JPH0518943A - 内部欠陥探知方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波を用いて被検体内部の欠陥を探知す
る方法およびその装置において、送受信信号の周波数帯
域の幅を狭くし、しかも信号の処理利得の低下を防ぎ、
欠陥探知における分解能および探知限界の向上を図るこ
とができるようにすることを目的とする。 【構成】 時間とともに周波数が変化する第１の信号
と、周波数の時間的な変化が前記第１の信号と逆特性と
なる第２の信号とを、その結合点でπだけ位相をずらし
て結合させた位相反転結合信号を送信信号とし、この位
相反転信号を超音波音響信号に変換し被検体に向けて放
射し、放射された音響信号の被検体からの反射波を受信
して受信信号を取出し、この送信信号および受信信号を
用いてパルス圧縮処理を行い、このパルス圧縮処理の結
果であるパルス圧縮情報を用いて被検体内部の状況を表
示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波を利用して被
検体の内部の欠陥を探知する内部欠陥探知方法およびそ
の装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、被検体に向けて超音波を放射し、
被検体の表面や内部の欠陥から反射する反射波を受信し
て、被検体内部の欠陥を探知する超音波探傷装置などの
探知装置（あるいは方法）が知られている。

【０００３】図３は、このような探知方法における被検
体の位置と受信パルスの関係を示す図である。同図にお
いて、水槽３０１には媒介物質（例えば水）３０６が満
たされ、その中に送受波子３０２と被検体３０３が配置
されている。送受波子３０２から所定波長の超音波のパ
ルスを放射する。Ｐ１はこの送信パルスを示す。このパ
ルスは被検体３０３の表面で反射し、被検体表面反射波
Ｐ２として受信される。また、欠陥３０４の表面、欠陥
３０４の裏面、および被検体３０３の裏面で、それぞれ
反射され、欠陥３０４の表面反射波Ｐ３、欠陥３０４の
裏面反射波Ｐ４、および被検体３０３の裏面反射波Ｐ５
として、それぞれ受信される。以上の受信パルスから、
被検体３０３の表面反射波Ｐ２から欠陥３０４の表面反
射波Ｐ３までの時間Ｍを求める。被検体３０３の表面か
ら欠陥３０４の表面までの距離Ｌは、以下の式で求めら
れる。

【０００４】Ｌ＝Ｔ・Ｖ／２ ただし、Ｖは被検体内および媒介物質内の音速を示し、
簡単のため被検体内の音速と媒介物質内の音速は同じと
した。

【０００５】このような原理で被検体内部の欠陥を探知
できるが、この場合、探知の分解能を向上させるために
は送信パルスのパルス幅をより小さくするのが望まし
い。一方、探知の距離（探知限界）を大きくするには、
パルス幅をより大きくして送信パルスの電力を大きくす
るのが望ましい。したがって、探知限界の向上と分解能
の向上とが相反しており、これらのパラメータを独立に
取扱うことができなかった。

【０００６】このような問題点を解決するため、いわゆ
るパルス圧縮法が導入されている。代表的なパルス圧縮
法には、直線状周波数変調（ＬＦＭ）方式、直線状周期
変調（ＬＰＭ）方式および符号変調方式などが挙げられ
る。一例として、ＬＦＭ方式を説明する。

【０００７】図４は、ＬＦＭ（Ｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑ
ｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）方式における送信
パルスの波形などを示す図である。同図において、図４
（ｂ）は送信パルスの波形を示す。送信パルスは、図４
（ａ）に示す時間と周波数との関係で周波数変調を加え
たパルスであり、いわゆるチャープ信号と呼ばれる。こ
の送信パルスの時間幅はＴであり、パルス開始時点の周
波数はｆ１である。周波数は図４（ａ）のグラフに基づ
き時間とともに徐々に上げられ、パルス終点では周波数
ｆ２となる。このような周波数ｆ１からｆ２の範囲で走
査した送信パルスを図３の送信パルスＰ１として用い、
各部からの反射波の受信パルスを得る。各受信パルス
は、図４（ｃ）に示すような周波数対遅延特性を有する
回路網に通され、図４（ｄ）に示すような圧縮波形が得
られる。結果として、時間幅Ｔで送信されたパルスの反
射波は、受信位置で集積された形となり、振幅は拡大さ
れパルス幅は圧縮される。

