JP4679504B2 - 媒体内の不連続部を検出する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒体内の複数の不連続部を検出する方法および装置に関する。

より具体的には、本発明は、
少なくとも１つの発信素子によって超音波などの発信波を媒体内に発生させる操作と、
この発信波に対する応答として媒体内を伝達される応答波をマトリックス状の複数の受信素子Ｔ_jによって捕捉し、これをアナログ応答信号に変換する操作と、
各受信素子Ｔ_jによって受信された応答信号をデジタル化する操作と、
各受信素子Ｔ_jによって生成され、デジタル化された応答信号から、閾値より大きい複数の応答信号値に該当する複数の最大値を選択する操作と、を実現する方法と装置とに関する。

特許文献１には、上に詳述した各操作を実現する方法の一例が説明されている。この方法では、各発信素子と各受信素子とは、同一の探触子に属する複数の変換器から成る１つのマトリックス内の同一の変換器によって構成されている。発信信号は音響信号であり、媒体内の不連続部などの反射体によって反射される。次に、この信号のエネルギーを反射体に集束するために、反射された信号を時間反転して再発信することによって、媒体内の超音波の一様でない伝搬バラツキを自動的に補正すると共に、探触子／媒体の位置決め誤差を補正する。この方法では、音響信号を「時間反転」によって集束するといえる。
仏国特許第ＦＲ−Ａ−２ ６９６ ５７３号 仏国特許出願第ＦＲ ０１／１２５１６号

この先行技術の方法は、発信器と受信器とを含むアセンブリに対して移動している媒体内の不連続部を検出する場合には向かない。実際問題として、再発信が行われる媒体の区域を、信号が本来発信された区域にできるだけ厳密に合致させる必要がある。よい結果、特によい深さ分解能、を得るには複数の時間反転を同一区域で行う必要があることから、発信器と受信器とを含むアセンブリに対して媒体が移動しており、このような移動が少なくとも１回は比較的高速になる媒体で不連続部を検出するには、検査に利用可能な時間に対応できない。

本発明の１つの具体的な目的は、媒体内の不連続部の形状、位置、および向きに関係なく、また探触子が媒体に対して極めて高速で移動する場合でも本発明を使用できるように、時間反転による集束方法を用いずに、媒体内の不連続部の検出を良好に行える方法と装置とを提供することである。

この目的のために本発明が提供する媒体内の欠陥を検出する方法は、上記の特徴に加え、最大値を処理する操作を含むことを特徴とし、この最大値を処理する操作では、デジタル化された応答信号から選択された最大値に対して以下のようにコヒーレンス基準を適用することによって、同一欠陥に該当する最大値をまとめる。
第１のコヒーレンステストは、次の場合連続する２つの受信素子ｊおよびｊ＋１で検出された２つの最大値を１つのセグメントｌにまとめるものである。
｜ＴＯＦ（ｊ）_{i=1 to k}−ＴＯＦ（ｊ＋１）_{i'=1 to k'}｜≦Ｔ
（但し、ＴＯＦ（ｊ）_{i=1 to k}は、素子ｊによって生成された応答信号内の最大値ｉの時間位置であり、ここでｉ＝１〜ｋであり、ＴＯＦ（ｊ＋１）_{i'=1 to k'}は、素子ｊ＋１によって生成された応答信号内の最大値ｉ'の時間位置であり、ここでｉ'＝１〜ｋ'であり、かつＴ＝ｔ＋εであり、ここでｔ＝（ｓｉｎα／ν）ｐであり、αは所望の最大偏向角であり、ｐは受信器ｊおよびｊ＋１間の距離であり、νは媒体内の波の速度であり、εは計算誤差および機械的分散に対する処理操作の許容値である）
第３のコヒーレンステストは、次の場合連続する受信素子ｊ、ｊ＋１、ｊ＋２、およびｊ＋３を２つずつまとめた２つのセグメントｌおよびｌ＋１を単一セグメントとしてまとめるものである。
｜（ＴＯＦ（ｊ＋１）_l−（ＴＯＰ（ｊ＋２））_l+1｜≦Ｔ、および
｜ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ）−ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ＋１）｜≦ΔＰ
（但し、
（ＴＯＦ（ｊ＋１））_lおよび（ＴＯＰ（ｊ＋２））_l+1は、連続する２つのセグメントｌおよびｌ＋１に属する連続する２つの最大値のそれぞれの時間位置であり、かつ
ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ）およびｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ＋１）は、セグメントｌおよびｌ＋１のそれぞれの傾斜であり、ΔＰは、連続する２つのセグメントのそれぞれの傾斜に対して許容される差として予め決められた値である。）

本発明の方法の複数の好適な実現形態においては、さらに以下の構成を１つまたは複数用いてもよい。

複数の最大値を選択する操作であって、
受信素子Ｔ_jによって生成された各応答信号の傾斜を査定することによって、動的雑音レベルを超える複数のピークをスライディング検出するステップと、
各ピークの最大値を特定するステップと、を含む操作。

