JPH09318607A

JPH09318607A - バルク波音速または厚さの測定方法および測定装置

Info

Publication number: JPH09318607A
Application number: JP8139804A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Mogi; 良平茂木; Kinuko Nomura; 衣子野村; Akira Ishiyama; 亮石山; Yutaka Kashiwase; 裕柏瀬
Original assignee: Tokimec Inc
Current assignee: Tokimec Inc
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】バルク波音速または厚さの測定方法および測
定装置に関し、厚さとバルク波音速の双方の値が不明な
場合にも、また、表面波が重畳するような場合であって
も、これらの値を精度良く求めることを目的とする。【解決手段】複数の超音波送受波器Ｓ₀，Ｓ₁を用い
て、ある一定の厚さｄを有する媒体１１のバルク波音速
を反射法によって測定する際に、超音波送受波器Ｓ₀，
Ｓ₁の間隔ｘを少しずつ変えて測定して反射エコーデー
タを取得し、バルク波音速をパラメータとして変化させ
ながら得られた反射エコーデータに反射エコーのピーク
位置が同相になるようにマイグレーション処理を施し、
その結果反射エコーのピーク値が最大となるときの値を
バルク波音速として求めるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の超音波送受
波器を用いてバルク波音速または厚さを測定する測定方
法および測定装置に関する。超音波で媒体の厚さまたは
バルク波音速を測定することで、被検体の寸法や材質を
管理することは様々な分野で行われており、これらの分
野としては、例えばコンクリート構造物あるいはアスフ
ァルトの舗装道路などがある。このような分野におい
て、厚さとバルク波音速の双方の値が不明な場合でも、
また、表面波が重畳するような場合であっても、これら
の値を精度良く求めることが要望されている。

【０００２】

【従来の技術】従来、反射法で被検体の厚さやバルク波
音速を測定する測定方法としては、例えば図１０または
図１１に示すようなものが知られている。図１０に示す
ものは１探触子法と言われ、図１１に示すものは２探触
子法と言われている。探触子とは、超音波送受波器のこ
とである。

【０００３】まず、図１０に示す１探触子法を説明す
る。図１０において、１は超音波送受波器であり、超音
波送受波器１は、被検体２の上面３に配置される。４は
超音波であり、超音波４は超音波送受波器１から発信さ
れ、被検体２中を伝搬し、被検体２の底面５で反射し、
超音波送受波器１で受信される。ｄは被検体２の厚さで
ある。

【０００４】超音波送受波器１に電気的パルスを印加し
て、駆動すると超音波送受波器１からは超音波４が発信
され、この超音波４が被検体２中を伝搬する。そして、
この超音波４は被検体２の底面５で反射され、再び超音
波送受波器１に戻ってくる。このように被検体２内を伝
搬する波をバルク波と言う。これが超音波送受波器１で
検知され、電気回路で図１２に示すような受信信号（反
射信号）Ｂが得られる。図中Ａは電気パルスを印加した
ときの送信信号を示し、一方、Ｂ１で示す信号は１回目
の反射信号を示し、Ｂ２は被検体２中を超音波４が２往
復伝搬した反射信号、すなわち２回目の反射信号を示
し、以下Ｂ３，Ｂ４・・・と続く。そこで、この反射信
号Ｂ１が得られるまでの時間ｔを測定する。もし被検体
２のバルク波音速Ｃが既知であれば、次式により被検体
２の厚さｄが求められる。

【０００５】ｄ＝Ｃｔ／２（１）一方、被検体２の厚さｄが既知であれば、次式により被
検体のバルク波音速Ｃが求まる。Ｃ＝２ｄ／ｔ（２）このようにパルスの反射信号Ｂを用いてその往復した伝
搬時間から厚さや音速などを求める方法を、一般にパル
スエコー法と言う。

【０００６】しかし、１探触子法においては、図１２に
示すように受信信号Ｂの先頭には電気パルスを印加した
ときの送信信号Ａが大きな振幅で存在し、被検体２の厚
さが薄いときにはこのために図１３のように反射信号Ｂ
１が送信信号Ａと重なってしまい、パルスの往復時間ｔ
を反射信号Ｂ１の立ち上がり時刻から判定することが困
難になってしまう欠点がある。もちろん、反射信号Ｂ
２，Ｂ３などが鮮明に観測できれば問題はないのだが、
被検体２が減衰の大きい材料だったりする場合には、反
射信号Ｂ２以下のエコーが不鮮明となるので測定するこ
とができない。

【０００７】これに対して、図１１に示す２探触子法で
は、一対の超音波送受波器１，６からなり、一方の超音
波送受波器１で超音波７を発信し、他方の超音波送受波
器６で受信している。こうすることによって、受信信号
Ｂには送信信号Ａが含まれないで済むので、例えば、厚
さｄが極めて薄い場合にも反射信号Ｂが図１４に示すよ
うに鮮明に観測することができる。そして、これら一対
の超音波送受波器１，６の間隔ｘを知っていれば反射信
号Ｂの立ち上がり時間ｔから、被検体２の厚さやバルク
波音速を求めることができる。ただし、求める式は１探
触子法の場合とは異なり、２次式となるが、厚さかバル
ク波音速のいずれか一方を知っておいて他方を求めるこ
とは同様である。

【０００８】次に、図１５は２探触子法による他の従来
例を示す図である。図１５において、２は被検体（媒
体）であり、被検体２は厚さｄ、底面５および上面３を
もつ。上面３には第１の超音波送受波器１が配置され、
第１の超音波送受波器１は開口径ａをもつ。６は第２の
超音波送受波器であり、第２の超音波送受波器６は第１
の超音波送受波器１に対して所定の間隔ｘをおいて配置
される。

