JP2010071971A - Ultrasonic measuring instrument and ultrasonic measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波計測装置及び超音波計測方法に関し、特に非破壊検査法の一種である超音波探傷法を用いて金属、樹脂などからなる板、管、円柱などの各種の形状の被検体中に存在する内部欠陥の計測に関する。 The present invention relates to an ultrasonic measurement apparatus and an ultrasonic measurement method, and in particular, subjects having various shapes such as plates, tubes, and cylinders made of metal, resin, etc. using an ultrasonic flaw detection method which is a kind of nondestructive inspection method. It relates to the measurement of internal defects that exist inside.
従来から非破壊検査法の一種である超音波探傷法は鋼材などの内部欠陥探傷に広く用いられている。この内部欠陥探傷においては、より詳細な内部欠陥の情報を得るため、超音波映像の高分解能化が求められており、超音波映像の高分解能化の方法としては、以下のような従来技術がある。 Conventionally, the ultrasonic flaw detection method, which is a kind of non-destructive inspection method, has been widely used for flaw detection of internal defects such as steel. In this internal defect inspection, in order to obtain more detailed information on internal defects, it is required to increase the resolution of the ultrasonic image. As a method for increasing the resolution of the ultrasonic image, the following conventional techniques are available. is there.
(1)Cスキャン超音波探傷法
集束ビームを送受信する超音波送受信子を被検体に対し2次元走査する、Cスキャン超音波探傷法があり(例えば非特許文献1参照)、高分解能が必要な内部欠陥検出には、この探傷法が多用されている。
(1) C-scan ultrasonic flaw detection method There is a C-scan ultrasonic flaw detection method (for example, see Non-Patent Document 1) in which an ultrasonic transmitter / receiver that transmits and receives a focused beam is two-dimensionally scanned with respect to a subject. This flaw detection method is frequently used for detecting internal defects.
(2)開口合成法
上記したCスキャン超音波探傷法の他に高分解能な映像化を目的とした技術として開口合成法がある(例えば特許文献1及び特許文献2参照)。この開口合成法の原理を、図30に示される振動子アレイ120を被検体110の表面に接触させて欠陥映像化を行う場合を例に挙げて説明する。振動子アレイ120の各々の振動子から超音波を送信して欠陥エコーを検出し、超音波の送信からエコー受信までの時間から欠陥エコーの被検体110中でのビーム路程を測定する。個々の振動子120p(p=1,2,・・・)から送信され受信される超音波は空間的に拡がりをもっているので、振動子120pで検出したエコーのビーム路程がWp(p=1,2,・・・)であるとすると、半径Wpの中空の球Sp(p=1,2,・・・)のうち、振動子120pが送受信する超音波の指向角範囲のどこかに反射源が存在する。全ての振動子を用いてエコーを検出し、中空の球Spの交点を求めると、この交点が欠陥像となる。図30の例では、振動子アレイ120中A、B、C、D、Eが検出したエコーのビーム路程から欠陥像を合成する様子を示している。
(2) Aperture Synthesis Method In addition to the above-described C-scan ultrasonic flaw detection method, there is an aperture synthesis method as a technique aiming at high-resolution imaging (see, for example,
このようなアレイ型超音波プローブを用いた開口合成法では、アレイ振動子の配置、形状に対応した一定の領域で欠陥像の合成が可能であり、超音波プローブの機械的な走査が不要であり、高速に超音波探傷を行うことができる。そして、ある深さ位置に焦点を設定して開口合成処理を行えば、前記(1)の集束ビームを用いたCスキャン超音波探傷法と同等の探傷が可能である。 In such an aperture synthesis method using an array-type ultrasonic probe, it is possible to synthesize a defect image in a certain area corresponding to the arrangement and shape of the array transducer, and mechanical scanning of the ultrasonic probe is unnecessary. Yes, ultrasonic testing can be performed at high speed. Then, if aperture synthesis processing is performed with the focus set at a certain depth position, flaw detection equivalent to the C-scan ultrasonic flaw detection method using the focused beam of (1) is possible.
(3)集束ビームを用いた開口合成法
前記(1)(2)を組み合わせた方法として集束ビームを用いた開口合成法がある(例えば特許文献3参照)。この方法は、集束型超音波プローブを走査し、各測定点で受信した信号を開口合成処理して、一層の高分解能化を行うものであり、図31に示されるように、被検体の再構成像を同じ大きさの微小要素に分け,各測定点Pi,jごとに計測したビーム路程Wi,jから欠陥エコー源となりうる微小要素PFk,l,mを選び出すことを特徴とする方法であり、この方法により集束ビームを用いた探傷において分解能を向上させることができる。
(3) Aperture Synthesis Method Using Focused Beam There is an aperture synthesis method using a focused beam as a method combining (1) and (2) (see, for example, Patent Document 3). In this method, a focused ultrasonic probe is scanned, and a signal received at each measurement point is subjected to aperture synthesis processing to further increase the resolution. As shown in FIG. The constituent image is divided into minute elements of the same size, and minute elements PF k, l, m that can be a defect echo source are selected from the beam path W i, j measured at each measurement point P i, j. This method can improve the resolution in flaw detection using a focused beam.
また、アレイ型超音波プローブを用いて、ある位置に焦点を設定して各振動子の信号を用いて前記(2)の開口合成を行うことにより得られた波形を、集束型超音波プローブの集束ビームを用いた探傷で得られた波形と同等とみなせば、アレイ型超音波プローブを用いた開口合成法と組み合わせることができる。 In addition, using an array type ultrasonic probe, the waveform obtained by setting the focus at a certain position and performing the aperture synthesis of the above (2) using the signal of each transducer, the waveform of the focusing type ultrasonic probe is obtained. If the waveform is equivalent to that obtained by flaw detection using a focused beam, it can be combined with an aperture synthesis method using an array-type ultrasonic probe.
上記(1)〜(3)の探傷方法においてはそれぞれ次のような問題点がある。
(1)Cスキャン超音波探傷法
集束ビームを用いた探傷の分解能は焦点におけるビーム直径dwで表せる。ビーム直径dwは、超音波ビームの焦点距離F、波長λ、振動子(超音波送受信子)の直径Dを用いると(1)の式で近似的に表せる。
dw=(F λ)/ D …(1)
従って、分解能を上げるためには、
(a)焦点距離を短くする。
(b)波長を短くする。
(c)超音波送受信子の直径を大きくする。
という3つの方法がある。
しかし、(a)の方法では、被検体の表面に近い部分しか探傷できなくなるという問題が起きる。(b)の方法では、超音波の減衰が大きくなり、欠陥の検出が難しくなるという問題が起きる。そして、(c)の方法では、超音波送受信子の電気インピーダンスが低くなりすぎてしまい、使用できなくなるという問題が起きる。従って、集束ビームの使用による高分解能化には限界がある。
The flaw detection methods (1) to (3) have the following problems.
(1) C-scan ultrasonic flaw detection The resolution of flaw detection using a focused beam can be expressed by the beam diameter dw at the focal point. The beam diameter dw can be approximately expressed by the equation (1) using the focal length F of the ultrasonic beam, the wavelength λ, and the diameter D of the transducer (ultrasound transceiver).
dw = (Fλ) / D (1)
Therefore, to increase the resolution,
(a) Shorten the focal length.
(b) Shorten the wavelength.
(c) Increase the diameter of the ultrasonic transducer.
There are three methods.
However, the method (a) has a problem that only a portion close to the surface of the subject can be detected. In the method (b), there is a problem that the attenuation of the ultrasonic wave becomes large and it becomes difficult to detect the defect. In the method (c), the electrical impedance of the ultrasonic transmitter / receiver becomes too low, which causes a problem that it cannot be used. Therefore, there is a limit to increasing the resolution by using a focused beam.
(2)開口合成法
この開口合成法は、図30にも示されているように、広い範囲にわたって欠陥エコーを検出するために、超音波送受信子には広い指向角が必要とされ、超音波ビームを狭い領域に集束させて測定を行うCスキャン探傷法とは相容れない技術とされてきた。
(2) Aperture Synthesis Method As shown in FIG. 30, this aperture synthesis method requires a wide directivity angle for the ultrasonic transceiver in order to detect defect echoes over a wide range. It has been regarded as a technology that is incompatible with the C-scan flaw detection method in which a beam is focused in a narrow area and measurement is performed.
(3)集束ビームを用いた開口合成法
この方法においても、高集束な超音波ビームを用いた場合には、分解能が向上しないという問題点があった。具体的には、超音波振動子が大きい集束型超音波プローブや開口合成処理に用いる超音波振動子アレイ列の領域が大きいアレイ型超音波プローブを用い、かつ、焦点距離、被検体までの距離、プローブからの接触媒質換算距離が、超音波プローブのサイズに対して十分に長くない場合に問題があった。
以下にその理由を示す。
この方法では、超音波の送受信は超音波振動子の中心の一点でなされていると仮定し、超音波プローブから微小要素までの往復伝搬時間を、図32に示されるように、送受信点から微小要素までの唯一の経路上を超音波が伝搬するものとして算出している。しかし、実際には超音波の送受信は超音波振動子全面で行われている。このため、特に超音波振動子が大きく焦点距離が短い集束型超音波プローブを用いる場合には、一点での送受信という仮定から大きく外れるため、上記の特許文献3に記載されているような技術で内部欠陥映像化の分解能を上げることは困難であった。
(3) Aperture synthesis method using a focused beam This method also has a problem in that the resolution is not improved when a highly focused ultrasonic beam is used. Specifically, a focused ultrasonic probe with a large ultrasonic transducer or an array type ultrasonic probe with a large area of the ultrasonic transducer array array used for aperture synthesis processing, a focal length, and a distance to the subject are used. There is a problem when the contact medium equivalent distance from the probe is not sufficiently long with respect to the size of the ultrasonic probe.
The reason is shown below.
In this method, it is assumed that transmission / reception of ultrasonic waves is performed at a single point in the center of the ultrasonic transducer, and the round-trip propagation time from the ultrasonic probe to the microelement is minute from the transmission / reception point as shown in FIG. The calculation is based on the assumption that ultrasonic waves propagate on the only path to the element. However, actually, transmission / reception of ultrasonic waves is performed on the entire surface of the ultrasonic transducer. For this reason, in particular, when a focused ultrasonic probe having a large ultrasonic transducer and a short focal length is used, it is far from the assumption of transmission / reception at one point. It was difficult to increase the resolution of internal defect imaging.
本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、超音波振動子が大きく焦点距離が短い集束型超音波プローブや開口合成処理に用いる超音波振動子アレイ列の面積が大きく焦点距離が短い開口合成を用いた探傷において内部欠陥の計測分解能の向上を可能にした超音波計測装置及び超音波計測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and the focal length of the ultrasonic transducer array and the ultrasonic transducer array array used for aperture synthesis processing is large and the focal length is large. An object of the present invention is to provide an ultrasonic measurement apparatus and an ultrasonic measurement method capable of improving the measurement resolution of internal defects in flaw detection using short aperture synthesis.
本発明に係る超音波計測装置は、超音波プローブが形成する焦点を被検体に対して相対的に走査しつつ、超音波を前記被検体に向けて送信し、前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送受信手段と、前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、送受信面の全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、各測定位置で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理手段とを備えたものである。 The ultrasonic measurement apparatus according to the present invention transmits an ultrasonic wave toward the subject while scanning the focal point formed by the ultrasonic probe relative to the subject, and detects an internal defect of the subject. The reference propagation time obtained by treating the transmission / reception means for receiving the reflected wave and the waveform of the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic probe and the internal defect as an ultrasonic waveform synthesized on the entire surface of the transmission / reception surface. And aperture synthesis processing means for performing aperture synthesis processing of the signal received at each measurement position.
また、本発明に係る超音波計測装置は、各測定位置において、前記反射波に基づいて内部欠陥までの伝搬時間を測定する伝搬時間測定手段を備え、前記開口合成処理手段が、前記参照伝搬時間が等しくなる被検体内部の位置を結んで形成された等伝搬時間面を、前記伝搬時間測定手段で測定した伝搬時間に対応して抽出して、等伝搬時間面の位置を欠陥位置とする。 The ultrasonic measurement apparatus according to the present invention further includes a propagation time measurement unit that measures a propagation time to an internal defect based on the reflected wave at each measurement position, and the aperture synthesis processing unit includes the reference propagation time. Are extracted corresponding to the propagation time measured by the propagation time measuring means, and the position of the equal propagation time surface is defined as a defect position.
