JP2018119799A - 超音波映像化装置、超音波検出装置および超音波映像化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】媒体と媒体内の映像化対象との境界の形状の高精度な映像化を実現する。【解決手段】超音波映像化装置１００は、超音波受信器２１２で受信する受信信号を記憶するメモリ１１０と、受信信号に基づいて映像化データを生成する演算部１２０と、演算部１２０で演算した結果を表示する表示部１４０とを備える。演算部１２０は、映像化領域内の媒体をメッシュに分割するメッシュ分割部１２２と、媒体中の温度分布に基づいてメッシュ伝搬速度を決定する伝搬速度付加部１２３と、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせごとに定めた伝搬時間テーブルを作成する伝搬時間算出部１２４と、受信信号に含まれるそれぞれの受信強度を合計伝搬時間に対応させてメッシュのそれぞれに割り当てた強度データテーブルを作成する強度割り付け部１２５と、強度データテーブルを合成して合成強度を算出する強度合成部１２６と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、超音波映像化装置、超音波検出装置および超音波映像化方法に関する。

超音波探傷試験（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）は、非破壊試験として構造材の表面および内部の健全性を確認できる技術であり、様々な分野で欠かせない検査技術となっている。

圧電素子を検査対象に接触させて超音波を送受信する接触式のＵＴ以外に、パルスレーザの照射により超音波を励起し、別のレーザおよびレーザ干渉計により検査対象表面の微小振動を計測するレーザ超音波法（ＬＵＴ：Ｌａｓｅｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）などの方法も利用されている。ＬＵＴは、検査対象に接触せずに検査できるため、高温となる対象や、移動する対象、狭隘部等へも適用でき、溶接施工中の検査などにも適用されている。

超音波信号の処理方法、検査対象の内部を映像化するための装置や手法についても、用途に応じた多様な形態が提案されている。たとえば生体の内部を超音波により映像化する場合、生体内の組織の違いにより音速が異なることから、検査対象のある特定の領域の音速を仮定して超音波の計測を行い、得られた検出結果とあらかじめ想定していた結果との違いに基づいて音速分布を評価する手法等が提案されている。

特許第５６５１５３３号公報 特許第４６３２５１７号公報 特許第５５２８０８３号公報 特開２０１６−１１４５７０号公報

新版「非破壊検査工学」 石井勇五郎編著（産報出版）

超音波検査により得られた信号を用いて映像化対象を映像化する際、映像化対象が物性の異なる材料で構成されている場合、同一の材料でもたとえば溶接部などで結晶粒が粗大化している場合、あるいは映像化対象の内部に温度分布がある場合などでは、対象内部での超音波の音速が一様にならない。このため、映像化対象の内部の音速異方性あるいは音速分布の影響で、映像化された欠陥位置や板厚などの計測精度が低下するという課題がある。

本発明の実施形態は、媒体内の映像化対象の形状を、高精度で映像化することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態に係る超音波映像化装置は、超音波送信器から媒体内に発信されて超音波反射源で反射した超音波を超音波受信器で受信し受信信号として記憶するメモリと、前記メモリに記憶された前記受信信号に基づいて前記超音波反射源の形状の映像化用データを生成する演算部と、前記演算部で演算した前記映像化用データに基づいて前記超音波反射源の形状の映像を表示する表示部と、を備え、前記演算部は、前記媒体内の映像化領域内をメッシュに分割するメッシュ分割部と、前記媒体中の温度分布に基づいて前記メッシュのそれぞれについての前記超音波の伝搬速度であるメッシュ伝搬速度をそれぞれ決定する伝搬速度付加部と、前記メッシュのそれぞれについて前記メッシュ伝搬速度に基づいて前記超音波送信器から当該メッシュを経て前記超音波受信器に至る前記超音波の合計伝搬時間を前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに定めた伝搬時間テーブルを作成する伝搬時間算出部と、前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに、前記受信信号に含まれるそれぞれの受信強度を、当該受信強度が得られた時間を前記伝搬時間テーブルに定められた前記合計伝搬時間に対応させて前記メッシュのそれぞれに割り当てた強度データテーブルを作成する強度割り付け部と、前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の複数の組み合わせについて、前記強度データテーブルを合成して合成強度を算出する強度合成部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る超音波検出装置は、媒体内に超音波を発する超音波送信器と、前記超音波が超音波反射源で反射した反射波を受信する超音波受信器と、
前記超音波受信器で受信する受信信号を記憶するメモリと、前記メモリに記憶された前記受信信号に基づいて前記超音波反射源の形状の映像化用データを生成する演算部と、前記演算部で演算した前記映像化用データに基づいて前記超音波反射源の形状の映像を表示する表示部と、を備え、前記演算部は、前記媒体内の映像化領域内の前記媒体をメッシュに分割するメッシュ分割部と、前記媒体中の温度分布に基づいて前記メッシュのそれぞれについての前記超音波の伝搬速度であるメッシュ伝搬速度をそれぞれ決定する伝搬速度付加部と、前記メッシュのそれぞれについて前記メッシュ伝搬速度に基づいて前記超音波送信器から当該メッシュを経て前記超音波受信器に至る前記超音波の合計伝搬時間を前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに定めた伝搬時間テーブルを作成する伝搬時間算出部と、前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに、前記受信信号に含まれるそれぞれの受信強度を、当該受信強度が得られた時間を前記伝搬時間テーブルに定められた前記合計伝搬時間に対応させて前記メッシュのそれぞれに割り当てた強度データテーブルを作成する強度割り付け部と、前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の複数の組み合わせについて、前記強度データテーブルを合成して合成強度を算出する強度合成部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の実施形態に係る超音波映像化方法は、超音波受信器が、媒体内に発信された超音波が超音波反射源で反射した反射波を受信信号として受信する超音波受信ステップと、映像化領域設定部が、媒体内に映像化領域を設定して前記映像化領域内をメッシュに分割する映像化領域設定ステップと、伝搬速度付加部が、前記媒体中の温度分布に基づいて前記メッシュのそれぞれについての前記超音波の伝搬速度であるメッシュ伝搬速度を決定する伝搬速度設定ステップと、伝搬時間算出部が、前記メッシュのそれぞれについて前記メッシュ伝搬速度に基づいて超音波送信器から当該メッシュを経て前記超音波受信器に至る前記超音波の合計伝搬時間を前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに定めた伝搬時間テーブルを作成する伝搬時間テーブル作成ステップと、強度割り付け部が、前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに、前記受信信号に含まれるそれぞれの受信強度を、当該受信強度が得られた時間を前記伝搬時間テーブルに定められた前記合計伝搬時間に対応させて前記各メッシュのそれぞれに割り当てて強度データテーブルを作成する強度データテーブル作成ステップと、強度合成部が、前記超音波送信器位置および前記超音波受信器位置の複数の組み合わせについて、前記強度データを合成して合成強度を算出する強度データ合成ステップと、表示部が、前記合成強度から、前記超音波反射源の形状の映像を表示する表示ステップと、を有することを特徴とする。

