JP2013029396A - 超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象物に対する超音波の送受信を繰り返して行い、受信が繰り返して行われた超音波信号を平均化する場合に、より少ない平均化回数で、受信される超音波信号に重畳する残響の影響を低減する。
【解決手段】繰り返し間隔設定部４１は、超音波送信装置１０による超音波の送信を繰り返す毎に、繰り返し時間間隔Ｔを一定のトリガシフト量αずつ増加または減少させる。超音波の角周波数をω、平均化処理部４３による平均化回数をＮとし、ｍ，ｎを１以上の整数とすると、トリガシフト量αは、検査対象超音波よりもｍ回前の超音波による残響成分の、平均化処理部４３による平均化前後での比の絶対値を表す残響重畳指標Ｅ_mが最小となるように、α×ω／(２×π)＝ｎ／(ｍ×Ｎ)を満たす値に決定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波の送受信により検査対象物の検査を行う超音波検査装置に関する。

超音波の送受信により検査対象物の検査を行う場合に、超音波の送受信を繰り返して行い、受信が繰り返して行われた超音波信号を平均化することで、受信した超音波信号のノイズの低減が可能となる。ただし、検査対象物の検査に要する時間を短縮するために、超音波の送信の繰り返し時間間隔を短縮すると、検査対象物では、前に送信された超音波による残響がまだ残っている状態で次の超音波が送信されるため、受信される超音波信号には、前に送信された超音波による残響成分が重畳する結果となる。

下記特許文献１〜３の超音波流量測定装置では、超音波の送受信を繰り返して行う場合に、受信される超音波信号に重畳する残響の影響を低減するために、超音波の送信の繰り返し時間間隔を変動させている。特許文献１では、送信パルスのタイミングを決定する送信指令パルスを遅延回路を介して送信回路に供給し、且つ遅延回路の遅延量を時間的に変動させている。特許文献２では、超音波の送信信号を遅延回路を介して超音波送信回路に供給し、さらに、遅延回路の遅延時間を変動させて送信間隔を変動させるときの測定結果と送信間隔を変動させないときの測定結果から補正係数を求め、送信間隔を変動させないときの測定結果を補正することで流量を測定している。特許文献３では、超音波信号を遅延手段によって遅延させてから繰り返し送信し、さらに、送信する超音波信号の駆動周期をｎ分割した時間を基準として遅延手段の遅延時間を順次変更している。

特開昭６１−１０４２２４号公報 特開２０１０−２４９５６０号公報 特開２０００−３２１１０５号公報

特許文献１〜３のように、超音波の送信の繰り返し時間間隔を変動させる場合に、受信が繰り返して行われた超音波信号の平均化回数が十分大きい条件では、繰り返し時間間隔の変動量をランダムに設定しても、受信される超音波信号に重畳する残響の影響を低減することが可能である。しかし、検査対象物の検査に要する時間を短縮するためには、超音波信号の平均化回数が少ない条件で、残響の影響を低減できることが望ましい。

本発明は、検査対象物に対する超音波の送受信を繰り返して行い、受信が繰り返して行われた超音波信号を平均化する場合に、より少ない平均化回数で、受信される超音波信号に重畳する残響の影響を低減することを目的とする。

本発明に係る超音波検査装置は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る超音波検査装置は、検査対象物への超音波の送信を繰り返して行う超音波送信部と、超音波送信部から送信され且つ検査対象物を伝搬した検査対象超音波の受信を繰り返して行う超音波受信部と、超音波送信部による超音波の送信の繰り返し間隔を設定する繰り返し間隔設定部であって、超音波送信部による超音波の送信を繰り返す毎に、該繰り返し間隔を一定のシフト量ずつ増加または減少させる繰り返し間隔設定部と、超音波受信部で受信が繰り返して行われた検査対象超音波を、超音波送信部による超音波の送信開始タイミングを同期させて平均化する平均化処理部と、を備え、前記シフト量は、検査対象超音波に重畳する残響成分の、平均化処理部による平均化前後での比の絶対値を表す指標が最小または所定値以下となる条件を満たす値であることを要旨とする。

本発明の一態様では、超音波の角周波数をω、平均化処理部による平均化回数をＮ、前記シフト量をαとし、ｍを１以上の整数とすると、検査対象超音波よりもｍ回前の超音波による残響成分の、平均化処理部による平均化前後での比の絶対値を表す指標Ｅ_mは、
で表されることが好適である。

本発明の一態様では、ｎを１以上の整数とすると、前記シフト量αは、
α×ω／(２×π)＝ｎ／(ｍ×Ｎ)
を満たす値であることが好適である。

本発明の一態様では、平均化回数Ｎが偶数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
α×ω／(２×π)＝(０．５＋ｊ)／ｍ
を満たす値であることが好適である。

本発明の一態様では、平均化回数Ｎが奇数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
α×ω／(２×π)＝(Ｎ−１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍ
またはα×ω／(２×π)＝(Ｎ＋１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍ
を満たす値であることが好適である。

本発明の一態様では、超音波の角周波数をω、平均化処理部による平均化回数をＮとし、ｎを１以上の整数とすると、前記シフト量αは、
α×ω／(２×π)＝ｎ／Ｎ
を満たす値であることが好適である。