次の場合にのみ、複数の最大値を処理する操作は、セグメントｌを保持する第２のコヒーレンステストをさらに含む。
｜ＡＭＰ（ｊ）_l−ＡＭＰ（ｊ＋１）_l｜≦ΔＡ
但し、
ＡＭＰ（ｊ）_lおよびＡＭＰ（ｊ＋１）_lは、セグメントｌ内の連続する２つの受信素子ｊおよびｊ＋１で検出された複数の最大値のそれぞれの振幅であり、かつ
ΔＡは、単一セグメントにまとめられる複数の最大値のそれぞれの振幅に対して許容される差として予め決められた値である。

次の場合にのみ、複数の最大値を処理する操作は、２つのセグメントｌおよびｌ＋１をまとめる第４のコヒーレンステストをさらに含む。
｜ＡＭＰ（ｊ＋１）_l−ＡＭＰ（ｊ＋２）_l+1｜≦ΔＡ
但し、
ＡＭＰ（ｊ＋１）_lおよびＡＭＰ（ｊ＋２）_l+1は、連続する２つのセグメントｌおよびｌ＋１に属する連続する２つの最大値のそれぞれの振幅であり、かつ
ΔＡは、まとめられた複数の最大値のそれぞれ振幅に対して許容される差として予め決められた値である。

本方法は、媒体の不連続部を特徴付けるために、複数のセグメントまたは１つのセグメント集合を少なくとも第５の基準に従って選択する操作を含み、この第５の基準は、１つのセグメントにまとめられる最大値の最少数と、１つのセグメントまたは１つのセグメント集合の最大値の合計の振幅と、許容損失値と、角度応答値と、体積応答値とを含むパラメータのリストから選択された１つのパラメータに関する。

「許容損失値」パラメータは、複数の検出素子Ｔ_jによって生成された一定数の信号にわたって分散する複数の最大値のうち無視できる最大値の数に対応する。「角度応答値」パラメータによって、所定の角度ウィンドウに含まれないセグメントを無視し、まとめる対象から外すことができる。「体積応答値」パラメータによって、三次元の不連続部、すなわち曲線形状のセグメントによって特定される不連続部、に対応しないセグメントを無視し、まとめる対象から外すことができる。

別の態様において、本発明は本発明の方法を実施するための装置を提供する。本装置は、媒体内の複数の欠陥を検出するための装置であって、少なくとも１つの発信素子によって超音波の発信波を媒体内に発生させるための少なくとも１つの発信器と、前記発信波に対する応答として前記媒体内を伝達される応答波を捕捉し、これをアナログ応答信号に変換するための、マトリックス状のn個の受信素子Ｔjと、各受光素子Ｔjにそれぞれ直列に接続されているn個のアナログ・デジタルコンバータの集合と、受光素子Ｔj毎に、動的閾値を超えた前記デジタル応答信号の値から最大値を選択するために、アナログ・デジタルコンバータにそれぞれ直列に接続されているn個のプログラム可能論理回路の集合と、同一欠陥に該当する最大値をまとめるために、前記選択された最大値を少なくとも１つのコヒーレンス基準によってテストするためのデジタル信号プロセッサの集合と、から構成され、
連続する最大値を前記媒体内の同一欠陥に該当する複数のセグメントにまとめ、前記同一欠陥に該当する複数のセグメントを一つセグメントにまとめるために前記デジタル信号プロセッサの集合内の第１プロセッサ群が木構造に配置されている装置。

本発明の装置の複数の好適な実施形態においては、以下の構成を１つまたは複数さらに用いることもできる。

第１のプロセッサ群によってまとめられた複数の最大値に基づき、媒体内の複数の不連続部を特徴付けるための特定の処理を行わせるために、デジタルプロセッサ集合内の第２のプロセッサ群を並列に配置する。

このような構成によって、複数の検出素子によって生成された信号の処理は、自己適応方法によって行われる。空間および時間の分解能は、生成された信号内のコヒーレンスを探すことによって得られるので、時間反転による集束を必要としない。本発明においては、信号の生成と処理とがリアルタイムで行われるので、媒体に対する探触子の相対移動速度が高速または超高速（たとえば、鉄道線路のレールの検査時のように、ほぼ秒速３０メートル（ｍ／ｓ）かそれ以上の速度）であっても、同じ性能が維持される。

また、本発明の装置では、欠陥の向きおよび欠陥の形状に関係なく、また面欠陥であるか体積欠陥であるかにかかわらず、欠陥の検出が可能であり、また出力選択基準を満たさない検出結果が拒否されるので、信号対雑音比が極めてよくなる。

本発明の装置では、欠陥が面欠陥である場合は実角度の検出によって、また欠陥が体積欠陥である場合は曲線状の応答によって、欠陥が極めてよく特徴付けられる。

さらに、本発明の方法では、いくつかの先行技術の方法で実現された単一素子検出器の位置決めおよび移動に必要な機構のように高価でかさばる機構を使用せずに済む。さらに本発明の方法では、発信信号を電子的に柔軟に制御できることから、このような機械の調整がより簡単になる。したがって、本発明の方法は、探触子に対する検査対象部品の機械的案内に関する許容度が極めて大きい。

