JPS6255626B2 - - Google Patents

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JPS6255626B2
JPS6255626B2 JP55033826A JP3382680A JPS6255626B2 JP S6255626 B2 JPS6255626 B2 JP S6255626B2 JP 55033826 A JP55033826 A JP 55033826A JP 3382680 A JP3382680 A JP 3382680A JP S6255626 B2 JPS6255626 B2 JP S6255626B2
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JP
Japan
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array
sound
interest
waves
sound waves
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JP55033826A
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English (en)
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JPS55129750A (en
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Paashii Hirudoburando Bii
Aaru Dokutaa Esu
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EREKUTORITSUKU PAWAA RISAACHI INST Inc
Original Assignee
EREKUTORITSUKU PAWAA RISAACHI INST Inc
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Publication date
Application filed by EREKUTORITSUKU PAWAA RISAACHI INST Inc filed Critical EREKUTORITSUKU PAWAA RISAACHI INST Inc
Publication of JPS55129750A publication Critical patent/JPS55129750A/ja
Publication of JPS6255626B2 publication Critical patent/JPS6255626B2/ja
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    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/221—Arrangements for directing or focusing the acoustical waves
    • G—PHYSICS
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    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8977—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using special techniques for image reconstruction, e.g. FFT, geometrical transformations, spatial deconvolution, time deconvolution
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
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    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0421—Longitudinal waves
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  • Acoustics & Sound (AREA)