【０００９】第１の超音波送受波器１から送信される超
音波７は被検体２を伝搬し、底面５で反射して、底面エ
コー８として第２の超音波送受波器６で受信される。底
面エコー８の波形は、図１６の８で示される。図１６に
おいて、ｔは底面エコー８のピーク時刻を示し、Δｔは
底面エコー８の立ち上がりからピークまでの時間を示
す。

【００１０】また、図１５および図１６において、９は
第１の超音波送受波器１から第２の超音波送受波器６に
被検体２の上面（表面）３において伝搬する表面波を示
す。第１の超音波送受波器１の開口径ａが波長オーダー
に小さくなると表面波９の発生が大きくなり、受信エコ
ーにそれが雑音として重畳する。そこで、表面波９を抑
圧し底面エコー８のみを抽出する方法が必要となる。こ
の方法としては、例えば、特願平５−２８２９１８号公
報に開示されている方法がある。

【００１１】説明を簡単にするために、図１７に示すよ
うな被検体として比較的厚い板１０を考える。第２の超
音波送受波器６の位置をｘ₁からｘ_nまで変えてｎ回受
信エコーを得る。板１０の厚さｄが十分大きいとする
と、図１８に示すように各エコーの底面エコー８の受信
される時間はほとんど同じ時間である。ところが、表面
波９が受信される時間は第２超音波送受波器６の位置に
したがって異なったものとなる。したがって、表面波９
の受信される時間が半波長ずれているエコーを加算する
と、表面波９は打ち消され、底面エコー８は２倍に強調
される。そのような組み合わせが多数得られるように第
２超音波送受波器６の位置を変えた場合のエコーをｎ個
加算すると表面波９は打ち消され、底面エコー８はｎ倍
に強調された信号が得られる。

【００１２】このようにして、表面波９を抑圧し底面エ
コー８のみを抽出することで、板１０の厚さｄまたはバ
ルク波音速を測定することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの測定
方法にあっては、前者の場合には厚さを測定したい場合
にはバルク音速が既知でなければならず、バルク音速を
測定したい場合には厚さが既知でなければならない。と
ころが、実際にはバルク音速も厚さも未知の場合が非常
に多くあり、そのような分野では二つのパラメータを同
時に測定する方法が望まれている。

【００１４】例えばあるプラスチックが被検体である場
合、このプラスチックの機械的状態をバルク音速の測定
により観測しようとするが、プラスチックは膨脹係数が
大きいので温度変化で厚さも変化してしまい、伝搬時間
を測定することができても厚さが不明なので音速が求ま
らないことになる。逆に、コンクリートブロックのよう
に複雑な混合体では、混合物の粒径や性状によって音速
が著しく異なるため、既に、埋設されているコンクリー
トの厚さを測定しようとしても必要なバルク音速が不明
な場合が多い。

【００１５】また、後者の場合には、表面波を抑圧する
ことは確実にできるが、例えば板の厚さが薄い場合には
底面エコーの受信される時間が超音波送受波器の位置に
よってずれてしまい、加算した場合の受信エコーの波形
が変化してしまい、これを用いて厚さまたはバルク波音
速を求めると誤差が生じ易い。本発明は、このような従
来の問題点に鑑みてなされたものであって、厚さとバル
ク波音速の双方の値が不明な場合にも、また、表面波が
重畳するような場合であっても、これらの値を精度良く
求める測定方法および測定装置を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、複数の超音波送受波器を用いて、ある一
定の厚さを有する媒体のバルク波音速を反射法によって
測定する測定方法において、前記超音波送受波器の間隔
を少しずつ変えて測定して反射エコーデータを取得し、
バルク波音速をパラメータとして変化させながら、得ら
れた反射エコーデータに反射エコーのピーク位置が同相
になるようにマイグレーション処理を施し、その結果反
射エコーのピーク値が最大となるときの値をバルク波音
速として求めることを特徴とする。

【００１７】また、本発明は、複数の超音波送受波器を
用いて、ある一定の厚さを有する媒体のバルク波音速を
反射法によって測定する測定装置において、前記超音波
送受波器の間隔を少しずつ変えて測定して反射エコーデ
ータを取得処理する第１取得処理手段と、バルク波音速
パラメータとして変化させながら、得られた反射エコー
データに反射エコーのピーク位置が同相になるようにマ
イグレーション処理を施す第１演算手段と、マイグレー
ション処理の結果反射エコーのピーク値が最大となると
きの値をバルク波音速として求める第２演算手段を備え
たことを特徴とする。

【００１８】また、本発明は、複数の超音波送受波器を
用いて、ある一定のバルク波音速を有する媒体の厚さを
反射法によって測定する測定方法において、前記超音波
送受波器の間隔を表面波のピーク位置が深さ領域である
距離λ_zだけ変化する距離λ_s1の範囲に亘って少しずつ
変えて反射エコーデータを取得し、取得した反射エコー
データに反射エコーのピーク位置が同相になるようにマ
イグレーション処理を施し、その結果反射エコーのピー
ク値が最大となるときの値を厚さとして求めることを特
徴とする。

【００１９】また、本発明は、複数の超音波送受波器を
用いて、ある一定のバルク波音速を有する媒体の厚さを
反射法によって測定する測定装置において、前記超音波
送受波器の間隔を表面波のピーク位置が深さ領域である
距離λ_zだけ変化する距離λ_s1の範囲に亘って少しずつ
変えて反射エコーデータを取得処理する第２取得処理手
段と、取得処理した反射エコーデータに反射エコーのピ
ーク位置が同相になるようにマイグレーション処理を施
す第３演算手段と、マイグレーション処理の結果反射エ
コーのピーク値が最大となるときの値を厚さとして求め
る第４演算手段を備えたことを特徴とする。

