JPH03272454A - Ultrasonic measuring apparatus - Google Patents

Ultrasonic measuring apparatus

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JPH03272454A
JPH03272454A JP2072819A JP7281990A JPH03272454A JP H03272454 A JPH03272454 A JP H03272454A JP 2072819 A JP2072819 A JP 2072819A JP 7281990 A JP7281990 A JP 7281990A JP H03272454 A JPH03272454 A JP H03272454A
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JP
Japan
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sample
reflected wave
ultrasonic
absorption coefficient
pulse
Prior art date
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Pending
Application number
JP2072819A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomio Endo
富男 遠藤
Masahiro Aoki
雅弘 青木
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH03272454A publication Critical patent/JPH03272454A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To measure an absorption coefficient in a wide frequency range at high speed by a method wherein an ultrasonic pulse is allowed to be incident on a sample and the reflected wave thereof is converted into an electric signal to extract the reflected wave components from the surface and rear of the sample and the components are respectively converted into power spectra to perform operation. CONSTITUTION:The electrical pulse signal transmitted from a pulse transmitting part 1 is subjected to electroacoustic conversion by a transducer 2 and an ultrasonic pulse is allowed to be incident on a sample 5 from an acoustic lens 3. The reflected wave from the sample 5 is again converted to an electric signal which is, in turn, inputted to a preamplifier 6 to be supplied to a gate part 7. The reflected wave component from the surface or rear of the sample 5 is extracted and recorded on the memory of a computer 10 through a sampling part 8 and an A/D converting part 9. Fast Fourier transform is applied to the reflected wave component in the computer 10 to calculate a power spectrum. By this method, the absorption coefficient of the sample in a wide frequency range can be measured at high speed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超音波を用いた計測において、測定対象物の
音波の吸収係数を測定できる超音波計測装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to an ultrasonic measuring device that can measure the absorption coefficient of sound waves of a measurement object in measurement using ultrasonic waves.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来より、超音波を用いて測定対象物の音波の吸収係数
を測定する方法として共鳴法が知られている。
Conventionally, resonance method is known as a method of measuring the absorption coefficient of sound waves of a measurement object using ultrasonic waves.

第10図は上記共鳴法を用いた吸収係数測定装置の構成
例である。この装置は、周波数を可変できる送信部10
1から出力された送信波が超音波探触子102に人力し
、そこで電気音響変換された超音波が試料103に入射
される。試料103に入射した超音波は、試料103中
を伝播した後、試料103を挟んで対抗配置された超音
波探触子104て電気信号に変換される。超音波探触子
104で変換された電気信号(以下、「受信信号」と呼
称する)は前置増幅器105を介してオシロスコープ1
06に入力される。
FIG. 10 shows an example of the configuration of an absorption coefficient measuring device using the above resonance method. This device includes a transmitter 10 that can vary the frequency.
The transmitted wave outputted from the ultrasonic probe 102 is manually applied to the ultrasonic probe 102, where the electroacoustic converted ultrasonic waves are incident on the sample 103. The ultrasonic waves incident on the sample 103 propagate through the sample 103 and then are converted into electrical signals by the ultrasonic probes 104 placed opposite to each other with the sample 103 in between. The electrical signal converted by the ultrasonic probe 104 (hereinafter referred to as a "received signal") is sent to the oscilloscope 1 via a preamplifier 105.
06 is input.

ここで、試料103に入射する超音波は、送信部101
から出力される送信波の周波数を変化させていくと、(
1)式で表される周波数fで共振する。
Here, the ultrasonic waves incident on the sample 103 are transmitted to the transmitter 101
By changing the frequency of the transmitted wave output from (
1) It resonates at the frequency f expressed by the formula.

f −n v / 2 d    (n=1.2 =i
     −(1)なお、Vは試料の音速、dは試料の
厚さを示す。
f −n v / 2 d (n=1.2 = i
-(1) Note that V indicates the sound velocity of the sample, and d indicates the thickness of the sample.

従って周波数を連続的に変えてゆくと(1)式の周波数
で受信信号の強度がピークを示し、オシロスコープ10
6に表示されるスペクトルは第11図に示すようになる
。複数のピークのうちの1つのピークの周波数をf5ピ
ークの強度に対して半分の強度を示す周波数の幅(半値
幅)をΔfとし、試料中の音波の波長をλとし、吸収係
数をαとすれば、以下の式が成り立つ。
Therefore, when the frequency is changed continuously, the strength of the received signal peaks at the frequency of equation (1), and the oscilloscope
The spectrum displayed in 6 is as shown in FIG. The frequency of one of the multiple peaks is half the intensity of the f5 peak (half width) is Δf, the wavelength of the sound wave in the sample is λ, and the absorption coefficient is α. Then, the following formula holds.