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  • Pathology (AREA)
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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に超音波造影に係り、特に、この
様な造影に関連したトランスジユーサ配列体及び
信号処理回路に係る。
パルス−エコー音波造影では、コリメートされ
た音波ビームを使用した時には充分な解像度を得
るという点で問題がある。像を形成するに充分な
コリメーシヨンを得るためには約１インチ（2.5
cm）直径の音波ビームが必要とされるが、この直
径では実際上のほとんどの造影の使用目的にとつ
てあまりに大き過ぎる。通常はそれより小さい直
径のビームが用いられ、従つてそれに対応して解
像度が低下するが、それは妥協されて受け容れら
れている。一方、パルス−エコー造影に集束音波
ビームが使用された場合には、焦点領域内に位置
した欠陥しか造影できない。更に、集束音波は電
子的に形成及び走査することが非常に困難であ
る。
対象とする物体を超音波で造影する別の技術に
は音波ホログラフイーがある。現在行なわれてい
る音波ホログラフイーでは単１の集束トランスジ
ユーサが用いられており、このトランスジユーサ
は音波が対象物体の面に集束される様に対象物体
に関して配置される。このトランスジユーサは音
波源及び受信器の両方として作動する。トランス
ジユーサを１つの位置から別の位置へと移動しそ
して物体を走査するために機械的なブリツジが使
用される。トランスジユーサによつて受信された
エコー信号は電気信号へと変換され、そして基準
信号と混合される。それにより生じた信号はその
後光源へ印加され、この光源は物体に対するトラ
ンスジユーサの位置に相当する写真フイルムの１
部を露光する。コンピユータで像構成を行なうと
いう考え方も用いられる。作動中、機械ブリツジ
は物体を横切つてトランスジユーサを移動し、物
体を点ごとに走査しそして写真フイルムを完全に
露光する。その後フイルムが現像され、そしてフ
イルムにコヒレント光線を照射することによつて
像が形成される。
現在のところ、上記した様な音波ホログラフイ
ー造影は非常に多くの時間を要し、従つて、ほと
んど商業的に実現できない。トランスジユーサが
128×128の測定を行なう場合には、走査ブリツジ
はトランスジユーサを16000回以上も物理的に移
動させねばならず、そして典型的なシステムにお
いてはこの多量のデータを記録するのに20分以上
を要する。多数のトランスジユーサより成る電気
走査式配列体を用いて走査速度を上げる場合に
は、対象物体の奥深くまで貫通させるに充分な出
力を小さなトランスジユーサで発生させることが
困難である。これは、大きな鋼の鍛造物を造影す
る場合に特に問題である。なぜならば、これらの
鍛造物は厚みが10乃至12インチ（25cm乃至30cm）
もあるからである。
超音波造影の別の方法は戻り波による像構成で
ある。対象物体から音波が散乱され、そして散乱
された波頭の位相及び振巾が検出されそしてデイ
ジタル化される。次いで角度スペクトル回折理論
を用いることによつて像がデジタルで計算され
る。このプロセスは、1970年ニユーヨークの
Plenum Press出版の（Acoustical
Holography）（Metherell and Larmore、eds.）
第２巻の第211−223頁に掲載されたBoyer氏等に
よる“Computer Reconstruction of images
From Ultrasonic Holograms”と題する論文に
述べられている。又、この方法は1970年５月19日
付の（IBM Publication No.320 2402）のDavid
Van Rooy著の“Digital Ultrasonic Wavefront
Reconstruction in the Near Field”と題する論
文にも述べられている。
ホログラフイー造影のための更に別のシステム
は円筒状の音波発生トランスジユーサと、その長
手軸に垂直に配置されたリニア受信配列体とを用
いている。音波発生トランスジユーサ及び受信配
列体は、この受信配列体が平らな検出領域をスイ
ープする様に上記トランスジユーサに平行な軸に
