JPH0781995B2 - 超音波探触子および超音波探傷装置 - Google Patents
超音波探触子および超音波探傷装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は超音波探傷装置の探傷信号対雑音比（以下S/
N比と称する）の向上に関するものである。
N比と称する）の向上に関するものである。
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
置が急速に普及してきたことは良く知られている。
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
置が急速に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，超音波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，超音波信号レベルが
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。
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，超音波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，超音波信号レベルが
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。
超音波信号が小さいと受信増幅部に電子の熱イオン運動
によっ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動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。
によっ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動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。
他のケースとしては，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。
コーによる妨害エコーの問題がある。
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，試験体内に超音波信号の減衰度合い
が比較的小さく，探傷繰い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。
の問題については，試験体内に超音波信号の減衰度合い
が比較的小さく，探傷繰い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。
いて説明する。
一般的に超音波信号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。
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13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自己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
14図は第13図と同様に鋭い自己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15図はランダムな符号系列を用いた相関処理を行う超
音波探傷装置の構成図，第16図は第15図の動作を説明す
るための図，第17図は第16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，第18図はバーカ系列を用
いた位相符号化パルス圧縮型超音波探触子の構成図，第
19図は第18図を説明した図である。
よく使用される鋭い自己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
14図は第13図と同様に鋭い自己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15図はランダムな符号系列を用いた相関処理を行う超
音波探傷装置の構成図，第16図は第15図の動作を説明す
るための図，第17図は第16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，第18図はバーカ系列を用
いた位相符号化パルス圧縮型超音波探触子の構成図，第
19図は第18図を説明した図である。
第13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自
己相関関数を持ち，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。
堂）発行〔P488−490〕に詳細に述べられている鋭い自
己相関関数を持ち，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を変数とする自己相関関数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。
（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でつながっている無限長系列として取り扱ってい
る。
側を０でつながっている無限長系列として取り扱ってい
る。
｛aj｝＝０…0a0a1…an-10 0…０… 式（２） ここで,j≦−１及びｊ≧ｎにたいしてはaj＝０であるか
ら，式（１）は式（３）に変形出来る。
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，自己相関処理
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。
1/nまで圧縮することが出来ることから，自己相関処理
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。
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・サイドロープと呼ばれる）の絶対
値の最大値｜ρ|max,式（４）で示される。
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・サイドロープと呼ばれる）の絶対
値の最大値｜ρ|max,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。
ーカ系列と呼んで区別している。
第13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。
示される。二値系列の信号を示している。
｛aj｝＝＋＋＋−−＋− 式（５） 第13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1/7）であることが分か
る。
＜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1/7）であることが分か
る。
第14図は例えば「符号理論」昭和56年６月30日（昭晃
堂）発行〔P490−491〕に詳細に述べられている鋭い自
己相関関数を持ち，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。
堂）発行〔P490−491〕に詳細に述べられている鋭い自
己相関関数を持ち，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。
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。
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14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。