本発の実施形態明によれば、媒体内の映像化対象の形状を、高精度で映像化することができる。

第１の実施形態に係る超音波検出装置および超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化装置による映像化領域のメッシュ分割の説明用の斜視図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化装置の伝搬速度付加部が有する超音波の媒体中における伝搬速度の温度依存特性データを示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波検出装置の超音波送信器および超音波受信器に、それぞれ単一プローブを用いた場合の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る超音波検出装置の超音波送信器および超音波受信器に、超音波アレイプローブを用いた場合の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る超音波検出装置の超音波送信器および超音波受信器に、それぞれレーザ方式を用いた場合の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の全体の手順を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち伝搬時間テーブルの作成ステップの詳細を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順の伝搬時間テーブルの作成ステップのうち経路の合計伝搬時間の算出ステップの詳細を示すフロー図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順の伝搬時間テーブルの作成ステップのうち分割経路への分割ステップの内容を説明するメッシュ図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち伝搬時間テーブルの作成ステップにより作成された伝搬時間テーブルの例を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち強度データテーブル作成ステップを説明する等合計伝搬時間曲線の例を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち強度データテーブル作成ステップの内容を説明する受信波形の例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち受信波形に基づく信号強度の各メッシュへの割り付けデータ作成ステップにより作成される強度データテーブルの例を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち超音波送信器、受信器の位置の全組み合わせについての信号強度の合成ステップの内容を説明する図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち超音波送信器、受信器の位置の全組み合わせについての信号強度の合成ステップの内容を説明する各ケースの受信波形の例を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち超音波送信器、受信器の位置の全組み合わせについての信号強度の合成ステップで演算された結果の例を示す図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち形状抽出ステップの内容を説明するグラフである。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法において超音波送信器および超音波受信器を複数個所に移動しての計測の例を説明する図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法を金属の溶融池の検出に適用した例を示す概念図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法を液体中の物体の検出に適用した例を示す概念図である。 第１の実施形態に係る超音波映像化方法を層状に存在する物体の検出に適用した例を示す概念図である。 第２の実施形態に係る超音波検出装置および超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る超音波映像化方法の全体の手順を示すフロー図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る超音波映像化装置、超音波検出装置および超音波映像化方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る超音波検出装置および超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。

超音波検出装置２００は、媒体２に超音波を送信し、受信した信号から、媒体２内の超音波反射源３と媒体２との境界を含めた、媒体２内の形状を映像化する。

超音波検出装置２００は、送受信部２１０および超音波映像化装置１００を有する。送受信部２００は、媒体２内に超音波を発する超音波送信器２１１と、媒体２からの反射波を受信する超音波受信器２１２とを有する。

超音波映像化装置１００は、計算機システムを用いており、メモリ１１０、演算部１２０、入力部１３０、表示部１４０、および制御部１５０を有する。ここで、制御部１５０は、計算機システムとして、メモリ１１０、演算部１２０、入力部１３０、表示部１４０のそれぞれが互いに整合しながら動作するように監視、制御を行う。

メモリ１１０は、信号収録部１１１および演算結果等記憶部１１２を有する。信号収録部１１１は、超音波受信器２１２で受信する受信信号を記憶する。具体的には、超音波送信器２１１の位置と超音波受信器２１２の位置のそれぞれの組み合わせについて、時間的な強度変化として媒体２から超音波受信器２１２が受信した受信信号データを記憶する。演算結果等記憶部１１２は、演算部１２０での演算結果や入力部１３０が外部から受け入れた入力を記憶する。

演算部１２０は、メモリ１１０の信号収録部１１１に記憶された受信信号に基づいて映像化信号を生成する。演算部１２０は、映像化領域設定部１２１、メッシュ分割部１２２、伝搬速度付加部１２３、伝搬時間算出部１２４、強度割り付け部１２５、強度合成部１２６、および形状抽出部１２７を有する。

映像化領域設定部１２１は、映像化対象１、および映像化対象１の内部あるいは隣接して存在する超音波反射源３を含む領域から、映像化領域１０を設定する。具体的には、映像化領域１０がたとえば直方体の形状であれば、座標軸およびそれぞれの角部の位置などの端点条件を外部から指定すると、まず、演算結果等記憶部１１２がこれを記憶する。映像化領域設定部１２１は、演算結果等記憶部１１２に記憶された端点条件を読み出し、設定された座標軸に基づいて、境界面上にある各点の座標を算出可能な状態とする。

メッシュ分割部１２２は、映像化領域１０内の媒体２をメッシュに分割する。図２は、超音波映像化装置１００による映像化領域のメッシュ分割の説明用の斜視図である。映像化領域１０について、Ｘ軸方向にΔＸ、Ｙ軸方向にΔＹ、およびＺ軸方向にΔＺの幅で分割する。分割の幅ΔＸ、ΔＹおよびΔＺは、入力部１３０に外部から指定してもよいし、決められた値でもよい。ΔＸ、ΔＹおよびΔＺのそれぞれの値は、互いに同程度の値、あるいは同じ値でもよい。また、たとえば、Ｘ軸方向の温度分布の変化幅が、Ｙ軸およびＺ軸方向の温度分布の幅に比べて大きい場合は、ΔＸの値を、ΔＹおよびΔＺの値に比べて小さくするなど、温度分布の変化幅に応じて値を設定することでもよい。

伝搬速度付加部１２３は、媒体２の種類に応じた超音波の伝搬速度の温度依存特性データを有している。伝搬速度付加部１２３は、外部入力により指定された各メッシュの温度に応じた伝搬速度であるメッシュ伝搬速度を各メッシュに割り当てる。

図３は、伝搬速度付加部が有する超音波の媒体中における伝搬速度の温度依存特性データを示すグラフである。横軸は、媒体の温度（℃）を、縦軸は、その温度の媒体中の超音波の伝搬速度（ｍ／ｓｅｃ）を示す。伝搬速度付加部１２３は、この伝搬速度の温度依存特性データを、関数の形態のデータとして有していてもよいし、テーブルの形態のデータとして有していてもよい。あるいは、メモリ１１０がこれらのデータを記憶し、伝搬速度付加部１２３は、必要に応じてメモリ１１０から読み出すことでもよい。

伝搬速度付加部１２３は、伝搬速度の温度依存特性データに基づいて、媒体中の各メッシュの温度に応じた各メッシュにおける伝搬速度であるメッシュ伝搬速度を導出し伝搬速度テーブル１２３ａ（図７）を作成する。

伝搬時間算出部１２４は、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置のそれぞれの組み合わせごとに、各メッシュについて、超音波送信器２１１から当該メッシュまでの伝搬時間往路分および当該メッシュから超音波受信器２１２までの伝搬時間復路分を合計した合計伝搬時間を算出し当該メッシュと対応させることを、映像化領域１０の全メッシュについて行い、伝搬時間テーブル１２４ａ（図７）を作成する。伝搬時間算出部１２４で作成された伝搬時間テーブル１２４ａは、演算結果等記憶部１１２に記憶されるとともに、表示部１４０により表示される。

強度割り付け部１２５は、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置のそれぞれの組み合わせごとの強度データテーブル１２５ａ（図７）を作成する。

すなわち、まず、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせのそれぞれについて、超音波送信器２１２から発信し超音波受信器２１２で受信した受信波形を、信号収録部１１１から読み出す。次に、伝搬時間テーブル１２４ａを演算結果等記憶部１１２から読み出し、各メッシュに対応する合計伝搬時間の値に基づいて、受信波形からその合計伝搬時間に対応する時点の強度データを抽出し、各メッシュに割り当てる。このようにして、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせごとの強度データテーブル１２５ａを作成する。強度データテーブル１２５ａは、演算結果等記憶部１１２に記憶されるとともに、表示部１４０により表示される。

強度合成部１２６は、強度割り付け部１２５が作成した超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせごとの強度データテーブル１２５ａの強度データを、全ての超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせについて重ね合わせることにより合成強度を算出する。なお、全ての組み合わせに限定しなくともよい。すなわち、必要な範囲での複数の組み合わせであってもよい。以下、全ての超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせと記載している場合も、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の必要な範囲での複数の組み合わせであってもよいとの意である。

すなわち、超音波送信器２１１のｍ番目の位置（ｍ＝１〜Ｍ）および超音波受信器２１２のｎ番目の位置（ｎ＝１〜Ｎ）の組み合わせについて、メッシュｉｊの強度をＡ_ｉｊ ^ｍｎとすると、重ね合わせたメッシュｉｊの合成強度ＡＡ_ｉｊは、次の式（１）により与えられる。
ＡＡ_ｉｊ＝ΣΣＡ_ｉｊ ^ｍｎ ・・・（１）
ただし、ΣΣは、ｍ＝１〜Ｍ、およびｎ＝１〜Ｎについての合計を表す。

