JP2021085811A - 超音波検査方法及び超音波検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス信号を変調する特殊な装置を用いることなく、ＳＮ比を向上させることができる超音波検査方法及び超音波検査装置を提供する。【解決手段】超音波センサ１１へパルス信号を出力して超音波を発生させて送信し、対象物１で反射又は散乱された超音波を超音波センサ１１で受信すると共に波形信号に変換し、波形信号をデジタル化して波形データを取得する超音波検査方法において、複数回の検査で且つ同一の検査条件で取得された複数の波形データ３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを用い、位相変調方式によって変調して合成波形データ３４を生成する変調処理と、合成波形データ３４を復調して圧縮波形データ３６を生成する復調処理とを実行する。【選択図】図３

Description

本発明は、超音波検査方法及び超音波検査装置に関する。

様々な工業分野において近年の製品の高機能化には目覚ましいものがあるが、それにともない製品を構成する部品の材質や構造も徐々に複雑になり、製品の信頼性をいかに担保するかが重要な課題となりつつある。すなわち、製品の製造過程や出荷時あるいは供用中の検査の重要性が、これまで以上に増してきていると言える。超音波検査方法は、製品等の対象物を検査する手法の一つである。超音波検査方法では、超音波センサへパルス信号を出力して超音波を発生させて送信し、対象物の欠陥等で反射又は散乱された超音波を超音波センサで受信する共に波形信号に変換する。これにより、対象物の健全性を確認する。

対象物が低減衰材（すなわち、超音波の透過性が高い材料）で構成されていれば、特段の問題はない。しかし、対象物が高減衰材（詳細には、近年多く用いられている複合材料や、耐腐食性能が高いステンレス材のように、超音波の減衰が激しい材料）で構成されていれば、波形信号が雑音信号に埋もれて認識できず、対象物の検査が困難になる。また、対象物が高減衰材で構成されていなくとも、超音波の伝播経路が長くなれば、やはり超音波が減衰して波形信号と雑音信号の比（ＳＮ比）が劣化するため、対象物の検査が困難になる。雑音信号は、その原因が複数あるものの、対象物を構成する材料の結晶粒等で超音波が散乱されるために生じる散乱ノイズや、受信回路から生じる電気的ノイズが主である。ＳＮ比を向上させるためには、雑音信号をできるだけ小さく抑えるべきである。しかしながら、電気的ノイズの抑制には限界があるし、材料特性で決まる散乱ノイズに対してはほとんど対策のしようが無い。

このような課題を解決する方法の一つとして、上述したパルス信号と波形信号（又はデジタル化された波形データ）に対して行うものであって、パルス圧縮と呼ばれる処理技術が知られている（非特許文献１参照）。このパルス圧縮では、位相変調方式又は線形周波数変調方式によってパルス信号を変調して、パルス信号の時間幅を拡大する。位相変調方式では、予め設定された符号列に従ってパルス信号の位相を変調する。線形周波数変調方式では、時間に対して線形にパルス信号の周波数を変調する。パルス信号の時間幅の拡大に伴い、波形信号の時間幅も拡大する。そのため、波形信号を復調して、波形信号の時間幅を縮小する。これにより、波形信号の時間分解能が高くなり、ＳＮ比を高めることが可能である。

伊藤信一、「レーダシステムの基礎理論」、初版、株式会社コロナ社、2015年11月20日、p.222−243

しかしながら、上記従来技術では、パルス信号を変調する特殊な装置が必要であり、この装置は高価である。そのため、上記従来技術の採用の妨げになる場合が少なくない。

本発明の目的は、パルス信号を変調する特殊な装置を用いることなく、ＳＮ比を向上させることができる超音波検査方法及び超音波検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、超音波センサへパルス信号を出力して超音波を発生させて送信し、対象物で反射又は散乱された超音波を前記超音波センサで受信すると共に波形信号に変換し、前記波形信号をデジタル化して波形データを取得する超音波検査方法において、複数回の検査で且つ同一の検査条件で取得されるか若しくは複製されて取得された複数の波形データを用い、位相変調方式又は線形周波数変調方式によって変調して合成波形データを生成する変調処理と、前記合成波形データを復調して圧縮波形データを生成する復調処理とを実行する。