本発明の一態様では、平均化回数Ｎが偶数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
α×ω／(２×π)＝０．５＋ｊ
を満たす値であることが好適である。

本発明の一態様では、平均化回数Ｎが奇数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
α×ω／(２×π)＝(Ｎ−１)／(２×Ｎ)＋ｊ
またはα×ω／(２×π)＝(Ｎ＋１)／(２×Ｎ)＋ｊ
を満たす値であることが好適である。

本発明の一態様では、超音波送信部による超音波の送信、及び超音波受信部による検査対象超音波の受信を繰り返して行う前に、超音波送信部が残響解析用超音波を検査対象物へ送信し、超音波受信部が超音波送信部から送信され且つ検査対象物を伝搬した残響解析用超音波を受信し、繰り返し間隔設定部は、超音波受信部で受信された残響解析用超音波に基づいてｍの値を決定することが好適である。

本発明の一態様では、超音波の角周波数ωを決定する周波数決定部を備え、繰り返し間隔設定部は、周波数決定部で決定された超音波の角周波数ωに基づいて前記シフト量αを決定することが好適である。

本発明の一態様では、周波数決定部は、超音波受信部で受信された残響解析用超音波に基づいて超音波の角周波数ωを決定することが好適である。

本発明の一態様では、超音波送信部は、検査対象物にレーザ光を照射して超音波を励振することで、検査対象物への超音波の送信を行うことが好適である。

本発明によれば、検査対象超音波に重畳する残響成分の、平均化前後での比の絶対値を表す指標が最小または所定値以下となる条件を満たすシフト量ずつ、超音波の送信の繰り返し間隔を増加または減少させることで、より少ない平均化回数で、受信される超音波信号に重畳する残響の影響を低減することができる。

本発明の実施形態に係る超音波検査装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る超音波検査装置の概略構成を示す図である。 検査対象超音波信号に残響成分が重畳する様子を示す図である。 残響指数ｍ及び加算平均回数Ｎを変化させた場合におけるトリガシフト量αと残響重畳指標Ｅ_mとの関係の一例を示す図である。 残響指数ｍ及び加算平均回数Ｎを変化させた場合におけるトリガシフト量αと残響重畳指標Ｅ_mとの関係の一例を示す図である。 残響指数ｍ及び加算平均回数Ｎを変化させた場合におけるトリガシフト量αと残響重畳指標Ｅ_mとの関係の一例を示す図である。 信号収録部による収録波形の全時間表示の一例を示す図である。 信号収録部による収録波形の拡大波形の一例を示す図である。 波形を合成することで得られた残響模擬合成波形の一例を示す図である。 トリガシフト量αによる残響低減を行った波形の一例を示す図である。 トリガシフト量αによる残響低減を行った波形と元波形との差分波形の一例を示す図である。 トリガシフト量αと残響重畳指標Ｅとの関係の一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１，２は本発明の実施形態に係る超音波検査装置の概略構成を示す図であり、図１は装置全体の概略構成を示し、図２は制御装置４０の機能ブロック図を示す。本実施形態に係る超音波検査装置は、超音波送信装置１０と、超音波受信センサ２０と、制御装置４０と、表示装置３６と、を備える。

超音波送信装置１０は、検査対象物３０にレーザ光を照射して超音波を励振するためのレーザ駆動装置１２と、レーザ駆動装置１２からのレーザ光の進路を変更し予め定めた入射角度で検査対象物３０の表面にレーザ光を走査させるためのガルバノスキャナ１４と、を含んで構成される。レーザ駆動装置１２は、パルスレーザ光を出力する装置であり、例えばＹＡＧレーザ等を用いることができる。ガルバノスキャナ１４は、複数の可動反射鏡で構成される光学的装置であり、複数の可動反射鏡の反射方向を変更することで、レーザ駆動装置１２から出力されるパルスレーザ光を検査対象物３０の表面に予め定めた照射順序の軌跡に従って走査させる機能を有する。パルスレーザ光が検査対象物３０の表面に照射されることで、検査対象物３０において熱励起またはアブレーションによる超音波振動が発生する。これによって、検査対象物３０への超音波の送信を行うことができる。ただし、圧電素子等を用いて検査対象物３０への超音波の送信を行うことも可能である。発生した超音波振動は、走査点（レーザ光照射点）から検査対象物３０の周辺へ向かって伝搬する。その際に、ガルバノスキャナ１４は、レーザ駆動装置１２によって超音波振動が与えられる位置（走査点）を検査対象物３０に対し２次元的に移動走査する走査装置として機能し、検査対象物３０の各走査点毎に超音波が送信される。

超音波受信装置として設けられた超音波受信センサ２０は、例えば圧電素子等により構成可能であり、超音波送信装置１０から検査対象物３０の各走査点に送信され且つ検査対象物３０中を伝搬した超音波を受信する。超音波送信装置１０に圧電素子を用いる場合は、超音波送信装置１０と超音波受信センサ２０を共用化することも可能である。超音波受信センサ２０で受信された超音波信号は、増幅器２２で増幅され、さらにＡＤボード２４でアナログ信号からディジタル信号に変換されてから制御装置４０に入力される。制御装置４０は、検査対象物３０の検査を行うために、超音波受信センサ２０で受信された、各走査点に対応する超音波信号のデータ処理を行う。制御装置４０によるデータ処理の結果は、表示装置３６に２次元面の画像として表示される。