また、本発明の方法は、超音波の伝搬速度のバラツキに対して、それが全般的であろうと局部的であろうと、極めて許容度が大きい。

本発明の装置では、欠陥の検出を探触子の幅に等しい検査ピッチで全方向同時に行えるので、検査を瞬時に行うことができる。

検出方法とその処理アルゴリズムとは良好に適合すると同時に、極めて単純である。

本発明の装置の金額に見合う価値は卓越している。

本方法は音響像を処理する方法であり、超音波ビームを再構築する方法ではないので、探触子の定義基準が極めて異なる。特に、特定の用途においては、検出素子Ｔ_jの数を大幅に減らすことができるので、さらなるコストの削減が可能である。

本発明の方法は、線形であろうと円形であろうと、あらゆる種類の探触子に適用でき、特に、マトリックス構成の探触子に適用可能であり、マトリックス探触子においては必須基準となる素子数の削減が可能である。

本発明は、超音波を使用したあらゆる種類の検査、特に非破壊検査の分野における携帯用器具および自動システム、および医療分野における位置決め器具に適用可能である。

本発明は、渦電流、超低周波音、電磁波などの付随する物理現象に関係なく、複数の独立素子から成るセンサを使用するあらゆるシステムにも適用可能である。

本発明の方法は、線形かマトリックス形態かに関係なく、あらゆる多素子センサに全般的に適用できる。

本発明の装置の他の態様、目的、および利点は、本発明の装置の一実施形態に関する以下の説明を読まれると明らかになる。

本発明は添付図面の助けを借りるとより良く理解されるであろう。

各種の図において、同一または同様の素子は同じ参照符号で示す。

本発明の装置の一実施形態、およびこの装置によって実現される方法の一例を例示的かつ非限定的な方法で以下に説明する。

この例において、図１（ａ）および図１（ｂ）に示す本発明の装置は、超音波を用いて媒体内の複数の不連続部を検出するための装置１である。より正確には、装置１はこのような複数の不連続部を、装置１に対して極めて高速で移動している媒体、この場合は部品２、において検出するためのものである。

装置１は、複数の変換素子Ｔ_jによって構成される探触子３を含み、ここでｊ＝１〜ｎである。

これらの変換素子Ｔ_jは、発信素子と受信素子との両方を構成する。したがって、図１（ａ）に示すように、発信波４はパルスの形態で部品２内に発せられる。

図１（ｂ）に示すように、部品２の媒体はこの発信波４に対する応答として、「エコー」とも称される応答波５を反射する。パルスの発信とそれに続く取得期間、すなわち応答波５の戻りに相当する期間、とにわたる期間を表すために、「ショット」という用語を用いる。

応答波５は、部品２の媒体内の複数の不連続部を表す。一例として、図１（ａ）および図１（ｂ）は、負の面角度反射ＤＰ−αを示す不連続部と、正の面角度反射ＤＰ＋βを示す不連続部と、体積反射ＤＶを有する不連続部と、バックグラウンドエコーＥＦなどのゼロ度付近の反射を有する不連続部とを示す。

変換器の種類は、本発明の方法には直接影響しないので、本発明の方法の実現を目する用途に応じて、さらに／または品質対価格比の点から最良の貨幣価値が得られるように選択してもよい。一例として、変換器を圧電変換器としてもよい。この種の変換器およびその使用方法は、当業者には周知である。

探触子３の複数の素子Ｔ_jはアレイを形成するが、その分散形態は線形でも、マトリックス形態でも、不規則な形態でもよい。

図２に示すように、検査対象の部品２に正確に音を印加するために、発生器Ｅ１〜Ｅｎは複数の素子Ｔ_jを励起するための複数の信号を発生させる。発生器Ｅ１〜Ｅｎは、単極式または二極式の論理型でも線形型でもよい。発信器の種類は、本発明の方法には直接影響しないので、本発明の方法の実現を目する用途に応じて、さらに／または最良の貨幣価値が得られるように選択してもよい。

発生器Ｅ１〜Ｅｎは、たとえば特許文献２に説明されているように、集束または非集束の多方向ビームを形成するような方法で駆動される。

本願明細書に記載の方法の複数の変体においては、それぞれ線形またはマトリックス形態の探触子の単一素子Ｔから発することによって、集束または非集束の単一方向の信号、あるいはまさに円柱状または球面形の信号を形成するように発生器Ｅ１〜Ｅｎを駆動することができる。

受波時、探触子３の複数の素子Ｔ_jによって捕捉される複数の波５は複数の素子Ｔ_jによって複数のアナログ信号に変換され、アナログ・デジタルコンバータＣＡＮ１〜ＣＡＮｎに直接印加され、ここでサンプリングとデジタル化とが行われる。

上流でのアナログゲインの修正を避けるために、またデジタル化された信号の線形性を保証するために、各アナログ信号の動作ダイナミックレンジが約８０デシベル（ｄＢ）である場合は、少なくとも１４ビットを操作するコンバータＣＡＮ１〜ＣＡＮｎを使用する必要がある。

λ／１０（λは応答波の波長）のオーダの十分な時間精度を得るために、使用する探触子３の動作周波数に応じて、例として以下に説明する２つのデジタル化手法を使用することが可能である。

これらの手法の１つでは、探触子周波数の約１０倍の周波数で直接サンプリングを行う。たとえば、探触子の動作周波数が３メガヘルツ（ＭＨｚ）、通過帯域が６５％の場合は、サンプリングを５０ＭＨｚで行う。

