JPH0781993B2

JPH0781993B2 - 超音波測定装置

Info

Publication number: JPH0781993B2
Application number: JP1086383A
Authority: JP
Inventors: 光裕小池; 修三和高
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-04-05
Filing date: 1989-04-05
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPH02264858A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は例えば超音波探傷装置、厚さ測定装置などの
超音波測定装置に関し、特にその信号対雑音比（以下S/
N比と称する）の向上に関するものである。

なお、ここでは説明の便宜上、超音波測定装置として以
下超音波探傷装置を例に上げて説明する。

〔従来の技術〕

周知のように金属材料中の探傷に用いられる超音波探傷
装置は従来から人手により行われていたが，信頼性の向
上及び効率的な試験を行う目的で近年自動超音波探傷装
置が普及してきたことは良く知られている。

しかしながら，欠陥の判定を自動的に行うためにはいく
つかの課題があり，その一つにS/N比の確保の問題があ
る。S/N比を悪化させる要因にはいくつかあるが，大別
すると，探傷信号レベルが小さい場合と，探傷を目的と
しない信号のレベル（いわゆる雑音レベル）が大きい場
合の２つのケースになる。

まず，探傷信号レベルが小さい場合であるが，一般的に
受信増幅部に入力される信号が非常に小さい場合が考え
られる。

探傷信号が小さいと受信増幅部に電子の熱イオン運動に
よつて不可避的に発生する増幅器ノイズに埋もれてしま
い,S/N比が悪化することは，「超音波試験技術」1980年
２月25日（社団法人日本能率協会）発行〔177〜181ペー
ジ〕により良く知られた事実である。このように入力信
号が小さい場合S/N比を改善するには一般的に探触子を
駆動する電気パルスの振幅を大きくして信号レベルを大
きくすれば良いが，送信部を構成する電気的素子の制限
や超音波探触子の耐電力の制限から送信用の電気パルス
の電圧には上限がある。また爆発性のある雰囲気の中で
使用する場合などでは放電による引火を防ぐ意味でも送
信部に加える電圧を高くすることは出来ない。

次に探傷を目的としない信号のレベル（いわゆる雑音レ
ベル）が大きい場合であるが，その一つに外部からの雑
音の問題がある。もし，外部から電気雑音が探傷信号を
増幅する増幅器やこの信号の処理系統に混入すれば試験
の信頼性の低下を招くことは「超音波試験技術」1980年
２月25日（社団法人日本能率協会）発行〔296〜298ペー
ジ〕により良く知られた事実である。しかもそれらの外
来雑音もすべて除去できるケースはきわめてまれであ
る。

他のケースとしては，試験体の内部組織に起因する妨害
エコーの存在や，高速の探傷時に問題となる残響エコー
による妨害エコーの問題がある。試験体の内部組織に起
因する妨害エコーに関してはステンレス鋼や，鋳鉄品な
ど内部の組織が比較的粗い材料でみられる現象で，それ
らの試験体の探傷時に探傷信号に観測される内部組織か
らの「林状エコー」と呼ばれる妨害エコーの存在は「超
音波探傷法」昭和59年６月１日（日刊工業新聞社）発行
〔p548−p553〕などにより良く知られた事実であるが，
試験体の製造方法や探傷周波数などによつても妨害エコ
ーの状況が変化するので，小さな欠陥の検出は困難であ
る。

高速の探傷時に問題となる残響エコーによる妨害エコー
の問題については，試験体内の超音波信号の減衰度合い
が比較的小さく，探傷繰り返し周波数が高い自動探傷な
どで問題になるもので，試験体内を伝搬している超音波
信号が十分に減衰しないうちに次の送信パルスを試験体
中に送り込む場合に発生する問題で前回の送信パルスで
反射していた超音波信号が混信してくる現象であり，通
常は探傷速度の低下が必要な探傷繰り返し周波数を低く
したり，超音波のビームを多少傾けて超音波ビームの拡
散度合いを大きくすることで対処している。

以下S/N比の向上のために従来実施されていた方法につ
いて説明する。

一般的に探傷信号のS/N比を向上させるには，相関処理
を用いるのが効果的と考えられている。まず相関処理方
式について説明する。

第15図はパルス通信などにおける同期用パターンとして
よく使用される鋭い相関関数を持つ二値有限長系列の一
例であるバーカ系列の動作原理を説明する図，第16図は
第15図と同様に鋭い相関関数を持つ二値有限長系列の一
例である相補系列の動作原理を説明する図，第17図はラ
ンダムな符号系列を用いた相関処理を行なう超音波探傷
装置の構成図，第18図は第17図の動作を説明するための
図，第19図は第18図の送信信号，探触子及び試験体の周
波数特性を示した図である。

