JP3746413B2 - 超音波探傷結果表示方法及び超音波探傷装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波探傷結果の表示技術に係り、特に、超音波ホログラフィ法による探傷結果の表示方法及び超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波探傷結果を画像表示する方法には、従来からＡスコープ法(Ａスキャン図形)、Ｂスコープ法(Ｂスキャン図形)及びＣスコープ法(Ｃスキャン図形)が用いられている。
ここで、Ａスコープ法とは、時間軸上に反射波の強度を縦軸にとって表示する方法である。
【０００３】
次に、Ｂスコープ法は、Ａスコープ法による図形を輝度変調して線で表し、検査対象上における位置と音波伝播時間を直角座標(Ｘ、Ｚ軸)に表示する方法で、探傷結果を被検査体の断面図として表現することができるものである。
そして、Ｃスコープ法は、探傷結果を被検査体の上から見た平面図(Ｘ、Ｙ軸)の形式で表現するものである。
【０００４】
ところで、これらＢスコープ法やＣスコープ法による探傷結果の表示は、本来３次元形状である被検査体の探傷結果を、ある平面上に射影した形の２次元表示にすぎず、従って、探傷結果の３次元的な表示を実現するためには、受信された超音波の強度だけでなく、超音波の位相情報に注目した探傷方法と表示方法が必要であり、この方法として、光学ホログラフィの原理を応用した、超音波ホログラフィ法が知られている。
【０００５】
この光ホログラフィ法の原理は、レーザ光のような位相の揃った光を物体に照射し、物体により散乱された光の位相情報を、入射光と散乱光の干渉模様として得、これをフィルムに記録し、その後、そのフィルムに光を当てることで、再び散乱光の位相情報を再現するものである。
【０００６】
ここで、一般に、ホログラムと呼ばれるのは、上記の干渉模様を記録したフィルムのことで、これには物体の３次元幾何情報が含まれており、このとき、物体からの反射波と干渉させる光(この例では入射波)を参照波と呼ぶ。
【０００７】
そして、このホログラムに光を当て、干渉模様から物体の３次元幾何情報を再現する処理のことがホログラムの再生と呼ばれ、このときホログラム再生のためにホログラムに当てた光は再生参照波と呼ばれる。
【０００８】
ここで、初期の超音波ホログラフィ法では、光学ホログラフィと同様、受信波と参照波を干渉させてホログラムを作成するようになっており、この方法を用いて探傷結果を表示することにより、３次元的な映像を得ることができる。
【０００９】
しかし、この場合、参照波と干渉させるのに数μ秒から数１０μ秒のパルス幅を持った超音波(sin波)が必要で、このためsin波送信のための発振器や電力増幅器が必要となるので、装置が大型化する。
【００１０】
また、この場合には、時間的にかなり広がった送信波となるので、通常の鋭いパルス波を用いる場合と異なり、受信波の時間分解能が低下して、反射位置が異なっている波の弁別が難しくなり、探傷結果の測定精度が低下する。
【００１１】
ところで、このような初期の超音波ホログラフィ法の問題点を解決する方法として、特開昭５４−８５８４号公報では、ディジタル方式超音波ホログラフィ探傷方法について提案している。
【００１２】
このディジタル方式超音波ホログラフィ探傷方法は、送信波にスパイク状のパルスを用い、参照波と干渉させるのではなく、受信波とクロックパルスとのコインシデンスによってホログラムを作成するようになっており、このため、装置の小型化や、受信波の時間分解能の向上が得られ、この結果、探傷結果の測定精度が向上されることになる。
【００１３】
また、特開平１１−２９５２７７号公報では、パルスに代えて、超音波の受信時間から数値的に参照波との干渉波を計算し、ホログラムを作成する数値的ホログラフィ法について開示している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波探傷結果表示技術には、上述した２次元、３次元の表現形式とは別に、さらに２つの問題がある。
まず、第一の問題は、超音波のモード変換によって探傷結果に誤認が生じてしまうことである。
【００１５】
被検査体に送信された超音波にはモード変換が現れる。例えば、縦波の超音波を水中から鋼中に入射すると、鋼中では、縦波だけではなく、それがモード変換した横波の超音波も現れてしまう。
ここで、このモード変換は、使い方によつては有用で、例えば縦波では到達できない位置でも、モード変換した横波により探査することができる。
【００１６】
ところが被検査体内部の傷などの反射源の数が１個であっても、モード変換が現れた場合、送信に使用した超音波モードによるエコーと、モード変換により生じたエコーの両方が探触子で受信され、あたかも複数個の反射源が存在するかの如きインジケーション(図形)が現れてしまう。
【００１７】
このモード変換による問題は、上述したディジタル方式超音波ホログラフィ探傷方法や数値的ホログラフィ法によっても解決できない。
つまり、反射源から複数個のエコーが受信されてしまった場合、それらのエコーのうち、探傷に用いたモード(例えば、縦波)によるエコーと、モード変換により生じたモード(例えば、横波)によるエコーは識別できない。
【００１８】
そのため、探傷結果に基づいた反射源の位置及び個数を正しく表示することができず、超音波探傷結果の診断に誤りを生じやすく、検査員は高度の熟練を要求されることになる。
【００１９】
第二の問題は、超音波の受信時間の正確な測定が困難になってしまうことである。
この問題は、特に、被検査体に直接超音波探触子を接触させて検査する場合に顕著である。
ホログラムの作成には、超音波の正確な受信時間の測定が必須である。
【００２０】
しかし、従来技術で使用されている超音波探触子は、被検査体内部の反射源の位置や形状、或いは超音波探触子と被検査体の音響的な特性の違いによって、被検査体内及び超音波探触子内での超音波伝播径路が複雑に変化し、受信時間の正確な測定が困難で、受信時間に誤差が含まれる虞れが生じ、ホログラフィによる欠陥映像の精度が本来得られるべき精度より低下する可能性があった。
【００２１】
本発明の目的は、上記した従来の超音波ホログラフィ法の問題を克服し、複数のモードによる超音波の探傷結果から実際に存在する反射源だけが識別でき、実際に即した正しい探傷図形を高い精度の２次元又は３次元の像として表示することができるようにした信頼性の高い超音波探傷結果映像表示方法と超音波探傷装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、探触子から被検査体に所定モードの超音波を送信し、内部の傷等による反射源から反射されたエコーを受信し、前記エコーの受信時間から前記反射源の位置を求めて反射源図形を表示するため、前記探触子を走査しながら送受信を繰り返して送受信位置毎に前記エコーの受信時間を含む探傷データを収集し、１ライン走査の探傷データからＢスコープ図形データを作成し、前記Ｂスコープ図形を再生領域とすると共に、前記探傷データに対して前記被検査体の中を伝播する縦波又は横波の何れかの指定モードの超音波の音速をＶ、探傷に使用する超音波の周波数をｆとしたとき、ｋ＝ｎ×２π×ｆ／Ｖ ( ｎは自然数 ) で決まる波数ｋの参照波を数値的に干渉させて指定モードの超音波の音速毎のホログラムを作成し、これら音速毎のホログラム像を前記再生領域に再生し、再生した像を画面表示する方式の超音波探傷結果表示方法において、前記探触子から発射すべき超音波が、当該探触子が前記被検査体の表面に接触する部分に一旦焦点を結び、この焦点が点状超音波源となって前記被検査体の表面を移動し、前記探触子の焦点位置を基準として、前記受信時間を含む探傷データが収集されるように、前記探触子が構成され、前記指定モードの超音波の音速が、縦波と横波、及び縦波と横波の平均値のそれぞれについて設定され、各音速による再生像が重畳表示されるようにして達成される。
【００２３】
このとき、画面表示は２次元又は３次元による。また、前記探傷データに前記エコーの信号強度を含んでもよい。
これによれば、各エコーの実際の音速と、指定モードの超音波によるホログラム再生の音速が一致する場合にのみ、ホログラム参照波の位相が揃ってホログラム再生像が結像され、音速が不一致の場合は再生像が得られないため、本来反射源のない位置にあらわれる反射源のインジケーションが自動的に消去され、実際に存在する反射源の映像が正しい位置に表示される。
【００２４】
また、このとき、前記所定モードの超音波は通常は縦波で、入射縦波のモード変換による横波も用いられる。
更に前記探触子の有する焦点を受信時間の基準とし、探触子の有する焦点位置を被検査体の表面に設定する。
これにより、反射源による反射波の受信時間を、反射源の位置や形状によらず常に正確に測定でき、精度の高いホログラフィ及び再生像が得られる。
【００２５】
一方、前記指定モードの超音波音速は縦波および／または横波の値を設定し、或いは前記指定モードの超音波の音速は縦波、横波の他に、縦波と横波の平均値を設定し、複数の指定モードによる再生像は重畳表示される。
この場合、同一の反射源からの再生像は一致または近接する。
【００２６】
また、上記目的は、被検査体に所定モードの超音波を送信し内部の傷等による反射源から反射されたエコーを受信する探触子と、前記探触子を前記被検査体上の所定の走査経路に従って走査する探触子移動機構部と、前記エコーの受信時間から前記反射源の位置を求めて反射源の図形データを作成する探傷図形表示処理部と、作成された図形データを画面表示する表示装置を備えた超音波探傷装置において、前記探触子は、当該探触子から発射すべき超音波が、当該探触子が前記被検査体の表面に接触する部分に一旦焦点を結び、この焦点が点状超音波源となって前記被検査体の表面を移動するように構成され、前記探傷図形表示処理部は、前記探触子移動機構部で走査される前記探触子から送受信位置毎に前記エコーの受信時間を含む探傷データを収集し、１ライン走査の探傷データからＢスコープ図形データを作成し、前記Ｂスコープ図形を再生領域とし、指定モードの超音波の音速毎に超音波ホログラフィ法によるホログラム像の再生を行い、再生した像を２次元又は３次元で画面表示するように構成され、前記表示装置は、前記指定モードの超音波音速が複数指定され、各音速による再生像が一致或いは近接した場合、一致或いは近接した再生像同士を、一致しない再生像とは異なる色を用いて表示するようにして達成される。
【００２７】
このとき、前記探触子の有する焦点を基準として受信時間を測定する手段、地塁は焦点位置を被検査体の表面に設定する手段を設けてもよく、これにより、反射源から反射された反射波の受信時間を、常に正確に測定でき、精度の高いホログラム及び再生像を得ることができる。
【００２８】
また、前記表示装置は、前記指定モードの超音波の被検査体中の音速を任意に選択するための入力画面を具備し、表示する再生像を任意に、かつ１から複数、選択できるようにしている。
【００２９】
更に、前記指定モードの超音波音速が複数指定される場合、前記表示装置は、各音速による再生像が一致あるいは近接した場合に、一致した再生像同士を、一致しない再生像とは異なる色を用いて表示する。
或いは、各音速による再生像が、一致あるいは近接した場合にのみ、その再生像を表示することを特徴とする。
【００３０】
これにより、本来反射源のない位置に現れる反射源のインジケーションと、実際に反射源のある位置に現れる反射源のインジケーションが明確に区別され、反射源の映像を位置精度よく表示させることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
ここで、始めに本発明による超音波探傷結果の映像表示方法について、図１を参照して概略的に説明する。