これらの手法のもう１つでは、探触子の周波数の約３倍の周波数でサンプリングを行い、デジタルフィルタリングによる補間によって分解能を上げる。たとえば、探触子の動作周波数が１５ＭＨｚ、通過帯域が８０％の場合は、サンプリングを５０ＭＨｚで行い、補間係数を４にする。

このように、本発明の装置では探触子３を１ＭＨｚから２０ＭＨｚの範囲内の周波数で使用できるので、大半の用途に対応できる。

本願明細書に記載の本発明の方法の実現においては、第２の手法が選択されており、公称周波数が１５ＭＨｚおよび通過帯域が８０％の探触子に対するサンプリング周波数は約６４ＭＨｚ、デジタル補間器の動作係数は３である。

デジタル化された複数の信号は、次に最大値検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎに印加される。

デジタル化された複数の信号において複数の最大値を適切に検出するには、レール、管、金属板、または複合体の検査などの大部分の工業検査用途において通常そうであるように、これらの信号が十分な信号対雑音比を示す必要がある。

しかしながら、信号対雑音比が必ずしも十分でない場合、たとえば、粒子の大きい材料の場合は、雑音が定常か不規則に応じて、２種類の処理をアナログ・デジタルコンバータＣＡＮ１〜ＣＡＮｎと最大値検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎとの間に挿入することによって信号対雑音比を向上することが可能である。

不連続部の有無を検査する部品の形状に対応する「形状エコー」型の定常雑音の場合は、この雑音を欠陥のない区域で取得して格納しておき、次にこの雑音を検査中に取得した雑音から引き、その後に最大値を検出することができる。この雑音の減算は全面的に行うことも、たとえば入力エコーとバックグラウンドエコーとを保持するために、部分的に行うこともできる。

不規則な電子雑音および／または不規則な音響雑音が存在する場合は、連続する複数のショットの平均、および／または複数の回帰経路間の平均、および／または相互に近接する複数の素子間の平均によって、信号対雑音比を向上させることができる。たとえば、連続する１０個のショットの平均、２つの回帰経路間の平均、および５個の近接素子間の平均をとれば、取得数の合計が平均１００個の場合、理論的には信号対雑音比を２０ｄＢ向上させることができる。

両種の雑音が混在する場合は、これらの２つの処理の両方を同時に行うことができる。

したがって、場合によっては、記憶回路ＭＤ１〜ＭＤｎと計算回路Ｄ１〜ＤｎとをコンバータＣＡＮ１〜ＣＡＮｎからの出力の後に配置してもよい。下流に位置する最大値検出器の動作が「形状エコー」型の定常雑音によって妨害される場合は、これらの回路によってこのような雑音を減らすことができる。これを行うには、本発明の装置を較正する段階で、形状エコーを記憶回路ＭＤ１〜ＭＤｎに格納する。その後、不連続部そのものを検出する段階で、格納されたデータを計算回路Ｄ１〜Ｄｎによって現行データから減じる。

この種の操作を行うには、これらのコンバータのダイナミックレンジが大きく、検出条件が極めて安定している必要がある。

同様に、またオプションの方法においても、コンバータＣＡＮ１〜ＣＡＮｎまたは計算回路Ｄ１〜Ｄｎからの出力位置に、他の記憶回路ＭＭ１〜ＭＭｎおよび平均化回路Ｍ１〜Ｍｎを配置することもできる。これらの回路は、信号対不規則雑音の比が下流に位置する最大値検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎの適正動作に不十分な場合に、信号対不規則雑音の比を向上するために役立つ。この目的のために、データを記憶回路ＭＭ１〜ＭＭｎに格納し、平均化回路Ｍ１〜Ｍｎによって上記のようにショット間、および／または回帰経路間、および／または近接素子間を平均化する。

最大値検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎは、複数のアナログ・デジタルコンバータからの生信号、または上記処理の一方または両方によってフィルタリングされた信号を受信する。

したがって、これらの検出器は、一般的な用途においては数百マイクロ秒継続しうる取得期間中にクロック周波数６４ＭＨｚで信号を受信するので、探触子３の検出素子Ｔ_j（ｊ＝１〜ｎ）あたり数万個のサンプルが得られる。

最大値検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎは、複数の最大値、つまり雑音を除いた複数のピークを探し、それぞれの振幅ＡＭＰおよび位置ＴＯＦを記憶回路ＭＣ１〜ＭＣｎに格納する。この動作を図３（ａ）と図３（ｂ）、および図４（Ａ）と図４（Ｂ）に示す。

最大値の検出そのものは、探触子３の検出素子Ｔ_jのそれぞれについて、隣接素子間を一切関係付けずに、次のように行われる。

最大値検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎによって受信される信号は、図３（ａ）に示す型である。検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎにおいて、これらの信号は整流および低域通過型フィルタリングにかけられ、図３（ｂ）に示すようなエネルギー曲線が抽出される。

次に、このエネルギー曲線に沿ったｍ個のサンプル（たとえばｍ＝１０）にわたって最 大値が順次検出（スライディング検出）が行われ、最大値を探すための閾値となる動的 雑音レベルが求められる。