第15図は例えば「符号理論」昭和56年６月30日（昭晃
堂）発行〔p488−490〕に詳細に述べられている鋭い相
関関数を持ち，かつ二値有限長系列の一つであるバーカ
系列を示したものである。この場合二値とは，＋と−の
２つの状態を指す。

二値系列に対するｋを変数とする相関関数ρaa（ｋ）は
長さｎの系列ａを用いて一般的に式（１）で示されるこの場合有限な系列であるａは式（２）で示すような両
側を０でつながつている無限長系列として取り扱つてい
る。

｛a_j｝＝０・・0a₀a₁・・・・a_n-100・・０・・式(２) ここで,j≦−１及びｊ≧ｎに対してはa_j＝０であるか
ら，式（１）は式（３）に変形出来る。

式（３）からも分かるように，相関の無い熱雑音などは
1/nまで圧縮することが出来ることから，相関処理が相
関の無い熱雑音に対してS/N比を向上させる有効な手段
であると言える。このことは，探傷装置に電気的ノイズ
として混入するモータや溶接機が発生するランダムノイ
ズに対しても有効に働くと考えられる。

さらに探傷においては，自己相関関数ρaa（ｋ）がｋ＝
０で鋭いピークを持ち，それ以外の範囲（０＜ｋ＜ｎ）
では十分小さくなるような系列が必要である。

そこで，二値系列の自己相関の度合いを評価するため，
ピーク以外（いわゆるレンジ・サイドローブと呼ばれ
る）の絶対値の最大値｜ρ|maxは，式（４）で示され
る。

｜ρ|max＝max｛｜ρaa（ｋ）｜｝式（４）０＜ｋ＜ｎここで,|ρ|max＝1/nを満たす二値有限長系列を特にバ
ーカ系列と呼んで区別している。

第15図（ａ）で示した図はｎ＝７の場合で，式（５）で
示される二値系列の信号を示している。

｛aj｝＝＋＋＋−−＋− 式（５）第15図（ｂ）で示した図は式（３）で計算した−ｎ≦ｋ
＜ｎの自己相関関数である。Ｋ＝０で最小値を記録し他
の部分では最大1/n（この場合は1/7）であることが分か
る。

第16図は例えば「符号理論」昭和56年６月30日（昭晃
堂）発行〔p490−p491〕に詳細に述べられている鋭い相
関関数を持ち，かつ二値有限長系列の一つである相補系
列を示したものである。

ところで，自己相関関数ρaa（ｋ）がｋ＝０以外のすべ
ての点で０となるような二値有限長系列が存在しないこ
とは，式（３）からもあきらかである。

しかし，二つの長さｎの二値系列｛aj｝，｛bj｝のそれ
ぞれの自己相関関数ρaa（ｋ）とρbb（ｋ）の和 ρ（ｋ）＝ρaa（ｋ）＋ρbb（ｋ）式（６）は,k＝０以外の総ての点で０となることがある。

このような２つの系列｛aj｝と｛bj｝を相補系列とよ
ぶ。

第16図（ａ）はｎ＝４の場合の相補系列の例を示したも
ので，式（７）で示される二値系列の信号を示してい
る。

｛aj｝＝＋＋＋− ｛bj｝＝＋−＋＋式（７）第16図（ｂ）で示した図は式（３）で計算した−ｎ≦ｋ
＜ｎの｛aj｝と｛bj｝の自己相関関数である。

第16図（ｃ）は，式（６）で計算したそれぞれの自己相
関関数の和ρ（ｋ）を示している。本図からもわかるよ
うに，相関系列においては，原理的にレンジ・サイドロ
ーブレベルを零にすることが出来る。

第17図は例えば文献IEEE 1981 Ultrasonics Symposium
Proceeding〔p888−891〕に示された超音波探傷装置の
構成図で図中（１）は探触子，（２）は送信部，（５）
は符号発生源，（10）はアナログ相関器，（11）は表示
器，（12）はバイポーラ変換器，（13）はセレクタ，
（14）はデイジタル遅延線，（15）はシステムコントロ
ーラ，（16）は水槽，（17）はターゲツトである。

第18図は第17図の動作を説明するための図で第18図
（ａ）は同期信号，第18図（ｂ）は符号列，第18図
（ｃ）は選択信号，第18図（ｄ）はバイポーラ変換器
（12）の出力を示す。

