JP7133012B2 - それぞれ他の値を事前に知ることなく超音波を用いて単層又は多層のサンプルにおける層厚と音波速度を測定するための方法及び測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内面部又は背面部にアクセスできない、管、容器、又は板（以下、サンプル（検査対象）と称する）の壁厚の測定に関する。更に本発明は、これらのサンプルの内側コーティング（被覆）又は裏側ライニング（裏張）の層厚の測定に関する。ピッチキャッチ及びパルスエコー構成による超音波送受信機を用いた特殊な測定装置が開示され、並びにサンプル内の音速（音波速度）を事前に知ることなく壁厚を決定するための対応の方法が開示される。

内面側にアクセスしないで壁厚を測定する必要性は、例えば、壁厚が未知の既存の管上に流量センサが縛り付けられるクランプオン式超音波流量測定において生じる。しかしまた、例えば、容器の圧縮強度を決定するための非破壊試験においても、内部空間にアクセスしないで壁厚を測定することが必要である。

クランプオン式超音波流量測定の精度は、本質的に管内径の不確実性により影響される。管の外径は、巻尺を用いて簡単且つ正確に測定することができる。外径から内径を計算するためには、管の壁厚が既知でなくてはならない。壁厚決定における誤差は、最終的に容積流の測定誤差に現れることになる。従って壁厚決定は、できるだけ精密に行われなくてはならない。クランプオン式流量測定では（サンプルに対して）手を加えることはないので、壁厚又は内径が機械的にマイクロメータねじ又はノギスを用いて測定されることはめったにないと言える。

パルスエコー法において１つの超音波壁厚測定器（ＷＤＭ）を用いた壁厚の測定、選択的に１つの音響変換器要素（送信機と受信機は同じ要素）か又は２つの音響変換器要素（ピッチ―キャッチ構成）を用いた壁厚の測定が、従来技術に対応する。この方法では、超音波パルスがサンプル表面に対して垂直（直角）にサンプル内に送信される。このパルスは、サンプル（パイプ壁部又は容器壁部、プレート）内で何回か反射される。各エコーは、超音波壁厚測定器の受信機により記録される。そしてエコーシーケンス内のパルス間隔から、及びサンプルの音速の情報を用い、壁厚を決定することができる。十分に正確な結果を得るためには、音速が事前に既知でなくてはならない。通常の場合では、大まかな材料の評価（推定）と、表形式の値だけをもとにして、音速が評価される。鋼製サンプルの場合では、様々な鋼種類の音速がばらついていることにより、評価値は、本当の値から２％ほどはずれることがある。温度に起因した管壁音速のずれは、全く考慮されない（１００℃の温度差は、ほぼ１％の音速誤差をもたらす）。鋳鉄やプラスチックのような、鋼とは異なる材料では、評価誤差は、遥かに大きくなる可能性がある。音速の誤った評価は、直接的に壁厚の測定誤差として現れる。クランプオン式流量測定におけるこの測定不確実性を観察すると、大きな管（例えばＤＮ１０００、２５ｍｍの壁厚）では、管壁厚の２％の誤り評価は、０.２％の流量測定誤差をもたらす。小さい厚壁の管（例えば４”ＳＣＨ１２０）では、流量測定の誤差は、１％にも増加する。

米国特許第６８８３３７６号明細書 米国特許出願公開第２００６／０１９１３４２号明細書 米国特許第４３９８４２１号明細書 米国特許第６０７０４６６号明細書 米国特許第５３４９８６０号明細書 米国特許第６０３５７１７号明細書

上記特許文献１から、管の音速を知ることなく未知の管壁厚を測定するための方法が公知である。この方法は、ここで説明する本発明と異なり、液浸透過法を用いる。この方法は、測定すべき管が水で満たされ、水槽内に沈められなくてはならないことを前提としている。ある設備内の既存の容器又は管を当該設備の解体を伴わずに測定することに対し、この方法は適していない。

従来の壁厚測定器（ＷＤＭ）をコーティング又はライニングされた管上で或いは多層システムのために使用すると、一般的に個々の各層からのエコーシーケンス（エコー列）が重なり合い、それによりこれらのエコーシーケンスは、もはや、壁厚決定のために容易に評価することはできない。個々の層に特殊な層厚状況と音速状況がある場合には、確かにエコーシーケンスを評価することができるが（例えば厚い鋼管壁上の薄いプラスチックコーティング）、個々の層の音速を事前に知らなければ、従来技術により個々の層厚を決定することはできない。

隠れた層や、或いは多層システムの測定について、上記特許文献２及び上記特許文献３は、超音波変換器から成る様々な測定装置を記載している。記載されたそれらの測定装置は、サンプルが同時に縦波と表面波で検査されるように設計されている。引用された両方のケースにおいて、層厚を決定するためには、使用される波の種類の音速が既知でなくてはならない。上記特許文献４は、様々な金属のみから成る多層システムの測定に関する。傾斜した別々の音響変換器が横波を発生させ、オプションの測定装置が縦波を発生させる。この方法を用いて層厚を決定するためには、個々の層内の音速が既知でなくてはならない。同じことが、上記特許文献５による、コーティングにより隠れた層の決定、並びに上記特許文献６に記載された、管壁厚及びコーティング厚を測定するための方法にも当てはまる。

本発明の課題は、サンプルの壁厚（例えば、管壁、容器壁、又は板）を、このサンプルの音速を知っていること（音速知識）に依存せずに測定することである。また更なる課題は、多層システム（例えばコーティング又はライニングを有する管壁）の個々の層の厚さを、それらの音速を事前に知ることなく測定することにある。