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14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。
＜ｎの｛aj｝と｛bj｝の自己相関関数である。
第14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。
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15図は例えば文献IEEE 1981 Ultrasonics Symposium
Proceeding.〔p888−891〕に詳細に述べられている例
で，図中（６）は符号発生源，（19）はデイジタル遅延
線，（20）はシステムコントローラ，（18）はセレク
タ，（21）はバイポーラ変換器，（５）は送信部，（1
4）はアナログ相関器，（15）は探触子，（17）はター
ゲット，（16）は水槽，（９）は表示器である。
Proceeding.〔p888−891〕に詳細に述べられている例
で，図中（６）は符号発生源，（19）はデイジタル遅延
線，（20）はシステムコントローラ，（18）はセレク
タ，（21）はバイポーラ変換器，（５）は送信部，（1
4）はアナログ相関器，（15）は探触子，（17）はター
ゲット，（16）は水槽，（９）は表示器である。
第16図は第15図の動作を説明するための図で第16図
（ａ）は同期信号，第16図（ｂ）は符号列，第16図
（Ｃ）は選択信号，第16図（ｄ）はバイポーラ変換器
（21）の出力を示す。
（ａ）は同期信号，第16図（ｂ）は符号列，第16図
（Ｃ）は選択信号，第16図（ｄ）はバイポーラ変換器
（21）の出力を示す。
システムコントローラ（20）からの第16図（ｂ）の同期
信号で符号発生器（６）は，第16図（ｂ）に示すような
二値の符号列を発生する。符号発生器（６）で出力され
た符号列はセレクタ（18）を経由して送信部（５）に接
続されたバイポーラ変換器（21）へ入力されると同時に
ディジタル遅延線（19）に入力される。送信部（５）に
接続されたバイポーラ変換器（21）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16図（ｄ）の出力となって送信部（５）へ入
力され，振幅を増幅され送信パルスとして探触子（15）
に加えられる。探触子（15）からは放射された超音波信
号は水槽（16）内のターゲット（17）に反射され探触子
（15）に受信信号として戻ってきて，アナログ相関器
（10）に導かれる。
信号で符号発生器（６）は，第16図（ｂ）に示すような
二値の符号列を発生する。符号発生器（６）で出力され
た符号列はセレクタ（18）を経由して送信部（５）に接
続されたバイポーラ変換器（21）へ入力されると同時に
ディジタル遅延線（19）に入力される。送信部（５）に
接続されたバイポーラ変換器（21）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16図（ｄ）の出力となって送信部（５）へ入
力され，振幅を増幅され送信パルスとして探触子（15）
に加えられる。探触子（15）からは放射された超音波信
号は水槽（16）内のターゲット（17）に反射され探触子
（15）に受信信号として戻ってきて，アナログ相関器
（10）に導かれる。
ディジタル遅延線（19）に入力された第16図（ｂ）の符
号列はシステムコントローラ（20）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（21）
に第16図（ｆ）の参照用符号列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（21）内で与えら
れ相関処理用の信号第16図（ｇ）としてアナログ相関器
（14）に導かれる。
号列はシステムコントローラ（20）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（21）
に第16図（ｆ）の参照用符号列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（21）内で与えら
れ相関処理用の信号第16図（ｇ）としてアナログ相関器
（14）に導かれる。
アナログ相関器（14）内では，乗算器（14a）と積分器
（14b）を用いて式（３）の左辺の演算が行われるが式
（３）内のｋに相当するものが，参照用符号列第16図
（ｆ）の遅延時間ｔ′である。従ってシステムコントロ
ーラ（21）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（９）
に表示することが出来る。
（14b）を用いて式（３）の左辺の演算が行われるが式
（３）内のｋに相当するものが，参照用符号列第16図
（ｆ）の遅延時間ｔ′である。従ってシステムコントロ
ーラ（21）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（９）
に表示することが出来る。
以上の相関処理を行うことで,S/N比の改善を行ってい
る。
る。
なお，本装置を用いて第14図で説明した相補系列の処理
を行う場合には，第15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。
を行う場合には，第15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。
第18図は例えば文献「非破壊検査」第32巻第２号〔P146
−147〕に詳細に述べられている探触子にパルス圧縮機
能を持たせた例で，図中（１）は送信用振動子，（３）
は振動子間の絶縁も兼ねる遅延材，（４）は振動子の背
面に放射される超音波を吸収するためのパッキング材，
（２）は受信用振動子である。
−147〕に詳細に述べられている探触子にパルス圧縮機
能を持たせた例で，図中（１）は送信用振動子，（３）
は振動子間の絶縁も兼ねる遅延材，（４）は振動子の背
面に放射される超音波を吸収するためのパッキング材，
（２）は受信用振動子である。
第19図は第18図の動作を説明するための図で第19図
（ａ）は送信波形，第19図（ｂ）は受信波形を示す。
（ａ）は送信波形，第19図（ｂ）は受信波形を示す。
送信パルスを同一のタイミングで送信用振動子（１−
１）から（１−４）を駆動すると，送信用探触子から
は，まず送信用振動子（１−１）で発生した超音波信号
が，第19図（ａ）の（１）の位置に出てくる。さらに送
信用振動子（１−２）で発生した超音波信号が遅延材
（３）および送信用振動子（１−１）を経由してＴ時間
後に第19図（ａ）の（２）の位置に出てくる。同様に，
送信用振動子（１−３）からは，第19図（ａ）の（２）
からＴ時間経過後に（３）の位置に，送信用振動子（１
−４）からは，第19図（ａ）の（３）からＴ時間経過後
に（４）の位置に出てくる。それらを合成したものが第
19図（ａ）の（５）に示す合成送信波形である。この波
形は結果的に,N＝４の場合のBarker系列の送信信号と同
一となる。なお，振動子の背面に放射される超音波はパ
ッキング材（４）にて吸収，減衰され超音波としては戻
ってこない。次に試験体内部の欠陥などの反射源により
反射されたエコーは，概ね第19図（ａ）の波形を維持し
て受信用探触子に戻ってくる受信用振動子（２−１）〜
（２−４）は，第18図に示すような結果となっており受
信用振動子（２−３）のみが極性が逆転している。
１）から（１−４）を駆動すると，送信用探触子から
は，まず送信用振動子（１−１）で発生した超音波信号
が，第19図（ａ）の（１）の位置に出てくる。さらに送
信用振動子（１−２）で発生した超音波信号が遅延材
（３）および送信用振動子（１−１）を経由してＴ時間
後に第19図（ａ）の（２）の位置に出てくる。同様に，
送信用振動子（１−３）からは，第19図（ａ）の（２）
からＴ時間経過後に（３）の位置に，送信用振動子（１
−４）からは，第19図（ａ）の（３）からＴ時間経過後
に（４）の位置に出てくる。それらを合成したものが第
