JP6430923B2 - Wave receiving method and receiving apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、弾性波である波を受信することにより部材の欠陥等を検出、評価する波の受信方法及び受信装置に関する。 The present invention relates to a wave receiving method and a receiving apparatus for detecting and evaluating a defect of a member by receiving a wave which is an elastic wave.
各種機械の構成部材は、機械の深部に配置される場合がある。また、建築部材や建設部材等の長尺部材は、建造物中や地中に埋め込まれたりする場合がある。このような場合、経年変化により亀裂、摩耗、腐食、変形などにより形状や材料特性の変化が生じても、その変化(欠陥)を目視等で直接検査することが困難である。 The components of various machines may be placed deep in the machine. Moreover, long members, such as a building member and a construction member, may be embedded in a building or the ground. In such a case, even if changes in shape and material characteristics occur due to cracks, wear, corrosion, deformation, etc. due to aging, it is difficult to directly inspect the changes (defects) visually.
そこで、長尺部材に直接アクセス可能な場所から長尺部材の軸方向に進行する波(一般には固体振動である弾性波)を送信し、形状等が変化した部分から反射された波を受信することにより、欠陥の存在、その位置、欠陥の程度等を検出する検査方法(例えば弾性波パルス反射法)が提案されている。 Therefore, a wave traveling in the axial direction of the long member (generally an elastic wave that is solid vibration) is transmitted from a place where the long member can be directly accessed, and a wave reflected from a portion whose shape has changed is received. Has proposed an inspection method (for example, an elastic wave pulse reflection method) for detecting the presence of a defect, its position, the degree of the defect, and the like.
その検査方法における波の受信においては、検査信号を対象物に送信してから反射された波を受信するまでの時間と波の伝搬速度とに基づいて欠陥までの距離を評価し、例えば受信した波の振幅等によって欠陥の程度を評価している。一般に受信する波は空間的に有限の幅を持つ波束である。波束の受信は、長尺部材の所定の箇所に設置した受信センサによって行われる。 In the reception of the wave in the inspection method, the distance to the defect is evaluated based on the time from the transmission of the inspection signal to the object to the reception of the reflected wave and the propagation speed of the wave. The degree of defect is evaluated by the amplitude of the wave. In general, a wave to be received is a wave packet having a spatially finite width. The reception of the wave packet is performed by a reception sensor installed at a predetermined location on the long member.
ここで、検査する方向(以降、「前方」と称する)とは逆の方向(以降、「後方」と称する)から到来する波が存在するとノイズの原因となる。そのため、前方センサと後方センサの2個のセンサを設置し、両者の受信信号に、適切な遅延時間を設定して線形和を取ることにより、後方から到来する波束(以降、「後方波」と称する)の影響を相殺して抑制する処理が行われることがある。この処理は、受信(波)の指向性制御方法として知られている。 Here, if a wave arriving from a direction (hereinafter referred to as “rearward”) opposite to the direction to be inspected (hereinafter referred to as “frontward”) is present, it causes noise. Therefore, by installing two sensors, the front sensor and the rear sensor, and setting the appropriate delay time to the received signals of both of them and taking a linear sum, the wave packet coming from behind (hereinafter referred to as “rear wave”) In some cases, the effect of canceling and suppressing the influence of This process is known as a reception (wave) directivity control method.
従来の受信波の指向性制御は、具体的には2個のセンサを設置する間隔を、受信する波束の中心周波数の波の4分の1波長とし、遅延時間を中心周波数の波の4分の1周期とすることによって後方波を相殺して抑制する。つまり、前方センサで受信した受信信号から、後方センサで受信した受信信号に4分の1周期の遅延時間を与えた信号を引き算することで後方波の影響を相殺、抑制する。また、同様に、前方センサの受信信号に4分の1周期の遅延時間を与えて後方センサの受信信号と足し合せることによって、前方から到来する波束(以降、「前方波」と称する)の振幅を(センサ1個の場合の)2倍とすることも可能である。 In conventional directivity control of received waves, specifically, the interval between two sensors is set to 1/4 wavelength of the wave at the center frequency of the received wave packet, and the delay time is set to 4% of the wave at the center frequency. The backward wave is canceled and suppressed by setting one cycle of That is, the influence of the backward wave is offset and suppressed by subtracting a signal obtained by adding a delay time of a quarter period to the reception signal received by the rear sensor from the reception signal received by the front sensor. Similarly, the amplitude of the wave packet coming from the front (hereinafter referred to as “front wave”) is obtained by adding a delay time of a quarter period to the reception signal of the front sensor and adding it to the reception signal of the rear sensor. Can be doubled (in the case of a single sensor).
しかしながら、上記の方法では、波束の進む速さである群速度と、位相の進む速さ(同じ位相の点[例えば振幅の山や谷]が進む速さ)である位相速度とが一致する場合にしか一般には対応できない。したがって、位相速度と群速度とが異なる場合には、例えば後方波を完全に消去し、又は、前方波の振幅を完全に2倍にして受信信号のSN比を向上させることができないという課題がある。 However, in the above method, the group velocity, which is the speed at which the wave packet advances, and the phase velocity, which is the speed at which the phase advances (the speed at which a point of the same phase [for example, a peak or valley of amplitude] advances), In general, it can only be handled. Therefore, when the phase velocity and the group velocity are different, there is a problem that, for example, the backward wave cannot be completely eliminated, or the amplitude of the forward wave can be completely doubled to improve the SN ratio of the received signal. is there.
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、位相速度と群速度とが異なる場合でも、後方波の受信信号の消去や前方波の受信信号の振幅の増大を行い受信信号のSN比を向上させることができる波の受信方法及び受信装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of this problem. Even when the phase velocity and the group velocity are different, the received signal SN ratio is reduced by eliminating the backward received signal or increasing the amplitude of the forward received signal. An object of the present invention is to provide a wave receiving method and receiving apparatus capable of improving the frequency.
本発明の波の受信方法は、波束の群速度と位相速度との差分と、前記波束の中心周波数の波の波長とに基づいて、第1センサと第2センサとの配置を決定するための配置決定時間を計算する配置決定時間計算ステップと、前記差分と前記波長とに基づいて、受信信号を相殺又は増幅するための遅延時間を計算する遅延時間計算ステップと、前記配置決定時間の間に前記波束が前記群速度で進行する距離を空けて被検査物に設置される前記第1センサと第2センサとで前記波束を受信する受信ステップと、前記第1センサ又は第2センサの一方の受信信号を、前記遅延時間の時間遅らせた遅延信号を生成する遅延信号生成ステップと、前記遅延信号と、前記第1センサ又は第2センサの他方の受信信号とを線形和して求めた信号を出力する信号出力ステップとを行うことを要旨とする。 The wave receiving method of the present invention is for determining the arrangement of the first sensor and the second sensor based on the difference between the group velocity and the phase velocity of the wave packet and the wavelength of the wave at the center frequency of the wave packet. An arrangement determination time calculating step for calculating an arrangement determination time; a delay time calculating step for calculating a delay time for canceling or amplifying a received signal based on the difference and the wavelength; and the arrangement determination time. A receiving step of receiving the wave packet by the first sensor and the second sensor installed on the object to be inspected at a distance where the wave packet travels at the group velocity; and one of the first sensor and the second sensor. A delay signal generation step of generating a delay signal obtained by delaying the reception signal by the delay time; a signal obtained by linearly adding the delay signal and the other reception signal of the first sensor or the second sensor; Output signal And gist to carry out the force step.