本実施形態において、検査対象物３０の検査を行う場合は、超音波送信装置１０が、検査対象物３０への超音波の送信（レーザ光の照射）を各走査点毎に複数回ずつ繰り返して行い、超音波受信センサ２０が、超音波（検査対象超音波とする）の受信を各走査点毎に複数回ずつ繰り返して行う。制御装置４０では、繰り返し間隔設定部４１が、超音波送信装置１０による超音波の送信を繰り返す際の繰り返し時間間隔Ｔを設定し、繰り返し時間間隔Ｔ毎にトリガ信号をＡＤボード２４を介してレーザ駆動装置１２へ出力する。レーザ駆動装置１２は、制御装置４０（繰り返し間隔設定部４１）からのトリガ信号の入力を受ける毎に、レーザ光の出力を開始することで、検査対象物３０への超音波の送信を開始する。これによって、超音波送信装置１０による超音波の送信の繰り返し時間間隔Ｔが制御される。信号収録部４２は、超音波受信センサ２０で受信が繰り返して行われた、各走査点に対応する検査対象超音波信号を収録する。信号収録部４２による検査対象超音波信号の１回あたりの収録時間は、繰り返し間隔設定部４１で設定された超音波の送信の繰り返し時間間隔Ｔに等しい。平均化処理部４３は、超音波受信センサ２０で受信が繰り返して行われ且つ信号収録部４２に収録された検査対象超音波信号を、超音波送信装置１０による超音波の送信開始タイミングを同期させて平均化する。平均化の際には、繰り返し間隔設定部４１からのトリガ信号を利用して、超音波送信装置１０による超音波の送信開始タイミングの同期が行われ、各走査点毎に検査対象超音波信号の加算平均が行われる。

振幅検出部４４は、平均化処理部４３で平均化された、各走査点に対応する検査対象超音波信号の振幅を検出する。画像処理部４５は、振幅検出部４４で検出された検査対象超音波信号の振幅を、各走査点と対応付けて２次元面に画像化し、その２次元画像を表示装置３６に表示させる。検査判定部４６は、振幅検出部４４で検出された、各走査点に対応する検査対象超音波信号の振幅に基づいて、検査対象物３０の検査を行う。例えば検査対象物３０に損傷や欠陥が有る場合は、損傷や欠陥が無い場合と比較して、超音波受信センサ２０で受信される超音波信号のレベルが変化する。したがって、超音波受信センサ２０で受信された、各走査点に対応する検査対象超音波信号の振幅を調べることで、検査対象物３０の損傷や欠陥を評価することが可能となる。なお、図１では、検査対象物３０の形状が平板状である例を示しているが、様々な形状の物体を検査対象物３０とすることが可能である。また、検査対象物３０の損傷や欠陥以外の検査を行うことも可能である。

検査対象超音波信号の振幅に基づいて検査対象物３０の検査を行う場合に、検査対象超音波信号を平均化処理部４３で平均化することで、ノイズが低減される。また、検査対象物３０の検査に要する時間を短縮するためには、超音波の送信の繰り返し時間間隔Ｔを短縮することが望ましい。ただし、超音波の送信の繰り返し時間間隔Ｔを短縮すると、検査対象物３０では、前に励振された超音波による残響がまだ残っている状態で次の超音波が励振されるため、超音波受信センサ２０で受信される検査対象超音波信号には、前に励振された超音波による残響成分が重畳する結果となる。そこで、本実施形態では、検査対象超音波信号に重畳する残響成分を低減するために、繰り返し間隔設定部４１は、超音波送信装置１０による超音波の送信を繰り返す毎に、繰り返し時間間隔Ｔを一定のシフト量αずつ増加または減少させる。

検査対象超音波信号に残響成分が重畳する様子を図３に示す。図３において、ｆ_l（ｌは整数）は、十分な時間間隔で取得された残響成分の重畳していない波形を表し、その波形ｆ_lを収録時間間隔Ｔ毎に区切った部分波形をｆ_l,m（ｍは整数）のように示す。各波形ｆ_lの左端の太線は、トリガ位置であり、超音波の送信を開始したタイミング（波形ｆ_lの収録を開始したタイミング）を示している。部分波形ｆ_l,mの収録時間間隔Ｔが十分長い時間間隔であり、直前に受信された波形が十分小さくなっている場合には、現在の波形中に残響成分が重畳することはない。しかし、部分波形ｆ_l,mの収録時間間隔Ｔが短い場合は、以前に励振した超音波による残響成分が重畳した波形として受信される。例えば図３中の検査対象超音波波形ｆ_3,0には、１回前に励振した超音波による残響成分ｆ_2,1や、もう１回前（２回前）に励振した超音波による残響成分ｆ_1,2等が重畳して受信される。すなわち残響成分を含むｌ番目の受信波形Ｆ_lは、以下の（１）式のように合成して表すことができる。ここで、ｍは、検査対象超音波波形ｆ_l,0（ｍ＝０）よりもｍ回前に励振した超音波による残響成分（部分波形）ｆ_l,mであることを表す指標であり、以下、残響指数とする。また、Ｎ_revは、残響成分を含むｌ番目の受信波形Ｆ_lに影響を及ぼす波形の数であり、以下、残響影響回数とする。