システムコントローラ（15）からの同期信号（第18図
（ａ））で符号発生源（５）は，第18図（ｂ）に示すよ
うな二値の符号列を発生する。符号発生源（５）で出力
された符号列はセレクタ（13）を経由して送信部（２）
に接続されたバイポーラ変換器（12a）へ入力されると
同時にデイジタル遅延線（14）に入力される。送信部
（２）に接続されたバイポーラ変換器（12a）へ入力さ
れた符号列は符号に応じて＋／−の振幅をバイポーラ変
換器内で与えられ第18図（ｄ）の出力となって送信部
（２）へ入力され，振幅を増幅され送信パルスとして探
触子（１）に加えられる。探触子（１）から放射された
超音波信号は水槽（16）内のターゲツト（17）に反射さ
れ探触子（１）に受信信号として戻つてきて，アナログ
相関器（10）に導かれる。

デジタル遅延線（14）に入力された符号列（第18図
（ｂ））はシステムコントローラ（15）から指定された
時間分（ｔ′）だけ遅延し，もう一方のバイポーラ変換
器（12b）に参照用符号列（第18図（ｆ））として入力
され符号に応じて＋／−の振幅をバイポーラ変換器（12
b）内で与えられた相関処理用の信号（第18図（ｇ））
としてアナログ相関器（10）に導かれる。

アナログ相関器（10）内では，乗算器（10a）と積分器
（10b）を用いて式（３）の左辺の演算が行なわれる
が，式（３）内のｋに相当するものが，参照用符号列
（第18図（ｆ））の遅延時間（ｔ′）である。従つてシ
ステムコントローラ（15）では送信繰り返し周期毎に，
遅延時間（ｔ′）を変化させることで相関処理後の探傷
波形を表示器（11）に表示することが出来る。

以上の相関処理を行なうことで,S/N比の改善を行なつて
いる。

なお，本装置を用いて第16図で説明した相補系列の処理
を行なう場合には，第17図で示した装置では処理するこ
とは出来ず，何らかの記憶手段と二つの系列の相関演算
結果を加算する手段が必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで，上記のような従来の二値有限長系列を利用し
た相関処理を行なう超音波探傷装置では，二値化を行な
うために送信信号を＋／−のレベルで探触子に与えてい
る。第19図は探傷装置に用いられる探触子などの周波数
特性を示したもので，第19図の（ａ）は探触子（１）の
周波数応答特性，（ｂ）は従来装置で用いられている送
信波形の周波数特性，（ｃ）は例えば減衰の大きい試験
体の周波数応答特性である。探触子（１）に加えられる
送信信号はパルス信号という性格上かなり低周波領域に
エネルギーを持つているのに対して探触子（１）の周波
数特性では低周波領域のエネルギーを有効に使うことは
出来ないという問題点があつた。

それと同時に送信信号の周波数帯域が広いため，試験体
中に放射される超音波ビームの周波数特性は探触子の周
波数特性に依存してしまうことが分かる。このことは，
探触子の製造上のバラツキが探傷周波数に影響を与える
ことを示しており，探触子が変わつた場合に探傷結果が
異なつてしまうという問題点があつた。

さらに，試験体の減衰特性によつては探触子が効率良く
使用出来る周波数領域をカツトしてしまうことを示して
いる。従つて，試験体内の減衰でS/N比が悪化しやすい
場合には従来の方法による相関処理でS/N比を改善して
もかなりのレベルの雑音が残つてしまい，送信信号の振
幅を大きくする必要が出たりするという問題点があつ
た。

また，試験体の内部組織に起因する妨害エコーや，高速
の探傷時に問題となる残響エコーによる妨害エコーに関
してはそれらのエコーが送信信号によつて発生している
ため，相関処理を行なつても符号列成分が残つており，
それらを雑音として圧縮することは出来ないという問題
点もあつた。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で，各種の原因によりS/N比が悪化する場合にそれらを
改善し,S/N比を向上させた探傷装置を得ることを目的と
する。

また，この発明の別な発明は上記目的に加えレンジング
サイドロープの低減を図った超音波探傷装置を得ること
を目的としている。

さらに，この発明の別な発明は上記目的に加え欠陥の種
別の識別機能を付加した超音波探傷装置を得ることを目
的としている。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わる超音波探傷装置は鋭い自己関数を持つ
二値の符号列の正符号または負符号の１つの符号に対し
周波数f₀の成分を持つた波形を発生させ，正・負の符号
に対応してそれらの位相を180度変化させたものであ
る。

また，この発明の別の発明に係わる超音波探傷装置では
受信信号の相関演算時の参照信号として，送信信号が探
触子や試験体などの信号伝達径路を通過後の信号を用い
ている。

さらに，この発明の別の発明に係わる超音波探傷装置で
は，複数の相関演算部を設けそれぞれの参照信号とし
て，上記参照信号に各種欠陥の周波数特性も付加したも
のを用いる。

〔作用〕

この発明においては,1つの符号に対し，周波数f₀の成分
を持つた波形を割り当てることで，送信信号のほとんど
のエネルギーを超音波探触子が通過させる周波数帯域に
割り当てることが出来，送信エネルギーの利用効率の向
上を図る。