また、本発明の受信装置は、波束の群速度と位相速度との差分と、前記波束の中心周波数の波の波長とに基づいて、センサの配置を設定するために決定された配置決定時間の間に、前記波束が前記群速度で進行する距離を空けて被検査物に設置される第1センサと第2センサと、前記第1センサと第2センサとで検出した前記波束を受信して受信信号を出力する受信部と、前記第1センサ又は第2センサの一方の受信信号を、前記差分と前記波長とに基づいて受信信号を相殺又は増幅するために決定された遅延時間の時間遅らせた遅延信号を生成する遅延信号生成部と、前記遅延信号と、前記第1センサ又は第2センサの他方の受信信号とを線形和して求めた信号を出力する信号出力部とを具備することを要旨とする。 Further, the receiving apparatus of the present invention has an arrangement determination time determined to set the arrangement of the sensor based on the difference between the group velocity and the phase velocity of the wave packet and the wavelength of the wave at the center frequency of the wave packet. In the meantime, receiving the wave packet detected by the first sensor and the second sensor, and the first sensor and the second sensor installed on the object to be inspected at a distance that the wave packet travels at the group velocity. A reception unit that outputs a reception signal, and delays one reception signal of the first sensor or the second sensor by a delay time determined to cancel or amplify the reception signal based on the difference and the wavelength. A delay signal generation unit that generates a delayed signal, and a signal output unit that outputs a signal obtained by linearly summing the delay signal and the other reception signal of the first sensor or the second sensor. Is the gist.
本発明によれば、位相速度と群速度とが異なる場合でも、後方波の受信信号の消去や前方波の受信信号の振幅の増大を行えるので受信信号のSN比を向上させる波の受信方法と受信装置を提供することができる。 According to the present invention, even when the phase velocity and the group velocity are different from each other, it is possible to cancel the backward received signal and increase the amplitude of the forward received signal. A receiving device can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには
同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。本発明の具体的な実施形態の説明をする前に、本願発明の波の受信方法(以降、受信方法と称する)の概要について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same components in a plurality of drawings, and the description will not be repeated. Before describing specific embodiments of the present invention, an outline of a wave receiving method (hereinafter referred to as a receiving method) of the present invention will be described.
〔受信方法〕
図1に、本発明の受信方法を用いて検査する検査対象物である被検査物と、センサとの関係を示す。本発明の受信方法は、被検査物10に、第1センサ11と第2センサ12の2個のセンサを設置して被検査物10の内部や表面を軸方向に伝搬する固体振動の波(弾性波)を受信する方法である。
[Reception method]
FIG. 1 shows the relationship between an inspection object, which is an inspection object to be inspected using the receiving method of the present invention, and a sensor. In the receiving method of the present invention, the two objects of the
なお、第1センサ11と第2センサ12とが受信する受信信号は、被検査物10の前方で送信波が反射又は被検査物の検査対象部分を通過した後に前方からセンサに到達した波束によるものである。送信波は、図示しない送信機によって被検査物10に入力される波束である。波束とは、空間的に(有限の領域に)制限された波であり、中心周波数fの近傍のある範囲の周波数の波を重ね合わせることによって生成される波の束である。送信波(弾性波の波束)は、例えば圧電素子探触子で生成することができる。
The reception signal received by the
送信機は、例えば第1センサ11又は第2センサ12と一体に構成しても良いし、送信機のみを被検査物10の何れかの位置に設置するようにしても良い。以降においては、送信機が第1センサ11よりも前方側に配置されているものとして説明する。
For example, the transmitter may be configured integrally with the
被検査物10の長手方向にその内部や表面を弾性波の波束が進む速度を群速度Vgと表記する。波束を構成する波(正確には、波束を構成する中心周波数fの波)の位相の進む速度(同じ位相の点[例えば山/谷の点]の進む速さ)を位相速度Vphと表記する。位相速度Vphは次式で表せる。 The speed at which the wave packet of the elastic wave travels in the longitudinal direction of the object to be inspected 10 in the longitudinal direction is expressed as a group speed Vg. The speed at which the phase of the wave that constitutes the wave packet (more precisely, the wave of the center frequency f that constitutes the wave packet) advances (the speed at which the point of the same phase [for example, the peak / valley point] advances) is expressed as the phase velocity Vph. . The phase velocity Vph can be expressed by the following equation.
〔群速度Vg>位相速度Vphの場合〕
まず、位相速度Vphよりも群速度Vgが速い場合(Vg>Vph>0)について、第1センサ11と第2センサ12とにより受信される後方波の信号を相殺して消去する方法を説明する。第1センサ11と第2センサ12とは、次式を満たす距離Lの間隔を、被検査物10の軸方向に空けて設置される。
(When group velocity Vg> phase velocity Vph)
First, a method of canceling and canceling backward wave signals received by the
ここで、時間差t0は、第1の整数nを1以上の整数として、次式によって決定される時間である。 Here, the time difference t0 is a time determined by the following equation, where the first integer n is an integer of 1 or more.
ここで、図2を参照して後方波の受信信号の時間軸上の位置と位相との関係について説明する。図2(a)、(b)は、第2センサ12と第1センサ11とでそれぞれ受信する(波束による)受信信号の関係の一例を示す概念図である。図2(a)、(b)の横軸は時間t、縦軸は信号振幅を表す。また、図2(a)、(b)は、群速度Vgが位相速度Vphよりも速く(Vg>Vph)、第1の整数nがn=1の場合についての一例を示した図である。
Here, the relationship between the position on the time axis and the phase of the received signal of the backward wave will be described with reference to FIG. FIGS. 2A and 2B are conceptual diagrams illustrating an example of a relationship between received signals (by wave packets) received by the
第2センサ12で受信する後方波は、時刻t=0の時点から始まる信号として表してある。従って、第2センサ12で受信した後方波の受信時間を、上記の配置決定時間t0と等しい時間遅らせた信号は、第1センサ11で受信する後方波の信号と時間軸上で完全に重なり合う(開始時刻と終了時刻とが一致する)こととなる。以降、受信信号を遅らせる時間を遅延時間t0′と称する。配置決定時間t0と遅延時間t0′とは、後述するように一般には異なる時間(t0≠t0′)として良いが、ここでは簡単のため両者の等しいケース(t0=t0′)について記述する。
The backward wave received by the
次に、第2センサ12で受信した後方波受信時間を遅延時間t0遅らせた信号と、第1センサ11で受信する後方波受信信号の位相の関係について説明する。第2センサ12で受信した後方波(波束)受信信号の中の任意の点、例えば点P12は、実空間では位相速度Vphで進行するため、第1センサ11にはt0・Vg/Vphの時間、遅れて到達する。したがって、第2センサ12の受信信号の点P12は、第1センサ11の受信信号において点P11に対応する。
Next, the relationship between the phase of the backward wave reception signal received by the
よって、第2センサ12で受信した後方波受信信号を遅延時間t0分の時間遅らせた信号と、第1センサ11で受信した後方波受信信号とに関して、対応する任意の点の時間差ΔTは次式で表せる。
Therefore, regarding the signal obtained by delaying the backward wave reception signal received by the
従って、t0=t0′のケースでは、第1の整数nが奇数の場合は、第2センサ12の受信信号に遅延時間t0′を付加した遅延信号と、第1センサ11で受信した信号との位相差はπとなる。つまり、両信号は、図2に示したようにお互いに反転した信号となる。よって、第2センサ12で受信した後方波の受信信号を遅延時間t0分遅らせて第1センサ11の受信信号に足し合わせることで、後方波の受信信号を相殺して消去することができる。
Therefore, in the case of t0 = t0 ′, when the first integer n is an odd number, the delay signal obtained by adding the delay time t0 ′ to the reception signal of the
また、第1の整数nが偶数の場合は、第1センサ11で生じる位相差は0となる。つまり、第2センサ12で受信した波束を時間差t0分の時間遅らせた波束は、第1センサ11で受信した後方波と一致する波束となる。この場合は、第2センサ12で受信した後方波の波束を時間差t0分遅らせて第1センサ11の受信信号から引き算することで、後方波を相殺して消去することができる。第1センサ11に対して第2センサ12の時間軸を遅延時間t0だけ遅らせる(遅延時間t0を付加する)処理によって、これらの受信信号は時間軸上で同一時刻に重なることになるため、波束の形(波束の包絡線)が第1センサ11と第2センサ12とで受信される時に同一であって変形しない(との近似が成り立つ)場合、原理的に後方波を完全に相殺して消去することができる。
When the first integer n is an even number, the phase difference generated by the
なお、以降において、2つのセンサにおける後方波の受信信号を時間軸上で完全に重ね合わせて(信号の開始時刻と終了時刻を一致させて)相殺し、消去する方法を、減算優先と称する場合もある。 In the following, the method of canceling by overlapping the received signals of the backward waves from the two sensors completely on the time axis (matching the start time and the end time of the signals) and canceling will be referred to as subtraction priority. There is also.
