JP6025049B2 - 構造物欠陥の映像化方法、構造物欠陥の映像化装置および気泡や病変部の映像化装置 - Google Patents

Description

本発明は、構造物欠陥の映像化方法、構造物欠陥の映像化装置および気泡や病変部の映像化装置に関する。

原子炉、航空機、鉄道などの重要機器の安全性確保、及び製造された材料、接合された材料の健全性確保には、破壊の原因となるき裂や不完全な接合面を超音波の反射や散乱によって検出し、その大きさを正確に評価しつつ危険性があれば交換するという安全管理が行われている。しかし、き裂閉口応力が大きい閉じたき裂やき裂面に酸化膜が形成された閉じたき裂などにおいては、超音波の反射・散乱が小さく、き裂の長さや深さの計測誤差が大きいことが問題となっている。なお、このような「閉じたき裂」には、開口幅がナノメートルオーダー以下のき裂も含まれる。

受信アレイ素子で得た散乱波に、素子の位置に応じて異なる遅延を与えた信号を加算することによりき裂の映像を得る工程は、フェーズドアレイ法と呼ばれ、非破壊検査の分野では公知である（例えば、非特許文献１参照）。しかし、フェーズドアレイ法による映像によっても、閉じたき裂の正確な計測は困難であるという問題があった。

このような背景のもとで、振幅の大きい超音波を照射し、閉じたき裂で発生する高調波や分調波を利用する、閉じたき裂の定量評価法および閉じたき裂の定量評価装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この評価法および装置では、分調波に対しフェーズドアレイ法を適用することで、閉じたき裂を映像化することができる。この方法は、ＳＰＡＣＥ（ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｃｒａｃｋ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ）と命名されている（例えば、非特許文献２参照）。ここで、「ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ」は分調波を意味する。

図８に、ＳＰＡＣＥの原理図を示す。図８に示すように、ＳＰＡＣＥでは、要素技術として、大振幅超音波の発生が可能な、耐圧性に優れたＬｉＮｂＯ_３単結晶振動子を用いた送信器、映像化を行うためのアレイ受信器、および周波数通過フィルタ（ディジタルフィルタ）を用いる。送信器から大振幅超音波（周波数ｆ）を入射することにより、き裂開口部での基本波（周波数ｆ）の線形散乱に加えて、閉口部ではその閉じたき裂面が大振幅超音波の引張応力で開いて開閉振動することで分調波（周波数ｆ／２）が発生する。これをアレイ受信器で受信し、ディジタルフィルタで各成分を分離することで、基本波像および分調波像が観察できる。図８に示すように、き裂先端が閉じている場合、基本波像では過小評価してしまうき裂深さを、分調波像により正確に計測できる。

医療超音波の分野では、バブルなどの非線形散乱体の識別性向上のため、異なる入射波振幅の受信波形から、非線形成分をフィルタで分離して映像を得た後、大振幅の映像と小振幅の映像に振幅比をかけた映像との差分を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。固体中の欠陥検査では、フィルタを使用せずに差分演算を行う方法として、ＳＳＭ（ｓｃａｌｉｎｇ ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。また、特許文献２と同様な方法をＳＰＡＣＥに導入する振幅差分（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＡＤ）法が提案され、減衰２重節点（ｄａｍｐｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｎｏｄｅ；ＤＤＮ）シミュレーション（例えば、非特許文献４参照）と実験により、閉じたき裂の選択性向上が実証されている（例えば、非特許文献５参照）。

一方、閉じたき裂の開閉振動では、高調波や分調波だけでなく基本波も発生し、しきい値現象を示すことが報告されている（例えば、非特許文献６参照）。

特許第４５３８６２９号公報 特開２００２−３０１０７２号公報

T. L. Szabo, "Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out",Academic Pr., 2004年9月7日, p.171 Y. Ohara, S.Yamamoto, T. Mihara, and K. Yamanaka, "Ultrasonic Evaluation of Closed CracksUsing Subharmonic Phased Array", Japanese Journal of Applied Physics, 2008, 47,pp.3908-3915 M.Scalerandi, A. S. Gliozzi, C. L. E. Bruno, D. Masera, and P. Bocca, "A scalingmethod to enhance detection of a nonlinear elastic response", Applied PhysicsLetters, 2008, 92, pp.101912-1-3 K.Yamanaka, Y. Ohara, M. Oguma, Y. Shintaku, "Two-Dimensional Analyses ofSubharmonic Generation at Closed Cracks in Nonlinear Ultrasonics", AppliedPhysics Express, 2011, 4, pp.076601-1-3 Y. Ohara,Y. Shintaku, S. Horinouchi, M. Ikeuchi, and K. Yamanaka, "Enhancement ofSelectivity in Nonlinear Ultrasonic Imaging of Closed Cracks Using AmplitudeDifference Phased Array", Japanese Journal of Applied Physics, 2012, 51,pp.07GB18-1-6 小原良和、山本摂、三原毅、山中一司、"超音波の非線形応答による閉じたき裂画像化のための入射波振幅の最適化"、Proceedingsof Ultrasonics Electronics Symposium、2006、27、423-424