超音波送信開始タイミング（波形収録開始タイミング）を同期させて残響成分を含む受信波形Ｆ_lを加算平均する場合に、繰り返し時間間隔（収録時間間隔）Ｔが一定である条件では、検査対象超音波波形ｆ_0,0，ｆ_1,0，ｆ_2,0，ｆ_3,0，〜だけでなく、残響成分ｆ_0,1，ｆ_1,1，ｆ_2,1，ｆ_3,1，〜やｆ_0,2，ｆ_1,2，ｆ_2,2，ｆ_3,2，〜等も同期した信号となる。これに対して繰り返し時間間隔Ｔを決めるトリガ信号を毎回異なる時間間隔ΔＴ_l（トリガシフト量とする）だけシフトした条件では、検査対象超音波波形ｆ_0,0，ｆ_1,0，ｆ_2,0，ｆ_3,0，〜のみ同期が取れており、それ以外の残響成分は非同期信号となる。残響成分を含む受信波形Ｆ_lの平均化回数Ｎ回の加算平均Ｆ_AVEは以下の（２）式で表され、さらに以下の（３）式に書き換えることができる。

ここで、検査対象超音波波形の加算平均ｇ₀は同期して平均化され、その他の残響成分ｇ_m（ｍ≧１）は非同期であり加算により低減される。加算平均回数Ｎが十分大きい場合には、繰り返し時間間隔Ｔのトリガシフト量ΔＴ_lをランダムに設定することで、残響成分の低減が可能である。しかし、検査対象物３０の検査に要する時間を短縮するためには、加算平均回数Ｎは少ない方が望ましい。

図３に示すように、繰り返し時間間隔ＴをＴ_rep＋ΔＴ₀，Ｔ_rep＋ΔＴ₁，Ｔ_rep＋ΔＴ₂，〜（Ｔ_repは繰り返し時間間隔の基準値）と変化させて波形収録を行った場合を考える。ｆ₀の波形のトリガ位置を基準（ｔ＝０）として時間軸において、部分波形ｆ_0,1の開始時刻はＴ_rep＋ΔＴ₀、部分波形ｆ_0,2の開始時刻は２Ｔ_rep＋ΔＴ₀＋ΔＴ₁となり、部分波形ｆ_0,mの開始時刻は、
と表すことができる。同様に、部分波形ｆ_l,mの開始時刻ｔ^abs _l,mは、以下の（４）式で表すことができる。

次に、各波形ｆ_l（または部分波形ｆ_l,0）の開始時刻を基準とした時間軸において、部分波形ｆ_l,mの開始時刻ｔ^ref _l,mは、以下の（５）式で表される。

ここで、ｌ番目の合成受信波形Ｆ_l中のｍ番目の部分波形ｆ_l-m,mと０番目の合成受信波形Ｆ₀中のｍ番目の部分波形ｆ_-m,mとを比較する。繰り返し時間間隔Ｔが一定である条件では、これらの波形は全く同じであり、各波形ｆ_lとｆ_-mのトリガ位置基準における収録開始時刻ｔ^ref _l-m,m及びｔ^ref _-m,mも同じである。しかし、繰り返し時間間隔Ｔをシフトした条件では、これらの間には、以下の（６）式で表される差が存在している。

ここで、繰り返し時間間隔Ｔのトリガシフト量ΔＴ_k（ｋは整数）の増分をランダムな値ではなく、ある一定量αであるとし、
とおくと、（６）式の収録開始時刻の差は以下の（８）式で与えられる。

つまり、部分波形ｆ_l-m,mは、ｆ_-m,mを用いて、以下の（９）式で表すことができる。

ここで、残響成分ｆ_-m,mが以下の（１０）式で表される調和波である場合を考える。ωはω＝２πｆで表される超音波の角周波数であり、ｉは虚数単位である。

（９）式より部分波形ｆ_l-m,mは以下の（１１）式で表され、（３）式に代入すると、残響成分の加算平均ｇ_mは以下の（１２）式で表される。

ここで、以下の（１３）式の数学公式を用いると、以下の（１４）式が得られる。

加算平均後の残響成分ｇ_mと加算平均前の残響成分ｆ_-m,mとの比の絶対値は以下の（１５）式で表される。（１５）式で表されるＥ_mを、検査対象超音波よりもｍ回前（ｍは１以上の整数）の超音波による残響成分の、平均化処理部４３による平均化前後での比の絶対値を表す指標（残響重畳指標とする）として用いることができる。ｍ≧１においては、残響指数ｍ、加算平均回数Ｎ、超音波の角周波数ω、及びトリガシフト量αに依存して、残響重畳指標Ｅ_mは１以下で変化する。