また、本発明に係る超音波計測装置は、前記開口合成処理手段で求められた欠陥候補位置毎に、前記走査を行った間に抽出された回数を算出して、該算出した回数を欠陥候補位置に対応させて表示を行う表示手段を備えたものである。 Further, the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention calculates the number of times extracted during the scanning for each defect candidate position obtained by the aperture synthesis processing unit, and the calculated number of times is calculated as the defect candidate. Display means for performing display corresponding to the position is provided.
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記開口合成処理手段が、前記参照伝搬時間に基づいて算出された遅延時間により、前記送受信手段で受信した反射波を遅延させた後、加算して信号を生成する。 In the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, the aperture synthesis processing unit delays the reflected wave received by the transmission / reception unit by a delay time calculated based on the reference propagation time, and then adds the delayed wave. Generate a signal.
また、本発明に係る超音波計測装置は、前記開口合成処理手段で生成された信号データを表示する表示手段を備えたものである。 In addition, the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention includes display means for displaying the signal data generated by the aperture synthesis processing means.
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記参照伝搬時間は、超音波プローブの送受信面の全面を、複数領域に分割し、該分割された各領域と内部欠陥との間を送受信される超音波の波形を求め、該波形を前記超音波プローブ全面について合成した波形から算出する。 Moreover, in the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, the reference propagation time is divided into a plurality of regions over the entire transmission / reception surface of the ultrasonic probe, and is transmitted / received between the divided regions and internal defects. An ultrasonic waveform is obtained, and the waveform is calculated from a synthesized waveform for the entire surface of the ultrasonic probe.
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記参照伝搬時間は、予め、人工的に作成した内部欠陥を有する被検体を用いて、前記超音波プローブが形成する焦点と前記被検体とを相対的に走査しつつ、超音波を前記被検体に向けて送信し、前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信することにより求める。 In the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, the reference propagation time may be determined by using a subject having an internal defect that has been artificially created in advance, and a relative focus between the focal point formed by the ultrasonic probe and the subject. This is obtained by transmitting an ultrasonic wave toward the subject while scanning the target and receiving a reflected wave from an internal defect of the subject.
また、本発明に係る超音波計測装置において、前記超音波プローブは、集束型超音波プローブである。 In the ultrasonic measurement apparatus according to the present invention, the ultrasonic probe is a focused ultrasonic probe.
また、本発明に係る超音波計測装置において、複数の振動子が配列されたアレイ型超音波プローブであり、前記各振動子の信号を開口合成処理によって焦点を形成して、前記各測定点で受信した信号とする信号処理手段を備える。 The ultrasonic measurement apparatus according to the present invention is an array-type ultrasonic probe in which a plurality of transducers are arranged, and a focus is formed on the signals of the transducers by aperture synthesis processing at each measurement point. Signal processing means for receiving the received signal is provided.
また、本発明に係る超音波計測装置は、前記開口合成処理手段で、開口合成処理された信号を用いて欠陥判定を行う欠陥判定手段を備えたものである。 The ultrasonic measurement apparatus according to the present invention includes defect determination means for performing defect determination using a signal subjected to the aperture synthesis processing by the aperture synthesis processing means.
また、本発明に係る超音波計測方法は、超音波を前記被検体に向けて送信し、前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送受信ステップと、前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、送受信面の全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、各測定点で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理ステップとを備えたものである。 The ultrasonic measurement method according to the present invention includes a transmission / reception step of transmitting an ultrasonic wave toward the subject and receiving a reflected wave from an internal defect of the subject, and the ultrasonic probe and the internal defect. Aperture synthesis that performs aperture synthesis processing of signals received at each measurement point using the reference propagation time obtained by treating the waveform of the ultrasonic wave propagating between the two as the ultrasonic waveform synthesized on the entire transmission / reception surface And a processing step.
本発明においては、上記のように、超音波プローブが形成する焦点を前記被検体に対して相対的に走査しつつ、超音波を前記被検体に向けて送信し、前記被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送受信手段と、前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、送受信面の全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、各測定点で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理手段とを備えており、このため、内部欠陥の計測分解能を向上させることができる。 In the present invention, as described above, the ultrasonic wave is transmitted toward the subject while scanning the focal point formed by the ultrasound probe relative to the subject, and from the internal defect of the subject. Reference propagation time obtained by treating the waveform of the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic probe and the internal defect as an ultrasonic waveform synthesized on the entire surface of the transmission / reception surface And aperture synthesis processing means for performing aperture synthesis processing of the signal received at each measurement point. Therefore, the measurement resolution of internal defects can be improved.
本発明者らは、内部欠陥を高分解能で計測する、特に欠陥形状を数10〜数100μm程度の分解能で計測するためには、計測超音波振動子が大きい集束型超音波プローブや開口合成処理に用いる超音波振動子アレイ列の領域が大きいアレイ型超音波プローブを用いて、焦点距離、被検体までの距離、超音波プローブからの接触媒質換算距離が超音波プローブの送受信を行う振動子領域のサイズに対して、十分に長くない場合には、従来技術では、高分解能に計測を行うことができないとの知見を得た。具体的には、特許文献3の実施例に示される条件、(焦点距離、被検体距離、接触媒質換算距離が、振動子領域(送受信を行う振動子領域のサイズ)に対して約8倍)であれば、特許文献3の技術であっても分解能的には問題ないが、その条件よりも、焦点距離、被検体距離、接触媒質換算距離の、振動子領域に対する比が小さくなると、分解能が悪くなることがわかった。
なお、接触媒質換算距離Lとは、下記式で表され、超音波が複数の媒質中を伝搬する場合、超音波プローブと任意の位置(例えば、内部欠陥までの距離など)までの実際の距離をプローブの振動子が接触している媒質での距離に換算して表す距離であり、換算は屈折を考慮して幾何学的に行う。実質的には、焦点距離と同等の値である。
In order to measure internal defects with a high resolution, in particular, to measure a defect shape with a resolution of several tens to several hundreds of μm, a focused ultrasonic probe or an aperture synthesis process with a large measurement ultrasonic transducer is used. Using an ultrasonic transducer array with a large array of ultrasonic transducer arrays, the focal length, the distance to the subject, and the contact medium equivalent distance from the ultrasonic probe transmit and receive the ultrasonic probe. When the size is not long enough, it has been found that the conventional technology cannot measure with high resolution. Specifically, the conditions shown in the example of Patent Document 3 (the focal length, the subject distance, and the contact medium equivalent distance are about eight times the transducer region (the size of the transducer region that performs transmission and reception)) Then, even with the technique of Patent Document 3, there is no problem in terms of resolution, but if the ratio of the focal length, the subject distance, and the contact medium conversion distance to the transducer area becomes smaller than the conditions, the resolution is reduced. I found it worse.
The contact medium conversion distance L is expressed by the following formula, and when an ultrasonic wave propagates through a plurality of media, an actual distance between the ultrasonic probe and an arbitrary position (for example, a distance to an internal defect). Is a distance expressed in terms of a distance in the medium with which the transducer of the probe is in contact, and the conversion is performed geometrically in consideration of refraction. The value is substantially equal to the focal length.
ただし、L1,L2,L3,…;媒質1,2,3,…(媒質1は接触媒質)中の実際の伝搬距離、
C1,C2,C3,…;媒質1,2,3,…(媒質1は接触媒質)中の音速
However, the actual propagation distance in L1, L2, L3, ...;
C1, C2, C3, ...; speed of sound in
その原因としては、従来の方法では、超音波の送受信は、超音波プローブの中で送受信を行う領域の中心の一点でなされていると仮定し、その領域の中心から微小要素までの伝搬時間を元に、伝搬距離を算出し、その伝搬距離を半径とする球面上に、反射源(内部欠陥)が存在する可能性があるとして、開口合成を行っている。しかしながら、焦点距離、被検体距離、接触媒質距離の、振動子領域に対する比が小さくなってくると、内部欠陥と超音波プローブの中心までの距離と、内部欠陥と超音波プローブの中心以外の点(中心周辺から端部までの領域)との距離とが異なっている場合の差が、伝搬距離に対して、その比率が大きくなってくる。 As a cause of this, in the conventional method, it is assumed that the transmission / reception of ultrasonic waves is performed at one point in the center of the region where transmission / reception is performed in the ultrasonic probe, and the propagation time from the center of the region to the minute element is calculated. Originally, the propagation distance is calculated, and aperture synthesis is performed on the assumption that a reflection source (internal defect) may exist on the spherical surface having the propagation distance as a radius. However, as the ratio of the focal length, subject distance, and contact medium distance to the transducer area becomes smaller, the distance between the internal defect and the center of the ultrasonic probe, and a point other than the internal defect and the center of the ultrasonic probe. The difference in the case where the distance to the (region from the center periphery to the end) is different becomes larger in proportion to the propagation distance.
また、超音波の送受信は、超音波プローブの全面で行われ、全面の各領域で受信した信号の合成されたものが、受信信号となっていると考えられる。つまり、従来の開口合成処理は、伝搬時間そのものが伝搬距離として、超音波プローブ中心の一点から、その伝搬距離を半径として球面を描き、それを反射源である欠陥の存在する可能性のある位置としているので、超音波プローブの中心以外の周辺領域における送受信の影響を無視していることになるので、上述のような条件では高分解能な計測が困難となる。
よって、焦点距離、被検体距離、接触媒質距離の、振動子領域に対する比が小さくなるという条件で、高分解能な計測を行うためには、超音波プローブの中心以外の周辺から端部までの領域における送受信の影響を考慮する必要があるとの知見を得たのである。
In addition, transmission / reception of ultrasonic waves is performed on the entire surface of the ultrasonic probe, and it is considered that a combination of signals received in each region on the entire surface is a reception signal. In other words, in the conventional aperture synthesis process, a spherical surface is drawn from one point in the center of the ultrasonic probe with the propagation time itself as the propagation distance and the propagation distance as the radius. Therefore, since the influence of transmission / reception in the peripheral region other than the center of the ultrasonic probe is ignored, high-resolution measurement becomes difficult under the above conditions.
Therefore, in order to perform high-resolution measurement under the condition that the ratio of the focal length, the subject distance, and the contact medium distance to the transducer area is small, the area from the periphery to the end other than the center of the ultrasonic probe They obtained the knowledge that it is necessary to consider the influence of transmission and reception in Japan.
上述のように、本発明は、超音波プローブでは超音波の送受信が超音波プローブの全面でなされている点に着目し、超音波プローブの位置と内部欠陥の位置によって、内部欠陥からの反射波の伝搬時間がどのように変わるかを予め解析しておいて、その解析結果を用いた信号処理を行うことにより、大口径、短焦点の超音波プローブを用いた探傷に開口合成法を組み合わせることが可能であるという知見に基づくものである。その具体例を実施形態1及び実施形態2としてそれそれぞれ説明する。
As described above, the present invention pays attention to the fact that ultrasonic waves are transmitted and received over the entire surface of the ultrasonic probe, and the reflected wave from the internal defect depends on the position of the ultrasonic probe and the position of the internal defect. The aperture synthesis method is combined with flaw detection using a large-diameter, short-focus ultrasonic probe by analyzing in advance how the propagation time of the laser changes and performing signal processing using the analysis results. It is based on the knowledge that is possible. Specific examples thereof will be described as
実施形態1.