Δf/f−αλ/π         ・・・(2)(
2)式より、 α−πΔf / v                
 ・・・(3)したがって、(3)式より、試料103
の吸収係数を求めることができる。
Δf/f−αλ/π...(2)(
2) From the formula, α−πΔf / v
...(3) Therefore, from equation (3), sample 103
The absorption coefficient of can be determined.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかしながら、以上のような超音波による吸収係数測定
装置は、送信波として連続波を使用しているため、共振
の起こる周波数を見つけるためには、連続的に周波数を
変化させる必要がある。その結果、共振の起こる周波数
を見つけるのに時間がかかり、−回の測定に長時間を要
するという問題がある。
However, since the above-described ultrasonic absorption coefficient measuring device uses a continuous wave as a transmission wave, it is necessary to continuously change the frequency in order to find the frequency at which resonance occurs. As a result, there is a problem in that it takes time to find the frequency at which resonance occurs, and that it takes a long time to measure - times.

また、上記した吸収係数測定装置では、共振を起こす周
波数でしか吸収係数の測定ができない。
Further, with the above-mentioned absorption coefficient measuring device, the absorption coefficient can only be measured at frequencies that cause resonance.

ところが、(1)式に示すように、共振周波数は試料の
音速と厚さによって決まるので、さまざまな周波数の吸
収係数を求めるためには、それに応じた厚さを有する多
数の試料が必要となり、吸収係数の測定が極めて煩雑な
作業となる。
However, as shown in equation (1), the resonant frequency is determined by the sound velocity and thickness of the sample, so in order to determine the absorption coefficient of various frequencies, a large number of samples with corresponding thicknesses are required. Measuring the absorption coefficient becomes an extremely complicated task.

また、試料に入射される超音波は試料全体あるいは相当
領域に照射されるため、試料表面に凹凸があるときは正
確な測定を行うことができず、試料の一部分の吸収係数
を測定することもできない。
In addition, since the ultrasonic waves incident on the sample are applied to the entire sample or a considerable area, accurate measurements cannot be performed if the sample surface is uneven, and it may be difficult to measure the absorption coefficient of a portion of the sample. Can not.

本発明は以上のような実情に鑑みてなされたもので、広
い周波数にわたって高速に吸収係数の測定を行うことが
でき、また試料に凹凸部が存在している場合や、試料の
一部分のみであってもその吸収係数を測定できる超音波
計測装置を提供することを目的とする。
The present invention has been developed in view of the above-mentioned circumstances, and allows for high-speed measurement of absorption coefficients over a wide range of frequencies. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic measuring device that can measure the absorption coefficient of the ultrasonic waves.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明は上記課題を解決するために、超音波パルスを試
料に入射させ、試料からの反射波を受信して電気信号に
変換する超音波送受信手段と、この超音波送受信手段に
よって変換された前記電気信号に含まれる前記試料の表
面からの反射波成分と裏面からの反射波成分をそれぞれ
抽出する手段と、この抽出手段でそれぞれ抽出された前
記表面反射波成分および裏面反射波成分をそれぞれパワ
ースペクトルに変換する手段と、この手段によって求め
られた前記各パワースペクトル成分から前記試料の吸収
係数を求める演算手段とを備える構成とした。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention includes an ultrasonic transmitter/receiver that makes an ultrasonic pulse enter a sample, receives a reflected wave from the sample, and converts it into an electric signal, and an ultrasonic wave that is converted by the ultrasonic transmitter/receiver. A means for extracting a reflected wave component from the front surface and a reflected wave component from the back surface of the sample included in the electrical signal, and a power spectrum of the front reflected wave component and the back reflected wave component respectively extracted by the extracting means. and a calculation means for determining the absorption coefficient of the sample from each of the power spectrum components determined by this means.

また、上記課題を解決するために、超音波送受信手段に
試料に微小スポットに集束する超音波パルスを入射させ
、かつ前記超音波パルスの試料への入射方向をZ軸とし
てその基準位置を自由に設定可能な音響レンズを設け、
さらにその音響レンズのZ位置を検出する手段を設ける
構成とした。
In addition, in order to solve the above problem, an ultrasonic pulse focused on a minute spot is made to enter the ultrasonic transmitting/receiving means on the sample, and the reference position can be set freely with the direction of incidence of the ultrasonic pulse on the sample as the Z axis. Equipped with a configurable acoustic lens,
Furthermore, a configuration is provided in which means for detecting the Z position of the acoustic lens is provided.

〔作用〕[Effect]

広い周波数成分を有する超音波パルスが試料に入射され
るので、周波数を変化させることなく一回の超音波パル
スの入射で、試料の吸収係数を広い周波数わたって測定
でき、測定時間が短縮化される。
Since ultrasonic pulses with wide frequency components are incident on the sample, the absorption coefficient of the sample can be measured over a wide range of frequencies with a single incident ultrasonic pulse without changing the frequency, reducing measurement time. Ru.

また、試料に入射される超音波パルスが音響レンズによ
って集束されるので、超音波パルスは試料の一点に入射
することとなり、凹凸のある試料や、試料の一部分であ
ってもその吸収係数を良好に測定できるものとなる。
In addition, since the ultrasonic pulse incident on the sample is focused by the acoustic lens, the ultrasonic pulse will be incident on one point on the sample, making it possible to improve the absorption coefficient even if the sample is uneven or a part of the sample. can be measured.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.