残響指数ｍ及び加算平均回数Ｎを変化させた場合におけるトリガシフト量αと残響重畳指標Ｅ_mとの関係を図４Ａ，４Ｂ，４Ｃに示す。検査対象超音波よりも１回前の超音波による残響成分の影響を示すｍ＝１の場合においては、図４Ａに示すように、トリガシフト量αが超音波信号の周期Ｔ_c（＝２×π／ω）の倍数となるα／Ｔ_c＝ｎ（ｎは整数）毎に周期的な変化を示し、その位置において残響成分が低減されないＥ₁＝１となっている。０＜α／Ｔ_c＜１では、α／Ｔ_c＝ｎ／Ｎ（ｎ＝１，２，〜，Ｎ−１）においてＥ₁＝０（最小）となり、概ね加算平均回数Ｎが大きいほどＥ₁は小さい値を示す。これは十分大きな加算平均回数Ｎを取ることで、非同期である残響成分が低減されることを示している。検査対象超音波よりも２回前の超音波による残響成分の影響を示すｍ＝２の場合には、図４Ｂに示すように、グラフの横軸を１／２に縮小した形となっており、検査対象超音波よりも３回前の超音波による残響成分の影響を示すｍ＝３の場合には、図４Ｃに示すように、グラフの横軸を１／３に縮小した形となっている。

本実施形態では、検査対象超音波に重畳する残響成分を低減するために、トリガシフト量αは、残響成分の平均化前後での比の絶対値を表す残響重畳指標Ｅ_mが最小となる条件を満たす値に決定される。例えば、検査対象超音波よりも１回前の残響成分が影響する場合（残響影響回数Ｎ_rev＝２）には、図４Ａのｍ＝１の場合において残響重畳指標Ｅ₁が０（最小）となるようなトリガシフト量αを決定する。つまり、sin(N×ω×α／２)＝０が成立するように、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝ｎ／Ｎ（ｎは１以上の整数、０＜α／Ｔ_c＜１ではｎ＝１，２，〜，Ｎ−１）を満たすトリガシフト量αを決定する。ただし、実際の残響成分には、角周波数ωの成分以外に、その近傍の角周波数の成分も存在する。その場合、角周波数ωの残響成分だけでなく、その近傍の角周波数の残響成分も低減するためには、α／Ｔ_c＝ｎ／Ｎから少しずれた位置においても、残響重畳指標Ｅ₁は小さくなっていることが好ましい。例えば図４ＡのＮ＝４において、α／Ｔ_c＝１／４（ｎ＝１，Ｎ＝４）やα／Ｔ_c＝３／４（ｎ＝３，Ｎ＝４）よりも、α／Ｔ_c＝０，１からできるだけ離れたα／Ｔ_c＝１／２（ｎ＝２，Ｎ＝４）となるトリガシフト量αの方が効果的である。そこで、sin(N×ω×α／２)＝０が成立し、且つα／Ｔ_c＝ｊ（ｊは０以上の整数）からできるだけ離れるように、加算平均回数Ｎが偶数の場合は、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝０．５＋ｊ（０＜α／Ｔ_c＜１ではα／Ｔ_c＝０．５）を満たすトリガシフト量αを決定し、加算平均回数Ｎが奇数の場合は、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(２×Ｎ)＋ｊまたはα×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝(Ｎ＋１)／(２×Ｎ)＋ｊ（０＜α／Ｔ_c＜１ではα／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(２×Ｎ)またはα／Ｔ_c＝(Ｎ＋１)／(２×Ｎ)）を満たすトリガシフト量αを決定することが好ましい。ただし、残響重畳指標Ｅ₁が所定値（例えば０．１程度の値）以下となるように、α／Ｔ_c＝ｎ／Ｎから少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝０．５＋ｊ（加算平均回数Ｎが偶数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(２×Ｎ)＋ｊ（加算平均回数Ｎが奇数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝(Ｎ＋１)／(２×Ｎ)＋ｊ（加算平均回数Ｎが奇数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することも可能である。

同様に、検査対象超音波よりも２回前の残響成分が影響する場合（残響影響回数Ｎ_rev＝３）には、図４Ｂのｍ＝２の場合において残響重畳指標Ｅ₂が０（最小）となる（sin(２×N×ω×α／２)＝０が成立する）ように、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝ｎ／(２×Ｎ)（ｎは１以上の整数、０＜α／Ｔ_c＜１ではｎ＝１，２，〜，２Ｎ−１）を満たすトリガシフト量αを決定する。さらに、α／Ｔ_c＝ｊ／２（ｊは０以上の整数）からできるだけ離れるように、加算平均回数Ｎが偶数の場合は、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝０．２５＋ｊ／２（０＜α／Ｔ_c＜１ではα／Ｔ_c＝０．２５または０．７５）を満たすトリガシフト量αを決定し、加算平均回数Ｎが奇数の場合は、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(４×Ｎ)＋ｊ／２またはα×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝(Ｎ＋１)／(４×Ｎ)＋ｊ／２（０＜α／Ｔ_c＜１ではα／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(４×Ｎ)，(Ｎ＋１)／(４×Ｎ)，(Ｎ−１)／(４×Ｎ)＋１／２，または(Ｎ＋１)／(４×Ｎ)＋１／２）を満たすトリガシフト量αを決定することが好ましい。ただし、残響重畳指標Ｅ₂が所定値（例えば０．１程度の値）以下となるように、α／Ｔ_c＝ｎ／(２×Ｎ)から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝０．２５＋ｊ／２（加算平均回数Ｎが偶数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(４×Ｎ)＋ｊ／２（加算平均回数Ｎが奇数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝(Ｎ＋１)／(４×Ｎ)＋ｊ／２（加算平均回数Ｎが奇数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することも可能である。