【０００８】上述したようなパルス圧縮法を用いること
により、探知限界を決定する送信パルスの平均電力と、
分解能を決定する送信パルスの周波数走査範囲とを、独
立に取扱うことができる。すなわち、探知限界と分解能
とをともに向上させるためには、広い周波数走査範囲を
有し、継続時間の長い送信パルスを用いればよい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
探知装置や方法に用いている電気音響および音響電気変
換のための送受波素子（振動子）は、ある周波数（すな
わち、共振点の近傍）で最大感度を示し、そこから離れ
るに連れて感度が急激に低下する。一方、上述したよう
な理由により、広い周波数走査範囲を有する送信パルス
を用いることが好ましいため、送受波素子を使用する周
波数領域は、感度は低いが使用する周波数の全帯域にわ
たって比較的感度の変化の少ない非共振領域を使用せざ
るを得ない。このため、欠陥探知装置全体として、信号
対雑音比の低下が発生し、探知限界の延長を困難とする
という重大な欠点があった。

【００１０】この発明は、超音波を用いて被検体内部の
欠陥を探知する方法およびその装置において、送受信信
号の周波数帯域の幅を狭くし、しかも信号の処理利得の
低下を防ぎ、欠陥探知における分解能および探知限界の
向上を図ることができるようにすることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明に係る内部欠陥探知方法は、時間とともに
周波数が変化する第１の信号と、周波数の時間的な変化
が前記第１の信号と逆特性となる第２の信号とを、その
結合点でπだけ位相をずらして結合させた位相反転結合
信号を送信信号として出力する工程と、前記位相反転信
号を超音波音響信号に変換し被検体に向けて放射する工
程と、放射された前記音響信号の前記被検体からの反射
波を受信し受信信号を取出す工程と、前記送信信号およ
び受信信号を用いてパルス圧縮処理を行う工程と、前記
パルス圧縮処理の結果であるパルス圧縮情報を用いて前
記被検体内部の状況を表示する工程とを具備することを
特徴とする。

【００１２】また、この発明に係る内部欠陥探知装置
は、時間とともに周波数が変化する第１の信号と、周波
数の時間的な変化が前記第１の信号と逆特性となる第２
の信号とを、その結合点でπだけ位相をずらして結合さ
せた位相反転結合信号を送信信号として出力する送信信
号発生手段と、前記位相反転信号を超音波音響信号に変
換し被検体に向けて放射する送波手段と、放射された前
記音響信号の前記被検体からの反射波を受信し受信信号
を取出す受波手段と、前記送信信号および受信信号を用
いてパルス圧縮処理を行うパルス圧縮手段と、前記パル
ス圧縮処理の結果であるパルス圧縮情報を用いて前記被
検体内部の状況を表示する表示手段とを具備することを
特徴とする。

【００１３】パルス圧縮処理は、送信信号および受信信
号をディジタル信号に変換して処理するのが好ましい。

【００１４】また、被検体内部の状況の表示は、２次元
の表示器に被検体の３次元情報を表示するのが好まし
い。

【００１５】

【作用】時間とともに周波数が変化する第１の信号と、
周波数の時間的な変化が前記第１の信号と逆特性となる
第２の信号とを、その結合点でπだけ位相をずらして結
合させた位相反転結合信号を送信信号として用いるの
で、周波数走査範囲が狭くて済む。したがって、送受波
素子の共振領域での使用が可能となり、利得を大幅に向
上できる。また、同一のパルス幅のチャープ信号と同等
の分解能で欠陥探知を行うことができる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明
する。

【００１７】図１は本発明の一実施例に係る探知装置の
構成を示すブロック図、図２は位相反転結合信号の一例
を示す波形図である。

【００１８】図２の位相反転結合信号は、時間とともに
周波数が変化する第１の信号２０１と、周波数の時間的
変化が前記第１の信号２０１と逆特性となる第２の信号
２０２とをその結合点２０３でπだけ位相をずらして結
合させた信号である。この位相反転結合信号は、従来技
術で用いられているチャープ信号と比較し、同一のパル
ス幅Ｔで周波数走査範囲は半分である。しかし、位相偏
移を情報として付加しているため、パルス圧縮処理に対
して従来のチャープ信号と同様の特性を有する。

【００１９】図１を参照して、本実施例の探知装置の動
作を説明する。

【００２０】まず、タイミング発生器９は送信開始信号
１０７をトリガとして送信器１の送信信号発生部１１に
出力する。これを受けて、送信器１の送信信号発生部１
１は、図２に示したような位相反転結合信号を発生す
る。この位相反転結合信号は、電力増幅部１２で電力増
幅され、送信信号１０１として送受切換え器３に入力す
る。

【００２１】一方、このときタイミング発生器９は送受
切換え器３に送受切換え信号１０８を出力し、これによ
り送受切換え器３は送信状態になっている。送受切換え
器３に入力した位相反転結合信号は、送受波器２に入力
し、整合回路２１を経て送受波素子２２に印加される。
送受波素子２２は、入力した位相反転結合信号を音響信
号（音波）に変換し被検体に向けて放射する。