第1図は本発明の第1実施例となる超音波計測装置を示
す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an ultrasonic measuring device according to a first embodiment of the present invention.

この装置の超音波送受信手段は、送信波となる電気的パ
ルス信号を発生するパルス送信部1と、このパルス送信
部1から送信される電気的パルス信号を超音波に変換す
るトランスジューサ2と、このトランスジューサ2で電
気音響変換された超音波パルスを微小スポットに集束さ
せる音響レンズ3とから構成されている。音響レンズ3
から出力される超音波の焦点付近には試料5が置かれ、
試料5と音響レンズ3との間は超音波が伝播するように
カブラ液体4で満たされている。試料5からの反射波は
再び音響レンズ3を通りトランスジューサ2で電気信号
(受信信号)に変換されて、前置増幅器6に入力される
。前置増幅器6の出力はゲート部7に供給され、ここで
試料5の表面又は裏面からの反射波成分が抽出される。
The ultrasonic transmitting/receiving means of this device includes a pulse transmitter 1 that generates an electric pulse signal as a transmission wave, a transducer 2 that converts the electric pulse signal transmitted from the pulse transmitter 1 into an ultrasonic wave, and a transducer 2 that converts the electric pulse signal transmitted from the pulse transmitter 1 into an ultrasonic wave. It is comprised of an acoustic lens 3 that focuses the ultrasonic pulses electroacoustically converted by the transducer 2 onto a minute spot. acoustic lens 3
A sample 5 is placed near the focus of the ultrasound output from the
The space between the sample 5 and the acoustic lens 3 is filled with Kabra liquid 4 so that ultrasonic waves can propagate. The reflected wave from the sample 5 passes through the acoustic lens 3 again, is converted into an electric signal (received signal) by the transducer 2, and is input to the preamplifier 6. The output of the preamplifier 6 is supplied to a gate section 7, where a reflected wave component from the front or back surface of the sample 5 is extracted.

抽出された反射波成分はサンプリング部8でサンプリン
グされA/D変換部9に入力される。A/D変換部では
入力された信号をディジタル信号に変換し、コンピュー
タ10の中のメモリに記録する。コンピュータ10は、
後述する演算機能を有し計算結果を表示するデイスプレ
ィ11が接続されている。
The extracted reflected wave component is sampled by a sampling section 8 and inputted to an A/D conversion section 9. The A/D converter converts the input signal into a digital signal and records it in the memory in the computer 10. The computer 10 is
A display 11 is connected which has a calculation function to be described later and displays calculation results.

パルス制御部12は、パルス送信部1に送信トリガ信号
を送信すると共に、ゲート部7ヘゲートトリガ信号を送
信し、これによって受信信号から試料5の表面又は裏面
からの反射波成分を抽出している。さらに、パルス制御
部12はサンプリング部8およびA/D変換部9へ動作
信号を送信している。Z走査部13は、超音波の入射方
向をZ軸としたとき、音響レンズ3を2方向の上下に移
動させる機能と、音響レンズ5のZ軸方向の基準位置か
らの相対移動距離を検出する機能を有する。
The pulse control section 12 transmits a transmission trigger signal to the pulse transmission section 1 and also transmits a gate trigger signal to the gate section 7, thereby extracting a reflected wave component from the front or back surface of the sample 5 from the received signal. Further, the pulse control section 12 sends an operation signal to the sampling section 8 and the A/D conversion section 9. The Z scanning unit 13 has the function of moving the acoustic lens 3 up and down in two directions, and detects the relative movement distance of the acoustic lens 5 from the reference position in the Z-axis direction, when the incident direction of the ultrasonic wave is the Z-axis. Has a function.

この基準位置は自由に設定可能な構成となっており、Z
走査部13にて検出されたZ位置情報はコンピュータ1
0へ送信される。
This reference position can be freely set, and Z
The Z position information detected by the scanning unit 13 is sent to the computer 1.
Sent to 0.

次に、以上のように構成された実施例の吸収係数測定動
作について説明する。
Next, the absorption coefficient measuring operation of the embodiment configured as above will be explained.

吸収係数を測定する場合は、音響レンズ3をZ走査部1
3によって上下に移動させて、試料5の表面からの反射
信号が最大振幅になる位置(表面に焦点の合った状態)
を検出し、その位置をZ走査部13の基準位置に設定す
る。
When measuring the absorption coefficient, the acoustic lens 3 is placed in the Z scanning section 1.
3 to move it up and down to the position where the reflected signal from the surface of sample 5 has the maximum amplitude (the state in which the surface is in focus).
is detected, and the detected position is set as the reference position of the Z scanning unit 13.