沿つて並進移動される。このシステムは、1971年
ニユーヨークのPlenum Press出版の
（Acoustical Holography）、（Metherell、ed.）第
３巻第225−245頁に掲載されたWade氏等の“Ａ
Holographic System for use in the Ocean”
という論文、並びにニユーヨークのPlenum
Press出版（Acoustical Holography）、（Green、
ed.）第５巻第159−174頁に掲載されたWollman
及びWade著の“Experimental Results from an
Underwater Acoustical Holographic System”
と題する論文に述べられている。
上記した配列体は音波ホログラフイー造影を行
なうに充分な出力を発生するという問題は解消す
るが、上記配列体では視野が限定される。対象物
体の寸法が受信配列体の長さの1/2より大きい時
にはシステムは対象物体が見えない。この状態で
は、音波が配列体の端を越えたところで対象物体
によつて反射され、音波は配列体によつて受信さ
れない。又、この配列体は、対象物体の位置と共
に変化する縦横比を補償するという点で問題があ
る。この配列体は点物体に対しては楕円形のパタ
ーンを与え、そして縦横比は となる。但し、 ａは短軸の長さであり、 ｂは長軸の長さであり、 Ｄは対象物体への深さであり、そしてx0はアパ
ーチヤの中心に対する物体の位置である。
本発明の１つの目的は、被検体を高速度で走査
することである。この目的は、線状の音波源と平
行に配置された受信トランスジユーサのリニア配
列体を電子的に走査することによつて達成され
る。線状の音波源、及び受信トランスジユーサ配
列体はこの配列体に垂直な線に沿つてステツプご
とに機械的に並進移動され、かくて領域をスイー
プする。線状の音波源は１秒当たりに何回もパル
ス付勢され、各受信器は１つの固定位置で順次に
電子的にサンプリングされる。全ての受信器がサ
ンプリングされると、線状の音波源及び受信配列
体は新たな位置へ進まされ、そして全検出領域が
走査されるまで上記手順が繰り返される。
本発明の更に別の目的は、高速度で被検体の像
を得ることである。この目的は、戻り波による像
構成技術を用いて標本のデジタル像を得ることに
よつて達成される。受信トランスジユーサによつ
て検出された信号はコンピユータのメモリに記憶
される。コンピユータは、波動方程式を用いて、
受信配列体が検出した音波パターンを現出し、そ
して被検体の形状を表わすデジタル像を作り出
す。音波は、この被検体形状によつて散乱され、
受信配列体によつて検出される。この計算プロセ
スは非常に短時間で行なわれる。というのは、高
速度でデータを収集しそして計算するシステムが
容易に入手できるからである。
本発明の更に別の目的は、比較的簡単な電子回
路及び安価な部品を用いて被検体を超音波造影す
ることである。本発明の特徴は、市販の装置を用
いて本発明の好ましい実施例を構成でき且つ容易
に入手できるソフトウエアで作動できるというこ
とである。
本発明の更に別の目的は、12インチ（30cm）の
深さまでの鋼の欠陥を造影できるに充分な音響エ
ネルギを伝搬することである。この目的は、音波
を焦点線へ伝送する大きな長方形の送信トランス
ジユーサを用いることによつて達成される。
本発明の更に別の目的は、音波造影システムの
視野を広げることである。この目的は、受信トラ
ンスジユーサの細長い配列体に平行に配置された
線状の音波源を用いることによつて達成される。
被検体が受信配列体の長さより小さい限り、音波
エネルギが被検体の全巾に亘つて受信配列体へと
反射されて戻される。従つて本発明は前記した公
知のシステムの少なくとも２倍の視野を与える。
本発明の更に別の目的は、被検体の位置の関数
である縦横比を修正する必要性をなくした装置を
開発することである。本発明の効果は、楕円が丸
く見える様にデータマトリクスの大きさをゆがめ
るだけで縦横比を修正できるということである。
例えば、点物体の場合には、２の平方根で大きさ
をゆがめることによつて縦横比を修正することが
できる。
以上に述べた目的及び効果、並びに本明細書に
述べるその他の特徴は、被検体即ち対象物体を超
音波で造影する装置であつて、コヒレントな音波
を焦点線に伝送する細長いコヒレント音波源を備
えた装置によつて達成される。この装置は、上記
細長い源に平行に且つ実質的に上記焦点線に配置
された実質的なポイント（小）受信器の細長いリ