強度合成部１２６で演算した合成強度データは、演算結果等記憶部１１２に記憶されるとともに、表示部１４０により表示される。

形状抽出部１２７は、強度合成部１２６で演算した合成強度データを演算結果等記憶部１１２から読み出して、これに基づいて、超音波反射源３と媒体２との境界をさらに詳細に導き出し、超音波反射源３の形状を明確にする。

図４は、本実施形態に係る超音波検出装置の超音波送信器および超音波受信器に、それぞれ単一プローブを用いた場合の構成を示すブロック図である。図４では、説明の便宜上、映像化領域１０が、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に広がる２次元平面として示している。この点は、以下、同様である。

単一の超音波プローブを有する超音波送信器２１１から超音波が送信され、超音波反射源３と媒体２との境界で反射された反射波を含む超音波を、単一の超音波プローブを有する超音波受信器２１２が受信する。

ここで、超音波プローブとは、超音波の発生機構と、超音波をダンピングするダンピング材および超音波の発生機構の前面に取り付けられた前面板のいずれかまたは両者とを組み合わせて構成され、一般的に超音波探触子と称されるものである。超音波の発生機構は、セラミクス製や複合材料、またはそれ以外の圧電効果により超音波を発生することができる圧電素子や、高分子フィルムによる圧電素子またはそれ以外の超音波を発生できる機構をいう。

図５は、本実施形態に係る超音波検出装置において、超音波送信器および超音波受信器に超音波アレイプローブを用いた場合の構成を示すブロック図である。ここで、超音波アレイプローブ２２０は、複数個が配列され超音波を送受信する超音波プローブ２２１と、これらを保持する筐体２２２を有する。順次、一部の超音波プローブ２２１が超音波を送信し、他の超音波プローブ２２１が媒体からの信号を受信するような形で使用される。

図５では、超音波アレイプローブ２２０として、圧電素子が１次元的に配列され、一般的にリニアアレイプローブと呼ばれるものを用いた場合を示している。これ以外にも、圧電素子が２次元的に配列されたマトリクスアレイプローブ、リング状の圧電素子が同心円状に配列されたリングアレイプローブ、リングアレイプローブの圧電素子を周方向で分割した分割型リングアレイプローブ、圧電素子が不均一に配置された不均一アレイプローブ、円弧の周方向位置に圧電素子を配置した円弧状アレイプローブ、球面の表面に素子を配置した球状アレイプローブなどを、超音波アレイプローブとして用いてもよい。

また、これらの超音波アレイプローブを、種類を問わずに複数組み合わせて使用するいわゆるタンデム探傷方式を用いてもよい。なお、以上述べた超音波アレイプローブには、コーキングやパッキングにより、気中、水中を問わず利用できるものも含まれる。

超音波アレイプローブ２２０の設置に際しては、指向性の高い角度方向に超音波を映像化対象１へ入射するために、超音波アレイプローブ２２０と映像化対象１との間に楔（図示せず）を設けて利用することもある。楔は、超音波が伝搬可能で音響インピーダンスが把握できている等方材、たとえばアクリル、ポリイミド、ゲル、その他の高分子が用いられる。あるいは、音響インピーダンスが前面板と近い材質もしくは音響インピーダンスが前面板と同じ材質を用いてもよい。

また、段階的もしくは漸次的に音響インピーダンスを変化させる複合材料を楔として用いてもよい。また、楔の内部における多重反射波が探傷結果に影響を与えないように、楔の内外にダンピング材を配置したり、山型の波消し形状を設けたり、多重反射低減機構を有することでもよい。

図６は、本実施形態に係る超音波検出装置の超音波送信器および超音波受信器に、レーザ方式送受信装置を用いた場合の構成を示すブロック図である。レーザ方式送受信装置２３０は、超音波を励起する超音波励起用レーザ装置２３１、超音波励起用レーザ装置２３１から照射された送信レーザ光を映像化対象１の任意の位置に照射するレーザスキャン装置２３２、受信レーザ光を発する受信プローブ２３３、受信プローブ２３３を対象位置の周辺でスキャンするスキャン機構２３４、光伝送部２３５、およびレーザ超音波受信装置２３６を有する。

レーザ照射光が照射されたスポットが、超音波送信器２１１に相当するので、以下、この部分も超音波送信器２１１と称する。図６に示した例では、送信レーザ光の映像化対象１への照射にレーザスキャン装置２３２を用いているがこれに限定されない。超音波励起用レーザ装置２３１からの直接照射、光学ミラーの反射を利用した空間伝送による照射、光学ファイバおよび光学レンズの組み合わせを用いた伝送による照射でもよい。

レーザ照射光が照射されたスポットで発生し映像化対象１の内部に入射された超音波Ｕｔは、図４および図５に示した場合と同様に、超音波反射源３の表面すなわち超音波反射源３と媒体２との境界において反射し、反射した超音波Ｕｒは映像化対象１の表面に到達する。

レーザ超音波法の場合、超音波受信器２１２に受信レーザ光を照射する。レーザ超音波受信装置２３６は、受信レーザ発信機２３６ａおよびレーザ干渉計２３６ｂを有する。

受信レーザ発振機２３６ａが発生した受信レーザ光は、光学ファイバなどの光伝送部２３５を通じて、光学部品から構成される受信プローブ２３３に送られる。受信プローブ２３３から映像化対象１に受信レーザ光が照射される。この照射されたスポットが超音波受信器２１２に相当するので以下この部分も超音波受信器２１２と称する。映像化対象１の表面で反射した受信レーザ光の反射・散乱光は、受信プローブ２３３で集光され、光伝送部２３５を通じて、レーザ超音波受信装置２３６のレーザ干渉計２３６ｂに入射される。

この際、レーザスキャン機構２３４を用いて受信プローブ２３３を移動させることにより、超音波受信器２１２の位置を変化させることができる。レーザ干渉計２３６ｂによる干渉計測によって電気信号に変換された超音波信号は、信号収録部１１１（図１）に送られる。

超音波励起用レーザおよびレーザ超音波受信装置の受信用レーザの光源は、たとえば、ネオジム：ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、エリジウム：ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザ、アレキサンドライトレーザ、ルビーレーザ、色素（ダイ）レーザおよびエキシマレーザなどを使用できる。また、超音波励起用レーザおよびレーザ超音波受信装置の受信用レーザの光源は、連続波またはパルス波であり、１台だけでなく複数台で構成してもよい。複数台から構成する場合には、超音波を計測するために必要な他の機能部分も必要に応じて複数台使用する。

レーザ干渉計としては、たとえばマイケルソン干渉計、ホモダイン干渉計、ヘテロダイン干渉計、フィゾー干渉計、マッハツェンダー干渉計、ファブリ・ペロー干渉計およびフォトリフラクティブ干渉計等が使用できる。また干渉計測以外の方法として、ナイフエッジ法も考えられる。いずれの干渉計も、複数台を使用する場合もある。

以上のように、超音波の送受信用にレーザを利用するレーザ超音波法を適用することもできる。

図７は、第１の実施形態に係る超音波映像化方法の全体の手順を示すフロー図である。

まず、前述のように、入力部１３０から映像化領域１０に関する基本的な条件の指定内容を入力すると、映像化領域設定部１２１が映像化領域１０の詳細な設定を行い、メッシュ分割部１２２が映像化領域１０のメッシュ分割を行う（ステップＳ１００）。

次に、入力部１３０は、媒体２の温度分布条件に基づく映像化領域１０中の各メッシュの温度を読み込む（ステップＳ２００）。入力部１３０により読み込まれた各メッシュの温度は、演算結果等記憶部１１２に記憶される。