以上述べた後方波の相殺、抑制は、位相速度Vphと群速度Vgとが異なる場合に、その両者が如何なる値であっても行うことができる。また更に、後方波の相殺、抑制と同時に前方波の信号の強調を行うことも可能である。 When the phase velocity Vph and the group velocity Vg are different, the backward wave cancellation and suppression described above can be performed regardless of the value of both. Furthermore, it is also possible to enhance the forward wave signal simultaneously with the cancellation and suppression of the backward wave.
第2センサ12で受信した波束を配置決定時間と等しい時間差t0分遅延させる場合、前方波については、第2センサ12の遅延信号と第1センサ11の受信信号とが、時間軸上でt0の2倍ずれることになるため、前方波の強調を同時に実施するための条件は、t0の2倍が、周期1/fの半整数倍である波を選択することとなる(式(6))。ここで波を選択するとは、式(6)の条件を満たす周波数を中心周波数fとする送信波(波束)を、送信機から被検査物10に入力し、ここで述べる手法によって受信及び信号処理することである。
When the wave packet received by the
前方波に関して、第1センサ11で受信される受信信号と、第2センサ12の受信信号に遅延時間t0を付加して生成した遅延信号とは、位相差が0(nが奇数)/π(nが偶数)となるために、両者の和(nが奇数)/差(nが偶数)を取ると、遅延時間t0付加後に両者が時間的に重なる領域ではその信号振幅を増大させることができる。
Regarding the forward wave, the phase difference between the reception signal received by the
具体的には、前方波の波束の受信信号について、第1センサ11の受信信号においてt=0の時刻から始まるとすると、第2センサ12の受信信号においてはt=t0から始まるが、第2センサ12の受信信号に遅延時間t0を付加することによって両者の時間差(受信信号の開始時刻や終了時刻の時間差)は2・t0となる。ここで、和(nが奇数)/差(nが偶数)を取ると、第1センサ11で受信される前方波の時間幅が2・t0を超える場合、両受信信号が時間軸上で重なる領域ではその信号振幅を増大させることができる。一方、センサで受信される前方波の時間幅が2・t0以下の場合、2つの信号は時間軸上では分離していることになるが、その場合でも和(nが奇数)/差(nが偶数)の処理後の信号において両者の位相差は0の関係となっている。
Specifically, with respect to the reception signal of the wave packet of the forward wave, if the reception signal of the
ここで、後方波の完全な相殺と前方波の位相の一致(遅延時間付加後に時間軸上で重なっていれば足し合せによる信号振幅の増大)を同時に実現するための条件についてより具体的に説明する。まず、周期T(=1/f)は、式(1)より、次式で表せる。 Here, the condition for simultaneously realizing complete cancellation of the backward wave and the coincidence of the phase of the forward wave (increase in signal amplitude due to addition if overlapping on the time axis after adding the delay time) will be described in more detail. To do. First, the cycle T (= 1 / f) can be expressed by the following equation from Equation (1).
以上説明したように、本発明の波の受信方法は、最初に、波束の群速度Vgと位相速度Vphとの差分と波の半波長とに基づき、第1センサ11と第2センサ12の配置を決定するための配置決定時間t0を計算する。次に、配置決定時間t0と群速度Vgから求めた距離Lの間隔を空けて設置した第1センサ11と第2センサ12とで、被検査物10を伝搬する弾性波の波束による信号を受信する。次に、第1センサ11又は第2センサ12の一方の受信信号を、遅延時間t0′(上記ではt0′=t0の場合について説明)の時間遅らせた遅延信号を生成する。そして最後に、当該遅延信号と、第1センサ11又は第2センサ12の他方の受信信号とを線形和して求めた信号を出力する。
As described above, in the wave receiving method of the present invention, first, the arrangement of the
以上のように動作する本発明の受信方法によれば、位相速度Vphと群速度Vgとが異なる場合でも、後方波の受信信号を完全に消去すると共に前方波の受信信号の振幅を(前方波の受信信号に対して遅延時間t0′付加後に2つの受信信号が時間的に重なる領域については)2倍にして受信信号のSN比を向上させることができる。 According to the reception method of the present invention that operates as described above, even when the phase velocity Vph and the group velocity Vg are different, the reception signal of the backward wave is completely erased and the amplitude of the reception signal of the forward wave (the forward wave) The signal-to-noise ratio of the received signal can be improved by doubling (for the region where the two received signals overlap in time after adding the delay time t0 ′).
以降において、具体的な本発明の実施形態を示して更に詳しくその動作を説明する。 Hereinafter, a specific embodiment of the present invention will be shown and the operation will be described in more detail.
〔実施形態〕
図3に、本発明の実施形態の受信装置100の機能構成例を示す。受信装置100は、第1センサ11と、第2センサ12と、受信部20と、遅延信号生成部30と、信号出力部40とを具備する。第1センサ11と第2センサ12とを除いた受信装置100は、例えばROM、RAM、CPU等で構成されるコンピュータに所定のプログラムが読み込まれて、CPUがそのプログラムを実行することで実現されるものである。
Embodiment
FIG. 3 shows a functional configuration example of the receiving
図4に示す受信装置100の動作フローも参照してその動作を説明する。第1センサ11と第2センサ12とは、上記の距離Lの間隔を空けて被検査物10の上に設置される。第1センサ11は、第2センサ12に対して例えば前方側に設置される。
The operation will be described with reference to the operation flow of the receiving
距離Lは、波束の群速度Vgと位相速度Vphとの差分と、波束の中心周波数の波の波長とに基づいて決定される配置決定時間t0の間に、波束が群速度Vgで進行する距離である。この配置決定時間t0は、受信装置100が受信動作を開始する前に、波束の群速度Vgと位相速度Vphとの差分と、波の波長とに基づいて計算で求める(式(3))(ステップS1)。
The distance L is the distance that the wave packet travels at the group velocity Vg during the arrangement determination time t0 that is determined based on the difference between the group velocity Vg and the phase velocity Vph of the wave packet and the wavelength of the wave at the center frequency of the wave packet. It is. This arrangement determination time t0 is obtained by calculation based on the difference between the wave packet group velocity Vg and the phase velocity Vph and the wave wavelength before the
次に、波束の群速度Vgと位相速度Vphとの差分と、波束の中心周波数の波の波長とに基づいて、受信信号を相殺又は増幅するための遅延時間t0′を計算する(ステップS2)。この求めた遅延時間t0′は情報として受信装置100に入力される。
Next, a delay time t0 ′ for canceling or amplifying the received signal is calculated based on the difference between the group velocity Vg and the phase velocity Vph of the wave packet and the wavelength of the wave at the center frequency of the wave packet (step S2). . The obtained delay time t0 ′ is input to the receiving
受信部20は、第1センサ11と第2センサ12とで検出した波束を受信してそれぞれの波束を、信号処理が可能な振幅の電圧信号に変換して出力する(ステップS3)。なお、受信部20は、第1センサ11と第2センサ12とにそれぞれ独立した構成として設けても良い。
The receiving
遅延信号生成部30は、第1センサ11又は第2センサ12で受信した一方の受信信号を、遅延時間t0′の時間遅らせて遅延信号を生成する(ステップS4)。
The delay
信号出力部40は、遅延信号と、第1センサ11又は第2センサ12で受信した他方の受信信号とを線形和して求めた信号を出力する(ステップS5)。ステップS3〜S5の動作は、受信装置100が受信動作を停止するまで繰り返される。
The