ニア配列体を更に備えている。上記細長い源及び
受信配列体は、被検体を横切つて領域をスイープ
して音波で被検体を造影する様に被検体に対して
並進移動される。
本発明の更に別の目的及び特徴は、添付図面を
参照とした好ましい実施例の以下の詳細な説明よ
り明らかとなろう。
第１図は本発明による送信トランスジユーサ及
び受信配列体を示している。第１図に示された装
置は鋼プレート６にある欠陥５を造影するのに用
いられる。この装置は細長い長方形の圧電送信ト
ランスジユーサ８を備えている。この送信トラン
スジユーサは送信される音波を焦点線９へと集束
するため円筒状の送信面を有している。このトラ
ンスジユーサは市販のものであり、その好ましい
実施例では、長さ６インチ（15cm）巾１インチ
（2.5cm）のトランスジユーサ素子を形成する様に
2″×1″（５cm×2.5cm）の長方形のPZT片３個を
作ることができる。このトランスジユーサは既知
の構造のパルサ１０で付勢され、そして1MHz以
上の周波数で作動する。このトランスジユーサは
焦点線９が、造影されるべき物質６の表面と一致
する様に配置される。
第１図のトランスジユーサ８によつて送信され
た音波は、水が充填された中空のくさび体（図示
せず）によつてプレート６の中へと結合される。
このくさび体の下縁は薄い音波透過膜を有してい
る。更に、音波を対象物体の中へと結合するため
に上記膜とプレート６との間には薄い水の膜が維
持される。中空のくさび体及び水の膜は図示明瞭
化のため及びこれらが一般的な構造のものである
ため第１図には示してない。
第１図の送信トランスジユーサ８は焦点線９の
まわりで円筒路に回転できる様に装着される。第
３図には、軸９のまわりでの送信トランスジユー
サのこの運動が角度θ１で示されている。第２図
において、この円筒回転を行なわせることのでき
る装置はＸ軸回転装置１３である。この回転装置
は一般的な構造の機械手段であり、送信トランス
ジユーサから伝搬する発散音波をプレート６の内
部へ向けることができる様にする。このＸ軸回転
装置は欠陥５によつて反射される波を最大にする
ことができ且つ又音波造影のために横波のみを使
用できる様にする。プレートに横波のみを伝搬す
ることができる理由は、鋼プレートに縦方向音波
を伝搬する臨界角を越えた位置まで送信トランス
ジユーサ８をＸ軸のまわりで傾斜できるからであ
る。この位置では、モード変換された横波のみを
プレートに伝搬できる。
第１図の送信トランスジユーサ８は線状の音波
源であることを特徴とするということも理解され
たい。円筒状の音波レンズに結合された平らな送
信面を持つた細長い長方形の圧電トランスジユー
サを用いることによつて別の適当な線状音波源ト
ランスジユーサを構成することもできる。音波は
このトランスジユーサから、造影さるべき物体の
面に実質的に位置された焦点線へと伝搬される。
更に、以下に述べる受信配列体と全ての寸法が同
じである様な圧電素子を含むリニアな線状音波源
を用いることもできる。受信配列体はセグメント
化されてもよいし、されなくてもよく、そしてそ
こから作られる音波放射パターンは素子の長さ及
び巾によつて制御され、そして周波数はその厚み
によつて制御される。トランスジユーサ素子の巾
が小さい場合は、音波放射パターンは前記した集
束線状音波源により形成されるものとほゞ同じで
あり、そして対象物体の表面に同様に集束され
る。更に別の適当な線状音波源トランスジユーサ
は、上記した第１図の集束トランスジユーサ８に
等価な長さ及び壁厚を有する円筒状圧電トランス
ジユーサである。理想的な線状音波源の音波フイ
ールドパターンを作るためにはこの円筒状トラン
スジユーサの曲率半径をできるだけ小さくすべき
である。
第１図の送信トランスジユーサ８は、これをプ
レート６に対して並進移動でき且つ焦点線９をプ
レート表面上に連続的に位置設定できる様に装着
される。第２図には、この並進移動装置がＺ軸位
置設定装置１１として示されている。又、送信ト
ランスジユーサは第２図のＹ軸並進移動装置１７
にも接続され、この並進移動装置１７はプレート
の表面を横切つて送信トランスジユーサ及び受信
配列体を同時に移動させ、プレートに亘る領域を
焦点線でスイープする様にする。Ｚ軸位置設定装
置及びＸ軸並進移動装置は共に機械手段であり、
Ｘ軸回転装置に類似している。
第３図は第１図の装置の座標系を示す側面図で
あり、この装置による音波の伝搬を示している。
第３図より、送信トランスジユーサ８がＸ軸のま