本発明によれば、パルス信号を変調する特殊な装置を用いることなく、ＳＮ比を向上させることができる。

本発明の一実施形態における超音波探傷装置の構成を表すブロック図である。 本発明の一実施形態における制御装置で収録されたデータの具体例を表す図である。 本発明の一実施形態における計算機の処理内容を表すフローチャートである。 本発明の一実施形態における複数の波形データを表す図である。 本発明の一実施形態における合成波形データ、整合フィルタ、及び圧縮波形データを表す図である。 本発明の第１の変形例における合成波形データ、整合フィルタ、及び圧縮波形データを表す図である。 本発明の第２の変形例における二次圧縮波形データを表す図である。 本発明の第３の変形例における合成波形データ、整合フィルタ、及び圧縮波形データを表す図である。 本発明の第４の変形例における波形データの位相の取得結果を表す図である。

本発明は、パルス圧縮と呼ばれる処理技術を、パルス信号と波形信号に対して行うものでなく、波形データのみに対して行うものである。本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態における超音波検査装置の構成を表すブロック図である。

本実施形態の超音波検査装置は、超音波センサ１１と、超音波センサ１１を制御する制御装置１２と、制御装置１２に接続された計算機１３と、計算機１３に接続された表示装置１４（ディスプレイ）とを備えている。制御装置１２は、パルサ１５、レシーバ１６、及びデータ収録部１７を有している。データ収録部１７は、例えばハードディスク又はメモリで構成されている。計算機１３は、プログラムを記憶するＲＯＭ１８と、プログラムに従って処理を実行するＣＰＵ１９と、処理結果を記憶するＲＡＭ２０とを有している。計算機１３には、キーボード２１やマウス２２等の入力装置が接続されている。

制御装置１２のパルサ１５は、超音波センサ１１へパルス信号を出力する。これにより、超音波センサ１１で超音波を発生させ、超音波センサ１１から対象物１へ超音波を送信させる。その後、超音波センサ１１は、対象物１の欠陥２等で反射又は散乱された超音波（詳細には、例えば縦波又は横波など）を受信し、波形信号に変換して制御装置１２のレシーバ１６へ出力する。

制御装置１２は、レシーバ１６を介し超音波センサ１１から入力された電気信号をデジタル化し、そのデータをデータ収録部１７に収録する。このデータは、図２で示すようにパルス信号の出力時間を起点として電気信号の振幅の経時変化を表すものであり、例えば複数の波形データ３１、３２、３３を含んでいる。

計算機１３は、制御装置１２のデータ収録部１７で収録されたデータを表示装置１４に表示させる。作業者は、入力装置を用いて、表示装置１４で表示されたデータから波形データを抽出する。抽出された各波形データは、超音波センサ１１で受信された超音波に相当する部分であって、信号の振幅が所定値より大きくなって連続的に変化する第１の部分だけでもよいし、超音波センサ１１で受信された超音波に相当しない部分であって、第１の部分に対し前後して信号の振幅が所定値より小さくなっている第２及び第３の部分を含めてもよい。計算機１３は、抽出された波形データに対してパルス圧縮と呼ばれる処理技術を行う。

次に、本実施形態の超音波検査方法の特徴としての計算機１３の処理内容について、図３〜図７を用いて説明する。

図３は、本実施形態における計算機の処理内容を表すフローチャートである。図４は、本実施形態における複数の波形データを表す図である。図５、図６、及び図７は、本実施形態における合成波形データ、整合フィルタ、圧縮波形データを表す図である。ここでは、パルス信号が一波長の正弦波である場合を例にとり、波形データも一波長の正弦波を含むものとして示す。

計算機１３は、複数の波形データを用い、位相変調方式によって変調して合成波形データを生成する変調処理を実行する（図３のステップＳ１０１）。詳しく説明すると、例えば４回の検査で且つ同一の検査条件（詳細には、各検査における超音波センサ１１の位置が同じ、パルス信号の出力時間に対する波形信号の入力時間が同じ等の条件）で取得された４つの波形データ３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ（図４参照）を用いる。そして、予め設定された符号列に従い、波形データ３１、３１Ａ、３１Ｂに正の符号（詳細には、例えば「１」、又は他の定数）を掛けて波形データ３１’、３１Ａ’、３１Ｂ’とし、波形データ３１Ｃに負の符号（詳細には、例えば「−１」、又は他の定数）を掛けて３１Ｃ’とする。そして、各波形データの時間幅（ここでは、上述した第１の部分の時間幅）をｔと定義したときに、波形データ３１’に対して波形データ３１Ａ’を時間的にｔだけずらし、波形データ３１’に対して波形データ３１Ｂ’を時間的にｔ×２だけずらし、波形データ３１’に対して波形データ３１Ｃ’を時間的にｔ×３だけずらして、波形データ３１’、３１Ａ’、３１Ｂ’、３１Ｃ’を合算する。これにより、合成波形データ３４（図５参照）を生成する。なお、前述した正の符号の絶対値と負の符号の絶対値が同じであれば、サイドローブを打ち消す効果が得られるものの、同じでなくともよい。