19図（ａ）の（５）に示す合成送信波形である。この波
形は結果的に,N＝４の場合のBarker系列の送信信号と同
一となる。なお，振動子の背面に放射される超音波はパ
ッキング材（４）にて吸収，減衰され超音波としては戻
ってこない。次に試験体内部の欠陥などの反射源により
反射されたエコーは，概ね第19図（ａ）の波形を維持し
て受信用探触子に戻ってくる受信用振動子（２−１）〜
（２−４）は，第18図に示すような結果となっており受
信用振動子（２−３）のみが極性が逆転している。
この構成は送信用振動子の構成を逆にしたもので，送信
に使用したＮ＝４のBarker系列の時間順序を逆にしたと
同じである。
に使用したＮ＝４のBarker系列の時間順序を逆にしたと
同じである。
また，受信用振動子に到達した超音波信号の波形を受信
用振動子（２−１）から，（２−４）まで対応させて第
19図（ｂ）の（１），（２），（３），（４）に示す。
第19図（ｂ）の（５）は，第19図（ｂ）の（１），
（２），（３），（４）の加算結果であり，特別な相関
処理用ハードウェア無しにBarker系列のパルス圧縮処理
を行うことが出来る。
用振動子（２−１）から，（２−４）まで対応させて第
19図（ｂ）の（１），（２），（３），（４）に示す。
第19図（ｂ）の（５）は，第19図（ｂ）の（１），
（２），（３），（４）の加算結果であり，特別な相関
処理用ハードウェア無しにBarker系列のパルス圧縮処理
を行うことが出来る。
ところで，上記のような従来の二値有限長系列を利用し
た自己相関処理を行う超音波探傷装置では，第15図に示
したような例で自己相関処理を行うためには，相関器用
の特別なハードウェアが必要となり，相関演算おために
膨大な回数の乗算と加算を行う必要があり，パルス圧縮
処理後の波形はそれらの計算後に得られるため，リアル
タイムに波形を得ることは出来ないという問題があった
第18図で示した例は送信用探触子を複数の振動子を用
い，それらの分極の方向を符号化の正及び負に対応さ
せ，遅延材で積層することで遅延回路を構成した。その
結果送信波形の符号化を容易に行うことが出来る。さら
に，受信用の探触子も同様に相関器の構成とし，リアル
タイムにパルス圧縮波形を得られるようになったが，同
時に複数の振動子に送信信号を加える必要があり，その
結果送信エネルギーが各探触子に分散してしまい，結果
的に送信用探触子は送信エネルギーを時間軸に分散させ
てしまうため，結果的にパルス圧縮を行わない場合の送
信エネルギーと同じものしか加えることしか出来ず，パ
ルス圧縮の効果が無くなるという問題があった。
た自己相関処理を行う超音波探傷装置では，第15図に示
したような例で自己相関処理を行うためには，相関器用
の特別なハードウェアが必要となり，相関演算おために
膨大な回数の乗算と加算を行う必要があり，パルス圧縮
処理後の波形はそれらの計算後に得られるため，リアル
タイムに波形を得ることは出来ないという問題があった
第18図で示した例は送信用探触子を複数の振動子を用
い，それらの分極の方向を符号化の正及び負に対応さ
せ，遅延材で積層することで遅延回路を構成した。その
結果送信波形の符号化を容易に行うことが出来る。さら
に，受信用の探触子も同様に相関器の構成とし，リアル
タイムにパルス圧縮波形を得られるようになったが，同
時に複数の振動子に送信信号を加える必要があり，その
結果送信エネルギーが各探触子に分散してしまい，結果
的に送信用探触子は送信エネルギーを時間軸に分散させ
てしまうため，結果的にパルス圧縮を行わない場合の送
信エネルギーと同じものしか加えることしか出来ず，パ
ルス圧縮の効果が無くなるという問題があった。
また，第16図で示した例では二値化を行うために送信信
号を＋／−のレベルで探触子（15）に与えている。第17
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,aは探触子（15）の周波数特性,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特性である。探触子（15）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っているのに対して探触子（1
5）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った。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った場合に探傷結果が異なってしま
うという問題点があった。さらに，試験体の減衰特性に
よっては探触子が効率良く使用出来る周波数領域をカッ
トしてしまうことを示している。従つて，試験体内の減
衰S/N比が悪化しやすい場合には従来の方法で自己相関
処理でS/N比を改善してもかなりのレベルの雑音が残っ
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った。
号を＋／−のレベルで探触子（15）に与えている。第17
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,aは探触子（15）の周波数特性,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特性である。探触子（15）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っているのに対して探触子（1
5）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った。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った場合に探傷結果が異なってしま
うという問題点があった。さらに，試験体の減衰特性に
よっては探触子が効率良く使用出来る周波数領域をカッ
トしてしまうことを示している。従つて，試験体内の減
衰S/N比が悪化しやすい場合には従来の方法で自己相関
処理でS/N比を改善してもかなりのレベルの雑音が残っ
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った。
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って発生している
ため，自己相関処理を行っても符号列成分が残ってお
り，それらを雑音として圧縮することは出来ないという
問題点もあっ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，自己相関計算用の特別な相関器を各
種用いること無しに実時間で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・サイドローブの低減を図った
超音波探傷装置を得ることを目的としている。
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って発生している
ため，自己相関処理を行っても符号列成分が残ってお
り，それらを雑音として圧縮することは出来ないという
問題点もあっ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，自己相関計算用の特別な相関器を各
種用いること無しに実時間で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・サイドローブの低減を図った
超音波探傷装置を得ることを目的としている。
この発明に係わる超音波探触子は鋭い自己関数を持つ二
値の符号列の送信信号を単独の送信用振動子から送信
し，受信用振動子を符号列の時間順序を逆にした構成で
積層したものである。
値の符号列の送信信号を単独の送信用振動子から送信
し，受信用振動子を符号列の時間順序を逆にした構成で
積層したものである。
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の成分を持った波形を発生さ