なお、後方波による信号を完全に相殺し、且つ前方波を可能な限り時間的に重ね合わせるためには、第1センサ11と第2センサ12との間の距離L(式(2))は、波の波長λに対して可能な限り短いものが望ましい。式(9)により、波長λに対して距離Lが最小となるのは、(n,m)=(1,0)の時であり、次式のように表せる。
In order to completely cancel the signal due to the backward wave and to superimpose the forward wave as much as possible in time, the distance L (formula (2)) between the
なお、上記の式(6)の代わりに次式を満たすような波を選択し、利用した場合、前方波に関しては、第2センサ12の受信信号に対して遅延時間t0を付加し、第1センサ11の受信信号と線形和を取ることによって、消去、抑制することも可能である。
When a wave that satisfies the following equation is selected and used instead of the above equation (6), a delay time t0 is added to the reception signal of the
〔位相速度Vph>群速度Vgの場合〕
位相速度Vphが群速度Vgよりも速い場合、次式で定まる配置決定時間t0の間に、波束が進行する距離L(= |Vg|・t0)の間隔を被検査物10(例えば長尺部材)の軸方向に空けて第1センサ11と第2センサ12とを設置する。
(When phase velocity Vph> group velocity Vg)
When the phase velocity Vph is faster than the group velocity Vg, the distance to which the wave packet travels L (= | Vg | · t0) is set to the inspection object 10 (for example, a long member) during the arrangement determination time t0 determined by the following equation. The
図6を参照して後方波受信信号の時間軸上の位置と位相について説明する。図6(a),(b)は、第1センサ11と第2センサ12の2つのセンサの受信信号の関係の一例を示す図である。図6の横軸は時間、縦軸は信号振幅を表す。図6は、Vph>Vg、第1の整数n=1の場合の例である。
The position and phase on the time axis of the backward wave reception signal will be described with reference to FIG. FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating an example of the relationship between the reception signals of the two sensors, the
図6において、第2センサ12で受信する後方波は、時刻t=0から始まる信号として表してある(図6(a))。この時、第1センサ11で受信する後方波は、時刻t=t0から始まる信号として表せる。したがって、第2センサ12で受信した後方波の受信信号に対して時間軸をt0だけ遅らせると、第1センサ11で受信する後方波の受信信号と時間軸上で完全に重なる(開始時刻と終了時刻とが一致する)こととなる。
In FIG. 6, the backward wave received by the
次に位相の関係について説明する。第2センサ12で受信した後方波の受信信号の中の任意の点、例えば点P12は、実空間では位相速度Vphで進行するため、第1センサ11の受信信号においては第2センサ12の受信時刻からt0・Vg/Vphだけ遅れ、図6(b)に示す点P11の信号に対応することとなる。したがって、第2センサ12の受信信号の点P12は、第1センサ11の受信信号において点P11に対応する。
Next, the phase relationship will be described. An arbitrary point in the received signal of the backward wave received by the
よって、第2センサ12で受信した後方波受信信号を遅延時間t0の時間遅らせた信号と、第1センサ11で受信した後方波受信信号との間の対応する任意の点の時間差ΔTは次式で表せる。
Therefore, the time difference ΔT at an arbitrary point between the signal obtained by delaying the backward wave reception signal received by the
第1の整数nが奇数の場合は、受信信号の位相差はπとなるため、第2センサ12の受信信号に遅延時間t0を付加して第1センサ11の受信信号と足し合せることにより、後方波を相殺して消去することができる。
When the first integer n is an odd number, the phase difference of the received signal is π. Therefore, by adding a delay time t0 to the received signal of the
また、第1の整数nが偶数の場合は、受信信号の位相差は0(位相が一致)となるため、第2センサ12の受信信号に遅延時間t0を付加した遅延信号と、第1センサ11の受信信号との差を取ることにより、後方波を相殺して消去することができる。第1センサ11に対して第2センサ12の時間軸を遅延時間t0だけ遅らせる(遅延時間t0を付加する)処理によって、これらの受信信号は時間軸上で同一時刻に重なることになるため、波束の形(波束の包絡線)が第1センサ11と第2センサ12とで受信される時に同一であって変形しない(との近似が成り立つ)場合、原理的に後方波を完全に相殺して消去することができる。
When the first integer n is an even number, the phase difference of the received signal is 0 (the phase is the same), so that the delay signal obtained by adding the delay time t0 to the received signal of the
また、式(15)で定まる位相速度Vphと群速度Vgとの関係を満たす波を受信する場合、上記の後方波の受信信号の相殺、消去の信号処理を実施することによって、同時に、前方波の受信信号に関しては、(時間軸上で重なり合う時間領域について)振幅を増幅、強調することができる。 Further, when receiving a wave satisfying the relationship between the phase velocity Vph and the group velocity Vg determined by the equation (15), by performing the signal processing for canceling and erasing the received signal of the backward wave, the forward wave is simultaneously obtained. With respect to the received signals, the amplitude can be amplified and emphasized (for time domains overlapping on the time axis).
つまり、上記の式(15)を満たす波束を用いることで、後方から到来する波束による受信信号の相殺、消去と、前方から到来する波束による受信信号の強調(位相差0で足し合せる〔n奇数〕か位相差πで差し引く〔n偶数〕ことによって、時間的に重なり合う領域について振幅の増加)を同時に実現することができ、例えば後方波と前方波が同じ時刻にセンサに到達していたとしても、後方波の受信信号を消去、抑制しつつ、前方波の受信信号を増幅、強調する信号を得ることができるため、飛躍的にSN比を向上することができる。
In other words, by using the wave packet satisfying the above equation (15), the received signal is canceled and canceled by the wave packet coming from behind, and the received signal is emphasized by the wave packet coming from the front (
なお、後方波を消去して、且つ前方波を可能な限り重ね合わせて信号を強調するためには、第1センサ11と第2センサ12との間の距離L(=|Vg|・t0)は、波長λに対して可能な限り短いものが望ましい。
In order to cancel the backward wave and to superimpose the forward wave as much as possible to enhance the signal, the distance L (= | Vg | · t0) between the
図7に、波長λで表した距離L(=|Vg|・t0)について、n、mの比較的小さいいくつかの場合についてn,m,Vg,t0,Vg/Vphの関係を示す。例えば(n,m)=(1,2)の場合、センサ間の距離Lは3λ/4であり、位相速度Vphと群速度Vgの比はVg/Vph=3/5である。又、(n,m)=(1,4)の場合は、距離Lは7λ/4であり、速度比はVg/Vph=7/9である。また、図8に、配置決定時間と遅延時間とが等しい(t0=t0′)場合について、後方波を消去するための、条件、関係式等をまとめて示す。 FIG. 7 shows the relationship between n, m, Vg, t0, and Vg / Vph for some cases where n and m are relatively small with respect to the distance L (= | Vg | · t0) expressed by the wavelength λ. For example, when (n, m) = (1,2), the distance L between the sensors is 3λ / 4, and the ratio of the phase velocity Vph to the group velocity Vg is Vg / Vph = 3/5. When (n, m) = (1,4), the distance L is 7λ / 4, and the speed ratio is Vg / Vph = 7/9. FIG. 8 collectively shows conditions, relational expressions, and the like for eliminating the backward wave when the arrangement determination time and the delay time are equal (t0 = t0 ′).