図８に示すＳＰＡＣＥでは、高い距離分解能が必要な場合は、サイクル数３以下のバースト波を入射波とする。このとき、周波数分解能が低くなるため、非線形散乱源（き裂閉口部）と線形散乱源（底面・き裂開口部・粗大結晶粒・溶接欠陥）とが接近し、非線形散乱源に比べて線形散乱源からの応答が強い場合、分調波像には、き裂閉口部だけではなく、フィルタで除去しきれなかった基本波成分が現れてしまう。その結果、閉じたき裂と開いたき裂との識別が困難になり、識別性が低下するという課題があった。なお、バースト波とは、複数のサイクル数の正弦波から成る波である。

また、非特許文献３〜５に記載の方法では、閉じたき裂で発生した分調波が底面で反射して探触子で受信されることにより、底面にゴーストの応答が現れてしまい、これを完全に除去することができないという課題があった。なお、特許文献２は、医療分野での技術であり、実施例として、分調波や高調波を利用して解析を行う方法のみが記載されており、基本波成分のみで解析を行う方法は記載されていない。このため、仮に閉じたき裂のような欠陥に適用した場合には、非特許文献３〜５と同様に、閉じたき裂で発生した分調波が底面で反射して探触子で受信されるため、底面にゴーストの応答が現れてしまい、これを完全に除去することができない。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、構造物に含まれる閉じたき裂と開いたき裂との識別性を高めることができ、閉じたき裂のような欠陥を高い識別性で検出することができる構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置、ならびに、組織に含まれる気泡や病変部を高い識別性で検出することができる気泡や病変部の映像化装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る構造物欠陥の映像化方法は、構造物に含まれる閉じたき裂のような欠陥を検出するための構造物欠陥の映像化方法であって、所定の基本周波数で互いに異なる振幅を有する複数種類の超音波をそれぞれ送信信号として前記構造物に送信し、前記構造物から反射される超音波を受信して、各送信信号に対応する複数種類の受信信号を得る送受信工程と、前記送受信工程で得られた各受信信号に対して、前記基本周波数を有する成分を通過させる帯域通過フィルタをかけるフィルタ工程と、前記フィルタ工程後の各受信信号に基づいて、各受信信号に対応する複数種類の映像データを得る映像化工程と、前記映像化工程で得られた各映像データを用いて、対応する各送信信号の振幅の大きさに基づいた演算を行い、前記欠陥の映像を得る演算工程とを、有することを特徴とする。

特に、本発明に係る構造物欠陥の映像化方法で、前記送受信工程は、各送信信号として、それぞれ振幅ｕ_１および振幅ｕ_２（ｕ_２＞ｕ_１）を有する２種類の超音波を送信し、前記映像化工程は、振幅ｕ_１の送信信号に対応する応答強度Ｆ_１の映像データと振幅ｕ_２の送信信号に対応する応答強度Ｆ_２の映像データとを得、前記演算工程は、ΔＦ＝Ｆ_２−（ｕ_２／ｕ_１）×Ｆ_１により各映像データの差分応答強度ΔＦを算出し、その差分応答強度ΔＦの正の部分を選択することにより前記欠陥の映像を得ることが好ましい。

また、本発明に係る構造物欠陥の映像化装置は、構造物に含まれる閉じたき裂のような欠陥を検出するための構造物欠陥の映像化装置であって、所定の基本周波数で互いに異なる振幅を有する複数種類の超音波をそれぞれ送信信号として前記構造物に送信し、前記構造物から反射される超音波を受信して、各送信信号に対応する複数種類の受信信号を得るよう構成された送受信手段と、前記送受信手段で得られた各受信信号に対して、前記基本周波数を有する成分を通過させる帯域通過フィルタをかけるよう構成されたフィルタ手段と、前記フィルタ手段で処理後の各受信信号に基づいて、各受信信号に対応する複数種類の映像データを得るよう構成された映像化手段と、前記映像化手段で得られた各映像データを用いて、対応する各送信信号の振幅の大きさに基づいた演算を行い、前記欠陥の映像を得るよう構成された演算手段とを、有することを特徴とする。