わりで角度θ１だけ回転された時には、鋼プレー
ト６における音波ビームがそれに対応して、 θ２＝sin-1｛Ｖ２／Ｖ１sinθ１｝ (2) だけ回転されることが分かろう。但し、V1は水
中での音の速度であり、V2は物質中での音の速
度である。
プレート６における音の速度（V2）は２つの値
を有し、その１方は縦波の伝搬に対するものであ
りそしてもう１方は横波に対するものである。角
度に基いて横波が縦波と共に発生されるが、横波
はそれに対応する縦波の速度のほゞ半分の速度で
進む。
前記で述べた様に、第１図の送信トランスジユ
ーサ８は、プレート６に横波しか伝搬しない様に
するに充分な程Ｘ軸のまわりで回転させることが
できる。プレートに縦波がもはや存在しないとこ
ろの入射角θ１は縦波をｌで表わせば次式で与え
られる。
θ2l＝sin-1｛Ｖ２ｌ／Ｖ１sinθ１｝＝90゜ (3) 又は sinθ１＝Ｖ１／Ｖ２ｌ (4) となる。プレート中での横波の伝搬に対する対応
角度は次式で与えられる。
θ2s＝Sin-1｛Ｖ２ｓ／Ｖ１sinθ１｝ (5) 又は θ１＝sin-1｛Ｖ２ｓ／Ｖ２ｌ｝ これらの波のくさびの広がり角度はトランスジ
ユーサの巾に対するトランスジユーサの焦点距離
の比に基いている。第３図を参照すれば、トラン
スジユーサと焦点線９との間の距離は距離ｄとし
て示され、そしてトランスジユーサの巾は文字ａ
で示されている。この比はＦ数と呼ばれ、Ｆ＝
ｄ／ａである。このように、F1は音波の速度が
V1であるときのＦ数であり、F2は音波の速度が
V2であるときのＦ数である。又、第３図より、
水中での音波に対するくさび角度が次式で与えら
れることも理解できよう。
ψ１＝2tan-1（１／２Ｆ１） (6) 音波が水から鋼プレート６へと通過する時に
は、音波の速度が増加し（V2はV1より大きい）
そしてプレートにおけるくさびの角度もそれに対
応して増加して、 ψ２＝2tan-1（１／２Ｆ２）＝2sin-1｛Ｖ２／Ｖ１sin
（ψ１／ ２）｝ (7) となる。この(7)式を処理して次の結果を得ること
ができる。
F2〓Ｖ１／Ｖ２F1 (8) 或る場合には、プレートの表面に対して直角に
そして直接的に音波を伝搬するが望ましい。この
場合はトランスジユーサがＸ軸のまわりで回転さ
れず、そしてθ１がゼロである。この作動モード
はゼロビームと呼ばれ、そして他のモードの場合
よりも多くの縦波がプレートに伝搬されることに
なる。
以上の説明より、対象物体において伝搬される
音波フイールドは本発明によつて複数のやり方で
操作及び制御できるということを理解されたい。
トランスジユーサの巾ａ、焦点距離ｄ、入射角θ
１及び結合媒体の音波速度は、全て、色々な場合
に適する様に変えることができる。
この融通性の１つの効果は、横波のみを用いて
色々な対象物体を造影できるということである。
対象物体内で縦波がもはや伝搬されない様に送信
トランスジユーサをＸ軸のまわりで臨界角を越え
て回転することができる。この造影モードの１つ
の特徴は、対象物体の後面からの誤つた反射が全
て排除されるということである。なぜならば、送
信トランスジユーサの真下にある対象物体の後面
にはエネルギが当たらないからである。その他の
モードにおいては、物体後面からのこれらの反射
が、欠陥からの反射波と混合して誤つた像を生じ
させることがしばしばある。
さて第１図を参照すれば、本発明の装置は実質
的なポイント（小）受信トランスジユーサのリニ
ア配列体１５も備えている。これらの受信トラン
スジユーサはできるだけ焦点線９に接近して配置
され、そして送信トランスジユーサ８及び焦点線
９の長手軸と平行である。換言すれば、受信配列
体は最大感度の軸を有していて、この軸は焦点線
９と実質的に一致するように配置されている。こ
れらの軸は第４図に示されているが、図示明瞭化
のため若干ずらされている。受信配列体はPZTの
様な一般の圧電物質で作られる。各受信素子が広
い入射角に亘る音波エネルギを受け入れる様にす
るためには受信素子をできるだけ小さく作ること
が望ましい。好ましい実施例の受信素子はその
各々の巾及び長さが対象物体に伝搬する音波の波
長の1/2より小さければ満足に作動すると考えら
れる。
送信トランスジユーサ８、及び受信素子の配列
体１５は、対象物体の表面を横切つて同時に並進
移動する様に一緒に装着される。この並進移動は
前記した第２図のＹ軸並進移動装置１７によつて
行なわれ、そして好ましい実施例ではＹ軸に対し
て平行な方向である。Ｙ軸並進移動装置は、対象