次に、順次検出器のΔｔに位置するサンプルが前のステップで求められた動的雑音レベルに値Δａｍｐを足した値より大きいかどうかを判定するためのテストが行われる（図３（ｂ）の検出曲線を参照）。このステップによって、各検出素子Ｔ_jによって生成された信号の傾斜ひいては立ち上がり時間、たとえば、Δｔ＝＋４サンプルとコンバータＣＡＮ１〜ＣＡＮｎのΔａｍｐ＝＋３変換レベルとに対応するエネルギー曲線の変化量を検出することが可能になる。

上のテスト結果が正であれば（図３（ｂ）を参照）、
動的雑音順次検出器がブロックされ、
発信波のスペクトルおよび探触子３の通過帯域で、エコーの幅にほぼ等しい幅の「時間 ウィンドウ」が開き、
「時間ウィンドウ」に含まれている信号の最大値が探され、その振幅ＡＭＰと位置ＴＯ Ｆとが格納され（図４（Ａ）、図４（Ｂ））、
「時間ウィンドウ」が閉じられ、動的雑音順次検出器のブロックが解除されるので、エ コーが考慮されなくなる。

大半の用途において音響像を特徴付けるには、探触子３の検出素子Ｔ_j（ｊ＝１〜ｎ）あたり約１０個の最大値があれば、約１０００分の１のデータ圧縮を表すために十分である。

最大値検出器ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎは、たとえば、小容量のプログラム可能論理回路である。したがって、これらのコストは極めて妥当なものである。

その後、セグメント化回路ＳＧ２〜ＳＧｎがメモリＭＣ１〜ＭＣｎに格納されている複数の最大値間のコヒーレンスをピラミッド形式で探し、最大値を２つずつまとめる。

各セグメント化回路ＳＧ２は、探触子３の２つの連続検出素子Ｔ_jからの各デジタル信号で検出された最大値を選択し、これらの最大値を２つずつセグメントにまとめる。

各セグメント化回路ＳＧ４は、探触子３の２つの連続検出素子Ｔ_jに対する前のセグメント化回路によって選択された連続する２つのセグメントからのデジタル信号で検出された最大値を選択し、これらの最大値を４つずつセグメントにまとめる。

各セグメント化回路ＳＧ８は、探触子３の４つの連続検出素子Ｔ_jに対する前のセグメント化回路によって選択された連続する２つのセグメントからのデジタル信号で検出された最大値を選択し、これらの最大値を８つずつセグメントにまとめる。以降も同様である。

最後に、回路ＳＧｎは、探触子３のｎ／２個の連続検出素子Ｔ_jに対する前のセグメント化回路で選択された連続する２つのセグメントからのデジタル信号で検出された最大値を選択してまとめる。

この構造は、各セグメント化回路ＳＧ２〜ＳＧｎが対応するアルゴリズムを実行するために、探触子３内の素子Ｔ_jの数に関係なく、ショット１つ分の時間幅を利用できるという利点がある。ランクｒの各セグメント化回路ＳＧｒが１つのショットに対応する信号を処理している間に、次のランクｒ＋１のセグメント化回路ＳＧｒ＋１は前のショットに対応する信号を処理する。以降も同様である。

このように、本発明の装置は、探触子３の素子Ｔ_jの数に関係なく、リアルタイムで動作し、「パイプライン」型の同期遅延は探触子３内の素子Ｔ_jの数のべき乗に等しい。

前のセグメント化操作中に最大値がまとめられなかった場合は、各セグメント化回路ＳＧ４〜ＳＧｎに対して、
最大値の１つが上記のように２つのセグメントをまとめるための基準を満たしている場合は、この最大値を新しいセグメント内で１つのセグメントにまとめる。欠けている傾斜は、この最大値と実セグメントの直前の最大値とで作成された仮想セグメントにわたって計算してもよい。

これらの最大値の２つが第１の基準を、場合によっては第２の基準も、満たす場合は、これら２つの最大値を単一セグメントにまとめることによって、上記のように連続する複数の検出素子Ｔ_jによって生成された信号を２つずつまとめる。

上のどの場合にも該当しない最大値は、そのまま以降のセグメント化回路に転送され、そこで処理可能な場合は処理される。集合内のどのセグメント化回路によっても処理されなかった最大値は、グループ化回路ＲＧによって処理される。

セグメント化回路ＳＧ２〜ＳＧｎは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）である。これらの回路は、上記のセグメント化アルゴリズムをリアルタイムで実行するために適している。これらの回路は、２つのセグメント化回路ＳＧｒおよびＳＧ２ｒ間でのデータ転送を可能にする通信線路も有する。

グループ化回路ＲＧは最後のセグメント化回路ＳＧｎからデータを回収し、用途に応じた基準に基づきこのデータを処理する。つまり、不連続部を特徴付けるために直接処理するか、または従来のＡ−ＳＣＡＮを再構築する。このＡ−ＳＣＡＮは次に「時間ウィンドウ」によって従来の方法で使用される。

グループ化回路ＲＧも同様にＤＳＰによって構成され、対応する処理を行うためにショット１つ分の時間幅を利用できる。

複雑な用途においては、このレベルの処理において複数のＤＳＰを並列化することが可能である。この場合、図４の例のように、各ＤＳＰは以下の特定のタスクをそれぞれ実行する。
体積応答の処理
正の面角度応答の処理
負の面角度応答の処理
バックグラウンドエコーを含むゼロ度近辺の応答の処理
ここで、セグメント化回路ＳＧ２〜ＳＧｎによるコヒーレンスの探索に戻る（図４（Ｂ）〜図４（Ｆ）を参照）。