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。
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の成分を持った波形を発生さ
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。
この発明においては，送信を時間軸上に分散させること
で送信エネルギーを増加させ，積層された受信用探触子
で自己相関処理を実時間で行うことが出来る。
で送信エネルギーを増加させ，積層された受信用探触子
で自己相関処理を実時間で行うことが出来る。
またこの発明の別な説明においては１つの符号に対し，
周波数f0の成分を持っ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。
周波数f0の成分を持っ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。
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），（３），（４），
（５），（９）は上記従来装置と全く同一なものであ
る。（７）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，（６）は前記同期タイミング
発生部（７）に接続されＴ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，（８）は前記受信用振動子（２）にて受信した超
音波信号の受信増幅部である。
成図であり，（１），（２），（３），（４），
（５），（９）は上記従来装置と全く同一なものであ
る。（７）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，（６）は前記同期タイミング
発生部（７）に接続されＴ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，（８）は前記受信用振動子（２）にて受信した超
音波信号の受信増幅部である。
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（７）から発生され
る同期信号により前記符号発生器（６）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）を持った符
号列，第２図（ｂ）は，前記受信用探触子毎に受信した
探傷波形と前記受信増幅部（８）へ入力される総合受信
波形である。
（ａ）は前記同期タイミング発生部（７）から発生され
る同期信号により前記符号発生器（６）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）を持った符
号列，第２図（ｂ）は，前記受信用探触子毎に受信した
探傷波形と前記受信増幅部（８）へ入力される総合受信
波形である。
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（７）によって同期信号が符号発生部
（６）に入力される。符号発生部（６）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符号当たり受信用振動子（２）の直近
の振動子間の超音波伝搬時間に相当する時間Ｔ保持しな
がら出力する。この時の波形を第２図（ａ）に示す。な
お，符号の発生手段としては，プリセッタブルなシフト
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，時間Ｔ単位のシフトクロックを用いても容易に発生
できる。符号発生部（６）で１符号あたり時間Ｔの間隔
で発生された符号列は送信部で増幅され，送信用振動子
（１）へ印加される。
イミング発生部（７）によって同期信号が符号発生部
（６）に入力される。符号発生部（６）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符号当たり受信用振動子（２）の直近
の振動子間の超音波伝搬時間に相当する時間Ｔ保持しな
がら出力する。この時の波形を第２図（ａ）に示す。な
お，符号の発生手段としては，プリセッタブルなシフト
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，時間Ｔ単位のシフトクロックを用いても容易に発生
できる。符号発生部（６）で１符号あたり時間Ｔの間隔
で発生された符号列は送信部で増幅され，送信用振動子
（１）へ印加される。
送信用振動子（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，受信用振動子（２−１）から（２−４）へ
戻ってくる。
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，受信用振動子（２−１）から（２−４）へ
戻ってくる。
本例では受信用振動子（２）は４枚から構成されそれぞ
れが符号に対応して遅延材をはさみながら積層されてお
り，それぞれの間隔は一致し，その間の超音波伝搬時間
はＴとなっている。また符号列の正及び負に振動子に分
極の方向を対応させ，符号が変わる場合には振動子電極
のアース面を逆にすると受信信号の位相が逆転すること
を利用している。さらに，それぞれの受信用振動子の符
号への対応は送信に使用した符号列に対し，時間順序が
逆になるように対応させている。
れが符号に対応して遅延材をはさみながら積層されてお
り，それぞれの間隔は一致し，その間の超音波伝搬時間
はＴとなっている。また符号列の正及び負に振動子に分
極の方向を対応させ，符号が変わる場合には振動子電極
のアース面を逆にすると受信信号の位相が逆転すること
を利用している。さらに，それぞれの受信用振動子の符
号への対応は送信に使用した符号列に対し，時間順序が
逆になるように対応させている。
本例では送信する符号列を［＋−＋＋］の順序にし，受
信時は時間順序を逆にするため，［＋＋−＋］の順序で
受信する。そのために，受信振動子（２−１）は
［＋］，受信振動子（２−２）は［＋］，受信振動子
（２−３）は［−］，受信振動子（２−４）は［＋］と
なるように配置している。受信振動子（２−１）で電気
信号に変換された超音波信号の例を第２図（ｂ）の
（１）に示す。受信用振動子（２−２）で電気信号に変
換された超音波信号は，遅延材（３）と受信用振動子
（２−１）を経由してくるため，その経由時間Ｔ遅れて
第２図（ｂ）の（２）のようになる。受信用振動子（２
−３）で電気信号に変換された超音波信号は，第２図
（ｂ）の（３）のように，受信用振動子（２−２）で受
信した信号に比べ同様に時間Ｔ遅れると同時に，符号的
に［−］に対応しているため，受信用振動子（２−１）
や，受信用振動子（２−２）に対して逆の位相になる。
受信用振動子（２−４）では，符号的には［＋］である
ため受信用振動子（２−１）や受信用振動子（２−２）
と同様な波形が受信用振動子（２−３）に比べさらに時
間Ｔ遅れて第２図（ｂ）の（４）のように電気信号に変
換される。それぞれの受信用振動子（２）で受信された
信号は並列に接続されているため，第２図（ｂ）の
（５）で示すような総合受信波形として受信増幅部
（８）に入力され，表示器（９）に実時間で表示され
る。
信時は時間順序を逆にするため，［＋＋−＋］の順序で
受信する。そのために，受信振動子（２−１）は
［＋］，受信振動子（２−２）は［＋］，受信振動子
（２−３）は［−］，受信振動子（２−４）は［＋］と
なるように配置している。受信振動子（２−１）で電気
信号に変換された超音波信号の例を第２図（ｂ）の
（１）に示す。受信用振動子（２−２）で電気信号に変
換された超音波信号は，遅延材（３）と受信用振動子
（２−１）を経由してくるため，その経由時間Ｔ遅れて
第２図（ｂ）の（２）のようになる。受信用振動子（２
−３）で電気信号に変換された超音波信号は，第２図
（ｂ）の（３）のように，受信用振動子（２−２）で受
信した信号に比べ同様に時間Ｔ遅れると同時に，符号的