計算機１３は、合成波形データ３４を復調して圧縮波形データを生成する復調処理を実行する（図３のステップＳ１０２）。詳しく説明すると、例えば、合成波形データ３４は、信号の振幅が所定値より大きくなって連続的に変化する第１の部分だけでなく、第１の部分に対し前後して信号の振幅が所定値より小さくなっている第２及び第３の部分を含んでいれば、第２及び第３の部分を取り除く。そして、合成波形データ３４を時間的に反転させて、整合フィルタ３５（図６参照）を生成する（図３のステップＳ１０３）。整合フィルタ３５の時間幅はΔｔ×４となる。そして、合成波形データ３４に対し整合フィルタ３５を用いて畳み込み積分を行って、圧縮波形データ３６（図７参照）を生成する（図３のステップＳ１０４）。

以上のように本実施形態では、パルス信号を変調する特殊な装置を用いなくとも、パルス圧縮と呼ばれる処理技術を行うことができ、圧縮波形データ３６のＳＮ比を高めることができる。

なお、上記一実施形態において、計算機１３は、予め設定された符号列に従い、波形データ３１、３１Ａ、３１Ｂに正の符号を掛け、波形データ３１Ｃに負の符号を掛ける場合を例にとって説明したが、これに限られず、他の符号列に従ってもよい。このような変形例を、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図８（ｃ）を用いて説明する。図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図８（ｃ）は、本変形例における合成波形データ、整合フィルタ、及び圧縮波形データをそれぞれ表す図である。

本変形例では、計算機１３は、予め設定された符号列に従い、波形データ３１、３１Ａ、３１Ｃに正の符号を掛けて波形データ３１’’、３１Ａ’’、３１Ｃ’’とし、波形データ３１Ｂに負の符号を掛けて波形データ３１Ｂ’’とする。そして、各波形データの時間幅をｔと定義したときに、波形データ３１’’に対して波形データ３１Ａ’’を時間的にｔだけずらし、波形データ３１’’に対して波形データ３１Ｂ’’を時間的にｔ×２だけずらし、波形データ３１’’に対して波形データ３１Ｃ’’を時間的にｔ×３だけずらして、波形データ３１’’、３１Ａ’’、３１Ｂ’’、３１Ｃ’’を合算する。これにより、合成波形データ３４Ａ（図８（ａ）参照）を生成する。

計算機１３は、合成波形データ３４Ａが第１の部分だけでなく第２及び第３の部分を含んでいれば、第２及び第３の部分を取り除く。そして、合成波形データ３４Ａを時間的に反転させて、整合フィルタ３５Ａ（図８（ｂ）参照）を生成する。そして、合成波形データ３４Ａに対し整合フィルタ３５Ａを用いて畳み込み積分を行って、圧縮波形データ３６Ａ（図８（ｃ）参照）を生成する。このような変形例においても、上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態及び変形例において、特に説明しなかったが、計算機１３は、相補的な関係にある２種類の符号列を用いて２種類の合成波形データをそれぞれ生成してもよい。そして、２種類の合成波形データを時間的に反転させた２種類の整合フィルタをそれぞれ生成し、２種類の合成波形データに対し２種類の整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って２種類の一次圧縮波形データをそれぞれ生成し、２種類の一次圧縮波形データを合算して二次圧縮波形データを生成してもよい。具体例の一つとして、計算機１３は、上述した圧縮波形データ３６、３６Ａ（一次圧縮波形データ）を生成し、それらを合算して二次圧縮波形データ３７（図９参照）を生成してもよい。これにより、圧縮波形データ３６のサイドローブと圧縮波形データ３６Ａのサイドローブが打ち消しあうので、二次圧縮波形データ３７のＳＮ比を高めることができる。

また、上記一実施形態において、計算機１３は、位相変調方式によって変調して合成波形データを生成する場合を例にとって説明したが、これに限られず、線形周波数変調方式によって変調して合成波形データを生成してもよい。このような変形例を、上述の図４と共に、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、及び図１０（ｃ）を用いて説明する。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、及び図１０（ｃ）は、本変形例における合成波形データ、整合フィルタ、及び圧縮波形データをそれぞれ表す図である。