また，この発明の別な発明においては，受信信号の相関
処理を行なう場合の参照信号に，探触子や試験体などを
通した後の信号を用いることで，特定波形の強調を図
る。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す超音波探傷装置の構
成図であり，（１），（２），（11）は上記従来装置と
全く同一なものである。TGは，送信タイミングをコント
ロールするための同期タイミング発生部，（３）は前記
同期タイミング発生部TGに接続されＴ単位時間毎に鋭い
自己相関関数を持つ正および負の二値の有限な符号列を
発生する符号発生器，（４）は前記符号発生器（３）か
ら発生される正および負の二値の符号列を入力し,1つの
符号に対して周波数f₀の成分を持ち，かつ正符号および
負符号に応じて位相が反転する波形、具体的には位相が
180度変化する波形を発生する符号波形発生部，（６）
は前記超音波探触子（１）にて受信した探傷信号の受信
増幅部，（７）は前記符号波形発生部（４）で作成した
送信信号を基準化して記憶し，必要に応じて読みだすこ
とが出来る参照波形記憶部，（８）は前記受信増幅部
（６）から出力される探傷信号と，前記参照波形記憶部
（７）に記憶された参照波形との相関演算を行なうため
の相関器である。

第２図は，第１図の動作を説明するための図で，第２図
（ａ）は前記同期タイミング発生部TGから発生される同
期信号，第２図（ｂ）は前記符号発生器（３）から出力
される鋭い自己相関関数（この例ではバーカ系列）を持
つた符号列，第２図（ｃ）は，前記符号波形発生部
（４）で発生された信号，第２図（ｄ）は，前記受信増
幅部（６）から前記相関器（８）へ入力された探傷信
号，第２図（ｅ）は相関器（８）からの出力信号であ
る。

第３図は，前記相関器（８）の構成を説明するための図
で，図中（8a）は例えば波長の1/5〜1/10程度の伝搬時
間単位のシフトレジスタなどを用いたデイレイ素子，
（8b）は前記デイレイ素子（8a）からのデータと，前記
参照波形記憶部（７）に記憶されている参照波形データ
Da〜Ddとの乗算を行なうための乗算器，（8c）は前記乗
算器（8b）の計算結果をすべて加算するための加算器で
ある。

上記のように構成された超音波探傷装置において同期タ
イミング発生部TGによつて第２図（ａ）に示すような同
期信号が符号発生器（３）に入力される。符号発生器
（３）では，あらかじめ定められた鋭い自己相関関数を
持つ正および負の二値の有限な符号列を１符号当たりＴ
単位時間保持しながら出力する。この時の波形を第２図
（ｂ）に示す。なお，符号の発生手段としては，プリセ
ツタブルなシフトレジスタなどを利用し，シフトレジス
タに符号列を入力し,T単位時間のシフトクロツクを用い
ても容易に発生できる。符号発生器（３）で１符号あた
り時間Ｔの間隔で発生された符号列は，符号波形発生部
（４）に入力される。符号波形発生部（４）では固定周
波数f₀の成分を持つた波形を正符号の場合は位相０度
で，負符号の場合には位相180度でＴ単位時間の期間発
生する。その時に発生される波形の例を第２図（ｃ）に
示す。この場合,1つの符号に割り当てた波形は正符号の
場合には１サイクルのsin波形であり，負符号の場合に
は180度位相をずらしたsin波形を割り当てている。この
ような波形を発生する手段の例としては，メモリに波形
データを正負毎に格納しておき，符号毎に読出してデイ
ジタル−アナログ変換器などを使用するなどして第２図
（ｃ）に示すような信号を発生することが出来る。

符号波形発生部（４）で発生した送信信号は送信部
（２）で増幅され，探触子（１）へ印加されると同時
に，参照信号として参照波形記憶部（７）に蓄えられ
る。この場合，符号波形発生部（４）にて送信信号を発
生する方式をデイジタルで行なつていれば，デイジタル
メモリを，アナログで行なつている場合にはアナログ−
デイジタル変換器などを用いてデイジタルメモリに記憶
させる。

探触子（１）に印加された送信信号は超音波信号に変換
されて試験体に入力され，欠陥などの反射体により反射
され，探触子（１）へ戻つてくる。探触子（１）で電気
信号に変換された探傷信号は受信増幅部（６）で所定の
レベルまで増幅され，相関器（８）へ入力される。ここ
で用いる相関器は，従来例のように式（３）の計算を送
信繰り返し周期毎にｋを変化させながら低速で処理する
ものではなく，必要個数の乗算器とそれらの出力の加算
器をもつた第３図に示すような構成の高速相関器であ
る。