【００２０】また、本発明は、複数の超音波送受波器を
用いて媒体の厚さまたはバルク波音速を反射法によって
測定する測定方法であって、前記超音波送受波器の間隔
を少しずつ変えて測定してデータを取得し、得られたデ
ータに反射エコーのピーク位置が同相になるようにマイ
グレーション処理を施して、厚さまたはバルク波音速を
求める測定方法において、仮想された厚さデータをもと
に媒体のバルク波音速を求める場合は比較的間隔を大き
くした状態で間隔を少しずつ変えたときに得られたデー
タを用いてバルク波音速を演算し、仮想されたバルク波
音速データをもとに媒体の厚さを求める場合には比較的
間隔を小さくした状態で間隔を少しずつ変えたときに得
られたデータを用いて厚さを演算し、これらの計算を交
互に繰り返し行うことで厚さまたはバルク波音速を求め
ることを特徴とする。

【００２１】また、本発明は、複数の超音波送受波器を
用いて媒体の厚さまたはバルク波音速を反射法によって
測定する測定装置であって、前記超音波送受波器の間隔
を少しずつ変えて測定してデータを取得し、得られたデ
ータに反射エコーのピーク位置が同相になるようにマイ
グレーション処理を施して、厚さまたはバルク波音速を
求める測定装置において、仮想された厚さデータをもと
に媒体のバルク波音速を求める場合は比較的間隔を大き
くした状態で間隔を少しずつ変えたときに得られたデー
タを用いてバルク波音速を演算する第５演算手段と、仮
想されたバルク波音速データをもとに媒体の厚さを求め
る場合には比較的間隔を小さくした状態で間隔を少しず
つ変えたときに得られたデータを用いて厚さを演算する
第６演算手段と、第５演算手段による演算と第６演算手
段による演算を交互に繰り返し行うことで厚さまたはバ
ルク波音速を求める第７演算手段を備えたことを特徴と
する。

【００２２】本発明によれば、超音波送受波器の間隔を
少しずつ変えて測定して反射エコーデータを取得し、バ
ルク波音速をパラメータとして変化させながら、得られ
た反射エコーデータに反射エコーのピーク位置が同相に
なるようにマイグレーション処理を施し、その結果反射
エコーのピーク値が最大となるときの値をバルク音速と
して求めるようにしたため、表面波が重畳するような場
合にも、バルク波音速を精度良く求めることができる。

【００２３】また、超音波送受波器の間隔を表面波のピ
ーク位置が深さ領域である距離λ_zだけ変化する距離λ
_s1の範囲に亘って少しずつ変えて反射エコーデータを取
得し、取得した反射エコーデータに反射エコーのピーク
位置が同相になるようにマイグレーション処理を施し、
その結果反射エコーのピーク値が最大となるときの値を
厚さとして求めるようにしたため、表面波が重畳するよ
うな場合にも厚さを精度良く求めることができる。

【００２４】また、複数の超音波送受波器を用いて媒体
の厚さまたはバルク波音速を反射法によって測定し、超
音波送受波器の間隔を少しずつ変えて測定してデータを
取得し、得られたデータに反射エコーのピーク位置が同
相になるようにマイグレーション処理を施して、厚さま
たはバルク波音速を求める場合、仮想された厚さデータ
をもとに媒体のバルク波音速を求める場合は比較的間隔
を大きくした状態で間隔を少しずつ変えたときに得られ
たデータを用いてバルク波音速を演算し、仮想されたバ
ルク波音速データをもとに媒体の厚さを求める場合には
比較的間隔を小さくした状態で間隔を少しずつ変えたと
きに得られたデータを用いて厚さを演算し、これらの計
算を交互に繰り返し行うことで厚さまたはバルク波音速
を求めるようにしたため、表面波を抑圧しながら厚さと
バルク波音速を同時に測定することができ、表面波が存
在する状況においても、プラスチックなどのように温度
変化のために厚さが変化してしまう状況でも、高精度の
バルク波音速測定ができ、厚さもバルク波音速も不明な
埋設されているコンクリートブロックの厚さをも正確に
求めることが可能となる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１および図２は本発明の第１実施
形態を示す図である。第１実施形態では厚さを測定する
測定装置および測定方法を説明する。図１において、１
１は被検体としての媒体であり、媒体１１は厚さｄをも
つ。１２は媒体１１の底面、１３は媒体１１の上面（表
面）である。

【００２６】媒体１１の上面１３には第１の超音波送受
波器Ｓ₀が配置される。Ｓ₁は第２の超音波送受波器で
あり、第２の超音波送受波器Ｓ₁は、自由に移動できる
ようになっており、第１の超音波送受波器Ｓ₀に対し
て、間隔ｘ₁，ｘ₂・・・ｘ_nをおいて配置される。第
１の超音波送受波器Ｓ₀から送信される超音波１４は媒
体１１を伝搬し、底面１２で反射して底面エコー１５と
して第２の超音波送受波器Ｓ₁で受信される。底面エコ
ー１５のピーク時刻をｔ、底面エコー１５の立ち上がり
からピークまでの時間をΔｔとする（図１６、参照）。
なお、１６は表面波を示す。

【００２７】次に、図２は媒体１１の厚さｄを求める演
算部などを示す。図２において、１７はスイッチよりな
る送受切換器であり、送受切換器１７は第１，第２の超
音波送受波器Ｓ₀，Ｓ₁にそれぞれ接続され、ＭＰＵ１
８からの指令により送受の切換えを行う。１９はトラン
シーバよりなる送受信器であり、送受信器１９は送受切
換器１７に対する信号の送信および送受切換器１７から
の信号の受信を行う。