次に、伝搬速度付加部１２３は、演算結果等記憶部１１２に記憶されている各メッシュの温度を順次読み出し、伝搬速度付加部１２３が有する超音波の媒体中における伝搬速度の温度依存特性データに基づいて各メッシュにおける伝搬速度であるメッシュ伝搬速度を導出し伝搬速度テーブル１２３ａを作成する（ステップＳ３００）。作成された伝搬速度テーブル１２３ａは、演算結果記憶部１１２に記憶される。

次に、伝搬時間算出部１２４は、超音波送信器２１１の位置と超音波受信器２１２の位置の組み合わせごとの伝搬時間テーブル１２４ａを作成する（ステップＳ４００）。作成された伝搬時間テーブル１２４ａは、演算結果記憶部１１２に記憶される。

次に、強度割り付け部１２５は、超音波送信器２１１の位置と超音波受信器２１２の位置の組み合わせごとの強度データテーブル１２５ａを作成する（ステップＳ５００）。作成された強度データテーブル１２５ａは、演算結果等記憶部１１２に記憶される。

次に、強度合成部１２６は、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の全組み合わせにつき、各メッシュに割り付けられた信号強度を合成する（ステップＳ６００）。すなわち、それぞれの強度データテーブル１２５ａの各メッシュへの割り付け値を積算し、合成強度データを算出する。

次に、形状抽出部１２７は、形状抽出を行う（ステップＳ７００）。すなわち、ステップＳ６００において算出したメッシュごとの合成強度データの分布に基づいて、超音波反射源３の形状、すなわち、超音波反射源３の媒体２との境界の形状をさらに明確にする。この結果は、演算結果等記憶部１１２に記憶されるとともに、表示部１４０により表示される（ステップＳ８００）。

図８は、伝搬時間テーブルの作成ステップの詳細を示すフロー図である。以下に、図８で示された伝搬時間テーブルの作成ステップＳ４００の詳細な手順を説明する。

まず、信号収録部１１１に収納されているそれぞれの受信信号データについて、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせを選定する（ステップＳ４１０）。次に、映像化領域１０内のメッシュ分割されたメッシュの中から、合計伝搬時間算出の対象とする対象メッシュを選定する（ステップＳ４２０）。

次に、ステップＳ４２０で選定された対象メッシュ２ａ（図１０）について、設定された超音波送信器２１１の位置から対象メッシュ２ａの位置を経由して超音波受信器２１２の位置までに至る経路の合計伝搬時間を算出する（ステップＳ４３０）。算出された合計伝搬時間は、対象メッシュ２ａに対応した伝搬時間データとして演算結果等記憶部１１２に順次記憶される。この合計伝搬時間の算出については、図９の説明において詳細に述べる。

次に、伝搬時間算出部１２４は、映像化領域１０内のメッシュ分割された全てのメッシュを対象メッシュ２ａとして、合計伝搬時間データの算出が完了したか否かを判定する（ステップＳ４４０）。

全てのメッシュについて完了したと判定されなかった場合（ステップＳ４４０ ＮＯ）には、次の対象メッシュ２ａを選定（ステップＳ４２０）し、ステップＳ４４０までを繰り返す。

全てのメッシュについて完了したと判定された場合（ステップＳ４４０ ＹＥＳ）には、演算結果等記憶部１１２に記憶された各メッシュに対応する合計伝搬時間データは、ステップＳ４１０で選定された超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の１つの組み合わせについての伝搬時間テーブル１２４ａとして完成する。この伝搬時間テーブル１２４ａは、演算結果等記憶部１１２に記憶される。

次に、伝搬時間算出部１２４は、信号収録部１１１に記憶された受信信号データの中の、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の全ての組み合わせについて、伝搬時間テーブル１２４ａの作成が完了したか否かを判定する（ステップＳ４５０）。全ての組み合わせについて伝搬時間テーブル１２４ａの作成が完了したと判定されなかった場合（ステップＳ４５０ ＮＯ）には、ステップＳ４１０に戻り、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の次の組み合わせを選定した上で、ステップＳ４５０までを繰り返す。

全ての組み合わせについて伝搬時間テーブル１２４ａの作成が完了したと判定された場合（ステップＳ４５０ ＹＥＳ）には、伝搬時間テーブルの作成ステップＳ４００は終了し、次のステップＳ５００に進む。

図９は、第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順の伝搬時間テーブルの作成ステップＳ４００のうち経路の合計伝搬時間の算出ステップＳ４３０の詳細を示すフロー図である。以下、経路の合計伝搬時間の算出ステップＳ４３０の詳細を説明する。

経路の合計伝搬時間の算出ステップＳ４３０では、まず、超音波送信器２１１から対象メッシュ２ａまでの経路、および対象メッシュ２ａから超音波受信器２１２までの経路をそれぞれ複数の分割経路に分割する（ステップＳ４３１）。

図１０は、第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順の伝搬時間テーブルの作成ステップＳ４００のうち分割経路への分割ステップＳ４３１の内容を説明するメッシュ図である。

映像化領域１０の内部に温度分布がある場合は、厳密にいえば温度の異なる領域間では超音波は屈折することになる。しかしながら、屈折角度が極端に大きくなければ、合計伝搬時間を算出するという観点からは、たとえば、超音波送信器２１１から対象メッシュ２ａまでの経路、および対象メッシュ２ａから超音波受信器２１２までの経路は、直線的であると仮定しても、実質上、誤差は十分に小さい。したがって、超音波送信器２１１から対象メッシュ２ａまでの経路、および対象メッシュ２ａから超音波受信器２１２までの経路は、以下、直線的であると仮定する。なお、必要に応じて、屈折した状態として、以下を実施してもよい。

伝搬時間算出部１２４は、まず、伝搬経路を、所定の経路分割幅ΔＬごとの複数の分割経路に分割する。経路分割幅ΔＬは、媒体２内の温度分布の程度により設定すればよい。たとえば、温度分布が比較的大きな場合は、経路分割幅ΔＬはメッシュ分割の幅ΔＸ、ΔＹ、ΔＺとほぼ同程度の長さにする。逆に温度分布がほとんどない場合は、経路分割幅ΔＬは、比較的長くとってよい。なお、たとえば、往路で超音波送信器２１１の送信面から経路分割幅ΔＬで順次分割していった場合に、最後の分割経路の長さは通常経路分割幅ΔＬより小さくなるが、特に問題はなく、経路分割幅ΔＬの分割経路と同様に扱ってよい。なお、分割経路幅は、それぞれの分割経路で異なっていてもよい。

次に、伝搬時間算出部１２４は、それぞれの分割経路に対応させるメッシュを決定する（ステップＳ４３２）。具体的には、各分割経路の中央が属するメッシュを、分割経路に対応させるメッシュとする。なお、中央に限定しない。たとえば、端部でもよい。

図１０に示すような２次元平面での映像化領域１０内において映像化領域の端点１０ａからみてＸ軸方向に順にＸ１、Ｘ２、Ｘ３等とし、Ｚ軸方向に順にＺ１、Ｚ２、Ｚ３等とした上で、各メッシュの位置を位置（Ｘｉ、Ｚｊ）のように表すものとする。今、たとえば、対象メッシュ２ａを、図１０に示すように位置（Ｘ７、Ｚ７）のメッシュとする。

超音波送信器２１１から送信された超音波の往路は、まず、位置（Ｘ６、Ｚ１）のメッシュに入り、位置（Ｘ６、Ｚ１）のメッシュから位置（Ｘ７、Ｚ７）のメッシュまでの経路である。また、超音波受信器２１２で受信する超音波は最終的に位置（Ｘ１３、Ｚ１）のメッシュに到達したものなので、復路は、位置（Ｘ７、Ｚ７）の対象メッシュ２ａから位置（Ｘ１３、Ｚ１）のメッシュまでの経路である。