図４（Ｂ）および図４（Ｃ）に示すように、セグメント化回路ＳＧ２は、第１のコヒーレンステスト、場合によってはさらに第２のコヒーレンステスト、を行うことによって、コヒーレンスを探す。

次の場合、第１のコヒーレンステストによって、連続する２つの受信素子ｊおよびｊ＋１で検出された２つの最大値が１つのセグメントｌにまとめられる。
｜ＴＯＦ（ｊ）_{i=1 to k}−ＴＯＦ（ｊ＋１）_{i'=1 to k'}｜≦Ｔ
但し、
ＴＯＦ（ｊ）_{i=1 to k}は、素子ｊによって生成された応答信号内の最大値ｉの時間位置であり、ここでｉ＝１〜ｋであり、
ＴＯＦ（ｊ＋１）_{i'=1 to k'}は、素子ｊ＋１によって生成された応答信号内の最大値ｉ’の時間位置であり、ここでｉ’＝１〜ｋ’であり、かつ
Ｔ＝ｔ＋εであり、ここでｔ＝（ｓｉｎα／ν）ｐであり、αは所望の最大偏向角であり、ｐは受信器ｊおよびｊ＋１の間の距離であり、νは媒体内の波の速度であり、εは計算誤差と（部品２に対して案内される探触子３と、不連続部の向きとに関連する）機械的分散とに対する処理操作の許容値である。

たとえば、最大偏向角αが９０°に等しく、探触子のピッチが０．５ｍｍに等しく、かつ媒体内の超音波の伝搬速度が３．２３０ｍ／ｓに等しい場合は、ｔは１５５ナノ秒（ｎｓ）に等しい。したがって、εが１０％ｔに等しい場合は、Ｔは１７０ｎｓに等しい。

次の場合にのみ、第２のコヒーレンステストでセグメントｌが保持される。
｜ＡＭＰ（ｊ）_l−ＡＭＰ（ｊ＋１）_l｜≦ΔＡ
但し、
ＡＭＰ（ｊ）_lおよびＡＭＰ（ｊ＋１）_lは、セグメントｌ内の連続する２つの受信素子ｊおよびｊ＋１で検出された各最大値のそれぞれの振幅であり、かつ
ΔＡは、単一セグメントにまとめられる最大値のそれぞれの振幅に対して許容される差として予め決められた値である。

図４（Ｄ）および図４（Ｅ）に示すように、セグメント化回路ＳＧ４〜ＳＧｎは、第３のコヒーレンステスト、場合によってはさらに第４のコヒーレンステスト、を行うことによって、コヒーレンスを探す。

次の場合は、第３のコヒーレンステストによって、連続する受信素子ｊ、ｊ＋１、ｊ＋２、およびｊ＋３を２つずつまとめた２つのセグメントｌおよびｌ＋１を単一セグメントにまとめる。
｜（ＴＯＦ（ｊ＋１）_l−（ＴＯＰ（ｊ＋２））_l+1｜≦Ｔ、および
｜ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ）−ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ＋１）｜≦ΔＰ
但し、
（ＴＯＦ（ｊ＋１））_lおよび（ＴＯＰ（ｊ＋２））_l+1は、連続する２つのセグメントｌおよびｌ＋１に属する連続する２つの最大値のそれぞれの時間位置であり、かつ
ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ）およびｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ＋１）は、セグメントｌおよびｌ＋１のそれぞれの傾斜であり、ΔＰは、連続する２つのセグメントのそれぞれの傾斜に対して許容される差として予め決められた値である。

次の場合にのみ、第４のコヒーレンステストによって２つのセグメントｌおよびｌ＋１がまとめられる。
｜ＡＭＰ（ｊ＋１）_l−ＡＭＰ（ｊ＋２）_l+1｜≦ΔＡ
但し、
ＡＭＰ（ｊ＋１）_lおよびＡＭＰ（ｊ＋２）_l+1は、連続する２つのセグメントｌおよびｌ＋１に属する連続する２つの最大値のそれぞれの振幅であり、かつ
ΔＡは、まとめられる最大値のそれぞれの振幅に対して許容される差として予め決められた値である。

図４（Ｆ）に示すように、グループ化回路ＲＧは、媒体内の不連続部を特徴付けるために、少なくとも１つの第５の基準に従って複数のセグメントまたは１つのセグメント集合を選択する。この第５の基準は、１つのセグメントにまとめられる最大値の最少数と、１つのセグメント内または１つのセグメント集合内の最大値の合計の振幅と、許容損失値と、角度応答値と、体積応答値とを含むパラメータのリストから選択されるパラメータに関する。したがって、図４（Ｆ）において、バックグラウンドエコーＥＦに対応するセグメントの再構築には許容損失値を使用し、体積欠陥ＤＶに対応するセグメントの再構築には体積応答値を使用し、面欠陥ＤＰ−αおよびＤＰ＋βに対応するセグメントの再構築には角度応答値を使用する。図４（Ｄ）および図４（Ｅ）においては、最大値の最少数を考慮することによって、２つの最大値によって構成された１つのセグメントの削除が可能になることがわかるはずである。

