JP2001318141A - 超音波波形の表示方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波形表画面の画素数が小さい場合でも、超音
波測定手段の観測帯域や波形の情報を失うことなく、効
率よく超音波波形を表示する。 【解決手段】 時間に対応付けられた軸の画面上の座標
が略同一となる複数の時系列要素の集合中で、サンプリ
ングされた時刻が最小の要素と、超音波強度が最大とな
る要素と、超音波強度が最小となる要素と、サンプリン
グされた時刻が最大の要素のみをプロットする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波波形の表示
方法及び装置に係り、特に、超音波探傷装置や超音波計
測装置に用いるのに好適な、波形表示画面の画素数が小
さい場合でも、超音波測定手段の観測帯域や波形の情報
を失うことなく、効率よく超音波波形を表示することが
可能な超音波波形の表示方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波は、例えば「非破壊検査概論」
（日本非破壊検査協会）第３８頁に記載されているよう
に、一般の可聴域音波に比べ、直進性に優れ、また概均
一な媒質中に存在するきず等の異物や剥離等の不連続面
で反射する性質を有することから、試験体中に伝搬さ
せ、反射してくる超音波を捉えて、きずや剥離等の大き
さと位置を測定する超音波探傷試験の１手段として広く
用いられている。

【０００３】金属材料や構造物の非破壊検査手段として
用いられる超音波計測装置は、一般には超音波探傷器と
呼ばれ、大別すると超音波送受信部と波形表示部、ゲイ
ン・遅延等の設定部から構成される。この波形表示部は
オシロスコープと同様の原理により、超音波受信時間あ
るいは超音波の媒質中での路程と超音波強度の関係を、
グラフ状の図形に表示するものである。

【０００４】また、近年では、計測分野で広く行われて
いるディジタル化の手法に倣って、受信した超音波波形
をアナログ・ディジタル変換（Ａ／Ｄ変換）し、数値デ
ータとして波形表示や処理を行うようになってきてい
る。このディジタル法では、超音波の強度を示す数値デ
ータ列（時系列データ）を画面上の座標に変換し、順次
線で結んで表示させるのが一般的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このディジタ
ル化された超音波計測装置において、表示させる波形の
デー夕数は、一般に表示装置の横方向画素数（以下、Ｘ
画素数とする）に一致せず、高周波探傷の場合や、表示
する路程範囲が広い場合や、逆に、計測装置の小型化等
の制限から波形表示部の画素数が２００ドット以下と小
さい場合などでは、波形のデータ数がＸ画素数の５倍〜
１０倍になる場合がある。

【０００６】このような場合、通常の方法で波形データ
を表示させると、表示画面の同一のＸ座標上を何度も上
書きすることになり、表示範囲の割に表示時間がかかっ
て測定の応答性が低下し、表示画面のちらつきが顕著に
なって表示が見づらくなる他に、探触子を移動させた場
合などの過渡現象を的確に表示することが出来なくなる
等、装置の使い勝手が低下するという問題点があった。

【０００７】これに対して行われる対策に、波形のデー
タ数を画素数と同一あるいは同程度に間引く方法があ
る。これは、例えば表示範囲に属する時系列データＶ
（ｎ）（ｎ＝０，１，…，Ｎ−１）を１／Ｋ（Ｋは２以
上の整数）に間引くとすると、

【０００８】

【数１】 となるように、元の時系列を飛ばし読みしたデータを表
示するというものである。

【０００９】しかし、この方法では、欠陥部からのエコ
ー等の波形が歪んだり、時間的に短い反射成分が欠落し
たりして、測定の正確性を失ってしまうという問題点が
あった。

【００１０】また、別な方法として、サンプリングした
波形データに、カットオフ周波数がＦｓ／２Ｋ（Ｆｓは
サンプリング周波数、Ｋは上記と同様に間引き数）以下
の低域通過フィルタ処理を行った後に、上記の間引き演
算を行う方法も知られている。