ここで、図１０に示すように、各分割幅の中点の属するメッシュを特定する。たとえば、１番目の分割径路の中点Ｍ１の属するメッシュは位置（Ｘ６、Ｚ１）のメッシュであり、２番目の分割径路の中点Ｍ２の属するメッシュは位置（Ｘ６、Ｚ３）のメッシュである。

次に、伝搬時間算出部１２４は、各分割経路についての伝搬速度の決定と分割経路伝搬時間の算出を行う（ステップＳ４３３）。

たとえば対象メッシュ２ａの位置を（Ｘｉ、Ｚｊ）とし、ｋ番目の分割経路ｋの分割経路長さをΔＬｋとする。伝搬時間算出部１２４は、伝搬速度付加部１２３が作成し演算結果記憶部１１２に記憶された伝搬速度テーブル１２３ａを読み出す。伝搬速度テーブル１２３ａから、分割経路ｋの分割幅の中点の属するメッシュのメッシュ伝搬速度Ｖｋを求め、メッシュ伝搬速度Ｖｋから各分割経路の分割経路伝搬時間Δｔｉｊｋを算出する。分割経路ｋの分割経路伝搬時間Δｔｉｊｋは次の式（２）により与えられる。
Δｔｉｊｋ＝ΔＬｋ／Ｖｋ ・・・（２）

次に、伝搬時間算出部１２４は、分割経路伝搬時間の積算および積算された合計伝搬時間の対象メッシュへの割り付けを行う（ステップＳ４３４）。

具体的には、先ず、次の式（３）により往路の分割経路および復路の分割経路の全てについての分割経路伝搬時間Δｉｊｋを積算し、対象メッシュ２ａ（Ｘｉ、Ｚｊ）についての合計伝搬時間ｔｉｊを算出する。
ｔｉｊ＝ΣΔｔｉｊｋ ・・・（３）
ただし、式（３）においてのΣは、往路の分割経路および復路の分割経路ｋの全てについての和であることを示す。

このようにして算出された合計伝搬時間ｔｉｊは、超音波送信器２１１から発信された超音波の反射位置が対象メッシュ２ａである場合の、超音波送信器２１１から発信され対象メッシュ２ａで反射され超音波受信器２１２で受信するまでの時間を意味する。

位置（Ｘｉ、Ｚｊ）の対象メッシュ２ａについての算出された合計伝搬時間ｔｉｊは、演算結果等記憶部１１２に記憶される。合計伝搬時間ｔｉｊは、演算結果等記憶部１１２に記憶される伝搬時間テーブル１２４ａを構成するデータとなる。

図１１は、第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち伝搬時間テーブルの作成ステップＳ５００により作成された伝搬時間テーブルの例を示す図である。超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせについては、音波送信器２１１から送信される超音波が最初に通過するメッシュの位置（Ｘ６、Ｚ１）と、超音波受信器２１２に受信される超音波が最後に通過するメッシュの位置（Ｘ１３、Ｚ１）の組み合わせを表記している。すなわち、伝搬時間テーブル１２４ａの表題として、［送信メッシュ（Ｘ６、Ｚ１）、受信メッシュ（Ｘ１３、Ｚ１）］と表記している。表題は、超音波の送信された位置と超音波の受信された位置の組み合わせが特定できれば、他の形式でもよい。

伝搬時間テーブル１２４ａは、映像化領域１０のメッシュに対応した行列であり、行列の第ｉｊ要素のデータの値が、メッシュの位置（Ｘｉ、Ｚｊ）の対象メッシュ２ａについての合計伝搬時間ｔｉｊとなっている。

次に、ステップＳ５００として、以上の伝搬時間テーブルの作成ステップの次のステップとしては、前述のように、強度割り付け部１２５が、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせごとに、強度データテーブルを作成する。伝搬時間テーブルを演算結果等記憶部１１２から読み出し、各メッシュに対応する合計伝搬時間の値に基づいて、受信波形からその合計伝搬時間に対応する時点の強度データを抽出し、各メッシュに割り当てる。このようにして、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせごとの強度データテーブル１２５ａを作成する。

図１２は、強度データテーブル作成ステップを説明する等合計伝搬時間曲線の例を示す図である。なお、映像化領域１０についてのメッシュの表示は省略している。

超音波送信器２１１がｍ番目の送信位置、超音波受信器２１２がｎ番目の受信位置としている。今、ｍ番目の位置から点Ｐ１に到達し点Ｐ１からｎ番目の位置に至る超音波を考え、この場合の往路の長さをＵｔ１、復路の長さをＵｒ１とする。また、往路の長さＵｔ１と復路の長さＵｒ１の合計、すなわち点Ｐ１を経由する経路の長さをＵ１とする。また、ｍ番目の位置から点Ｐ２に到達し点Ｐ２からｎ番目の位置に至る超音波を考え、この場合の往路の長さをＵｔ２、復路の長さをＵｒ２とし、これらの合計をＵ２とする。

今、Ｕ２がＵ１と等しい場合、点Ｐ１と点Ｐ２とは、ｍ番目の位置およびｎ番目の位置を焦点とする同じ楕円Ｅ３上に存在することになる。なお、３次元の場合は、ｍ番目の位置およびｎ番目の位置を焦点とする同じ楕円体上に存在することになるが、説明の便宜上、以下、２次元として説明する。

このように、ｍ番目の位置およびｎ番目の位置とする楕円は、ｍ番目の位置から送信されｎ番目の位置で受信される超音波の経路の長さを一定とする等伝搬距離曲線となる。なお、３次元の場合は、等伝搬距離曲面である。

今、映像化領域１０内が一定の温度分布であれば、等合計伝搬時間曲線は、等伝搬距離曲線と同様に、ｍ番目の位置およびｎ番目の位置を焦点とする楕円となる。一方、映像化領域１０内に温度分布がある場合は、等合計伝搬時間曲線は、楕円曲線そのものではなく、ステップＳ４００の伝搬時間テーブル作成ステップで作成された伝搬時間テーブル１２４ａに基づいて作成されたものとなる。

図１２では、ｍ番目の位置およびｎ番目の位置を焦点とする等合計伝搬時間曲線Ｅ１、等合計伝搬時間曲線Ｅ２、等合計伝搬時間曲線Ｅ３、および等合計伝搬時間曲線Ｅ４のそれぞれを示している。それぞれの合計伝搬時間を、ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４とすると、次の式（４）に示すように、点ｍおよび点ｎから遠ざかる等合計伝搬時間曲線ほど、合計伝搬時間が長くなる。
ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４ ・・・（４）

図１３は、第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち強度データテーブル作成ステップの内容を説明する受信波形の例を示すグラフである。図１２に示すｍ番目の位置から送信されｎ番目の位置で受信される超音波の受信波形の例を示す。横軸は時刻ｔ、縦軸は、超音波受信器２１２で受信する超音波の信号強度Ａを示す。時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４における信号強度Ａはそれぞれ、Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４となっている。

横軸の時間ｔの値が０の時点は、超音波送信器２１１から超音波を送信した時点である。したがって、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４はそれぞれ、合計伝搬時間がｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４の場合に相当する。たとえば、図１２中のｍ番目の位置から送信され点Ｐ１、点Ｐ２などを含む等合計伝搬時間曲線Ｅ３上の点で方向を変えた後にｎ番目の位置に至る場合の超音波を、超音波受信器２１２が受信するのは、時刻ｔ３の時点である。すなわち、合計伝搬時間がｔ３の場合に対応するのは信号強度Ａ３である。同様に、合計伝搬時間がｔ１、ｔ２、およびｔ４の場合に対応するのは、それぞれ、信号強度Ａ１、Ａ２、およびＡ４である。