特に、本発明に係る構造物欠陥の映像化装置で、前記送受信手段は、各送信信号として、それぞれ振幅ｕ_１および振幅ｕ_２（ｕ_２＞ｕ_１）を有する２種類の超音波を送信するよう構成され、前記映像化手段は、振幅ｕ_１の送信信号に対応する応答強度Ｆ_１の映像データと振幅ｕ_２の送信信号に対応する応答強度Ｆ_２の映像データとを得るよう構成され、前記演算手段は、ΔＦ＝Ｆ_２−（ｕ_２／ｕ_１）×Ｆ_１により各映像データの差分応答強度ΔＦを算出し、その差分応答強度ΔＦの正の部分を選択することにより前記欠陥の映像を得るよう構成されていることが好ましい。

本発明に係る構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、送信する超音波の基本周波数を主成分として含む基本波を用い、以下に示す原理に基づいて構造物に含まれる閉じたき裂などの欠陥を検出することができる。

すなわち、図１に示すように、閉じたき裂の位置ベクトルをｒ_Ｃ、線形散乱源である閉じたき裂より前方（図１では左側）の底面の位置ベクトルをｒ_Ｆ、閉じたき裂より後方（図１では右側）の底面の位置ベクトルをｒ_Ｒとする。送信する超音波の入射波振幅が小さい場合、超音波が閉じたき裂を透過してしまうため、閉じたき裂からの応答は微小である。一方、送信する超音波の入射波振幅がしきい値を超えた場合、閉じたき裂が超音波の応力により開閉振動し、分調波や高調波だけではなく基本波の応答も著しく増大する。このとき、閉じたき裂は超音波の入射波振幅に対して非線形応答を示すため、その非線形応答を、図２に示す最も単純な非線形関数である２次関数と仮定する。

これにより、閉じたき裂における基本波像の応答強度Ｆ_Ｃは、（１）式のようになる。
ここで、ｃ_１は閉じたき裂での基本波の散乱係数、ｕ_０（ｒ_Ｃ）は閉じたき裂での入射波振幅である。

次に、基本波像における底面の応答を考える。き裂の前方の底面ｒ_Ｆおよび後方の底面ｒ_Ｒにおける基本波像の応答強度Ｆ_ＦおよびＦ_Ｒは、入射波振幅に対して線形であるため、それぞれ（２）式および（３）式となる。
ここで、ｂ_１は線形散乱源（底面）での基本波の散乱係数、Ｔは閉じたき裂ｒ_Ｔにおける基本波成分の往復の透過率である。ここで、小振幅の場合、基本波はほぼ全て透過するためＴ≒１となり、大振幅の場合、き裂の開閉振動により基本波のエネルギーが失われるためＴ＜１となる。

（１）〜（３）式から、図１（ａ）に示す入射波振幅が小さい場合、入射波振幅ｕ_１＝ｕ_０として、位置ｒにおける基本波像の応答強度Ｆ_１は、（４）式となる。
ここで、小振幅では基本波はほぼ全て透過するためＴ≒１であり、δ（ｒ）はｒ＝０付近で大きな値をもつデルタ関数である。

また、（１）〜（３）式から、図１（ｂ）に示す入射波振幅が大きい場合、入射波振幅ｕ_２＝ａｕ_０（ａ＝ｕ_２／ｕ_１＞１）として、位置ｒにおける基本波像の応答強度Ｆ_２は、（５）式となる。

強度および符号の比較のため、ｒ_Ｆ、ｒ_Ｃ、ｒ_Ｒを１次元に投影し、各位置における応答強度をガウス関数で表した模式図を、図３に示す。（４）式で表される小振幅の場合の応答強度Ｆ_１に振幅比ａを乗じたものを図３（ａ）に、（５）式で表される大振幅の場合の応答強度Ｆ_２を図３（ｂ）に示す。ここで、Ｆ_２から振幅比ａを乗じたＦ_１の差分をとると、底面ｒ_Ｆは除去され、位置ｒにおけるその差分応答強度ΔＦは、（６）式となる。

ここで、ａ＞１よりＡ＞０である。また、ａ＞１、ｂ_１＞０、Ｔ＜１よりＢ＜０である。このため、差分応答強度ΔＦは、図３（ｃ）に示すようになる。図３（ｃ）に示すように、ＡとＢの符号により、閉じたき裂ｒ_Ｃでの応答強度と、底面ｒ_Ｒでの応答強度との判別は可能である。すなわち、０をしきい値として正の応答強度のみを閉じたき裂と判定することにより、図１（ｃ）に示すように、底面の応答は全て除去され、選択的に閉じたき裂の応答のみが（９）式として得られる。