次に、試料5の表面反射波のパワースペクトルの測定を
行なう。パルス制御、部12から送信トリガ信号が人力
されるとパルス送信部1は単発パルスを発生する。この
パルス波はトランスジューサ2で電気音響変換されて、
音響レンズ3を通って試料5に入射する。試料5からの
反射波は再び音響レンズ3を通りトランスジューサ2で
受信信号に変換される。この受信信号は、第2図(a)
に示すような波形となり、送信もれ、レンズ内反射。
Next, the power spectrum of the surface reflected wave of the sample 5 is measured. When a transmission trigger signal is manually input from the pulse control section 12, the pulse transmission section 1 generates a single pulse. This pulse wave is electroacoustic converted by transducer 2,
The light passes through the acoustic lens 3 and enters the sample 5. The reflected wave from the sample 5 passes through the acoustic lens 3 again and is converted into a received signal by the transducer 2. This received signal is shown in Fig. 2(a).
The waveform will be as shown in the figure below, resulting in transmission leakage and reflection within the lens.

試料表面反射、試料裏面反射等の反射成分を含んでいる
。この受信信号から試料表面反射波を抽出するため、前
置増幅器6から出力される受信信号に対して、ゲート部
7において第2図(b)に示すゲート信号でゲートをか
ける。このようにして抽出された試料表面反射波はサン
プリング部8、A/D変換部9を介してディジタル信号
に変換され、コンピュータ10に入力される。このとき
のサンプリング周波数は、反射波の含んでいる周波数の
2倍以上にする。コンピュータ10では、反射波に高速
フーリエ変換をしてパワースペクトルを求める。求めら
れた試料表面反射波のパワースペクトルはコンピュータ
10内のメモリまたは外部記憶装置14等に記録してお
く。
Contains reflection components such as sample surface reflection and sample back reflection. In order to extract the sample surface reflected wave from this received signal, the received signal output from the preamplifier 6 is gated by a gate signal shown in FIG. 2(b) in the gate section 7. The sample surface reflected wave extracted in this way is converted into a digital signal via the sampling section 8 and the A/D conversion section 9, and is input to the computer 10. The sampling frequency at this time is set to be at least twice the frequency included in the reflected wave. The computer 10 performs fast Fourier transform on the reflected wave to obtain a power spectrum. The obtained power spectrum of the sample surface reflected wave is recorded in the memory within the computer 10, the external storage device 14, or the like.

次に音響レンズ3をZ走査部13によってZ軸方向に移
動し、試料5の裏面の反射波が最大振幅になる位置に設
定し、その位置の基準位置からの距離をZ走査部13で
検出し、コンピュータ]1内のメモリに記録する。以後
は上記同様に動作させて、試料5の試料裏面反射波のパ
ワースペクトルを得る。このとき、ゲート部7のゲート
信号は第2図(c)のように裏面反射波が抽出可能なよ
うに設定する。
Next, the acoustic lens 3 is moved in the Z-axis direction by the Z scanning unit 13 and set to a position where the reflected wave from the back surface of the sample 5 has the maximum amplitude, and the distance of that position from the reference position is detected by the Z scanning unit 13. and record it in the memory of the computer]1. Thereafter, the same operation as above is performed to obtain the power spectrum of the wave reflected from the back surface of the sample of sample 5. At this time, the gate signal of the gate section 7 is set so that the back reflected wave can be extracted as shown in FIG. 2(c).

次に、以上のようにして抽出された表面反射波および裏
面反射波を用いてコンピュータ10で試料5の吸収係数
を算出する。
Next, the computer 10 calculates the absorption coefficient of the sample 5 using the front surface reflected wave and the back surface reflected wave extracted as described above.

音響レンズ3から放射される超音波は送信波が単発パル
スであるために、第3図に示されるような非常に広い範
囲の周波数成分を持っている。このパワースペクトルを
A (f)と表すことにする。
Since the transmitted wave is a single pulse, the ultrasonic waves emitted from the acoustic lens 3 have frequency components in a very wide range as shown in FIG. This power spectrum will be expressed as A (f).

また、第4図(a)に示すように、試料表面に焦点を合
わせたときの音響レンズ3と試料5との相対距離をZ。
Further, as shown in FIG. 4(a), the relative distance between the acoustic lens 3 and the sample 5 when focused on the sample surface is Z.

とおく。さらに、試料5の表面の反射率をR5、カプラ
液体4の吸収係数をaL  (f)とすると、試料表面
反射波のパワースペクトルAs  (f)は次の式で表
される。
far. Furthermore, when the reflectance of the surface of the sample 5 is R5 and the absorption coefficient of the coupler liquid 4 is aL (f), the power spectrum As (f) of the wave reflected from the sample surface is expressed by the following equation.

As(f)”Rs A(f) e  Lo−(4)第4
図(b)に示すように、試料5の裏面に焦点を合わせた
ときの音響レンズ3と試料5の表面との距離をZ l 
+試料の厚さをdとし、カプラ液体4から試料5への透
過率をTs、試料5からカブラ液体4への透過率をT 
L +試料5の裏面の反射率をRB、試料5の吸収係数
をαs  (f)とすると、裏面反射波のパワースペク
トルAB(f)は次の式で表せる。
As(f)”Rs A(f) e Lo-(4) 4th
As shown in Figure (b), the distance between the acoustic lens 3 and the front surface of the sample 5 when focusing on the back surface of the sample 5 is Z l
+ The thickness of the sample is d, the transmittance from coupler liquid 4 to sample 5 is Ts, and the transmittance from sample 5 to coupler liquid 4 is T
When the reflectance of the back surface of L + sample 5 is RB, and the absorption coefficient of sample 5 is αs (f), the power spectrum AB(f) of the back surface reflected wave can be expressed by the following equation.