本発明では、まず、図１(a)に示すように、被検査体１０２の探傷を行う探触子(プローブ)として、超音波振動子の振動面１０７から発射された超音波が、当該探触子１０１が被検査体１０２の表面に接触する部分に焦点１０６を結ぶように構成した探触子１０１を用いる。
【００３２】
この結果、探触子１０１を被検査体１０２の表面に接触させたとき、焦点１０６を点音源とする超音波のパルスが、被検査体１０２の表面から内部に斜めに入射されることになる。
【００３３】
そうすると、被検査体１０２の内部に傷などの欠陥部があったときには、これを反射源３として縦波１０４及び横波１０５の反射波(エコー)が現れ、これらの反射波によるエコー信号が探触子１０１で受信される。
【００３４】
そして、この探傷結果から、時間ｔを横軸にして、信号強度である振幅Ａを縦軸にして表示すると、図１(b)に示すように、超音波の送信パルス１０８に対して、被検査体１０２の表面エコー１０９と底面エコー１１２、及び反射源１０３からの縦波エコー１１０と横波エコー１１１が表示されているＡスコープ図形が得られる。
【００３５】
ここで、表面エコー１０９は、振動面１０７から焦点１０６までの伝播時間により現れるものであり、従って、例えば縦波エコー１１０の伝播時間１１３は、図示のように、表面エコー１０９との時間差から求めることができる。このとき反射源１０３で縦波からモード変換した横波エコーが現れ、これが受信された場合は、これが縦波エコー１１０と横波エコー１１１の間に表示される。
【００３６】
次に、図１(c)に示すように、各点のエコー信号のデータに、例えばcos関数の参照波を数値的に干渉させ、一致と不一致を記録することによりホログラムを作成する。
すなわち、まず、エコー信号の受信時間から、図に線分１１８、１１９で示してある片道伝播距離(Ｚij)を求める。
【００３７】
次に、この片道伝播距離(Ｚij)を基にして、処理開始位置１１６から処理終了位置１１７で定められる探傷領域の間の各送受信位置(ｘi、ｙj)において、数値的に参照波と干渉させたホログラムＨ(ｘi、ｙj)を１ライン(１次元)にわたって集積するのである。
【００３８】
この結果、縦波のホログラム再生領域１１４と横波のホログラム再生領域１１５に対応して、縦波のホログラム１２０と横波のホログラム１２１が得られることになる。
【００３９】
そこで、図１(d)に示すように、これらのホログラム１２０、１２１から、指定モードの音速毎に、再生領域に像を再生する。この結果、例えば指定モードが縦波の再生像１２２と横波の再生像１２３が表示される。
このとき、反射源１０３で縦波から横波にモード変換した反射波によるエコーの再生像１２４は、指定モードの選択外となって消去される。
【００４０】
このように、本発明によれば、超音波のモード変換等による実際のエコーの音速と一致しない虚像は消去され、実際の探傷に作用した縦波及び／又は横波のエコーによる再生像が正しい位置に再現でき、同一反射源であれば、同一又は近似位置に表示されるので、反射源の数や位置の誤認が防止できる。
【００４１】
そして、このとき、本発明では、探触子１０１が超音波の焦点１０６を結び、これが点状の超音波源となるので、超音波探触子内での超音波伝播径路が複雑に変化する虞れが無く、常に高精度の探傷結果が容易に得られることになる。
【００４２】
次に、以下、本発明について、複数の実施の形態により、更に具体的に説明する。
ここで、以下の説明では、Ｂスコープ図形データから本発明に従った超音波ホログラフィ法により補正された図形を表示するようにした場合の実施形態により説明を進めることにする。なお、このＢスコープ図形とは、既に図１(a)に示した通り、検査対象上における位置と片道音波伝播距離を直角座標に表示させたものである。
【００４３】
＜実施形態１＞
図２は、本発明による超音波探傷システムの機能ブロック図で、このシステムは、探傷機構部１００と、探傷図形表示処理部２００に大別される。
そして、まず探傷機構部１００は、焦点１０６を有する探触子１０１と探触子移動機構２１１それに超音波探傷器２１２で構成されている。
【００４４】
次に、探傷図形表示処理部２００は、超音波ホログラフィ法による図形表示を行うもので、このため、画像表示装置２０１と画像表示データ演算装置２０２、記憶媒体２０３、制御装置２０４、ピーク検出処理演算部２０５、データ記憶部２０６、探傷データメモリ２０７、Ａ／Ｄ変換器２０８、それに受信器２０９で構成されている。
【００４５】
探触子１０１は、探触子移動機構２１１により、被検査体１０２の表面に予め設定してある所定の走査径路に沿ってＸＹ平面上を走査する。
このとき探触子１０１は、図示ように、超音波が一旦、探触子１０１が被検査体１０２の表面に接触する部分に焦点１０６を結び、この焦点１０６が点状超音波源として被検査体１０２の表面を移動するようになっている。
【００４６】
このように、超音波が焦点１０６を結ぶようにした探触子１０１について、図４により説明する。
まず、図４(a)は、ＰＺＴなどの圧電素子４０１で発生した超音波を、サファイアなどで作られた音響レンズ４０２により屈折させ、超音波の焦点１０６が作り出されるように構成した探触子１０１の例である。なお、音響レンズまわりの伝達物質として、例えば音速の異なる石英ガラスなどを用いる。
【００４７】
次に、図４(b)は、ＰＺＴなどからなる小型の圧電素子を複数個、空間的に曲線を描いた状態に配列した圧電素子列５０１を用い、これディレイ回路５０２により、それぞれの圧電素子に電気的に位相がずれた信号を与えることにより、焦点１０６が作り出されるように構成した探触子１０１の一例である。なお、探触子１０１内の伝達物質として、例えばアクリルなどの樹脂を用いる。
ここで、この実施形態では、何れの探触子１０１を用いてもよい。
【００４８】
図２に戻り、超音波探傷器２１２は、被検査体１０２の材質、或いは映像化したい反射源１０３の大きさに対応して適切な周波数を選定し、パルス信号を発生して探触子１０１を励振し、超音波を発生させる。
このときの周波数としては、例えば、被検査体１０２がステンレス鋼、映像化したい反射源１０３の大きさが数ｍｍ程度であった場合には、５ＭＨｚの周波数が選定される。
【００４９】
制御装置２０４は、入力装置２０８からデータ記憶部２０６に入力された探傷条件、例えば探傷開始位置、探傷終了位置、探触子移動ピッチ、走査径路等のデータに従って探触子移動機構２１１を制御し、探触子１０１を走査するもので、このため、探触子移動機構２１１は、例えばステッピングモータを駆動源に用いて構成されている。
また、この制御装置２０４は、探触子１０１を移動させながら、探触子位置をデータ記憶部２０６に供給して記憶させる処理も行う。
【００５０】
探触子１０１から発射される超音波は、焦点１０６から被検査体１０２の中に入射され、内部を伝播した後、反射或は透過した成分が探触子１０１でエコー信号として受信され、電気信号に変換される。
この電気信号は受信器２０９を介してＡ／Ｄ変換器２０８でディジタル信号に変換され、送受信時間及び波高値などを表わすデータとして探傷データメモリ２０７に記憶される。
【００５１】
このとき、Ａ／Ｄ変換器２０８によるサンプリング周波数及びサンプリング点数は、使用されている超音波の周波数及び被検査体内の伝播音速に対応して適切な値に選択される。
例えば、上記したように、周波数が５ＭＨｚで被検査体１０２がステンレス鋼の場合は、サンプリング周波数は２５Ｍｚから１００ＭＨｚにし、サンプリング点数は１０２４点から４０９６点にする。
【００５２】
こうしてＡ／Ｄ変換器２０８によりディジタル化された超音波信号は、探傷データメモリ２０７に一旦、格納された後、ピーク検出処理演算部２０５により、所定の時間領域(被検査体１０２の表面と底面の間の時間差領域)で、振幅がしきい値(閾値)以上を示す受信波形のピークを検出し、波形毎に受信時間を求め、被検査体１０２の表面からの受信時間と波形毎の受信時間の差から、画像表示処理におけるホログラム作成に必須な伝播時間データ２０６３を求め、画像表示データ演算装置２０２に送る。
【００５３】
ここで探傷条件や画像表示処理に用いるパラメータは、入力装置２０８によってデータ記憶部２０６に設定されるが、このときのパラメータには、後述する画像表示処理の特徴的処理に必須な音速データ２０６１と、再生像の解像度を調整するための波数ｋの倍数ｎ２０６２も含まれる。
【００５４】
また、このデータ記憶部２０６には、制御装置２０４から送られてくる探触子位置(ｘ、ｙ)と超音波の送信時間Ｔ0 も記憶され、これらも画像表示データ演算装置２０２で使用され、これにより、画像表示データ演算装置２０２は、収集した探傷データを基に画像データの演算処理を行い、１ライン走査の探傷に対する画像データをＢスコープで表示する。
【００５５】
そして、画像表示データ演算装置２０２は、探触子１０１が探傷領域内の走査を実行している間、収集した探傷データの演算処理と探傷結果の表示を繰り返えし、１ライン分、又は全探傷領域の走査が終わった後、走査径路での探傷結果から超音波ホログラフィ法による画像データを作成し、２次元又は３次元図形による探傷結果の表示を行う。
【００５６】
図３は、超音波探傷システムのハード構成の一例で、この例では、探傷図形表示処理部２００は、計算機１０、ディスプレイ装置１１、計算機１０の本体とバスで接続されたインターフェース装置１２で構成されている。
【００５７】
ここで、インターフェース装置１２は、Ａ／Ｄ変換器２０８でディジタル変換された超音波信号を演算装置２０２の演算部に受け渡し、探触子移動機構２１１を制御装置２０４により制御させ、更には探触子１０１の位置データを収録してデータ記憶部２０６に受け渡す働きをする。
【００５８】
このとき、探傷図形表示処理部２００に対する入力装置２１０としては、キーボード２１０Ａとポインティングデバイス２１０Ｂが設けてあるが、図５は、このときのパラメータ入力画面の一例で、この画面によって探触子内部の音速(シュー内音速)や、被検査体や媒質の材質と音速が設定される。
【００５９】
例えば、被検査体１０２がＳＵＳ３０４(ＪＩＳ規格によるステンレス鋼の一種)の場合は、縦波音速ＶＬ＝６０００ｍ／ｓで、横波音速ＶＴ＝３０００ｍ／ｓが設定され、媒質が水の場合、その縦波音速ＶＬ＝１５００ｍ／ｓが設定される。
そして、これらの媒質の音速と探触子内部の音速から、被検査体１０２内での縦波及び横波が屈折角で算出される。
【００６０】
次に、この実施形態による超音波探傷システムのオンライン処理について、図６の概略フローにより説明する。
まず、処理Ｓ１０で初期パラメータを読み込む。
ここで、探傷図形表示処理部２００は、入力装置２１０から与えられる初期パラメータを取り込み、データ記憶部２０６に記憶する。
また、画像表示データ演算装置２０２は、ここで処理に用いるため、音速を含むパラメータをデータ記憶部２０６から読み込む。
【００６１】
これにより、探触子１０１が探傷開始位置にセットされ、処理Ｓ２０で、画像表示データ演算装置２０２によるオンライン処理が実行される。
【００６２】
超音波探傷の初期設定に関するデータには、探傷に用いる超音波の周波数ｆ、被検査体１０２の縦波及び横波音速Ｖ、探触子内部の音速(シュー内音速)Ｖ0 、Ａ／Ｄ変換器２０８のサンプリング周波数ｆsample、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれの探触子走査ピッチδｘ、δｙ、ＸＹ平面の探傷開始位置ｘs、ｙs、終了位置ｘe、ｙeなどが含まれる。
【００６３】
このとき、ピーク検出処理演算部２０５は、信号強度がしきい値以上で、表面エコーから底面エコーの時間領域にあるピーク波形を検出する。
このときのピーク検出処理演算部２０５による検出波形は図８に示すようになっており、ここでは、図示のように、反射源１０３による縦波と横波の各反射波による受信信号を検出するようになっている。