図1は、本発明の実施形態1に係る超音波計測装置の一例である、超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。
図1において、1は検査対象である被検体を示す。この例では被検体1は静止被検体であり、媒体は水を用いており、液浸法を用いて内部欠陥のイメージングを行う。10は集束ビームを送受信する集束型超音波プローブ(以下、単に超音波プローブともいう)であり、送信回路11からの一定周期の電気パルスにより超音波集束ビームを被検体1に向け送信するとともに、被検体1の表面及び内部からの反射波(エコー)を受信する。受信された信号は、受信増幅器12により後の信号処理に都合のよい適正レベルに増幅される。
なお、送信回路11及び受信増幅器12は本発明の送受信手段に相当する。超音波プローブ10は、適当な走査手段によって被検体1上で2次元走査(x−y走査)され、その位置はx方向位置検出手段21及びy方向位置検出手段22によってそれぞれ検出され、反射波形データ部13に送られる。なお、集束ビームを送受信する超音波プローブ10は、曲面形状の送受信面をもつ1つの超音波振動子で集束ビームを形成する構成としてもよいし、複数の超音波振動子を曲率を持たせて配列させ、それによって集束ビームを形成する構成としてもよい。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasonic imaging apparatus, which is an example of an ultrasonic measurement apparatus according to
In FIG. 1,
The
反射波形データ部13は、受信増幅器12、x方向位置検出手段21及びy方向位置検出手段22の出力に基づいて各位置Pi,jに対応した反射波形データを検出し、その出力
は欠陥像合成処理部14に送られる。欠陥像合成処理部14は、本発明の開口合成手段に相当するものであり、超音波の伝搬時間を計測する。送信パルスと被検体表面での反射した表面エコー51を受信するまでタイミングの差、すなわち水伝搬時間を、表面エコー51と欠陥エコー52との受信タイミングの差、すなわち超音波の被検体伝搬時間を計測する。なお、被検体表面と超音波プローブ10の走査面がほぼ平行であれば、水伝搬時間は一定と考えてよいので、水伝搬時間を1回測定(あるいは、配置関係からもとめてもよい)しておけば、以降は表面エコー51と欠陥エコー52との受信タイミングの差である被検体伝搬時間のみを測定すればよい。計測された各伝搬時間(以下、測定伝搬時間という)は、このときの超音波プローブ10の中心の位置Pi,j(i:x方向の位置、j:y方向の位置)と対応付けて記録される。
The reflected
また、等伝搬時間面データ部15には、記憶装置から構成されており、例えば超音波伝搬解析によって予め求めておいた等伝搬時間面のデータを保存しておくものとする。この等伝搬時間面とは、図2に示されるように、プローブの表面からその点にある微小欠陥までの往復の伝搬時間が等しくなるような点を結んで作られた面である。この等伝搬時間面は、超音波プローブ10の被検体表面までの距離および被検体表面からの欠陥の深さによって変化するため、欠陥の深さ毎の複数の等伝搬時間面のデータを用意する。
Further, the equal propagation time
本実施形態1では、欠陥像合成処理に先立ち超音波伝搬解析による等伝搬時間面の作成を行う。なお、本発明はこれに限るものではなく、等伝搬時間面の作成は欠陥像合成中に行ってもよい。
図2に示されるような等伝搬時間面の作成が必要であるが、その一例として超音波伝搬解析による伝搬時間の算出手順を、図3のフローチャート及び図4の説明図に基づいて説明する。
In the first embodiment, an equal propagation time plane is created by ultrasonic propagation analysis prior to the defect image synthesis process. Note that the present invention is not limited to this, and the creation of the equal propagation time plane may be performed during defect image synthesis.
The creation of the equal propagation time plane as shown in FIG. 2 is necessary. As an example, the procedure for calculating the propagation time by ultrasonic propagation analysis will be described based on the flowchart of FIG. 3 and the explanatory diagram of FIG.
図3は、超音波伝搬解析により超音波伝搬時間(以下、参照伝搬時間という)を得る方法のフローチャートであり、図4は、参照伝搬時間を得る方法の手順を示した説明図である。ここで、図4では簡単のためプローブや経路を2次元で表しているが、本実施形態1においては、プローブや経路は3次元空間中にあるとして解析を行っている。但し、本発明はこれに限るものではなく2次元上で処理を行ってもよい。
(S1)超音波プローブ表面を微小面積の領域(以下、微小要素という)に分ける。
(S2)微小要素から送信される超音波波形を設定する。
(S3)超音波プローブの表面上の各領域から、予め設定された微小欠陥(本発明の設定内部欠陥に相当する)までの経路を求める。図4の上段では、4つの領域A−Dについてその経路を示している。ここでは微小要素の中心において、点で送受信がされるものとして経路を求める。なお、A−Dは、説明のために、微小要素の一部を示したものである。
(S4)1つの領域から送信された超音波が経路を伝搬して微小欠陥に到達したときの波形を求める。このとき経路上を伝搬するときの伝搬時間と減衰を考慮する。
(S5)図4の中段のようにして、順に、上記の(S4)の計算を全ての微小要素(図では、A〜Dを順番に)に対して行い、順次求められた波形を足し合わせる。
(S6)全ての領域に対して計算を行うまで、上記の(S4)及び(S5)の処理を繰り返し、全ての領域に対しての計算が終了すると、処理(S7)に移行する。
FIG. 3 is a flowchart of a method for obtaining an ultrasonic propagation time (hereinafter referred to as a reference propagation time) by ultrasonic propagation analysis, and FIG. 4 is an explanatory diagram showing a procedure of a method for obtaining a reference propagation time. Here, in FIG. 4, for simplicity, the probe and the path are represented in two dimensions, but in the first embodiment, the analysis is performed assuming that the probe and the path are in a three-dimensional space. However, the present invention is not limited to this, and the processing may be performed in two dimensions.
(S1) The surface of the ultrasonic probe is divided into regions having a minute area (hereinafter referred to as minute elements).
(S2) An ultrasonic waveform transmitted from a minute element is set.
(S3) A path from each region on the surface of the ultrasonic probe to a preset minute defect (corresponding to the set internal defect of the present invention) is obtained. In the upper part of FIG. 4, the paths for the four areas A to D are shown. Here, the path is obtained assuming that transmission / reception is performed at a point at the center of the minute element. In addition, AD shows a part of microelement for description.
(S4) A waveform obtained when an ultrasonic wave transmitted from one region propagates along a path and reaches a minute defect is obtained. At this time, the propagation time and attenuation when propagating on the path are considered.
(S5) As shown in the middle of FIG. 4, the calculation of (S4) is sequentially performed on all the microelements (A to D in the figure in order), and the obtained waveforms are added together. .
(S6) The above processes (S4) and (S5) are repeated until calculation is performed for all areas. When calculation is completed for all areas, the process proceeds to process (S7).
(S7)上記の(S5)で得られた波形の超音波を微小欠陥から出射させる。
(S8)そして、このとき1つの領域で受信される波形を求める。
(S9)得られた超音波波形を足し合わせる。
(S10)図4の下段のようにして、上記の(S8)及び(S9)の計算を全ての領域に対して行うまで繰り返す。
(S11)上記の(S9)で得られた合成波形から到達時刻を読み取る。このとき、時刻を読み取る方法は、閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、同様に閾値を取得して立下り時刻を取得する、波形がピーク値となる時刻を取得するなどがあり、この中から適切な方法を選ぶ。
(S12)プローブからの出射時刻と到達時刻との差から伝搬時間を求める。このとき、時刻を読み取る方法は、閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、同様に閾値を取得して立ち下り時刻を取得する、波形がピーク値となる時刻を取得するなどがあり、この中から適切な方法を選ぶ。
(S7) The ultrasonic wave having the waveform obtained in (S5) is emitted from the minute defect.
(S8) At this time, a waveform received in one area is obtained.
(S9) The obtained ultrasonic waveforms are added together.
(S10) As shown in the lower part of FIG. 4, the above calculations (S8) and (S9) are repeated until all the regions are calculated.
(S11) The arrival time is read from the combined waveform obtained in (S9) above. At this time, methods for reading the time include obtaining a rise time by setting a threshold, similarly obtaining a fall time by obtaining a threshold, and obtaining a time at which the waveform has a peak value. Choose the appropriate method.
(S12) The propagation time is obtained from the difference between the emission time from the probe and the arrival time. At this time, the method of reading the time includes acquiring a rise time by setting a threshold value, acquiring a fall time by acquiring the threshold value in the same manner, and acquiring a time at which the waveform has a peak value. Choose the appropriate method.
次に、前記の方法を用いて等伝搬時間面のデータを準備する方法を説明する。図5はその方法を示したフローチャートである。この手順を以下に示す。
(S21)水距離(図4の上段参照)を設定する。
(S22)被検体距離(図4の上段参照)を設定する。
(S23)被検体内部欠陥とプローブ中心軸とのずれ(図4上段参照)を設定する。
(S24)参照伝搬時間を計算する(図3のフローチャート参照)。
(S25)欠陥信号を受信し得る範囲でプローブ中心軸とのずれを変化させ、等伝搬時間面を作成するのに十分なデータが得られるまで、上記の(S23)(S24)の操作を繰り返す。なお、被検体とプローブ中心軸とのずれを1回に変化させる量(移動ピッチ)は、例えば、測定に要求される空間分解能程度以下とするのがよく、内部欠陥からの信号が得られる範囲までプローブを移動させればよい。
Next, a method for preparing data of the equal propagation time plane using the above method will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the method. This procedure is shown below.
(S21) The water distance (see the upper part of FIG. 4) is set.
(S22) A subject distance (see the upper part of FIG. 4) is set.
(S23) A deviation (see the upper part of FIG. 4) between the internal defect of the subject and the central axis of the probe is set.
(S24) The reference propagation time is calculated (see the flowchart in FIG. 3).
(S25) The above operations (S23) and (S24) are repeated until sufficient data is obtained to change the deviation from the center axis of the probe within a range in which a defect signal can be received and to create an equal propagation time plane. . It should be noted that the amount (movement pitch) for changing the deviation between the subject and the probe central axis at one time is preferably less than or equal to the spatial resolution required for the measurement, and the range in which the signal from the internal defect can be obtained. What is necessary is just to move a probe to.
(S26)上記の(S23)(S24)(S25)で得られたプローブ中心軸とのずれと参照伝搬時間の変化量との関係から、超音波の伝搬速度を用いて参照伝搬時間が等しくなる位置を求めて、それらの位置を結んで、等伝搬時間面のデータを作成する。例えば、被検体内部欠陥とプローブ中心軸とのずれが0のときを基準として、プローブ中心軸の各位置における参照伝搬時間の差から伝搬速度を用いて深さ方向の距離の差を求めて、その距離の差から深さ位置を求めればよい。等伝搬時間面のデータは、図6に示されるように、結果として参照伝搬時間の増減を打ち消すように微小欠陥の深さを調整することにより得られることになる。このとき、本実施形態1においては、参照伝搬時間及び等伝搬時間面はプローブ中心軸とのずれが0のときの値との差として求めている。なお、上記等伝搬時間面の算出手順は、一例であり、これに限定されない。例えば、プローブ中心軸の位置に加えて、内部欠陥深さも変数として、複数の内部欠陥深さにおいて参照伝搬時間を求めて、その結果から参照伝搬時間が等しくなる位置を結んで、等伝搬時間面としてもよい。また、計算で求めてもよいし、実験により求めてもよい。
(S27)必要となり得る(例えば、測定対象において想定し得る)全ての水距離、被検体距離に対応する等伝搬時間面が揃うまで上記の(S21)から(S26)までの操作を繰り返す。
(S26) From the relationship between the deviation from the probe center axis obtained in the above (S23), (S24), and (S25) and the amount of change in the reference propagation time, the reference propagation time becomes equal using the ultrasonic wave propagation speed. The position is obtained, and the data of the equal propagation time plane is created by connecting the positions. For example, on the basis that the deviation between the internal defect of the subject and the probe central axis is 0, the difference in the distance in the depth direction is obtained using the propagation velocity from the difference in the reference propagation time at each position of the probe central axis, What is necessary is just to obtain | require a depth position from the difference of the distance. As shown in FIG. 6, the data of the equal propagation time plane is obtained by adjusting the depth of the minute defect so as to cancel the increase / decrease in the reference propagation time as a result. At this time, in the first embodiment, the reference propagation time and the equal propagation time plane are obtained as a difference from the value when the deviation from the probe central axis is zero. The above-described procedure for calculating the equal propagation time plane is an example, and the present invention is not limited to this. For example, in addition to the position of the probe center axis, the internal defect depth is also a variable, the reference propagation time is obtained at a plurality of internal defect depths, and the positions where the reference propagation times are equal are connected from the results, the equal propagation time plane It is good. Moreover, you may obtain | require by calculation and may obtain | require by experiment.
(S27) The operations from (S21) to (S26) described above are repeated until the equal propagation time planes corresponding to all water distances and subject distances that can be required (for example, can be assumed in the measurement target) are obtained.