このように、検査対象超音波よりもｍ回前の残響成分を低減する（残響影響回数Ｎ_rev＝ｍ＋１）ためには、残響重畳指標Ｅ_mが０（最小）となる（sin(ｍ×N×ω×α／２)＝０が成立する）ように、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝ｎ／(ｍ×Ｎ)（ｎは１以上の整数、０＜α／Ｔ_c＜１ではｎ＝１，２，〜，ｍ×Ｎ−１）を満たすトリガシフト量αを決定する。さらに、角周波数ωの残響成分だけでなく、その近傍の角周波数の残響成分も低減するためには、α／Ｔ_c＝ｊ／ｍ（ｊは０以上の整数）からできるだけ離れるように、加算平均回数Ｎが偶数の場合は、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝(０．５＋ｊ)／ｍを満たすトリガシフト量αを決定し、加算平均回数Ｎが奇数の場合は、α×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍまたはα×ω／(２×π)＝α／Ｔ_c＝(Ｎ＋１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍを満たすトリガシフト量αを決定することが好ましい。ただし、残響重畳指標Ｅ_mが所定値（例えば０．１程度の値）以下となるように、α／Ｔ_c＝ｎ／(ｍ×Ｎ)から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝(０．５＋ｊ)／ｍ（加算平均回数Ｎが偶数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝(Ｎ−１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍ（加算平均回数Ｎが奇数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することや、α／Ｔ_c＝(Ｎ＋１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍ（加算平均回数Ｎが奇数の場合）から少しずれたトリガシフト量αを決定することも可能である。繰り返し間隔設定部４１は、超音波送信装置１０による超音波の送信を繰り返す毎に、繰り返し時間間隔Ｔを一定のシフト量αずつ増加させる。ただし、超音波送信装置１０による超音波の送信を繰り返す毎に、繰り返し時間間隔Ｔを一定のシフト量αずつ減少させることも可能である。

なお、残響指数ｍや超音波の角周波数ωに基づいて繰り返し間隔設定部４１でトリガシフト量αを決定するために、残響指数ｍや超音波の角周波数ωを決定する際には、超音波送信装置１０による超音波の送信、及び超音波受信センサ２０による検査対象超音波の受信を繰り返して行う前に（検査対象物３０の検査を行う前に）、超音波送信装置１０が検査対象物３０へ超音波（解析用超音波とする）を１回送信し、超音波受信センサ２０が超音波送信装置１０から送信され且つ検査対象物３０を伝搬した解析用超音波を受信し、超音波受信センサ２０で受信され且つ信号収録部４２に収録された解析用超音波信号に基づいて残響指数ｍや超音波の角周波数ωを決定することも可能である。その場合は、繰り返し間隔設定部４１は、超音波受信センサ２０で受信され且つ信号収録部４２に収録された解析用超音波信号に重畳する残響成分の振幅に基づいて残響指数ｍの値を決定する。例えば、解析用超音波信号において、超音波送信装置１０による解析用超音波の送信開始タイミングを時刻ｔ＝０とし、時刻ｔ＝Ｔ（収録時間間隔）以降の残響成分の波形を解析して、残響成分の振幅が最大となる期間や、残響成分の振幅が設定値以上となる期間を調べることで、残響指数ｍの値を決定することが可能である。ただし、超音波送信装置１０が検査対象物３０へ解析用超音波を送信することなく、残響指数ｍの値を（例えばｍ＝１やｍ＝２等に）予め決定することも可能である。また、周波数決定部４７は、超音波受信センサ２０で受信され且つ信号収録部４２に収録された解析用超音波信号の周波数スペクトルに基づいて角周波数ωを決定する。例えば、解析用超音波信号の周波数スペクトルが最大となる周波数を角周波数ωとすることが可能である。ただし、超音波送信装置１０が検査対象物３０へ解析用超音波を送信することなく、超音波受信センサ２０で受信され且つ信号収録部４２に収録される超音波信号のフィルタ処理を行うバンドパスフィルタの通過帯域や中心周波数、あるいは超音波送信装置１０による超音波の送信を行うための駆動信号の周波数（超音波送信装置１０に圧電素子を用いる場合）等から、超音波の角周波数ωを周波数決定部４７で決定することも可能である。

上記に説明したトリガシフト量αによる残響低減効果を確認するために、１０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚのバンドパスフィルタ処理を行った、信号収録部４２による収録波形の全時間表示の一例を図５Ａに示し、その拡大波形を図５Ｂに示す。図５Ａの全時間波形よりわかるように、５００μｓまでは多重反射波等が多く含まれるが、７５０μｓ以降では、その多重反射波も十分減衰し、ノイズレベル以上の波形はほとんど見られない。また、図５Ｂの拡大波形を見ると、２０μｓまでは超音波が到達しておらず、その後大きな直接到達波が得られていることがわかる。このような波形を連続で信号収録部４２に収録し、合成することで得られた残響模擬合成波形を図６に示す。いずれも、８００μｓまでの残響波形を合成するよう残響影響回数Ｎ_revを設定した。図６に示すように、繰り返し時間間隔（収録時間間隔）Ｔが小さいほど、残響の影響を大きく受け、（ｄ）Ｔ＝１００μｓの場合には元波形（ａ）から大きく異なる波形となっている。