に［−］に対応しているため，受信用振動子（２−１）
や，受信用振動子（２−２）に対して逆の位相になる。
受信用振動子（２−４）では，符号的には［＋］である
ため受信用振動子（２−１）や受信用振動子（２−２）
と同様な波形が受信用振動子（２−３）に比べさらに時
間Ｔ遅れて第２図（ｂ）の（４）のように電気信号に変
換される。それぞれの受信用振動子（２）で受信された
信号は並列に接続されているため，第２図（ｂ）の
（５）で示すような総合受信波形として受信増幅部
（８）に入力され，表示器（９）に実時間で表示され
る。
この結果，受信された信号は４倍となり,S/Nを向上させ
ることが出来る。
ることが出来る。
本例で示した結果は,1つの振動子で受信し，その波形に
対し送信波形との自己相関処理を行った従来方式の効果
と基本的に同一であるが，従来例でな必須であった複雑
な自己相関処理は不要になりさらに実時間でパルス圧縮
を行えるという効果がある。また，送信振動子を一つと
して送信エネルギーを時間的に拡散することで，振動子
を積層して符号列を送信する場合に比べ４倍の送信エネ
ルギーを探触子に供給することとなり,S/Nをさらに向上
させることが出来る。
対し送信波形との自己相関処理を行った従来方式の効果
と基本的に同一であるが，従来例でな必須であった複雑
な自己相関処理は不要になりさらに実時間でパルス圧縮
を行えるという効果がある。また，送信振動子を一つと
して送信エネルギーを時間的に拡散することで，振動子
を積層して符号列を送信する場合に比べ４倍の送信エネ
ルギーを探触子に供給することとなり,S/Nをさらに向上
させることが出来る。
なお，上記例では符号間隔の時間Ｔを探触子で定まる定
数としていたが，異なる周波数の探触子に代えた場合
や，異なる振動子間隔の探触子を用いる場合を想定し，
符号発生器（６）内に時間調整機能を付加することで，
この発明によるパルス圧縮効果を同様な構造を持った各
種探触子で実現できるようになる。
数としていたが，異なる周波数の探触子に代えた場合
や，異なる振動子間隔の探触子を用いる場合を想定し，
符号発生器（６）内に時間調整機能を付加することで，
この発明によるパルス圧縮効果を同様な構造を持った各
種探触子で実現できるようになる。
ところで，上記の発明の結果パルス圧縮結果によりS/N
が大きく改善されたが，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っているのに対
して送信用振動子（１）や受信用振動子（２）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
来ないことは第17図の例からあきらかである。そこで，
符号発生部に符号化位相変調部を第３図のように加える
ことで，さらにS/Nを向上させることが出来る 第３図は改善された符号発生器の構成で，（６−１）
は，前記符号発生器（６）と同様な符号列を発生する符
号発生部，（６−２）は前記符号発生部（６−１）から
入力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
符号に応じて各々の位相を180度変化する波形を発生す
る符号化位相変調部である。
が大きく改善されたが，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っているのに対
して送信用振動子（１）や受信用振動子（２）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
来ないことは第17図の例からあきらかである。そこで，
符号発生部に符号化位相変調部を第３図のように加える
ことで，さらにS/Nを向上させることが出来る 第３図は改善された符号発生器の構成で，（６−１）
は，前記符号発生器（６）と同様な符号列を発生する符
号発生部，（６−２）は前記符号発生部（６−１）から
入力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
符号に応じて各々の位相を180度変化する波形を発生す
る符号化位相変調部である。
第４図は第３図の動作を説明するための図で，第４図
（ａ）は符号発生部（６−１）より出力される鋭い自己
相関関数（この例ではバーカ系列）を持った符号列，第
４図（ｂ）は前記符号化位相変調部（６−２）で発生さ
れた送信信号である。
（ａ）は符号発生部（６−１）より出力される鋭い自己
相関関数（この例ではバーカ系列）を持った符号列，第
４図（ｂ）は前記符号化位相変調部（６−２）で発生さ
れた送信信号である。
第５図は超音波探触子の周波数応答特性と，前記符号化
位相変調部で発生された送信信号の周波数特性を示した
図である。
位相変調部で発生された送信信号の周波数特性を示した
図である。
符号発生部（６−１）で発生された第４図（ａ）で示さ
れるような符号列は符号化位相変調部（６−２）に入力
される。符号化位相変調部（６−２）では固定周波数f0
の成分を持っ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度で時間Ｔの期間発生する。その
時に発生される波形の例を第４図（ｂ）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,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，符号毎に読出てディジタル−アナログ変
換器などを使用するなどして第４図（ｂ）に示すような
波形を発生することが出来る。以上の結果，第４図
（ｂ）で示すように周波数f0を中心とした成分を持った
送信信号が探触子に印加されることにより周波数f0を送
信用振動子（１）や，受信用振動子（２）の中心周波数
に合わせると第５図に示す関係となる。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送信用
振動子（１）を通ることになり，さらに前記発明例の送
信信号に比べエネルギー効率の高い符号例を持った送信
信号を探触子に加えることが可能となり，前記発明例に
比べさらにS/N比を向上させることが出来る。
れるような符号列は符号化位相変調部（６−２）に入力
される。符号化位相変調部（６−２）では固定周波数f0
の成分を持っ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度で時間Ｔの期間発生する。その
時に発生される波形の例を第４図（ｂ）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,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，符号毎に読出てディジタル−アナログ変
換器などを使用するなどして第４図（ｂ）に示すような
波形を発生することが出来る。以上の結果，第４図
（ｂ）で示すように周波数f0を中心とした成分を持った
送信信号が探触子に印加されることにより周波数f0を送
信用振動子（１）や，受信用振動子（２）の中心周波数
に合わせると第５図に示す関係となる。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送信用
振動子（１）を通ることになり，さらに前記発明例の送
信信号に比べエネルギー効率の高い符号例を持った送信
信号を探触子に加えることが可能となり，前記発明例に
比べさらにS/N比を向上させることが出来る。
なお第５図において,aは超音波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。
性,bは送信信号の周波数特性を示す。
さて，下記に示す符号列は第13図（ｂ）に示したと同一
の自己相関関係を持ったバーカ系列である。
の自己相関関係を持ったバーカ系列である。
a1j＝＋＋＋−−＋− a2j＝＋−＋＋−−− 第６図は符号列a1jと符号列a2jの相互相関処理を行った
場合の計算結果であり，第６図（ａ）は符号列a1jを符
号列a2jを参照信号にして計算した結果で，第６図
