JPS5910501B2 - 音響パルスを発生する方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特に超音波領域において、音響パルスを発生
する方法ならびに装置に関する。

本発明は更に、このようなパルスを例えば、分光器（Ｓ
ｐｅｋｔｒｏｍｅｔｒｉｅ）のように非破壊材質検査、
ならびに、医学上の超音波診断および音波ならび：に超
音波パルス技術の領域に応用することに関する。この応
用領域は種々の種類の音響転換器が電圧パルスによつて
駆動されるような全ての方法ならびに装置の範囲におよ
ぶ。音響パルス、特に超音波パルスは、特にパルス反射
技術における検査目的ならびに診療目的に利用される。

この場合超音波パルスは、圧電転換器、磁気ひずみ転換
器、あるいは電気転換器のような振動を発生することが
できる装置を短時間に単方向の電圧衝撃、例えば、急激
なパルスによつて励起することにより発生される。この
転換器を用いて音波を発生させたり、あるいは、減衰さ
せることによつて音響パルスが発生し、この音響パルス
＆ζフーリエ変換に従つて種々の周波数を持つサイ７波
形の単一の振動波の重ね合わせとして分析される。この
ようにして発生したパルスの周波数スペクトルであつて
、測定すべき周波数スペクトルならびに沖淀によつて検
出される周波数スペクトルは音波をうまく発生させた場
合に転換器の固有周波数、あるいは、その近くにおいて
最大値を有するが、更に他の領域においても多かれ少な
かれ、顕著な最大値乃至は最少値が発生する。このよう
な現象は励起する送信パルスが短かければ短いほど顕著
になる。第１図は第２図のように従来の方法でパルス励
起を行なつた場合、減衰超音波検査ヘツド（４ＭＨｚの
振動子の固有周波数）の超音波信号に対する代表的なス
ペクトル分布を示す。材質との相互効果における超音波
パルスの特性は、振動周波数、乃至仄の関係から生ずる
波長λに従つて変化する。

この式において、Ｃは各媒体における音速を示し、ｆは
周波数を示す。音速Ｃは縦波および横波の場合には物質
に固有な定数である。音波０吻質における特性は、更に
結果として生ずる検査値に対して影響を及ぼし、検査結
果の判定に対する基準となる。従つて、音響パルスのバ
ンド幅が大きいと、得られた検査データの分析に対する
基準が充分一義的に定義されないことになるので、超音
波検査および診断に対してはしばしば欠点となる。例え
ば、音場の形状、すなわち、近領域における場の大きさ
（Ｎａｈｆｅｌｄｌｉ）ならびに遠領域における発散角
は波長、波つて、周波数に関係する。同様に、不均質な
部分における反射の強さおよび種々の物質における界面
における反射の強さと波長との間には、ある関係が発生
する。更に、音波の減衰ならびに音波の発散は波長に従
つて異なる。超音波検査ならびに超音波診断における重
要なパラメータは、これらの値に従つて変化する。例え
ば、ＡＶＧ一図において、理想化された補償欠損部（Ｆ
ｅｈｌｅｒ）（音波入射に垂直な円形状の反射器）と、
超音波検査装置のスクリーン上に所定の表示を行なうの
に必要な増幅装置と、検査ヘツドならびに反射器の間の
距離との関係は波長に関係する近領域の場の大″きさに
関連する。従つて、広帯域の転換器の特性餐ＡＶＧ一図
を用いて説明するのにはかなりの廁限が必要である。同
様な制限が焦点合わせ用検査ヘツドにもあてはまる。焦
点距離は波長に関係するので、広帯域の検査ヘッドの場
合にははつきりと定義することができない。狭帯域乃至
は短波長で振動する検査ヘツドの場合にのみ焦点距離を
定義することができる。焦点距離は振動周波数を変化す
ることによつて所望の値に変化することができる。導波
（ＲＯｈｒｗｅｌｌｅｎ）（平面波、管波等）の存在は
サンプルの幾何学的な条件の他に音波周波数に拘束され
るので、そのような波を発生する場合にも広帯域の音波
は不適当である。

材質検査において、反射器、例えば、溶接継目における
欠損部での検出すべき信号が周囲の接合部における分散
反射によつて覆われたり、あるいは、不明瞭になつたり
する場合がある。