次に、比較のため、特許文献２および非特許文献５に記載された、分調波像の振幅差分を用いた既存技術について、同様の処理を行った。この場合、帯域通過フィルタにより基本波成分の漏れが発生し、閉じたき裂ｒ_Ｔを通過する際に分調波が発生するため、図１（ｄ）に示す入射波振幅ｕ_１＝ｕ_０の分調波像Ｓ_１の応答強度、および、図１（ｅ）に示す入射波振幅ｕ_２＝ａｕ_０の分調波像Ｓ_２の応答強度は、それぞれ図３（ｄ）および図３（ｅ）のようになる。Ｓ_２から振幅比ａを乗じたＳ_１の差分をとると、底面ｒ_Ｆは除去され、位置ｒにおけるその差分応答強度ΔＳは、（１０）式となる。

ここで、ｃ_２は閉じたき裂ｒ_Ｃでの分調波の散乱係数である。また、βは帯域通過フィルタの漏れの係数であり、βＢは大振幅の短いバースト波を用いる場合に発生する帯域通過フィルタでの基本波成分Ｂの漏れである。また、ｃ_３Ａは、閉じたき裂ｒ_Ｔを透過する際に発生した分調波である。これは、図１（ｅ）に示すように、ｕ_０（ｒ_Ｔ）^２に比例するが、ここでは簡単のため、ｃ_３ｕ_０（ｒ_Ｃ）^２に比例すると仮定した。ここで、ｃ_３は透過における分調波の発生係数である。

閉じたき裂の応答は、（６）式の場合と同様に、ｃ_２Ａ＞０となる。一方、βＢ＜０だがｃ_３Ａ＞０のため、βＢ＋ｃ_３Ａ＞０になる場合がある。この場合、図３（ｆ）に示すように、差分応答強度ΔＳは、底面の応答が正になり、ｃ_２ＡとβＢ＋ｃ_３Ａの符号による判別はできない。このため、図１（ｆ）に示すように、閉じたき裂と底面とが正の応答として残り、閉じたき裂と底面の応答とを識別することはできない。

次に、さらなる比較のため、非特許文献３に記載された、帯域通過フィルタを用いない既存技術について、同様の処理を行った。この場合、応答強度は、基本波像と分調波像との和として表される。このため、入射波振幅ｕ_１＝ｕ_０の映像Ｕ_１＝Ｆ_１＋Ｓ_１の応答強度、および、入射波振幅ｕ_２＝ａｕ_０の映像Ｕ_２＝Ｆ_２＋Ｓ_２の応答強度は、それぞれ図３（ｇ）および図３（ｈ）のようになる。Ｕ_２から振幅比ａを乗じたＵ_１の差分をとると、底面ｒ_Ｆは除去され、位置ｒにおけるその差分応答強度ΔＵは、（１１）式となる。

（１１）式では、（６）式および（１０）式と同様に、（ｃ_１＋ｃ_２）Ａ＞０となることは自明である。また、帯域通過フィルタでの基本成分の漏れは（β＋１）Ｂ＜０だが、き裂を透過した際に発生した分調波はｃ_３Ａ＞０であるため、（β＋１）Ｂ＋ｃ_３Ａ＞０になる場合がある。この場合、図３（ｉ）に示すように、差分応答強度ΔＵは、底面の応答が正になり、（ｃ_１＋ｃ_２）Ａと（β＋１）Ｂ＋ｃ_３Ａの符号による判別はできない。このため、閉じたき裂と底面とが正の応答として残り、閉じたき裂と底面の応答とを識別することはできない。

このように、本発明に係る構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、基本波だけを用いることにより、特許文献２や非特許文献３、非特許文献５のような既存技術よりも、閉じたき裂の識別性に優れているといえる。本発明に係る構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、構造物に含まれる閉じたき裂と開いたき裂との識別性を高めることができ、閉じたき裂のような欠陥を高い識別性で検出することができる。

本発明に係る構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、送信信号として所定の振幅を有する超音波を走査することにより受信信号を得る工程を、送信信号の振幅を変化させながら複数回繰り返すことにより、複数種類の受信信号を得るよう構成されていてもよい。また、送信信号の振幅を所定の周期で変更させながら、複数種類の受信信号を得るよう構成されていてもよい。送信する超音波が、複数のサイクル数の正弦波から成るバースト波、もしくはパルス波から成っていてもよい。また、送信する超音波が、周波数が連続的に変化するチャープ波から成り、受信した信号に対してパルス圧縮処理を施して受信信号を構成してもよい。