以下、サンプル（例えば、管壁、容器壁、又は板）の音速を知っていることに依存せずに壁厚を測定することを可能にする、方法と測定装置について説明する。このことは、管の壁厚と内径の測定不確実性を減少させ、従ってクランプオン式超音波流量測定器の測定不確実性を減少させる。本方法により、多層システム（例えばコーティング又はライニングを有する管壁）の個々の層厚を、それらの音速を事前に知ることなく測定することができる。
即ち本発明の第１の視点により、
少なくとも２つの異なる音響経路でサンプルを通って走行する超音波信号の走行時間差を測定することにより、超音波を用いて単層又は多層のサンプルにおける層の層厚と音速を測定するための方法であって、
それらの音響経路は、同一層内では同じ音速をもって異なる角度で進行し、
それらの音響経路は、単層又は多層のサンプルの表面上に、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設されていることにより生成され、それらの音響変換器は、超音波信号を２つの異なる音響経路で連結体を通ってサンプル内に送出し、また受信し、これらの超音波信号は、それぞれ、サンプル内の多重反射により発生する一連のエコーから成り、
これらのエコーは、それぞれ、サンプル内で異なる所定数の音響経路を走行したものであり、そして、
走行時間差は、相次ぐエコーの互いの時間的な間隔であり、層厚と、層内の音速の計算は、以下の方程式、即ち、

を用いて行われ、ここで、
ｃは、サンプルの１つの層内の音速であり、
ｗは、サンプルの１つの層の層厚であり、
Δｔ _１ は、サンプル内の一方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Δｔ _２ は、サンプル内の他方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Ｋ _α１ 、Ｋ _α２ は、音響変換器のセンサ定数であり、センサ定数は、

を介して定義され、ここで、
ｉ＝｛１、２｝であり、
ｃ _α は、連結体内の音速であり、
α _ｉ は、連結体内の垂線に対する音響ビームの角度である
こと、
を特徴とする方法が提供される。
更に本発明の第２の視点により、
超音波を用いて単層又は多層のサンプルの層厚と音速を測定するための測定装置であって、
単層又は多層のサンプルの表面上には、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設され、それらの音響変換器は、規定の角度で前記連結体上に配設されており、それにより超音波が、所定の入射角で前記連結体を通ってサンプル内に達し、サンプルの１つの層内で少なくとも２つの音響経路を通過し、そこから対応の音響変換器に向かって所定の角度で反射されること、
を特徴とする測定装置が提供される。

本発明において、以下の形態が可能である。
（形態１）
少なくとも２つの異なる音響経路でサンプルを通って走行する超音波信号の走行時間差を測定することにより、超音波を用いて単層又は多層のサンプルにおける層の層厚と音速を測定するための方法であって、
それらの音響経路は、同一層内では同じ音速をもって異なる角度で進行し、
それらの音響経路は、単層又は多層のサンプルの表面上に、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設されていることにより生成され、それらの音響変換器は、超音波信号を２つの異なる音響経路で連結体を通ってサンプル内に送出し、また受信し、これらの超音波信号は、それぞれ、サンプル内の多重反射により発生する一連のエコーから成り、
これらのエコーは、それぞれ、サンプル内で異なる所定数の音響経路を走行したものであり、そして、
走行時間差は、相次ぐエコーの互いの時間的な間隔であり、層厚と、層内の音速の計算は、以下の方程式、即ち、

を用いて行われ、ここで、
ｃは、サンプルの１つの層内の音速であり、
ｗは、サンプルの１つの層の層厚であり、
Δｔ _１ は、サンプル内の一方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Δｔ _２ は、サンプル内の他方の音響経路を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
Ｋ _α１ 、Ｋ _α２ は、音響変換器のセンサ定数であり、センサ定数は、

を介して定義され、ここで、
ｉ＝｛１、２｝であり、
ｃ _α は、連結体内の音速であり、
α _ｉ は、連結体内の垂線に対する音響ビームの角度である
こと。
（形態２）
一方の走行時間差は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものであること、及び、
他方の走行時間差は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものであること、が好ましい。
（形態３）
複数のピエゾ素子を含んだ音響変換器のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより、サンプルを所定の音響経路で通過して対応の音響変換器に当たる信号部分が選択されること、が好ましい。
（形態４）
少なくとも二層のサンプルでは、音響変換器のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより、個々の各層について、層厚と音速が決定されること、が好ましい。
（形態５）
超音波を用いて単層又は多層のサンプルの層厚と音速を測定するための測定装置であって、
単層又は多層のサンプルの表面上には、少なくとも２つの音響変換器を備えた少なくとも１つの連結体が配設され、それらの音響変換器は、規定の角度で前記連結体上に配設されており、それにより超音波が、所定の入射角で前記連結体を通ってサンプル内に達し、サンプルの１つの層内で少なくとも２つの音響経路を通過し、そこから対応の音響変換器に向かって所定の角度で反射されること。
（形態６）
前記連結体は、その基本形状において直方体であり、その上部のデッキ面は、長手方向に関して傾斜した側縁部を有すること、が好ましい。
（形態７）
サンプルの上に又はサンプルの層の上に反射器が配設されており、それにより送信された超音波信号は、少なくとも２回、音響経路でサンプルを通過し、また対応の音響変換器により受信されること、が好ましい。
（形態８）
少なくとも２つの音響変換器が、規定の角度で連結体上に配設され、１つの音響変換器が、サンプル表面に対して垂直方向に配設されていること、が好ましい。
（形態９）
クランプオン式流量センサの形式の少なくとも２つの音響変換器と、超音波壁厚測定器の形式の１つの音響変換器とが配設されていること、が好ましい。
（形態１０）
それぞれ２つの音響変換器から成る２つの送信機受信機対が、所定の角度で連結体上に、第１の送信機受信機対が、サンプル表面に対し、第２の送信機受信機対の角度とは異なる角度を有するように、配設されていること、が好ましい。
（形態１１）
音響変換器は、１つ又は複数のピエゾ素子を備えた音響変換器アレイから成ること、が好ましい。
（形態１２）
複数のピエゾ素子を備えた音響変換器のアクティブ音響変換器面は、個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより決定されること、が好ましい。
尚、本願の特許請求の範囲に付記された図面参照符号は、専ら本発明の理解の容易化のためのものであり、図示の形態への限定を意図するものではないことを付言する。