接合部における反射は、波長の粒状度に対する比が小さ
くなればなるほど強くなり、従つて、送信されるパルス
の高周波音波部分が多ければ多いほど強くなる。このこ
とから、広範囲な周波数帯にわたつて高周波の領域と関
係をもたせず、従つて、欠損部における反射と接合部に
おける反射の関係を改良するためには、発信器の定格周
波数を減少させなければならなくなる。しかし、定格周
波数が減少するにつれて小さな反射の検出可能性もまた
減少する。従つて、欠損部における反射と接合部におけ
る反射の関係を改良するために、定格周波数の代わりに
バンド幅を減少することができれば好ましくなる。単一
波長の振動は理論的には転喚器を期間が無限大の交流電
圧列を用いて励起することによつて得ることができる。
しかし、パルス反射法で作動させる場合、そのような励
起電圧列は送信時間の間反射パルスの受信が不可能にな
るので、必然的に短くしなければならない。しかし、電
圧列をオン、オフさせると、この振動に変換装置の慣性
力および弾性力から説明することができる立上り過渡振
動および立下り減衰振動が重なる。この立上り過渡振動
ならびに立下り減衰振動は、単一波長の交流電圧列が短
かく選ばれれば選ばれるほど発生したパルスの周波数ス
ペクトルに強力に影響する。従つて、本発明の課題は、
転換器を励起するに必要なパルスを形成し、それによつ
て立上り過渡振動および立下り減衰振動を所定の期間に
なるようにし、その結果、あらかじめ計算された所定の
スペクトル分布を有する超音波パルスおよび他の音響パ
ルス、とりわけ狭帯域の周波数帯を有するパルスであつ
て実質的な応用面に対してはほぼ単一波長としてみなす
ことができ、また、多くの場合、好ましいものとなる広
帯域の所定の周波数スペクトルを有するパルスも発生す
ることができる方法を提供することである。

更に、本発明の目的は、転換器の励起振動を音響発生パ
ルスのあらかじめ計算可能な周波数分布に対してだけで
なく、このパルスの基本振動周波数および期間に関して
も可変にするようにし、それによつて、この転換器を用
いて周波数が異なる種々のパルスの特性を互いに観察す
る可能性を得、それによつて所定の超音波検査法の特性
を改良する可能性を得ようとするものである。本発明の
方法は転換器の励起パルスが所望の検査周波数（基本振
動）を有する単一波長の交流電圧列を少なくとも、電圧
パルス（変調振動）を用いて振幅変調乃至は掛算するこ
とにより発生され、電圧パルスの周波数、形状、べき指
数および期間を調節し、基本振動および変調振動ならび
に転換器および他の伝達素子の特性から得られる総合結
果によつて音響信号に対して所望の周波数スペクトルを
得るようにしたことを特徴とするものである。

変調には、好ましくは矩形波パルス、三角波形パルス、
サイン波パルス、（１−ＣＯｓωｔ）パルス、あるいは
指数関数パルス（例えば、ガラスパルス）が選ばれ、そ
の波長は変調すべき電圧列よりも大きく選ばれる。

この場合、この種のパルスでべき指数が異なるパルスを
選ぶようにしても良い。本発明の装置は次のことを特徴
とする。

すなわち、音響転換器を励起するための送信回路が少な
くとも１つのパルス波形発振器を有し、その振動がパル
ス列発振器によつてパルスに分解され、少なくとも振幅
変調器あるいは掛算器に印加され、そこでパルスが検査
周波数発振器から得られた基フ本振動に重ね合わせられ
るものである。

パルス波形発振器と振幅変調器あるいは掛算器との間に
好ましくはパルス波形形成器が接続され、それにより、
変調パルスには、好ましくは調整可能なべき指数が設け
られる。

本発明の送信回路の他の特徴は、パルス波形発振器に対
して位相および周波数が等しいパルス期間用発振器で、
好ましくは調節可能なパルス期間が正確に同期している
かどうかを監視するためのパルス期間用発振器が設けら
れ、その発振器はパルス列発振器を介して増幅用送信最
終段の前に接続されたインピダンス飛躍用のゲート回路
を制御することである。

基本振動の周波数（検査周波数）は好ましくは周波数ス
ペクトルの幅に無関係に、好ましくは無段階的に調節す
ることができ、変調振動の周波数、形状およびべき指数
に対して調節することが可能であるので、周波数スベク
トルもまた同様に好ましくは無段階的に調節することが
できる。