【００２８】２０は送受信器１９に接続されたＡ／Ｄ変
換器であり、Ａ／Ｄ変換器２０は超音波の受信波形をデ
ジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器２０の出力はＭＰＵ
１８の制御に基づき波形記憶装置２３に各エコー波形デ
ータとして記憶される。ＭＰＵ１８は記憶された多数の
各エコー波形に基づいて、媒体１１の厚さｄを演算す
る。求めた厚さｄは、ＭＰＵ１８からプリンタ２１また
は、表示器２２に出力される。

【００２９】ＭＰＵ１８は第１，第２の超音波送受波器
Ｓ₀，Ｓ₁の間隔ｘを表面波１６のピーク位置が深さ領
域である距離λ_zだけ変化する距離λ_s1の範囲に亘って
少しずつ変えて反射エコーデータを取得処理する第２取
得処理手段１８Ａと、取得処理した反射エコーデータに
反射エコーのピーク位置が同相になるようにマイグレー
ション処理を施す第３演算手段１８Ｂと、マイグレーシ
ョン処理の結果反射エコーのピーク値が最大となるとき
の値を厚さｄとして求める第４演算手段１８Ｃとしての
機能を有する。

【００３０】次に、媒体１１の厚さｄを測定する測定方
法を説明する。前述したように、媒体１１の厚さｄが波
長に比べて十分に大きくないとき、表面波１６を抑圧し
つつ、正確に受信時間を得るための信号処理が必要とさ
れる。一般に、Ｓ／Ｎ向上の手段としては、開口合成法
が知られている。開口合成法の中でも同相加算（マイグ
レーション）は、超音波送受信器とターゲットの相対位
置を変えた各点において収集した複数のデータを、信号
処理でターゲットの位置にフォーカスさせることによっ
てＳ／Ｎを向上する手法であり、レーダでは広く用いら
れている。この手法を利用して、プローブ間距離を変え
た複数のデータを信号処理で媒体の厚さにフォーカスす
ることによって、底面エコーを強調し受信時間を判定で
きれば良い。

【００３１】以下、同相加算（マイグレーション処理）
について、説明する。底面エコー１５のピーク時刻をｔ
とすると次のような関係式が成立する（図１６、参
照）。

【００３２】

【数１】

【００３３】ただし、ｘは第１，第２の超音波送受波器
Ｓ₀，Ｓ₁の間隔、Ｃ_bは超音波のバルク波の音速、Δ
ｔは底面エコーの立ち上がりからピークまでの時間であ
る。ここで、（３）式の関係を用いて次のようなｔｚ変
換を考える。

【００３４】

【数２】

【００３５】この変換を記号Ｚで表し、変換前の時間
（ｔ）領域での受信エコーをｅ（ｔ）で表し、変換後の
深さ（ｚ）領域での受信エコーをＥ（ｚ）で表し、添え
字ｉで第１，第２の超音波送受波器Ｓ₀，Ｓ₁の間隔が
ｘ_iであることを表すと、深さ領域での各エコーは次の
ように書ける。

【００３６】

【数３】

【００３７】受信エコーに対してこの変換を施すと、間
隔ｘを変えたエコーであっても、底面エコー１５のピー
クの時刻は（３）式の関係を満足するのでｚ＝ｄに変換
される。すなわち、間隔ｘを変えたすべての受信エコー
で、底面エコー１５のピーク位置について、深さ領域へ
の変換値は同じくなり、変換を施されたエコーを加算す
るとｚ＝ｄの点にエコーピークがフォーカスされる。こ
の加算またはフォーカスは次の式で示される。

【００３８】

【数４】

【００３９】したがって、バルク波音速Ｃ_bが正確に分
かっていれば、（６）式で表される加算後の波形のピー
ク位置ｚを求めれば、それが媒体１１の厚さｄである。
次に、効率よく表面波１６を抑圧するための第１，第２
の超音波送受波器Ｓ₀，Ｓ₁の間隔ｘの選定について述
べる。ある波を打ち消すには、半波長位相のずれた波を
重畳すると良い。さらには、１波長あるいはその整数倍
を位相的に等分割した分だけ位相のずれた波をすべて重
畳しても良い。先の半波長位相のずれた波を重畳するの
は、この特殊な例である。しかし、本実施形態で表面波
１６を効率よく抑圧するためには、深さ領域に変換され
た後の波形の表面波１６のピークが等位相ずつずれ、し
かも全体として整数波長分ずれるようにしなければなら
ない。以下ではその条件を見いだす。

【００４０】時間領域で１波長分の時間遅れ（１／ｆ）
は、深さ領域でも１波長の遅れλ_zとなる。それは、ｔ
ｚ変換の式より次のようになる。

【００４１】

【数５】

【００４２】表面波１６が受信される時刻は、表面波１
６の音速をＣ_sとして次式となる。

【００４３】

【数６】

【００４４】これを（７）式に代入すると、

【００４５】

【数７】

【００４６】ここで、（ｘ／Ｃ_s）>>（１／ｆ）として
整理すると次のようになる。

【００４７】

【数８】

【００４８】ただし、λ_sは表面波の波長である。次
に、間隔ｘを変化させることで、表面波１６のピーク位
置が深さ領域でλ_zだけ変化するのに必要な、間隔ｘの
変化量、距離λ_s1を求める。表面波ピーク位置ｔ＝（ｘ
／Ｃ_s）＋Δｔについては（４）式のｔｚ変換は簡単に
なり、次のようになる。