ここで第３図を用いて相関器（８）の動作について説明
する。

受信増幅器（６）から出力された受信信号は，アナログ
−デイジタル変換器などを利用してサンプリング周期ts
でデイジタル値に変換したものを使用する。この場合の
tsとなるサンプリング周波数は，パルス波形のサンプリ
ング定義から符号波形発生部（４）で使用している固定
周波数f₀の５倍から10倍程度に選んでおけば良い。こう
いつた波形データをシフトレジスタなどを利用したデイ
レイライン（8a）に通して式（３）に示されるａ
_ｊ＋|k|をデイレイラインの各ステツプに出力させる。
各ステツプに出力された受信信号ａ_ｊ＋|k|はそれぞれ
に用意されている乗算器（8b）で，参照波形記憶部
（７）に用意されている参照波形データを式（３）で示
されたajとして乗算する。それらの結果を加算器（8c）
で加算すると，式（３）の右辺を一度に計算することに
なり，サンプリングts単位に相関処理した結果が出力さ
れる。

以上の結果，第２図（ｃ）で示すように周波数f₀を中心
とした成分を持つた送信信号が探触子（１）に印加され
ることになり，周波数f₀を探触子（１）の中心周波数を
合わせると第４図に示す関係となる。ここでａは探触子
の周波数応答特性,bは送信信号の周波数特性を示す。送
信信号は従来の送信信号と異なり，低周波領域にはほと
んどエネルギーは存在しない。その結果送信エネルギー
の大半は探触子（１）を通ることになり，同一送信電圧
を用いた従来の送信信号に比べエネルギー効率の高い符
号列を持つた送信信号を探触子に加えることが可能とな
り，従来の方式に比べS/N比を向上させることが出来
る。

なお，上記例では相関器の参照波形として，送信信号を
用いたが実際の受信波形は，第４図で示した探触子の周
波数応答特性ａおよび試験体の周波数応答特性などの超
音波が伝搬する経路の周波数応答特性の影響で波形がか
なり変化する。

第５図は超音波の伝搬経路で，受信波形がどう変化する
かを示した図で実際に測定した結果である。この場合，
探触子の中心周波数は5MHzで広帯域探触子と呼ばれるも
のを使用した。第５図（ａ）は送信信号の波形，第５図
（ｂ）は25mm板厚の鋼材の底面エコーを受信した波形で
ある。ここで，相関処理の原理を考えてみると，相関器
（８）は入力されてきた受信信号と同一の参照信号を用
いた場合に，最大の出力がでる特徴を持つている。従つ
て，送信信号が超音波の伝搬経路が持つ周波数応答特性
により，どう変化するかを標準的なテストピースを使用
し，かつS/N比が良好な状態（例えば第５図（ｂ）のよ
うに）で測定することで，第５図（ａ）の波形で相関処
理を行なつた場合よりも，第５図（ｂ）の波形を使つて
相関処理を行なつたほうが相関処理後の信号レベルを高
くし，より高いS/N比を上記発明例より得ることが可能
となる。

さて，この発明は上記のように受信信号に含まれる探傷
信号のレベルを上昇させるものであるが，参照波形記憶
部と相関処理部を第６図のように構成することで，別な
効果を生むことが出来る。第６図は試験体内からの反射
エコーの波形の違いを相関器（８）の性質を利用して分
類するもので，図中（７−１），（７−２）…（７−
ｎ）は超音波が伝搬する経路の周波数応答特性に加えて
反射体に起因する周波数応答を加味した参照波形を記憶
する参照波形記憶部で，（８−１），（８−２）…（８
−ｎ）は参照波形記憶部（７−１），（７−２）…（７
−ｎ）に対応した相関器,COは相関器（８−１）…（８
−ｎ）の出力を比較した最大値Ｍを出力すると同時に最
大値を計算した相関波形の情報を欠陥種別情報Ｉとして
出力する比較器である。

これは相関器が入力された受信信号と参照信号が同一の
成分をもつた場合に最大のS/N比を得られる性質を利用
したもので，各々の相関波形記憶部（７−１）…（７−
ｎ）に事前に採取した例えば，ラミネーシヨンなどの平
面からの反射信号や無指向性欠陥などの反射信号を複数
記憶させておき，受信信号に対し各々相関処理を相関器
（８−１）…（８−ｎ）で計算し，同一エコーに対して
各々の出力レベルの度合いを比較することで，ある程度
欠陥の種別をリアルタイムに分類することが可能とな
る。

