JPH0830699B2 - 超音波測定方式 - Google Patents

超音波測定方式

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JPH0830699B2
JPH0830699B2 JP62242542A JP24254287A JPH0830699B2 JP H0830699 B2 JPH0830699 B2 JP H0830699B2 JP 62242542 A JP62242542 A JP 62242542A JP 24254287 A JP24254287 A JP 24254287A JP H0830699 B2 JPH0830699 B2 JP H0830699B2
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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、超音波測定方式に関し、詳しくは、超音
波探触子,走査装置,パルサレシーバ,マイクロコンピ
ュータ,画像入出力装置,画像表示装置等を備える超音
波探傷装置において、高い周波数特性の探触子とか、そ
れに対応する測定装置を使用しなくても高い分解能で測
定が行えるような超音波測定方式に関する。
[従来の技術] 超音波測定装置は、各種の材料とか、機械部品、電子
部品の欠陥検査をはじめとして、同種の部品等の相互比
較、部品に対する熱処理,引張,圧縮,加圧,減圧等の
種々の処理を行った後の状態検査など、部品等に対する
種々の試験に利用される。
この種の超音波測定装置としては、X,Y,Z座標内で被
検体を走査するXYZ走査装置を備えていて、部品等の被
検体の内部状態の変化をCスキャンし、被検体からの反
射波のエコー強さをエコー受信信号の高さとして検出
し、それに対応するCスコープ像を得て、得た画像を観
測し又はデータ処理して所定の検査を行う。
この場合、部品の形状とか、内部欠陥等を測定する場
合には、その測定分解能が高いほど精度がよいことにな
る。
[解決しようとする問題点] 測定分解能を高くするには、通常、測定周波数が高い
超音波探触子が用いられ、その測定装置の内部の増幅器
とか、画像処理装置の構成も高い周波数に対応する機能
のものが要求される。
したがって、高精度な測定を行うためには、超音波測
定装置自体、精度の高いものが必要であり、高価になる
とともに、その取り扱いもそれだけ高度なものが要求さ
れる。
ところで、超音波は材料中(水も含む)において、周
波数が高いほどその減衰の仕方も大きくなる性質があ
る。従って、焦点集束形でCスキャンを行う場合には、
反射波は入射波に比べて高周波数領域の減衰がおこり、
低周波数の影響が強く現れる。周波数が低い場合その波
長は長くなり、十分に焦点が絞れず、分解能、すなわち
検出能は低下する。探触子の周波数が高くなればなるほ
ど、このような影響は大きくなり期待した効果(分解
能)は得られない欠点がある。
この発明は、このような従来技術の問題点を解決する
ものであって、より高精度な超音波測定装置を使用しな
くてもその測定分解能を向上させることができる超音波
測定方式を提供することを目的とする。
[問題点を解決するための手段] この発明の特徴は、被検体からの超音波反射波を周波
数解析して、探触子のもつ周波数帯域内の高い方の周波
数成分を抽出し、その周波数成分の強さを画像表示値と
することでより高い分解能で測定を行うものであって、
前記のような目的を達成するためのこの発明の超音波測
定方式における手段は、超音波探触子からのエコー受信
信号からこの超音波探触子が持つ受信周波数帯域特性の
ピーク周波数値より高い周波数成分を抽出してこの周波
数成分の値を測定データとするものである。
[作用] 焦点集束型の探触子で超音波測定を行う場合にあって
は、高周波成分は低周波成分に比べて指向性がよく、ビ
ーム径が細くなる関係があることから被検体に対し、例
えば所定の深さで平面走査をして走査位置に応じた超音
波エコーの受信信号を得る場合、エコー受信信号値から
探触子が持つ受信周波数帯域特性のうちのピーク周波数