ここで縦波ピークの受信時間はＴij,１、横波ピークの受信時間はＴij,２である。
【００６４】
処理３０では、画像表示データ演算装置２０２は、制御装置２０４が発行する探触子位置、本例では被検査体１０２表面(焦点)からの超音波エコーに対する受信時間、ピーク検出処理を経た超音波受信データの受信時間からなる探傷データを収集する。
そして処理Ｓ４０では、サンプリング点、更には１ラインの画像データの演算処理(1)を行う。
【００６５】
処理Ｓ５０では、Ｂスコープ図形データの作成が行なわれ、これが画像データメモリ２０３に蓄積され、これと共に、画面表示装置２０１にＢスコープ表示を行う。そして、この処理Ｓ５０は、制御装置２０４から探傷終了が通知されるまで、つまり処理Ｓ６０の判定により、探触子１０１が探傷終了位置に到達するまで繰り返される。
【００６６】
このときの探傷結果に関するデータは、探触子位置信号Ｘｉ、Ｙｉ、被検体表面(焦点)からのエコーに対する受信時間ＴS、受信波形のうちでピーク検出処理演算部２０５により検出されたピーク波形の受信時間Ｔij,ｍ、及び受信信号強度Iij,ｍを含む。ここで、受信時間ＴS は、図８に示すように、探触子１０１内で、その振動面１０７から被検査体表面(焦点１０６)までの超音波の伝播時間である。
【００６７】
探傷が終了すると、画像表示データ演算装置２０２は、処理Ｓ７０で画像データメモリ２０３からＢスコープ図形データを取り出し、超音波ホログラフィ法による演算処理(2)を行い、Ｓ８０で、ホログラフ再生像による反射源図形の２次元又は３次元表示を行って処理を終了するのである。
【００６８】
図７は、図６の処理Ｓ４０と処理Ｓ７０での画像データ演算処理の詳細フローを示したもので、ここで、まず、Ｓ４０の画像データ演算(1)として、被検査体の伝播速度を読み込む(Ｓ４０１)。
この実施形態では、この伝播速度は、縦波速度ＶＬと横波速度ＶＴの２種になっている。
次に、ピーク検出された探傷データから、Ｂスコープ図形データを作成して図形データメモリ２０３に記憶する(Ｓ４０２)。
【００６９】
このときのＢスコープ図形データは、Ａ／Ｄ変換において何番目(ｉ，ｊ)のデータ点数で、ピーク検出においては何番目(ｍ)のエコーになるかを示すインデックス(ｉ，ｊ，ｍ)と、信号の送受信位置データ(ｘｉ，ｙｉ)、被検査体１０２の表面(焦点)からエコーまでの受信時間(ＴS)、及びピーク検出されたエコーの受信時間(Ｔij,ｍ)を含む。
【００７０】
次に、図９を参照して、Ｂスコープ図形の作成方法について説明する。
まず、(数１)により、探触子移動機構１１０から供給される探触子１０１の位置信号(Ｘij，Ｙij)と、Ｘ軸とＹ軸の移動ピッチ(δx、δy)から超音波送受信位置(ｘi、ｙj)を計算する。
【００７１】
【数１】
次に、(数２)により、被検査体１０２の表面(焦点)からエコーまでの受信時間ＴS と、受信時間Ｔij,１、Ｔij,２及びＡ／Ｄ変換器２０８のサンプリング周波数(ｆsample)から、送受信位置(ｘi，ｙj)における探触子１０１から反射源１０３までの片道伝播時間△ｔij,１、△ｔij,２を計算する。
【００７２】
【数２】
更に、(数３)により、片道伝播時間△ｔij,ｍと検査体１０２中の伝播速度Ｖにより、ｍ番目のエコーに対する送受信位置(ｘi，ｙj)の表面から反射源１０３までの片道伝播距離Ｚij,ｍを計算し、Ｂスコープ図形の中の１点のデータを求める。
なお、ｍ番目のエコーとは、ピーク検出処理演算部２０５によって選択される時間領域内に存在するエコーの順番である。
【００７３】
【数３】
ここで、受信されるエコーの数は、反射源の数や超音波の屈折角によって変わる。
そこで、まず、探傷に使用する超音波の縦波音速をＶＬ、横波音速をＶＴとする。
そして、上記した点データを走査経路の１ライン(ｙj を一定として、ｘi のｉ＝始点〜終点までのライン)について集積すると、図９に示すように、反射源１０３に対して縦波音速ＶＬを用いた演算結果から図形９０１が表示され、横波音速ＶＴの演算結果からは図形９０２が表示される。
【００７４】
次に、図６における画像データ演算(2)の処理Ｓ７０について、図７により、ホログラム再生領域の計算処理Ｓ７０１とホログラム作成処理Ｓ７０２、ホログラム再生演算処理Ｓ７０３、それに音速毎の画像表示データの作成処理Ｓ７０４の順で説明する。
ここでは、まず縦波音速ＶＬで演算し、ついで横波速度ＶＴにより演算処理する。
【００７５】
まず図１０は、ホログラム再生領域作成の説明図で、(数３)によって得たＢスコープ図形データは、図のＸＺ座標における点の集合(図形９０１，９０２)として表現される。
そこで、この１点１点に対して、その点をＸ軸に射影した点を中心として、超音波の屈折角θに等しい角度で回転変換を行う。
【００７６】
まず、超音波の屈折角θにより、Ｂスコープ図形９０１、９０２の各点を回転させ、(数４)により、ＸＺ断面におけるホログラム再生領域１１４、１１５を演算する。
【００７７】
【数４】
さらに、走査軸Ｙの値ｙj を変え、各ｙに対してＸＺ断面におけるホログラム再生領域を作成する。
こうして演算したホログラム再生領域のデータは、図形データメモリ２０３に一時記憶される。
【００７８】
次に図１１は、ホログラム作成の説明図で、この実施形態では、パルス波を用いた超音波ホログラフィ法を採用している。
そして、この実施形態では、参照波に相当するものとして、例えばcos関数のような振動関数を用い、受信パルス波の受信時間をcos関数の引数とすることにより参照波と受信波を干渉させる効果を数値的に与え、ホログラムを作成するようになっている。
【００７９】
このとき、ホログラムＨは、(数５)の演算によって作成される。すなわち、受信時間に比例する量である片道伝播距離(Ｚij)を基に、処理開始位置１１６から処理終了位置１１７で定められる探傷領域の間の各送受信位置(ｘi，ｙj)において、数値的に参照波と干渉させたホログラムＨ(ｘi,ｙj)を、(数５)により演算するのである。
【００８０】
【数５】
この(数５)の演算では、数値的な干渉に用いる参照波(cos関数)の波数ｋとして、ｋ＝ｎ×２πｆ／Ｖが用いられているが、ここで、Ｖは鋼中を伝播するモードの超音波音速、ｆは探傷に使用する超音波の周波数、ｎは自然数であり、ｎ＝１の場合、送信される超音波の周波数と計算上の参照波の周波数が同じになり、ｋ＝２π／λとなる。
【００８１】
この分解能調整用の数値ｎは、ユーザにより入力装置２１０から入力され、データ記憶部２０６の波数倍数設定部２０６２に格納された上で、画像表示データ演算装置２０２が参照するようになっているが、この場合、ｎの値を大きくすることで、より高い周波数を持つ参照波との干渉を数値的に計算することができ、分解能を調整することができる。
【００８２】
この(数５)から求まるホログラムＨ(ｘi，ｙj)は、送受信位置ｘi、ｙj における１点、１点の値であり、従って、これらの各点の値を集積することにより、１次元ホログラム１２０、１２１が再生される。
そして、このときのホログラムの再生方法は２通りあり、第１の方法は簡易な再生方法である。
【００８３】
まず、この第１の簡易な方法について説明すると、この場合、１ライン走査の探傷の度に、１次元ホログラム１２０及び１２１を、ＸＺ断面におけるホログラム再生領域１１４、１１５上で像を再生することになる。
このときの像の再生は、ホログラム上の全点から再生領域上の１点に対して、ホログラムによる重みを付けた平面波を加算(積分)することにより得られる。
【００８４】
この操作を再生領域の全点に対して行うと、再生領域の中で、反射源に近い部分では、ホログラムからの平面波の位相が揃い、積分値が大きくなり再生像が結像する。
そこで、この再生像を２次元表示すると、図１(c)に示した画面が得られることになる。
【００８５】
さらに、ＸＺ断面での再生像をＹ軸方向に重ね合わせて、３次元的な再生像Ｇを作成すれば、３次元の表示も可能である。
この方法によれば、像再生に必要な計算時間及びメモリを大幅に削減できるので、探傷結果表示の簡易な方法として採用される。
【００８６】
第２の再生方法は、より高精度な再生方法であり、この場合、図１(c)のＸＺ断面におけるホログラム再生領域(面)１１４、１１５及びホログラム１２０、１２１を、探傷が終了するまでデータ記憶部２０６に記憶し、探傷終了後に再生領域を２次元的に再構成し、ＸＹ平面上の探傷領域に割り付けられた２次元ホログラムを再生する。
この第２の方法によるホログラム再生のための計算式は、(数６)に示す通りになる。
【００８７】
【数６】
ここでも、第１の再生方法の場合と同様、ホログラム上の全点から、再生領域上の１点に対して、ホログラムＨで重み付けた球面波を加算(積分)することになり、この操作を再生領域の全点に対して行う。但し、このとき積分領域は２次元になる。
【００８８】
この場合、再生領域の中で反射源に近い部分では、ホログラムからの平面波の位相が揃うので積分値が大きくなり、従って再生像Ｇが結像される。
ここで、この(数６)の演算を計算機上で行うためには、離散化して数値積分したり、式を変形して高速フーリエ変換するなどの計算手法を用いればよい。
【００８９】
このときホログラム再生計算に用いる再生参照波の波数ｋの値としては、ホログラム作成に用いる参照波に対して使用した波数ｋと同様の値を使用すれば良いが、ｋ＝ｎ×２πｆ／Ｖとして、ｎの値を大きくすることで、より高い周波数を持つ参照波との干渉によるホログラムを数値的に再生計算できる。
【００９０】
この第２の方法は、第１の再生方法と異なり、２次元的に再生処理を行うことになるため、必要な処理時間とメモリ容量は大きくなるが、より精度の高い再生像を得ることができる。
【００９１】
このとき、縦波音速ＶＬを用いたホログラム再生の演算結果では、反射源１０３に対し横波で入射して横波で反射した横波エコー或いは縦波で入射し横波で反射した横波エコーによる再生像１２４は消去され、反射源１０３に対し縦波で入射し縦波で反射した図形１１４の再生像１２２のみが結像される。
【００９２】
また、横波音速ＶＴを用いたホログラム再生の演算結で果は、縦波エコーによる図形１１４や反射時の横波変換による再生像は消去され、反射源１０３に対し横波で入射し、横波で反射した図形１１５に対する再生像１２３のみが得られることになる。
【００９３】
これは、ホログラム作成処理で使用した伝播音速と再生処理で使用した伝播音速に違いがあると、実際の反射源が存在する位置付近で再生波の位相が揃わず、互いに打ち消し合う結果となるためである。
【００９４】
この実施形態では、図７に示す処理Ｓ７０４の後、再生像のデータを表示データとして一旦、画像データメモリ２０３に記憶し、図６の処理Ｓ８０で縦波及び横波の各再生像を重ね合わせて２次元又は３次元による画像の表示を行う。
【００９５】
そして、２次元画像の重畳表示では、図１(d)に示すように、一致又は近接した再生像１２２、１２３についてだけ同じ色による表示とし、他の再生像と色で区別して画像表示装置２０１に出力するが、或いは、再生像が一致した場合のみ画像表示装置２０１に出力するようにしてもよい。
これにより、実際の反射源に対する映像を正確に表示することができ、傷の数や位置の誤認を少なくできる。
【００９６】
次に、この実施形態において、再生像として表示させたい画像を選択するメニュー画面の一例について、図１２に示す。
この実施形態では、この図１２の入力画面により、縦波音速として処理した場合に得られる画像データの表示、横波音速として処理した場合に得られる画像データの表示、縦波から横波にモード変換した音速で処理した場合に得られる画像データの表示など各種の表示がユーザにより容易に且つ任意に選択することができる。ここで、複数入力の場合は重畳表示となる。