なお、上記の遅延時間及び距離Lは、必ずしも厳密な値に設定しなくても良い。例えば、後方波の消去や前方波の位相の重ね合わせに大きな影響を与えない範囲において、受信する波の波長λに対して小さな距離の範囲で距離Lを変化させる。又は、周期1/fに対して小さな範囲で遅延時間を変化させるようにしてもほぼ同様の効果を得ることができる。
Note that the delay time and the distance L are not necessarily set to strict values. For example, the distance L is changed in a range of a small distance with respect to the wavelength λ of the received wave in a range that does not significantly affect the elimination of the backward wave and the superposition of the phase of the forward wave. Alternatively, substantially the same effect can be obtained by changing the delay time within a small range with respect to the
また、ここまでの説明では遅延時間t0′と、第1センサ11と第2センサ12との間の距離L(=|Vg|・t0)を決定する配置決定時間t0とを同一とした場合について説明したが、遅延時間としては、第2の整数n′を任意の整数として次式を満たすt0′を用いても良い。
In the above description, the delay time t0 ′ and the arrangement determination time t0 for determining the distance L (= | Vg | · t0) between the
第2の整数n′を用いてt0とは異なる遅延時間t0′を採用する場合には、同時に前方波の強調を行うための条件は、Vg>Vphのとき式(19)となる。また、Vph>Vgのとき式(20)となる。これらは、t0=t0′の場合の式(8)や式(15)に対応する式である。 When the delay time t0 ′ different from t0 is employed using the second integer n ′, the condition for simultaneously enhancing the forward wave is expressed by equation (19) when Vg> Vph. Further, when Vph> Vg, Expression (20) is obtained. These are expressions corresponding to Expression (8) and Expression (15) in the case of t0 = t0 ′.
〔加算優先〕
次に、第1センサ11と第2センサ12とで受信される前方波を理想的には完全に重ね合わせてその振幅を(センサ1個の場合の)2倍にする方法を説明する。加算優先の場合も、第1センサ11と第2センサ2とを式(2)の距離Lの間隔を空けて設置するのは、前述の減算優先の場合と同様である。
[Additional priority]
Next, a method of ideally superimposing the forward waves received by the
前方波は、まず、最初に第1センサ11に到達(波束先端の到達時刻をt=0とする)して受信され、その後、第2センサ12に到達(波束先端の到達時刻t=t0)して受信される。したがって、遅延時間を配置決定時間と同じ(t0=t0′)とした場合、遅延時間の付加の処理によって、第1センサ11の受信信号を遅延時間t0分の時間遅らせた遅延信号と、第2センサ12の受信信号とは時間軸上で同一時刻に重なることになる。
First, the forward wave first reaches the first sensor 11 (the arrival time of the wave packet tip is t = 0) and is received, and then reaches the second sensor 12 (arrival time t = t0 of the wave packet tip). And received. Therefore, when the delay time is the same as the arrangement determination time (t0 = t0 ′), a delay signal obtained by delaying the reception signal of the
まず最初に、群速度Vgが位相速度Vphよりも速い場合について説明する。この場合には、式(2)及び式(3)で定まる距離L離して第1センサ11と第2センサ12とを設置する。第1の整数nが奇数の場合、第1センサ11と第2センサ12とで受信された前方波の位相はお互いに反転している。つまり、第1センサ11で受信された受信信号に遅延時間t0を与えた遅延信号と、第2センサ12の受信信号とは位相差がπとなっている。
First, the case where the group velocity Vg is faster than the phase velocity Vph will be described. In this case, the
そのため、これらの信号の差を取ることによって、受信信号を増幅、強調することができる。 Therefore, the received signal can be amplified and emphasized by taking the difference between these signals.
波束の受信信号の形(波束の包絡線の形)が、第1センサ11と第2センサ12とで同一であって変形しないとの近似が十分に成り立つ場合、原理的にはセンサ1個の場合と比較して2倍の振幅の受信信号を得ることができる。
If the approximation that the shape of the received signal of the wave packet (the shape of the envelope of the wave packet) is the same between the
また、第1の整数nが偶数の場合は、第1センサ11の受信信号に遅延時間t0を付加した遅延信号と、第2センサ12で受信した受信信号との和を取ることで、前方波の振幅を強調することができる。つまり、第1の整数nが偶数の場合、第1センサ11の遅延信号と第2センサ12とで受信された信号の位相は一致する(位相差0)ため、両者の和を取ることによって、前方波に関しては、受信信号の振幅を増大させ、強調することができる。
When the first integer n is an even number, the forward wave is obtained by taking the sum of the delay signal obtained by adding the delay time t0 to the reception signal of the
以上述べた前方波の受信信号の強調は、位相速度Vphと群速度Vgとが異なる場合、両者がいかなる値であっても行うことができる。また更に、上記の様な前方波の強調を実施した場合に、同時に後方波の受信信号に対して、相殺、抑制を行うこともできる。 When the phase velocity Vph and the group velocity Vg are different from each other, the enhancement of the reception signal of the forward wave described above can be performed regardless of the value of both. Furthermore, when the forward wave is emphasized as described above, it is possible to cancel and suppress the backward wave reception signal at the same time.
そのためには、遅延時間t0の2倍が周期1/fの半整数倍であるような波束を用いれば良い。すなわち、mを0以上の整数として式(6)又は式(8)を満たすような波を選択することとなる。なお、この場合、第1センサ11と第2センサ12で受信する後方波の受信信号は線形和をとる際に時間軸上で完全には重ならないため、後方波を全時間にわたって完全に消去することはできない。
For this purpose, a wave packet in which twice the delay time t0 is a half integer multiple of the
上記の内容を詳細に説明する。式(6)又は式(8)を満たすような波の受信に関して、式(3)の配置決定時間t0を遅延時間とし第1センサ11の受信信号をt0遅延させることによって、第1の整数nの偶数/奇数に関わらず、線形和(nが偶数のとき和/nが奇数のとき差)をとることによって、後方波の受信信号については、第1センサ11の遅延信号と第2センサ12の受信信号とについて、両者が時間的に重なる領域で相殺させ、抑制、消去することができる。
The above contents will be described in detail. With respect to reception of a wave that satisfies Equation (6) or Equation (8), the first integer n is obtained by delaying the reception signal of the
後方波の受信信号に関しては、その継続時間が2・t0を超える場合、遅延時間t0付加後に時間軸上で両者が重なる時間領域が存在する。一方、受信信号の継続時間が2・t0以下である場合は、遅延時間t0付加後に両受信信号の重なる時間領域は存在しない。 With respect to the received signal of the backward wave, when the duration exceeds 2 · t0, there is a time region in which both overlap on the time axis after adding the delay time t0. On the other hand, when the duration of the received signal is 2 · t0 or less, there is no time region where both received signals overlap after the addition of the delay time t0.
ここで、前方波の理想的には完全な重ね合わせ(信号の継続時間全体にわたり位相差0で和を取る)と、後方波の位相差πでの重ね合わせ、つまり時間的に重なる領域については振幅の相殺・抑制を同時に実現するための具体的条件について再度整理する。上記の式(3)と式(7)を式(6)に代入して整理すると、次式を得る。 Here, ideally the superposition of the forward wave (summing with a phase difference of 0 over the entire duration of the signal) and the superposition of the backward wave with the phase difference π, that is, the region overlapping in time The specific conditions for simultaneously realizing the amplitude cancellation and suppression will be summarized again. Substituting the above formulas (3) and (7) into formula (6) and rearranging them gives the following formula.