【００４９】

【数９】

【００５０】したがって、次式が成立する。

【００５１】

【数１０】

【００５２】（１０）式と（１２）式とで整理すると次
のように求められる。

【００５３】

【数１１】

【００５４】したがって、（１３）式で求められるλ_s1
を等分割した分だけ間隔ｘを少しずつずらしたときの受
信エコーを、全体として略λ_s1以上に亘って、加算する
ことで、表面波１６を深さ領域で効率よく抑圧すること
ができる。ちなみに、λ_s1はλ_sの概ね１．３〜１．６
倍となる。以上のように、表面波１６が重畳している場
合でも厚さｄを精度良く測定することができる。

【００５５】次に、図３〜図５は本発明の第２実施形態
を示す図である。第２実施形態ではバルク波音速の測定
装置および測定方法を説明する。すなわち、第２実施形
態では、仮に媒体の厚さと表面波音速が正確に分かって
おり、バルク波音速の値も大体の精度で分かっている場
合の、バルク波音速の測定装置および測定方法について
説明する。この条件は、十分、実際的なものである。

【００５６】図３において、３１は被検体としての媒体
であり、媒体３１は厚さｄが既知である。媒体３１の上
面３２には第１の超音波送受波器Ｓ₀が配置され、第１
の超音波送受波器Ｓ₀に対して第２の超音波送受波器Ｓ
₁が所定の間隔ｘ₁，ｘ₂・・・ｘ_nをおいて配置され
る。第２の超音波送受波器Ｓ₁は、自由に移動すること
ができるようになっている。

【００５７】第１の超音波送受波器Ｓ₁から送信される
超音波３３は媒体３１を伝搬し、底面３４で反射して、
底面エコー３５として第２の超音波送受波器Ｓ₁で受信
される。底面エコー３５のピーク時刻をｔ、底面エコー
３５の立ち上がりからピークまでの時間をΔｔとする
（図１６、参照）。

【００５８】３６はスイッチよりなる送受切換器であ
り、送受切換器３６は第１，第２の超音波送受波器
Ｓ₀，Ｓ₁にそれぞれ接続され、ＭＰＵ３７からの指令
により送受の切換えを行う。３８はトランシーバよりな
る送受信器であり、送受信器３８は送受切換器３６に対
する信号の送信および送受切換器３６からの信号の受信
を行う。

【００５９】３９は送受信器３８に接続されたＡ／Ｄ変
換器であり、Ａ／Ｄ変換器３９は超音波の受信波形をデ
ジタル値に変換する。Ａ／Ｄ変換器３９の出力はＭＰＵ
３７の制御に基づき波形記憶装置４３に各エコー波形デ
ータとして記憶される。ＭＰＵ３７は記憶された多数の
各エコー波形に基づいて、媒体３１のバルク波音速Ｃ_b
を演算する。求めたバルク波音速Ｃ_bは、ＭＰＵ３７か
らプリンタ４０または、表示器４１に出力される。

【００６０】ＭＰＵ３７は、第１，第２の超音波送受波
器Ｓ₀，Ｓ₁の間隔ｘを少しずつ変えて測定して反射エ
コーデータを取得処理する第１取得処理手段３７Ａと、
バルク波音速Ｃ_bをパラメータとして変化させながら、
得られた反射エコーデータに反射エコーのピーク位置が
同相になるようにマイグレーション処理を施す第１演算
手段３７Ｂと、マイグレーション処理の結果反射エコー
のピーク値が最大となるときの値をバルク波音速Ｃ_bと
して求める第２演算手段３７Ｃとしての機能を有する。
なお、図３中４２は表面波であり、表面波４２は媒体３
１の上面３２で第１の超音波送受波器Ｓ₀から第２の超
音波送受波器Ｓ₁に伝搬する。

【００６１】次に、バルク波音速Ｃ_bを測定する測定方
法について説明する。バルク波音速Ｃ_bを求めるには底
面エコー３５が必要であるが、受信エコーには表面波４
２が重畳しているので、底面エコー３５を抽出するため
の同相加算処理が必要である。ところが、同相加算でｔ
ｚ変換を行うにはバルク波音速Ｃ_bが必要であり、矛盾
が生じる。そこで、「同相加算では、ｔｚ変換に使用し
たバルク波音速Ｃ_bの値が正しければ、全ての受信エコ
ーのピークは同相で加算される。」ことを利用して、バ
ルク波音速Ｃ_bを推定する。

【００６２】すなわち、得られた受信エコーに対してバ
ルク波音速Ｃ_bの値をパラメータとして細かく変えなが
ら同相加算後のピーク振幅を比較したとき、最大値が得
られるバルク波音速Ｃ_bの値が求めるものである。実際
に、シミュレーションをした結果を図４に示す。横軸は
バルク波音速Ｃ_bの誤差であり、縦軸は各バルク波音速
の場合に求められたマイグレーション後のピーク値の振
幅である。この図４から誤差ゼロのバルク波音速Ｃ_bの
ときのピーク振幅が最大になっていることが分かる。し
たがって、ピーク振幅が最大になる値バルク波音速の値
を読み取れば良い。さらに、いま述べた方法で厚さを変
えてみたシミュレーションでバルク波音速Ｃ_bを求めた
結果を図５に示す。ただし、厚さはバルク波の波長λ_b
で正規化されている。図５ではいずれの厚さの場合にも
バルク波音速の値は正確に求められている。

【００６３】次に、図６〜図９は本発明の第３実施形態
を示す図である。これまで媒体の厚さかバルク波音速の
一方が既知の場合、表面波の振幅を抑圧しつつ、もう一
方の未知数を求める測定装置および測定方法について述
べた。この実施形態では、より現実的な状況として、媒
体の厚さとバルク波音速の両方が未知の場合、同時にこ
れら２つの未知数を精度良く求める測定装置および測定
方法について述べる。