物体を横切つて送信トランスジユーサ及び受信配
列体を移動させ、焦点線９及び受信配列体の最大
感度の軸は対象物体の表面に亘る領域をスイープ
し、そしてこのスイープされる領域に一致する検
出平面が形成される。
第２図を参照すれば、各受信素子はそれに入射
する音波を検出し、そしてこれら音波を電気信号
に変換し、これら電気信号は前置増巾器１９によ
つて増巾される。各々の受信素子１５は個々の前
置増巾器へ接続される。増巾された信号は受信ト
ランスジユーサセレクタ２０へ送られ、このセレ
クタ２０は半導体スイツチであり、受信素子から
の出力信号を選択的にサンプリングする。受信素
子間の切換えはデジタルコンピユータ２６によつ
て制御され、このコンピユータは所定のトランス
ジユーサ素子を選択する様にセレクタに指令を出
す。増巾されそしてセレクタで選択されたトラン
スジユーサ出力信号は振巾及び位相検出器２２へ
送られる。この検出器はパルサ１０からのタイミ
ングパルスも受け取り、従つて伝搬された音波と
検出された音波との間の位相ずれを測定すること
ができる。この振巾及び位相検出器は既知の構造
のものであり、その出力は受信配列体により検出
平面で受信した複素数エコー信号の実及び虚（乃
至は振巾及び位相）成分を表わしている。検出器
からのこのデータはアナログ−デジタルコンバー
タ（Ａ／Ｄ）２４によつてデジタル化され、そし
てコンピユータ２６のメモリに記憶される。
第２図のコンピユータ２６はマサチユーセツツ
州メイナードのデジタルイクイツプメントコーポ
レーシヨンで製造されたPDP11/34コンピユータ
である。好ましい実施例では、このコンピユータ
は48キロバイトの記憶容量を有しそして次の様な
プログラムで作動する。
デジタルイクイツプメントコーポレーシヨンの
RSX11Mオペレーシヨンシステム、及び バツテルのフオートラン−コーデツドウルトラ
ソニツクイメージングソフトウエアパツケージ。
対象とする物体、第１図では鋼プレート６、を
走査するために、送信トランスジユーサ８及び受
信配列体１５は第１図に示した様に配置される。
送信トランスジユーサは、その焦点線９がプレー
ト６の表面と一致する様に配置され、そして受信
配列体の最大感度の軸は焦点線に平行で且つでき
るだけそれに接近する様に配置される。この配置
が第４図に示されている。作動中、送信トランス
ジユーサはパルサ１０によつて１秒当たり何回も
パルス付勢され、各パルスは1MHz以上の周波数
を有している。パルサ１０は各パルスに相当する
タイミング信号を振巾及び位相検出器２２（位相
ずれ測定用として用いられた）へ送出する。
送信トランスジユーサがパルス付勢される間、
コンピユータ２６は受信配列体１５に沿つて各受
信素子を順次にサンプリングする様に受信トラン
スジユーサセレクタ２０に指令し、かくて受信配
列体が走査される。各素子によつて受信された複
素数エコー信号は増巾されそして振巾及び位相検
出器２２へ送られる。この振巾及び位相検出器２
２は検出された信号の振巾を測定し、且つ送信信
号と検出信号との間の位相ずれを測定する。この
検出器からの出力はデジタル化され、そしてその
信号を検出したトランスジユーサ素子の位置に対
応するコンピユータメモリの位置に記憶される。
第１図の受信素子１５が全部サンプリングされ
た後に、送信トランスジユーサ８及び受信配列体
１５はＹ軸並進移動装置１７によつて対象物体上
の新たな位置へ進められる。上記した走査手順が
繰り返され、そして送信トランスジユーサ及び受
信配列体が再び進められる。走査領域が完全に走
査され、そしてコンピユータメモリが、欠陥５か
ら散乱されて検出平面で受信素子により検出され
た音波を表わす複素数の配列を含むまで、この全
手順が何回も繰り返される。
欠陥５から散乱された音波を表わす複素数の配
列でコンピユータメモリがいつぱいになると、コ
ンピユータ２６を用いて欠陥の形が予測されそし
てそのデジタル像が作り出される。欠陥により散
乱された音波は検出平面上に独特に分布するの
で、コンピユータでこの計算を行なうことができ
る。この独特な分布はプレート６での音波の伝搬
が常に次の波動方程式に従うために生じる。
（▽２＋K2）ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）＝Ｏ (8) 但し、▽は発散演算子であり、Ｋは波数であ
り、そしてｆ（ｘ、ｙ、ｚ）は平面上での波の測
定値である。
第２図のコンピユータ２６は検出平面で測定さ