AB (f) −TL T5 RB A(f) e−”
””“22.+a5f/)−2d)  、、、(5゜(
5)式を(4)式で割って対数をとることにより ここで(6)式の右辺第3項は定数であるから、その部
分をCとおくと となる。
AB (f) -TL T5 RB A(f) e-”
””“22.+a5f/)-2d) ,,,(5゜(
5) By dividing the equation by the equation (4) and taking the logarithm, the third term on the right side of the equation (6) is a constant, so that part is set as C.

ここで、液体や固体中の吸収は周波数fの2乗に比例す
るので、比例係数α5(r)およびα、(f)を、 αs(f’)−a s f 2.a L(f’)−a 
t f 2−(8)とおき、Z2−(Zo  Z+)と
すると(7)式となる。このことから、裏面反射波のパ
ワースペクトルを表面反射波のパワースペクトルで割っ
て対数をとったものを周波数に対してプロットすると第
5図に示すような2次曲線になる。測定値に最小2乗法
でf2の傾きを求めれば(9)式のf2の係数が求まる
。一般にカブラ液体4には水が用いられることが多く、
この吸収係数はよく測定されているのでaLは既知であ
る。また、Z2は前記手段により測定可能であり、試料
の厚さdがわかっているなら試料5の吸収係数は(9)
式より容易に計算することができる。一方、試料の吸収
係数が生体のように周波数の2乗に比例しないときには
(8)式の代わりに a 5(f) −a s f x、a L(f) −a
 Lf xとおいて(7)式に代入することによりとな
り、もう−度対数をとると(Cは定数なので無視する)
、 となる。a I−とZ2は既知であるので、左辺は測定
されたパワースペクトルから算出することができ、その
値をlog 、 fについてプロットすると第6図のよ
うに一定の傾きを示す。この傾きからXが求められるの
で、(11)式から最小2乗法によってa5を求めるこ
とができる。
Here, since absorption in liquids and solids is proportional to the square of the frequency f, the proportional coefficients α5(r) and α,(f) are expressed as αs(f')-a s f 2. a L(f')-a
When t f 2-(8) and Z2-(Zo Z+) are set, equation (7) is obtained. From this, when the power spectrum of the back surface reflected wave is divided by the power spectrum of the front surface reflected wave and the logarithm thereof is plotted against frequency, a quadratic curve as shown in FIG. 5 is obtained. The coefficient of f2 in equation (9) can be found by finding the slope of f2 using the least squares method for the measured values. Generally, water is often used for Kabra liquid 4,
Since this absorption coefficient is often measured, aL is known. Moreover, Z2 can be measured by the above means, and if the thickness d of the sample is known, the absorption coefficient of sample 5 is (9)
It can be easily calculated using Eq. On the other hand, when the absorption coefficient of the sample is not proportional to the square of the frequency, such as in a living body, a 5(f) −a s f x, a L(f) −a can be used instead of equation (8).
By substituting Lf x into equation (7), and taking the logarithm of − degrees (C is a constant, so ignore it)
, becomes. Since a I- and Z2 are known, the left side can be calculated from the measured power spectrum, and when the values are plotted with respect to log and f, they show a constant slope as shown in FIG. Since X can be found from this slope, a5 can be found from equation (11) by the least squares method.

よって、コンピュータ10に、予めわかっている吸収係
数の演算に必要となる試料5の厚さ等のデータが人力さ
れると共に、上記動作によって表面反射波、裏面反射波
に関するデータおよび音響レンズ3のZ位置情報が入力
され、(9)式または(12)式の演算がコンピュータ
10で実行されて、試料5の所定の周波数に関する吸収
係数が測定される。
Therefore, data such as the thickness of the sample 5 necessary for calculation of the absorption coefficient, which is known in advance, is manually entered into the computer 10, and data regarding the surface reflected wave, the back surface reflected wave, and the Z of the acoustic lens 3 are inputted by the above operation. The position information is input, and the calculation of equation (9) or equation (12) is executed by the computer 10, and the absorption coefficient of the sample 5 at a predetermined frequency is measured.

このように本実施例によれば、広い周波数成分を含んで
いる単発パルスを音響レンズ3で集束させて試料5に入
射させ、その反射波から試料表面反射波および試料裏面
反射波をゲート部7で抽出してその両反射波成分をコン
ピュータ10に入力すると共に、音響し〉ズ3の2方向
の位置をコンピュータ10へ入力し、そこで上記演算に
よって試料5の吸収係数を求めるようにしたので、−度
の測定で広い周波数の吸収係数を測定でき、吸収係数の
測定に要する時間を大幅に短縮できる。
As described above, according to this embodiment, a single pulse containing a wide frequency component is focused by the acoustic lens 3 and made incident on the sample 5, and from the reflected wave, the sample surface reflected wave and the sample back surface reflected wave are transmitted to the gate section 7. Both reflected wave components are input to the computer 10, and the positions of the acoustic beam 3 in two directions are input to the computer 10, where the absorption coefficient of the sample 5 is determined by the above calculation. It is possible to measure absorption coefficients over a wide range of frequencies by measuring -degrees, and the time required to measure absorption coefficients can be significantly reduced.