本発明により、超音波を用いた単層又は多層のサンプルにおける少なくとも１つの層の層厚と音速の測定が、少なくとも２つの異なる音響経路でサンプルを通って走行する超音波信号について走行時間差を測定することにより行われる。この際、それらの音響経路は、サンプルの同一層内では同じ音速をもって異なる角度で進行する。それらの音響経路は、単層又は多層のサンプルの表面上に、少なくとも２つの音響変換器（音響トランスデューサ）を備えた少なくとも１つの連結体（Koppelkoerper）が配設されていることにより生成される。それらの音響変換器は、超音波信号を２つの異なる音響経路で連結体を通ってサンプル内に送出し、反射した超音波信号をまた受信する。これらの超音波信号は、それぞれ、サンプル内の多重反射により発生する一連のエコー（エコーシーケンス）から成る。これらのエコーは、それぞれ、サンプル内で異なる所定数の音響経路を走行する。走行時間差は、相次ぐエコーの互いの時間的な間隔であり、この際、層厚と、層内の音速の計算は、後続段落で記載の数式（１.１）及び（１.２）を用いて行われ、これらの数式については、実施例の説明において、更に詳細に説明される。（尚、音響経路とは、超音波信号が、サンプル内への進入から、後壁反射を介し、同サンプルから出ていくまでの経路を表す。同サンプルから出ていくところで、音響経路は、連結体に戻る経路と、サンプルを通っていく更なる音響経路に分かれる。走行時間差の測定には、少なくとも２つの相次ぐ信号が必要である。）

異なる入射角を有する測定装置により、サンプル内の異なる走行時間が、エコーシーケンス内のパルス間隔の測定により決定される。第１の走行時間差は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として算出され、この際、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して第１の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルを通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して音響変換器に戻るように、即ちサンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものである。第２の走行時間差も、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として同様に算出されるが、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器から、サンプル表面の垂線に対して第２の角度で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプルの測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して音響変換器に戻るようにサンプルを通って走行したものである。

本方法の更なる一実施形態では、複数のピエゾ素子（圧電素子）を含んだ音響変換器のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより、送信される超音波信号は、少なくとも２回、サンプルを両方の音響経路で通過し、音響変換器により他方で受信される。

少なくとも二層のサンプルでは、音響変換器のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより、個々の各層について、層厚と音速が決定される。サンプルの上側の層が下側の層よりも小さい音響インピーダンスを有すると、特に有利である。

単層又は多層のサンプルの厚さと音速を測定するための本発明による測定装置は、超音波を用いてその測定が行われ、上記の方法を利用することができる。サンプルの表面上には、少なくとも２つの音響変換器を備えた連結体が配設される。それらの音響変換器は、規定の角度で連結体上に配設されており、それにより超音波が、所定の入射角で連結体を通ってサンプル内に達し、サンプルの１つの層内で少なくとも２つの音響経路を通過し、そこから少なくとも２つの音響変換器に戻るように反射される。

連結体は、その基本形状において直方体であり、その上部のデッキ面は、長手方向に関して傾斜した側縁部を有する。

更なる一実施形態では、サンプルの上に又はサンプルの個々の層の上に反射器（リフレクタ）が配設されており、それにより送信された超音波信号は、少なくとも２回、音響経路でサンプルを通過し、音響変換器により他方で受信される。

更なる一実施形態では、少なくとも２つの音響変換器が、規定の角度で連結体上に配設され、１つの音響変換器が、サンプル表面に対して垂直方向に配設されている。

更なる一実施形態では、クランプオン式流量センサの形式の少なくとも２つの音響変換器と、超音波壁厚測定器の形式の１つの音響変換器とが配設されている。

更なる一実施形態では、それぞれ２つの音響変換器から成る２つの送信機受信機対（送信機受信機ペア）が、異なる角度で連結体上に配設されており、それにより第１の送信機受信機対は、サンプル表面に対し、第２の送信機受信機対の角度とは異なった角度を有する。

音響変換器は、一実施形態では、１つ又は複数のピエゾ素子を備えた音響変換器アレイから成る。音響変換器のアクティブ音響変換器面は、個々のピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより規定されることが可能である。

本発明において開示された方法は、サンプルの音速が未知の場合、又は既知だが不確実である場合において、従来技術で可能であるよりも、より正確な壁厚測定をもたらしてくれる。

このことに関し、本発明は、複数の測定装置を提示し、それにより所定の多層システムではエコーシーケンスの重なり合いを回避することができ、従って個々の層厚をこれらの層の個々の音速を事前に知ることなく（即ち、未知の場合でも）測定することができる。