強度割り付け部１２５は、ステップＳ４００で得られた伝搬時間テーブル１２４ａを演算結果等記憶部１１２から読み出し、また、ｍ番目の位置から送信されｎ番目の位置で受信される超音波の受信波形を信号収録部１１１から読み出す。強度割り付け部１２５は、伝搬時間テーブル１２４ａから対象とするメッシュの合計伝搬時間ｔｉを読み取り、受信波形から、合計伝搬時間ｔｉに対応する時刻ｔｉの信号強度Ａｉを得て、対象とするメッシュにこの信号強度Ａｉを割り付ける。これを映像化領域１０内の全てのメッシュについて行う。この結果、強度データテーブル１２５ａが完成する。

なお、目的とする超音波反射源のおおよその場所が予め判明している場合は、全てのメッシュについてではなく、その場所を含めて必要な範囲のメッシュのみについての強度データテーブルとしてもよい。

このように、強度割り付け部１２５は、送信点であるｍ番目の位置と受信点であるｎ番目の位置の組み合わせごとに、それぞれ１つの強度データテーブル１２５ａを作成する。

図１４は、受信波形に基づく信号強度の各メッシュへの割り付けデータ作成ステップにより作成される強度データテーブルの例を示す図である。

強度データテーブル１２５ａにおいても、送信点であるｍ番目の位置および受信点であるｎ番目の位置の組み合わせを表題としている。ここでは、図１１に示した伝搬時間テーブル１２４ａと同様に、超音波送信器２１１から送信される超音波が最初に通過するメッシュの位置（Ｘｍ、Ｚ１）と、超音波受信器２１２に受信される超音波が最後に通過するメッシュの位置（Ｘｎ、Ｚ３）の組み合わせを［送信メッシュ（Ｘｍ、Ｚ１）、受信メッシュ（Ｘｎ、Ｚ１）］と表記している。

各メッシュには、強度割り付け部１２５により信号強度が割り付けられている。図１４では、（Ｘｉ、Ｚｊ）のメッシュに、Ａ_ｉｊ ^ｍｎの値が割り付けられている。ここで、ｉおよびｊはメッシュの座標、ｍおよびｎは送信点および受信点の位置の番号を示している。

各メッシュに信号強度Ａ_ｉｊ ^ｍｎが割り付けられた結果は、強度データテーブル１２５ａとして、演算結果等記憶部１１２に記憶される。

図１５は、第１の実施形態に係る超音波映像化方法の手順のうち超音波送信器、受信器の位置の全組み合わせについての信号強度の合成ステップＳ６００の内容を説明する図である。超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置の組み合わせとして、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置が、ｍ番目の位置とｎ１番目の位置、ｍ番目の位置とｎ２番目の位置、およびｍ番目の位置とｎ３番目の位置の３つ組み合わせのそれぞれにおいて、対象メッシュ２ａに相当する点Ｂを経由する場合の例を示している。

今、点Ｂに注目して、超音波送信器２１１の位置および超音波受信器２１２の位置が、ｍ番目の位置とｎ１番目の位置の第１のケース、ｍ番目の位置とｎ２番目の位置の第２のケース、およびｍ番目の位置とｎ３番目の位置の第３のケースの、点Ｂを含む等合計伝搬時間曲線をそれぞれＥ１、Ｅ２、およびＥ３とし、それぞれの場合の超音波の合計伝搬時間をｔ１、ｔ２、およびｔ３とする。

図１６は、各ケースの受信波形の例を示す図である。横軸は、時刻ｔを示す。時刻ｔが０は、超音波送信器２１１から超音波が送信された時点を示す。したがって、たとえば時刻ｔ１は合計伝搬時間ｔ１に対応する。縦軸は、受信信号の大きさ、すなわち信号強度Ａを示す。

図１６の上から、超音波の送信位置がｍ番目の位置かつ受信位置がｎ１番目の位置の第１のケースの受信信号データＤ１、超音波の送信位置がｍ番目の位置かつ受信位置がｎ２番目の位置の第２のケースの受信信号データＤ２、および超音波の送信位置がｍ番目の位置かつ受信位置がｎ３番目の位置の第３のケースの受信信号データＤ３を示す。これらの３つのケースの合計伝搬時間は、図１５の説明で述べたように、それぞれｔ１、ｔ２、およびｔ３である。

図１６に示すように、第１のケースでの受信信号データＤ１の時刻ｔ１における信号強度はＡ１、第２のケースでの受信信号データＤ２の時刻ｔ２における信号強度はＡ２、および第３のケースでの受信信号データＤ３の時刻ｔ３における信号強度はＡ３である。これらの値はそれぞれ、各ケースの強度データテーブル１２５ａ中の同じ対象メッシュ２ａに割り付けられた値である。各ケースの強度データテーブル１２５ａは、前述のように、強度割り付け部１２５により算出されて演算結果等記憶部１１２に記憶されている。

なお、図１５、図１６では、超音波の送信位置は１つで超音波の受信位置が３つのケースを例として示したが、これに限定されない。たとえば、超音波の送信位置が複数で超音波の受信位置が１つの場合でもよい。あるいは、超音波の送信位置も超音波の受信位置のいずれも複数同士の組み合わせでもよい。

図１７は、超音波送信器、受信器の位置の全組み合わせについての信号強度の合成ステップで演算された結果の例を示す図である。映像化領域１０内の濃淡は合成された強度を示し、濃度が高いほど、合成された信号強度の値が大きいことを示している。

強度合成部１２６によって、各ケースの信号強度が合成される際に、本来の信号は積算されるが、ホワイトノイズに近いノイズ成分は、互いに相殺されて本来の信号に比べて積算される程度が低い。このため、各ケースの強度データテーブル１２５ａ内の各メッシュの数値が積算されることによって、本来の信号についてのＳＮ比が大きくなる。この結果、各ケース単独の場合に比べて、超音波反射源３と媒体２との境界などの媒体２内部の形状がより鮮明となった画像が得られる。強度合成部１２６による演算結果は、演算結果等記憶部１１２に記憶される。

なお、この段階で、表示部１４０は、強度合成部１２６による演算結果を、超音波反射源３の形状の映像化用データとして用い、超音波反射源３の形状の映像として表示してもよい。

図１８は、形状抽出ステップの内容を説明するグラフである。横軸はＺ軸方向の位置、縦軸は合成強度Ａである。なお、縦軸は図１７に示された濃度を示す指標の値でもよい。図１８では、合成強度Ａのピークが生じている近傍をＺ軸方向に拡大している。

形状抽出部１２７は、強度合成部１２６で演算した強度データの合成結果を演算結果等記憶部１１２から読み出して、これに基づいて、超音波反射源３と媒体２との境界をさらに詳細に導き出し、超音波反射源３の形状を明確にする。

具体的には、たとえば、図１７に示すように、映像化領域１０における合成強度を、Ｘ＝ｘの位置で切り取ると、図１８に示すような、Ｚが０からＺ０に変化するときの合成強度Ａの変化が得られる。この図１８に基づいて、超音波反射源３と媒体２との境界とみなすべきＺの値を決定する。以下に、境界とみなすべきＺの値の決定のための方法の例を説明するが、これらに限定されない。いずれの方法が適切であるかは、既知の超音波反射源３を用いて確認することができる。また、確認結果に基づいて、より適切な方法に変更することでもよい。

Ｚの値を決定する第１の方法は、ピーク値Ａｍを与えるＺｍを求め、このＺｍを境界とみなす方法である。

Ｚの値を決定する第２の方法は、ピーク値Ａｍの半分の値Ａｍ／２を与える２つのＺであるＺ１およびＺ２を求め、このＺ１およびＺ２の平均値を境界とみなす方法である。

Ｚの値を決定する第３の方法は、あるしきい値Ａｔｈを設定し、最初にこのしきい値Ａｔｈを横切る時点のＺｔｈを境界とみなす方法である。

以上のような方法で、ｘを変化させながら、各ｘにおいて境界を与えるとみなされるＺを求めることにより、超音波反射源３と媒体２との境界とみなされる曲線を得ることができる。なお、３次元の場合も、この方法を拡張することにより、１つの境界面を得ることができる。