本発明に係る構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置で、前記欠陥は、送信される送信信号の振幅の大きさに対して、受信信号の反射強度が非線形の応答を示すものから成っていてもよい。非線形の応答を示すものとして、例えば、構造物中の閉じたき裂や、組織中の気泡や病変部がある。欠陥が組織中の気泡や病変部から成る場合には、「構造物」を「組織」、「欠陥」を「気泡や病変部」と読み替えることにより、気泡や病変部の映像化方法および気泡や病変部の映像化装置を構成することができる。この場合、生体組織の造影剤気泡や病変部の識別性を向上することができ、気泡や病変部と他の組織とを識別して、組織に含まれる気泡や病変部を検出することができる。

本発明によれば、構造物に含まれる閉じたき裂と開いたき裂との識別性を高めることができ、閉じたき裂のような欠陥を高い識別性で検出することができる構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置、ならびに、組織に含まれる気泡や病変部を高い識別性で検出することができる気泡や病変部の映像化装置を提供することができる。

本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置を示す原理図である。 本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置の、閉じたき裂の基本波像強度（Ｉ_Ｃ）および線形散乱源の基本波像強度（Ｉ_Ｓ）の入射波振幅依存性を表すグラフである。 （ａ）本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置の、小振幅入射における基本波像の応答Ｆ_１に振幅比ａを乗じたもの、（ｂ）大振幅入射における基本波像の応答Ｆ_２、（ｃ）基本波の差分像の応答ΔＦ、（ｄ）分調波像の振幅差分を用いた既存技術の、小振幅入射における分調波像の応答Ｓ_１に振幅比ａを乗じたもの、（ｅ）大振幅入射における分調波像の応答Ｓ_２、（ｆ）分調波の差分像の応答ΔＳ、（ｇ）帯域通過フィルタを用いない既存技術の、小振幅入射における映像の応答Ｕ_１に振幅比ａを乗じたもの、（ｅ）大振幅入射における映像の応答Ｕ_２、（ｆ）これらの差分像の応答ΔＵを示すグラフである。 本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置を示す縦断面図および得られた映像である。 分調波像の振幅差分を用いた比較実験の、構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置の実験配置を示す縦断面図および得られた映像である。 図５に示す比較実験で得られた映像の、閉じたき裂におけるシフト加算波形およびそのウェーブレット変換結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置の、実験配置を示す縦断面図および得られた映像である。 従来の、分調波に対してフェーズドアレイ法を使用したＳＰＡＣＥの原理図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図４乃至図７は、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置を示している。本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法は、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化装置により好適に実施される。
図４に示すように、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化装置は、送受信手段１と信号処理器２とを有している。

送受信手段１は、任意の入射波振幅の超音波を照射可能な超音波送信器と、複数のセンサ素子から成るアレイ受信器とを一体的に有している。送受信手段１は、超音波送信器により、所定の基本周波数で互いに異なる振幅を有する複数種類の超音波を、それぞれ送信信号として構造物の試料Ｓ中の閉じたき裂Ｃに送信可能に構成されている。また、送受信手段１は、アレイ受信器により、超音波送信器から送信された超音波により閉じたき裂Ｃで生成された非線形散乱波を含む、試料Ｓから反射される超音波を受信して、各送信信号に対応する複数種類の受信信号を得るよう構成されている。

信号処理器２は、送受信手段１に接続されたコンピュータから成り、フィルタ手段と映像化手段と演算手段とを有している。フィルタ手段は、送受信手段１のアレイ受信器で得られた各受信信号に対して、基本周波数を有する成分を通過させる帯域通過フィルタをかけるよう構成されている。映像化手段は、フィルタ手段で処理後の各受信信号に対して、フェーズドアレイ法を用いて各受信信号に対応する複数種類の映像データを得るよう構成されている。すなわち、映像化手段は、帯域通過フィルタを通過した各受信信号に対して、アレイ受信器の各センサ素子の位置に応じて異なる時間だけシフトさせた後、加算して処理信号を得、得られた処理信号に基づいて、各映像データを得るようになっている。