【００１１】この方法では、波形の帯域特性が最終的な
サンプリング周波数の１／２以下であるので、例えば、
Ａ．パポーリス著（町田ら訳）「信号解析」第１３５頁
に記載されているサンプリング定理によって知られてい
るように、サンプリング操作による波形情報の欠落はな
いことが保証される。

【００１２】しかしながら、この方法では、観測したい
超音波の周波数の上限が、データ数に反比例して低下し
てしまうため、広帯域の超音波を長い路程にわたって観
測することが不可能になるという問題点があった。

【００１３】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、波形表示画面の画素数が小さい場合
でも、超音波測定手段の観測帯域や波形の情報を失うこ
となく、効率よく超音波波形を表示することを課題とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、超音波波形を
所定の基準時刻からの経過時間と関連付けてサンプリン
グして生成される時系列データを、該波形をサンプリン
グした所定の基準時刻からの経過時間と超音波強度の関
係として画面上の２次元座標に変換して線で結んでグラ
フ表示する超音波波形の表示方法において、時間に対応
付けられた軸の画面上の座標が略同一となる複数の時系
列要素の集合中で、サンプリングされた時刻が最小の要
素と、超音波強度が最大となる要素と、超音波強度が最
小となる要素と、サンプリングされた時刻が最大の要素
のみをプロットするようにして、前記課題を解決したも
のである。

【００１５】本発明は、又、超音波波形の表示装置にお
いて、超音波波形をサンプリングするサンプリング手段
と、該サンプリング手段にタイミングパルスを与える基
準時刻発生手段と、該基準時刻発生手段及びサンプリン
グ手段が生成する時刻と超音波強度の値の組を、画面上
の適切な座標の組に変換する座標変換手段と、該座標変
換手段により変換された時系列サンプルに関連した座標
の組の集合中で、サンプリングされた時刻が最小の要素
と、超音波強度が最大となる要素と、超音波強度が最小
となる要素と、サンプリングされた時刻が最大の要素を
含む組のみをそれぞれ抽出して内部に記憶する間引き演
算手段と、該間引き演算手段が記憶した座標の組を、時
系列に従って順次線で結んで画面上にプロットする波形
表示手段と、を備えることにより、同じく前記課題を解
決したものである。

【００１６】サンプリングされたＮ個の時系列データ
（時刻と例えば電圧の組）（ｔ_i，Ｖ_i）（ｉ＝ｏ，…，
Ｎ−１）が、図１の上段に示す如く、表示画面上での座
標（画面上の基準位置から数えた画素位置）（Ｘ_i，
Ｙ_i）に変換され、かつ前記Ｎ個のうちｉ＝ｊ，…，ｊ
＋Ｍ−１のＭ個（図１では１００００個）が、図１の下
段に示す如く、同一又は略同一のＸ座標に変換されるも
のとする。ここで、表示画面上で時間に相当する軸は、
横方向（Ｘ方向）縦方向（Ｙ方向）どちらでも選択でき
るが、以下の説明では、時間軸を横方向（Ｘ方向）とし
て説明する。なお、適宜ＸとＹを入れ替えることで、時
間軸を縦軸にとった場合も、同様の効果を得ることがで
きる。

【００１７】さて前記の表示画面上での同一のＸ座標Ｘ
_iに変換されるＭ個のデータのうち ・Ｙ座標の値が最大（即ち、最大強度） ・Ｙ座標の値が最小（即ち、最小強度） 以外は、他のデ−タを描画する際にプロット線により上
書きされる。したがって、このような条件を満たさない
点列は、表示作業を省略しても表示画面上に影響は出な
い。

【００１８】また、ｊ番目の最小時刻の点と（ｊ十Ｍ−
１）番目の最大時刻の点は、Ｘ座標が異なる点とプロッ
トする際に表示装置が斜めに画素を描画するので、これ
らの点は表示する必要がある。