次に、トリガシフト量αによる残響低減を行った波形（トリガシフト波形）を図７Ａの（ａ）に示す。その際には、繰り返し時間間隔Ｔ＝１００μｓ、平均化回数Ｎ＝２とした。残響信号の周波数スペクトルを取得すると、最大となる周波数が８０ｋＨｚであったため、周期Ｔ_c＝１／８０ｋＨｚ＝１２．５μｓとし、ｍ＝１での残響成分を低減するものとした。このとき、残響重畳指標Ｅ₁が０（最小）となる条件のうち、α／Ｔ_c＝０．５の条件が成立するように、トリガシフト量α＝Ｔ_c×０．５＝６．２５μｓに決定した。図７Ａの（ｂ）、（ｃ）には、元波形（図５Ｂ、図６の（ａ）と同じ）と、残響合成波形（図６の（ｃ）と同じ）を比較のために示した。図７Ａの（ａ）の波形を１個取得するためには１００μｓ＋１０６．２５μｓ＝２０６．２５μｓ必要であることから、ここでは、ほぼ同じ速さで収録する図６の（ｃ）の残響合成波形を比較の対象としている。図７Ａにおいて、残響合成波形（ｃ）は元波形（ｂ）から大きく異なる部分があるが、トリガシフト波形（ａ）は概ね元波形（ｂ）と似た形状となっている。図７Ａのトリガシフト波形（ａ）と元波形（ｂ）との差分波形（ａ）−（ｂ）を図７Ｂの（ｄ）に示し、図７Ａの残響合成波形（ｃ）と元波形（ｂ）との差分波形（ｃ）−（ｂ）を図７Ｂの（ｅ）に示す。図７Ｂにおいて、差分波形（ｄ）の絶対値の平均値は６．６ｍＶ、差分波形（ｅ）の絶対値の平均値は１２．６ｍＶとなり、トリガシフト量αによって残響が低減されていることがわかる。

以上説明した本実施形態によれば、超音波の角周波数ωと残響指数ｍと平均化回数Ｎとを基に残響成分の平均化前後での比の絶対値を表す残響重畳指標Ｅ_mが最小または所定値以下となるように決定したトリガシフト量αずつ、超音波の送信の繰り返し時間間隔Ｔを増加させる（あるいは減少させる）ことで、より少ない平均化回数Ｎで、検査対象超音波信号に重畳する残響成分を低減することができる。その結果、検査対象物３０の検査の精度を向上させることができるともに、検査対象物３０の検査に要する時間を短縮することができる。その際に、繰り返し時間間隔Ｔは、試行錯誤的に決定するのではなく、超音波の角周波数ωや残響の大きい期間等の情報を基に、残響低減効果が最大になるように理論的に求められた繰り返し時間間隔Ｔを利用する。その結果、繰り返し時間間隔Ｔの決定を行う前処理に費やす時間を短縮することができる。また、受信された解析用超音波信号の角周波数ωに基づきトリガシフト量αを決定することで、駆動周波数が定まっていないレーザ照射による超音波励振方法の場合や、駆動周波数と受信される超音波波形の周波数が異なる場合等にも、効果的に残響成分を低減することが可能になる。

また、本実施形態では、複数通りの残響指数ｍに基づく残響重畳指標Ｅ_mを考慮して、トリガシフト量αを決定することも可能である。一般的に超音波は、伝搬距離が大きくなるにつれて、減衰が大きくなる性質を持つ。ｘ＝０点において、音速ｃの超音波が＋ｘ方向に伝搬している場合を１次元的に考えると、ｘ＝ｘにおける超音波波形Ｕ(ｘ，ｔ)は、ｘ＝０点での超音波波形Ｕ(０，ｔ)を用いて以下の（１６）式のようにかける。

ここで、ａは減衰率と呼ばれる物質固有の物理量である。音速ｃで伝搬していることから、上式はｂ＝ａ／ｃを用いて、
と書き換えることができ、減衰率ａを音速ｃで除した値ｂ（減衰率とする）により、測定波形が減衰する。このことから、例えば図３のような波形のうち、ｍ＝０の波形は減衰ゼロ、ｍ＝１の波形はexp(−ｂ×Ｔ_rep)、ｍ＝２の波形はexp(−２×ｂ×Ｔ_rep)と書くことができ、ｍ＝ｍの波形はexp(−ｍ×ｂ×Ｔ_rep)の割合で残響成分の影響が小さくなっていくと考えることができる。ここで、厳密には、ｍ＝１の波形の収録時間間隔にはＴ_rep＋ΔＴ₀といった微小増分量が加算されているが、Ｔ_repに比べて十分小さいことから無視できるものとした。