【００９７】
次に、ホログラム再生像の計算結果を３次元的な映像として表示する方法について説明する。
この場合には、図７に示した処理Ｓ７０３に代えて、図１３に示す処理Ｓ７０３１とＳ７０３２が実行されるように構成する。
予め所定のスレッシュホールドレベルＨmin を設定しておき、図７のＳ７０２の後、(数６)で求めた再生像に対して、スレッシュホールドレベルＨmin を越えたか否かを判定し(Ｓ７０３１)、越えた座標を再生像として採用する処理を実行する(Ｓ７０３２)のである。
【００９８】
従って、以上に説明した実施形態１によれば、縦波音速によるホログラムと横波音速によるホログラムを作成し、再生するようにしたので、再生演算に用いた音速と異なる伝播速度によるインジケーションに対しては、ホログラム再生参照波の位相がそろわず、ホログラム再生像が結像しないようにできる。
このため、本来の反射源と異なった位置に現れてしまう反射源のインジケーション(虚像)は消去でき、実際の反射源のある位置に対応した反射源の映像(実像)だけが表示できる。
【００９９】
また、縦波と横波で計算した各々の再生像を重ね合わせて表示するようにしているので、その重なりの程度から、実在する反射源を高い信頼性をもって確認することができる。
さらに、Ｂスコープデータを屈折角で回転補正してホログラム再生領域を求めているので、超音波の広がりの影響を低減し、位置精度よく反射源の映像を表示できる。
【０１００】
また、この実施形態１では、ホログラムの作成に必須のデータである伝播時間△ｔij(被検査体表面と反射源の間の超音波の片道伝播時間)を計算する際、被検査体表面(焦点)からのエコーによる受信時間ＴS が(数２)により考慮されるようになっている。
ここで、この受信時間ＴS は、既に図８で説明したように、探触子１０１内の振動面１０７から被検査体表面(焦点１０６)までの超音波の伝播時間である。
【０１０１】
本発明では、探触子が被検査体表面に焦点を有する点が特徴であり、実施形態１でも焦点１０６を有しており、このため、被検査体１０２内での反射源１０３の位置によらず、探触子１０１から被検査体１０３に超音波が入射する位置が常に一定した位置、すなわち、焦点１０６になっている。
【０１０２】
従って、探触子１０１を直接、被検査体１０３に接触させることにより、探触子１０１の内部での超音波の経路の影響を受ける虞れは全く無く、この結果、被検査体表面からのエコーに対する受信時間ＴS と、時間領域内で受信される超音波の受信時間との差から正確な伝播時間を求めることができ、より高精度な映像を得ることができる。
【０１０３】
＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２について説明する。
この実施形態２が、実施形態１と相違している点は、縦波から横波へのモード変換によるエコーが受信されるケースを考慮し、超音波ホログラフィ法に用いる音速Ｖとして、縦波音速、横波音速の外に、縦波と横波の平均音速を用いる点にある。
【０１０４】
図１４は、この実施形態２の適用事例をイメージで示したもので、内部に反射源３０１を有している被検査体１０２の送受信位置に探触子１０１があり、これにより、縦波往復径路３０２によるエコーが受信される場合を同図１４(a)に、縦波から横波へモード変換した径路３０３によるエコーが受信される場合を同図(b)に、そして、横波往復径路３０４によるエコーが受信される場合を同図(c)に示してある。
【０１０５】
図１５は、この実施形態２におけるパラメータ入力画面で、ここでもＳＵＳ３０４が被検査体１０２で、音速として縦波音速、横波音速及び平均音速を用いるようになっており、このとき平均音速には、(数７)によって与えられる調和平均値Ｖave が用いられている。
【０１０６】
【数７】
図１６は、この実施形態２におけるＡスコープ図形で、１番目の縦波エコーと３番目の横波エコーの間に、縦波からモード変換した横波による２番目のエコーが表われている点が、図８の場合と異なっている。
図１７はＢスコープ図形で、１番目、２番目及び３番目のエコーを、それぞれ１ライン分集積して得た３種の図形３０５、３０６、３０７が示されている。
【０１０７】
図１８はホログラム再生領域を示す。
ここでは、Ｂスコープ図形の図形３０５〜３０７の各点を屈折角θだけ回転させ、再生領域３０８〜３１０を求めるようになっており、図１８には、図形３０６に対する再生領域３０９のみを示している。
【０１０８】
次に、この実施形態２によるホログラム作成方法について、図１９により説明すると、図示のように、送受信位置(ｘi,ｙj)における片道伝播距離Ｚij から、(数５)による演算を行い、処理開始位置から処理終了位置で定められる探傷領域に、ホログラム３１０１、３１０２及び３１０３を作成する。このとき、数値的な干渉に用いる参照波の波数ｋ＝ｎ×２πｆ／Ｖを用いるが、このときの音速Ｖとして、縦波音速、横波音速、及び平均音速の３種を用いることになる。
【０１０９】
そして、(数５)による演算の後、(数６)によるホログラムの像再生に関する演算を実行するのであるが、このときも縦波音速、横波音速、及び平均音速の３種を用い、計算結果を映像として表示するのであるが、ここで、この映像として表示する方法は、実施形態１の場合と同じでよいので、説明は割愛する。
【０１１０】
実施形態２によれば、被検体中の縦波、横波、及び縦波と横波の平均音速の３種を用いてホログラムを作成し、再生するので、被検査体１０２の内部で縦波と横波のモード変換が生じている場合でも、本来反射源のない位置に現れる虚像のインジケーションを自動的に消去できる。
【０１１１】
また、被検査体に複数の反射源が存在し、かつ、被検査体１０２への超音波入射時のモード変換(例えば、縦波から横波)や、反射源からの反射時のモード変換(縦波から横波、横波から縦波)が発生する場合でも、この実施形態２のように縦波、横波、及び縦波と横波の平均音速の３種を用いてホログラムを作成し、再生するようにしてやれば、１個の反射源に対する各波音速の演算結果が同一乃至は近似位置を示すので、実際の反射源だけを正確に表示でき、信頼性の高い探傷が可能になる。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｂスコープ表示データからホログラムを作成し再生する場合に、演算に用いる超音波音速を縦波または横波のモードに特定し、音速の一致する伝播経路のホログラムのみが像再生されるので、超音波のモード変換によって実在とは異なる位置に表われる虚像を消去でき、被検査体内部の傷の数と位置が正確に表示できる。
【０１１３】
また、演算に用いる超音波音速を縦波及び横波、さらには縦波と横波の平均音速として、各音速に対応した像再生が行われる場合、それらを重畳表示することで１つの反射源に対する複数の演算結果を反映することができ、より高信頼な探傷結果の図形表示を実現できる。
【０１１４】
また、超音波の受信時間を測定する際、探触子が超音波の焦点をもっているので、これを時間測定の基準にすることができ、被検査体内部の反射源の位置及び形状、あるいは探触子と被検査体の音響的な性質の違いの影響を受けず、常に正確な受信時間を測定することが可能となり、より精度の高いホログラム及び再生像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波ホログラフィ法の処理イメージを示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波探傷システムを示すブロック図である。
【図３】超音波探傷システムの一例を示すハード構成図である。
【図４】本発明の一実施形態における超音波探触子の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態における音速データ入力画面の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による超音波探傷システムの処理手順を示すフロー図である。
【図７】本発明の一実施形態による超音波探傷システムの処理手順を示すフロー図である。
【図８】本発明の一実施形態によるＡスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施形態によるＢスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるホログラム再生領域の説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるホログラム作成の説明図である。
【図１２】本発明の一実施形態における音速選択のメニュー画面の説明図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるホログラム再生計算結果から３次元画像データを作成する処理のフロー図である。
【図１４】本発明の他の一実施形態による適用例の説明図である。
【図１５】本発明の他の一実施形態における音速データ入力画面の説明図である。
【図１６】本発明の他の一実施形態によるＡスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図１７】本発明の他の一実施形態によるＢスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図１８】本発明の他の一実施形態によるホログラム再生領域の説明図である。
【図１９】本発明の他の一実施形態によるホログラム作成の説明図である。
【符号の説明】
１０ 計算機
１１ ディスプレイ装置
１２ インターフェース装置
１０１ 探触子(超音波探触子)
１０２ 被検査体
１０３ 反射源
１０５ 反射径路
１０６ 焦点
１０７ 振動面
１０８ 送信パルス
１０９ 表面(焦点)からのエコー
１１０ 反射源からのエコー(縦波）
１１１ 反射源からのエコー(横波）
１１２ 底面からのエコー
１１３ 伝播時間
１１４ ホログラム再生領域(縦波）
１１５ ホログラム再生領域(横波）
１１６ 探傷開始位置
１１７ 探傷終了位置
１２０ ホログラム(縦波）
１２１ ホログラム(横波）
１２２ 再生像(縦波による縦波再生像）
１２３ 再生像(横波による横波再生像）
１２４ 再生像(縦波による横波再生像）
２００ 探傷図形表示処理部
２０１ 画像表示装置
２０２ 画像表示データ演算装置
２０３ 画像データメモリ
２０４ 制御装置
２０５ ピーク演算装置
２０６ データ記憶部
２０７ 探傷データメモリ
２０８ Ａ／Ｄ変換器
２０９ 受信器
２１１ 探触子移動機構
２１２ 超音波探傷器
４０１ 圧電素子
４０２ 音響レンズ
５０１ 圧電素子列
５０２ ディレイ回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波探傷結果の表示技術に係り、特に、超音波ホログラフィ法による探傷結果の表示方法及び超音波探傷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波探傷結果を画像表示する方法には、従来からＡスコープ法(Ａスキャン図形)、Ｂスコープ法(Ｂスキャン図形)及びＣスコープ法(Ｃスキャン図形)が用いられている。
ここで、Ａスコープ法とは、時間軸上に反射波の強度を縦軸にとって表示する方法である。
【０００３】
次に、Ｂスコープ法は、Ａスコープ法による図形を輝度変調して線で表し、検査対象上における位置と音波伝播時間を直角座標(Ｘ、Ｚ軸)に表示する方法で、探傷結果を被検査体の断面図として表現することができるものである。
そして、Ｃスコープ法は、探傷結果を被検査体の上から見た平面図(Ｘ、Ｙ軸)の形式で表現するものである。
【０００４】
