成的接收波针束为NBi，由元件1i-11～1i+12形成的接收波针束为NBi+1。振子阵列1、脉冲发生器2、接收波放大器3以及A/D转换器4的动作与已经利用图5说明的相同。由于振子阵列的1个元件同时用在24个接收波针束的形成中，因而需要将共计24个进行时间轴转换的信号存储在与各元件连接的波形存储器中。因此，波形存储器121～12384分在24个区域。向波形存储器12发送进行时间轴转换的信号的时间轴转换部11，与各元件和形成24个接收波束集束的位置的距离对应地，从接收波信号生成进行时间轴转换的信号并向波形存储器12发送。为了从记录在波形存储器12中的接收波信号，例如得到基于接收波针束NBi-1的接收波信号，从记录在波形存储器12i-13～12i+10中的进行时间轴转换的信号中，将进行时间轴转换以在元件1i-13～1i+10下方(元件1i-2和元件1i-1的中间的下方)形成接收波针束的信号向加算合成处理部13i-1发送。所述信号在加算合成处理部13i-1中进行加算合成。这样可得到通过形成在距离FRS～FRE之间的接收波针束NBi-1接收的信号。通过其他接收波针束接收的信号也可以利用相同的工序得到。
在本实施方式中，为了防止说明的复杂化，表示在1种介质中接收上述接收波针束的结构。在如金属材料的水浸探伤等存在2种以上介质的情况下，在上述距离的计算中，当然考虑超声波的折射。
并且，在本实施方式中，表示在24个元件的下方形成焦点连续的接收波针束的方法。这是一例，在超声波束的形成中使用的元件的数量可以在4个以上。
其中，焦点位置中的超声波的超声波束直径Bd可如上述(1)式一样表示。因此，由于在使振子幅度D一定的状态下使焦点距离F变大时超声波束直径Bd变大，因而也可以是与第一实施方式同样地根据焦点距离F变更D的结构。具体来说，根据焦点距离F变更在接收波针束的形成中使用的元件的数量即可。
作为第二实施方式的变形例，在图9表示下述第三实施方式的结构：在距振子阵列1的距离为FRS～FRH的范围内，利用24个元件形成接收波针束，在距振子阵列1的距离为FRH～FRE的范围内利用32个元件形成接收波针束。功能上与图8相同的部分，省略说明。在该结构中新追加的是部分清除部14。例如，利用元件1i-12～1i+11的24个元件在距振子阵列1的距离为FRS～FRH的范围内形成接收波针束，利用元件1i-16～1i+15的32个元件在距振子阵列1的距离为FRH～FRE的范围内形成接收波针束。在距离FRS～FRH的范围内形成接收波针束时，不需要元件1i-16～1i+13以及元件1i+12～1i+15接收的信号。部分清除部14i具有下述功能：将由元件1i-16～1i+13以及元件1i+12～1i+15接收并进行时间轴转换的信号中、与至距离FRS～FRH的接收波针束的形成中使用的时间范围对应的部分的数据的振幅清零。其他的部分清除部14i-1、14i+1也具有相同的功能。
利用图9表示了将在接收波针束的形成中使用的元件的数量根据距振子阵列的距离变更1次的例子，通过对上述结构进行多次变更，能够多次变更接收波针束的形成中使用的元件的数量。
其中，在上述接收波针束的形成中使用的元件的数量根据距振子阵列的距离变更1次的结构，对在增大形成接收波针束的范围的情况下，解决在远处超声波束直径变大的问题有效。
并且，也可以与上述说明同样，在第一实施方式的结构中，追加根据振子阵列1和焦点的距离来多次变更在接收波针束的形成中使用的元件的数量的结构。
接着，作为第二实施方式的另一变形例，在图10表示作为振子阵列1使用形成圆环形的阵列(圆环形振子阵列)的第四实施方式。在圆环形振子阵列和线性阵列之间，由于振子阵列1的几何学形状不同，因而利用图6～图7说明的表示传输时间相对关系的函数发生变化。因此，虽然时间轴转换部11的动作内容发生变化，但其是可参考图6、图7并通过几何学计算容易地求出的简单的变更，因而省略说明。除了时间轴转换部11以及设定部21的部分的动作与图8的情况完全相同。
由此，在使用圆环形振子阵列的情况下，也能够在距振子阵列1的距离为FRS～FRE的范围内生成接收波针束帘。
与上述说明同样，可在第一实施方式的结构中使用圆环形振子阵列。并且，也可以追加根据振子阵列1和焦点的距离来多次变更在接收波针束的形成中使用的元件的数量的结构。
作为第二实施方式的又一变形例，还可以是如图11一样向相对于振子阵列1的法线倾斜角度θ的方向形成接收波针束的结构。在这种情况下，时间轴转换部11，根据各元件1i-12～1i+11和向角度θ的方向连续形成的接收波焦点之间的距离对元件1i-12～1i+11接收的信号进行时间轴转换的情况不变。图11为了便于说明而表示向角度θ的方向形成一个针束的结构。
时间轴转换部11除了进行与上述说明相同的动作，利用图8的结构时，还可以向角度θ的方向形成针束帘。根据要检测的内部缺陷的形状、方向，选择角度θ以能够得到具有充分的S/N的回波即可。
与上述说明同样，在第一实施方式的结构中也可以形成向倾斜角度θ的倾斜方向形成接收波针束。并且，也可以追加根据振子阵列1和焦点的距离来多次变更在接收波针束的形成中使用的元件的数量的结构。
另外，在发送波中，可以从振子阵列1的全部元件同时发送超声波，也可以通过控制从脉冲发生器2向振子阵列1的各元件施加电脉冲的时序，向振子阵列1的法线倾斜地发送超声波或集束到振子阵列的下方地发送超声波。总之，根据要检测的内部缺陷的形状，选择发送波以能够得到具有充分的S/N的回波的方法即可。