本変形例では、計算機１３は、例えば４回の検査で且つ同一の検査条件で取得された４つの波形データ３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ（図４参照）を用いる。そして、各波形データの波長（ここでは、上述した第１の部分の波長）をλと定義したときに、波形データ３１の波長をλのままとして波形データ３１’’’とし、波形データ３１Ａの波長をλ×３／４に変調して波形データ３１Ａ’’’とし、波形データ３１Ｂの波長をλ×２／４に変調して波形データ３１Ｂ’’’とし、波形データ３１Ｃの波長をλ×１／４に変調して波形データ３１Ｃ’’’とする。そして、波形データ３１’’’の時間幅をｔ（但し、本変形例ではｔ＝λ）、波形データ３１Ａ’’’の時間幅をｔａ（但し、本変形例ではｔａ＝λ×３／４）、波形データ３１Ｂ’’’の時間幅をｔｂ（但し、本変形例ではｔｂ＝λ×２／４）、波形データ３１Ｃ’’’の時間幅をｔｃ（但し、本変形例ではｔｃ＝λ×１／４）と定義したときに、波形データ３１’’’に対して波形データ３１Ａ’’’を時間的にｔだけずらし、波形データ３１’’’に対して波形データ３１Ｂ’’’を時間的に（ｔ＋ｔａ）だけずらし、波形データ３１’’’に対して波形データ３１Ｃ’’’を時間的に（ｔ＋ｔａ＋ｔｂ）だけずらして、波形データ３１’’’、３１Ａ’’’、３１Ｂ’’’、３１Ｃ’’’を合算する。これにより、合成波形データ３４Ｂ（図１０（ａ）参照）を生成する。

計算機１３は、合成波形データ３４Ｂが第１の部分だけでなく第２及び第３の部分を含んでいれば、第２及び第３の部分を取り除く。そして、合成波形データ３４Ｂを時間的に反転させて、整合フィルタ３５Ｂ（図１０（ｂ）参照）を生成する。整合フィルタ３５Ｂの時間幅は（ｔ＋ｔａ＋ｔｂ＋ｔｃ）となる。そして、合成波形データ３４Ｂに対し整合フィルタ３５Ｂを用いて畳み込み積分を行って、圧縮波形データ３６Ｂ（図１０（ｃ）参照）を生成する。このような変形例においても、上記一実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、上記一実施形態及び変形例において、計算機１３は、合成波形データを時間的に反転させて整合フィルタを生成する場合を例にとって説明したが、これに限られず、パルス信号に基づいた数値解析によって整合フィルタを生成してもよい。あるいは、パルス信号に基づいた数値解析によって、波長が同じであるものの位相が異なる複数種類の整合フィルタを生成し、合成波形データに対し複数種類の整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って複数種類の圧縮波形データをそれぞれ生成してもよい。そして、例えば図１１で示すように、波形データ３１、３２、３３を含むデータの時間を横軸にとり、整合フィルタの位相を縦軸にとり、前述した時間と位相の組み合わせに対応する圧縮波形データの振幅を階調によって表示する。これにより、波形データ３１、３２、又は３３の位相として、複数種類の圧縮波形データのうちの振幅が最大である圧縮波形データに対応する整合フィルタの位相φ１、φ２、又はφ３を取得する。したがって、波形データ３１、３２、３３の位相の変化を把握して、超音波が通過した媒質や、反射や屈折等の影響を把握することができる。

また、上記一実施形態及び変形例において、変調処理は、４回の検査で且つ同一の検査条件で取得された４つの波形データ３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを用いる場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば、２回、３回、又は５回以上の検査で且つ同一の検査条件で取得された複数の波形データを用いてもよい。あるいは、例えば、少なくとも１回の検査で取得された波形データを複製してもよい。なお、前者の場合は、雑音信号が打ち消しあうので、ＳＮ比を向上させることができる。後者の場合は、ＳＮ比を向上させる効果が薄れるものの、検査時間を短縮することができる。

１ 対象物
１１ 超音波センサ
１２ 制御装置
１３ 計算機
３１、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ 波形データ
３２ 波形データ
３３ 波形データ
３４、３４Ａ、３４Ｂ 合成波形データ
３５、３５Ａ、３５Ｂ 整合フィルタ
３６、３６Ａ、３６Ｂ 圧縮波形データ
３７ 二次圧縮波形データ