上記の方法により、必要となり得る全ての水距離、被検体距離における等伝搬時間面が準備できる。但し本発明における等伝搬時間面の作成方法は前記の超音波伝搬解析を用いた等伝搬時間面の作成方法に限るものではなく、他の解析方法を用いても良いし、実験により求めても良い。 By the above method, it is possible to prepare equal propagation time planes at all water distances and subject distances that may be required. However, the creation method of the equal propagation time plane in the present invention is not limited to the creation method of the equal propagation time plane using the ultrasonic propagation analysis described above, and other analysis methods may be used or may be obtained by experiments. good.
図7は、上記のようにして求められる等伝搬時間面のデータの一例であり、これは図1の等伝搬時間面データ部15に格納されて、欠陥像合成処理部14において欠陥像を合成する際に用いられる。なお、図7において、計測時に計測した伝搬時間と比較参照する参照伝搬時間は、プローブ中心とのずれが0の欄に該当する伝搬時間である。
FIG. 7 is an example of the data of the equal propagation time plane obtained as described above, and this is stored in the uniform propagation time
次に、上記のように求めた等伝搬時間面を用いて計測を行う、図1の超音波映像化装置の動作を説明する。
図8は、図1の超音波映像化装置において欠陥像を合成する際の処理を示したフローチャートである。
(S31)超音波プローブ10を操作してCスキャン探傷を行い、反射波形データ部13は、受信増幅器12、x方向位置検出手段21及びy方向位置検出手段22の出力に基づいて、各位置Pi,jに対応した反射波形データを検出する。
(S32)欠陥像合成処理部14は、反射波形データの中で欠陥エコーの最も大きいPi,jでの反射波形から、図9に示されるように、水伝搬時間と被検体伝搬時間を検出し、それらの測定伝搬時間から水距離・被検体距離(欠陥深さ)を取得する。
Next, the operation of the ultrasonic imaging apparatus of FIG. 1 that performs measurement using the equal propagation time plane obtained as described above will be described.
FIG. 8 is a flowchart showing processing when a defect image is synthesized in the ultrasonic imaging apparatus of FIG.
(S31) The
(S32) The defect image
(S33)欠陥像合成処理部14は、等伝搬時間面データ部15に格納されて用意してある等伝搬時間面のデータ(図7参照)のなかで水距離・被検体距離が上記の(S32)で得られた水距離・被検体距離と近いものを選択する。本実施形態1においては、図10に示されるように、ここで選んだ1つの等伝搬時間面形状データのみを用いて以後の処理を行う。なお、図10においては、1つの等伝搬時間面データを用いて異なる参照伝搬時間での等伝搬時間面を描く(求める)方法を示したものであり、参照伝搬時間T2の等伝搬時間面データに対して、参照伝搬時間が異なっている場合(T1、T3)においても、誤差が大きくなければ、深さ位置を変えるだけで、参照伝搬時間T2の等伝搬時間面と同じ形状の等伝搬時間面を利用することができる(この場合には、1個の等伝搬時間面のデータがあれば足りることになる)。なお、検出対象となる内部欠陥の存在する深さ範囲が広く、等伝搬時間面が同じ形状として扱えない場合には、計測した伝搬時間に対応する参照伝搬時間を参照して、対応する等伝搬時間面のデータを用いればよい。
(S33) The defect image
(S34)欠陥像合成処理部14は、上記の(S33)で選択した等伝搬時間面のデータを用いて映像化処理を行う。本実施形態1における映像化処理方法を図11に示す。ここで、図11においては簡単のため2次元で記述しているが、本実施形態1においては3次元的に処理を行っている。但し、本発明はこれに限定されるものではなく2次元で処理を行ってもよい。本実施形態1における映像化処理方法の手順を以下に示す。なお、欠陥像合成処理部14は、図11の構成に相当する画像メモリを保有しているものとする。
(a)各位置Pi,jのなかで欠陥エコーが検出できているプローブ中心位置Pi,jについて、図11のように伝搬時間(以下、測定伝搬時間ともいう)を検出する。
(b)被検体1中で欠陥が存在し得る領域を微小体積要素にわけ、それぞれの微小体積要素に3次元のアドレスPfk,l,m(k:x方向の位置,l:y方向の位置,m:Z方向の位置)をつける。
(c)各位置Pi,jでの測定伝搬時間から水距離と被検体距離を算出し、欠陥がプローブ中心軸上にあったと仮定したときの欠陥位置(深さ)を算出し、その欠陥位置に対応するPfk,l,mを図11のように測定伝搬時間に対応する等伝搬時間面の中心として設定する。
(d)上記の(c)で設定された等伝搬時間面の中心から等伝搬時間面(図10参照)を形成し、その等伝搬時間面の位置に対応する各微小要素Pfk,l,mに対し、Pfk,l,mに設けたカウンタCk,l,mにカウント1を加算する。
(e)上記の(c)、(d)の操作を、欠陥エコーが検出できている全ての位置Pi,jについて行う。
(S34) The defect image
(A) A propagation time (hereinafter also referred to as a measurement propagation time) is detected as shown in FIG. 11 for the probe center position P i, j from which a defect echo can be detected in each position P i, j .
(B) A region where a defect may exist in the
(C) The water distance and the subject distance are calculated from the measurement propagation time at each position P i, j , the defect position (depth) is calculated when the defect is assumed to be on the probe center axis, and the defect Pf k, l, m corresponding to the position is set as the center of the equal propagation time plane corresponding to the measurement propagation time as shown in FIG.
(D) above (c) equal propagation time plane from the center of equal propagation time surface set (see FIG. 10) is formed, each microelement Pf k corresponding to the position of equal propagation time surface thereof, l, For m ,
(E) The above operations (c) and (d) are performed for all positions P i, j at which defect echoes can be detected.
(S35)上記の(S34)で得られたデータを映像化する。本実施形態1における映像化の方法は以下に示すとおりである。
(a)全(k,l)に対し、それぞれ(k,l)を固定したときのCk,l,mの最大値Cmax(k,l)を求める。
(b)Cmax(k,l)が閾値以上になる各(k,l)に対し、別の閾値を決めてカウンタCk,l,mをmの小さい側からチェックしていったときに初めて閾値以上となるmをm(k,l)とする。
(c)上記の(b)で得られたm(k,l)を用い、各(k,l,m(k,l))に対応する各微小要素の隣り合う中心同士を線で結んでポリゴンを構成する。
(d)上記の(c)で得られたポリゴンを3次元表示する。
(S35) The data obtained in (S34) is visualized. The imaging method in the first embodiment is as follows.
(A) For all (k, l) , the maximum value C max (k, l) of C k, l, m when (k, l) is fixed is obtained.
(B) For each (k, l) where C max (k, l) is greater than or equal to the threshold value, a different threshold value is determined and the counter C k, l, m is checked from the smaller m side. Let m (k, l) be m for the first time.
(C) Using m (k, l) obtained in (b) above, connecting adjacent centers of each microelement corresponding to each (k, l, m (k, l)) with a line Constructs a polygon.
(D) The polygon obtained in the above (c) is three-dimensionally displayed.
なお、映像化方法は前記のような3次元ポリゴン表示方法に限るものではなく、その他の3次元表示方法や2次元表示方法であってもよい。 The imaging method is not limited to the three-dimensional polygon display method as described above, and may be another three-dimensional display method or a two-dimensional display method.
ここで、周波数50MHz、送受信子直径6mm、水中焦点距離15mmの超音波プローブを用い、鋼片サンプルに直径300μmの人工穴を空けて、その穴を図12(a)のようにCスキャン探傷し、前記欠陥像合成方法で映像化して欠陥像表示装置16に表示した例を図12(b)に示す。図12(c)は上記の特許文献3記載の方法で映像化処理を行い、前記欠陥像合成法(S35)の方法で3次元表示した図である。この実施例では、水中焦点距離、接触媒質換算距離Lが、振動子領域(振動子径)の約2.5である。図12(c)では人工穴の映像がz方向に平らになっているのに対して、図12(b)では人工穴の曲面が再現されていて、形状の分解能が向上していることがわかる。
なお、上記の説明では、欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置16に表示する例について説明したが、本実施形態1においては、それに加えて、欠陥判定装置17が、欠陥像合成処理部14により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行う。また、欠陥判定をするだけであれば、合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装置16は必ずしもなくてもよく、欠陥像合成処理部14からの合成結果を欠陥判定装置17が入力し、その判定結果のみを出力するような構成にしてもよい。逆に、欠陥自動判定をしなければ、欠陥判定装置17はなくてもよい。
Here, using an ultrasonic probe having a frequency of 50 MHz, a transmitter / receiver diameter of 6 mm, and an underwater focal length of 15 mm, an artificial hole having a diameter of 300 μm was made in a steel piece sample, and the hole was subjected to C-scan flaw detection as shown in FIG. FIG. 12B shows an example in which the defect image synthesizing method is visualized and displayed on the defect
In the above description, an example in which an image is displayed by the defect image synthesis method and displayed on the defect
上述したように、本実施形態1においては、集束型超音波プローブ10と被検体1との間に水を介在させ、集束型超音波プローブ10を被検体1に対して相対的に走査しつつ、超音波を被検体1に向けて送信し、被検体1の内部欠陥からの反射波を受信する送信回路11・受信増幅器12(送受信手段)と、各測定点において、反射波に基づいて内部欠陥までの伝搬時間を測定する反射波形データ部13(伝搬時間測定手段)と、該測定した伝搬時間に対応する等伝搬時間面データを用いて欠陥候補の位置を抽出する欠陥像合成処理部14(欠陥位置抽出手段)と、前記位置毎に、走査を行った間に抽出された回数を算出して、表示用画像メモリの位置に対応するアドレスに、算出した回数を書き込んで、画像表示を行う欠陥像表示装置16(表示手段)とを備えた内部欠陥の超音波映像化装置であって、欠陥像合成処理部14(欠陥位置抽出手段)において、前記等伝搬時間面データは、前記集束型超音波プローブ10と設定内部欠陥との間を伝搬する超音波の伝搬時間を、前記集束型超音波プローブ10の送受信面の全面を複数領域に分割し、該分割された各領域と設定内部欠陥との間を送受信される超音波の波形を求め、該波形を前記集束型超音波プローブ10の全面について合成した信号波形から算出するようにして、集束型超音波プローブ10と設定内部欠陥との相対位置に対する伝搬時間の変化量を求めて、伝搬時間の変化量に基づいて伝搬時間が等しくなる位置を結んで形成したデータを求めており、このデータによって内部欠陥の形状を高分解能で映像化することが可能になっている。
As described above, in the first embodiment, water is interposed between the
実施形態2.
本実施形態2は、図1の欠陥像合成処理部14を上記の演算処理とは異なった処理をするようにした例である。本実施形態2の欠陥像合成処理部14は、上記の等伝搬時間面データに代えて、遅延時間データを用いる。このため、等伝搬時間面データ部15に代えて、遅延時間データが格納される記憶装置(図示せず)が設けられる。この遅延時間データ(遅延時間群)は、伝搬時間の変化量データ(図6の変換を行う前のデータ)から求めるものであり、図13の概念図に示されるように、伝搬時間の変化量データが長いほど遅延時間を小さく、変化量データが短いほど遅延時間を大きくしたデータである。等伝搬時間面データと同様にして、水距離・欠陥深さの各値に対応して求められて記憶装置に記憶されている。
The second embodiment is an example in which the defect image
欠陥像合成処理部14は、図8に示されるフローチャートのうち、等伝搬時間面選択の処理(S33)とデータ映像化処理(S34)の具体的内容が異なるが、それ以外の処理は同じである。
等伝搬時間面選択の処理(S33)は、遅延時間データ選択処理になる。具体的には、超音波プローブで測定した受信波形の水距離・欠陥深さに対応する、遅延時間データ(遅延時間群)を選択する処理を行う。
データ映像化処理(S34)は、その遅延時間データ選択処理で選択した遅延時間データを用いて、図13のように開口合成処理を行う。
In the flowchart shown in FIG. 8, the defect image
The equal propagation time plane selection process (S33) is a delay time data selection process. Specifically, processing for selecting delay time data (delay time group) corresponding to the water distance and defect depth of the received waveform measured by the ultrasonic probe is performed.