なお、式(6)の条件に代えて式(12)の条件を課すことによって、第1センサ11の遅延信号と第2センサ12の受信信号とにおける後方波受信信号の位相を合わせ、時間的に重なる領域については、強調する(位相差0で和をとる、又は位相差πで差をとる)ことも可能である。
In addition, by imposing the condition of Expression (12) instead of the condition of Expression (6), the phase of the backward wave reception signal in the delayed signal of the
ここから、位相速度Vphが群速度Vgよりも速い(Vph>Vg)場合について説明する。位相速度Vphが群速度Vgよりも速い場合も、遅延時間t0が式(14)を満たす時間に波束が進行する距離L(=|Vg|・t0)の間隔を空けて被検査物10(長尺部材)の軸方向に第1センサ11と第2センサ12とを設置する点は同じである。
From here, the case where the phase velocity Vph is faster than the group velocity Vg (Vph> Vg) will be described. Even when the phase velocity Vph is faster than the group velocity Vg, the inspection object 10 (long) is spaced by a distance L (= | Vg | · t0) at which the wave packet travels when the delay time t0 satisfies the equation (14). The
これにより、位相速度Vphよりも群速度Vgが速い場合(Vph<Vg)と同様の制御、すなわち、第1センサ11の受信信号に遅延時間t0を付加して第2センサ12の受信信号との線形和演算を実施することにより、前方波の受信信号の完全な重ね合わせ(信号の継続時間を一致させ且つ位相差0で和、又は位相差πで差を取る)を実現することができる。このセンサの配置と信号処理とは、位相速度Vphと群速度Vgとが異なる場合、両者が如何なる値であっても行うことができる。また更に、このような前方波の強調を実施した場合に、後方波に対する感度の抑制(受信信号の低減、抑制)を同時に行うこともできる。
As a result, the same control as when the group velocity Vg is faster than the phase velocity Vph (Vph <Vg), that is, the delay time t0 is added to the received signal of the
そのためには、遅延時間t0の2倍が、周期1/fの半整数倍であるような波を選択すれば良い。すなわち、mを0以上の整数として式(6)を満たすような波を選択することとなる。なお、この場合、第1センサ11と第2センサ12との後方波は、時間的には完全には重ならないため、完全に相殺、消去することはできない。
For this purpose, a wave having twice the delay time t0 as a half integer multiple of the
以上の条件式を整理すると、式(7)と式(14)とを式(6)に代入することにより次式を得る。 When the above conditional expressions are arranged, the following expression is obtained by substituting Expression (7) and Expression (14) into Expression (6).
なお、式(6)の条件に代えて式(12)の条件を課すことによって、第1センサ11の遅延信号と第2センサ12の信号とにおける後方波の受信信号の位相を一致させ、時間的に重なる領域については強調する(位相差0での和、又は位相差πでの差)処理を行うことも可能である。以上説明した前方波を理想的には完全に重ね合わせて強調する方法についての条件と関係式について図9に示す(加算優先)。
In addition, by imposing the condition of the expression (12) instead of the condition of the expression (6), the phase of the received signal of the backward wave in the delayed signal of the
なお、上記の距離L及び遅延時間は、必ずしも厳密な値に設定しなくても良い。例えば、後方波の消去や前方波の位相の重ね合わせに大きな影響を与えない範囲において、受信する波の波長に対して小さな距離の範囲で距離Lを変化させる。又は、周期1/fに対して小さな範囲で遅延時間を変化させるようにしても良いことについては、上記の減算優先で説明したのと同じである。
Note that the distance L and the delay time are not necessarily set to strict values. For example, the distance L is changed in a range of a small distance with respect to the wavelength of the wave to be received in a range that does not significantly affect the elimination of the backward wave and the superposition of the phase of the forward wave. Alternatively, the delay time may be changed within a small range with respect to the
また、第2の整数n′を任意の整数とした遅延時間t0′(式(18))を用いても良いことも同じである。つまり、第1の整数nと第2の整数n′とが異なる場合は、前方波増幅と後方波消去の両方が完全ではない。しかし、第2の整数n′の選択によって前方波増幅と後方波消去の軽重を選択することができる。つまり、受信信号のSN比の改善方法の選択肢の幅を広げる効果を奏する。 Similarly, the delay time t0 ′ (formula (18)) in which the second integer n ′ is an arbitrary integer may be used. That is, when the first integer n and the second integer n ′ are different, both forward wave amplification and backward wave cancellation are not perfect. However, the weight of forward wave amplification and backward wave cancellation can be selected by selecting the second integer n ′. That is, there is an effect of widening the range of options for the method for improving the SN ratio of the received signal.
〔具体例1〕
本実施形態の受信方法の遅延時間t0′及び距離L、線形和の処理等の具体例について説明する。なお、以下の全ての具体例において、減算優先又は加算優先を例にとって説明するため、遅延時間t0′は配置決定時間t0に等しくなっている。図10に、真空中における直径10mmのスチール製円柱形中実ロッド中のガイド波F(1,1)モードの分散曲線の計算結果を示す。
[Specific Example 1]
Specific examples of delay time t0 ′, distance L, linear sum processing, and the like of the reception method of this embodiment will be described. In all the following specific examples, the delay time t0 ′ is equal to the arrangement determination time t0 in order to explain by taking subtraction priority or addition priority as an example. FIG. 10 shows a calculation result of the dispersion curve of the guide wave F (1,1) mode in a steel solid cylindrical rod having a diameter of 10 mm in a vacuum.
ガイド波とは、物理的な境界により形成された導波路(ロッド、パイプ、平板、固体表面や固体表面の突起部等)に沿って伝搬する弾性波のことであり、一般に、多モード、分散性有(位相速度の周波数依存性がある)といった特徴を持つ。ガイド波Fモードとは、円柱形の被検査物10(長尺部材)において中心軸方向に伝搬する弾性波の一種で、軸に対して非対称に振動するモードを意味する。図10の横軸は周波数、縦軸は音速であり、破線は位相速度Vph、実線は群速度Vgを表している。図10に示す範囲では、位相速度Vphよりも群速度Vgの方が速い。図11に、図10に示す分散曲線を計算するのに用いたパラメータを示す。スチール材料の密度を7860kg/m3、縦波音速を5900m/s、横波音速を3200m/sとした。以下このガイド波の波束を受信する例について説明する。 Guide waves are elastic waves that propagate along waveguides (rods, pipes, flat plates, solid surfaces, solid surface protrusions, etc.) formed by physical boundaries, and are generally multimode and distributed. It has the characteristic of having a characteristic (there is a frequency dependence of the phase velocity). The guide wave F mode is a kind of elastic wave propagating in the direction of the central axis in the cylindrical inspection object 10 (long member), and means a mode that vibrates asymmetrically with respect to the axis. In FIG. 10, the horizontal axis represents frequency, the vertical axis represents sound velocity, the broken line represents phase velocity Vph, and the solid line represents group velocity Vg. In the range shown in FIG. 10, the group velocity Vg is faster than the phase velocity Vph. FIG. 11 shows the parameters used to calculate the dispersion curve shown in FIG. The density of the steel material was 7860 kg / m 3 , the longitudinal wave velocity was 5900 m / s, and the transverse wave velocity was 3200 m / s. Hereinafter, an example of receiving the wave packet of the guide wave will be described.
周波数f=110kHzの時の位相速度Vphは式(26)群速度Vgは式(27)に示す値になる。 The phase velocity Vph at the frequency f = 110 kHz is the value shown in the equation (26) and the group velocity Vg is the value shown in the equation (27).
この場合、前方波は、遅延時間を付加した後の第2センサ12の受信信号と第1センサの受信信号とにおいて、時間的には2・t0=24μずれることとなる。したがって、もし受信信号の継続時間が24μsを越えていれば両者は時間的に重なる領域が存在し、その領域では信号強度が強調される。
In this case, the forward wave is shifted by 2 · t0 = 24 μm in time between the reception signal of the
継続時間が24μsを越える条件は、前方波(波束)の空間的な幅として次式に示す2・Vg・t0の幅を超えることに対応する。 The condition where the duration exceeds 24 μs corresponds to the spatial width of the forward wave (wave packet) exceeding the width of 2 · Vg · t0 shown in the following equation.