以下、複数の実施例に基づき、本発明を説明する。

一サンプルの音速と壁厚を決定するための測定装置の第１実施例を示す図である。 一サンプルの音速と壁厚を決定するための測定装置の第２実施例を示す図である。 一サンプルの音速と壁厚を決定するための測定装置の第３実施例を示す図である。 一サンプルの音速と壁厚を決定するための測定装置の第４実施例を示す図である。 一多層システムの層厚決定のための測定装置の一実施例を示す図である。 サンプル表面の垂線に対する所定の角度のもとの傾斜測定によるエコーシーケンスを示す図である。 一鋼製板における垂直測定のエコーシーケンスを示す図である。 図６ａのエコーシーケンスの１つの自己相関関数を示す図である。 図６ｂのエコーシーケンスの１つの自己相関関数を示す図である。

図１、図２、図３、図４は、サンプル１の音速（音波速度）と層厚を決定するための測定装置の可能な実施例（複数）を示している。上側のデッキ面２０２と、その長手方向に関して傾斜した側縁部２０３、２０４、２０５、２０６とを備えた直方体を基本形状とする連結体２が、サンプル（検査対象）１の表面上に載置されている。連結体２の連結面２０１は、適切な（例えば液状の）連結材を用いてサンプル１と音響的に連結（カップル）される。図面において、同じ装置には、同じ参照符号が使われる。

連結体２上には、複数の音響変換器（音響トランスデューサ）が配設されている。基本的に全ての音響変換器は、音響変換器アレイとして構成されていることが可能であり、つまりそれらの音響変換器は、１つ又は複数のピエゾ素子（圧電素子）から構成可能であり、それによりアクティブ音響変換器面（音響変換器の能動的に変化可能な作用面）をピエゾ素子のスイッチオンとスイッチオフにより変化することができる。それらの音響変換器は、サンプル表面に対して異なる角度で配向されており、それにより、送信された超音波信号は、少なくとも２回、サンプル１を音響経路（サウンドパス）Ｓ_１及びＳ_２で通過し、音響変換器（対応の音響変換器）により他方で受信される。

図１では、超音波が、音響変換器３からは入射角α_１で連結体２を通って音響変換器６に導かれ、音響変換器４からは入射角α_２で音響変換器５に導かれることが示され、それにより超音波は、送信機から受信機への経路において、サンプル１内を音響経路Ｓ_１ないしＳ_２で少なくとも１回通過する。図１において音響変換器３は、第１の長手方向側縁部２０３上に送信機として配設されており、第１の長手方向側縁部２０３の反対側にある第２の長手方向側縁部２０６上に受信機として配設された音響変換器６と接続されており、この際、超音波は、音響経路Ｓ_１上を進行する。音響変換器４は、送信機として第１の長手方向側縁部２０４上にあり、第１の長手方向側縁部２０４の反対側にある第２の長手方向側縁部２０５上に受信機として配設された音響変換器５に対し、音響経路Ｓ_２を介して接続されている。

図２では、２つの音響変換器３、４のみが、連結体２のそれぞれの第１の長手方向側縁部２０３、２０４上に配設されている。これらの音響変換器３、４から入射角α_１、α_２で送信された超音波信号は、連結体２の第２の長手方向側縁部２０５、２０６上に配設された反射器７により他方ではね返されるため、同じ音響変換器３、４により他方で受信される。

図３は、送信された超音波信号の音速を知ることなくサンプル１の層厚を決定するために必要な複数の音響経路を示している。連結体２は、この実施例では２つの長手方向側縁部２０３、２０６を有し、これらの長手方向側縁部２０３、２０６上に音響変換器３、６が配設されている。音響変換器３のピエゾ素子３０１と音響変換器６のピエゾ素子６０１は、アクティブ状態にある。音響変換器３から１つの超音波パルスが送信され、この超音波パルスは、音響経路１０に従い、入射角α_１で連結体２を通ってサンプル１（の表面）において反射し、それから受信機６に達する。その超音波パルスの一部分は、サンプル１内に透過され、そこで内面部において角度β_１で反射され、それから受信機６に導かれる（音響経路１１）。サンプル１内の更なる（２度目の）反射により、遅延した更なる超音波パルスが受信器６に達する（例として音響経路１２により示されている。即ち音響経路１０ではｎ＝０（サンプル１で０回通過）であり、音響経路１１ではｎ＝１（サンプル１を１回通過）であり、音響経路１２ではｎ＝２（サンプル１を２回通過）である。）。音響変換器３、６から成るこの「傾斜装置」（ないし傾斜配置）に加え、連結体２において連結面２０１と平行に延在する上側のデッキ面２０２上には、音響変換器８が「垂直装置」として配設されている。それに対応する音響経路９は、サンプル１に対して垂直に延在し、ここでは破線として描かれている。音響変換器８からは、１つの超音波パルスが連結体２を通ってサンプル１内に透過される。この超音波パルスは、サンプル１内で何回も反射され、エコーシーケンスとして音響変換器８に戻り着き、音響変換器８は、このエコーシーケンスを受信機として記録する。

図４は、サンプル１内の音速を事前に知ることなくサンプル１の壁厚を決定するために、２つの連結体２を用いた音響変換器１３として従来のクランプオン式流量センサと、音響変換器１４として追加的に配設された従来の超音波壁厚測定器とを有する測定装置を示している。この際、１つ又は複数のピエゾ素子１３１を有する音響変換器１３は、図３に示された「傾斜装置」を構成し、１つ又は複数のピエゾ素子１４１を有する別個の音響変換器１４は「垂直装置」を構成する。クランプオン式流量センサ（音響変換器１３）は、サンプル１内で、超音波壁厚測定器（音響変換器１４）と同じ種類の波動を励起しなくてはならない。典型的なクランプオン式流量センサ（音響変換器１３）は、鋼製サンプル内に横波を発生させ、従って横波用の超音波壁厚測定器が使用されなくてはならない。それに対し、図４の測定装置がプラスチック製サンプル上に使用されるのであれば、クランプオン式流量センサは、サンプル１内に縦波を発生させ、従って縦波用の超音波壁厚測定器が使用されなくてはならない。