れた音波パターンを得、そして上記波動方程式で
予測された空間におけるそのパターンを射影し、
欠陥５のデジタル像を作る。この像平面、すなわ
ち第２の平面は、角度スペクトル回折理論に基い
て計算される。この理論によれば、検出平面Ｚ＝
Ｏに入射する平面波の角度スペクトルと、伝搬距
離による位相変化を考慮する指数係数とを乗算す
ることにより、平面Ｚにおける平面波の角度スペ
クトルが見い出される。実際上、波頭は数学的に
は空間中を後方へと伝搬され、それにより、初め
に波を散乱した欠陥の程度が決定される。
各々の信号測定に対して４つの情報チヤンネル
を有する第２図のコンピユータによつて計算が開
始される。これらのチヤンネルは検出信号の位相
及び振巾と、その信号を検出した受信素子の検出
平面上のｘ及びｙ位置とである。受信素子のｘ及
びｙ位置はＹ軸並進移動装置１７と、トランスジ
ユーサスキヤナ２０へ送られたトランスジユーサ
素子番号とによつて得られる。このデータは検出
平面Ｚ＝Ｏにおけるフイールドｆ（ｘ、ｙ、ｚ）
の複素数値を表わしている。即ち、ｆ（ｘ、ｙ）
が測定される。
このデータからコンピユータは次いでｆ（ｘ、
ｙ、Ｏ）の２次元フーリエ変換を行ない平面Ｆ
（ｕ、ｖ、Ｏ）のスペクトルを得る。
検出平面におけるフイールドのフーリエ変換を
行なつた後、コンピユータは平面波のスペクトル
と以下に示す後方伝搬係数との乗算を行なう。
exp〔−jkz√１−２−２〕 (9) 但し、α＝２πｕ／ｋ及びβ＝２πｖ／ｋである。
この項は前記(8)式である波動方程式を合体す
る。この項は所定の像平面Ｚ＝Ｚにおいて平面波
の角度スペクトルを計算できる様にする。
プレート６において第１図の欠陥５の位置を決
めるため、次第に大きくなるＺの値に対して計算
が何回も繰り返され、やがて表示装置２８に明か
るいスポツトが現われる。これが欠陥である。次
いで、このスポツトを出現させたこのＺの値の前
後の異なつたＺの値を用いて最適な像平面が見い
出される。最適な像平面は、典型的には、欠陥の
縁が最も鮮鋭に現われる平面である。
最適な像平面が見つかると。逆フーリエ変換 Ｆ（α／入、β／入、Ｚ） (10) が行なわれる。このプロセスにより、ｆ（ｘ、
ｙ、ｚ）の複素数振巾を持つた像のデジタル表示
が得られる。
像平面Ｚ＝Ｚが欠陥の平面と一致する時は、欠
陥に焦点の合つた像が得られる。
次いで第２図のコンピユータ２６は大きさ ｜ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）｜２ (11) 及び／又は位相 θ（ｘ、ｙ、ｚ） (12) をプロツトする。
この計算プロセスが終わると、像の輝度又は位
相が造影ラスタ走査テレビジヨンスクリーン２
８、例えばDe Anza Corporationより市販され
ているｌ−1000、に表示される。
実際に構成された本発明の１実施例では、128
個の受信素子より成るリニア配列体が使用され
た。送信トランスジユーサは１インチ（2.5cm）×
６インチ（15cm）の大きさを有するものであつ
た。鋼の約12.5cmのところに欠陥がある場合に
は、128個の受信素子を約100マイクロ秒で走査で
きることが計算された。Ｙ軸に沿つて128列のデ
ータを取り出す場合には、全データ収集時間は
12.8ミリ秒程度に短いものでなければならない。
この場合の検出平面は128×128のデータセツトで
あり、これはコンピユータメモリに記憶される。
De Anzaのラスタ走査テレビジヨンスクリーン
は個々の画像素を、色々な輝度で、256×256のグ
リツドに表示できる。256キロバイトのメモリを
有しそして900ナノ秒／ワードの速度で作動する
PDP11／70コンピユータでは、128×128のデータ
セツトに対する像構成時間が約30秒であり、そし
て１分以内に欠陥のデジタル像が得られた。
本発明を実施する様に意図された最良の態様に
ついて以上に説明したが、本発明の要旨であると
考えられるものから逸脱せずに変更及び修正がな
され得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図はコヒレントな音波の細長い源と、細長
い受信配列体とを示した概略斜視図であり、上記
コヒレントな音波は対象物体の表面に位置した線
に対して集束されそして上記受信配列体は上記細
長い源に平行に且つ実質的に焦点線に配置される
ところを示した図、第２図は第１図の装置に関連
して使用される装置及び信号処理回路のブロツク
図、第３図及び第４図は第１図の装置によつて発