演算手段は、映像化手段で得られた各映像データを用いて、対応する各送信信号の振幅の大きさに基づいた演算を行い、閉じたき裂Ｃの映像を得るよう構成されている。

図４に示す具体的な一例では、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、（１）式〜（９）式、図１〜図３に示す原理に基づいて、閉じたき裂Ｃの映像を得るよう構成されている。すなわち、送受信手段１が、各送信信号として、それぞれ振幅ｕ_１＝ｕ_０および振幅ｕ_２＝ａｕ_０（ａ＝ｕ_２／ｕ_１＞１）を有する２種類の超音波を試料Ｓに送信し、試料Ｓの底面Ｂや閉じたき裂Ｃなどから反射される超音波を受信する。各受信信号にフィルタ手段の帯域通過フィルタをかけた後、映像化手段が、映像化領域Ｄについて、小振幅ｕ_１＝ｕ_０の送信信号に対応する応答強度Ｆ_１の基本波像（映像データ）Ｉ１と、大振幅ｕ_２＝ａｕ_０の送信信号に対応する応答強度Ｆ_２の基本波像（映像データ）Ｉ２とを得る。

このとき、小振幅の基本波像Ｉ１では、超音波が閉じたき裂Ｃを透過するため、破線３の位置の閉じたき裂Ｃは映像化されず、底面４と底面５のみが現れる。しかし、大振幅の基本波像Ｉ２では、閉じたき裂Ｃの開閉振動により分調波や高調波だけではなく基本波も発生するため、閉じたき裂Ｃの応答６も現れる。一方、き裂の開閉振動により透過率が低下するため、底面８の振幅は低下する。

次に、演算手段が、小振幅の基本波像Ｉ１に振幅比ａを乗じ、大振幅の基本波像Ｉ２との差分を取る、すなわち、ΔＦ＝Ｆ_２−ａ×Ｆ_１により各基本波像の差分応答強度ΔＦを算出する。これにより、その差分像Ｉ３では、閉じたき裂Ｃは増分として現れ、底面１０は０となり、底面１１は減分として現れる。そこで、差分像Ｉ３を増分のみの表示、すなわち差分応答強度ΔＦの正の部分を選択することにより、底面１１が除去され、閉じたき裂Ｃの応答９のみを映像化することができる。

このように、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、基本波だけを用いることにより、構造物に含まれる閉じたき裂と開いたき裂との識別性を高めることができ、閉じたき裂のような欠陥を高い識別性で検出することができる。また、基本波は分調波の２倍の周波数を持つため、従来の分調波像の振幅差分から得られるものと比べて、空間分解能も向上させることができる。

本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置で、検出対象の欠陥は、閉じたき裂に限らず、送信される送信信号の振幅の大きさに対して、受信信号の反射強度が非線形の応答を示すものであれば、いかなるものであってもよい。この非線形の応答を示すものとして、例えば、構造物中の閉じたき裂の他に、組織中の気泡や病変部がある。欠陥が組織中の気泡や病変部から成る場合には、「構造物」を「組織」、「欠陥」を「気泡や病変部」と読み替えることにより、気泡や病変部の映像化方法および気泡や病変部の映像化装置を構成することができる。この場合、生体組織の造影剤気泡や病変部の識別性を向上することができ、気泡や病変部と他の組織とを識別して、組織に含まれる気泡や病変部を検出することができる。

なお、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、送信信号として所定の振幅を有する超音波を走査することにより受信信号を得る工程を、送信信号の振幅を変化させながら複数回繰り返すことにより、複数種類の受信信号を得るよう構成されていてもよい。また、送信信号の振幅を所定の周期で変更させながら、複数種類の受信信号を得るよう構成されていてもよい。送信する超音波が、複数のサイクル数の正弦波から成るバースト波、もしくはパルス波から成っていてもよい。また、送信する超音波が、周波数が連続的に変化するチャープ波から成り、受信した信号に対してパルス圧縮処理を施して受信信号を構成してもよい。

本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置を使用して、閉じたき裂の検出を行った。試験片の構造物として、３点曲げ疲労試験で作製したオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌを用い、その内部に導入した閉じた疲労き裂の検出を行った。なお、ここで用いた疲労条件は、最大応力拡大係数Ｋ_ｍａｘ＝１８．６ＭＰａ・ｍ^１／２、最小応力拡大係数Ｋ_ｍｉｎ＝０．６ＭＰａ・ｍ^１／２である。また、比較のため、非特許文献５に記載の分調波像の振幅差分を利用して、同じき裂の検出も行った。

構造物欠陥の映像化装置は、送受信手段１としてＰＺＴアレイ探触子（５ＭＨｚ、３２素子、０．５ｍｍピッチ）を用いた。また、入射波には、周波数７ＭＨｚ、３サイクルのバースト波を用いた。また、入射波には、小振幅および大振幅として、それぞれ変位８．９ｎｍ（応力２．４ＭＰａ）および変位２６．７ｎｍ（応力７．３ＭＰａ）を用いた。