In the data visualization process (S34), the aperture synthesis process is performed as shown in FIG. 13 using the delay time data selected in the delay time data selection process.
具体的には、プローブ走査した多数点のうち、隣接した所定数のプローブ位置(図29の例では10点)を選択し、その10点で測定した反射波形データに対し、選択した遅延時間データ(遅延時間群)に対応して、各プローブ位置に波形を遅延処理をする。図13に示される場合においては、外側のプローブに信号には遅延時間を小さくし、内側のプローブには遅延時間を大きくしている。これによって、所定数のプローブのうち、その中心に位置するプローブの下に欠陥があれば、欠陥波形が揃うことにより、欠陥信号が強調されて、欠陥の存在を検知できる。一方、中心に位置するプローブの下に欠陥が無ければ、例えば、外側のプローブの直下に欠陥があれば、各プローブで受信した欠陥の信号は、遅延しても位相が揃わないので、相殺され、強調されずに、欠陥信号を検出できない。つまり、中心に位置するプローブの直下には欠陥が無い、ということになる。 Specifically, a predetermined number of adjacent probe positions (10 points in the example of FIG. 29) are selected from a number of probe-scanned points, and the selected delay time data with respect to the reflected waveform data measured at the 10 points. Corresponding to (delay time group), the waveform is delayed at each probe position. In the case shown in FIG. 13, the delay time is reduced for the signal on the outer probe and the delay time is increased for the inner probe. As a result, if there is a defect under the probe located at the center of the predetermined number of probes, the defect signal is emphasized by detecting the defect waveform and the presence of the defect can be detected. On the other hand, if there is no defect under the probe located at the center, for example, if there is a defect directly under the outer probe, the signal of the defect received by each probe will be out of phase even if delayed, so it will cancel out. The defect signal cannot be detected without being emphasized. That is, there is no defect immediately below the probe located at the center.
このような処理を多数点測定したデータに対して、選択範囲を移動させながら順に所定数のデータを選択して、繰り返すことにより開口合成波形を得る。そして、遅延時間データ(遅延時間群)を選択する際には、複数の深さに対応した遅延時間データ(遅延時間群)をそれぞれ選択して、上記の演算処理を繰り返す。そして、得られた波形を適当な方法(Aスコープ、Bスコープ、Cスコープ、三次元表示)で表示する。
なお、本実施形態2も、欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置16に表示する例について説明したが、それに加えて、欠陥判定装置17が、欠陥像合成処理部14により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行う。また、欠陥判定をするだけであれば、合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装置16は必ずしもなくてもよく、欠陥像合成処理部14からの合成結果を欠陥判定装置17が入力し、その判定結果のみを出力するような構成にしてもよい。逆に、欠陥自動判定をしなければ、欠陥判定装置17はなくてもよい。
An aperture synthesis waveform is obtained by selecting and repeating a predetermined number of data in order while moving the selection range with respect to data obtained by measuring such a process at a number of points. Then, when selecting the delay time data (delay time group), the delay time data (delay time group) corresponding to a plurality of depths is selected, and the above arithmetic processing is repeated. Then, the obtained waveform is displayed by an appropriate method (A scope, B scope, C scope, three-dimensional display).
In the second embodiment, the example in which the defect image synthesizing method is used to image and display on the defect
上述したように、本実施形態2においては、集束型超音波プローブ10と被検体1との間に水を介在させ、集束型超音波プローブ10を被検体1に対して相対的に走査しつつ、超音波を被検体1に向けて送信し、被検体1の内部欠陥からの反射波を受信する送信回路11・受信増幅器12(送受信手段)と、該受信した反射波を遅延させたのち加算して信号を生成する欠陥像合成処理部14(信号生成手段)と、該生成された信号データを画像メモリに出力して表示する欠陥像合成処理部14(表示手段)とを備えた内部欠陥の超音波映像化装置であって、欠陥像合成処理部14(信号生成手段)において、集束型超音波プローブ10と設定内部欠陥との間を伝搬する超音波の伝搬時間を、集束型超音波プローブ10の送受信面の全面を複数領域に分割し、該分割された各領域と設定内部欠陥との間を送受信される超音波の波形を求め、該波形を前記集束型超音波プローブ10の全面について合成した信号波形から算出するようにして、集束型超音波プローブ10と設定内部欠陥との相対位置に対する伝搬時間の変化量を求めて、該伝搬時間の変化量から遅延時間を求め、該遅延時間により反射波を遅延して内部欠陥の映像信号を生成するようにしたことにより、内部欠陥を高分解能で映像化することができる。
As described above, in the second embodiment, water is interposed between the
次に、本発明をアレイ型超音波プローブに適用した実施形態を説明する。
下記の実施形態3、4では、実施形態の1、2の集束型超音波プローブを走査して、各測定点の受信信号を得るのに代えて、アレイ型超音波プローブの各振動子の信号を開口合成処理により焦点を形成して各測定点での受信信号とするものである。そして、その各測定点での受信信号を、更に開口合成処理するものである。つまり、実施形態1及び2と同様に、アレイ型超音波プローブでは超音波の送受信が複数の振動子のアレイ列でなされている点に着目し、アレイ型超音波プローブが開口合成または集束によって形成する焦点の位置と内部欠陥の位置によって、内部欠陥からの反射波の伝搬時間がどのように変わるかを予め解析しておいて、その解析結果を用いた信号処理を行うことにより、超音波振動子アレイ列全体の面積が大きく焦点距離が短いプローブ及び開口合成の設定を用いた探傷の分解能を向上させることが可能であるという知見に基づくものである。その具体例を実施形態3及び実施形態4としてそれぞれ説明する。
Next, an embodiment in which the present invention is applied to an array type ultrasonic probe will be described.
In the following Embodiments 3 and 4, instead of obtaining the received signal at each measurement point by scanning the focused ultrasound probes 1 and 2 of the embodiment, the signals of the transducers of the array ultrasound probe Are formed as a received signal at each measurement point by forming a focal point by aperture synthesis processing. The received signal at each measurement point is further subjected to aperture synthesis processing. That is, as in the first and second embodiments, focusing on the fact that the ultrasonic transmission / reception is performed by the array row of a plurality of transducers in the array ultrasonic probe, the array ultrasonic probe is formed by aperture synthesis or focusing. By analyzing in advance how the propagation time of the reflected wave from the internal defect changes depending on the position of the focal point and the position of the internal defect, and by performing signal processing using the analysis result, ultrasonic vibration This is based on the knowledge that it is possible to improve the resolution of flaw detection using a probe with a large area of the entire array array and a short focal length, and an aperture synthesis setting. Specific examples will be described as Embodiment 3 and Embodiment 4, respectively.
実施形態3.
図14は本発明の実施形態3に係る超音波計測装置の一例である、超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。図14において、1は検査対象である被検体を示す。この例では被検体1は静止被検体であり、媒体は水を用いており、液浸法を用いて内部欠陥のイメージングを行う。10は超音波を送受信するアレイ型超音波プローブであり、送信回路111からの一定周期の電気パルスが駆動素子選択回路112を通り各振動子に送信される電気信号により超音波ビームを被検体1に向け送信するとともに、被検体1の表面及び内部からの反射波(エコー)を受信する。受信された信号は、受信回路113及びアレイ信号処理回路114により、開口合成処理が行われ、また、後の信号処理に都合のよい適正レベルに増幅される。アレイ型超音波プローブ10aは、適当な走査手段によって被検体1上で2次元走査(x−y走査)または1次元走査(y走査)され、その位置はx方向位置検出手段21及びy方向位置検出手段22によってそれぞれ検出され、出力波形データ部115に送られる。
Embodiment 3. FIG.
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of an ultrasonic imaging apparatus which is an example of an ultrasonic measurement apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 14,
出力波形データ部115は、アレイ信号処理回路114、x方向位置検出手段21及びy方向位置検出手段22の出力に基づいてこのときのアレイ型超音波プローブ10aが開口合成によって形成する焦点Pi,j(i:x方向の位置、j:y方向の位置)に対応した出力波形データ(実施形態1,2における集束型超音波プローブの出力波形データに相当)を検出し、その出力は欠陥像合成処理部116に送られる。欠陥像合成処理部116は、送信時刻と欠陥エコー52の受信時刻の差、すなわち超音波の伝搬時間を計測する。ここで計測される伝搬時間は、送信時刻と被検体表面での反射した表面エコー51の受信時刻の差、すなわち水伝搬時間と、表面エコー51と欠陥エコー52との受信タイミングの差、すなわち超音波の被検体伝搬時間である。なお、被検体表面とアレイ型超音波プローブ10aの走査面がほぼ平行であれば、水伝搬時間は一定と考えてよいので、水伝搬時間を1回測定(あるいは、配置関係からもとめてもよい)しておけば、以降は表面エコー51と欠陥エコー52との受信タイミングの差である被検体伝搬時間のみを測定すればよい。計測された各伝搬時間(以下、測定伝搬時間ともいう)は、各位置Pi,jと対応付けて記録される。
The output
また、等伝搬時間面データ部117は記憶装置であり、例えば超音波伝搬解析によって予め求めておいた等伝搬時間面のデータを保存しておくものとする。この等伝搬時間面とは、図15に示されるように、開口合成によって得られる、その点にある微小欠陥までの往復の伝搬時間が等しくなるような点を結んで作られた面である。この等伝搬時間面は、アレイ型超音波プローブ10aの焦点に対する欠陥の深さによって変化するため、欠陥の深さ毎の複数の等伝搬時間面のデータを用意する。なお、上記の出力波形データ部115、欠陥像合成処理部116及び等伝搬時間面データ部117は、欠陥像再構成信号処理部200を構成している。
In addition, the equal propagation time
なお、アレイ信号処理回路114と欠陥像合成処理部116は、ともに開口合成処理を行うという点で同じ機能を有するが、アレイ信号処理回路114は、各測定点でアレイ型超音波プローブの各振動子が受信した信号に対して、開口合成処理を行うものであり、これにより各測定点で、集束ビームによって受信した信号を得るものであり、請求項9に記載された信号処理手段(前記各振動子の信号を開口合成処理によって焦点を形成して、前記各測定点で受信した信号とする信号処理手段)に対応する。一方、欠陥像合成処理部116は、各測定点で、このアレイ信号処理回路114で開口合成処理された信号を、開口合成処理をして欠陥像を合成するものである。この欠陥像合成処理部116では、本発明の等伝搬時間面データが必須であるが、アレイ信号処理回路114では、振動子が小さいので、本願発明の等伝搬時間面データを用いなくても、従来法の合成開口処理(振動子中心から等距離に反射源が存在して扱う)を用いればよい。
The array signal processing circuit 114 and the defect image
また、アレイ型超音波プローブ10aは、送受信する領域範囲に含まれる各振動子を全て行うとして説明したが、全てでなくても、1つ間隔や2つ間隔などで隙間をあけて送受信をする振動子を選択して、それを用いて送受信を行うようにしてもよい。
Further, the array-type
本実施形態3では、欠陥像合成処理に先立ち超音波伝搬解析による等伝搬時間面の作成を行う。なお、本発明はこれに限るものではなく、等伝搬時間面の作成は欠陥像合成中に行ってもよい。
図15に示されるような等伝搬時間面の作成は、超音波伝搬解析による伝搬時間W(参照伝搬時間という)の算出により行うことができる。これを図16、図17、図18のフローチャート及び図19の説明図に基づいて説明する。
In the third embodiment, the equal propagation time plane is created by ultrasonic propagation analysis prior to the defect image synthesis process. Note that the present invention is not limited to this, and the creation of the equal propagation time plane may be performed during defect image synthesis.
The creation of an equal propagation time plane as shown in FIG. 15 can be performed by calculating a propagation time W (referred to as a reference propagation time) by ultrasonic propagation analysis. This will be described based on the flowcharts of FIGS. 16, 17, and 18 and the explanatory diagram of FIG.