図５は、一多層システムの層厚を決定するための測定装置を示している。図示されたサンプル１は、異なる材料の２つの層１６、１７から成る。ピエゾ素子３０１を備えた音響変換器３と、ピエゾ素子６０１を備えた音響変換器６とが、図３におけるように（傾斜配置として）配設されている。図３と異なり、図５ではＸ印の付いていない個々のピエゾ素子３０１、６０１は、スイッチオフされている。音響変換器３、６は、Ｘ印でマークされたピエゾ素子３０１、６０１がアクティブ状態であるように稼働される。このことは、音響変換器３、６の音響変換器面の減少、並びに左方への音響経路１８のシフトをもたらす。下側の層１７を通る必然的に励起された音響経路１９が、スイッチオフされている受信機６のピエゾ素子６０１に当たる（入射する）ことが見てとれる。個々のピエゾ素子３０１、６０１のスイッチオンとスイッチオフの例示の方法を用いることにより、多層サンプルの場合の「傾斜配置」におけるエコーシーケンスの重なり合いを回避することができる。

図６ａは、一例として、サンプル表面の垂線に対して１５°の入射角α_１での傾斜測定のエコーシーケンスを示し、図６ｂは、４ｍｍの鋼製板における垂直測定のエコーシーケンスを示している。図示されたそれらのエコーシーケンスは、プラスチックから構成されている連結体２を備えた図３による測定装置を用いて記録されたものである。

図７ａと図７ｂは、先にウインドウ表示された図６ａと図６ｂの例示のエコーシーケンスの自己相関関数を示している。垂直線（破線）でマークされた副極大は、それぞれのエコーシーケンスにおける測定された時間的なパルスシーケンス間隔を表している。

サンプル１の層厚ｗと音速（音波速度）ｃを決定するための方法は、異なる音響経路Ｓ_１及びＳ_２でサンプル１を通って走行した２つの超音波信号の走行時間測定に基づく。音響経路Ｓ_１及びＳ_２は、これらが、サンプル表面に対する角度と、長さとにおいて異なり、それに対して超音波の音速が両方の音響経路Ｓ_１及びＳ_２において同じであることにより特徴付けられている。サンプル１内の音響経路Ｓ_１及びＳ_２は、様々な測定装置を介して実現可能である。サンプル１を介した音響経路Ｓ_１及びＳ_２での信号の走行時間測定の実現、並びにサンプル１に対する測定装置の片側の連結（Kopplung）は、様々な測定装置において共通である。

サンプル表面の垂線に対して異なる入射角α_１及びα_２を有する２つの送受信変換器対３、６及び４、５を用いることにより、角度β_１及びβ_２を有する（サンプル１内の）音響経路Ｓ_１及びＳ_２を実現することができる（図１を参照）。しかしこのことは、具体化の唯一の可能性を表しているわけではない。送信機と受信機の対は必須ではなく、超音波信号が音響経路Ｓ_１ないしＳ_２を介してサンプル１を通過した後に反射器７により再び音響変換器に戻るように案内されるのであれば（図２を参照）、超音波信号の送信及び受信は、唯一の要素を用いて実現することもできる。また図３は、先に図示した測定装置の１つの組み合わせを示している。即ち送信機３と受信機６は、ピッチキャッチ構成を介して角度β_１でサンプル１を斜めに進行する音響経路Ｓ_１を実現しており、それに対して音響変換器８は、送信機及び受信機として同等に作動し、垂直（β_２＝０）にサンプル１を通って進行する音響経路Ｓ_２を実現している。結局のところ、これらの音響変換器は、音響経路Ｓ_１ないしＳ_２の実現のためには、共通の連結体２上に取り付けられなくてはならないというわけではない。音響経路Ｓ_１ないしＳ_２の実現は、別個の連結体ユニットによっても可能である（図４を参照）。即ち音響経路Ｓ_２は、２つの別個のクランプオン式流量センサ１３を介して実現され（ピッチキャッチ（投射―入射）構成）、音響経路Ｓ_１は、サンプル表面に対して垂直に配向された音響変換器１４を介して実現される。

送信音響変換器３、４から連結体２を介してサンプル１内に透過される超音波信号は、音響経路Ｓ_１ないしＳ_２を少なくとも１回通過する（図１を参照）。サンプル１から超音波信号が出ていくときに超音波信号は、２つの部分に分割される。即ち一方の部分は、連結体２内に透過されて受信音響変換器５ないし６に導かれ、他方の部分は、反射（表面反射）されてサンプル１内に戻り、追加の音響経路Ｓ_１ ^＊ないしＳ_２ ^＊を通過する（図１を参照）。従ってＳ_１ ^＊ないしＳ_２ ^＊は、Ｓ_１ないしＳ_２に対して平行移動され且つそれにより同じ長さ及びサンプル表面の垂線に対して同じ角度をも有する、サンプル１内の音響経路である。音響経路Ｓ_１ ^＊ないしＳ_２ ^＊でサンプル１を通過した超音波信号は、連結体２とサンプル１の間の境界層において再び透過部分（受信音響変換器５ないし６に導かれる）と反射部分（Ｓ_１ないしＳ_２に対して平行移動された経路でサンプル１内を進行する）に分割される。