ところで、これらＢスコープ法やＣスコープ法による探傷結果の表示は、本来３次元形状である被検査体の探傷結果を、ある平面上に射影した形の２次元表示にすぎず、従って、探傷結果の３次元的な表示を実現するためには、受信された超音波の強度だけでなく、超音波の位相情報に注目した探傷方法と表示方法が必要であり、この方法として、光学ホログラフィの原理を応用した、超音波ホログラフィ法が知られている。
【０００５】
この光ホログラフィ法の原理は、レーザ光のような位相の揃った光を物体に照射し、物体により散乱された光の位相情報を、入射光と散乱光の干渉模様として得、これをフィルムに記録し、その後、そのフィルムに光を当てることで、再び散乱光の位相情報を再現するものである。
【０００６】
ここで、一般に、ホログラムと呼ばれるのは、上記の干渉模様を記録したフィルムのことで、これには物体の３次元幾何情報が含まれており、このとき、物体からの反射波と干渉させる光(この例では入射波)を参照波と呼ぶ。
【０００７】
そして、このホログラムに光を当て、干渉模様から物体の３次元幾何情報を再現する処理のことがホログラムの再生と呼ばれ、このときホログラム再生のためにホログラムに当てた光は再生参照波と呼ばれる。
【０００８】
ここで、初期の超音波ホログラフィ法では、光学ホログラフィと同様、受信波と参照波を干渉させてホログラムを作成するようになっており、この方法を用いて探傷結果を表示することにより、３次元的な映像を得ることができる。
【０００９】
しかし、この場合、参照波と干渉させるのに数μ秒から数１０μ秒のパルス幅を持った超音波(sin波)が必要で、このためsin波送信のための発振器や電力増幅器が必要となるので、装置が大型化する。
【００１０】
また、この場合には、時間的にかなり広がった送信波となるので、通常の鋭いパルス波を用いる場合と異なり、受信波の時間分解能が低下して、反射位置が異なっている波の弁別が難しくなり、探傷結果の測定精度が低下する。
【００１１】
ところで、このような初期の超音波ホログラフィ法の問題点を解決する方法として、特開昭５４−８５８４号公報では、ディジタル方式超音波ホログラフィ探傷方法について提案している。
【００１２】
このディジタル方式超音波ホログラフィ探傷方法は、送信波にスパイク状のパルスを用い、参照波と干渉させるのではなく、受信波とクロックパルスとのコインシデンスによってホログラムを作成するようになっており、このため、装置の小型化や、受信波の時間分解能の向上が得られ、この結果、探傷結果の測定精度が向上されることになる。
【００１３】
また、特開平１１−２９５２７７号公報では、パルスに代えて、超音波の受信時間から数値的に参照波との干渉波を計算し、ホログラムを作成する数値的ホログラフィ法について開示している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波探傷結果表示技術には、上述した２次元、３次元の表現形式とは別に、さらに２つの問題がある。
まず、第一の問題は、超音波のモード変換によって探傷結果に誤認が生じてしまうことである。
【００１５】
被検査体に送信された超音波にはモード変換が現れる。例えば、縦波の超音波を水中から鋼中に入射すると、鋼中では、縦波だけではなく、それがモード変換した横波の超音波も現れてしまう。
ここで、このモード変換は、使い方によつては有用で、例えば縦波では到達できない位置でも、モード変換した横波により探査することができる。
【００１６】
ところが被検査体内部の傷などの反射源の数が１個であっても、モード変換が現れた場合、送信に使用した超音波モードによるエコーと、モード変換により生じたエコーの両方が探触子で受信され、あたかも複数個の反射源が存在するかの如きインジケーション(図形)が現れてしまう。
【００１７】
このモード変換による問題は、上述したディジタル方式超音波ホログラフィ探傷方法や数値的ホログラフィ法によっても解決できない。
つまり、反射源から複数個のエコーが受信されてしまった場合、それらのエコーのうち、探傷に用いたモード(例えば、縦波)によるエコーと、モード変換により生じたモード(例えば、横波)によるエコーは識別できない。
【００１８】
そのため、探傷結果に基づいた反射源の位置及び個数を正しく表示することができず、超音波探傷結果の診断に誤りを生じやすく、検査員は高度の熟練を要求されることになる。
【００１９】
第二の問題は、超音波の受信時間の正確な測定が困難になってしまうことである。
この問題は、特に、被検査体に直接超音波探触子を接触させて検査する場合に顕著である。
ホログラムの作成には、超音波の正確な受信時間の測定が必須である。
【００２０】
しかし、従来技術で使用されている超音波探触子は、被検査体内部の反射源の位置や形状、或いは超音波探触子と被検査体の音響的な特性の違いによって、被検査体内及び超音波探触子内での超音波伝播径路が複雑に変化し、受信時間の正確な測定が困難で、受信時間に誤差が含まれる虞れが生じ、ホログラフィによる欠陥映像の精度が本来得られるべき精度より低下する可能性があった。
【００２１】
本発明の目的は、上記した従来の超音波ホログラフィ法の問題を克服し、複数のモードによる超音波の探傷結果から実際に存在する反射源だけが識別でき、実際に即した正しい探傷図形を高い精度の２次元又は３次元の像として表示することができるようにした信頼性の高い超音波探傷結果映像表示方法と超音波探傷装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、探触子から被検査体に所定モードの超音波を送信し、内部の傷等による反射源から反射されたエコーを受信し、前記エコーの受信時間から前記反射源の位置を求めて反射源図形を表示するため、前記探触子を走査しながら送受信を繰り返して送受信位置毎に前記エコーの受信時間を含む探傷データを収集し、１ライン走査の探傷データからＢスコープ図形データを作成し、前記Ｂスコープ図形を再生領域とすると共に、前記探傷データに対して前記被検査体の中を伝播する縦波又は横波の何れかの指定モードの超音波の音速をＶ、探傷に使用する超音波の周波数をｆとしたとき、ｋ＝ｎ×２π×ｆ／Ｖ ( ｎは自然数 ) で決まる波数ｋの参照波を数値的に干渉させて指定モードの超音波の音速毎のホログラムを作成し、これら音速毎のホログラム像を前記再生領域に再生し、再生した像を画面表示する方式の超音波探傷結果表示方法において、前記探触子から発射すべき超音波が、当該探触子が前記被検査体の表面に接触する部分に一旦焦点を結び、この焦点が点状超音波源となって前記被検査体の表面を移動し、前記探触子の焦点位置を基準として、前記受信時間を含む探傷データが収集されるように、前記探触子が構成され、前記指定モードの超音波の音速が、縦波と横波、及び縦波と横波の平均値のそれぞれについて設定され、各音速による再生像が重畳表示されるようにして達成される。
【００２３】
このとき、画面表示は２次元又は３次元による。また、前記探傷データに前記エコーの信号強度を含んでもよい。
これによれば、各エコーの実際の音速と、指定モードの超音波によるホログラム再生の音速が一致する場合にのみ、ホログラム参照波の位相が揃ってホログラム再生像が結像され、音速が不一致の場合は再生像が得られないため、本来反射源のない位置にあらわれる反射源のインジケーションが自動的に消去され、実際に存在する反射源の映像が正しい位置に表示される。
【００２４】
また、このとき、前記所定モードの超音波は通常は縦波で、入射縦波のモード変換による横波も用いられる。
更に前記探触子の有する焦点を受信時間の基準とし、探触子の有する焦点位置を被検査体の表面に設定する。
これにより、反射源による反射波の受信時間を、反射源の位置や形状によらず常に正確に測定でき、精度の高いホログラフィ及び再生像が得られる。
【００２５】
一方、前記指定モードの超音波音速は縦波および／または横波の値を設定し、或いは前記指定モードの超音波の音速は縦波、横波の他に、縦波と横波の平均値を設定し、複数の指定モードによる再生像は重畳表示される。
この場合、同一の反射源からの再生像は一致または近接する。
【００２６】
また、上記目的は、被検査体に所定モードの超音波を送信し内部の傷等による反射源から反射されたエコーを受信する探触子と、前記探触子を前記被検査体上の所定の走査経路に従って走査する探触子移動機構部と、前記エコーの受信時間から前記反射源の位置を求めて反射源の図形データを作成する探傷図形表示処理部と、作成された図形データを画面表示する表示装置を備えた超音波探傷装置において、前記探触子は、当該探触子から発射すべき超音波が、当該探触子が前記被検査体の表面に接触する部分に一旦焦点を結び、この焦点が点状超音波源となって前記被検査体の表面を移動するように構成され、前記探傷図形表示処理部は、前記探触子移動機構部で走査される前記探触子から送受信位置毎に前記エコーの受信時間を含む探傷データを収集し、１ライン走査の探傷データからＢスコープ図形データを作成し、前記Ｂスコープ図形を再生領域とし、指定モードの超音波の音速毎に超音波ホログラフィ法によるホログラム像の再生を行い、再生した像を２次元又は３次元で画面表示するように構成され、前記表示装置は、前記指定モードの超音波音速が複数指定され、各音速による再生像が一致或いは近接した場合、一致或いは近接した再生像同士を、一致しない再生像とは異なる色を用いて表示するようにして達成される。
【００２７】
このとき、前記探触子の有する焦点を基準として受信時間を測定する手段、地塁は焦点位置を被検査体の表面に設定する手段を設けてもよく、これにより、反射源から反射された反射波の受信時間を、常に正確に測定でき、精度の高いホログラム及び再生像を得ることができる。
【００２８】
また、前記表示装置は、前記指定モードの超音波の被検査体中の音速を任意に選択するための入力画面を具備し、表示する再生像を任意に、かつ１から複数、選択できるようにしている。
【００２９】
更に、前記指定モードの超音波音速が複数指定される場合、前記表示装置は、各音速による再生像が一致あるいは近接した場合に、一致した再生像同士を、一致しない再生像とは異なる色を用いて表示する。
或いは、各音速による再生像が、一致あるいは近接した場合にのみ、その再生像を表示することを特徴とする。
【００３０】
これにより、本来反射源のない位置に現れる反射源のインジケーションと、実際に反射源のある位置に現れる反射源のインジケーションが明確に区別され、反射源の映像を位置精度よく表示させることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
ここで、始めに本発明による超音波探傷結果の映像表示方法について、図１を参照して概略的に説明する。
本発明では、まず、図１(a)に示すように、被検査体１０２の探傷を行う探触子(プローブ)として、超音波振動子の振動面１０７から発射された超音波が、当該探触子１０１が被検査体１０２の表面に接触する部分に焦点１０６を結ぶように構成した探触子１０１を用いる。
【００３２】
この結果、探触子１０１を被検査体１０２の表面に接触させたとき、焦点１０６を点音源とする超音波のパルスが、被検査体１０２の表面から内部に斜めに入射されることになる。
【００３３】
そうすると、被検査体１０２の内部に傷などの欠陥部があったときには、これを反射源３として縦波１０４及び横波１０５の反射波(エコー)が現れ、これらの反射波によるエコー信号が探触子１０１で受信される。
【００３４】
そして、この探傷結果から、時間ｔを横軸にして、信号強度である振幅Ａを縦軸にして表示すると、図１(b)に示すように、超音波の送信パルス１０８に対して、被検査体１０２の表面エコー１０９と底面エコー１１２、及び反射源１０３からの縦波エコー１１０と横波エコー１１１が表示されているＡスコープ図形が得られる。
【００３５】