【００２２】同時に、送受切換え器３に入力した送信信
号１０１の一部は、受信器４に入力する。受信器４のろ
波回路４１は、ダイナミックレンジを拡大するための帯
域制限を施す。対数増幅器４２は損号の増幅処理を行
う。ろ波回路４３は、エイリアシング防止用である。受
信器４に入力した送信信号１０１の一部は、ろ波回路４
１で帯域制限が施され、対数増幅回路４２で増幅され、
エイリアシング防止用ろ波回路４３を経て、Ａ／Ｄ（ア
ナログ／ディジタル）変換器５に入力する。そして、Ａ
／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換回路５１でディジタル化され
る。Ａ／Ｄ変換回路５１のディジタル出力１０３は記憶
回路５２によりディジタル化送信信号として保存され
る。

【００２３】送受波素子２２から放射された音波は、被
検体で反射し、再び送受波器２に入力する。この反射波
は、送受波器２の送受波素子２２で受波され、整合回路
２１を介して、受信信号１０２として送受切換え器３に
入力する。このとき、タイミング発生器９は送受切換え
器３に送受切換え信号１０８を出力し、これにより送受
切換え器３は受信状態になっている。受信状態におい
て、送受切換え器３は受信信号１０２をそのまま受信器
４に出力する。受信器４は、受信信号１０２から不要周
波数成分を取除き増幅して、Ａ／Ｄ変換器５に出力す
る。Ａ／Ｄ変換器５では、Ａ／Ｄ変換回路５１で受信信
号をディジタル化し、記憶回路５２にディジタル化受信
信号として保存する。

【００２４】記憶回路５２に記憶された前記ディジタル
化送信信号および前記ディジタル化受信信号は、送受信
情報１０４としてマッチドフィルタリング処理器６に入
力される。マッチドフィルタリング処理器６は、前記デ
ィジタル受信信号をパルス圧縮処理する。具体的には複
素フーリエ変換など種々の手法を用いることができる
が、この実施例の装置では相関処理を行うようにしてい
る。すなわち、ディジタル化送信信号とディジタル受信
信号との相関を取ることにより、パルス圧縮の結果を得
ている。例えば、ディジタル化送信信号を各サンプリン
グ時間ｉ＝１〜ｎに対し振幅ａ_iで表し、ディジタル化
受信信号を各サンプリング時間ｉ＝１〜ｍに対し振幅ｂ
_iで表すものとする。このとき、

【００２５】

【数１】 として、ｃ_iを算出する。このｃ_iがピークを示す位置を
求めその位置を受信パルスの位置とすればよい。

【００２６】マッチドフィルタリング処理器６から出力
されたパルス圧縮情報１０５は、表示処理器７に入力す
る。表示処理器７では検査範囲内すべてのパルス圧縮情
報１０５を処理し、３次元の表示情報１０６に変換した
後、表示器８に表示する。

【００２７】以上により、被検体の内部の状況が表示器
８に表示される。

【００２８】上記の実施例によれば、図２に示すような
位相反転結合信号を用いており、この位相反転結合信号
では結合点２０３でπだけ位相をずらして互いに逆特性
の第１の信号２０１と第２の信号２０１とを結合してい
る。そのため、第１の信号を基準に考えると第２の信号
は負の周波数の信号のように働き、従来のチャープ信号
と同様の特性を有することとなる。一方、この位相反転
結合信号では、同じパルス幅を有するチャープ信号と比
較して、周波数走査範囲を半分にすることができる。し
たがって、最大感度点すなわち共振点近傍で送受波素子
を使用することができ処理利得をアップすることができ
る。さらに、前記チャープ信号と同等の分解能を得るこ
とができる。

【００２９】なお、上記実施例では送信信号の周波数走
査範囲を同一のパルス幅のチャープ信号と比較して半分
にする例を示したが、さらに周波数走査範囲を減らすこ
ともできる。例えば、送信信号の周波数走査範囲をさら
に半分にするためには、時間とともに周波数が変化する
前記第１の信号の周波数走査範囲の半分の周波数を基準
として、前記第１の信号と前記第２の信号に相当する第
１ａの信号と第１ｂの信号を生成し、同様に前記第２の
信号の周波数走査範囲の半分の周波数を基準として、第
２ａの信号と第２ｂの信号を生成し、それぞれ位相をπ
だけずらし、これらの第１ａの信号と第１ｂの信号と第
２ａの信号と第２ｂの信号とと結合することにより実現
できる。すなわち、周波数走査範囲を２^-N（ただし、Ｎ
は整数）とするためには、位相反転点を２^N−１点にす
ればよい。