図16は、超音波伝搬解析により参照伝搬時間を得る方法全体のフローチャートであり、図17は、図16の処理S43(欠陥位置での超音波波形取得)の詳細を示すフローチャートであり、図18は、図16の処理S44(アレイプローブで受信し、開口合成処理を行った超音波波形取得)の詳細を示すフローチャートであり、図19は、参照伝搬時間を得る方法の手順を示した説明図である。ここで、図19ではリニアアレイプローブにおける2次元上の解析を示している。但し、本発明はこれに限るものではなく、アレイプローブの形状はリニアでなくてもよいし、解析は3次元上で行ってもよい。 FIG. 16 is a flowchart of the entire method for obtaining the reference propagation time by ultrasonic propagation analysis, and FIG. 17 is a flowchart showing details of the process S43 (acquisition of ultrasonic waveform at the defect position) in FIG. FIG. 19 is a flowchart showing details of processing S44 (acquisition of an ultrasonic waveform received by an array probe and subjected to aperture synthesis processing) in FIG. 16, and FIG. 19 is an explanatory diagram showing a procedure of a method for obtaining a reference propagation time It is. Here, FIG. 19 shows a two-dimensional analysis in the linear array probe. However, the present invention is not limited to this, and the shape of the array probe may not be linear, and the analysis may be performed in three dimensions.
(S41)振動子から送信される超音波波形を設定する。
(S42)超音波プローブの各振動子から、予め設定された微小欠陥(本発明の設定内部欠陥に相当する)までの経路を求める。図19の上段では、2つの振動子についてその経路を示している。
(S41) An ultrasonic waveform transmitted from the transducer is set.
(S42) A path from each transducer of the ultrasonic probe to a preset minute defect (corresponding to the set internal defect of the present invention) is obtained. In the upper part of FIG. 19, the paths of the two vibrators are shown.
(S43)欠陥位置での超音波波形を取得する。
(S43)の詳細な処理としては、図17のフローチャートに示されるように次の処理を行う。
(S43−1)出力用超音波波形データの初期化
(S43−2)計算する振動子を決定
(S43−3)計算している振動子による微小欠陥位置での超音波波形を計算する。このとき振動子によって送信のタイミングが違う場合は、図19のように振動子に対応した時刻に送信されるよう設定する。また、経路上を伝搬するときの伝搬時間と減衰を考慮する。(図19参照)
(S43−4)得られた超音波波形を、順に出力用超音波波形データに足し合わせる。
(S43−5)送信に使用している全ての振動子に対して計算を行うまで、(S43−2)から(S43−4)までを繰り返す。
(S43−6)出力用超音波波形データを欠陥位置での超音波波形として出力
このような図17の処理の後、図16の処理(S44)に移行する。
(S43) An ultrasonic waveform at the defect position is acquired.
As detailed processing of (S43), the following processing is performed as shown in the flowchart of FIG.
(S43-1) Initialization of ultrasonic waveform data for output (S43-2) Determination of a transducer to be calculated (S43-3) An ultrasonic waveform at a minute defect position by the calculated transducer is calculated. At this time, if the transmission timing is different depending on the vibrator, the transmission is set at a time corresponding to the vibrator as shown in FIG. Also consider the propagation time and attenuation when propagating on the path. (See Figure 19)
(S43-4) The obtained ultrasonic waveforms are sequentially added to the output ultrasonic waveform data.
(S43-5) The processes from (S43-2) to (S43-4) are repeated until calculation is performed for all the transducers used for transmission.
(S43-6) The output ultrasonic waveform data is output as the ultrasonic waveform at the defect position. After the processing of FIG. 17, the process proceeds to processing (S44) of FIG.
(S44)アレイプローブで受信し、開口合成処理を行った出力波形を取得する。
(S44)の詳細としては、図18のフローチャートに示されるように次の処理を行う。
(S44−1)欠陥位置での超音波波形を微小欠陥位置から出射
(S44−2)受信に使用する全振動子の受信波形データを初期化
(S44−3)計算する振動子を決定
(S44−4)計算している振動子で受信される超音波波形を計算(図19参照)
(S44−5)受信に用いる全ての振動子に対して計算を行うまで、(S44−3)から(S44−4)までを繰り返す。
(S44−6)集束ビーム処理後の出力波形データを初期化
(S44−7)全振動子の受信波形データに、実際の集束ビーム処理に即した遅延処理を行う(図19参照)。
(S44−8)遅延処理を行った全振動子の受信波形データをそれぞれ出力波形データに足し合わせる(図19参照)。
このような図18の処理の後、図16の処理(S45)に移行する。
(S44) An output waveform received by the array probe and subjected to aperture synthesis processing is acquired.
As the details of (S44), the following processing is performed as shown in the flowchart of FIG.
(S44-1) The ultrasonic waveform at the defect position is emitted from the minute defect position (S44-2) The reception waveform data of all the transducers used for reception is initialized (S44-3) and the transducer for calculation is determined (S44) -4) Calculate the ultrasonic waveform received by the transducer being calculated (see FIG. 19)
(S44-5) Steps (S44-3) to (S44-4) are repeated until calculation is performed for all the transducers used for reception.
(S44-6) The output waveform data after the focused beam processing is initialized (S44-7). Delay processing corresponding to the actual focused beam processing is performed on the received waveform data of all the transducers (see FIG. 19).
(S44-8) The received waveform data of all the transducers subjected to the delay process are added to the output waveform data, respectively (see FIG. 19).
After such processing in FIG. 18, the processing shifts to processing in FIG. 16 (S45).
(S45)上記の(S44)で得られた出力波形から到達時刻を読み取る。このとき、時刻を読み取る方法は、閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、閾値を設定して立下り時刻を取得する、波形がピーク値となる時刻を取得するなどがあるが、特に限定されず得られた波形等に応じて適宜適切な方法を使用する。
(S46)プローブからの出射時刻と到達時刻との差から参照伝搬時間を求める。このとき、時刻を読み取る方法は、閾値を設定して立ち上がり時刻を取得する、同様に閾値を取得して立ち下り時刻を取得する、波形がピーク値となる時刻を取得するなどがあり、この中から適切な方法を選ぶ。
(S45) The arrival time is read from the output waveform obtained in (S44) above. At this time, there are methods for reading the time, such as setting the threshold value to acquire the rising time, setting the threshold value to acquire the falling time, and acquiring the time when the waveform reaches the peak value, but are particularly limited. An appropriate method is appropriately used according to the obtained waveform.
(S46) The reference propagation time is obtained from the difference between the emission time from the probe and the arrival time. At this time, the method of reading the time includes acquiring a rise time by setting a threshold value, acquiring a fall time by acquiring the threshold value in the same manner, and acquiring a time at which the waveform has a peak value. Choose the appropriate method.
次に、前記の方法を用いて等伝搬時間面のデータを準備する方法を説明する。
図20はその方法を示したフローチャートである。この手順を以下に示す。
(S51)水距離(図19の上段参照)を設定する。
(S52)被検体距離(図19の上段参照)を設定する。
(S53)開口合成焦点深さ(例えば、被検体内での深さ位置、図19の上段参照)を設定する。
(S54)被検体内部欠陥と開口合成焦点とのずれ(深さ方向に直交する面内)を設定する。
(S55)開口合成処理した波形から参照伝搬時間を計算する(図16、図17及び図18のフローチャート参照)。
(S56)欠陥信号を受信し得る範囲で開口合成焦点との深さ方向に直交する面内のずれを変化させ、等伝搬時間面を作成するのに十分なデータが得られるまで、上記の処理(S54)(S55)の操作を繰り返す。なお、被検体と開口合成焦点とのずれを1回に変化させる量(移動ピッチ)は、例えば、測定に要求される空間分解能程度以下とするのがよく、内部欠陥からの信号が得られる範囲までプローブを移動させればよい。
Next, a method for preparing data of the equal propagation time plane using the above method will be described.
FIG. 20 is a flowchart showing the method. This procedure is shown below.
(S51) A water distance (see the upper part of FIG. 19) is set.
(S52) A subject distance (see the upper part of FIG. 19) is set.
(S53) The aperture synthetic focus depth (for example, the depth position in the subject, see the upper part of FIG. 19) is set.
(S54) A deviation (in a plane orthogonal to the depth direction) between the internal defect of the subject and the aperture synthetic focus is set.
(S55) The reference propagation time is calculated from the waveform subjected to aperture synthesis processing (see the flowcharts of FIGS. 16, 17, and 18).
(S56) The above processing is performed until sufficient data is obtained to change the in-plane deviation perpendicular to the depth direction from the aperture synthetic focus within a range in which the defect signal can be received, and to create an equal propagation time plane. (S54) The operation of (S55) is repeated. Note that the amount (movement pitch) for changing the deviation between the subject and the aperture synthetic focus at one time is preferably less than or equal to the spatial resolution required for the measurement, and the range in which a signal from an internal defect is obtained. What is necessary is just to move a probe to.
(S57)上記の処理(S54)(S55)(S56)で得られた被検体と開口合成焦点との深さ方向に直交する面内のずれに対する参照伝搬時間の変化量の関係から、超音波の伝搬速度を用いて参照伝搬時間が等しくなる位置を求めて、それらの位置を結んで、等伝搬時間面のデータを作成する。例えば、被検体内部欠陥と開口合成焦点とのずれが0のときを基準として、プローブ中心軸の各位置における参照伝搬時間の差から伝搬速度を用いて深さ方向の距離の差を求めて、その距離の差から深さ位置を求めればよい。等伝搬時間面のデータは、図21に示されるように、結果として参照伝搬時間の増減を打ち消すように微小欠陥の深さを調整することにより得られることになる。このとき、本実施形態3においては、参照伝搬時間及び等伝搬時間面は開口合成焦点軸とのずれが0のときの値との差として求めている。なお、上記等伝搬時間面の算出手順は、一例であり、これに限定されない。例えば、開口合成焦点の位置に加えて、内部欠陥深さも変数として、複数の内部欠陥深さにおいて参照伝搬時間を求めて、その結果から参照伝搬時間が等しくなる位置を結んで、等伝搬時間面としてもよい。
(S58)必要となり得る(例えば、測定対象において想定し得る)全ての水距離、被検体距離および開口合成焦点深さに対応する等伝搬時間面が揃うまで上記の(S51)から(S57)までの操作を繰り返す。
(S57) From the relationship of the amount of change in the reference propagation time with respect to the in-plane deviation perpendicular to the depth direction between the subject and the aperture synthetic focus obtained in the above processing (S54) (S55) (S56), ultrasonic waves The positions where the reference propagation times are equal to each other are obtained using the propagation speeds of these, and the data of the equal propagation time plane is created by connecting the positions. For example, on the basis of when the deviation between the internal defect of the subject and the aperture synthetic focus is 0, the difference in the distance in the depth direction is obtained using the propagation velocity from the difference in the reference propagation time at each position of the probe central axis, What is necessary is just to obtain | require a depth position from the difference of the distance. As shown in FIG. 21, the data on the equal propagation time plane is obtained by adjusting the depth of the minute defect so as to cancel the increase / decrease in the reference propagation time as a result. At this time, in the third embodiment, the reference propagation time and the equal propagation time plane are obtained as a difference from the value when the deviation from the aperture synthetic focal axis is zero. The above-described procedure for calculating the equal propagation time plane is an example, and the present invention is not limited to this. For example, in addition to the position of the aperture synthetic focus, the internal defect depth is also used as a variable, the reference propagation time is obtained at a plurality of internal defect depths, and the positions where the reference propagation times are equal are connected from the results, and the equal propagation time surface It is good.
(S58) From the above (S51) to (S57) until the equal propagation time planes corresponding to all the water distances, the object distances, and the aperture synthetic focal depths that can be necessary (for example, can be assumed in the measurement target) are obtained. Repeat the operation.
上記の方法により、必要となり得る全ての水距離、被検体距離および開口合成焦点深さにおける等伝搬時間面が準備できる。但し、本発明における等伝搬時間面の作成方法は前記の方法に限るものではなく、実測定によるデータや超音波伝搬シミュレーションを利用しても良い。また、参照伝搬時間の計算方法は図16、図17、図18及び図19で示された方法に限るものではない。
また、各振動子の面積が、被検体に対して十分に大きい場合には、さらに振動子を複数の微小領域に分割し、各微小領域の信号を各振動子単位で加算することで処理すれば良い。
また、アレイ列方向と直交方向(図20の紙面奥行き方向)に面積が大きい場合にも、その直交方向に微小領域に分割して、行えば良い。(例えば図17のようなプローブで、Y方向に対して複数に分割する。)
また、振動子が1次元方向にのみ配列された例で説明したが、2次元に配列されたアレイ型プローブでも、適用可能である。
By the above method, an equal propagation time plane can be prepared for all water distances, subject distances, and aperture synthetic focus depths that may be required. However, the creation method of the equal propagation time plane in the present invention is not limited to the above method, and data by actual measurement or ultrasonic propagation simulation may be used. Further, the calculation method of the reference propagation time is not limited to the method shown in FIG. 16, FIG. 17, FIG. 18, and FIG.