ところで，下記に示す符号列は第15図（ａ）（ｂ）に示
した同一の自己相関関数を持つたバーカ系列である。

a1j＝＋＋＋−−＋− a2j＝＋−＋＋−−− 第７図は符号列a1jと符号列a2jの相互相関処理を行なつ
た場合の計算結果であり，第７図（ａ）は符号列a1jを
符号列a2jの参照信号にして計算した結果で，第７図
（ｂ）は符号列a2jを符号列a1jの参照信号にして計算し
た結果である。この図からも分かるように，同一の自己
相関関数を持つた符号列でも，異なつた符号列の間の相
関は高いピークは発生しないことが分かる。

ところで，前記の残響エコーの問題は前回の送信エコー
で発生した超音波信号が混信してくる現象であつた。そ
の問題を解決するために，この性質を利用した超音波探
傷装置について動作を説明する。

同期タイミング発生部TGからの同期信号で符号発生器
（３）が発生する符号列を送信繰り返し周波数毎に前記
の同一自己相関関数を持つた異なつた符号列を切り替え
ながら発生し，かつ参照波形記憶部（７）の参照波形を
前記送信波形の符号列に応じて切り替えることを行なう
ことで第７図からもわかるように，前回の送信で符号化
されたエコーは，約7dBも低下するという効果がある。

さらに，参照信号に超音波が伝搬する経路の周波数応答
特性を持たせた信号を設定すれば，探傷信号が強調され
S/N比が向上することは前記説明の通りである。

ところで，いままで説明してきたバーカ系列は確かに鋭
い自己相関関数を持つているが，第15図（ｂ）からも分
かるように1/nのサイドローブを持つている。そのた
め，垂直探傷方法などにおいて，大きな底面エコー近傍
の欠陥エコーを分別するには問題がある。そういつた場
合は，多少処理方法が複雑になるが，従来例で説明した
相補系列を用いることで，サイドローブの問題に対処で
きることはいうまでもない。しかし，一般的にはサイド
ローブをキヤンセルする方法は，二つの数列の和を使用
する相補系列だけと考えられてきたが，ある程度限定さ
れるが,4種類以上の自己相関関数例えばρaa（ｋ），ρ
bb（ｋ），ρcc（ｋ）およびρdd（ｋ）の和 ρ（ｋ）＝ρaa（ｋ）＋ρbb（ｋ）＋ρcc（ｋ）＋ρdd（ｋ）式（８）は,k＝０以外の総ての点で０となることがある。このこ
とは従来言及された文献などはないので，ここではこの
ような系列｛aj｝，｛bj｝，｛cj｝および｛dj｝をｎ補
系列と呼ぶことにする。第８図（ａ）はｎ＝４の場合の
ｎ補系列の例を示したもので，式（９）で示される二値
系列の信号を示している。

｛aj｝＝−−＋＋｛bj）＝−＋−＋｛cj｝＝−＋＋− ｛dj｝＝＋＋＋＋式（９）第８図（ｂ）で示した図は式（３）で計算した−ｎ≦ｋ
＜ｎの｛aj｝，｛bj｝，｛cj｝および｛dj｝自己相関関
数である。

第８図（ｃ）は式（６）で計算したそれぞれの自己相関
関数の和ρ（ｋ）を示している。本図からもわかるよう
に,n補系列においては，原理的にレンジ・サイドローブ
レベルを零にすることが出来る。

第９図は，上記発明の実施例を示した図で（１），
（２），（４），（６），（７），（８）,TGおよび（1
1）は，第１図で示したものと同一であり，（10）は同
期タイミング発生部TGに接続され相補系列またはｎ補系
列の符号列を送信繰り返し周期で順次切り替えて符号波
形発生部（４）へＴ時間毎に正および負の二値の有限な
符号列を出力する相補符号発生部，（９）は各々の系列
による相関波形を加算するための加算手段である。

第10図は加算手段（９）の動作を説明した図であり，こ
の場合は相補系列の加算手段を説明したもので，（9a）
は相関器（８）に接続され，例えばシフトレジスタなど
を利用して構成された前回波形記憶部，（9b）は前回波
形記憶部（9a）の出力と相関器（８）の出力を加算する
ための加算器である。

本装置の動作は第１図で説明した動作とほとんど同じで
あるので，異なる部分についての動作について説明す
る。

相補符号発生器（10）で生成された符号列は，符号波形
発生部（４）で送信信号として探触子（１）へ送信部
（２）を経由して送られる。試験体内で反射された超音
波信号は受信増幅部（６）で増幅され，参照波形記憶部
（７）の出力との相関を相関器（８）で計算される。計
算された結果は例えばシフトレジスタなどを利用して構
成された前回波形記憶部（9a）にて順次記憶するととも
に，前回の相関処理後の波形を今回の波形に同期させて
出力する。今回の送信信号に用いた符号列を｛aj｝とす
ると，相補系列の場合，前回の送信信号は｛bj｝で符号
化されているものとする。従つて加算器（9b）は，式
（６）に示した計算を行なうことになる。その結果，加
算手段（９）から出力される信号はレンジ・サイドロー
ブが改善された信号となる。なお,n補系列処理の場合に
は，前回波形記憶部（9a）を必要数用意し，それぞれの
出力を加算器（9b）で加算すればよい。