ここで、表面エコー１０９は、振動面１０７から焦点１０６までの伝播時間により現れるものであり、従って、例えば縦波エコー１１０の伝播時間１１３は、図示のように、表面エコー１０９との時間差から求めることができる。このとき反射源１０３で縦波からモード変換した横波エコーが現れ、これが受信された場合は、これが縦波エコー１１０と横波エコー１１１の間に表示される。
【００３６】
次に、図１(c)に示すように、各点のエコー信号のデータに、例えばcos関数の参照波を数値的に干渉させ、一致と不一致を記録することによりホログラムを作成する。
すなわち、まず、エコー信号の受信時間から、図に線分１１８、１１９で示してある片道伝播距離(Ｚij)を求める。
【００３７】
次に、この片道伝播距離(Ｚij)を基にして、処理開始位置１１６から処理終了位置１１７で定められる探傷領域の間の各送受信位置(ｘi、ｙj)において、数値的に参照波と干渉させたホログラムＨ(ｘi、ｙj)を１ライン(１次元)にわたって集積するのである。
【００３８】
この結果、縦波のホログラム再生領域１１４と横波のホログラム再生領域１１５に対応して、縦波のホログラム１２０と横波のホログラム１２１が得られることになる。
【００３９】
そこで、図１(d)に示すように、これらのホログラム１２０、１２１から、指定モードの音速毎に、再生領域に像を再生する。この結果、例えば指定モードが縦波の再生像１２２と横波の再生像１２３が表示される。
このとき、反射源１０３で縦波から横波にモード変換した反射波によるエコーの再生像１２４は、指定モードの選択外となって消去される。
【００４０】
このように、本発明によれば、超音波のモード変換等による実際のエコーの音速と一致しない虚像は消去され、実際の探傷に作用した縦波及び／又は横波のエコーによる再生像が正しい位置に再現でき、同一反射源であれば、同一又は近似位置に表示されるので、反射源の数や位置の誤認が防止できる。
【００４１】
そして、このとき、本発明では、探触子１０１が超音波の焦点１０６を結び、これが点状の超音波源となるので、超音波探触子内での超音波伝播径路が複雑に変化する虞れが無く、常に高精度の探傷結果が容易に得られることになる。
【００４２】
次に、以下、本発明について、複数の実施の形態により、更に具体的に説明する。
ここで、以下の説明では、Ｂスコープ図形データから本発明に従った超音波ホログラフィ法により補正された図形を表示するようにした場合の実施形態により説明を進めることにする。なお、このＢスコープ図形とは、既に図１(a)に示した通り、検査対象上における位置と片道音波伝播距離を直角座標に表示させたものである。
【００４３】
＜実施形態１＞
図２は、本発明による超音波探傷システムの機能ブロック図で、このシステムは、探傷機構部１００と、探傷図形表示処理部２００に大別される。
そして、まず探傷機構部１００は、焦点１０６を有する探触子１０１と探触子移動機構２１１それに超音波探傷器２１２で構成されている。
【００４４】
次に、探傷図形表示処理部２００は、超音波ホログラフィ法による図形表示を行うもので、このため、画像表示装置２０１と画像表示データ演算装置２０２、記憶媒体２０３、制御装置２０４、ピーク検出処理演算部２０５、データ記憶部２０６、探傷データメモリ２０７、Ａ／Ｄ変換器２０８、それに受信器２０９で構成されている。
【００４５】
探触子１０１は、探触子移動機構２１１により、被検査体１０２の表面に予め設定してある所定の走査径路に沿ってＸＹ平面上を走査する。
このとき探触子１０１は、図示ように、超音波が一旦、探触子１０１が被検査体１０２の表面に接触する部分に焦点１０６を結び、この焦点１０６が点状超音波源として被検査体１０２の表面を移動するようになっている。
【００４６】
このように、超音波が焦点１０６を結ぶようにした探触子１０１について、図４により説明する。
まず、図４(a)は、ＰＺＴなどの圧電素子４０１で発生した超音波を、サファイアなどで作られた音響レンズ４０２により屈折させ、超音波の焦点１０６が作り出されるように構成した探触子１０１の例である。なお、音響レンズまわりの伝達物質として、例えば音速の異なる石英ガラスなどを用いる。
【００４７】
次に、図４(b)は、ＰＺＴなどからなる小型の圧電素子を複数個、空間的に曲線を描いた状態に配列した圧電素子列５０１を用い、これディレイ回路５０２により、それぞれの圧電素子に電気的に位相がずれた信号を与えることにより、焦点１０６が作り出されるように構成した探触子１０１の一例である。なお、探触子１０１内の伝達物質として、例えばアクリルなどの樹脂を用いる。
ここで、この実施形態では、何れの探触子１０１を用いてもよい。
【００４８】
図２に戻り、超音波探傷器２１２は、被検査体１０２の材質、或いは映像化したい反射源１０３の大きさに対応して適切な周波数を選定し、パルス信号を発生して探触子１０１を励振し、超音波を発生させる。
このときの周波数としては、例えば、被検査体１０２がステンレス鋼、映像化したい反射源１０３の大きさが数ｍｍ程度であった場合には、５ＭＨｚの周波数が選定される。
【００４９】
制御装置２０４は、入力装置２０８からデータ記憶部２０６に入力された探傷条件、例えば探傷開始位置、探傷終了位置、探触子移動ピッチ、走査径路等のデータに従って探触子移動機構２１１を制御し、探触子１０１を走査するもので、このため、探触子移動機構２１１は、例えばステッピングモータを駆動源に用いて構成されている。
また、この制御装置２０４は、探触子１０１を移動させながら、探触子位置をデータ記憶部２０６に供給して記憶させる処理も行う。
【００５０】
探触子１０１から発射される超音波は、焦点１０６から被検査体１０２の中に入射され、内部を伝播した後、反射或は透過した成分が探触子１０１でエコー信号として受信され、電気信号に変換される。
この電気信号は受信器２０９を介してＡ／Ｄ変換器２０８でディジタル信号に変換され、送受信時間及び波高値などを表わすデータとして探傷データメモリ２０７に記憶される。
【００５１】
このとき、Ａ／Ｄ変換器２０８によるサンプリング周波数及びサンプリング点数は、使用されている超音波の周波数及び被検査体内の伝播音速に対応して適切な値に選択される。
例えば、上記したように、周波数が５ＭＨｚで被検査体１０２がステンレス鋼の場合は、サンプリング周波数は２５Ｍｚから１００ＭＨｚにし、サンプリング点数は１０２４点から４０９６点にする。
【００５２】
こうしてＡ／Ｄ変換器２０８によりディジタル化された超音波信号は、探傷データメモリ２０７に一旦、格納された後、ピーク検出処理演算部２０５により、所定の時間領域(被検査体１０２の表面と底面の間の時間差領域)で、振幅がしきい値(閾値)以上を示す受信波形のピークを検出し、波形毎に受信時間を求め、被検査体１０２の表面からの受信時間と波形毎の受信時間の差から、画像表示処理におけるホログラム作成に必須な伝播時間データ２０６３を求め、画像表示データ演算装置２０２に送る。
【００５３】
ここで探傷条件や画像表示処理に用いるパラメータは、入力装置２０８によってデータ記憶部２０６に設定されるが、このときのパラメータには、後述する画像表示処理の特徴的処理に必須な音速データ２０６１と、再生像の解像度を調整するための波数ｋの倍数ｎ２０６２も含まれる。
【００５４】
また、このデータ記憶部２０６には、制御装置２０４から送られてくる探触子位置(ｘ、ｙ)と超音波の送信時間Ｔ0 も記憶され、これらも画像表示データ演算装置２０２で使用され、これにより、画像表示データ演算装置２０２は、収集した探傷データを基に画像データの演算処理を行い、１ライン走査の探傷に対する画像データをＢスコープで表示する。
【００５５】
そして、画像表示データ演算装置２０２は、探触子１０１が探傷領域内の走査を実行している間、収集した探傷データの演算処理と探傷結果の表示を繰り返えし、１ライン分、又は全探傷領域の走査が終わった後、走査径路での探傷結果から超音波ホログラフィ法による画像データを作成し、２次元又は３次元図形による探傷結果の表示を行う。
【００５６】
図３は、超音波探傷システムのハード構成の一例で、この例では、探傷図形表示処理部２００は、計算機１０、ディスプレイ装置１１、計算機１０の本体とバスで接続されたインターフェース装置１２で構成されている。
【００５７】
ここで、インターフェース装置１２は、Ａ／Ｄ変換器２０８でディジタル変換された超音波信号を演算装置２０２の演算部に受け渡し、探触子移動機構２１１を制御装置２０４により制御させ、更には探触子１０１の位置データを収録してデータ記憶部２０６に受け渡す働きをする。
【００５８】
このとき、探傷図形表示処理部２００に対する入力装置２１０としては、キーボード２１０Ａとポインティングデバイス２１０Ｂが設けてあるが、図５は、このときのパラメータ入力画面の一例で、この画面によって探触子内部の音速(シュー内音速)や、被検査体や媒質の材質と音速が設定される。
【００５９】
例えば、被検査体１０２がＳＵＳ３０４(ＪＩＳ規格によるステンレス鋼の一種)の場合は、縦波音速ＶＬ＝６０００ｍ／ｓで、横波音速ＶＴ＝３０００ｍ／ｓが設定され、媒質が水の場合、その縦波音速ＶＬ＝１５００ｍ／ｓが設定される。
そして、これらの媒質の音速と探触子内部の音速から、被検査体１０２内での縦波及び横波が屈折角で算出される。
【００６０】
次に、この実施形態による超音波探傷システムのオンライン処理について、図６の概略フローにより説明する。
まず、処理Ｓ１０で初期パラメータを読み込む。
ここで、探傷図形表示処理部２００は、入力装置２１０から与えられる初期パラメータを取り込み、データ記憶部２０６に記憶する。
また、画像表示データ演算装置２０２は、ここで処理に用いるため、音速を含むパラメータをデータ記憶部２０６から読み込む。
【００６１】
これにより、探触子１０１が探傷開始位置にセットされ、処理Ｓ２０で、画像表示データ演算装置２０２によるオンライン処理が実行される。
【００６２】
超音波探傷の初期設定に関するデータには、探傷に用いる超音波の周波数ｆ、被検査体１０２の縦波及び横波音速Ｖ、探触子内部の音速(シュー内音速)Ｖ0 、Ａ／Ｄ変換器２０８のサンプリング周波数ｆsample、Ｘ軸とＹ軸のそれぞれの探触子走査ピッチδｘ、δｙ、ＸＹ平面の探傷開始位置ｘs、ｙs、終了位置ｘe、ｙeなどが含まれる。
【００６３】
このとき、ピーク検出処理演算部２０５は、信号強度がしきい値以上で、表面エコーから底面エコーの時間領域にあるピーク波形を検出する。
このときのピーク検出処理演算部２０５による検出波形は図８に示すようになっており、ここでは、図示のように、反射源１０３による縦波と横波の各反射波による受信信号を検出するようになっている。
ここで縦波ピークの受信時間はＴij,１、横波ピークの受信時間はＴij,２である。
【００６４】
処理３０では、画像表示データ演算装置２０２は、制御装置２０４が発行する探触子位置、本例では被検査体１０２表面(焦点)からの超音波エコーに対する受信時間、ピーク検出処理を経た超音波受信データの受信時間からなる探傷データを収集する。
そして処理Ｓ４０では、サンプリング点、更には１ラインの画像データの演算処理(1)を行う。
【００６５】
処理Ｓ５０では、Ｂスコープ図形データの作成が行なわれ、これが画像データメモリ２０３に蓄積され、これと共に、画面表示装置２０１にＢスコープ表示を行う。そして、この処理Ｓ５０は、制御装置２０４から探傷終了が通知されるまで、つまり処理Ｓ６０の判定により、探触子１０１が探傷終了位置に到達するまで繰り返される。
【００６６】
このときの探傷結果に関するデータは、探触子位置信号Ｘｉ、Ｙｉ、被検体表面(焦点)からのエコーに対する受信時間ＴS、受信波形のうちでピーク検出処理演算部２０５により検出されたピーク波形の受信時間Ｔij,ｍ、及び受信信号強度Iij,ｍを含む。ここで、受信時間ＴS は、図８に示すように、探触子１０１内で、その振動面１０７から被検査体表面(焦点１０６)までの超音波の伝播時間である。