（ｂ）は符号列a2jを符号列a1jを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
相互関数を持った符号列でも，異なった符号列の間の相
互相関は高いピークは発生しないことが分かる。
場合の計算結果であり，第６図（ａ）は符号列a1jを符
号列a2jを参照信号にして計算した結果で，第６図
（ｂ）は符号列a2jを符号列a1jを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
相互関数を持った符号列でも，異なった符号列の間の相
互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った。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。
で発生した超音波信号が混信してくる現象であった。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。
第７図は第１図に符号制御器および振動子極性切替器を
付加した装置の構成図で，（１），（２），（３），
（４），（５），（６），（７），（８）および（９）
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（７）からの同期信号で符号発生器
（６）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異なった符号列を切替させる
機能を持った符号列制御器，（11）は受信用振動子
（２）から入力される各受信用振動子の超音波信号の極
性を前記符号列制御器の指令で切替える機能を持った振
動子極性切替器である。
付加した装置の構成図で，（１），（２），（３），
（４），（５），（６），（７），（８）および（９）
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（７）からの同期信号で符号発生器
（６）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異なった符号列を切替させる
機能を持った符号列制御器，（11）は受信用振動子
（２）から入力される各受信用振動子の超音波信号の極
性を前記符号列制御器の指令で切替える機能を持った振
動子極性切替器である。
第８図は第７図を説明するための図であり，第８図
（ａ）は，符号列制御器（10）により選択される送信用
符号列を示す。第８図（ｂ）は，送信系列と受信時の振
動子極性切替器（11）の系列が異なった場合の受信波形
を示す。
（ａ）は，符号列制御器（10）により選択される送信用
符号列を示す。第８図（ｂ）は，送信系列と受信時の振
動子極性切替器（11）の系列が異なった場合の受信波形
を示す。
符号列制御器（10）の制御で符号発生器（６）は送信繰
り返し周波数毎に第８図（ａ）の（１），（２）に示す
ような符号列を交互に発生する。同時に，振動子極性切
替器（11）も送信符号列に合わせて，下記のように受信
振動子の極性を切り替える。
り返し周波数毎に第８図（ａ）の（１），（２）に示す
ような符号列を交互に発生する。同時に，振動子極性切
替器（11）も送信符号列に合わせて，下記のように受信
振動子の極性を切り替える。
送信系列Ａ［＋＋−＋］の場合は［＋−＋＋］ 送信系列Ｂ［−＋＋＋］の場合は［＋＋＋−］ 残響エコーの場合はＡ系列の符号を持った信号がＢ系列
対応の極性を持った受信用振動子列に混入してくるケー
スや,B系列の符号を持った信号がＡ系列対応の極性を持
った受信用振動子列に混入してくるケースが考えられ
る。
対応の極性を持った受信用振動子列に混入してくるケー
スや,B系列の符号を持った信号がＡ系列対応の極性を持
った受信用振動子列に混入してくるケースが考えられ
る。
第８図（ｂ）は送信系列ＢがＡ系列対応の受信に入った
場合の検討結果で，各受信用振動子（２−１）から（２
−４）にて電気信号に変換された受信信号は，前記の受
信動作と同様のＴだけずれて第８図（ｂ）の（１）か
ら，第８図（ｂ）の（４）に示すようになる。第８図
（ｂ）の（５）は，第８図（ｂ）の（１）から，第８図
（ｂ）の（４）の受信波形の加算結果で，受信増幅部
（８）に入力される総合受信波形である。
場合の検討結果で，各受信用振動子（２−１）から（２
−４）にて電気信号に変換された受信信号は，前記の受
信動作と同様のＴだけずれて第８図（ｂ）の（１）か
ら，第８図（ｂ）の（４）に示すようになる。第８図
（ｂ）の（５）は，第８図（ｂ）の（１）から，第８図
（ｂ）の（４）の受信波形の加算結果で，受信増幅部
（８）に入力される総合受信波形である。
第８図（Ｃ）は送信系列ＡがＢ系列対応の受信に入った
場合の検討結果で各受信用振動子（２−１）から（２−
４）にて電気信号に変換された受信信号は，前記受信動
作と同様に時間Ｔだけずれて第８図（Ｃ）に（１）か
ら，第８図の（Ｃ）の（４）に示すようになる第８図
（Ｃ）の（５）は，第８図（Ｃ）の（１）から，第８図
（Ｃ）の（４）の受信波形の加算結果で，受信増幅部
（８）に入力される総合受信波形である。
場合の検討結果で各受信用振動子（２−１）から（２−
４）にて電気信号に変換された受信信号は，前記受信動
作と同様に時間Ｔだけずれて第８図（Ｃ）に（１）か
ら，第８図の（Ｃ）の（４）に示すようになる第８図
（Ｃ）の（５）は，第８図（Ｃ）の（１）から，第８図
（Ｃ）の（４）の受信波形の加算結果で，受信増幅部
（８）に入力される総合受信波形である。
以上の結果からも分かるように，前回の送信で符号化さ
れたエコーは約6dBに低下するという効果がある。ま
た，他の符号系列（系列数７）でも同様の処置を行うこ
とで第６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，送信信号に送信用振動子（１）や受信用振動子
（２）の周波数応答特性に応じた周波数特性の信号を設
定すれば，送信エネルギーを有効に超音波に変換出来る
ためS/N比が向上することは前記説明の通りである。
れたエコーは約6dBに低下するという効果がある。ま
た，他の符号系列（系列数７）でも同様の処置を行うこ
とで第６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，送信信号に送信用振動子（１）や受信用振動子
（２）の周波数応答特性に応じた周波数特性の信号を設
定すれば，送信エネルギーを有効に超音波に変換出来る
ため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っているが，第13図（ａ）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。そえいった場合
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。
い自己相関関数を持っているが，第13図（ａ）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。そえいった場合
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ャンセルする方法
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ρaa（ｋ），ρbb（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９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９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。
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ρaa（ｋ），ρbb（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９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９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９図（Ｃ）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。