また、試料5の任意の一点に超音波パルスを入射させる
ことができ、試料5に存在する凹凸が略1mm程度以下
の大きさであれば、はとんど凹凸による影響を受けるこ
となく良好に吸収係数の測定を行うことができ、また、
試料5の一部分のみに関する測定も行うことができる。
In addition, the ultrasonic pulse can be applied to any one point on the sample 5, and if the unevenness existing on the sample 5 is approximately 1 mm or less, the ultrasonic pulse can be successfully applied without being affected by the unevenness. Absorption coefficient measurements can be made, and
It is also possible to perform measurements on only a portion of the sample 5.

なお、上記実施例では、試料表面の反射波と試料裏面の
反射波を測定するのに別々に音響レンズ3の焦点を合わ
せているが、ゲート部7において第2図(d)のような
ゲート信号をかけて、両反射波成分を同時にコンピュー
タ10に取り込むこともできる。コンピュータ10で表
面反射波と裏面反射波にわけて、パワースペクトルを演
算する。
In the above embodiment, the acoustic lens 3 is focused separately to measure the reflected wave from the front surface of the sample and the reflected wave from the back surface of the sample. It is also possible to input both reflected wave components into the computer 10 at the same time by applying a signal. A computer 10 calculates the power spectrum by dividing the waves into front-surface reflected waves and back-surface reflected waves.

この方法では、音響レンズ3のZ方向の位置が表面反射
波、裏面反射波の測定時が同じであるから、(7)式に
おいて(Zo  Zl)”0となり、カブラ液体4の吸
収係数の項が無くなるのでより演算が容易になる。
In this method, since the position of the acoustic lens 3 in the Z direction is the same when measuring the surface reflected wave and the back surface reflected wave, (Zo Zl) becomes 0 in equation (7), and the absorption coefficient term of the Kabra liquid 4 is eliminated, making calculations easier.

次に、本発明の第2実施例について第7図を参照して説
明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施例は、第1実施例のパルス送受信部を集束型でな
い超音波探触子71に代えた例であり、他の部分は第1
図に示す装置と路間−の構成である。
This embodiment is an example in which the pulse transmitting/receiving section of the first embodiment is replaced with a non-focusing type ultrasonic probe 71, and the other parts are the first embodiment.
This is the configuration of the device shown in the figure and the road.

本実施例では、パルス送信部1で送信された単発パルス
が超音波探触子71で超音波に変換されて試料5に入射
する。超音波探触子7]と試料5の間はカブラ液体4に
よって満たされている。試料5からの反射波は超音波探
触子71で受信信号に変換されて前置増幅器6に入力さ
れる。前置増幅器6の出力はゲート部7でゲートかかけ
られる。
In this embodiment, a single pulse transmitted by the pulse transmitter 1 is converted into an ultrasonic wave by the ultrasonic probe 71 and is incident on the sample 5. The space between the ultrasonic probe 7] and the sample 5 is filled with Kabra liquid 4. The reflected wave from the sample 5 is converted into a received signal by the ultrasonic probe 71 and input to the preamplifier 6. The output of the preamplifier 6 is gated in a gate section 7.

前置増幅器6から出力される受信信号は、第8図(a)
に示すように、送信もれ、試料表面反射波。
The received signal output from the preamplifier 6 is shown in FIG. 8(a).
As shown in , there is transmission leakage and reflected waves from the sample surface.

試料裏面反射波等を含んでいる。ゲート部7は第8図(
b)に示すゲート信号によって試料の表面反射波と裏面
反射波を抽出する。抽出された反射波成分は、第1実施
例と同様にしてコンピュータ10に入力される。コンピ
ュータ10は入力した反射波成分を表面反射波と裏面反
射波に分けてパワースペクトルを求める。
Contains waves reflected from the back of the sample. The gate part 7 is shown in Fig. 8 (
A wave reflected from the front surface and a wave reflected from the back surface of the sample are extracted using the gate signal shown in b). The extracted reflected wave components are input to the computer 10 in the same manner as in the first embodiment. The computer 10 divides the input reflected wave component into a front surface reflected wave and a back surface reflected wave and obtains a power spectrum.

以下、第1実施例で(Zo  Zl)−0とおいた場合
と同様にして吸収係数を測定する。
Hereinafter, the absorption coefficient is measured in the same manner as in the case where (Zo Zl)-0 is set in the first example.

このように第2実施例によれば、集束型でない超音波探
触子を使用しているので、平面試料であれば、第1実施
例で必要であった音響レンズの焦点合せ動作を省略する
ことができ、より高速な測定が可能である。
As described above, according to the second embodiment, since a non-focusing type ultrasonic probe is used, in the case of a flat sample, the focusing operation of the acoustic lens, which was necessary in the first embodiment, can be omitted. This allows for faster measurements.