以上のような特徴を持つた，複数の相補またはｎ補系列
を使用することは，レンジ・サイドローブの改善はもち
ろんであるが，複数の系列の加算結果を使用するという
特徴を持つている。例えば外部からの電気雑音など，相
関性は無いが非常に大きなレベルの雑音が混入した場
合，原理的に雑音は式（３）から,1/nに圧縮出来るがそ
れだけではS/N比を十分確保出来ない場合が考えられ
る。ここで，上記の複数の系列の加算結果を使用すると
いう特徴を用いれば，外来の電気雑音は探傷に相補数列
を用いた場合にはさらに1/2,第８図に示すｎ補系列をも
ちいればさらに1/4に圧縮され，かつレンジ・サイドロ
ーブを改善することが出来るという効果がある。なお，
単純な平均処理でも同様な効果が期待できるが，混入し
てくる外来電気雑音が周期性をもつている場合には，繰
り返し毎に異なつた自己相関関数を使用することは，周
期性のある外来電気雑音の圧縮にも原理的に効果があ
る。

さらに，上記の発明において，参照信号に超音波が伝搬
する経路の周波数応答特性を持たせた信号を設定すれ
ば，探傷信号が強調されS/N比が向上することは前記説
明の通りである。しかしながら，相補系列や,n補系列に
おいては参照信号に超音波が伝搬する経路の周波数応答
特性を持たせた信号を設定することは別な効果がある。
第11図はｎ＝８における相補系列を用いた送信信号を示
し，第12図は第11図の送信信号により受信した板厚25mm
の底面エコーの受信信号で，第13図（ａ）（ｂ）は，第
12図の受信波形を第11図の送信波形を参照信号として相
関処理を行ない，加算した波形と，その波形をレンジ・
サイドローブを比較するために対数表示したもので，第
13図（ｃ）（ｄ）は，第12図の受信波形を同様な条件で
採取し，基準化した参照波形を用いて相関処理を行な
い，加算した波形と，その波形をレンジ・サイドローブ
を比較するために対数表示したものである。以上の実験
結果を比べると参照信号に超音波が伝搬する経路の周波
数応答特性を持たせた信号を設定することはレンジ・サ
イドローブレベルを17bB近く改善するという効果がある
ことが分かる。

さて，この発明は上記のように探傷信号の強調および，
雑音および目的外信号の圧縮などにより,S/N比の向上を
達成しているが試験体にステンレス鋼や，鋳鉄などの超
音波の減衰がおおきなものを想定した場合について検討
する。

第14図は探触子の周波数応答特性A,試験体の周波数応答
特性Ｂおよび，組み合わせた場合の周波数応答特性Ｃを
示した図である。いままでの説明では，符号波形発生部
（４）で発生する送信信号は，第４図で示したように探
触子の中心周波数に合わせることで，エネルギーの伝達
効率を最大にするものとしてきたが，本例のように試験
体内の減衰（周波数応答特性）によつては最大効率の中
心周波数がずれる場合もある。このような場合は，符号
波形発生部（４）で発生する送信信号の周波数は探触子
の中心周波数（fp）ではなく，探触子と試験体の組み合
わせた周波数応答特性の中心周波数f₀に設定すること
で，送信信号のエネルギーをさらに有効に試験体内に放
射し，受信信号のS/N比を向上させるという効果があ
る。

ところで上記発明は超音波探傷装置の欠陥からの反射エ
コー高さをS/N比を改善し測定する場合について適用し
ているが欠陥までのビーム路程の測定や，厚さを測定す
る目的で底面エコーまでのビーム路程の測定時にも目的
の信号を強調し，外部雑音を圧縮するため，外来雑音で
目的のエコーの位置を誤つて検出することはなくなり，
ビーム路程測定時にも外来雑音除去能力を有することは
言うまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとうり，送信信号において，鋭
い自己相関関数の符号列の符号一つに対応する基本波形
に周波数f₀の成分を持つた波形を用いたので,S/Nを向上
させるという効果がある。

また，この発明の別の発明では同一の自己相関関数をも
つ異なる２つ以上の符号列を送信繰り返し周期毎に順次
切り替えて使用することで，残響エコーなど，前回の送
信信号が起因する妨害エコーを低減するという効果があ
る。