以下では、Ｓ_１ないしＳ_２と同じ長さ、及びサンプル表面に対してＳ_１ないしＳ_２と同じ角度を有するが、サンプル１内では、連結体２とサンプル１の境界層での反射に基づきＳ_１ないしＳ_２に対して平行移動されているサンプル１内の全ての音響経路も、Ｓ_１ないしＳ_２と称するものとする。

サンプル１内の前述の多重反射により、受信される超音波信号は、サンプル１内で異なる所定数の音響経路Ｓ_１ないしＳ_２を走行した複数の信号部分の重なり合いから成る。それにより個々の信号部分は、受信音響変換器において異なる到着時間を有する。前述の信号部分の重なり合いは、エコーシーケンス（エコー列）と称される。即ち時間的に１番目の信号部分は、一回も音響経路Ｓ_１ないしＳ_２を走行してなく（サンプル表面において反射されて受信機に導かれた）、時間的に２番目の信号部分は、一回だけ、音響経路Ｓ_１ないしＳ_２を走行しており、それ以後の信号部分は、複数回、Ｓ_１ないしＳ_２の長さの音響経路を走行したものである。

音響経路Ｓ_１ないしＳ_２でのサンプル１の各通過により、受信機におけるそれぞれの信号部分の到着時間は、走行時間差Δｔ_１ないしΔｔ_２だけ遅延する。従って受信機５ないし６では、エコーシーケンスの形式の超音波信号が得られる。音響経路Ｓ_１ないしＳ_２を介した超音波信号内の到着する信号部分の時間的な間隔（「エコーシーケンス間隔」）は、走行時間差Δｔ_１ないしΔｔ_２である。走行時間差Δｔ_１ないしΔｔ_２は、サンプル１の１つの層の層厚ｗ、サンプル１の１つの層内の音速ｃ、連結体２内の音速ｃ_α、及び入射角α_１ないしα_２により決定されている。音響経路Ｓ_１ないしＳ_２自体は、層厚ｗを介し、及び入射角α_１ないしα_２に関する屈折の法則を介して決定される。それらの角度は、測定装置の構成から既知である。結局のところ、測定量である走行時間差Δｔ_１ないしΔｔ_２に依存し、両方の未知数である層厚ｗと音速ｃのために２つの方程式を立てることができる。

この際、簡略化された以下の表記が使われている。

この際、Ｋ_α１ないしＫ_α２は、連結体２内に角度α_１ないしα_２を有する測定装置における音響変換器のセンサ定数であり、Δｔ_１は、音響経路Ｓ_１を介する超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、Δｔ_２は、音響経路Ｓ_２を介する超音波信号内のエコーの時間的な間隔である。

センサ定数Ｋ_αｉは、以下のように定義されている。

この際、ｉ＝｛１、２｝であり、ｃ_αは、連結体２内の音速であり、α_ｉは、連結体２内の垂線に対する音響ビームの角度である。

次に、図３に例示した測定装置に基づき、それぞれ他の値を事前に知ることなくサンプル１の層厚ｗとサンプル１内の音速ｃを決定するための方法及び数式について、より詳細に説明する。超音波信号は、送信用の音響変換器３ないし８により、連結体２及び適切な連結材を介し、部分的にサンプル１内に透過される。超音波の一部分は、サンプル表面において受信用の音響変換器６ないし８に向かって反射される。サンプル１内で超音波信号は、後壁（サンプル１の裏面）において少なくとも１回反射され、それから連結体２を通って受信用の音響変換器に戻るように導かれる。（サンプル面に対し）斜め配置の測定装置では、音響経路１０、１１が、受信機６において時間的に相前後して連続する２つの超音波信号をもたらし、音響経路Ｓ_１のためのエコーシーケンスを形成する。このエコーシーケンスに基づき、走行時間差Δｔ_１が２つのパルスの間の時間的な間隔から決定される。垂直方向の測定装置では、超音波信号は、音響経路９においてサンプル１内で複数回反射され、音響経路Ｓ_２を複数回通過する。従って音響変換器８における受信信号も、２つのパルスの間の時間的な間隔Δｔ_２を有するエコーシーケンスを表す。

例えばピエゾ素子８０１、３０１、６０１が音響変換器８、３、６として載置されている連結体２は、例えばポリフェニレンスルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、又はポリフェニルスルホンから成ることができる。しかし高められた作動温度をカバーするためには、鋼製連結体を用いるバリエーションも考えられる。１つのピエゾ素子８０１から成る音響変換器８は、サンプル表面の垂線に対して０°の角度で配向されており、即ちサンプル表面と平行（垂直測定）に連結体２上に取り付けられている それぞれ所定の面部内の１つ又は複数のピエゾ素子３０１ないし６０１から成る他の２つの音響変換器３、６は、サンプル表面に対してゼロとは異なる角度で連結体２上に載置されており、例えば、鋼製サンプル内に縦波を励起するためにはプラスチック連結体上に１６°の角度で、又は鋼製サンプル内に横波を励起するためには４０°の角度で取り付けられている（傾斜測定）。

サンプル１内の音速が両方の音響経路Ｓ_１ないしＳ_２で同じであるためには、傾斜装置の角度が、できるだけ所定の第１の臨界角より下になくてはならない。傾斜測定の角度が所定の第１の臨界角以上にあるが、所定の第２の臨界角未満にある場合、本方法を実行するためには、横波用の垂直音響変換器が垂直測定のために使用されなくてはならない。このケースは、クランプオン式流量センサ１３と、鋼材から成るサンプル１とを用いた、図４に図示された実施例に関する。