【００６４】図６において、５１は被検体としての媒体
であり、媒体５１は厚さｄをもつ。５２は媒体５１の底
面、５３は媒体５１の上面である。媒体５１としては、
例えば温度変化のため厚さが変化してしまい音速を求め
ることができなかった分野のもの、また、厚さも音速も
不明な埋設されているコンクリートブロックなどのよう
なものでも良い。

【００６５】媒体５１の上面５３には第１の超音波送受
波器Ｓ₀が配置される。第１の超音波送受波器Ｓ₀に対
して、第２の超音波送受波器Ｓ₁は自由に移動すること
ができ、間隔ｘ₁，ｘ₂・・・ｘ_nをおいて配置され
る。すなわち、バルク波音速測定モードでは間隔を比較
的広くした間隔Ｘで測定し、厚さ測定モードでは間隔を
比較的狭くした間隔ｘで測定する第１の超音波送受波器
Ｓ₀から送信される超音波５４は媒体５１を伝搬し、底
面５２で反射して底面エコー５５として第２の超音波送
受波器Ｓ₁で受信される。

【００６６】底面エコー５５のピーク時刻をｔ、底面エ
コー５５の立ち上がりからピークまでの時間をΔｔとす
る（図１６、参照）。５６はスイッチよりなる送受切換
器であり、送受切換器５６は第１，第２の超音波送受波
器Ｓ₀，Ｓ₁にそれぞれ接続され、ＭＰＵ５７からの指
令により送受の切換えを行う。

【００６７】５８はトランシーバよりなる送受信器であ
り、送受信器５８は送受切換器５６に対する信号の送信
および送受切換器５６からの信号の受信を行う。５９は
送受信器５８に接続されたＡ／Ｄ変換器であり、Ａ／Ｄ
変換器５９は超音波の受信波形をデジタル値に変換す
る。Ａ／Ｄ変換器５９の出力はＭＰＵ５７の制御に基づ
き波形記憶装置６２に各エコー波形データとして記憶さ
れる。ＭＰＵ５７は記憶された多数の各エコー波形に基
づいて、媒体５１の厚さｄまたはバルク波音速Ｃ_bを演
算する。求めた厚さｄまたはバルク波音速Ｃ_bは、ＭＰ
Ｕ５７からプリンタ６０または、表示器６１に出力され
る。

【００６８】ＭＰＵ５７は、仮想された厚さデータをも
とに媒体５１のバルク波音速Ｃ_bを求める場合は比較的
間隔を大きくした状態で間隔Ｘを少しずつ変えたときに
得られたデータを用いてバルク波音速Ｃ_bを演算する第
５演算手段５７Ａと、仮想されたバルク波音速データを
もとに媒体５１の厚さｄを求める場合には比較的間隔を
小さくした状態で間隔ｘを少しずつ変えた時に得られた
データを用いて厚さを演算する第６演算手段５７Ｂと、
第５演算手段５７Ａによる演算と第６演算手段５７Ｂに
よる演算を交互に繰り返し行うことで厚さｄまたはバル
ク波音速Ｃ_bを求める第７演算手段５７Ｃとしての機能
を有する。

【００６９】次に、バルク波音速Ｃb および厚さｄを測
定する測定方法について説明する。底面エコー５５の伝
搬時間、バルク波音速および板厚については（３）式の
幾何学的な関係式が成り立つ。そこで、バルク波音速Ｃ
_bか厚さｄの何れか一方が既知であれば、底面エコー５
５の伝搬時間を測定することで他方の値が求まる。ま
ず、厚さｄとバルク波音速Ｃ_bについての誤差解析を行
う。今、バルク波音速Ｃ_bの値が誤差をδＣを有するも
のとし、このバルク波音速Ｃ_bを用いて求められる厚さ
をｄ、そのときの誤差をδｄとし、これらの誤差が小さ
いものと仮定すると、これらの関係は（３）式の微分を
とることで次のように求まる。

【００７０】

【数１２】

【００７１】逆に、厚さｄが既知で伝搬時間からバルク
波音速Ｃ_bを求める場合は、厚さ誤差をδｄとし、求め
られたバルク波音速の誤差をδＣとすると、次の関係に
なる。

【００７２】

【数１３】

【００７３】（１４）式と（１５）式の関係は全く同じ
式を入れ換えたものである。したがって、厚さ誤差δｄ
を有する厚さｄからバルク波音速Ｃ_bを求め、さらにそ
こで求められたバルク波音速Ｃ_bを用いて再び厚さｄを
求め直しても精度の向上は期待できない。しかし、バル
ク波音速Ｃ_bを求める場合と厚さｄを求める場合とで第
１，第２の超音波送受波器Ｓ₀，Ｓ₁の間隔を変えて行
うと、精度向上を実現することができる。以下に、その
方法について述べる。

【００７４】分かりやすさのために、まず、表面波が重
畳していない単純な例について述べる。厚さの値がｄ₀
で、その誤差がδｄ₀である条件で開始する。このバル
ク波音速測定のモードでは、第１，第２の超音波送受波
器Ｓ₀，Ｓ₁の間隔を広く取り、Ｘとする。そして、測
定された伝搬時間からバルク波音速Ｃ_bを算出する。こ
のとき求められたバルク波音速をＣ_b1、誤差をδＣ₁と
すると（１５）式から次のようになる。