値より高いある周波数成分を抽出してこの高い周波数成
分を測定データの対象とすれば、より高い分解能で測定
することができる。
[実施例] 以下、この発明の一実施例について図面を用いて詳細
に説明する。
第1図は、この発明の超音波測定方式を適用した超音
波検査装置のブロック図、第2図(a)は、そのエコー
受信信号の波形であり、第2図(b)は、そのフーリエ
変換処理により周波数解析した場合の特性グラフ、第2
図(c)は、その強さを輝度変換する特性グラフ、第3
図は、探触子の一般的なエコー信号受信周波数特性のグ
ラフである。
第1図において、超音波検査装置20は、超音波検査機
構部21と、超音波検査機構制御部22、そして画像処理装
置23とからなる。
超音波検査機構部21は、ステージ21a上に載置された
水槽1を有していて、この水槽1の中には被検体2が浸
漬されている。水槽1の上部には、走査装置4が配置さ
れていて、水浸式焦点型の探触子3を支承し、これをX,
Yの2方向に移動して、被検体2を走査する。
ここで、超音波検査機構部21と超音波検査機構制御部
22とは、検査物制御機構を構成し、超音波検査機構部21
を制御する超音波検査機構制御部22は、走査装置4のX
軸方向の移動を駆動制御するモータ5と、その回転量を
カウントして対応する数値信号を発生するエンコーダ
6、走査装置4のY軸方向の移動を駆動制御するモータ
7と、その回転量をカウントして対応する数値信号を発
生するエンコーダ8、そしてマイクロプロセッサ内蔵の
モータコントローラ9とを備えている。モータコントロ
ーラ9は、エンコーダ6及び8からの信号に応じてモー
タ5及び7を制御して、探触子3を所定の位置に位置決
めし、かつ探触子3をX,Y方向に移動させて走査する制
御を行う。
さらに、超音波検査機構制御部22は、探触子3からの
信号を受けるパルサーレシーバ10、このパルサーレシー
バ10の信号を受けてその受信波形を表示するオシロスコ
ープ11、同様にパルサーレシーバ10の信号を受けて所定
のタイミングでエコー受信信号を選択するゲート回路1
2、ゲート回路12からのエコー受信信号(そのピーク値
ではなく、エコー受信信号波形)を画像処理装置23にデ
ジタル信号の形で送出するA/D変換器14、そして分周器1
3とを備えていて、分周器13がA/D変換器14のデータ送出
スタートタイミングを決定する。
すなわち、画像処理装置23から送出された分周率に関
する情報に応じて、その分周率を決定し、エンコーダ6,
8からの信号を分周し、A/D変換器14が画像処理装置23へ
出力する制御信号を分周率に応じた所定のタイミングで
A/D変換器14に送出する。このことにより画像処理装置2
3が探触子3からのデータを採取するタイミングが決定
され、A/D変換器14が前記分周された制御信号に応じて
サンプリング動作をスタートさせ、エコー受信信号をサ
ンプリング処理して各サンプリングデジタル値を画像処
理装置23へゲート範囲におけるエコー受信信号のデジタ
ルデータとして出力する。なお、この場合、周波数が高
いので、A/D変換器14と画像処理装置23との間に1画面
或いは数画面分のデジタルデータを記憶する画像バッフ
ァメモリを挿入しておき、一旦、画像バッファメモリに
記憶した後、このデータを画像処理装置23が取出すよう
にしてもよい。
一方、画像処理装置23は、バス26に接続され、インタ
フェース25を介して前記A/D変換器14からエコー受信信
号のサンプリングのデータを受けるマイクロプロセッサ
15と、前記バス26に接続された画像メモリ17、この画像
メモリ17に接続されたCRTディスプレイ19、各種の制御
プログラム,データを記憶するメモリ27、そしてインタ
フェース25,バス26を介してマイクロプロセッサ15に接
続されたキーボード18とからなる。
メモリ27には、フーリエ変換処理プログラム27aと走
査プログラム27b,画像処理プログラム27c,分周率・ピッ
チ算出プログラム27d,周波数成分輝度変換処理プログラ
ム27e,キーボード18等から入力された探触子3の位置デ
ータとか、走査範囲のデータ、さらに周波数成分輝度変