在这里，还对本申请发明相对于专利文献2的进步性进行说明。
在专利文献2中，通过将振子阵列接收的信号记录到二维的存储器中，并对存储器内进行扫描，在规定的深度范围整体形成接收波束焦点。相对于此，在本申请发明中，由于如下文描述地，对接收波信号进行加工以能够在接收波束焦点的形成中直接使用的信号存储在存储器中，因而不需要对存储器内进行扫描，能够实现处理速度的显著的高速化。
1)对在接收波束焦点的形成中所需的信号刚进行A/D转换后，预先提取或进行时间轴转换后存储在存储器中。
2)仅通过存储在存储器中的信号的加算处理，就能够向所希望的方向连续地形成接收波束焦点。
在专利文献2中，通过对由n个元件接收的n个接收波信号全部进行相位合成，在特定的位置形成接收波束的焦点。在这种情况下，由于以较高的比例含有对接收波束的形成不作贡献的振子，因而在相位合成中的计算中不仅浪费多，而且成为发生较大振幅的噪声信号的原因。在本申请发明中，由于从振子阵列1中选择较小的振子组，仅通过该振子组形成接收波束焦点，因而完全没有如专利文献2一样的计算浪费的问题、发生较大振幅的噪声信号的问题。
实施例
图12为了验证本发明的有效性，利用频率50MHz、元件间距0.1mm、元件数量384个的振子阵列检测存在于厚度2～3mm的薄钢板中的微小的非金属夹杂物的结果。在该实验中，利用输送台传送钢板的同时检测非金属夹杂物。作为本发明的装置，利用第一及第二实施方式的装置进行实验。为进行对比，准备可实现专利文献2所示的接收波焦点的形成方法的装置后进行实验。并且，为了与普通电子扫描技术进行对比，利用相同的振子阵列，还进行利用了普通线性电子扫描(对集束的发送接收超声波束进行电子扫描)的实验。图12是在各实验中得到的C-scope，检测来自内部缺陷的回波信号的振幅，根据该振幅进行亮度变调而表示内部缺陷图像。图12的C-scope的水平方向是钢板的传送方向。在普通线性电子扫描中，表示多次变更发送接收超声波集束超声波束的焦点距离(每次变更焦点距离时重新传送钢板而作实验)，可得到最清楚的内部缺陷图像的情况下(水中焦点距离：15mm)的C-scope。图12的基于本发明的装置以及利用专利文献2的装置得到的C-scope，是以通过普通线性电子扫描得到的C-scope作为基准，在以可得到与此相同的C-scope的最高极限速度传送钢板的情况下得到的C-scope。在本发明的情况下，由于可得到与第一及第二实施方式的装置大致相同的内部缺陷图像，因而在图12表示利用第二实施方式的装置得到的C-scope。在表1表示上述实验中的最高传送速度以及对图12所示的区域进行映象化时所需的时间。其中，在普通线性电子扫描的情况下，表示1个焦点距离设定中的钢板传送最高速度和所需时间。为了对厚度2～3mm的钢板的全部断面没有遗漏地进行检查，在普通线性电子扫描的情况下，仅考虑检测所需的时间也需要表1的所需时间的10倍左右的时间。
表1
  装置   钢板传送最高速度   所需时间(s)
  本发明的装置   1000mm/s   0.016
  专利文献2的装置   100mm/s   0.16
普通线性电子扫描装置 10mm/s   1.6(其中，1个焦点距离设定中的所需时间)
参照图12的C-scope及表1可知的是，在本发明的装置中，与以往的装置(专利文献2的装置、基于普通线性电子扫描的装置)相比，即使以10～100倍的速度传送钢板，也可得到几乎没有差异的内部缺陷映象。在专利文献2的装置中，由于对由n个元件接收的n个接收波信号的全部进行相位合成，因而以较高的比例含有对接收波束的形成不作贡献的振子，由此所述对接收波束的形成不作贡献的振子所接收的信号中包含的周期性噪声，S-scope整体的噪声级别变高。在图12中，充分显现上述专利文献2的装置的问题点。并且，本发明的装置的超声波的发送接收超声波频率为10kHz，相对于此，专利文献2的装置的超声波的发送接收超声波频率为如专利文献2所示为1kHz，存在限度。本发明的装置可有利地应用于以高速传送的被检体的检查或对振子阵列高速进行扫描的同时检查被检体的情况。
在第一及第二实施方式的装置中，从振子阵列1的全部元件11～1384收发超声波，也可以利用一部分元件收发超声波。并且，全部元件数量也不限于384个。
工业实用性
在本发明中，由从振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波，利用上述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由该发送的超声波产生的反射波，将该接收的信号转换成数字形式的波形信号后，根据由选自上述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在上述被检体内部的连续的接收波焦点的距离，对上述各振子的数字化的接收波信号的时间轴进行转换，对上述各振子的转换时间轴的接收波信号进行加算合成，因而能够在振子阵列的下方形成接收波束的焦点连续或半连续地形成的接收波针束。并且，由于使由多个超声波振子组成的超声波振子组为多个，在上述多个超声波振子组中同时进行加算合成，因而可在振子阵列的下方形成接收波针束密集地排列的帘。由此，在高速移动的物体的检查中，或在使振子阵列以高速移动而进行的检查中，不会发生伴随线性电子扫描的检查的遗漏，从而具有能够进行高速相对移动的物体的全体积的检查的以往没有的优点。