If the area of each transducer is sufficiently large for the subject, the transducer can be further divided into a plurality of microregions, and processing can be performed by adding the signals of each microregion in units of each transducer. It ’s fine.
Further, even when the area is large in the direction orthogonal to the array column direction (the depth direction in FIG. 20), the area may be divided into small regions in the orthogonal direction. (For example, a probe as shown in FIG.
Further, although the example in which the vibrators are arranged only in the one-dimensional direction has been described, the present invention can also be applied to an array type probe arranged in two dimensions.
図22は、上記のようにして求められる等伝搬時間面のデータの例であり、これは図14の等伝搬時間面データ部117に格納されて、欠陥像合成処理部116において欠陥像を合成する際に用いられる。なお、図22において、計測した伝搬時間と比較参照する参照伝搬時間は、開口合成焦点とのずれが0の欄に該当する伝搬時間である。
FIG. 22 is an example of the data of the equal propagation time plane obtained as described above, which is stored in the uniform propagation time
次に、上記のように求めた等伝搬時間面のデータを用いて計測を行う、図14の超音波映像化装置の動作を説明する。
図23は、図14の超音波映像化装置において欠陥像を合成する際の処理を示したフローチャートである。
(S61)アレイ型超音波プローブ10a、駆動素子選択回路およびアレイ信号処理回路を操作して開口合成によって形成する焦点を走査しながら探傷を行い、出力波形データ部115は、駆動素子選択回路112、受信回路113、アレイ信号処理回路114、x方向位置検出手段21及びy方向位置検出手段22の出力に基づいて、各位置Pi,jに対応した出力波形データを検出する。
(S62)アレイ信号処理回路114または欠陥像合成処理部116は、出力波形データの中で欠陥エコーの最も大きいPi,jでの反射波形から、図24に示されるように、水伝搬時間と被検体伝搬時間を検出し、それらの伝搬時間から水距離・被検体距離(欠陥深さ)を取得する。
(S63)欠陥像合成処理部116は、等伝搬時間面データ部117に格納されて用意してある等伝搬時間面のデータ(図22参照)のなかで水距離・被検体距離と開口合成焦点深さの設定値が上記の(S62)で得られた水距離・被検体距離、開口合成焦点深さと近いものを選択する。本実施形態3においては、図25に示されるように、ここで選んだ1つの等伝搬時間面形状のみを用いて以後の処理を行う。なお、図25においては、1つの等伝搬時間面を用いて異なる参照伝搬時間での等伝搬時間面を描く(求める)方法を示したものであり、参照伝搬時間T2の等伝搬時間面に対して、参照伝搬時間が異なっている場合(T1、T3)においても、伝搬時間の差が大きくなければ、深さ位置を変えるだけで、参照伝搬時間T2の等伝搬時間面と同じ形状の等伝搬時間面を利用することができる(この場合には、1個の等伝搬時間面のデータがあれば足りることになる)。なお、検出対象となる内部欠陥の存在する深さ範囲が広く、等伝搬時間面が同じ形状として扱えない場合には、計測した伝搬時間に対応する参照伝搬時間を参照して、対応する等伝搬時間面のデータを用いればよい。
Next, the operation of the ultrasonic imaging apparatus of FIG. 14 that performs measurement using the data on the equal propagation time plane obtained as described above will be described.
FIG. 23 is a flowchart showing processing when a defect image is synthesized in the ultrasonic imaging apparatus of FIG.
(S61) The array-type
(S62) As shown in FIG. 24, the array signal processing circuit 114 or the defect image synthesizing
(S63) The defect image
(S64)欠陥像合成処理部116は、上記の(S63)で選択した等伝搬時間面のデータを用いて映像化処理を行う。本実施形態3における映像化処理方法を図26に示す。ここで、図26においては簡単のため2次元で記述しているが、本実施形態3においては3次元的に処理を行っている。但し、本発明はこれに限定されるものではなく2次元で処理を行ってもよい。本実施形態1における映像化処理方法の手順を以下に示す。
(a)各焦点位置Pi,j(深さ方向に対して直交する面内における座標で、送受信する振動子群の中心位置にも相当)のなかで欠陥エコーが検出できている焦点位置Pi,jについて、図24のように伝搬時間(以下、測定伝搬時間ともいう)を検出する。測定伝搬時間の検出は、図14におけるアレイ信号処理回路114で行っても欠陥像合成処理部116で行ってもよく、本実施形態においてはアレイ信号処理回路114で行っている。
(b)被検体1中で欠陥が存在し得る領域を微小体積要素にわけ、それぞれの微小体積要素に3次元のアドレスPfk,l,m(k:x方向の位置,l:y方向の位置,m:Z方向の位置)をつける。
(c)各位置Pi,jでの測定伝搬時間から水距離と被検体距離を算出し、欠陥が送受信する振動子群の中心軸上(深さ方向に対して直交する面内における座標がPi,j)にあったと仮定したときの欠陥位置(深さ)を算出し、その欠陥位置に対応するPfk,l,mを図26のように測定伝搬時間に対応する等伝搬時間面の中心として設定する。
(d)上記の(c)で設定された等伝搬時間面の中心から等伝搬時間面(図25参照)を形成し、その等伝搬時間面の位置に対応する各微小領域Pfk,l,mに対し、Pfk,l,mに設けたカウンタCk,l,mにカウント1を加算する。
(e)上記の(c)、(d)の操作を、欠陥エコーが検出できている全ての位置Pi,jについて行う。
(S64) The defect image
(A) The focal position Pi, j in which the defect echo can be detected in each focal position Pi, j (coordinate in the plane orthogonal to the depth direction and corresponding to the center position of the transducer group to be transmitted / received) For j, a propagation time (hereinafter also referred to as measurement propagation time) is detected as shown in FIG. The measurement propagation time may be detected by the array signal processing circuit 114 in FIG. 14 or by the defect image
(B) A region where a defect may exist in the
(C) The water distance and the subject distance are calculated from the measurement propagation time at each position Pi, j, and the coordinates on the central axis (in the plane orthogonal to the depth direction) of the transducer group that the defect transmits and receives are Pi. , j), the defect position (depth) is calculated, and Pfk, l, m corresponding to the defect position is calculated as the center of the equal propagation time plane corresponding to the measured propagation time as shown in FIG. Set.
(D) An equal propagation time plane (see FIG. 25) is formed from the center of the equal propagation time plane set in (c) above, and each minute region Pfk, l, m corresponding to the position of the equal propagation time plane is formed. On the other hand,
(E) The above operations (c) and (d) are performed for all the positions Pi, j where the defect echo can be detected.
(S65)上記の(S64)で得られたデータを映像化する。本実施形態3における映像化の方法は以下に示すとおりである。
(a)全(k,l)に対し、それぞれ(k,l)を固定したときのCk,l,mの最大値Cmax(k,l)を求める。
(b)Cmax(k,l)が閾値以上になる各(k,l)に対し、別の閾値を決めてカウンタCk,l,mをmの小さい側からチェックしていったときに初めて閾値以上となるmをm(k,l)とする。
(c)上記の(b)で得られたm(k,l)を用い、各(k,l,m(k,l))に対応する各微小領域の隣り合う中心同士を線で結んでポリゴンを構成する。
(d)上記の(c)で得られたポリゴンを3次元表示する。
なお、映像化方法は前記のような3次元ポリゴン表示方法に限るものではなく、その他の3次元表示方法や2次元表示方法であってもよい。
(S65) The data obtained in (S64) is visualized. The imaging method in the third embodiment is as follows.
(A) The maximum value Cmax (k, l) of Ck, l, m when (k, l) is fixed for all (k, l).
(B) For each (k, l) for which Cmax (k, l) is greater than or equal to the threshold, another threshold is determined and the counter Ck, l, m is checked from the smaller m side. The above m is m (k, l).
(C) Using m (k, l) obtained in (b) above, connecting adjacent centers of each minute region corresponding to each (k, l, m (k, l)) with a line Constructs a polygon.
(D) The polygon obtained in the above (c) is three-dimensionally displayed.
The imaging method is not limited to the three-dimensional polygon display method as described above, and may be another three-dimensional display method or a two-dimensional display method.
ここで、周波数50MHz、アレイピッチ100μm、開口合成に用いるチャンネル数32、線集束ビームの水中焦点距離15mmの超音波線集束型アレイプローブ(図29に示すようなアレイ配列方向と直交方向に大きさ10mmの振動子面が曲率をもっており、その方向に集束する。)を用い、鋼片サンプルに直径300μmの人工穴を空けて、その穴を図27(a)のように探傷し、前記欠陥像合成方法で映像化した例を図27(b)に示す。なお、図27(b)は各振動子をさらに微小領域に分割して作成した等伝搬時間面を用いている。図27(c)は上記の特許文献3記載の方法で映像化処理を行い、前記欠陥像合成法(S65)の方法で3次元表示した図である。この実施例では、水中焦点距離、接触媒質換算距離Lが、振動子領域(振動子径)の約1.5である。図27(c)では人工穴の映像がz方向に平らになっているのに対して、図27(b)では人工穴の曲面が再現されていて、形状の分解能が向上していることがわかる。
なお、本実施形態3も、欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置16に表示する例について説明したが、それに加えて、欠陥判定装置17が、欠陥像合成処理部116により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行う。また、欠陥判定をするだけであれば、合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装置16は必ずしもなくてもよく、欠陥像合成処理部116からの合成結果を欠陥判定装置17が入力し、その判定結果のみを出力するような構成にしてもよい。逆に、欠陥自動判定をしなければ、欠陥判定装置17はなくてもよい。
Here, an ultrasonic beam focusing array probe having a frequency of 50 MHz, an array pitch of 100 μm, 32 channels used for aperture synthesis, and an underwater focal length of 15 mm of the line focusing beam (size in the direction orthogonal to the array arrangement direction as shown in FIG. 29). 10 mm vibrator surface has a curvature and is focused in that direction.), An artificial hole having a diameter of 300 μm is made in a steel slab sample, and the hole is inspected as shown in FIG. FIG. 27 (b) shows an example of imaging by the synthesis method. Note that FIG. 27B uses an equal propagation time plane created by dividing each vibrator into fine regions. FIG. 27C is a diagram in which the imaging process is performed by the method described in Patent Document 3 and three-dimensionally displayed by the defect image synthesis method (S65). In this embodiment, the underwater focal length and the contact medium equivalent distance L are about 1.5 of the transducer region (vibrator diameter). In FIG. 27 (c), the image of the artificial hole is flat in the z direction, whereas in FIG. 27 (b), the curved surface of the artificial hole is reproduced, and the shape resolution is improved. Recognize.
In the third embodiment, the example in which the defect image synthesizing method is used to image and display on the defect
上述のとおり、本実施形態3においては、アレイ型超音波プローブ10aと被検体1との間に水を介在させ、アレイ型超音波プローブ10aの受信信号に開口合成処理を行って形成される焦点を、被検体1に対して相対的に走査しつつ、超音波を被検体1に向けて送信し、被検体1の内部欠陥からの反射波を受信する送受信工程と、アレイ型超音波プローブ10aの各振動子で受信された信号に開口合成処理を行う信号処理工程と、得られた開口合成波形を設定された遅延時間により遅延させたのち加算して信号を生成する信号生成工程と、該生成された信号の表示を行う表示工程とを備えた内部欠陥の超音波映像方法であって、前記遅延時間は、伝搬時間を開口合成波形に基づいて算出することとして、アレイ型超音波プローブ10aの各振動子の受信信号に行われる開口合成処理の焦点と設定内部欠陥との相対位置に対する伝搬時間の変化量を求め、該伝搬時間の変化量から内部欠陥の映像化信号を生成するようにしており、内部欠陥を高分解能に映像化できる。
As described above, in the third embodiment, the focus is formed by interposing water between the array-type
実施形態4.