次に、垂直方向の測定装置と傾斜した測定装置とを用いた実施例の特殊なケースのための数式が開示される。

サンプル１内の音速ｃを決定するために、前述の測定装置を用いて（「傾斜測定」と「垂直測定」）走行時間差Δｔ_１及びΔｔ_{Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ}が決定される。（１.３）の方程式を用い、これらの２つの測定値に基づき、サンプル１内の音速ｃと層厚ｗを決定することができる。数式（１.３）は、α_２＝β_２＝０及びΔｔ_２＝Δｔ_{Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ}による、数式（１.１）の特殊なケースとして得られる（この際「Senkrecht」は「垂直」を意味する。）。

Δｔ_{Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ}は、音響経路Ｓ_２（図３）上の走行時間差であり、送信機８からサンプル表面に対して垂直に、ｎ回及びｎ＋１回、サンプル１を通り（サンプル１内のｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して）受信機８に戻るように走行した超音波信号の間のエコーシーケンス間隔に対応する。垂直測定の場合には、送信機と受信機は、同じ音響変換器である。傾斜測定の場合には、送信機３と受信機６は、異なる音響変換器である。

Δｔ_１は、音響経路Ｓ_１（図３）上の走行時間差であり、送信機３からサンプル表面の垂線に対して角度β_１で、ｎ回及びｎ＋１回、サンプル１を通り（ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介してサンプル１を通って）受信機６に戻るように走行した超音波信号の間のエコーシーケンス間隔に対応する。音響経路１０、１１は、ｎ＞＝０のときの超音波信号の走行状況を表している。

エコーシーケンス間隔は、記録されたエコーシーケンスから自己相関関数を用いて決定される。図６ｂは、４ｍｍの厚さの鋼製板における垂直測定のエコーシーケンスを示している。このエコーシーケンスに自己相関関数を適用すると、自己相関関数において、０のところの絶対的な極大の他に、一番目の相対的な極大（以下、一番目の副極大と称する）が生じる。図７ｂの例（４ｍｍの鋼製板）では、１.３２２μｓの垂直測定のエコーシーケンス間隔が得られる。

図６ａの例における傾斜測定のエコーシーケンスは、明らかなパルスシーケンスとしては認識できない。しかしそれでもこのエコーシーケンスの自己相関関数では、一番目の副極大の位置が評価可能である。この副極大が明確には際立っていない場合には、傾斜測定からのエコーシーケンス間隔は垂直測定でのエコーシーケンス間隔よりも小さいという条件を利用することができる。この条件を用いることにより、傾斜測定のエコーシーケンスの自己相関関数において正しい副極大が評価される。本実施例では、１.０４９μｓの傾斜測定のエコーシーケンス間隔が検出される。これらの両方の値を計算式（１.３）に取り入れると、音速ｃは５９９６ｍ／ｓとなり、層厚ｗは３.９６３ｍｍとなる。

多層システムにおける個々の層厚ｗを決定するためには、サンプル１の個々の各層１６、１７（図５）が前述の方法を用いて測定される。個々の層１６、１７からの走行時間を評価できるようにするためには、個々のピエゾ素子３０１、６０１のスイッチオンとスイッチオフによりエコーシーケンスの重なり合いが回避される。図５には、例として、１つの２層システムの層厚ｗと音速ｃを測定するための測定装置が示されている。傾斜装置は、音響変換器対（音響変換器ペア）１５から成り、これらの音響変換器自体は、スイッチオンスイッチオフ可能な個々のピエゾ素子３０１ないし６０１から成る。図５においてアクティブ状態の要素は、Ｘ印でマークされている。先ずサンプル１の上側の層１６が測定される。サンプル１の下側の層１７を少なくとも１回通過する信号部分は、これらの信号部分が受信音響変換器のインアクティブ状態の要素だけに当たり、従って無効とされるように（図面において）右の方にずらされる。従って受信機で記録されるエコーシーケンスは、連結体２とサンプル１の上側の層１６からの信号部分だけを含んでいる。図５からは、このエコーシーケンスは、層１６を１度も通過していない、１回通過した、及び２回通過した信号部分から構成されることも見てとれる。このエコーシーケンスから走行時間差Δｔ_１が決定される。

図５の音響変換器８を用いた垂直測定からのエコーシーケンスは、両方の層１６、１７内の音響経路を走行した信号部分から成る。このエコーシーケンスは、走行時間差Δｔ_{Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ}を評価するために層１６又は層１７からの信号部分だけが考慮されるような形式でウインドウ設定される。層１６の評価について、このことは、例えばエコーシーケンスの最初の両方のパルスだけが評価のために使用されることにより可能である。

それに応じ、数式（１.３）を用いてサンプル１の上側の層１６の層厚ｗと音速ｃを決定することができる。

サンプル１の下側の層１７を測定するためには、音響変換器対１５の受信機において更に右側に位置するピエゾ要素（Ｘ印なしで図示されているもの）がアクティブ状態にされ、先にアクティブ状態にされていたピエゾ要素（Ｘ印で図示されているもの）がスイッチオフされる。それにより下側の層１７内の多重反射から成るエコーシーケンスが記録され（エコーシーケンスは、少なくとも１回、層１７を斜めに通過した信号部分から成る）、時間的なパルスシーケンス間隔が層１７内の多重反射に基づいて評価される。しかしこのことは、上側の層１６からの他のエコーが受信音響変換器面の変化により大部分において無効とされ得るか、又は上側の層１６内の多重反射が下側の層１７内よりも強く減衰される場合にのみ達成される。更に上側の層１６からのエコーの時間的な位置を予測し且つ従って下側の層１７のための時間的なパルスシーケンス間隔の評価から取り除くために、先に獲得された上側の層１６の層厚の情報を利用することもできる。