【００３０】また、上記実施例は超音波探傷装置に本発
明を適用した例であるが、これに限らず、本発明は音波
を利用する装置一般、並びに電磁波を利用する装置一般
に適用することもできる。

【００３１】さらに、本発明の表示方法は、走査するラ
インを少しずつずらして欠陥探知を行い画像合成して疑
似３次元として表示を行っている。もちろん一般的な方
法として従来からレーダなどに用いられている合成開口
処理を適用することもできる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
時間とともに周波数が変化する第１の信号と、周波数の
時間的な変化が前記第１の信号と逆特性となる第２の信
号とを、その結合点でπだけ位相をずらして結合させた
位相反転結合信号を送信信号として出力し、この送信信
号に基づく音波を被検体に向けて放射し、その受信信号
をパルス圧縮しているので、送信信号および受信信号の
周波数帯域を狭帯域化することができる。そのため、従
来非共振領域において振動子を励振していた装置に比較
して、共振領域での使用が可能となり処理利得を向上さ
せて探知限界（探傷距離）を飛躍的に延長することがで
きる。また、同一のパルス幅のチャープ信号と同等の分
解能で欠陥探知を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る探知装置の構成を示
すブロック図

【図２】 位相反転結合信号の一例を示す波形図

【図３】 従来の探知方法における被検体の位置と受信
パルスの関係を示す図

【図４】 ＬＦＭ方式における送信パルスの波形などを
示す図

【符号の説明】

１…送信器、２…送受波器、３…送受切換え器、４…受
信器、５…Ａ／Ｄ変換器、６…マッチドフィルタリング
処理器、７…表示処理器、８…表示器、９…タイミング
発生器、１１…送信信号発生器、１２…電力増幅器、２
１…整合回路、２２…送受波素子、４１，４３…ろ波回
路、４２…対数増幅器、５１…Ａ／Ｄ変換回路、５２…
記憶回路、１０１…送信信号、１０２…受信信号、１０
３…Ａ／Ｄ変換回路出力、１０４…送受信情報、１０５
…パルス圧縮出力、１０６…表示情報、１０７…送信開
始信号、１０８…送受切換え信号。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】時間とともに周波数が変化する第１の信号
   と、周波数の時間的な変化が前記第１の信号と逆特性と
   なる第２の信号とを、その結合点でπだけ位相をずらし
   て結合させた位相反転結合信号を送信信号として出力す
   る工程と、 前記位相反転結合信号を超音波音響信号に変換し被検体
   に向けて放射する工程と、 放射された前記音響信号の前記被検体からの反射波を受
   信し受信信号を取出す工程と、 前記送信信号および受信信号を用いてパルス圧縮処理を
   行う工程と、 前記パルス圧縮処理の結果であるパルス圧縮情報を用い
   て前記被検体内部の状況を表示する工程とを具備するこ
   とを特徴とする内部欠陥探知方法。
2. 【請求項２】前記パルス圧縮処理を行う工程は、前記送
   信信号および受信信号をディジタル信号に変換して処理
   する請求項１に記載の内部欠陥探知方法。
3. 【請求項３】前記表示する工程は、２次元の表示器に前
   記被検体の３次元情報を表示する請求項１または２に記
   載の内部欠陥探知方法。
4. 【請求項４】時間とともに周波数が変化する第１の信号
   と、周波数の時間的な変化が前記第１の信号と逆特性と
   なる第２の信号とを、その結合点でπだけ位相をずらし
   て結合させた位相反転結合信号を送信信号として出力す
   る送信信号発生手段と、前記位相反転結合信号を超音波
   音響信号に変換し被検体に向けて放射する送波手段と、 放射された前記音響信号の前記被検体からの反射波を受
   信し受信信号を取出す受波手段と、 前記送信信号および受信信号を用いてパルス圧縮処理を
   行うパルス圧縮手段と、前記パルス圧縮処理の結果であ
   るパルス圧縮情報を用いて前記被検体内部の状況を表示
   する表示手段とを具備することを特徴とする内部欠陥探
   知装置。
5. 【請求項５】前記パルス圧縮手段は、前記送信信号およ
   び受信信号をディジタル信号に変換して処理する請求項
   ４に記載の内部欠陥探知装置。
6. 【請求項６】前記表示手段は、２次元の表示器に前記被
   検体の３次元情報を表示する請求項４または５に記載の
   内部欠陥探知装置。