次に、本発明の他の特徴を添附図面を参照して詳細に説
明する。

第６図に図示した送信回路を用いて超音波検査用ヘツド
の励起パルスを発生する場合、調節可能な検査周波数発
振器ＰＯを用いて検査周波数をもつ単一波長の交流電圧
列が発生される。

この交流電圧列は、パルス波形発振器１Ｆ０によつて発
生した電圧パルスで、パルス形成器１Ｆにおいて、可変
なべき指数が設けられた電圧パルスによつて複数の変調
器Ａ１〜Ａｎにおいて変調乃至は掛算され、つづいて、
変換器に印加されてその転換器を励起する。送信された
信号の周波数スペクトルは基本振動および変調乃至は掛
算から得られる周波数の相乗積分を表わす。各パルス波
形の信号は、スペクトル領域において、無限数の周波数
を有する。パルスが有限の場合にはパルスの期間に従つ
て周期的に繰り返される零点が発生する。変調のために
、例えば、矩形振動、三角形振動、鋸歯振動、正弦波振
動あるいは階段状振動のような継続振動を用いると、第
３図〜第５図に示したように周波数スペクトルには所定
の零点と最大値点が発生する。第３図は４ＭＨｚｆ）電
圧列を矩形波変調を用いて励起した場合の代表的なスペ
クトル分布を、また、第４図は４ＭＨｚ電圧列を（１−
ＣＯｓωｔ）Ｑ変調を用いて励起した場合の代表的な電
圧分布を、また、第５図は４ＭＨｚ電圧列を（１−ＣＯ
ｓωｔ）２の変調を用いて励起した場合の電圧分布を示
したものである。高調波振動の最大値は所定の物理的特
性を持つ励起周波数のメインの最大値よりも減少する。
この減少は矩形波パルスの場合にはオクターブ当り６ｄ
Ｂ、三角形パルスの場合には１２ｄＢおよびサインパル
ス（１一ＣＯ８ωｔ）の場合には１８ｄＢになる。Δｆ
の絶対値はパルス期間によつて与えられ、乃至は選ぶこ
とができる。この関数を何回も重ね合わせることによつ
て減少を更に大きくすることができ、それによつて周波
数スペクトルを更に限定することができる。指数関数を
用いた変調の場合にも同様のことが当てはまる。もちろ
ん、この場合零点は発生しない。送信スペクトルが転換
器および受信器の周波数特性よりも狭帯域のものである
と仮定すると、接続された全体の素仔はパルスをほぼ歪
みなく中継することができる。従つて、超音波パルスは
実質的に送信パルスと同様な周波数スペクトルを有する
。所定の広帯域の励起は工程を逆にすることによつて行
なうことができる。変調パルスは第６図の回路を用いて
以下のように作られる。

すなわち、パルス列発振器１Ｓ０がゲート回路Ｔ１をト
リガし、そのゲート回路がそれぞれパルス波形発振器１
Ｆ０のそれぞれの振動を通過させる。この場合その振動
は、例えば、三角形波であり、またはサイ７波形あるい
は（１−ＣＯｓωｔ）の波形を有する。ゲート回路Ｔ１
のそれぞれを通過したパルスは後続のパルス波形形成器
においてべき指数が与えられる。べき指数はパルス波形
形成器を調整することによつて変化させることができる
（べき指数１、２、４、ｎ）。パルス波形形成器１Ｆを
出たパルスは複数の振幅変調器Ａ１・・・・・・Ａｎに
印加され、そこでパルスは検糞発振器で発生され、同様
に変調器Ａ１・・・・・・Ａｎに印加された基本振動と
重ね合わせられる。更に、ゲート回路Ｔ２が設けられ、
パルス波形発振器ＩＦＯと位相および周波数が同一で作
動するパルス期間発振器１Ｄ０と共に、パルス期間およ
び転換器励赴？必要なインピダンス変動が正確に守られ
ているかどうかを監視する。最終的なパルスは最終段に
おいて増幅され、送信ヘツドに印加される。上に説明し
た送信器には、次のような調節機能ノが設けられる。