図５の垂直測定からのエコーシーケンスは、少なくとも１回垂直に下側の層１７を通って走行した下側の層１７からの信号部分のみが走行時間差Δｔ_{Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ}を評価するために考慮されるような形式でウインドウ設定される。つまり例えばエコーシーケンスの最初の両方のパルスは考慮されないままで、３番目及び更なる後続のパルスだけを走行時間差の決定のために使用することができる。

１ サンプル
２ 連結体
２０１ 連結面
２０２ 連結体２のデッキ面
２０３、２０４、２０５、２０６ 縦方向の側方エッジ部
３ 音響変換器
３０１ ピエゾ素子
４ 音響変換器
５ 音響変換器
６ 音響変換器
６０１ ピエゾ素子
７ 反射器
８ 音響変換器
８０１ ピエゾ素子
９ 音響経路
１０ 音響経路
１１ 音響経路
１２ 音響経路
１３ 音響変換器（クランプオン式流量センサ）
１３１ ピエゾ素子
１４ 音響変換器（超音波壁厚測定器）
１４１ ピエゾ素子
１５ 音響変換器
１６ サンプル１の上側の層
１７ サンプル１の下側の層
１８ 音響経路
１９ 音響経路

α_１、α_２ 連結体２内の垂線に対する音響ビームの角度
β_１、β_２ サンプル１内の垂線に対する音響ビームの角度
Ｓ_１、Ｓ_２ サンプルの１つの層内の音響経路
Ｓ_１ ^＊、Ｓ_２ ^＊ サンプルの１つの層内の音響経路、
Ｓ_１、Ｓ_２に対して平行移動されたもの
Δｔ_１、Δｔ_２ 音響経路Ｓ_１、Ｓ_２上の超音波の走行時間差
Δｔ_{Ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ} 垂直測定時の音響経路Ｓ_１上の走行時間差
ｃ サンプル１内の音速
ｃ_α 連結体２内の音速
ｗ 層厚
Ｋ_α１、Ｋ_α２ 連結体２内に角度α_１ないしα_２を有する測定装置のセンサ定数

Claims (4)

1. 少なくとも２つの異なる音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）でサンプル（１）を通って走行する超音波信号の走行時間差（Δｔ_１、Δｔ_２）を測定することにより、超音波を用いて単層又は多層のサンプル（１）における層の層厚（ｗ）と音速（ｃ）を測定するための方法であって、
   それらの音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）は、同一層内では同じ音速（ｃ）をもって異なる角度（β_１、β_２）で進行し、
   それらの音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）は、単層又は多層のサンプル（１）の表面上に、少なくとも２つの音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）を備えた少なくとも１つの連結体（２）が配設されていることにより生成され、それらの音響変換器は、超音波信号を２つの異なる音響経路で連結体（２）を通ってサンプル（１）内に送出し、また受信し、これらの超音波信号は、それぞれ、サンプル（１）内の多重反射により発生する一連のエコーから成り、
   これらのエコーは、それぞれ、サンプル（１）内で異なる所定数の音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）を走行したものであり、そして、
   走行時間差（Δｔ_１、Δｔ_２）は、相次ぐエコーの互いの時間的な間隔であり、層厚（ｗ）と、層内の音速（ｃ）の計算は、以下の方程式、即ち、
   

   

   を用いて行われ、ここで、
   ｃは、サンプル（１）の１つの層内の音速であり、
   ｗは、サンプル（１）の１つの層の層厚であり、
   Δｔ_１は、サンプル（１）内の一方の音響経路（Ｓ_１）を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
   Δｔ_２は、サンプル（１）内の他方の音響経路（Ｓ_２）を介した超音波信号内のエコーの時間的な間隔であり、
   Ｋ_α１、Ｋ_α２は、音響変換器（３、４、５、６、８、１３、１４、１５）のセンサ定数であり、センサ定数（Ｋ_αｉ）は、
   

   

   を介して定義され、ここで、
   ｉ＝｛１、２｝であり、
   ｃ_αは、連結体（２）内の音速であり、
   α_ｉは、連結体（２）内の垂線に対する音響ビームの角度である
   こと、
   を特徴とする方法。
2. 一方の走行時間差（Δｔ_１）は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器（３）から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度（β_１）で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプル（１）の測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器（３、６）に戻るようにサンプル（１）を通って走行したものであること、及び、
   他方の走行時間差（Δｔ_２）は、１つのエコーシーケンスの自己相関関数の一番目の副極大の位置として決定され、そのエコーシーケンスは、複数の超音波信号から成り、これらの超音波信号は、音響変換器（８、４）から、サンプル表面の垂線に対して所定の角度（β_２）で、少なくともｎ回及びｎ＋１回、サンプル（１）の測定すべき層を通り、ｎ回及びｎ＋１回の後壁反射を介して対応の音響変換器（８、４、５）に戻るようにサンプル（１）を通って走行したものであること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 複数のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１、１３１、１４１）を含んだ音響変換器（３、６、８、１３、１４、１５）のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子（３０１、６０１、８０１、１３１、１４１）のスイッチオンとスイッチオフにより、サンプル（１）を所定の音響経路（Ｓ_１、Ｓ_２）で通過して対応の音響変換器（６、８、１３、１４、１５）に当たる信号部分が選択されること
   を特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも二層のサンプル（１）では、音響変換器（３、６、１５）のアクティブ音響変換器面の個々のピエゾ素子（３０１、６０１）のスイッチオンとスイッチオフにより、個々の各層について、層厚（ｗ）と音速（ｃ）が決定されること
   を特徴とする、請求項３に記載の方法。

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