【００６７】
探傷が終了すると、画像表示データ演算装置２０２は、処理Ｓ７０で画像データメモリ２０３からＢスコープ図形データを取り出し、超音波ホログラフィ法による演算処理(2)を行い、Ｓ８０で、ホログラフ再生像による反射源図形の２次元又は３次元表示を行って処理を終了するのである。
【００６８】
図７は、図６の処理Ｓ４０と処理Ｓ７０での画像データ演算処理の詳細フローを示したもので、ここで、まず、Ｓ４０の画像データ演算(1)として、被検査体の伝播速度を読み込む(Ｓ４０１)。
この実施形態では、この伝播速度は、縦波速度ＶＬと横波速度ＶＴの２種になっている。
次に、ピーク検出された探傷データから、Ｂスコープ図形データを作成して図形データメモリ２０３に記憶する(Ｓ４０２)。
【００６９】
このときのＢスコープ図形データは、Ａ／Ｄ変換において何番目(ｉ，ｊ)のデータ点数で、ピーク検出においては何番目(ｍ)のエコーになるかを示すインデックス(ｉ，ｊ，ｍ)と、信号の送受信位置データ(ｘｉ，ｙｉ)、被検査体１０２の表面(焦点)からエコーまでの受信時間(ＴS)、及びピーク検出されたエコーの受信時間(Ｔij,ｍ)を含む。
【００７０】
次に、図９を参照して、Ｂスコープ図形の作成方法について説明する。
まず、(数１)により、探触子移動機構１１０から供給される探触子１０１の位置信号(Ｘij，Ｙij)と、Ｘ軸とＹ軸の移動ピッチ(δx、δy)から超音波送受信位置(ｘi、ｙj)を計算する。
【００７１】
【数１】
【００７２】
【数２】
なお、ｍ番目のエコーとは、ピーク検出処理演算部２０５によって選択される時間領域内に存在するエコーの順番である。
【００７３】
【数３】
そこで、まず、探傷に使用する超音波の縦波音速をＶＬ、横波音速をＶＴとする。
そして、上記した点データを走査経路の１ライン(ｙj を一定として、ｘi のｉ＝始点〜終点までのライン)について集積すると、図９に示すように、反射源１０３に対して縦波音速ＶＬを用いた演算結果から図形９０１が表示され、横波音速ＶＴの演算結果からは図形９０２が表示される。
【００７４】
次に、図６における画像データ演算(2)の処理Ｓ７０について、図７により、ホログラム再生領域の計算処理Ｓ７０１とホログラム作成処理Ｓ７０２、ホログラム再生演算処理Ｓ７０３、それに音速毎の画像表示データの作成処理Ｓ７０４の順で説明する。
ここでは、まず縦波音速ＶＬで演算し、ついで横波速度ＶＴにより演算処理する。
【００７５】
まず図１０は、ホログラム再生領域作成の説明図で、(数３)によって得たＢスコープ図形データは、図のＸＺ座標における点の集合(図形９０１，９０２)として表現される。
そこで、この１点１点に対して、その点をＸ軸に射影した点を中心として、超音波の屈折角θに等しい角度で回転変換を行う。
【００７６】
まず、超音波の屈折角θにより、Ｂスコープ図形９０１、９０２の各点を回転させ、(数４)により、ＸＺ断面におけるホログラム再生領域１１４、１１５を演算する。
【００７７】
【数４】
こうして演算したホログラム再生領域のデータは、図形データメモリ２０３に一時記憶される。
【００７８】
次に図１１は、ホログラム作成の説明図で、この実施形態では、パルス波を用いた超音波ホログラフィ法を採用している。
そして、この実施形態では、参照波に相当するものとして、例えばcos関数のような振動関数を用い、受信パルス波の受信時間をcos関数の引数とすることにより参照波と受信波を干渉させる効果を数値的に与え、ホログラムを作成するようになっている。
【００７９】
このとき、ホログラムＨは、(数５)の演算によって作成される。すなわち、受信時間に比例する量である片道伝播距離(Ｚij)を基に、処理開始位置１１６から処理終了位置１１７で定められる探傷領域の間の各送受信位置(ｘi，ｙj)において、数値的に参照波と干渉させたホログラムＨ(ｘi,ｙj)を、(数５)により演算するのである。
【００８０】
【数５】
【００８１】
この分解能調整用の数値ｎは、ユーザにより入力装置２１０から入力され、データ記憶部２０６の波数倍数設定部２０６２に格納された上で、画像表示データ演算装置２０２が参照するようになっているが、この場合、ｎの値を大きくすることで、より高い周波数を持つ参照波との干渉を数値的に計算することができ、分解能を調整することができる。
【００８２】
この(数５)から求まるホログラムＨ(ｘi，ｙj)は、送受信位置ｘi、ｙj における１点、１点の値であり、従って、これらの各点の値を集積することにより、１次元ホログラム１２０、１２１が再生される。
そして、このときのホログラムの再生方法は２通りあり、第１の方法は簡易な再生方法である。
【００８３】
まず、この第１の簡易な方法について説明すると、この場合、１ライン走査の探傷の度に、１次元ホログラム１２０及び１２１を、ＸＺ断面におけるホログラム再生領域１１４、１１５上で像を再生することになる。
このときの像の再生は、ホログラム上の全点から再生領域上の１点に対して、ホログラムによる重みを付けた平面波を加算(積分)することにより得られる。
【００８４】
この操作を再生領域の全点に対して行うと、再生領域の中で、反射源に近い部分では、ホログラムからの平面波の位相が揃い、積分値が大きくなり再生像が結像する。
そこで、この再生像を２次元表示すると、図１(c)に示した画面が得られることになる。
【００８５】
さらに、ＸＺ断面での再生像をＹ軸方向に重ね合わせて、３次元的な再生像Ｇを作成すれば、３次元の表示も可能である。
この方法によれば、像再生に必要な計算時間及びメモリを大幅に削減できるので、探傷結果表示の簡易な方法として採用される。
【００８６】
第２の再生方法は、より高精度な再生方法であり、この場合、図１(c)のＸＺ断面におけるホログラム再生領域(面)１１４、１１５及びホログラム１２０、１２１を、探傷が終了するまでデータ記憶部２０６に記憶し、探傷終了後に再生領域を２次元的に再構成し、ＸＹ平面上の探傷領域に割り付けられた２次元ホログラムを再生する。
この第２の方法によるホログラム再生のための計算式は、(数６)に示す通りになる。
【００８７】
【数６】
【００８８】
この場合、再生領域の中で反射源に近い部分では、ホログラムからの平面波の位相が揃うので積分値が大きくなり、従って再生像Ｇが結像される。
ここで、この(数６)の演算を計算機上で行うためには、離散化して数値積分したり、式を変形して高速フーリエ変換するなどの計算手法を用いればよい。
【００８９】
このときホログラム再生計算に用いる再生参照波の波数ｋの値としては、ホログラム作成に用いる参照波に対して使用した波数ｋと同様の値を使用すれば良いが、ｋ＝ｎ×２πｆ／Ｖとして、ｎの値を大きくすることで、より高い周波数を持つ参照波との干渉によるホログラムを数値的に再生計算できる。
【００９０】
この第２の方法は、第１の再生方法と異なり、２次元的に再生処理を行うことになるため、必要な処理時間とメモリ容量は大きくなるが、より精度の高い再生像を得ることができる。
【００９１】
このとき、縦波音速ＶＬを用いたホログラム再生の演算結果では、反射源１０３に対し横波で入射して横波で反射した横波エコー或いは縦波で入射し横波で反射した横波エコーによる再生像１２４は消去され、反射源１０３に対し縦波で入射し縦波で反射した図形１１４の再生像１２２のみが結像される。
【００９２】
また、横波音速ＶＴを用いたホログラム再生の演算結で果は、縦波エコーによる図形１１４や反射時の横波変換による再生像は消去され、反射源１０３に対し横波で入射し、横波で反射した図形１１５に対する再生像１２３のみが得られることになる。
【００９３】
これは、ホログラム作成処理で使用した伝播音速と再生処理で使用した伝播音速に違いがあると、実際の反射源が存在する位置付近で再生波の位相が揃わず、互いに打ち消し合う結果となるためである。
【００９４】
この実施形態では、図７に示す処理Ｓ７０４の後、再生像のデータを表示データとして一旦、画像データメモリ２０３に記憶し、図６の処理Ｓ８０で縦波及び横波の各再生像を重ね合わせて２次元又は３次元による画像の表示を行う。
【００９５】
そして、２次元画像の重畳表示では、図１(d)に示すように、一致又は近接した再生像１２２、１２３についてだけ同じ色による表示とし、他の再生像と色で区別して画像表示装置２０１に出力するが、或いは、再生像が一致した場合のみ画像表示装置２０１に出力するようにしてもよい。
これにより、実際の反射源に対する映像を正確に表示することができ、傷の数や位置の誤認を少なくできる。
【００９６】
次に、この実施形態において、再生像として表示させたい画像を選択するメニュー画面の一例について、図１２に示す。
この実施形態では、この図１２の入力画面により、縦波音速として処理した場合に得られる画像データの表示、横波音速として処理した場合に得られる画像データの表示、縦波から横波にモード変換した音速で処理した場合に得られる画像データの表示など各種の表示がユーザにより容易に且つ任意に選択することができる。ここで、複数入力の場合は重畳表示となる。
【００９７】
次に、ホログラム再生像の計算結果を３次元的な映像として表示する方法について説明する。
この場合には、図７に示した処理Ｓ７０３に代えて、図１３に示す処理Ｓ７０３１とＳ７０３２が実行されるように構成する。
予め所定のスレッシュホールドレベルＨmin を設定しておき、図７のＳ７０２の後、(数６)で求めた再生像に対して、スレッシュホールドレベルＨmin を越えたか否かを判定し(Ｓ７０３１)、越えた座標を再生像として採用する処理を実行する(Ｓ７０３２)のである。
【００９８】
従って、以上に説明した実施形態１によれば、縦波音速によるホログラムと横波音速によるホログラムを作成し、再生するようにしたので、再生演算に用いた音速と異なる伝播速度によるインジケーションに対しては、ホログラム再生参照波の位相がそろわず、ホログラム再生像が結像しないようにできる。
このため、本来の反射源と異なった位置に現れてしまう反射源のインジケーション(虚像)は消去でき、実際の反射源のある位置に対応した反射源の映像(実像)だけが表示できる。
【００９９】
また、縦波と横波で計算した各々の再生像を重ね合わせて表示するようにしているので、その重なりの程度から、実在する反射源を高い信頼性をもって確認することができる。
さらに、Ｂスコープデータを屈折角で回転補正してホログラム再生領域を求めているので、超音波の広がりの影響を低減し、位置精度よく反射源の映像を表示できる。
【０１００】
また、この実施形態１では、ホログラムの作成に必須のデータである伝播時間△ｔij(被検査体表面と反射源の間の超音波の片道伝播時間)を計算する際、被検査体表面(焦点)からのエコーによる受信時間ＴS が(数２)により考慮されるようになっている。
ここで、この受信時間ＴS は、既に図８で説明したように、探触子１０１内の振動面１０７から被検査体表面(焦点１０６)までの超音波の伝播時間である。
【０１０１】
本発明では、探触子が被検査体表面に焦点を有する点が特徴であり、実施形態１でも焦点１０６を有しており、このため、被検査体１０２内での反射源１０３の位置によらず、探触子１０１から被検査体１０３に超音波が入射する位置が常に一定した位置、すなわち、焦点１０６になっている。
【０１０２】
従って、探触子１０１を直接、被検査体１０３に接触させることにより、探触子１０１の内部での超音波の経路の影響を受ける虞れは全く無く、この結果、被検査体表面からのエコーに対する受信時間ＴS と、時間領域内で受信される超音波の受信時間との差から正確な伝播時間を求めることができ、より高精度な映像を得ることができる。
【０１０３】
＜実施形態２＞