Claims (10)

1. 超音波センサへパルス信号を出力して超音波を発生させて送信し、対象物で反射又は散乱された超音波を前記超音波センサで受信すると共に波形信号に変換し、前記波形信号をデジタル化して波形データを取得する超音波検査方法において、
   複数回の検査で且つ同一の検査条件で取得されるか若しくは複製されて取得された複数の波形データを用い、位相変調方式又は線形周波数変調方式によって変調して合成波形データを生成する変調処理と、
   前記合成波形データを復調して圧縮波形データを生成する復調処理とを実行することを特徴とする超音波検査方法。
2. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   前記復調処理は、前記合成波形データを時間的に反転させた整合フィルタを生成し、前記合成波形データに対し前記整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って圧縮波形データを生成することを特徴とする超音波検査方法。
3. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   前記変調処理は、前記複数の波形データを時間的にずらすと共に予め設定された符号列に従って正の符号及び負の符号のうちのいずれかを掛けて合算する位相変調方式により、合成波形データを生成することを特徴とする超音波検査方法。
4. 請求項３に記載の超音波検査方法において、
   前記変調処理は、２種類の符号列を用いて２種類の合成波形データをそれぞれ生成し、
   前記復調処理は、前記２種類の合成波形データを時間的に反転させた２種類の整合フィルタをそれぞれ生成し、前記２種類の合成波形データに対し前記２種類の整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って２種類の一次圧縮波形データをそれぞれ生成し、前記２種類の一次圧縮波形データを合算して二次圧縮波形データを生成することを特徴とする超音波検査方法。
5. 請求項１に記載の超音波検査方法において、
   前記復調処理は、前記パルス信号に基づいた数値解析によって位相が異なる複数種類の整合フィルタを生成し、前記合成波形データに対し前記複数種類の整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って複数種類の圧縮波形データをそれぞれ生成し、前記波形データの位相として、前記複数種類の圧縮波形データのうちの振幅が最大である圧縮波形データに対応する前記整合フィルタの位相を取得することを特徴とする超音波検査方法。
6. 超音波センサと、
   前記超音波センサへパルス信号を出力して超音波を発生させて送信し、対象物で反射又は散乱された超音波が前記超音波センサで受信されて変換された波形信号を入力し、前記波形信号をデジタル化して波形データを取得する制御装置と、
   前記制御装置で取得された波形データを処理する計算機と、を備えた超音波検査装置において、
   前記計算機は、
   複数回の検査で且つ同一の検査条件で取得されるか若しくは複製されて取得された複数の波形データを用い、位相変調方式又は線形周波数変調方式によって変調して合成波形データを生成する変調処理と、
   前記合成波形データを復調して圧縮波形データを生成する復調処理と、を実行することを特徴とする超音波検査装置。
7. 請求項６に記載の超音波検査装置において、
   前記復調処理は、前記合成波形データを時間的に反転させた整合フィルタを生成し、前記合成波形データに対し前記整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って圧縮波形データを生成することを特徴とする超音波検査装置。
8. 請求項６に記載の超音波検査装置において、
   前記変調処理は、前記複数の波形データを時間的にずらすと共に予め設定された符号列に従って正の符号及び負の符号のうちのいずれかを掛けて合算する位相変調方式により、合成波形データを生成することを特徴とする超音波検査装置。
9. 請求項８に記載の超音波検査装置において、
   前記変調処理は、２種類の符号列を用いて２種類の合成波形データをそれぞれ生成し、
   前記復調処理は、前記２種類の合成波形データを時間的に反転させた２種類の整合フィルタをそれぞれ生成し、前記２種類の合成波形データに対し前記２種類の整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って２種類の一次圧縮波形データをそれぞれ生成し、前記２種類の一次圧縮波形データを合算して二次圧縮波形データを生成することを特徴とする超音波検査装置。
10. 請求項６に記載の超音波検査装置において、
    前記復調処理は、前記パルス信号に基づいた数値解析によって位相が異なる複数種類の整合フィルタを生成し、前記合成波形データに対し前記複数種類の整合フィルタを用いて畳み込み積分を行って複数種類の圧縮波形データをそれぞれ生成し、前記波形データの位相として、前記複数種類の圧縮波形データのうちの振幅が最大である圧縮波形データに対応する前記整合フィルタの位相を取得することを特徴とする超音波検査装置。

Images