次に、本発明の第3実施例について説明する。Next, a third embodiment of the present invention will be described.

第9図は第3実施例の部分的な構成を示す図であり、ゲ
ート部7の人力段よりも前の構成は第1図と同じである
ので省略している。
FIG. 9 is a diagram showing a partial configuration of the third embodiment, and the configuration before the manual stage of the gate section 7 is omitted because it is the same as that in FIG. 1.

本実施例は、第1図に示す装置のゲート部7とサンプリ
ング部8の間にスペクトラムアナライザ91を挿入した
構成である。
This embodiment has a configuration in which a spectrum analyzer 91 is inserted between the gate section 7 and the sampling section 8 of the apparatus shown in FIG.

本実施例では、ゲート部7で抽出された試料5の反射波
はスペクトラムアナライザ91に入力される。スペクト
ラムアナライザ91では人力された信号のスペクトルを
出力する。スペクトラムアナライザ91の出力はサンプ
リング部8、A/D変換部9を介してディジタル信号に
変換された後、コンピュータ10に入力する。コンピュ
ータ10では第1実施例と同様にして吸収係数を演算す
る。
In this embodiment, the reflected wave of the sample 5 extracted by the gate section 7 is input to the spectrum analyzer 91. The spectrum analyzer 91 outputs the spectrum of the manually input signal. The output of the spectrum analyzer 91 is converted into a digital signal via the sampling section 8 and the A/D conversion section 9, and then input to the computer 10. The computer 10 calculates the absorption coefficient in the same manner as in the first embodiment.

この様な第3実施例では、コンピュータ10の人力がパ
ワースペクトルであるため、前記第1および第2実施例
で行っていた高速フーリエ変換が不要となるので、さら
に高速に吸収係数の算出が可能になる。
In such a third embodiment, since the human power of the computer 10 is a power spectrum, the fast Fourier transform that was performed in the first and second embodiments is not necessary, so that the absorption coefficient can be calculated even faster. become.

また、スペクトラムアナライザ91の代わりにFFTア
ナライザを使用することも考えられる。
Furthermore, it is also possible to use an FFT analyzer instead of the spectrum analyzer 91.

このように構成しても、ハードウェアでFFT演算を行
なうので、吸収係数の算出をさらに高速化することがで
きる。
Even with this configuration, since the FFT calculation is performed by hardware, it is possible to further speed up the calculation of the absorption coefficient.

また、波形あるいはパワースペクトルの測定ヲ複数回行
なってコンピュータで平均化することにより、雑音の影
響を少なくすることができ測定精度を上げることができ
る。
Furthermore, by measuring the waveform or power spectrum multiple times and averaging them using a computer, the influence of noise can be reduced and measurement accuracy can be increased.

なお、第1.第2および第3実施例では、ゲ・−ト部7
で予め必要な反射波を抽出しているが、ゲート部7を取
り除いて、広い範囲の波形をディジタル信号としてコン
ピュータ10に人力した後に、コンピュータ10の内で
必要な反射波を抽出する構成とすることもでき、この様
にすることにより構成を簡略化できる。
In addition, 1. In the second and third embodiments, the gate section 7
Although the necessary reflected waves are extracted in advance, the configuration is such that the gate section 7 is removed and a wide range of waveforms are input manually to the computer 10 as digital signals, and then the necessary reflected waves are extracted within the computer 10. This can also simplify the configuration.

また、第1実施例において、試料表面に焦点を合わせて
表面反射波のパワースペクトルを求めているが、試料が
変わることにより変化するのは(4)〜(7)式の反射
率と透過率R5,RB。
In addition, in the first example, the power spectrum of the surface reflected wave is obtained by focusing on the sample surface, but the reflectance and transmittance of equations (4) to (7) change as the sample changes. R5, RB.

Ts、TLであり、この部分は(7)式の定数項Cとな
り、吸収係数の演算時には影響しない。したがって、試
料表面のパワースペクトルは超音波送受信部が変化しな
いならば、最初に1回求めて保存しておけば十分であり
、測定ごとに繰り返す必要はない。
Ts and TL, and this part becomes the constant term C in equation (7) and does not affect the calculation of the absorption coefficient. Therefore, if the ultrasonic transmitter/receiver does not change the power spectrum of the sample surface, it is sufficient to obtain it once and save it, and there is no need to repeat it for each measurement.

なお、本発明は、試料の深部観察用として本来使用され
るものであるが、パルスモード超音波顕微鏡や、超音波
探傷器にディジタルストレージオシロやFFTアナライ
ザ等をつけてソフトを移植することで、それらの各装置
において容易に吸収係数測定を可能にできる。
The present invention is originally used for deep observation of samples, but by attaching a digital storage oscilloscope, FFT analyzer, etc. to a pulse mode ultrasonic microscope or ultrasonic flaw detector and implanting software, Absorption coefficient measurements can be easily made in each of these devices.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上詳記したように本発明によれば、単発パルス波を送
信波として用いることにより非常に高速に、しかも非常
に広い周波数における試料の吸収係数を測定することが
できる。
As described in detail above, according to the present invention, by using a single pulse wave as a transmitted wave, it is possible to measure the absorption coefficient of a sample at a very high speed and over a very wide range of frequencies.