【００１９】結局、表示画面上で同一のＸ座標に変換さ
れる時系列データの集合（ｔ_i，Ｖ_i）（ｉ＝ｊ，…，ｊ
＋Ｍ−１）（図１では１００００個）のうち、 ・最初の要素（ｔ_j，Ｖ_j） ・Ｙ座標の値が最大 ・Ｙ座標の値が最小 ・最後の要素（ｔ_j+M-1，Ｖ_j+M-1） の四個のみを表示し、残りの点列は表示を省略すること
により、表示される波形の情報を損なわずに表示速度を
向上させることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施形態について詳細に説明する。

【００２１】図２は、本発明にかかる超音波波形の表示
装置の実施形態である。

【００２２】図２において、１０は超音波送受信用トラ
ンスデューサ、１２はサンプリング回路、１４は基準時
刻発生回路、１６は積算回路、１８は時間軸座標演算回
路、２０は電圧軸座標演算回路、２２は本発明に係る間
引き演算回路、２４は表示装置である。

【００２３】前記超音波送受信用トランスデューサ１０
は、超音波を被検体８に照射し、同時に受信した波形の
強度に応じた電気信号を出力するものであり、通常超音
波計測で用いられるような、１個または複数の超音波探
触子、パルサー、受信器等から構成されるものを用いれ
ばよい。また被検体８は、これも通常超音波計測で行わ
れるように、図示しない水槽中で、探触子から数ｍｍ〜
数１０ｍｍ離した位置において探触子と正対するか、油
等の接触媒質を介して探触子と接した状態で計測すれば
よい。

【００２４】前記サンプリング回路１２は、前記超音波
送受信用トランスデューサ１０が出力する超音波波形
を、基準時刻発生回路１４が発生する信号に同期して、
離散データ（ディジタルデータ）に変換するものであ
り、市販されているアナログ・ディジタル変換素子等を
用いて構成することができる。

【００２５】前記基準時刻発生回路１４は、前記サンプ
リング回路１２がサンプリングを行う時刻を制御するも
のであり、公知のパルス発生回路を用いて構成すること
ができる。また、その発生時間間隔は、サンプリング定
理の要請を満たすように、超音波送受信トランスデュー
サ１０の最高の周波数帯域ｆ_hの逆数の１／２より短い
ことが望ましく、好適にはｆ_hの１／４程度にして、高
周波ノイズによる折り返し誤差を低減させることが望ま
しい。

【００２６】前記積算回路１６は、前記基準時刻発生回
路１４が出力する同期信号を積算して、各離散データの
採取時刻を出力するものであり、市販されている加算回
路等を用いればよい。なお、サンプリング回路１２によ
る波形のサンプリング周期が一定の場合には、公知のカ
ウンタを用いることが出来る。また、前記時間軸座標演
算回路１８の表示単位を、時間でなく、媒質中での超音
波路程とすることもあるが、この場合には、前記のよう
にして積算した時間に、予め設定した媒質中の音速を乗
じる乗算回路を加えることで、路程を出力するように構
成できる。この時間、路程の違いは、音速を乗じている
か否かの差異でしかないので、以下では時間を出力する
場合のみを説明する。

【００２７】前記時間軸座標演算回路１８は、前記間引
き演算回路１６が出力する波形サンプリングの基準時刻
から起算した経過時間を、表示画面上の時間軸座標に相
当するピクセル（画素）番号に対応づける演算を行うも
のであり、また前記電圧軸座標演算回路２０は、前記サ
ンプリング回路１２が出力する超音波強度に相当したデ
ィジタルデータを、表示画面上の電圧軸に相当するピク
セル番号に対応付ける演算を行うものであり、これら
は、どちらも乗算素子と加算器を用いて構成することが
できる。

【００２８】前記演算回路２２は、前記時間軸座標演算
回路１８と電圧軸座標演算回路２０が出力する座標デー
タ列に対し、既に説明したような演算を行って、超音波
波形表示に寄与する、各集合毎に４個の点列のみを抽出
して内部に記憶するものである。

【００２９】前記表示装置２４は、前記間引き演算回路
２２が記憶した点列を、時系列に従って順次線で結んで
波形として表示させるものであり、一般に用いられてい
るＣＲＴや液晶表示装置を用いればよい。