形状抽出部１２７によってさらに詳細に導き出された超音波反射源３と媒体２との境界の形状は、演算結果等記憶部１１２に記憶される。また、表示部１４０は、形状抽出部１２７による演算結果を、超音波反射源３の形状の映像化用データとして用い、超音波反射源３の形状の映像として表示する。

図１９は、本実施形態に係る超音波映像化方法において超音波送信器および超音波受信器を複数個所に移動しての計測の例を説明する図である。図１９で示す体系の例では、固体の媒体２の中に、液体状の超音波反射源３が存在している。Ｘ軸上の数値は、ｍｍ単位での位置を表しており、超音波反射源３の中心を原点としている。

この例では、媒体２と超音波反射源３の界面が、下方、すなわち固体の媒体２側に凸な形状である。このような場合、この界面に入射する超音波の角度によっては、うまく反射されずに界面の形状全体の把握がうまくいかない場合がある。

したがって、界面の形状全体を効率よく捉えるために、複数方向から計測している。すなわち、超音波受信器２１２の位置を固定しながら、超音波送信器２１１をある領域内でＸ軸方向に１ｍｍピッチで移動する。これを、超音波受信器２１２位置が（ａ）に示すｎ１（Ｘ＝−７．５ｍｍ）、（ｂ）に示すｎ２（Ｘ＝０ｍｍ）、および（ｃ）に示すｎ３（Ｘ＝＋７．５ｍｍ）の場合について行っている。

具体的には、１つ目の受信点ｎ１に対して、送信点が、Ｘ＝−２０ｍｍ〜−１０ｍｍ、−５ｍｍ〜＋１０ｍｍの範囲の２７か所、２つ目の受信点ｎ２に対して、送信点が、Ｘ＝−１０ｍｍ〜−５ｍｍ、＋５ｍｍ〜＋１０ｍｍの範囲の１０か所、および３つ目の受信点ｎ３に対して、送信点が、Ｘ＝−１０ｍｍ〜＋５ｍｍ、＋１０ｍｍ〜＋２０ｍｍの範囲の２７か所で計測を行った。

この結果、超音波受信器２１２位置がｎ１の場合には、（ａ）に示すように、媒体２と超音波反射源３の界面の左側（Ｘ軸の負の方向）および中央の部分の形状が検出されている。超音波受信器２１２位置がｎ２の場合には、（ｂ）に示すように、界面の中央からみて中央付近の両側の部分の形状が検出されている。また、超音波受信器２１２位置がｎ３の場合には、（ｃ）に示すように、媒体２と超音波反射源３の界面の右側（Ｘ軸の正の方向）および中央の部分の形状が検出されている。

このように、界面が検出される範囲が受信点の位置により異なるが、３枚の画像を重ね合わせることによって、界面全体の検出が可能となる。

なお、たとえば、（ａ）に示すケースの計測結果の数が、（ｂ）および（ｃ）にそれぞれ示すケースの計測結果の数に比べて圧倒的に多い場合、全ケースについての強度データテーブルを重ね合わせると、（ａ）に示すケースで検出されている部分の合成強度が圧倒的に大きくなり、他の部分の形状把握が十分にできない可能性があるという問題が生ずる。このような場合は、全ての強度データテーブルの中から必要に応じて選択した複数の強度データテーブルを使用することが適切である。

図２０は、本実施形態に係る超音波映像化方法を金属の溶融池の検出に適用した例を示す概念図である。具体的には、金属４の上面に溶接トーチを近づけ、金属表面から熱Ｑを加えた結果、金属４の上面の一部に溶融池４ａが形成された場合の状態を検出するものである。

この場合、溶融池４ａが最も高温で、金属４の固体部分の内部では、溶融池４ａから離れるに従って金属４の温度が、図のように、Ｔ１ないしＴ６のように下がっていくような温度分布のついた体系となる。このように、同じ物質で相の異なる２種類が存在する場合の溶融池４ａと金属４の固体部分との界面の形状を高精度で映像化することができる。

図２１は、本実施形態に係る超音波映像化方法を液体中の物体の検出に適用した例を示す概念図である。液体５中に固体の検出対象７が存在する場合である。たとえば、不透明な液体中の異物の形状を確認するなど、液体とこれと異なる物質の固体とが存在する場合の、液体５と検出対象７の界面の形状を高精度で映像化することができる。

図２２は、本実施形態に係る超音波映像化方法を層状に存在する物体の検出に適用した例を示す概念図である。すなわち、基本物質６中に、たとえば、層状に複数の検出対象７ａ、７ｂ、７ｃが存在する場合である。基本物質６および検出対象７ａ、７ｂ、７ｃがいずれもたとえば固体である場合、あるいは液体である場合であっても、検出対象７ａ、７ｂ、７ｃのそれぞれと基本物質６との界面で超音波が反射するような場合の、それぞれの界面の形状を高精度で映像化することができる。

以上のように、本実施形態によれば、媒体と媒体内の映像化対象の種々の組み合わせについて、媒体と媒体内の映像化対象との境界を含めた媒体内の映像化対象の形状を、高精度で映像化することができる。

［第２の実施形態］
図２３は、第２の実施形態に係る超音波検出装置および超音波映像化装置の構成を示すブロック図である。

本実施形態は第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、超音波映像化装置１００において、演算部１２０が、温度分布設定部１２８を有する。また、超音波検出装置２００は、温度センサ２４０を有する。これ以外では第１の実施形態と同様である。

温度センサ２４０は、映像化対象１の代表的な複数個所の温度と、映像化対象１が置かれている雰囲気の温度を計測する。温度センサ２４０は、たとえば、熱電対あるいは測温抵抗体などである。温度センサ２４０の出力は、メモリ１１０の信号収録器１１１に入力され、記憶される。映像化対象１の温度が時間的に変化する場合には、温度センサ２４０の出力は、サンプリング間隔ごとに信号収録器１１１に入力される。

温度分布設定部１２８は、温度分布解析ツールを有し、映像化対象１内の温度分布を算出する。なお、温度分布解析ツールをメモリ１１０等に記憶させ、温度分布設定部１２８は、メモリ１１０から温度分布解析ツールの必要部分を読み出して使用することでもよい。

入力部１３０には、温度分布解析条件、すなわち映像化対象１に関する物性値、形状および寸法など、温度分布解析を行う上で必要な条件に関する情報が、外部から入力される。温度分布設定部１２８は、この温度分布解析条件を受け入れて、映像化対象１をモデル化し、解析条件として用いる。

また、温度分布設定部１２８は、信号収録器１１１から温度センサ２４０からの出力を読み出して、境界条件として用いる。あるいは、温度センサ２４０からの出力を、解析内容の修正、具体的には、解析モデルの修正のために用いてもよい。

図２４は、第２の実施形態に係る超音波映像化方法の全体の手順を示すフロー図である。本実施形態の超音波映像化方法においては、第１の実施形態におけるステップＳ２００に代えて、ステップＳ２１０となっている。

ステップＳ２１０では、温度分布設定部１２８が、媒体２中の各メッシュの温度を算出し、設定する。この結果に基づいて、伝搬速度付加部１２３が、各メッシュの音速を設定する（ステップＳ３００）。

本実施形態では、映像化対象１の温度分布を模擬できる。このため、特に、温度分布が変化するような体系の映像化対象１において、温度分布を正確に把握し、温度分布を考慮して、媒体２と媒体内の映像化対象１との境界などの媒体２内の映像化対象１の形状を、高精度で映像化することができる。