したがって、本発明の装置では、欠陥の向きおよび欠陥の形状に関係なく、また面欠陥であるか体積欠陥であるかにかかわらず、欠陥の検出が可能であり、また出力選択基準を満たさない検出結果が拒否されるので、信号対雑音比が極めてよくなる。

したがって、本発明の装置では、欠陥が面欠陥である場合は実角度の検出によって、また欠陥が体積欠陥である場合は曲線状の応答によって、欠陥が極めてよく特徴付けられることがわかる。

さらに、本発明の方法では、いくつかの先行技術の方法で実現された単一素子検出器の位置決めおよび移動に必要な機構のように高価でかさばる機構を使用せずに済む。さらに本発明の方法では、発信信号を電子的に柔軟に制御できることから、このような機械の調整がより簡単になる。したがって、本発明の方法は、探触子３に対する検査対象部品２の機械的案内に関する許容度が極めて大きい。

また、本発明の方法は、超音波の伝搬速度のバラツキに対して、それが全般的であろうと局部的であろうと、極めて許容度が大きい。

本発明の装置では、欠陥の検出を探触子３の幅に等しい検査ピッチで全方向同時に行えるので、検査を瞬時に行うことができる。

検出方法とその処理アルゴリズムとは良好に適合すると同時に、極めて単純である。

本発明の装置の金額に見合う価値は卓越している。

本方法は音響像を処理する方法であり、超音波ビームを再構築する方法ではないので、探触子の定義基準が極めて異なる。特に、特定の用途においては、検出素子Ｔ_jの数を大幅に減らすことができるので、さらなるコストの削減が可能である。

本発明の方法は、線形であろうと円形であろうと、あらゆる種類の探触子に適用でき、特に、マトリックス構成の探触子に適用可能であり、マトリックス探触子においては必須基準となる素子数の削減が可能である。

本発明は、超音波を使用したあらゆる種類の検査、特に非破壊検査の分野における携帯用器具および自動システム、および医療分野における位置決め器具に適用可能であるが、これだけに限定されるものではない。

本発明は、渦電流、超低周波音、電磁波などの付随する物理現象に関係なく、複数の独立素子から成るセンサを使用するあらゆるシステムにも適用可能である。

本発明の方法は、線形かマトリックス形態かに関係なく、あらゆる多素子センサに全般的に適用できる。

本発明の装置および方法は、自動システムおよび／または携帯用器具による、金属管などの製造部品の非破壊検査、鉄道のレールの非破壊検査などに特に適用可能である。

（ａ）は本発明による装置を用いて媒体に音を印加している状態を示す図である。（ｂ）は本発明による装置を用いて媒体に音を印加している状態を示す図である。 本発明の装置の一例のアーキテクチャを要約した図面である。 （ａ）は本発明の装置の検出素子から取られたデジタル化信号の平滑化前の一例を示す図面である。（ｂ）は本発明の装置の検出素子から取られたデジタル化信号の平滑化後の一例を示す図面である。 図２に示す装置によって実現される方法のステップ（Ａ）〜（Ｆ）において行われる、図３（ｂ）に示す信号などの信号処理を示す図面である。

符号の説明

１ 装置
２ 部品
３ 探触子
４ 発信波
５ 応答波
ＣＡＮ１〜ＣＡＮｎ アナログ・デジタルコンバータ
Ｄ１〜Ｄｎ 計算回路
ＤＣＥ１〜ＤＣＥｎ 最大値検出器
ＤＰ−α 負の面角度反射
ＤＰ＋β 正の面角度反射
ＤＶ 体積反射
Ｅ１〜Ｅｎ 発生器
ＥＦ バックグラウンドエコー
Ｍ１〜Ｍｎ 平均化回路
ＭＣ１〜ＭＣｎ 記憶回路
ＭＤ１〜ＭＤｎ 記憶回路
ＭＭ１〜ＭＭｎ 記憶回路
ＲＧ グループ化回路
ＳＧ２〜ＳＧｎ セグメント化回路
Ｔ_j 変換素子

Claims (7)