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10図は，上記発明の実施例を示した図で，（１）
（２），（３），（４），（５），（６），（７），
（８），（９），（10）および（11）は，第７図で示し
たものと同一であり，（12）は受信増幅器（８）に接続
され，探傷波形を記憶すると同時に前回の探傷波形を出
力する例えばA/Dコンバータとディジタルメモリなどか
ら構成される前回波形記憶部，（13）は前回波形記憶部
から読みだされる前回の探傷波形と受信増幅部から出力
される探傷波形を加算する加算器である。
（２），（３），（４），（５），（６），（７），
（８），（９），（10）および（11）は，第７図で示し
たものと同一であり，（12）は受信増幅器（８）に接続
され，探傷波形を記憶すると同時に前回の探傷波形を出
力する例えばA/Dコンバータとディジタルメモリなどか
ら構成される前回波形記憶部，（13）は前回波形記憶部
から読みだされる前回の探傷波形と受信増幅部から出力
される探傷波形を加算する加算器である。
第11図は第10図を説明するための図であり,n＝２すなわ
ち，相補系列時の場合の動作を説明する図で，第11図
（ａ）は相補系列の場合の符号列A,Bを示す。第11図
（ｂ）はＡ系列の場合の受信用振動子の受信波形と総合
受信波形，第11図（Ｃ）はＢ系列の場合の受信用振動子
の受信波形と総合受信波形，第11図（ｄ）はＡ系列とＢ
系列の総合受信波形の加算結果を示す。
ち，相補系列時の場合の動作を説明する図で，第11図
（ａ）は相補系列の場合の符号列A,Bを示す。第11図
（ｂ）はＡ系列の場合の受信用振動子の受信波形と総合
受信波形，第11図（Ｃ）はＢ系列の場合の受信用振動子
の受信波形と総合受信波形，第11図（ｄ）はＡ系列とＢ
系列の総合受信波形の加算結果を示す。
符号列制御器（10）より制御される符号発生部（６）で
は相補系列またはｎ補系列の符号列を送信繰り返し周期
で順次切り替えて送信部（５）で増幅し，送信用振動子
（１）に加える。その場合，使用する相補系列を第11図
（ａ）に示す。相補系列の場合には,A,Bで示す２種の系
列を使用する。
は相補系列またはｎ補系列の符号列を送信繰り返し周期
で順次切り替えて送信部（５）で増幅し，送信用振動子
（１）に加える。その場合，使用する相補系列を第11図
（ａ）に示す。相補系列の場合には,A,Bで示す２種の系
列を使用する。
試験体内部を通過した超音波信号は前記説明したよう
に，受信用振動子（２）に戻ってくる。各受信用振動子
（２）から出力される受信信号は，符号列制御器（10）
より同時に制御されている振動子極性切替器を通過して
Ａ系列の場合には第11図（ｂ）,B系列の場合には第11図
（Ｃ）に示すような波形となり受信増幅部へ入力され
る。受信増幅部（８）で増幅された超音波信号は，例え
ばA/Dコンバータとディジタルメモリなどで構成される
前回波形記憶部へ格納されると同時に，前回の受信した
符号列の異なる超音波信号を同期した読出して，例えば
ディジタル加算器などを利用した加算器（13）で今回
と，前回の探傷波形を加算する。その動作は，第11図
（ｂ）の（５）と，第11図（Ｃ）の（５）の波形を加算
することと同じ意味である。その結果を第11図（ｄ）に
示す。
に，受信用振動子（２）に戻ってくる。各受信用振動子
（２）から出力される受信信号は，符号列制御器（10）
より同時に制御されている振動子極性切替器を通過して
Ａ系列の場合には第11図（ｂ）,B系列の場合には第11図
（Ｃ）に示すような波形となり受信増幅部へ入力され
る。受信増幅部（８）で増幅された超音波信号は，例え
ばA/Dコンバータとディジタルメモリなどで構成される
前回波形記憶部へ格納されると同時に，前回の受信した
符号列の異なる超音波信号を同期した読出して，例えば
ディジタル加算器などを利用した加算器（13）で今回
と，前回の探傷波形を加算する。その動作は，第11図
（ｂ）の（５）と，第11図（Ｃ）の（５）の波形を加算
することと同じ意味である。その結果を第11図（ｄ）に
示す。
以上のような特徴を持った，複数の相補またはｎ補系列
の使用することは，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
特徴を持っている。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９図に示すｎ補系列（ｎ＝
４）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っている場
合には，繰り返し毎に異なっ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。
の使用することは，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
特徴を持っている。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９図に示すｎ補系列（ｎ＝
４）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っている場
合には，繰り返し毎に異なっ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，送信信号に送信用振動子（１）や受信用振動子
（２）の周波数応答特性に応じた周波数特性の信号を設
定すれば，送信エネルギーを有効に超音波に変換出来る
ためS/N比が向上することは前記説明の通りである。
（２）の周波数応答特性に応じた周波数特性の信号を設
定すれば，送信エネルギーを有効に超音波に変換出来る
ためS/N比が向上することは前記説明の通りである。
さて，この発明は上記のように超音波信号の強調およ
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。
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12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，符号発生器
（６）で発生する送信信号は，第５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）によっては最大効率の中
心周波数がずれる場合もある。このような場合は，符号
発生器（６）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。
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，符号発生器
（６）で発生する送信信号は，第５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）によっては最大効率の中
心周波数がずれる場合もある。このような場合は，符号
発生器（６）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っ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。
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っ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。
また，本例では送信用振動子（１）と受信用振動子
（２）を分離しているが，受信用振動子の一枚を送信用
振動子（１）と共用してもこの発明と同様な効果が得ら
れることは言うまでもない。
（２）を分離しているが，受信用振動子の一枚を送信用
振動子（１）と共用してもこの発明と同様な効果が得ら
れることは言うまでもない。