以上の様に、特定のモード、特定の周波数の送信波を選択し、距離L(=|Vg|・t0)だけ離して第1センサ11と第2センサ12とを設置し、遅延時間t0′(この例ではt0′=t0)を設定することによって、後方波の影響を消去すると共に前方波の信号強度を増大させることが可能になる。この受信方法によって、位相速度Vphと群速度Vgとが異なる場合でも受信信号のSN比を改善させることができる(減算優先)。
As described above, a transmission wave having a specific mode and a specific frequency is selected, the
また、同じセンサ配置において、同じ110kHzのF(1,1)モードの送信波の波束を受信するに際し、第1センサ11の受信信号に12μsの遅延時間を付加し、第2センサ12の受信信号との差を取ることにより、前方波を理論的には完全に重ねて振幅が約2倍の振幅とし、且つ後方波の振幅を時間的に重なる領域について消去、減少させることもできる(加算優先)。
When receiving the same 110 kHz F (1,1) mode transmission wave packet in the same sensor arrangement, a delay time of 12 μs is added to the reception signal of the
〔具体例2〕
図12に、真空中における直径10mmのスチール製円柱形中実ロッドのガイド波L(0,1)モードの分散曲線の計算結果を示す。Lモードとは、円柱形の被検査物10(長尺部材)において中心軸方向に伝搬する弾性波の一種で、軸対称に振動するモードであり、振動変位の成分としてロッドの軸方向と動径方向のみを有する振動を意味する(ロッドの周方向の振動成分は0)。図12の横軸と縦軸の関係は図10と同じである。また、分散曲線の計算に用いたパラメータも図11に示した値と同じである。
[Specific Example 2]
FIG. 12 shows the calculation result of the dispersion curve of the guide wave L (0,1) mode of a steel solid rod having a diameter of 10 mm in a vacuum. The L mode is a type of elastic wave propagating in the direction of the central axis in the cylindrical object to be inspected 10 (long member), and is a mode that vibrates axisymmetrically. This means vibration that has only the radial direction (the vibration component in the circumferential direction of the rod is 0). The relationship between the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 12 is the same as that in FIG. The parameters used for calculating the dispersion curve are also the same as the values shown in FIG.
Lモードについて、周波数f=275kHzの時の位相速度Vphは式(32)、群速度Vgは式(33)に示す値になる。 For the L mode, the phase velocity Vph when the frequency f = 275 kHz is a value represented by the equation (32), and the group velocity Vg is a value represented by the equation (33).
この場合、前方波は、遅延時間を付加した後の第2センサ12の受信信号と第1センサの受信信号とにおいて、時間的には2・t0=9.4μsずれることとなる。したがって、もし受信信号の継続時間が9.4μsを越えていれば両者は時間的に重なる領域が存在し、その領域では信号強度が強調される(位相差0で足し合される)。
In this case, the forward wave is shifted by 2 · t0 = 9.4 μs in time between the reception signal of the
継続時間が9.4μsを越える条件は、前方波(波束)の空間的な幅として次式に示す2・Vg・t0の幅を超えることに対応する。 The condition that the duration exceeds 9.4 μs corresponds to the spatial width of the forward wave (wave packet) exceeding the width of 2 · Vg · t0 shown in the following equation.
また、同じセンサ配置において、同じf=275kHzのL(0,1)モードガイド波の波束受信に際し、第1センサ11の受信信号に9.4μsの遅延時間を付加し、第2センサ12の受信信号と差を取ることにより、前方波束受信信号を理論的には完全に重ねて振幅が2倍の信号振幅とし、且つ後方到来波の信号振幅を時間的に重なる領域について消去、減少させることもできる(加算優先)。
In addition, when receiving the same f = 275 kHz L (0,1) mode guide wave packet in the same sensor arrangement, a delay time of 9.4 μs is added to the received signal of the
〔具体例3〕
図13に、真空中における直径10mmのスチール製円柱形中実ロッドのガイド波L(0,2)モードの分散曲線の計算結果を示す。図13の横軸と縦軸の関係は図10と同じである。また、分散曲線の計算に用いたパラメータも図11に示した値と同じである。
[Specific Example 3]
FIG. 13 shows a calculation result of a dispersion curve of a guide wave L (0, 2) mode of a steel solid rod having a diameter of 10 mm in a vacuum. The relationship between the horizontal axis and the vertical axis in FIG. 13 is the same as in FIG. The parameters used for calculating the dispersion curve are also the same as the values shown in FIG.
L(0,2)モードについて、周波数f=460kHzの時の位相速度Vphは式(38)、群速度Vgは式(39)に示す値になる。 For the L (0,2) mode, the phase velocity Vph at the frequency f = 460 kHz is the value shown in Equation (38), and the group velocity Vg is the value shown in Equation (39).
この場合、前方波は、遅延時間を付加した後の第2センサ12の受信信号と第1センサの受信信号とにおいて、時間的には2・t0=8.8μずれることとなる。したがって、もし受信信号の継続時間が8.8μsを越えていれば両者は時間的に重なる領域が存在し、その領域では信号強度が強調される。
In this case, the forward wave is shifted by 2 · t0 = 8.8 μ in time between the reception signal of the
継続時間が8.8μsを越える条件は、前方波(波束)の空間的な幅として次式に示す2・Vg・t0の幅を超えることに対応する。 The condition that the duration exceeds 8.8 μs corresponds to the spatial width of the forward wave (wave packet) exceeding the width of 2 · Vg · t0 shown in the following equation.
〔具体例4〕
本具体例においては、真空中における外形30mm、内径10mmのアルミニウム製円筒形パイプにおいて、ガイド波L(0,2)モードの波束を受信した場合について示す。この場合、音速計算(アルミニウム中のバルク縦波音速6400m/s、バルク横波音速3040m/s)によると、周波数f=150kHzの時の位相速度Vphは式(44)に、群速度Vgは式(45)に示す値になる。
[Specific Example 4]
This specific example shows a case where a guide wave L (0, 2) mode wave packet is received in an aluminum cylindrical pipe having an outer diameter of 30 mm and an inner diameter of 10 mm in a vacuum. In this case, according to the sound velocity calculation (bulk longitudinal wave sound velocity in aluminum, 6400 m / s, bulk shear wave sound velocity 3040 m / s), the phase velocity Vph at the frequency f = 150 kHz is expressed by the equation (44), and the group velocity Vg is expressed by the equation ( 45).
この場合、前方波に関しては、遅延時間t0を付加した後の第2センサ12の受信信号と第1センサの受信信号とにおいて、時間的には2・t0=32μずれることとなる。したがって、もし受信信号の継続時間が32μsを越えていれば両者は時間的に重なる領域が存在し、その領域では信号強度が強調される。
In this case, with respect to the forward wave, the reception signal of the
継続時間が32μsを越える条件は、前方波(波束)の空間的な幅として次式に示す2・Vg・t0の幅を超えることに対応する。 The condition that the duration exceeds 32 μs corresponds to the spatial width of the forward wave (wave packet) exceeding the width of 2 · Vg · t0 shown in the following equation.
以上説明したように本実施形態の受信装置100によれば、位相速度Vphと群速度Vgとが異なる場合でも、後方波の消去及び前方波の振幅の増大を同時に行えるので受信信号のSN比を向上させることができる。なお、実施形態では、送信機が第1センサ11よりも前方側に配置されているものとして説明したが、送信機の位置はこの例に限定されない。例えば、送信機は、被検査物10の第2センサ12側の後部に設置しても良い。
As described above, according to the receiving
また、第1センサ11と第2センサ12の具体例については言及しなかったが、これらのセンサは送信機と同様に圧電素子探触子を用いることができる。圧電素子探触子を用いる場合、先行技術文献にもあるように複数個の探触子を1組のセンサとして用いるのが通例である。またその他、磁歪センサを用いる方法、電磁超音波センサ(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)を用いる方法、レーザー超音波法等、種々の手法が知られており、原理的にはどのような組み合わせでこれらのセンサを利用しても良い。
Further, although specific examples of the
また、実施形態では、被検査物10の形状を長尺部材の例を説明したが、その形状は何でも良い。例えば、2次元、3次元的な広がりを持つものでも良い。例えば平板にラム波やSH波等の送信波や、バルク部材の表面に対するレイリー波や表面SH波の送信波を送信する場合に、上記の実施形態で説明した受信方法を適用することができる。 In the embodiment, the example of the long member is described as the shape of the object to be inspected 10, but the shape may be anything. For example, it may have a two-dimensional or three-dimensional spread. For example, when transmitting a transmission wave such as a Lamb wave or SH wave, or a transmission wave of a Rayleigh wave or a surface SH wave to the surface of the bulk member, the reception method described in the above embodiment can be applied.