換処理プログラム27eで処理対象となる特定周波数を選
択するデータ等を記憶する各種データ領域27fとを有し
ていて、これら各プログラムが起動されることにより、
マイクロプロセッサ15の制御の下にそのプログラムに対
応する処理が実現される。
フーリエ変換処理プログラム27aは、A/D変換器14から
受けたエコー受信信号の各サンプリングデータ値を一旦
メモリ27に記憶し、その離散値データに基づき、そのう
ちのM個の観測データからこれらをフーリエ変換値に変
換する処理をする。
ここで、M個の観測値の関数をf(mX),ただし、m
=0〜M−1とすると、これに対するフーリエ関数は次
の式で表せられる。
ただし、W=exp(‐2πj/M),u0=1/MX kは、係数であり、基本空間周波数のk倍を意味す
る。MXは、1つのエコー受信信号の長さに相当する。
このようなフーリエ変換処理は高速フーリエ変換ボー
ド(FFTボード)が既にあるので、それを利用するか、
このボードに対応するフーリエ変換処理プログラムを設
けることで行われる。
第2図の(b)は、第2図(a)に見るエコー受信信
号を受信した場合に、そのA/D変換値からこのようなフ
ーリエ変換処理をした場合の各周波数成分をグラフとし
て示したものである。ここで、周波数fは、第3図に示
す探触子3の周波数特性の中心周波数f0より高い値であ
る。なお、第3図において、周波数fcより高い後の特性
部分は、高調波成分によるものであって、探触子の検出
帯域としては無視されるべきものである。
ところで、この場合の周波数fの採られるべき範囲と
しては、その測定装置のゲインとの関係で決定され、通
常では、−3dBダウン以内の範囲が好適な範囲と言え
る。
ここで、周波数成分輝度変換処理プログラム27eは、
第2図(a)に示すエコー受信信号に対して、前記のフ
ーリエ変換処理プログラム27aの処理により得られるフ
ーリエ変換関数値のうちから前記周波数fの成分の値を
抽出する。そしてそれを第2図の(c)に示すグラフ特
性のフーリエ変換成分値輝度変換関数に従って輝度値に
変換する処理をする。さらに、輝度値に変換された周波
数成分に対応する輝度データを探触子3のそのときの走
査位置に対応してメモリ27に記憶するものである。な
お、この場合の輝度データは、0〜255階調レベルに変
換したデジタル値として記憶される。
画像処理プログラム27cは、周波数成分輝度変換処理
プログラム27eによりメモリ27に記憶された前記輝度値
データを走査位置対応に読出して、それを被検体2の位
置関係とともに画像処理して走査対応の画像をCRTディ
スプレイ19上に表示する。
走査処理プログラム27bは、キーボード18により指定
された走査範囲において、探触子3の走査の初期位置及
び前記走査範囲を設定し、探触子3を所定のピッチでこ
の走査範囲で平面走査する移動制御をする。なお、この
場合のピッチは、分周率・ピッチ算出プログラム27dの
起動により算出されたるか又はあらかじめ設定され若し
くはその都度キーボード18から入力されるものである。
分周率・ピッチ算出プログラム27dは、指定された走
査範囲に基づき画像採取のピッチ及びこのピッチに対応
する分周率を算出して分周器13にそのデータを送出す
る。
次に、これら各プログラム処理による画像処理装置23
の具体的な測定処理について第2図に従って説明する。
探触子1より発した超音波は、水槽1の水を介して被
検体2まで伝達し、この表面、内部、底面等で反射して
再び水を介して探触子3に受信される。受信された反射
波はパルサーレシーバ10で増幅され、ゲート回路12を経
て、焦点の位置に対応するエコー受信信号がA/D変換器1
4に送られ、デジタル値にされて、画像処理装置23へと
送出される。
画像処理装置23では、エコー受信信号をA/D変換器14
でA/D変換してデジタル値とした第2図の(a)に示す
波形に対応するデジタル値データを受けて、これをFFT
により周波数解析して、同図(b)に示す周波数成分特
性のデータを発生する。そして、この周波数帯域内の周
波数fの成分のみを抽出して、その強さを同図(c)に
示すように輝度変換特性関数により輝度変換してCRTデ