さらに，この発明の別な発明では，各自己相関関数の加
算結果が０となるような２つ以上の符号列を使用するこ
とで，レンジ・サイドローブの改善と同時に外来雑音レ
ベルをさらに圧縮するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す超音波探傷装置の構
成図，第２図から第５図は，第１図の動作および効果の
説明図，第６図はこの発明の別な実施例を示す構成図，
第７図は第１図の別な効果の説明図，第８図は第９図の
説明図，第９図はこの発明のさらに他の実施例を示す超
音波探傷装置の構成図，第10図から第14図は，第９図の
別な効果の説明図，第15図は，従来例の説明用であるバ
ーカ系列の説明図，第16図は従来例の説明用である相補
系列の説明図，第17図は従来の相関処理機能を備えた超
音波探傷装置を示す図，第18図は第17図の動作の説明
図、第19図は従来の問題点を説明するための図である。図において（３）は符号発生器，（４）は符号波形発生
部，（７）は参照波形記憶部，（８）は相関器，（９）
は加算手段，（10）は相補符号発生器である。なお，各
図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対象物に超音波信号を送信し、かつ上記対
象物からの反射信号を受信する超音波センサーを備えた
超音波測定装置において、単位時間毎に符号を切り替
え、かつ鋭い自己相関関数を持つ正負の二値による有限
の符号列を発生する符号発生部と、前記符号発生部から
発生される符号列を入力し、上記超音波センサーと対象物の組み合わせによる周波数
応答特性の中心周波数f₀成分を持ち、かつ正符号と負符
号に応じて位相が反転する波形を有する送信信号を発生する符号波
形発生部と、上記送信信号により励振されて超音波を対
象物に送信し、かつ上記送信信号に対応する対象物から
の反射信号を受信する超音波センサーと、上記超音波セ
ンサーで受信された反射信号と上記送信信号に基づいて
生成される参照信号とを相関演算する相関器とを具備し
た超音波測定装置。
【請求項２】対象物に超音波信号を送信し、かつ上記対
象物からの反射信号を受信する超音波センサーを備えた
超音波測定装置において、同一の自己相関関数を持つ異
なる２つ以上の符号列において、それぞれの符号列を送
信繰り返し周期毎に順次切替え、かつ単位時間毎に符号
を切替えて正、負の二値による有限の符号列を発生する
符号発生部と、前記符号発生部から発生される符号列を
入力し、上記超音波センサーと対象物の組み合わせによる周波数
応答特性の中心周波数f₀成分を持ち、かつ正符号と負符
号に応じて位相が反転する波形を有する各々の送信信号を発生する
符号波形発生部と、上記送信信号により励振されて超音
波を対象物に送信し、かつ上記送信信号に対応する対象
物からの反射信号を受信する超音波センサーと、上記超
音波センサーで受信された反射信号と上記送信繰り返し
毎に切り替えられた送信信号に基づいて生成される参照
信号とを相関演算する相関器とを具備した超音波測定装
置。
【請求項３】対象物に超音波信号を送信し、かつ上記対
象物からの反射信号を受信する超音波センサーを備えた
超音波測定装置において、各々が異なる自己相関関数を
持ち、かつ各々の自己相関関数の加算結果がピーク以外
の点ですべて０になる２つ以上の符号列においてそれぞ
れの符号列を送信繰り返し周期毎に順次切り替え、かつ
単位時間毎に符号を切り替え、正、負の二値による有限
の符号列を発生する相補符号発生部と、上記相補符号発
生部から発生される符号列を入力し、上記超音波センサーと対象物の組み合わせによる周波数
応答特性の中心周波数f₀成分を持ち、かつ正符号と負符
号に応じて位相が反転する波形を有する各々の送信信号
を発生する符号波形発生部と、上記送信信号により励振
されて超音波を対象物に送信し、かつ上記送信信号に対
応する対象物からの反射信号を受信する超音波センサー
と、上記超音波センサーで受信された反射信号と上記送
信繰り返し毎に切り替えられた送信信号に基づいて生成
される参照信号とを相関演算する相関器と、上記相関器
の出力を入力し、それぞれの符号列毎に相関結果を加算
する加算手段とを具備した超音波測定装置。
【請求項４】上記参照信号として上記超音波センサーお
おび対象物等信号伝達経路が有する周波数応答特性を含
む波形を用いたことを特徴とする特許請求の範囲第
（１）項、第（２）項または第（３）項記載の超音波測
定装置。
【請求項５】上記相関器を反射信号に対し複数設置し、
各々の相関演算に用いる参照信号に対象物内の異なる反
射源からの反射信号を用いたことを特徴とする特許請求
の範囲第（１）項、第（２）項または第（３）項記載の
超音波測定装置。
【請求項６】上記符号波形発生部において、周波数f
₀を、対象物と調音波センサーの組み合わせで信号対雑
音比が最大になるように、設定することを特徴とする特
許請求の範囲第（１）項、第（２）項または第（３）項
記載の超音波測定装置。