また音響レンズを使用することで超音波を集束させて試
料に入射させるため、凹凸のある試料や、試料の一部分
のみの吸収係数も測定することができる。
Furthermore, by using an acoustic lens, the ultrasonic waves are focused and made incident on the sample, making it possible to measure the absorption coefficient of a sample with uneven surfaces or only a portion of the sample.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の・第1実施例の構成図、第2図は同実
施例の動作説明図、第3図は超音波パルスが有する周波
数成分を説明するための図、第4図は音響レンズの焦点
位置と音響レンズと試料との相対関係を示す図、第5図
は裏面反射波のパワースペクトルを表面反射波のパワー
スペクトルで割ってその対数をとったものを周波数に対
してプロットした特性図、第6図は試料の吸収係数が周
波数の2乗に比例しない場合の特性図、第7図は第2実
施例の部分的な構成図、第8図は第2実施例の動作説明
図、第9図は第3実施例の部分的な構成図、第10図は
従来の吸収係数測定方法を説明するための図、第11図
は共振周波数を説明するための図である。 1・・・パルス送信部、2・・・トランスジューサ、3
・・・音響レンズ、4・・・カプラ液体、5・・・試料
、6・・・前置増幅器、7・・・ゲート部、8・・・サ
ンプリング部、9・・・A/D変換部、10・・・コン
ピュータ、11・・・デイスプレィ、12・・・パルス
制御部、13・・・Z走査部。 晴間
Fig. 1 is a block diagram of the first embodiment of the present invention, Fig. 2 is an explanatory diagram of the operation of the same embodiment, Fig. 3 is a diagram for explaining the frequency components of an ultrasonic pulse, and Fig. 4 is a diagram for explaining the frequency components of the ultrasonic pulse. A diagram showing the focal position of the acoustic lens and the relative relationship between the acoustic lens and the sample. Figure 5 shows the logarithm of the power spectrum of the back-reflected wave divided by the power spectrum of the front-reflected wave, plotted against frequency. Figure 6 is a characteristic diagram when the absorption coefficient of the sample is not proportional to the square of the frequency, Figure 7 is a partial configuration diagram of the second embodiment, and Figure 8 is the operation of the second embodiment. FIG. 9 is a partial configuration diagram of the third embodiment, FIG. 10 is a diagram for explaining a conventional absorption coefficient measuring method, and FIG. 11 is a diagram for explaining the resonance frequency. 1...Pulse transmitter, 2...Transducer, 3
...Acoustic lens, 4...Coupler liquid, 5...Sample, 6...Preamplifier, 7...Gate section, 8...Sampling section, 9...A/D conversion section , 10... Computer, 11... Display, 12... Pulse control unit, 13... Z scanning unit. Clear weather

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)超音波パルスを試料に入射させ、その試料からの
反射波を受信して電気信号に変換する超音波送受信手段
と、この超音波送受信手段によって変換された前記電気
信号に含まれる前記試料の表面からの反射波成分と裏面
からの反射波成分をそれぞれ抽出する手段と、この抽出
手段でそれぞれ抽出された前記表面反射波成分および裏
面反射波成分をそれぞれパワースペクトルに変換する手
段と、この手段によって求められた前記各パワースペク
トルから、前記試料の吸収係数を求める演算手段とを備
えたことを特徴とする超音波計測装置。
(1) Ultrasonic transmitting/receiving means for making an ultrasonic pulse incident on a sample, receiving a reflected wave from the sample, and converting it into an electrical signal; and the sample included in the electrical signal converted by the ultrasonic transmitting/receiving means. a means for extracting a reflected wave component from the front surface and a reflected wave component from the back surface, a means for converting the front reflected wave component and the back reflected wave component respectively extracted by the extracting means into power spectra; An ultrasonic measuring device comprising: calculation means for determining the absorption coefficient of the sample from each of the power spectra determined by the means.
(2)請求項1記載の超音波計測装置において、前記試
料に微小スポットに集束する超音波パルスを入射させ、
かつ前記超音波パルスの試料への入射方向をZ軸として
その基準位置を自由に設定可能な音響レンズを前記超音
波送受信手段に設け、さらに前記音響レンズのZ位置を
検出する手段を設け、この検出手段にて検出される前記
音響レンズのZ位置情報を前記演算手段に入力すること
を特徴とする超音波計測装置。
(2) The ultrasonic measuring device according to claim 1, wherein an ultrasonic pulse focused on a minute spot is incident on the sample,
Further, an acoustic lens whose reference position can be freely set with the direction of incidence of the ultrasonic pulse on the sample as the Z axis is provided in the ultrasonic transmitting/receiving means, and further a means for detecting the Z position of the acoustic lens is provided, An ultrasonic measuring device characterized in that Z position information of the acoustic lens detected by a detection means is input to the calculation means.
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