1. 媒体内の欠陥を検出する方法であって、
   少なくとも１つの発信素子によって超音波を媒体内に発生させる操作と、
   この超音波に対する応答として媒体内を伝達する応答波をマトリックス状の複数の受信素子Ｔjによって捕捉し、これをアナログ応答信号に変換する操作と、
   各受信素子Ｔjによって生成された前記応答信号をデジタル化する操作と、
   受光素子Ｔj毎に、閾値を超えた前記デジタル応答信号の値の中から最大値を選択する操作と、
   を含む方法において、
   同一の欠陥に該当する最大値をまとめるために、前記選択された最大値に対して少なくとも１つのコヒーレンス基準を適用する最大値を処理する操作をさらに含み、
   前記最大値を処理する操作とは、
   ｜ＴＯＦ（ｊ）_{i=1 to k}−ＴＯＦ（ｊ＋１）_{i'=1 to k'}｜≦Ｔの場合に、連続する２つの受信素子ｊおよびｊ＋１で検出された２つの最大値を１つのセグメントｌにまとめる第１のコヒーレンステストを行う操作と、
   （但し、ＴＯＦ（ｊ）_{i=1 to k}は、前記素子ｊによって生成された前記応答信号内の最大値ｉの時間位置であり、ここでｉ＝１〜ｋであり、ＴＯＦ（ｊ＋１）_{i'=1 to k'}は、前記素子ｊ＋１によって生成された前記応答信号内の最大値ｉ'の時間位置であり、ここでｉ'＝１〜ｋ'であり、かつＴ＝ｔ＋εであり、ここでｔ＝（ｓｉｎα／ν）ｐであり、αは所望の最大偏向角であり、ｐは受信器ｊおよびｊ＋１間の距離であり、νは媒体内の波の速度であり、εは計算誤差および機械的分散に対する前記処理操作の許容値である）
   ｜（ＴＯＦ（ｊ＋１）_l−（ＴＯＰ（ｊ＋２））_l+1｜≦Ｔ、および｜ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ）−ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ＋１）｜≦ΔＰの場合に、連続する受信素子ｊ、ｊ＋１、ｊ＋２、およびｊ＋３を２つずつまとめた２つのセグメントｌおよびｌ＋１を単一セグメントとしてまとめる第３のコヒーレンステストを行う操作と、
   （但し、（ＴＯＦ（ｊ＋１））_lおよび（ＴＯＰ（ｊ＋２））_l+1は、連続する２つのセグメントｌおよびｌ＋１に属する、連続する２つの最大値のそれぞれの時間位置であり、かつ
   ｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ）およびｓｌｏｐｅ Ｓ（ｌ＋１）は、セグメントｌおよびｌ＋１のそれぞれの傾斜であり、ΔＰは、連続する２つのセグメントのそれぞれの傾斜に対して許容される差として予め決められた値である）
   であることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記最大値を選択する操作が、
   受光素子Ｔjによって生成された各応答信号を微分することによって、動的雑音レベルを超える複数のピークを順次検出するステップと、
   各ピークの最大値を特定するステップと、
   を含む方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   ｜ＡＭＰ（ｊ）_l−ＡＭＰ（ｊ＋１）_l｜≦ΔＡ
   の場合にのみ、前記最大値を処理する前記操作が、セグメントｌを保持する第２のコヒー
   レンステストを含む方法。
   但し、ＡＭＰ（ｊ）_lおよびＡＭＰ（ｊ＋１）_lは、セグメントｌ内の連続する２つの 受信素子ｊおよびｊ＋１で検出された各最大値のそれぞれの振幅であり、かつ
   ΔＡは、単一セグメントにまとめられる最大値のそれぞれの振幅に対して許容される差
   として予め決められた値である。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   ｜ＡＭＰ（ｊ＋１）_l−ＡＭＰ（ｊ＋２）_l+1｜≦ΔＡ
   の場合にのみ、前記最大値を処理する操作が、２つのセグメントｌおよびｌ＋１をまと
   める第４のコヒーレンステストをさらに含む方法。
   （但し、ＡＭＰ（ｊ＋１）_lおよびＡＭＰ（ｊ＋２）_l+1は、連続する２つのセグメン トｌおよびｌ＋１に属する、連続する２つの最大値のそれぞれの振幅であり、かつ
   ΔＡは、１つのセグメントにまとめられる最大値のそれぞれの振幅に対して許容される
   差として予め決められた値である。）
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法であり、前記媒体の複数の欠陥を特徴付けるために、少なくとも１つの第５の基準に従って複数のセグメントまたは１つのセグメント集合を選択する方法であって、前記第５の基準が、１つのセグメントにまとめられる最大値の最小数と、１つのセグメントまたは１つのセグメント集合の最大値の合計と振幅と、許容損失値と、角度応答値と、体積応答値とを含むパラメータリストから選択されるパラメータに関する基準である方法。
6. 媒体内の複数の欠陥を検出するための装置であって、
   少なくとも１つの発信素子によって超音波の発信波を媒体内に発生させるための少なくとも１つの発信器と、
   前記発信波に対する応答として前記媒体内を伝達される応答波を捕捉し、これをアナログ応答信号に変換するための、マトリックス状のn個の受信素子Ｔjと、
   各受光素子Ｔjにそれぞれ直列に接続されているn個のアナログ・デジタルコンバータの集合と、
   受光素子Ｔj毎に、動的閾値を超えた前記デジタル応答信号の値から最大値を選択するために、アナログ・デジタルコンバータにそれぞれ直列に接続されているn個のプログラム可能論理回路の集合と、
   同一欠陥に該当する最大値をまとめるために、前記選択された最大値を少なくとも１つのコヒーレンス基準によってテストするためのデジタル信号プロセッサの集合と、
   から構成され、
   連続する最大値を前記媒体内の同一欠陥に該当する複数のセグメントにまとめ、前記同一欠陥に該当する複数のセグメントを一つセグメントにまとめるために前記デジタル信号プロセッサの集合内の第１プロセッサ群が木構造に配置されている装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、前記デジタルプロセッサ集合内の第２のプロセッサ群が並列に配置されており、第１のプロセッサ群によってまとめられた最大値に基づき、第２の各プロセッサ内の各プロセッサが、前記媒体内の複数の欠陥を特徴付けるための特定の処理を行う装置。

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