また、被検査物10として個体を例にしたが、対象物は、固体、液体、気体の何れで有っても良い。また、それらを組合せたもので有っても良い。また、送信、受信される波は、弾性波に限らず、位相速度Vphと群速度Vgとが異なる種々の波動を用いることができる。
Moreover, although the individual | organism | solid was taken as an example as the to-
また、受信装置100は、遅延時間t0′が既知の状態で動作を開始する例で説明したが、遅延時間t0′を自身が計算して求めるようにしても良い。図14に、受信信号から配置決定時間t0を決定し、更に遅延時間t0′を計算するようにした受信装置200の機能構成例を示す。
Further, although the receiving
受信装置200は、受信部50と、配置決定時間計算部60と、遅延時間計算部70とを具備する点で受信装置100と異なる。受信部50は、受信する波束から群速度Vgと位相速度Vphとの情報を測定して、配置決定時間計算部60に出力する。配置決定時間計算部60は、波束の群速度Vgと位相速度Vphとの差分と波束の中心周波数信号の半波長とに基づき、第1センサ11と第2センサ12の配置を決定するための配置決定時間t0を計算して外部に出力する。
The receiving
受信装置200を使用するユーザは、配置決定時間t0から距離Lを計算(式(2))し、第1センサ11と第2センサ12とを距離Lの間隔を空けて設置する。遅延時間計算部70は、受信部50で受信した波束の群速度Vgと位相速度Vphとの差分と波束の中心周波数の波の半波長とに基づき遅延時間t0′を計算する。遅延時間t0′を計算して求めた後の動作は、受信装置100と同じである。
The user using the
なお、群速度Vgと位相速度Vphの情報は、外部から遅延時間計算部70に与えても良い。また、遅延時間t0′の計算に必要な第2の整数n′は、遅延時間計算部70に定数として持たせて置いても良いし、群速度Vg等と同様に外部から入力するようにしても良い。
Information on the group velocity Vg and the phase velocity Vph may be given to the delay
また、配置決定時間t0を計算した後に第1センサ11と第2センサ12とを距離Lの間隔を空けて設置するステップは省略することが可能である。そのステップを省略する場合は、波のモードや周波数を種々変えて計測し、予め設定した距離Lに|Vg|・t0が一致するような波(モードや周波数)を選択すれば良い。
Further, it is possible to omit the step of installing the
また、上記の実施形態は、原理的に弾性波に限らず位相速度Vphと群速度Vgとが異なる波の受信に一般に適用できるものである。このように本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。 The above-described embodiment is not limited to elastic waves in principle, and can be generally applied to reception of waves having different phase velocities Vph and group velocities Vg. As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible within the scope of the gist.
10:被検査物
11:第1センサ
12:第2センサ
20:受信部
30:遅延信号生成部
40:信号出力部
50:受信部
60:配置決定時間計算部
70:遅延時間計算部
10: Inspected object 11: First sensor 12: Second sensor 20: Receiver 30: Delay signal generator 40: Signal output unit 50: Receiver 60: Arrangement determination time calculator 70: Delay time calculator
Claims (6)
前記差分と前記波長とに基づいて、受信信号を相殺又は増幅するための遅延時間を計算する遅延時間計算ステップと、
前記配置決定時間の間に前記波束が前記群速度で進行する距離を空けて被検査物に設置される前記第1センサと第2センサとで前記波束を受信する受信ステップと、
前記第1センサ又は第2センサの一方の受信信号を、前記遅延時間の時間遅らせた遅延信号を生成する遅延信号生成ステップと、
前記遅延信号と、前記第1センサ又は第2センサの他方の受信信号とを線形和して求めた信号を出力する信号出力ステップと
を行うことを特徴とする波の受信方法。 An arrangement determination time for calculating an arrangement determination time for determining the arrangement of the first sensor and the second sensor based on the difference between the group velocity and the phase velocity of the wave packet and the wavelength of the wave at the center frequency of the wave packet. A calculation step;
A delay time calculating step of calculating a delay time for canceling or amplifying the received signal based on the difference and the wavelength;
A receiving step of receiving the wave packet by the first sensor and the second sensor installed on the object to be inspected at a distance that the wave packet travels at the group velocity during the arrangement determination time;
A delay signal generation step of generating a delay signal obtained by delaying one reception signal of the first sensor or the second sensor by the delay time;
And a signal output step of outputting a signal obtained by linearly summing the delayed signal and the other received signal of the first sensor or the second sensor.
前記配置決定時間をt0、前記第1センサと第2センサとの距離をL、前記位相速度をVph、前記群速度をVg、1以上の整数である第1の整数をn、前記中心周波数の波の波長をλとした場合に、但しVphは正、Vgは正でも負でも良いとして、前記配置決定時間と前記距離とは次式で計算される
The arrangement determination time is t0, the distance between the first sensor and the second sensor is L, the phase velocity is Vph, the group velocity is Vg, a first integer that is an integer of 1 or more is n, and the center frequency is When the wavelength of the wave is λ, Vph may be positive, Vg may be positive or negative, and the arrangement determination time and the distance are calculated by the following equations:
前記群速度が前記位相速度よりも速い場合と、前記位相速度が前記群速度よりも速い場合とで、mを0以上の整数としてそれぞれ次式に表される波束を受信する
When the group velocity is faster than the phase velocity and when the phase velocity is faster than the group velocity, the wave packets represented by the following equations are received, where m is an integer of 0 or more, respectively.
前記第1センサ又は第2センサの一方の受信信号を遅延させる遅延時間をt0′、任意の整数である第2の整数をn′とした場合に次式を満たす値とする
When the delay time for delaying one received signal of the first sensor or the second sensor is t0 ′ and the second integer which is an arbitrary integer is n ′, the value satisfies the following equation:
前記配置決定時間を決定変数である第1の整数nと、前記遅延時間を決定する第2の整数n′とを同じ値にしたことを特徴とする波の受信方法。 The wave receiving method according to claim 4,
A wave receiving method, wherein a first integer n which is a decision variable for the arrangement determination time and a second integer n ′ for determining the delay time are set to the same value.
センサの配置を設定するために決定された配置決定時間の間に、前記波束が前記群速度で進行する距離を空けて被検査物に設置される第1センサと第2センサと、
前記第1センサと第2センサとで検出した前記波束を受信して受信信号を出力する受信部と、
前記第1センサ又は第2センサの一方の受信信号を、前記差分と前記波長とに基づいて受信信号を相殺又は増幅するために決定された遅延時間の時間遅らせた遅延信号を生成する遅延信号生成部と、
前記遅延信号と、前記第1センサ又は第2センサの他方の受信信号とを線形和して求めた信号を出力する信号出力部と
を具備することを特徴とする受信装置。 Based on the difference between the group velocity and the phase velocity of the wave packet, and the wavelength of the wave at the center frequency of the wave packet,
A first sensor and a second sensor installed on an object to be inspected at a distance that the wave packet travels at the group velocity during an arrangement determination time determined to set an arrangement of sensors;
A receiver that receives the wave packet detected by the first sensor and the second sensor and outputs a received signal;
Delay signal generation for generating a delay signal obtained by delaying one received signal of the first sensor or the second sensor by a delay time determined to cancel or amplify the received signal based on the difference and the wavelength And
And a signal output unit that outputs a signal obtained by linearly summing the delayed signal and the other received signal of the first sensor or the second sensor.
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