【００３０】次に本実施形態の動作を説明する。

【００３１】前記積算回路１６とサンプリング回路１２
が出力する、サンプリング時刻ｔ_iおよび超音波強度に
相当するディジタルデータＶ_iは、それぞれ時間軸座標
演算回路１８と電圧軸座標演算回路２０に入力され、こ
れらにより、表示画面の時間軸、電圧軸に相当するピク
セル座標（Ｘ_i，Ｙ_i）が算出される。その演算式の一例
を以下に示す。

【００３２】 Ｘ_i＝（ｔ_i−ｔ_min）＊ＸＷ／（ｔ_max−ｔ_min）＋Ｘ０ …（２） Ｙ_i＝（Ｖ_i−Ｖ_min）＊ＹＷ／（Ｖ_max−Ｖ_min）＋Ｙ０ …（３）

【００３３】ここで、ｔ_max，ｔ_minは、画面上に表示さ
せる時間範囲の最大、最小値、Ｘ０，ＸＷは、それぞれ
前記最小時間に対応した画面上の座標および時間軸の
幅、Ｖ _max，Ｖ_minは、画面上に表示させる電圧範囲の最
大、最小値、Ｙ０，ＹＷは、それぞれ前記最小電圧に対
応した画面上の座標および時間軸の幅であり、ピクセル
座標の値は通常整数データであることから、上記演算結
果の演算結果は、切り捨てや四捨五入等の操作により整
数に丸めるのがよい。

【００３４】そして、前記間引き演算回路２２は、前記
のようにして得られたピクセル座標の列（Ｘ_i，Ｙ_i）に
対し、先に説明したような演算を行い、同一Ｘ座標を与
えるピクセル座標の集合毎に高々４組の表示すべき座標
データを表示装置２４に出力する。この演算内容を実現
するフローチャートの１例を図３に示す。

【００３５】前記表示装置２４への出力において、間引
き演算回路２２の内部に記憶されたデータのうち、（Ｘ
_init，Ｙ_init）ないし（Ｘ_last，Ｙ_last）が、
（Ｘ_min，Ｙ_{m in}）あるいは（Ｘ_max，Ｙ_max）のいずれか
と同一である場合もあり得るが、その場合は同一のデー
タは出力しないようにすることにより、更に表示装置２
４の演算コストを削減することができる。

【００３６】

【実施例】本発明の効果を検証するために、前記実施形
態の装置と従来の装置を用いて、波形表示時間の比較を
行った。従来の装置は、前期実施形態の間引き演算回路
２２をパススルーさせて、すべての座標データ列を強制
的に描画させることで代用し、間引き演算機能以外の差
がないようにした。また、使用した波形表示装置のドッ
ト数は時間軸：２００ドット、電圧軸：２５６ドット、
超音波のサンプリング周波数は１００ＭＨzとし、波形
表示の時間範囲を５μｓ（データ数５００）から５０μ
ｓ（データ数５０００）まで変化させて比較した。

【００３７】その結果を図４に示す。従来法の表示時間
は、表示時間範囲およびサンプリングデータ数にほぼ比
例しているのに対し、本発明による方法の表示時間は、
サンプリングデータ数＝５００では従来法とほぼ同じで
あるが、サンプリングデータ数を１０００、２０００と
増やしても表示時間がほぼ横ばいであり、サンプリング
データ数＝５０００の場合では従来法の１／５であり、
波形表示にかかる時間を大幅に短縮していることが確認
された。

【００３８】又、本発明は超音波の送受信形態には特に
限定されず適応可能であるのは当然である。即ち、以上
の説明においては、超音波の測定形態として水槽中の被
検体に１個のトランスデューサで超音波を照射及び受信
する方法を説明したが、一般的に公知である、その他の
超音波計測形態、例えば、図５のように送信用、受信用
トランスデューサ３０、３２を別個に用いて送受信を行
う形態や、図６のように、被検体を水没させるのでな
く、被検体８の表面に１個のトランスデューサ１０を当
接させ、接触媒質を介して送受信を行う形態や、図７の
ように、被検体８の表面で送信用、受信用の２個のトラ
ンスデューサ３０、３２を当接させ、接触媒質を介して
送受信を行う形態などにおいても同様な効果を発揮す
る。