また、第１の実施形態では、各メッシュの温度を外部入力により指定するのに対して、温度分布設定部１２８が各メッシュの温度を算出し設定するので、入力ミス等の可能性を排除でき、また、超音波探傷にあたるメンバーの負担の軽減を図ることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…映像化対象、２…媒体、２ａ…対象メッシュ、３…超音波反射源、４…金属、４ａ…溶融池、５…液体、６…基本物質、７、７ａ、７ｂ、７ｃ…検出対象、１０…映像化領域、１０ａ…端点、１００…超音波映像化装置、１１０…メモリ、１１１…信号収録部、１１２…演算結果等記憶部、１２０…演算部、１２１…映像化領域設定部、１２２…メッシュ分割部、１２３…伝搬速度付加部、１２３ａ…伝搬速度テーブル、１２４…伝搬時間算出部、１２４ａ…伝搬時間テーブル、１２５…強度割り付け部、１２５ａ…強度データテーブル、１２６…強度合成部、１２７…形状抽出部、１２８…温度分布設定部、１３０…入力部、１４０…表示部、１５０…制御部、２００…超音波検出装置、２１０…送受信部、２１１…超音波送信器、２１２…超音波受信器、２２０…超音波アレイプローブ、２２１…超音波プローブ、２２２…筐体、２３０…レーザ方式送受信装置、２３１…超音波励起用レーザ装置、２３２…レーザスキャン装置、２３３…受信プローブ、２３４…スキャン機構、２３５…光伝送部、２３６…レーザ超音波受信装置、２３６ａ…受信レーザ発信機、２３６ｂ…レーザ干渉計、２４０…温度センサ

Claims (8)

1. 超音波送信器から媒体内に発信されて超音波反射源で反射した超音波を超音波受信器で受信し受信信号として記憶するメモリと、
   前記メモリに記憶された前記受信信号に基づいて前記超音波反射源の形状の映像化用データを生成する演算部と、
   前記演算部で演算した前記映像化用データに基づいて前記超音波反射源の形状の映像を表示する表示部と、
   を備え、
   前記演算部は、
   前記媒体内の映像化領域内をメッシュに分割するメッシュ分割部と、
   前記媒体中の温度分布に基づいて前記メッシュのそれぞれについての前記超音波の伝搬速度であるメッシュ伝搬速度をそれぞれ決定する伝搬速度付加部と、
   前記メッシュのそれぞれについて前記メッシュ伝搬速度に基づいて前記超音波送信器から当該メッシュを経て前記超音波受信器に至る前記超音波の合計伝搬時間を前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに定めた伝搬時間テーブルを作成する伝搬時間算出部と、
   前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに、前記受信信号に含まれるそれぞれの受信強度を、当該受信強度が得られた時間を前記伝搬時間テーブルに定められた前記合計伝搬時間に対応させて前記メッシュのそれぞれに割り当てた強度データテーブルを作成する強度割り付け部と、
   前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の複数の組み合わせについて、前記強度データテーブルを合成して合成強度を算出する強度合成部と、
   を有することを特徴とする超音波映像化装置。
2. 前記強度合成部により合成された合成強度に基づいて、前記超音波反射源の位置を算出する形状抽出部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超音波映像化装置。
3. 前記媒体の一部についての温度測定結果に基づいて、前記媒体の温度分布を解析し前記メッシュのそれぞれの温度を設定する温度分布設定部をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波映像化装置。
4. 媒体内に超音波を発する超音波送信器と、
   前記超音波が超音波反射源で反射した反射波を受信する超音波受信器と、
   前記超音波受信器で受信する受信信号を記憶するメモリと、
   前記メモリに記憶された前記受信信号に基づいて前記超音波反射源の形状の映像化用データを生成する演算部と、
   前記演算部で演算した前記映像化用データに基づいて前記超音波反射源の形状の映像を表示する表示部と、
   を備え、
   前記演算部は、
   前記媒体内の映像化領域内の前記媒体をメッシュに分割するメッシュ分割部と、
   前記媒体中の温度分布に基づいて前記メッシュのそれぞれについての前記超音波の伝搬速度であるメッシュ伝搬速度をそれぞれ決定する伝搬速度付加部と、
   前記メッシュのそれぞれについて前記メッシュ伝搬速度に基づいて前記超音波送信器から当該メッシュを経て前記超音波受信器に至る前記超音波の合計伝搬時間を前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに定めた伝搬時間テーブルを作成する伝搬時間算出部と、
   前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに、前記受信信号に含まれるそれぞれの受信強度を、当該受信強度が得られた時間を前記伝搬時間テーブルに定められた前記合計伝搬時間に対応させて前記メッシュのそれぞれに割り当てた強度データテーブルを作成する強度割り付け部と、
   前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の複数の組み合わせについて、前記強度データテーブルを合成して合成強度を算出する強度合成部と、
   を有することを特徴とする超音波検出装置。
5. 超音波受信器が、媒体内に発信された超音波が超音波反射源で反射した反射波を受信信号として受信する超音波受信ステップと、
   映像化領域設定部が、媒体内に映像化領域を設定して前記映像化領域内をメッシュに分割する映像化領域設定ステップと、
   伝搬速度付加部が、前記媒体中の温度分布に基づいて前記メッシュのそれぞれについての前記超音波の伝搬速度であるメッシュ伝搬速度を決定する伝搬速度設定ステップと、
   伝搬時間算出部が、前記メッシュのそれぞれについて前記メッシュ伝搬速度に基づいて超音波送信器から当該メッシュを経て前記超音波受信器に至る前記超音波の合計伝搬時間を前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに定めた伝搬時間テーブルを作成する伝搬時間テーブル作成ステップと、
   強度割り付け部が、前記超音波送信器の位置および前記超音波受信器の位置の組み合わせごとに、前記受信信号に含まれるそれぞれの受信強度を、当該受信強度が得られた時間を前記伝搬時間テーブルに定められた前記合計伝搬時間に対応させて前記各メッシュのそれぞれに割り当てて強度データテーブルを作成する強度データテーブル作成ステップと、
   強度合成部が、前記超音波送信器位置および前記超音波受信器位置の複数の組み合わせについて、前記強度データを合成して合成強度を算出する強度データ合成ステップと、
   表示部が、前記合成強度から、前記超音波反射源の形状の映像を表示する表示ステップと、
   を有することを特徴とする超音波映像化方法。
6. 前記強度データ合成ステップの後でかつ前記表示ステップの前に、形状抽出部が、前記超音波反射源の位置を導出する形状抽出ステップをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の超音波映像化方法。
7. 前記伝搬時間テーブル作成ステップは、前記メッシュのそれぞれの対象メッシュについて、
   伝搬速度付加部が、前記超音波送信器から当該対象メッシュまでの経路および当該対象メッシュから前記超音波受信器までの経路をそれぞれ所定の分割長さで複数の分割径路に分割する分割ステップと、
   伝搬速度付加部が、分割された各分割径路に対応するメッシュを決定する対応メッシュ決定ステップと、
   伝搬時間算出部が、各分割径路と、決定された各分割径路に対応する対応メッシュに収納された前記メッシュ伝搬速度とをから、各分割径路の伝搬時間である分割経路伝搬時間を算出する分割径路伝搬時間算出ステップと、
   伝搬時間算出部が、前記分割径路伝搬時間を積算し、積算された伝搬時間を前記合計伝搬時間として対象メッシュへ割り付ける伝搬時間算出割り付けステップと、
   を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の超音波映像化方法。
8. 前記対応メッシュ決定ステップにおいては、前記各分割径路の中点が属するメッシュを当該分割径路に対応するメッシュと決定することを特徴とする請求項７に記載の超音波映像化方法。

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