次に、本発明の実施形態２について説明する。
この実施形態２が、実施形態１と相違している点は、縦波から横波へのモード変換によるエコーが受信されるケースを考慮し、超音波ホログラフィ法に用いる音速Ｖとして、縦波音速、横波音速の外に、縦波と横波の平均音速を用いる点にある。
【０１０４】
図１４は、この実施形態２の適用事例をイメージで示したもので、内部に反射源３０１を有している被検査体１０２の送受信位置に探触子１０１があり、これにより、縦波往復径路３０２によるエコーが受信される場合を同図１４(a)に、縦波から横波へモード変換した径路３０３によるエコーが受信される場合を同図(b)に、そして、横波往復径路３０４によるエコーが受信される場合を同図(c)に示してある。
【０１０５】
図１５は、この実施形態２におけるパラメータ入力画面で、ここでもＳＵＳ３０４が被検査体１０２で、音速として縦波音速、横波音速及び平均音速を用いるようになっており、このとき平均音速には、(数７)によって与えられる調和平均値Ｖave が用いられている。
【０１０６】
【数７】
図１７はＢスコープ図形で、１番目、２番目及び３番目のエコーを、それぞれ１ライン分集積して得た３種の図形３０５、３０６、３０７が示されている。
【０１０７】
図１８はホログラム再生領域を示す。
ここでは、Ｂスコープ図形の図形３０５〜３０７の各点を屈折角θだけ回転させ、再生領域３０８〜３１０を求めるようになっており、図１８には、図形３０６に対する再生領域３０９のみを示している。
【０１０８】
次に、この実施形態２によるホログラム作成方法について、図１９により説明すると、図示のように、送受信位置(ｘi,ｙj)における片道伝播距離Ｚij から、(数５)による演算を行い、処理開始位置から処理終了位置で定められる探傷領域に、ホログラム３１０１、３１０２及び３１０３を作成する。このとき、数値的な干渉に用いる参照波の波数ｋ＝ｎ×２πｆ／Ｖを用いるが、このときの音速Ｖとして、縦波音速、横波音速、及び平均音速の３種を用いることになる。
【０１０９】
そして、(数５)による演算の後、(数６)によるホログラムの像再生に関する演算を実行するのであるが、このときも縦波音速、横波音速、及び平均音速の３種を用い、計算結果を映像として表示するのであるが、ここで、この映像として表示する方法は、実施形態１の場合と同じでよいので、説明は割愛する。
【０１１０】
実施形態２によれば、被検体中の縦波、横波、及び縦波と横波の平均音速の３種を用いてホログラムを作成し、再生するので、被検査体１０２の内部で縦波と横波のモード変換が生じている場合でも、本来反射源のない位置に現れる虚像のインジケーションを自動的に消去できる。
【０１１１】
また、被検査体に複数の反射源が存在し、かつ、被検査体１０２への超音波入射時のモード変換(例えば、縦波から横波)や、反射源からの反射時のモード変換(縦波から横波、横波から縦波)が発生する場合でも、この実施形態２のように縦波、横波、及び縦波と横波の平均音速の３種を用いてホログラムを作成し、再生するようにしてやれば、１個の反射源に対する各波音速の演算結果が同一乃至は近似位置を示すので、実際の反射源だけを正確に表示でき、信頼性の高い探傷が可能になる。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｂスコープ表示データからホログラムを作成し再生する場合に、演算に用いる超音波音速を縦波または横波のモードに特定し、音速の一致する伝播経路のホログラムのみが像再生されるので、超音波のモード変換によって実在とは異なる位置に表われる虚像を消去でき、被検査体内部の傷の数と位置が正確に表示できる。
【０１１３】
また、演算に用いる超音波音速を縦波及び横波、さらには縦波と横波の平均音速として、各音速に対応した像再生が行われる場合、それらを重畳表示することで１つの反射源に対する複数の演算結果を反映することができ、より高信頼な探傷結果の図形表示を実現できる。
【０１１４】
また、超音波の受信時間を測定する際、探触子が超音波の焦点をもっているので、これを時間測定の基準にすることができ、被検査体内部の反射源の位置及び形状、あるいは探触子と被検査体の音響的な性質の違いの影響を受けず、常に正確な受信時間を測定することが可能となり、より精度の高いホログラム及び再生像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波ホログラフィ法の処理イメージを示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態による超音波探傷システムを示すブロック図である。
【図３】超音波探傷システムの一例を示すハード構成図である。
【図４】本発明の一実施形態における超音波探触子の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態における音速データ入力画面の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による超音波探傷システムの処理手順を示すフロー図である。
【図７】本発明の一実施形態による超音波探傷システムの処理手順を示すフロー図である。
【図８】本発明の一実施形態によるＡスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施形態によるＢスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるホログラム再生領域の説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるホログラム作成の説明図である。
【図１２】本発明の一実施形態における音速選択のメニュー画面の説明図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるホログラム再生計算結果から３次元画像データを作成する処理のフロー図である。
【図１４】本発明の他の一実施形態による適用例の説明図である。
【図１５】本発明の他の一実施形態における音速データ入力画面の説明図である。
【図１６】本発明の他の一実施形態によるＡスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図１７】本発明の他の一実施形態によるＢスコープ図形の一例を示す説明図である。
【図１８】本発明の他の一実施形態によるホログラム再生領域の説明図である。
【図１９】本発明の他の一実施形態によるホログラム作成の説明図である。
【符号の説明】
１０ 計算機
１１ ディスプレイ装置
１２ インターフェース装置
１０１ 探触子(超音波探触子)
１０２ 被検査体
１０３ 反射源
１０５ 反射径路
１０６ 焦点
１０７ 振動面
１０８ 送信パルス
１０９ 表面(焦点)からのエコー
１１０ 反射源からのエコー(縦波）
１１１ 反射源からのエコー(横波）
１１２ 底面からのエコー
１１３ 伝播時間
１１４ ホログラム再生領域(縦波）
１１５ ホログラム再生領域(横波）
１１６ 探傷開始位置
１１７ 探傷終了位置
１２０ ホログラム(縦波）
１２１ ホログラム(横波）
１２２ 再生像(縦波による縦波再生像）
１２３ 再生像(横波による横波再生像）
１２４ 再生像(縦波による横波再生像）
２００ 探傷図形表示処理部
２０１ 画像表示装置
２０２ 画像表示データ演算装置
２０３ 画像データメモリ
２０４ 制御装置
２０５ ピーク演算装置
２０６ データ記憶部
２０７ 探傷データメモリ
２０８ Ａ／Ｄ変換器
２０９ 受信器
２１１ 探触子移動機構
２１２ 超音波探傷器
４０１ 圧電素子
４０２ 音響レンズ
５０１ 圧電素子列
５０２ ディレイ回路
Claims (3)
- 探触子から被検査体に所定モードの超音波を送信し、内部の傷等による反射源から反射されたエコーを受信し、前記エコーの受信時間から前記反射源の位置を求めて反射源図形を表示するため、前記探触子を走査しながら送受信を繰り返して送受信位置毎に前記エコーの受信時間を含む探傷データを収集し、１ライン走査の探傷データからＢスコープ図形データを作成し、前記Ｂスコープ図形を再生領域とすると共に、前記探傷データに対して前記被検査体の中を伝播する縦波又は横波の何れかの指定モードの超音波の音速をＶ、探傷に使用する超音波の周波数をｆとしたとき、
ｋ＝ｎ×２π×ｆ／Ｖ ( ｎは自然数 )
で決まる波数ｋの参照波を数値的に干渉させて指定モードの超音波の音速毎のホログラムを作成し、これら音速毎のホログラム像を前記再生領域に再生し、再生した像を画面表示する方式の超音波探傷結果表示方法において、
前記探触子から発射すべき超音波が、当該探触子が前記被検査体の表面に接触する部分に一旦焦点を結び、この焦点が点状超音波源となって前記被検査体の表面を移動し、前記探触子の焦点位置を基準として、前記受信時間を含む探傷データが収集されるように、前記探触子が構成され、
前記指定モードの超音波の音速が、縦波と横波、及び縦波と横波の平均値のそれぞれについて設定され、各音速による再生像が重畳表示されることを特徴とする超音波探傷結果表示方法。 - 被検査体に所定モードの超音波を送信し内部の傷等による反射源から反射されたエコーを受信する探触子と、前記探触子を前記被検査体上の所定の走査経路に従って走査する探触子移動機構部と、前記エコーの受信時間から前記反射源の位置を求めて反射源の図形データを作成する探傷図形表示処理部と、作成された図形データを画面表示する表示装置を備えた超音波探傷装置において、
前記探触子は、当該探触子から発射すべき超音波が、当該探触子が前記被検査体の表面に接触する部分に一旦焦点を結び、この焦点が点状超音波源となって前記被検査体の表面を移動するように構成され、
前記探傷図形表示処理部は、前記探触子移動機構部で走査される前記探触子から送受信位置毎に前記エコーの受信時間を含む探傷データを収集し、１ライン走査の探傷データからＢスコープ図形データを作成し、前記Ｂスコープ図形を再生領域とし、指定モードの超音波の音速毎に超音波ホログラフィ法によるホログラム像の再生を行い、再生した像を２次元又は３次元で画面表示するように構成され、
前記表示装置は、前記指定モードの超音波音速が複数指定され、各音速による再生像が一致或いは近接した場合、一致或いは近接した再生像同士を、一致しない再生像とは異なる色を用いて表示するように構成されていることを特徴とする超音波探傷装置。 - 被検査体に所定モードの超音波を送信し内部の傷等による反射源から反射されたエコーを受信する探触子と、前記探触子を前記被検査体上の所定の走査経路に従って走査する探触子移動機構部と、前記エコーの受信時間から前記反射源の位置を求めて反射源の図形データを作成する探傷図形表示処理部と、作成された図形データを画面表示する表示装置を備えた超音波探傷装置において、
前記探触子は、当該探触子から発射すべき超音波が、当該探触子が前記被検査体の表面に接触する部分に一旦焦点を結び、この焦点が点状超音波源となって前記被検査体の表面を移動するように構成され、
前記探傷図形表示処理部は、前記探触子移動機構部で走査される前記探触子から送受信位置毎に前記エコーの受信時間を含む探傷データを収集し、１ライン走査の探傷データからＢスコープ図形データを作成し、前記Ｂスコープ図形を再生領域とし、指定モードの超音波の音速毎に超音波ホログラフィ法によるホログラム像の再生を行い、再生した像を２次元又は３次元で画面表示するように構成され、
前記表示装置は、前記指定モードの超音波音速が複数指定され、各音速による再生像が一致或いは近接した場合にだけ、その再生像を表示するように構成されていることを特徴とする超音波探傷装置。
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