本実施形態4は、図14の欠陥像合成処理部116を上記の演算処理とは異なった処理をするようにした例である。本実施形態4の欠陥像合成処理部116は、上記の等伝搬時間面データに代えて、遅延時間データを用いる。このため、等伝搬時間面データ部117に代えて、遅延時間データが格納される記憶装置(図示せず)が設けられる。この遅延時間データ(遅延時間群)は、伝搬時間の変化量データ(図21の変換を行う前のデータ)から求めるものであり、図28の概念図に示されるように、伝搬時間の変化量が大きいほど遅延時間を小さく、変化量が小さいほど遅延時間を大きくしたデータである。等伝搬時間面データと同様にして、水距離・被検体距離・開口合成焦点深さの各値に対応して求められて記憶装置に記憶されている。
Embodiment 4 FIG.
The fourth embodiment is an example in which the defect image
欠陥像合成処理部116は、図23に示されるフローチャートのうち、等伝搬時間面選択の処理(S63)とデータ映像化処理(S64)の具体的内容が異なるが、それ以外の処理は同じである。
等伝搬時間面選択の処理(S63)は、遅延時間データの選択処理になる。具体的には、アレイ型超音波プローブで測定した受信波形の水距離・欠陥深さに対応する、遅延時間データ(遅延時間群)を選択する処理を行う。
データ映像化処理(S64)は、その遅延時間データ選択処理で選択した遅延時間データを用いて、図28のように波形再合成処理を行う。
In the flowchart shown in FIG. 23, the defect image
The equal propagation time plane selection process (S63) is a delay time data selection process. Specifically, processing for selecting delay time data (delay time group) corresponding to the water distance and defect depth of the received waveform measured by the array type ultrasonic probe is performed.
In the data visualization process (S64), the waveform resynthesis process is performed as shown in FIG. 28 using the delay time data selected in the delay time data selection process.
具体的には、焦点走査した多数点のうち、隣接した所定数の焦点位置(図28の例では10点)を選択し、その10点で測定した反射波形データ(アレイ型超音波プローブの各振動子の信号を焦点を形成するための開口合成処理を行った信号で、実施形態1,2における集束型超音波プローブの出力波形データに相当)に対し、選択した遅延時間データ(遅延時間群)に対応して、各プローブ位置に波形を遅延処理をする。図28に示されるように、外側の焦点の信号には遅延時間を小さくし、内側の焦点には遅延時間を大きくしている。これによって、所定数の焦点位置のうち、その中心に位置する焦点の上下に欠陥があれば、欠陥波形が揃うことにより、欠陥信号が強調されて、欠陥の存在を検知できる。一方、中心に位置する焦点の上下に欠陥が無ければ、例えば、外側の焦点の直上または直下に欠陥があれば、各焦点で受信した欠陥の信号は、遅延しても位相が揃わないので、相殺され、強調されずに、欠陥信号を検出できない。つまり、中心に位置する焦点の直上または直下には欠陥が無い、ということになる。 Specifically, a predetermined number of adjacent focal positions (10 points in the example of FIG. 28) are selected from a number of focally scanned points, and reflected waveform data measured at the 10 points (each of the array type ultrasonic probe). Delay signal data (delay time group) selected with respect to the output waveform data of the focusing ultrasonic probe in the first and second embodiments, which is a signal obtained by performing aperture synthesis processing for forming a focal point of the signal of the transducer. ), The waveform is delayed at each probe position. As shown in FIG. 28, the delay time is reduced for the signal at the outer focus, and the delay time is increased for the inner focus. As a result, if there is a defect above and below the focal point located at the center of the predetermined number of focal positions, the defect signal is emphasized and the presence of the defect can be detected by aligning the defect waveforms. On the other hand, if there is no defect above and below the focal point located at the center, for example, if there is a defect directly above or below the outer focal point, the signal of the defect received at each focal point is not aligned even if delayed, The defect signal cannot be detected without being offset and emphasized. That is, there is no defect directly above or below the focal point located at the center.
このような処理を多数点測定したデータに対して、選択範囲を移動させながら順に所定数のデータを選択して、繰り返すことにより開口合成波形を得る。そして、遅延時間データ(遅延時間群)を選択する際には、複数の深さに対応した遅延時間データ(遅延時間群)をそれぞれ選択して、上記の演算処理を繰り返す。そして、得られた波形を適当な方法(Aスコープ、Bスコープ、Cスコープ、三次元表示)で表示する。
なお、本実施形態4も、欠陥像合成方法で映像化し欠陥像表示装置16に表示する例について説明したが、それに加えて、欠陥判定装置17が、欠陥像合成処理部116により開口処理された上記の信号に基づいて欠陥判定を行う。また、欠陥判定をするだけであれば、合成結果を映像化し表示する欠陥像表示装置16は必ずしもなくてもよく、欠陥像合成処理部116からの合成結果を欠陥判定装置17が入力し、その判定結果のみを出力するような構成にしてもよい。逆に、欠陥自動判定をしなければ、欠陥判定装置17はなくてもよい。
An aperture synthesis waveform is obtained by selecting and repeating a predetermined number of data in order while moving the selection range with respect to data obtained by measuring such a process at a number of points. Then, when selecting the delay time data (delay time group), the delay time data (delay time group) corresponding to a plurality of depths is selected, and the above arithmetic processing is repeated. Then, the obtained waveform is displayed by an appropriate method (A scope, B scope, C scope, three-dimensional display).
In the fourth embodiment, the example in which the defect image is synthesized and displayed on the defect
上述のとおり、本実施形態4においては、アレイ型超音波プローブ10aと被検体1との間に水を介在させ、アレイ型超音波プローブ10aの受信信号に開口合成処理を行って形成される焦点を、被検体1に対して相対的に走査しつつ、超音波を被検体1に向けて送信し、被検体の内部欠陥からの反射波を受信する送信回路111・駆動素子選択回路112・受信回路113(送受信手段)と、アレイ型超音波プローブ10aの各振動子で受信された信号に開口合成処理を行うアレイ信号処理回路114(信号処理手段)と、得られた開口合成波形を設定された遅延時間データにより遅延させたのち加算して信号を生成する欠陥像合成処理部116(信号生成手段)と、該生成された信号データを画像メモリに出力して表示する欠陥像表示装置16(表示手段)とを備えた内部欠陥の超音波映像方法であって、前記遅延時間データは、伝搬時間を開口合成波形に基づいて算出することとして、アレイ型超音波プローブ10aの各振動子の受信信号に行われる開口合成処理の焦点と設定内部欠陥との相対位置に対する伝搬時間の変化量から求め、該伝搬時間の変化量から内部欠陥の映像信号を生成するようにしており、内部欠陥を高分解能で映像化できる。
As described above, in the fourth embodiment, the focus is formed by interposing water between the array-type
なお、上記実施形態1から4に示した本発明は、焦点距離、被検体距離、接触媒質距離の、振動子領域に対する比が十分大きい場合であっても適用してもよいが、焦点距離、被検体距離、接触媒質距離の、振動子領域に対する比が小さくなるという条件において、その効果が顕著となる。具体的には、焦点距離の、送受信を行う振動子のサイズに対する比が0.5より大きく、8より小さい範囲において適用可能であり、好ましくは0.5より大きく、6より小さい範囲、より好ましくは0.5より大きく、3より小さい範囲が好適である。なお、本発明が適用される、被検体距離、接触媒質距離の、送受信を行う振動子のサイズに対する比の範囲も、焦点距離と同様である。
また、上記実施形態1から4の説明は、超音波計測装置の一形態である、映像化装置として説明したが、本発明の適用は、それに限らず、求めたカウンタの値や遅延時間により合成した波形データを入力し、それらデータを用いて欠陥の種類や程度を判定して欠陥の検出を行う欠陥検出装置などにも適用可能である。
The present invention described in the first to fourth embodiments may be applied even when the ratio of the focal length, the subject distance, and the contact medium distance to the transducer region is sufficiently large. The effect becomes significant under the condition that the ratio of the subject distance and the contact medium distance to the transducer region is small. Specifically, the ratio of the focal length to the size of the transducer for transmitting / receiving is applicable in a range larger than 0.5 and smaller than 8, preferably in a range larger than 0.5 and smaller than 6. Is preferably in the range of more than 0.5 and less than 3. The range of the ratio of the subject distance and the contact medium distance to the size of the transducer that performs transmission and reception to which the present invention is applied is also the same as the focal length.
In the above description of the first to fourth embodiments, the imaging apparatus is described as one form of the ultrasonic measurement apparatus. However, the application of the present invention is not limited thereto, and the synthesis is performed based on the obtained counter value and delay time. The present invention is also applicable to a defect detection apparatus that inputs detected waveform data and determines the type and degree of defects using the data to detect defects.
10 超音波プローブ、11 送信回路、12 受信増幅器、13 反射波形データ部、14 欠陥像合成処理部、15 等伝搬時間面データ部、16欠陥像表示装置、17 判定装置、21 x方向位置検出手段、22 y方向位置検出手段。
10a アレイ型超音波プローブ、111 送信回路、112 駆動素子選択回路、13 受信回路、114 アレイ信号処理回路、115 出力波形データ部、116 欠陥像合成処理部、117 等伝搬時間面データ部、200 欠陥像再構成信号処理部。
DESCRIPTION OF
10a array type ultrasonic probe, 111 transmission circuit, 112 drive element selection circuit, 13 reception circuit, 114 array signal processing circuit, 115 output waveform data section, 116 defect image synthesis processing section, 117 propagation time plane data section, 200 defect An image reconstruction signal processing unit.
Claims (11)
前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、送受信面の全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、各測定位置で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理手段と
を備えた超音波計測装置。 Transmitting / receiving means for transmitting an ultrasonic wave toward the subject while scanning a focal point formed by an ultrasonic probe relative to the subject, and receiving a reflected wave from an internal defect of the subject;
The waveform of the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic probe and the internal defect was received at each measurement position using the reference propagation time obtained by treating it as the ultrasonic waveform synthesized on the entire transmission / reception surface. An ultrasonic measurement apparatus comprising: aperture synthesis processing means for performing signal aperture synthesis processing.
前記開口合成処理手段が、前記参照伝搬時間が等しくなる被検体内部の位置を結んで形成された等伝搬時間面を、前記伝搬時間測定手段で測定した伝搬時間に対応して抽出して、等伝搬時間面の位置を欠陥候補位置とすることを特徴とする請求項1記載の超音波計測装置。 Propagation time measuring means for measuring the propagation time to the internal defect based on the reflected wave at each measurement position,
The aperture synthesis processing means extracts the equal propagation time plane formed by connecting the positions inside the subject where the reference propagation times are equal, corresponding to the propagation time measured by the propagation time measuring means, etc. The ultrasonic measurement apparatus according to claim 1, wherein the position of the propagation time plane is set as a defect candidate position.
該算出した回数を位置に対応させて表示を行う表示手段を備えた請求項2に記載の超音波計測装置。 For each defect candidate position obtained by the aperture synthesis processing means, calculate the number of times extracted during the scan,
The ultrasonic measurement apparatus according to claim 2, further comprising display means for displaying the calculated number of times corresponding to the position.
前記各振動子の信号を開口合成処理によって焦点を形成して、前記各測定点で受信した信号とする信号処理手段を備えたことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の超音波計測装置。 The ultrasonic probe is an array type ultrasonic probe in which a plurality of transducers are arranged,
8. The super processing apparatus according to claim 1, further comprising a signal processing unit that forms a focal point of the signal of each transducer by aperture synthesis processing and uses the signal as a signal received at each measurement point. Sound wave measuring device.
前記超音波プローブと内部欠陥との間を伝搬する超音波の波形を、送受信面の全面にて合成した超音波の波形として扱って求められた参照伝搬時間を用いて、各測定点で受信した信号の開口合成処理を行う開口合成処理ステップと
を備えた超音波計測方法。 A transmission / reception step of transmitting an ultrasonic wave toward the subject and receiving a reflected wave from an internal defect of the subject;
The waveform of the ultrasonic wave propagating between the ultrasonic probe and the internal defect was received at each measurement point by using the reference propagation time obtained by treating it as the waveform of the ultrasonic wave synthesized on the entire surface of the transmission / reception surface. An ultrasonic measurement method comprising: an aperture synthesis processing step for performing aperture synthesis processing of a signal.
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