生された音波の経路を座標系に対して示した図で
ある。 ５……欠陥、６……鋼プレート、８……送信ト
ランスジユーサ、９……焦点線、１０……パル
サ、１１……Ｚ軸位置設定装置、１３……Ｘ軸回
転装置、１５……受信トランスジユーサのリニア
配列体、１７……Ｙ軸並進移動装置、１９……前
置増巾器、２０……受信トランスジユーサセレク
タ、２２……振巾及び位相検出器、２４……アナ
ログ−デジタルコンバータ、２６……デジタルコ
ンピユータ、２８……表示装置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 対象とする物体を超音波で造影する装置にお
    いて、 (a) コヒレントな音波を焦点線へ送信するための
    細長いコヒレント音波源と、 (b) 前記音波源に接続されていて、焦点線の回り
    に上記音波源を回転して対象とする物体内に横
    波のみを伝搬するための手段と、 (c) 実質的なポイント受信器の細長いリニア配列
    体とを備え、この受信配列体は上記音波源に平
    行に且つ実質的に上記焦点線に配置され、従つ
    て上記音波源から伝搬される音波は対象とする
    物体と相互作用しそして上記受信配列体によつ
    て検出され、 (d) そして更に、上記対象とする物体を横切つて
    領域をスイープしそして上記対象とする物体を
    造影する様に上記音波源及び配列体の両方を上
    記対象とする物体に対して並進移動させるため
    上記音波源及び受信配列体に連結された手段を
    備えたことを特徴とする装置。 ２ 対象とする物体を超音波で造影する装置にお
    いて、 (a) コヒレントな音波を焦点線へ送信するための
    細長いコヒレント音波源と、 (b) 前記音波源に接続されていて、焦点線の回り
    に上記音波源を回転して対象とする物体内に横
    波のみを伝搬するための手段と、 (c) 実質的なポイント受信器の細長いリニア配列
    体とを備え、この受信配列体は上記音波源に平
    行に且つ実質的に上記焦点線に配置され、従つ
    て上記音波源から伝搬される音波は対象とする
    物体によつて散乱されそして上記受信配列体に
    よつて検出され、 (d) そして更に、上記対象とする物体を横切つて
    検出平面をスイープする様に上記音波源及び配
    列体の両方を上記対象とする物体に対して並進
    移動させるため上記音波源及び受信配列体に連
    結された手段と、 (e) 上記受信配列体によつて検出された音波を散
    乱した上記物体のデジタル表示を計算するため
    上記受信配列体に接続された手段とを備え、上
    記音波が上記検出平面から上記対象とする物体
    に進む距離により生ずる音波の位相変化の関数
    である指数関数を平面波の角度スペクトルに乗
    算することによつて、この計算手段は、上記検
    出平面に入射する音波のパターンのデジタル表
    示を第二の平面に射影することを特徴とする装
    置。 ３ 対象とする物体を超音波で造影する方法にお
    いて、 (a) 細長いコヒレント音波源を用いて焦点線へコ
    ヒレントな音波を送信し、 (b) 縦波を伝搬させるための臨界角を越える位置
    に、上記音波源を上記焦点線の回りに回転する
    ことによつて、対象とする物体内に横波のみを
    伝搬し、 (c) 上記焦点合わせされた音波を対象とする物体
    から散乱させ、 (d) 上記散乱された音波を細長い受信配列体で検
    出し、 (e) 上記対象とする物体を横切つて検出平面をス
    イープする様に上記２つの配列体を対象物体に
    対して並進移動し、 (f) 上記２つの配列体を並進移動するときに(a)か
    ら(e)までの段階を繰り返し、 (g) 上記受信配列体により検出された音波を散乱
    した上記物体のデジタル表示を計算することを
    特徴とする方法。
JP3382680A 1979-03-16 1980-03-17 Method and device for ultrasonic imaging system using linear soud source and linear receiver array Granted JPS55129750A (en)

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