（１）検査周波数発振器における基本振動交流電圧列の
周波数（検査周波数）の調節。

（２）基本振動の振幅、すなわち、検査周波数発信器の
送信出力の調節。

（３）変調振動の周波数、従って、パルス期間発振器の
パルス期間の調節。

（４）パルス波形発振器の変調振動の形状（矩形波、三
角形波、正弦波、（１−ＣＯｓＣｌ）ｔ）波）の調節。

（５）パルス波形形成器１Ｆの変調べき指数の調節。

これらの調節機能によつて励起パルスを変化させること
により、検査パルスの周波数スペクトルの幅を無段階に
調節することができる。同様に基本周波数および検査パ
ルスの全体の期間を調整することが可能であり、その周
波数スペクトルは所定のものとなつて狭帯域なものに、
すなわち、技術的にほぼ単一波長のものに設定すること
ができるのみならず、衝撃波を作るのに必要となるよう
な広帯域のものにもすることができる。本発明の送信回
路を用いて音響分光器（スペクトロメトリ一）について
の説明を行なうことができる。

この場合周波数が異なる狭帯域の送信パルスの反射特性
が互いに比較される。これまでは広帯域のものが送信さ
れて受信パルスが分析された。本発明によれば、直接順
次クロックされて周波数スペクトル分布の異なるパルス
乃至は周波数の異なるパルスを送信することが可能であ
る。これによつて反射器の区別を良好に行なうことがで
きる。更に、狭帯域の送信パルスの周波数を接合部にお
ける反射と欠損部における反射の比、すなわち、ＳＮ比
を最適にするように選ぶことができる。このような応用
の場合には、狭帯域にすることが可能だけでなく、周波
数の選択性も積極的に行なうことができる。本発明によ
る装置および方法においては検査周波数が調節すること
ができるので、特に、導波を発生させたり、また、焦点
合わせ用検査ヘッドに所定の焦点距離および／あるいは
可変の焦点距離を与えることができる。

とりわけ本発明によれば、狭帯域の検査ヘッドが可能に
なり、その特性はＡＶＧ一図を用いて明確に定義するこ
とができ、それにもかかわらず、その検査ヘツドは広帯
域においても作動させることができ、検査周波数および
パルス期間も無段階に調節することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は、本発明に用いられる減衰超音波検査
ヘッドの代表的なスペクトル分布図、第６図は本発明装
置のプロツク回路図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非破壊材料検査又は医療超音波診断用の可変周波数
   超音波パルスを発生する装置であつて、該装置は音響変
   換器としての機能を有する減衰発振器と、該減衰発振器
   を励振し、基本検査周波数発信をする発振器ＰＯおよび
   変調器ＩＳＯ，ＩＦＯ，ＩＤＯ，ＩＦ，Ａ＿１，Ａ＿２
   ，……Ａ＿ｎとを有するパルス発生器とを含み、前記変
   調器はすくなくとも変調パルス発振器ＩＳＯ，ＩＦＯ，
   ＩＤＯ、該変調パルス発振器の下流における変調パルス
   用のパルス整形器ＩＦおよび前記基本発信に前記変調パ
   ルスを重畳することにより該基本発振を変調する重畳手
   段Ａ＿１，Ａ＿２，……Ａ＿ｎを含み、該重畳手段の出
   力は前記減衰発振器に供給されて成ることを特徴とする
   超音波パルス発生装置。 ２ 特許請求の範囲の第１項記載の装置において、前記
   変調パルス発振器は変調されるべき電圧列の波長より大
   きいか又は等しい波長を有する変調発振を発生するパル
   ス整形発振器ＩＦＯと、該パルス整形発振器の下流に位
   置するゲート回路Ｔ１を制御し、制御ごとに前記パルス
   整形発振器の発信を通過させるパルスシーケンス発振器
   ＩＳＯと、前記パルス整形発振器と等しい位相および周
   波数で動作しパルス期間が維持されることを保証するパ
   ルス期間発振器ＩＤＯとを含み、前記パルス期間発振器
   は前記パルスシーケンス発振器を経由して動作しゲート
   回路Ｔ２を制御し、該ゲート回路は増幅器出力の上流に
   位置して成る超音波パルス発生器。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項記載の装置におい
   て、前記パルス整形発振器ＩＦＯ、前記パルスシーケン
   ス発振器ＩＳＯ、前記パルス期間発振器ＩＤＯおよび前
   記パルス整形器ＩＦは前記音響周波数スペクトラムの幅
   が無段階的に調整可能なように調整されてなる超音波パ
   ルス発生装置。 ４ 特許請求の範囲第１項から第３項のいずれかに記載
   の装置において、前記基本検査周波数発振器ＰＯは前記
   変調器と無関係に周波数および振幅のすくなくとも一方
   に関して無段階的に調整可能である超音波パルス発生器
   。