Claims (11)

1.一种利用超声波的断面检查方法，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其特征在于，
从所述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波；
利用所述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波；
将接收的信号转换成数字形式的波形信号；
根据由选自所述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在所述被检体内部的连续的接收波焦点的距离，对所述各振子的数字化的接收波信号的时间轴进行转换，所述时间轴的转换中，为了使转换后的各接收波信号分别与所述连续的接收波焦点对应，以所述超声波振子组接收的接收波信号彼此的相位无论所述接收波信号的接收时间而总是一致的方式进行时间轴转换；
将转换时间轴后的信号存储于波形存储器；
对存储于波形存储器的、转换所述各振子的时间轴的接收波信号进行加算合成。
2.如权利要求1所述的利用超声波的断面检查方法，其特征在于，使由多个超声波振子组成的超声波振子组为多个，在所述多个超声波振子组中同时进行加算合成。
3.如权利要求1或2所述的利用超声波的断面检查方法，其特征在于，根据振子阵列和焦点的距离，变更构成超声波振子组的超声波振子的个数。
4.一种利用超声波的断面检查方法，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其特征在于，
从所述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波；
利用所述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波；
将接收的信号转换成数字形式的波形信号；
根据由选自所述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在所述被检体内部的多个接收波焦点的距离，从所述各振子的数字化的接收波信号，对应所述多个焦点中的每个焦点提取对该焦点的形成作贡献的信号；
对应所述多个焦点中的每个焦点存储对该焦点的形成作贡献的信号；
将对应所述多个焦点的每个焦点存储的信号进行加算合成。
5.如权利要求4所述的利用超声波的断面检查方法，其特征在于，使由多个超声波振子构成的超声波振子组为多个，在所述多个超声波振子组中同时进行加算合成。
6.如权利要求4或5所述的利用超声波的断面检查方法，其特征在于，根据振子阵列和焦点的距离，变更构成超声波振子组的超声波振子的个数。
7.如权利要求4或5所述的利用超声波的断面检查方法，其特征在于，根据振子阵列和焦点的距离，变更形成在被检体内部的多个接收波焦点的间隔。
8.如权利要求6所述的利用超声波的断面检查方法，其特征在于，根据振子阵列和焦点的距离，变更形成在被检体内部的多个接收波焦点的间隔。
9.一种利用超声波的断面检查装置，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其特征在于，包括：
从所述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波的单元；
利用所述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波的单元；
将接收的信号转换成数字形式的波形信号的单元；
根据由选自所述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在所述被检体内部的连续的接收波焦点的距离，对所述各振子的数字化的接收波信号的时间轴进行转换的单元；和
对所述各振子的转换时间轴的接收波信号进行加算合成的单元，
所述时间轴的转换中，为了使转换后的各接收波信号分别与所述连续的接收波焦点对应，以所述超声波振子组接收的接收波信号彼此的相位无论所述接收波信号的接收时间而总是一致的方式进行时间轴转换。
10.一种利用超声波的断面检查装置，利用由排列成一维方式的多个超声波振子组成的振子阵列检查被检体的断面，其特征在于，包括：
从所述振子阵列的一部分或全部超声波振子发送超声波的单元；
利用所述振子阵列的一部分或全部超声波振子接收由发送的超声波产生的反射波的单元；
将接收的信号转换成数字形式的波形信号的单元；
根据由选自所述振子阵列中的多个超声波振子构成的超声波振子组的各振子和形成在所述被检体内部的多个接收波焦点的距离，从所述各振子的数字化的接收波信号，对应所述多个焦点中的每个焦点提取对该焦点的形成作贡献的信号的单元；
对应所述多个焦点中的每个焦点存储对该焦点的形成作贡献的信号的单元；和
将对应所述多个焦点中的每个焦点存储的信号进行加算合成的单元。
11.如权利要求9或10所述的利用超声波的断面检查装置，其特征在于，所述进行加算合成的单元，同时进行多个超声波振子组中的加算合成。
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