比較実験の分調波像の振幅差分を利用したときの分調波像を、図５に示す。図５に示すように、小振幅の分調波像Ｉ１１および大振幅の分調波像Ｉ１２で、閉じたき裂Ｃの応答が現れた。しかし、閉じたき裂Ｃ以外の応答として、底面ＢやノッチＮも帯域通過フィルタでの漏れによるゴーストとして現れた。そこで、信号処理器２で、入射波変位振幅の増幅率ａ＝２６．７ｎｍ／８．９ｎｍ≒３を、小振幅の分調波像Ｉ１１に乗じた映像を、大振幅の分調波像Ｉ１２から引いて差分像Ｉ１３を得た。差分像Ｉ１３では、底面ＢやノッチＮに対する閉じたき裂Ｃの強度比である識別性は、大振幅の分調波像Ｉ１２と比べて７．６ｄＢ向上した。しかし、底面ＢやノッチＮを完全には除去できなかった。これは、分調波像では、閉じたき裂Ｃと同様に、底面Ｂも増分として現れたためと推定される。

ここで、大振幅の分調波像Ｉ１２の閉じたき裂Ｃの位置における、帯域通過フィルタをかける前のシフト加算波形Ｗ１とそのウェーブレット変換（時間周波数解析）結果Ｗ２とを、図６に示す。図６に示すように、ウェーブレット変換結果Ｗ２では、周波数３．５ＭＨｚの分調波だけではなく、周波数７ＭＨｚの基本波の散乱波も発生していることが分かる。これは、き裂の開閉振動による分調波発生に付随して発生した基本波であると考えられる。

次に、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法により得られた基本波像の振幅差分を、図７に示す。小振幅の基本波像Ｉ１４および大振幅の基本波像Ｉ１５で、閉じたき裂Ｃの応答が現れた。しかし、閉じたき裂Ｃ以外の応答として、底面Ｂも現れた。そこで、信号処理器２で、入射波変位振幅の増幅率ａ＝２６．７ｎｍ／８．９ｎｍ≒３を、小振幅の基本波像Ｉ１４に掛けたものを、大振幅の基本波像Ｉ１５から引き、その増分のみを表示して差分像Ｉ１６を得た。差分像Ｉ１６では、底面ＢやノッチＮが除去され、閉じたき裂Ｃのみを抽出することができた。差分像Ｉ１６では、底面Ｂに対する閉じたき裂Ｃの強度比である識別性は、大振幅の基本波像Ｉ１７と比べて３４ｄＢ向上した。また、空間分解能もＩ１３に比べて、約２倍向上した。これは、基本波の周波数が、分調波の周波数の２倍であるためである。

このように、本発明の実施の形態の構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、基本波だけを用いることにより、非特許文献５等の既存技術に対して、閉じたき裂の識別性に優れているといえる。

本発明に係る構造物欠陥の映像化方法および構造物欠陥の映像化装置は、原子炉、航空機、鉄道などの重要機器、及び製造された材料、接合された材料などの非破壊評価の現場において、閉じたき裂のような欠陥を高い識別性で検出するのに利用することができる。

１ 送受信手段
２ 信号処理器
３、６、９ 閉じたき裂（の応答）
４、５、７、８、１０、１１ 底面（の応答）
Ｓ 試料
Ｂ 底面
Ｃ 閉じたき裂
Ｄ 映像化領域
Ｎ ノッチ
Ｉ１、Ｉ１４ 小振幅（入射）の基本波像
Ｉ２、Ｉ１５ 大振幅（入射）の基本波像
Ｉ３、Ｉ１６ 差分像
Ｉ１１ 小振幅（入射）の分調波像
Ｉ１２ 大振幅（入射）の分調波像
Ｉ１３ 差分像
Ｗ１ シフト加算波形
Ｗ２ ウェーブレット解析結果

Claims (8)