【００７５】

【数１４】

【００７６】次に、今求められたバルク波音速Ｃ_bの値
を用いて厚さｄを測定する。この厚さ測定のモードで
は、第１，第２の超音波送受波器Ｓ₀，Ｓ₁の間隔を狭
く取り、ｘとする。そして、同様に伝搬時間ｔの測定値
から厚さｄを算出する。このとき求められた厚さを
ｄ₁、その誤差をδｄ₁とすると、それらの関係は（１
４）式から次のようになる。

【００７７】

【数１５】

【００７８】（１６）式と（１７）式をまとめると次の
ようになる。

【００７９】

【数１６】

【００８０】ここで、比例係数を次のようにｒと置く。

【００８１】

【数１７】

【００８２】今、Ｘがｘより大きくなるようにしたの
で、比例係数ｒは１より小さな値となり、この操作によ
り求められた厚さ誤差はより小さくなることが明らかで
ある。また、この操作をｎ回繰り返すならば、厚さ誤差
はもっと小さくなることが予想され、それは次式で表さ
れる。

【００８３】

【数１８】

【００８４】ただし、測定値は初回に得られたものが繰
り返し利用できる。実は、この方法では、バルク波音速
Ｃ_bについても同時に高精度に求められており、ここで
求められたバルク波音速Ｃ_bnと誤差δＣ_nの比は次式で
表される。

【００８５】

【数１９】

【００８６】したがって、おおよその精度しか持たない
厚さの数値を用いた測定でありながら、精度の良い厚さ
ｄの値と、精度の良いバルク波音速Ｃ_bの値を同時に求
めることができる。この実施形態では厚さｄのおおよそ
の値から測定を開始したが、バルク波音速Ｃ_bのおおよ
その値から測定を開始しても全く同様に、厚さｄ、バル
ク波音速Ｃ_b共に高精度の値が得られる。

【００８７】本実施形態では、受信エコーを強調するた
めだけでなく、エコーに重畳している表面波を抑圧する
ためにも同相加算の方法を採る。そこで、厚さｄを求め
る場合には、間隔を比較的狭くした状態で間隔をλ_s1の
範囲に亘って少しずつ変えて受信エコーを得、これらの
データにｔｚ変換を施して同相加算後のピーク位置から
その厚さを求め、バルク波音速を求める場合には、間隔
を比較的広くした状態で同様にして受信エコーを得た
後、仮定されたバルク波音速Ｃ_bの値をパラメータとし
て変化させながら、これらのデータにｔｚ変換を施して
同相加算後のピーク値を求め、それらの中で最大のピー
ク値を与えるバルク波音速Ｃ_bを求める。そして、これ
ら２つの測定モードを繰り返し計算して、一つ前のモー
ドの計算で得られた厚さｄまたはバルク波音速Ｃ_bの値
を用いて新しく他方の値を更新させる。エコーは、厚さ
測定モードおよびバルク波音速測定モードで１度収集し
たものを、繰り返し計算に使用する。以上の方法のアル
ゴリズムを図７に示す。

【００８８】本実施形態についてシミュレーションを行
った結果を図８および図９に示す。図８および図９に見
る如く繰り返し回数を増やすにしたがって精度が向上す
るのが分かる。なお、図８は比例係数ｒ＝０．５の場合
の繰り返し回数と変速誤差の関係を示し、図９は同じく
比例係数ｒ＝０．５の場合の繰り返し回数と厚さ誤差の
回路を示す。なお、図８，９中λ_bはバルク波の波長を
示す。

【００８９】

【発明の効果】以上説明してきたように、超音波送受波
器の間隔を少しずつ変えて測定してデータを取得し、得
られたデータに反射エコーのピーク位置が同相になるよ
うにマイグレーション処理を施して厚さまたはバルク波
音速を求める場合、特に、ある一定の厚さを有する媒体
のバルク波音速を測定する場合には、バルク波音速をパ
ラメータとして変化させながら、得られたデータに反射
エコーのピーク位置が同相になるようにマイグレーショ
ン処理を施し、その結果反射エコーのピークの値が最大
となるときのバルク波音速を採用するようにしたため、
表面波が重畳するような場合でもバルク波音速を精度良
く求めることができる。

【００９０】また、同様にして、表面波が重畳するよう
な場合でも厚さを精度良く求めることができる。また、
媒体の厚さまたはバルク波音速を同時に測定する場合に
は、仮想された厚さデータをもとに媒体のバルク波音速
を求める場合は比較的間隔を大きくした状態で間隔を少
しずつ変えた時に得られたデータを用いてバルク波音速
を算定し、仮想されたバルク波音速データをもとに媒体
の厚さを求める場合には比較的間隔を小さくした状態で
間隔を少しずつ変えたときに得られたデータを用いてマ
イグレーション処理により厚さを算定し、これらの計算
を交互に繰り返し行うことで厚さまたはバルク波音速を
精度良く求めるようにしたため、受信エコーに表面波が
重畳する場合にも、厚さとバルク波音速を同時に高精度
に測定することができ、温度変化のために厚さが変化し
てしまい高精度のバルク波音速観測ができなかった分野
でも、高精度のバルク波音速測定ができ、被検体の、例
えば特殊鋼などの熱処理状態を監視することが可能とな
ったり、厚さもバルク波音速も不明な埋設されているコ
ンクリートブロックの厚さを正確に求めることも可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す図