この発明は以上説明したとおり，送信する符号列に合わ
せて受信振動子の極性を考慮して積層することで，特殊
な自己相関計算を行うこと無しに実時間で簡便にパルス
圧縮処理を実行しS/N比を向上させるという効果があ
る。
せて受信振動子の極性を考慮して積層することで，特殊
な自己相関計算を行うこと無しに実時間で簡便にパルス
圧縮処理を実行しS/N比を向上させるという効果があ
る。
別の発明では符号列の符号一つに対応する基本波形に周
波数f0の成分を持った波形を用いたので送信エネルギー
を探触子に効率良く伝えることでS/N比を向上させると
いう効果がある。
波数f0の成分を持った波形を用いたので送信エネルギー
を探触子に効率良く伝えることでS/N比を向上させると
いう効果がある。
また，この発明の別の発明では同一の鋭い自己相関関数
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。
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，この発明の別の発明では，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。
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。
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図は第１図の動作および効果の説明図，第３
図はこの発明による符号発生器の構成図，第４図及び第
５図は第３図の動作および効果の説明図，第６図は第１
図の別な効果の説明図，第７図はこの発明の他の実施例
を示す超音波探傷装置の構成図，第８図は第７図の説明
図，第９図はこの発明のさらに別な効果の説明図，第10
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11図は第10図の説明図，第12図はこの発明
のさらに別な効果の説明図，第13図は従来例の説明用で
あるバーカ系列の説明図，第14図は従来例の説明用であ
る相補系列の説明図，第15図は従来の自己相関処理機能
を備えた超音波探傷装置の構成図，第16図は第15図の動
作の説明図，第17図は従来の問題点を説明した図，第18
図は探触子でパルス圧縮を実現する他の従来例の構成
図，第19図は第18図の動作の説明図である。 図において，（１）は送信用振動子，（２）は受信用振
動子，（６）は符号発生器，（10）は符号列制御器，
（11）は振動子極性切替器，（12）は前回波形記憶器，
（13）は加算器である。なお，各図中同一符号は同一ま
たは相当部分を示す。
成図，第２図は第１図の動作および効果の説明図，第３
図はこの発明による符号発生器の構成図，第４図及び第
５図は第３図の動作および効果の説明図，第６図は第１
図の別な効果の説明図，第７図はこの発明の他の実施例
を示す超音波探傷装置の構成図，第８図は第７図の説明
図，第９図はこの発明のさらに別な効果の説明図，第10
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11図は第10図の説明図，第12図はこの発明
のさらに別な効果の説明図，第13図は従来例の説明用で
あるバーカ系列の説明図，第14図は従来例の説明用であ
る相補系列の説明図，第15図は従来の自己相関処理機能
を備えた超音波探傷装置の構成図，第16図は第15図の動
作の説明図，第17図は従来の問題点を説明した図，第18
図は探触子でパルス圧縮を実現する他の従来例の構成
図，第19図は第18図の動作の説明図である。 図において，（１）は送信用振動子，（２）は受信用振
動子，（６）は符号発生器，（10）は符号列制御器，
（11）は振動子極性切替器，（12）は前回波形記憶器，
（13）は加算器である。なお，各図中同一符号は同一ま
たは相当部分を示す。
Claims (4)
- 【請求項１】単位時間Ｔ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な符号列を
発生する符号発生器の出力信号が供給される送信用振動
子を有し、かつ前記符号列に対し受信の時間順序が逆に
なるように接続されかつ直近の振動子間を超音波が伝搬
する時間が前記単位時間Ｔとなるように複数個の受信用
振動子を積層した超音波探触子。 - 【請求項２】試験体内部に超音波信号を送信し、かつ前
記試験体からの反射信号を超音波探触子で受信したの
ち、これを受信増幅器で増幅してゲート装置によりさだ
められた区間内に反射されたエコーの高さにより欠陥判
定を行う超音波探傷装置において、Ｔを単位時間とし、
同一の自己相関関数をもつ異なる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
り替える符号制御器と、前記符号制御器の出力信号によ
り単位時間Ｔ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符号発生器と、前記符号発生器
の出力信号が供給される送信用振動子を有し、かつ受信
用に複数個の振動子を振動子間を超音波が伝搬する時間
を前記単位時間Ｔとして積層した超音波探触子と、前記
受信増幅器と前記超音波探触子の複数個の受信用振動子
との間に接続され、各受信用振動子から出力される信号
の極性を振動子単位に切り替えることが出来、前記符号
制御器で制御される複数の符号列に対応し、かつ時間順
序が逆になるように制御される振動子極性切替器とを具
備して成る超音波探傷装置。 - 【請求項３】試験体内部に超音波信号を送信し、かつ前
記試験体からの反射信号を超音波探触子で受信したの
ち、これを受信増幅器で増幅してゲート装置によりさだ
められた区間内に反射されたエコーの高さにより欠陥判
定を行う超音波探傷装置において、Ｔを単位時間とし、
各々が異なる自己相関関数をもち、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、それぞれ符号列を送信繰り返し
周期毎に順次切り替える符号制御器と、前記符号制御器
の出力信号により単位時間Ｔ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符号発生器、前
記符号発生器の出力信号が供給される送信用振動子を有
し、かつ受信用に複数個の振動子を振動子間を超音波が
伝搬する時間を前記単位時間Ｔとして積層した超音波探
触子と、前記超音波探触子の複数個の受信用振動子に接
続され、各受信用振動子から出力される信号の極性を振
動子単位に切り替えることが出来、前記符号制御器で制
御される複数の符号列に対応し、かつ時間順序が逆にな
るように制御される振動子極性切替器と、前記極性切替
器からの出力を前記受信用増幅器を介して記憶し、同時
に前回の波形を読み出す前回波形記憶部と、前記前回波
形記憶部の出力波形と前記受信増幅器の出力を加算する
加算器を具備して成る超音波探傷装置。 - 【請求項４】前記符号発生器に、Ｔ単位時間内で試験体
と超音波探触子の組合せによる周波数応答特性の中心周
波数f0の成分を持った波形を、正符号と負符号に応じて
位相を反転させて各々送信する送信信号発生機能を付加
したことを特徴とする特許請求の範囲第（２）項、また
は第（３）項記載の超音波探傷装置。
Priority Applications (4)
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| JP1277863A JPH0781995B2 (ja) | 1989-10-25 | 1989-10-25 | 超音波探触子および超音波探傷装置 |
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| JP1277863A JPH0781995B2 (ja) | 1989-10-25 | 1989-10-25 | 超音波探触子および超音波探傷装置 |
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