1. 構造物に含まれる閉じたき裂のような欠陥を検出するための構造物欠陥の映像化方法であって、
   所定の基本周波数で互いに異なる振幅を有する複数種類の超音波をそれぞれ送信信号として前記構造物に送信し、前記構造物から反射される超音波を受信して、各送信信号に対応する複数種類の受信信号を得る送受信工程と、
   前記送受信工程で得られた各受信信号に対して、前記基本周波数を有する成分を通過させる帯域通過フィルタをかけるフィルタ工程と、
   前記フィルタ工程後の各受信信号に基づいて、各受信信号に対応する複数種類の映像データを得る映像化工程と、
   前記映像化工程で得られた各映像データを用いて、対応する各送信信号の振幅の大きさに基づいた演算を行い、前記欠陥の映像を得る演算工程とを、
   有することを特徴とする構造物欠陥の映像化方法。
2. 前記送受信工程は、各送信信号として、それぞれ振幅ｕ_１および振幅ｕ_２（ｕ_２＞ｕ_１）を有する２種類の超音波を送信し、
   前記映像化工程は、振幅ｕ_１の送信信号に対応する応答強度Ｆ_１の映像データと振幅ｕ_２の送信信号に対応する応答強度Ｆ_２の映像データとを得、
   前記演算工程は、ΔＦ＝Ｆ_２−（ｕ_２／ｕ_１）×Ｆ_１により各映像データの差分応答強度ΔＦを算出し、その差分応答強度ΔＦの正の部分を選択することにより前記欠陥の映像を得ることを
   特徴とする請求項１記載の構造物欠陥の映像化方法。
3. 前記欠陥は、送信される送信信号の振幅の大きさに対して、受信信号の反射強度が非線形の応答を示すものから成ることを特徴とする請求項１または２記載の構造物欠陥の映像化方法。
4. 構造物に含まれる閉じたき裂のような欠陥を検出するための構造物欠陥の映像化装置であって、
   所定の基本周波数で互いに異なる振幅を有する複数種類の超音波をそれぞれ送信信号として前記構造物に送信し、前記構造物から反射される超音波を受信して、各送信信号に対応する複数種類の受信信号を得るよう構成された送受信手段と、
   前記送受信手段で得られた各受信信号に対して、前記基本周波数を有する成分を通過させる帯域通過フィルタをかけるよう構成されたフィルタ手段と、
   前記フィルタ手段で処理後の各受信信号に基づいて、各受信信号に対応する複数種類の映像データを得るよう構成された映像化手段と、
   前記映像化手段で得られた各映像データを用いて、対応する各送信信号の振幅の大きさに基づいた演算を行い、前記欠陥の映像を得るよう構成された演算手段とを、
   有することを特徴とする構造物欠陥の映像化装置。
5. 前記送受信手段は、各送信信号として、それぞれ振幅ｕ_１および振幅ｕ_２（ｕ_２＞ｕ_１）を有する２種類の超音波を送信するよう構成され、
   前記映像化手段は、振幅ｕ_１の送信信号に対応する応答強度Ｆ_１の映像データと振幅ｕ_２の送信信号に対応する応答強度Ｆ_２の映像データとを得るよう構成され、
   前記演算手段は、ΔＦ＝Ｆ_２−（ｕ_２／ｕ_１）×Ｆ_１により各映像データの差分応答強度ΔＦを算出し、その差分応答強度ΔＦの正の部分を選択することにより前記欠陥の映像を得るよう構成されていることを
   特徴とする請求項４記載の構造物欠陥の映像化装置。
6. 前記欠陥は、送信される送信信号の振幅の大きさに対して、受信信号の反射強度が非線形の応答を示すものから成ることを特徴とする請求項４または５記載の構造物欠陥の映像化装置。
7. 組織に含まれる気泡や病変部を検出するための気泡や病変部の映像化装置であって、
   所定の基本周波数で互いに異なる振幅を有する複数種類の超音波をそれぞれ送信信号として前記組織に送信し、前記組織から反射される超音波を受信して、各送信信号に対応する複数種類の受信信号を得るよう構成された送受信手段と、
   前記送受信手段で得られた各受信信号に対して、前記基本周波数を有する成分を通過させる帯域通過フィルタをかけるよう構成されたフィルタ手段と、
   前記フィルタ手段で処理後の各受信信号に基づいて、各受信信号に対応する複数種類の映像データを得るよう構成された映像化手段と、
   前記映像化手段で得られた各映像データを用いて、対応する各送信信号の振幅の大きさに基づいた演算を行い、前記気泡や病変部の映像を得るよう構成された演算手段とを、
   有することを特徴とする気泡や病変部の映像化装置。
8. 前記送受信手段は、各送信信号として、それぞれ振幅ｕ_１および振幅ｕ_２（ｕ_２＞ｕ_１）を有する２種類の超音波を送信するよう構成され、
   前記映像化手段は、振幅ｕ_１の送信信号に対応する応答強度Ｆ_１の映像データと振幅ｕ_２の送信信号に対応する応答強度Ｆ_２の映像データとを得るよう構成され、
   前記演算手段は、ΔＦ＝Ｆ_２−（ｕ_２／ｕ_１）×Ｆ_１により各映像データの差分応答強度ΔＦを算出し、その差分応答強度ΔＦの正の部分を選択することにより前記気泡や病変部の映像を得るよう構成されていることを
   特徴とする請求項７記載の気泡や病変部の映像化装置。