【図２】第１実施形態に係る演算部などを示す図

【図３】本発明の第２実施形態を示す図

【図４】バルク波音速測定の誤差と振幅を示すグラフ

【図５】厚さとバルク波音速誤差の説明図

【図６】本発明の第３実施形態を示す図

【図７】バルク波音速と厚さの同時推定のアルゴリズム
を示す図

【図８】繰り返し回数と音速誤差の関係を示すグラフ

【図９】繰り返し回数と厚さ誤差の関係を示すグラフ

【図１０】従来例を示す図

【図１１】他の従来例を示す図

【図１２】送信信号と反射信号の説明図

【図１３】送信信号と反射信号の重畳を示す図

【図１４】反射信号を示す図

【図１５】２探触子法の説明図

【図１６】表面波と底面エコーを示す図

【図１７】媒体が厚い場合の例を示す図

【図１８】媒体が厚い場合の受信信号の例を示す図

【符号の説明】

１１，３１，５１：媒体１２，３４，５２：底面１３，３２，５３：上面１４，３３，５４：超音波１５，３５，５５：底面エコー１６，４２：表面波１７，３６，５６：送受切換器１８，３７，５７：ＭＰＵ１８Ａ：第２取得処理手段１８Ｂ：第３演算手段１８Ｃ：第４演算手段１９，３８，５８：送受信器２０，３９，５９：Ａ／Ｄ変換器２１，４０，６０：プリンタ２２，４１，６１：表示器２３，４３，６２：波形記憶装置３７Ａ：第１取得処理手段３７Ｂ：第１演算手段３７Ｃ：第２演算手段５７Ａ：第５演算手段５７Ｂ：第６演算手段５７Ｃ：第７演算手段

フロントページの続き (72)発明者柏瀬裕東京都大田区南蒲田２丁目16番46号株式会社トキメック内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の超音波送受波器を用いて、ある一定
の厚さを有する媒体のバルク波音速を反射法によって測
定する測定方法において、前記超音波送受波器の間隔を少しずつ変えて測定して反
射エコーデータを取得し、バルク波音速をパラメータとして変化させながら、得ら
れた反射エコーデータに反射エコーのピーク位置が同相
になるようにマイグレーション処理を施し、その結果反射エコーのピーク値が最大となるときのバル
ク波音速の値を媒体のバルク波音速として採用すること
を特徴とする測定方法。
【請求項２】複数の超音波送受波器を用いて、ある一定
の厚さを有する媒体のバルク波音速を反射法によって測
定する測定装置において、前記超音波送受波器の間隔を少しずつ変えて測定して反
射エコーデータを取得処理する第１取得処理手段と、バルク波音速パラメータとして変化させながら、得られ
た反射エコーデータに反射エコーのピーク位置が同相に
なるようにマイグレーション処理を施す第１演算手段
と、マイグレーション処理の結果反射エコーのピーク値が最
大となるときのバルク波音速の値を媒体のバルク波音速
として採用する第２演算手段を備えたことを特徴とする
測定装置。
【請求項３】複数の超音波送受波器を用いて、ある一定
のバルク波音速を有する媒体の厚さを反射法によって測
定する測定方法において、前記超音波送受波器の間隔を表面波のピーク位置が深さ
領域である距離λ_zだけ変化する距離λ_s1の範囲に亘っ
て少しずつ変えて反射エコーデータを取得し、取得した反射エコーデータに反射エコーのピーク位置が
同相になるようにマイグレーション処理を施し、その結果反射エコーのピーク値が最大となるときの値を
厚さとして求めることを特徴とする測定方法。
【請求項４】複数の超音波送受波器を用いて、ある一定
のバルク波音速を有する媒体の厚さを反射法によって測
定する測定装置において、前記超音波送受波器の間隔を表面波のピーク位置が深さ
領域である距離λ_zだけ変化する距離λ_s1の範囲に亘っ
て少しずつ変えて反射エコーデータを取得処理する第２
取得処理手段と、取得処理した反射エコーデータに反射エコーのピーク位
置が同相になるようにマイグレーション処理を施す第３
演算手段と、マイグレーション処理の結果反射エコーのピーク値が最
大となるときの値を厚さとして求める第４演算手段を備
えたことを特徴とする測定装置。
【請求項５】複数の超音波送受波器を用いて媒体の厚さ
またはバルク波音速を反射法によって測定する測定方法
であって、前記超音波送受波器の間隔を少しずつ変えて
測定してデータを取得し、得られたデータに反射エコー
のピーク位置が同相になるようにマイグレーション処理
を施して、厚さまたはバルク波音速を求める測定方法に
おいて、仮想された厚さデータをもとに媒体のバルク波音速を求
める場合は比較的間隔を大きくした状態で間隔を少しず
つ変えたときに得られたデータを用いてバルク波音速を
演算し、仮想されたバルク波音速データをもとに媒体の厚さを求
める場合には比較的間隔を小さくした状態で間隔を少し
ずつ変えたときに得られたデータを用いて厚さを演算
し、これらの計算を交互に繰り返し行うことで厚さまたはバ
ルク波音速を求めることを特徴とする測定方法。
【請求項６】複数の超音波送受波器を用いて媒体の厚さ
またはバルク波音速を反射法によって測定する測定装置
であって、前記超音波送受波器の間隔を少しずつ変えて
測定してデータを取得し、得られたデータに反射エコー
のピーク位置が同相になるようにマイグレーション処理
を施して、厚さまたはバルク波音速を求める測定装置に
おいて、仮想された厚さデータをもとに媒体のバルク波音速を求
める場合は比較的間隔を大きくした状態で間隔を少しず
つ変えたときに得られたデータを用いてバルク波音速を
演算する第５演算手段と、仮想されたバルク波音速データをもとに媒体の厚さを求
める場合には比較的間隔を小さくした状態で間隔を少し
ずつ変えたときに得られたデータを用いて厚さを演算す
る第６演算手段と、第５演算手段による演算と第６演算手段による演算を交
互に繰り返し行うことで厚さまたはバルク波音速を求め
る第７演算手段を備えたことを特徴とする測定装置。