このことを利用すると、複数通りの残響指数ｍに基づく残響重畳指標Ｅ_mを考慮した残響重畳指標Ｅは、
と書くことができる。exp(−ｍ×ｂ×Ｔ_rep)＝１／１００となるｍ値を求めると、
これ以上のｍ値では、残響成分重畳の影響が１％以下であり無視できる。この最大のｍ_maxに１だけ加算したものが、残響影響回数Ｎ_revである。（１８）式は、ｍが１以上の残響重畳指標Ｅ_mを足し合わせ、
となり、この残響重畳指標Ｅが最小となるようにトリガシフト量αを決定することができる。例えば減衰率ｂの値は文献値等により、０．０２１［μｓ^-1］（鉄鋼材料）等と与えられている。例えばＴ_rep＝１００μｓ、N＝２、ｆ＝８０ｋＨｚ（ω＝２×π×ｆ）として、横軸をトリガシフト量α、縦軸を（２０）式で求められる残響重畳指標Ｅとしたグラフを書くと、図８に示すようになる。図８より、残響重畳指標Ｅが最小となるトリガシフト量αを求めると、α＝６．２５μｓとなる。これは、前述の図７Ａの（ａ）に示したｍ＝１の場合におけるトリガシフト量αと同じ値となっている。すなわち、減衰率ｂ＝０．０２１［μｓ^-1］程度の材料の場合では、直前（ｍ＝１）の残響の影響が大きく、ｍ＝２，３のように前にさかのぼったときの残響の影響は減衰により小さくなっているといえる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ 超音波送信装置、１２ レーザ駆動装置、１４ ガルバノスキャナ、２０ 超音波受信センサ、２２ 増幅器、２４ ＡＤボード、３０ 検査対象物、３６ 表示装置、４０ 制御装置、４１ 繰り返し間隔設定部、４２ 信号収録部、４３ 平均化処理部、、４４ 振幅検出部、４５ 画像処理部、４６ 検査判定部、４７ 周波数決定部。

Claims (12)

1. 検査対象物への超音波の送信を繰り返して行う超音波送信部と、
   超音波送信部から送信され且つ検査対象物を伝搬した検査対象超音波の受信を繰り返して行う超音波受信部と、
   超音波送信部による超音波の送信の繰り返し間隔を設定する繰り返し間隔設定部であって、超音波送信部による超音波の送信を繰り返す毎に、該繰り返し間隔を一定のシフト量ずつ増加または減少させる繰り返し間隔設定部と、
   超音波受信部で受信が繰り返して行われた検査対象超音波を、超音波送信部による超音波の送信開始タイミングを同期させて平均化する平均化処理部と、
   を備え、
   前記シフト量は、検査対象超音波に重畳する残響成分の、平均化処理部による平均化前後での比の絶対値を表す指標が最小または所定値以下となる条件を満たす値である、超音波検査装置。
2. 請求項１に記載の超音波検査装置であって、
   超音波の角周波数をω、平均化処理部による平均化回数をＮ、前記シフト量をαとし、ｍを１以上の整数とすると、
   検査対象超音波よりもｍ回前の超音波による残響成分の、平均化処理部による平均化前後での比の絶対値を表す指標Ｅ_mは、
   で表される、超音波検査装置。
3. 請求項２に記載の超音波検査装置であって、
   ｎを１以上の整数とすると、前記シフト量αは、
   α×ω／(２×π)＝ｎ／(ｍ×Ｎ)
   を満たす値である、超音波検査装置。
4. 請求項２または３に記載の超音波検査装置であって、
   平均化回数Ｎが偶数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
   α×ω／(２×π)＝(０．５＋ｊ)／ｍ
   を満たす値である、超音波検査装置。
5. 請求項２または３に記載の超音波検査装置であって、
   平均化回数Ｎが奇数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
   α×ω／(２×π)＝(Ｎ−１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍ
   またはα×ω／(２×π)＝(Ｎ＋１)／(２×ｍ×Ｎ)＋ｊ／ｍ
   を満たす値である、超音波検査装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載の超音波検査装置であって、
   超音波の角周波数をω、平均化処理部による平均化回数をＮとし、ｎを１以上の整数とすると、前記シフト量αは、
   α×ω／(２×π)＝ｎ／Ｎ
   を満たす値である、超音波検査装置。
7. 請求項６に記載の超音波検査装置であって、
   平均化回数Ｎが偶数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
   α×ω／(２×π)＝０．５＋ｊ
   を満たす値である、超音波検査装置。
8. 請求項６に記載の超音波検査装置であって、
   平均化回数Ｎが奇数である場合は、ｊを０以上の整数とすると、前記シフト量αは、
   α×ω／(２×π)＝(Ｎ−１)／(２×Ｎ)＋ｊ
   またはα×ω／(２×π)＝(Ｎ＋１)／(２×Ｎ)＋ｊ
   を満たす値である、超音波検査装置。
9. 請求項２〜５のいずれか１に記載の超音波検査装置であって、
   超音波送信部による超音波の送信、及び超音波受信部による検査対象超音波の受信を繰り返して行う前に、
   超音波送信部が残響解析用超音波を検査対象物へ送信し、超音波受信部が超音波送信部から送信され且つ検査対象物を伝搬した残響解析用超音波を受信し、
   繰り返し間隔設定部は、超音波受信部で受信された残響解析用超音波に基づいてｍの値を決定する、超音波検査装置。
10. 請求項２〜９のいずれか１に記載の超音波検査装置であって、
    超音波の角周波数ωを決定する周波数決定部を備え、
    繰り返し間隔設定部は、周波数決定部で決定された超音波の角周波数ωに基づいて前記シフト量αを決定する、超音波検査装置。
11. 請求項９に係る請求項１０に記載の超音波検査装置であって、
    周波数決定部は、超音波受信部で受信された残響解析用超音波に基づいて超音波の角周波数ωを決定する、超音波検査装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１に記載の超音波検査装置であって、
    超音波送信部は、検査対象物にレーザ光を照射して超音波を励振することで、検査対象物への超音波の送信を行う、超音波検査装置。