【００３９】以上説明した実施形態において、超音波送
受信用トランスデューサ等とサンプリング回路を除く部
分は、ディジタルコンピュータおよびプログラム、デー
タメモリを用いて代替可能であるので、ディジタルコン
ピュータ上でソフトウェア処理し、波形表示装置を、専
用の画面の代わりにコンピューターのＣＲＴ上の一部あ
るいは全部の画面領域に表示させるようにしてもよい。

【００４０】また、まとめる対象となる集合の時間軸座
標は、厳密に同一でなく、略同一であってもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な間引き演算回路
の追加により、実際に画面に反映されるデータのみを抽
出してから表示するようにしたので、画面表示に要する
時間を短縮して、表示画素数に対するデータ密度が大き
い場合の波形表示を高速に行うことが可能となる。

【００４２】従って、高周波探傷の場合や、表示する路
程範囲が広い場合や、計測装置の小型化等の制限から波
形表示部の画素数が例えば２００ドット以下と小さい場
合などで、波形のデータ数がＸ画素数の５倍〜１０倍に
なる場合であっても、単純間引きなどに見られる波形情
報の欠落を起こすことなく、測定の応答性低下や表示画
面のちらつきを防止し、また探触子を移動させた場合な
どの過渡現象観察も的確に表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本説明の原理を示すタイムチャート

【図２】本発明に係る超音波波形の表示装置の実施形態
の構成例を示すブロック図

【図３】前記実施形態の間引き演算回路が行うデータ間
引き演算の手順の一例を示すフローチャート

【図４】本発明法と従来法による超音波波形の表示時間
を、種々のサンプルデータ数に対して比較した図表

【図５】本発明が適用可能な他の測定形態の例を示すブ
ロック図

【図６】同じく他の例を示すブロック図

【図７】同じく更に他の例を示すブロック図

【符号の説明】

８…被検体 １０…超音波送受信用トランスデューサ １２…サンプリング回路 １４…基準時刻発生回路 １６…積算回路 １８…時間軸座標演算回路 ２０…電圧軸座標演算回路 ２２…間引き演算回路 ２４…表示装置 ３０…送信用トランスデューサ ３２…受信用トランスデューサ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G047 BC07 GG01 GG19 GG24 GH03 GH04 GH12 5J083 AA02 AB18 AC29 EA02 EA03 EA07 EA13 EA26

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波波形を所定の基準時刻からの経過時
   間と関連付けてサンプリングして生成される時系列デー
   タを、該波形をサンプリングした所定の基準時刻からの
   経過時間と超音波強度の関係として画面上の２次元座標
   に変換して、線で結んでグラフ表示する超音波波形の表
   示方法において、 時間に対応付けられた軸の画面上の座標が略同一となる
   複数の時系列要素の集合中で、サンプリングされた時刻
   が最小の要素と、超音波強度が最大となる要素と、超音
   波強度が最小となる要素と、サンプリングされた時刻が
   最大の要素のみをプロットするようにしたことを特徴と
   する超音波波形の表示方法。
2. 【請求項２】超音波波形をサンプリングするサンプリン
   グ手段と、 該サンプリング手段にタイミングパルスを与える基準時
   刻発生手段と、 該基準時刻発生手段及びサンプリング手段が生成する時
   刻と超音波強度の値の組を、画面上の適切な座標の組に
   変換する座標変換手段と、 該座標変換手段により変換された時系列サンプルに関連
   した座標の組の集合中で、サンプリングされた時刻が最
   小の要素と、超音波強度が最大となる要素と、超音波強
   度が最小となる要素と、サンプリングされた時刻が最大
   の要素を含む組のみをそれぞれ抽出して内部に記憶する
   間引き演算手段と、 該間引き演算手段が記憶した座標の組を、時系列に従っ
   て順次線で結んで画面上にプロットする波形表示手段
   と、 を備えたことを特徴とする超音波波形の表示装置。