ィスプレイ19により画像表示を行う。
ここで、周波数fは、焦点集束型の探触子3の周波数
帯域内にあり、且つピーク周波数f0よりも高い周波数で
あるので、低周波成分に比べて指向性がよく、ビーム径
が細くなる。したがって、焦点の絞り込み状態がピーク
周波数f0又はそれより低い周波数よりよく、その分解能
は高くなる。その結果、通常の状態より高精度な測定を
行うことができる。
以上説明したきたが、実施例では、エコー受信信号を
一旦フーリエ変換し、探触子の特性のピーク周波数f0
り高いある特定の周波数成分を得ているが、この場合、
特定の周波数成分だけを得るフーリエ変換処理をしてそ
の周波数成分を得てもよいことはもちろんである。
また、f0より高い周波数成分は、エコー受信信号のア
ナログ値を直接フィルタ回路を介してフィルタ処理する
か、それをデジタル交換してデジタルフィルタ処理をし
て得てもよい。
実施例では、探触子のピーク周波数より高い周波数を
特定の固定値としているが、この周波数を外部からあら
かじめ選択した値に設定できるようにしておいてもよ
く、また、高い特定の周波数成分により測定する場合と
そうでない場合とを切換えできるようにすることもで
き、このようにすれば、10MHz〜50MHz又は50MHz以上の
高周波帯域の探触子を使った場合、その帯域内の周波数
に応じた分解能の映像が得られ、1本の探触子で数本分
の探触子の効果が出せる。
[発明の効果] 以上の説明から理解できるように、この発明にあって
は、焦点集束型の探触子により被検体に対して、例えば
所定の深さで平面走査をして走査位置に応じた超音波エ
コーの受信信号を得る場合、エコー受信信号値から探触
子が持つ受信周波数帯域特性のうちのピーク周波数値よ
り高いある周波数成分を抽出してこの高い周波数成分を
測定データの対象とすれば、より高い分解能で測定する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明の超音波測定方式を適用した超音波
検査装置のブロック図、第2図(a)は、そのエコー受
信信号の波形であり、第2図(b)は、そのフーリエ変
換処理により周波数解析した場合の特性グラフ、第2図
(c)は、その強さを輝度変換する特性グラフ、第3図
は、探触子の一般的なエコー信号受信周波数特性のグラ
フである。 1……水槽、2……被検体、3……探触子、4……走査
装置、5,6……モータ、7,8……エンコーダ、9……モー
タコントローラ、10……パルサーレシーバ、11……オシ
ロスコープ、12……ゲート回路、13……分周器、14……
A/D変換器、15……CPU、16……画像入力出力部、17……
画像メモリ、18……キーボード、19……モニタTV、20…
…超音波検査装置、21……超音波検査機構部、22……超
音波検査機構制御部、23……画像処理装置、f0……超音
波探触子のピーク周波数、f……f0より高い成分の周波
数。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】焦点集束型の超音波探触子及び被検体のい
    ずれか一方を移動させて被検体を走査し、被検体の状態
    を測定する超音波測定方式において、前記超音波探触子
    からのエコー受信信号からこの超音波探触子が持つ受信
    周波数帯域特性のピーク周波数値より高い周波数成分を
    抽出してこの周波数成分の値を測定データとすることを
    特徴とする超音波測定方式。
  2. 【請求項2】高い周波数成分は、超音波探触子からのエ
    コー受信信号をA/D変換して得られたデータからフーリ
    エ変換処理により周波数解析して得るものであることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の超音波測定方
    式。
  3. 【請求項3】高い周波数成分は、エコー受信信号又はそ
    のA/D変換値をフィルタ処理して得ることを特徴とする
    特許請求の範囲第1項記載の超音波測定方式。
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