WO2017212611A1

WO2017212611A1 - 超音波測定装置

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Publication number: WO2017212611A1
Application number: PCT/JP2016/067237
Authority: WO
Inventors: 六蔵原; 友則木村; 深沢　徹
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-12-14

Abstract

超音波測定装置（７）は、被測定物体に混入されている混入物で超音波エコーが発生しない第１の周波数の超音波、および第１の周波数より周波数が高い第２の周波数の超音波を送受信し、第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムのうちの混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲（Ａ）を決定し、第２の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムのうちの前記範囲（Ａ）を表示範囲とした表示情報を生成する。

Description

超音波測定装置

　この発明は、超音波により被測定物体の内部診断を行う超音波測定装置に関するものである。

　超音波測定装置は、超音波を被測定物体内へ送信し、被測定物体内部で反射したエコーを観測することで、被測定物体内部の状態を測定するものである。このような超音波測定装置は、例えば医療分野などにおいて人体に対して使用されている。また、鋼材などの製造品質を確認するために、超音波測定装置が使用されることもある。

　上記超音波測定装置は、被測定物体内部の状態を高分解能に測定するために、高い周波数の超音波を用いることがある。しかしながら、高い周波数の超音波は、被測定物体内部を測定できる距離が限定される。そこで、例えば特許文献１では、距離が限定される高い周波数の超音波と、距離が限定されにくい低い周波数の超音波とを併用して、被測定物体内部を測定する超音波診断方法が提案されている。

特開平５－１８８０４６号公報

　被測定物体がコンクリートである場合、複数の材質が混入されている。このため、コンクリートの欠陥部分からだけでなく、コンクリートとして正常な部位からもエコーが発生することがある。とりわけ、繊維などが混入されている強化コンクリートなどの場合、繊維などの混入物で発生するエコーと、欠陥部分で発生するエコーとの判別が困難であり、欠陥部分で発生する超音波エコーのみを鮮明に表示することができないという課題があった。ちなみに、混入物で発生するエコーおよび欠陥部分で発生するエコーの特徴は、超音波で測定できる距離に関係しないため、高い周波数の超音波を用いた高分解能な測定方法であっても、両者の判別は困難である。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、被測定物体の欠陥部分で発生する超音波エコーを鮮明に表示可能な超音波測定装置を提供することを目的とする。

　この発明に係る超音波測定装置は、被測定物体に混入されている混入物で超音波エコーが発生しない第１の周波数の超音波、および第１の周波数より周波数が高い第２の周波数の超音波を、被測定物体へ送信する送信部と、被測定物体へ送信された第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波が被測定物体で反射した第１の周波数の超音波エコーおよび第２の周波数の超音波エコーを受信する受信部と、受信部が受信した第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲を決定する範囲決定部と、受信部が受信した第２の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、範囲決定部が決定した範囲を表示範囲とした表示情報を生成する表示情報生成部とを備えるものである。

　この発明によれば、第１の周波数は、混入物で発生する超音波エコーが小さくなり、混入物より大きな欠陥部分で発生する超音波エコーが大きくなる特性であるため、繊維などの混入物で発生する超音波エコーと欠陥部分で発生する超音波エコーとの判別が可能となる。この第１の周波数と、第１の周波数より高分解能な第２の周波数とを併用することにより、欠陥部分で発生する超音波エコーを鮮明に表示可能となる。

この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置の基本構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る超音波測定装置のハードウェア構成図である。実施の形態１に係る超音波測定装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係る超音波測定装置の別の構成例を示すブロック図である。実施の形態１における信号処理部の構成例を示すブロック図である。実施の形態１における信号処理部の動作例を示すフローチャートである。実施の形態１に係る超音波測定装置による超音波測定例を示す図である。実施の形態１における第１の周波数の測定データを示す強度スペクトラムである。実施の形態１における第１の周波数の測定データを示す強度画像である。実施の形態１における第２の周波数の測定データを示す強度スペクトラムである。実施の形態１における第２の周波数の測定データを示す強度画像である。実施の形態１における第１の周波数の測定データを示す強度スペクトラムと、第２の周波数の測定データを示す強度スペクトラムとを重畳したグラフである。実施の形態１において、表示部に表示させる強度スペクトラムである。実施の形態１において、表示部に表示させる強度画像である。この発明の実施の形態２に係る超音波測定装置において、信号処理部の構成例を示すブロック図である。実施の形態２における信号処理部の動作例を示すフローチャートである。実施の形態２における第１の周波数の測定データを示す強度スペクトラムである。この発明の実施の形態３に係る超音波測定装置が用いる超音波の一例を示すグラフである。

　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置７の基本構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る超音波測定装置７は、被測定物体１０に対して超音波を送信する送信センサ１と、送信センサ１から送信する超音波を生成する送信部３と、被測定物体１０から戻る超音波エコーを受信する受信センサ２と、受信センサ２で受信した超音波エコーを測定データとして取り込む受信部４と、送信する超音波の波形制御および測定データを用いた演算等を行う信号処理部５と、測定条件および演算結果等を表示する表示部６とを備えている。図１の例では、送信部３、受信部４、信号処理部５および表示部６が１つの筐体に収容され、この筐体と送信センサ１および受信センサ２とが有線接続されている構成である。

　図２は、この発明の実施の形態１に係る超音波測定装置７のハードウェア構成図である。送信部３は、信号処理部５から指示された周波数の信号を発生させる信号発生器３０１と、信号発生器３０１が発生させた信号を増幅して送信センサ１へ出力する増幅器３０２とを備えている。送信センサ１は、振動子を備え、増幅器３０２が出力した信号で振動子を振動させることによって被測定物体１０に対して超音波を送信する。

　受信センサ２は、振動子を備え、振動子により被測定物体１０からの超音波エコーを受信し、そのエコーを電気信号に変換して受信部４へ出力する。受信部４は、受信センサ２が出力した信号を増幅する増幅器４０１と、増幅器４０１が増幅した信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部５および表示部６へ出力するＡ／Ｄ変換器４０２とを備えている。

　信号処理部５は、メモリ５０２と、このメモリ５０２に格納されているプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）５０１である。後述する図５に示された周波数決定部５２、周波数切替部５３、範囲決定部５５および表示情報生成部５６の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ５０２に格納される。ＣＰＵ５０１は、メモリ５０２に格納されたプログラムを読みだして実行することにより、各部の機能を実現する。即ち、信号処理部５は、ＣＰＵ５０１により実行されるときに、後述する図６に示される各ステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ５０２を備える。また、プログラムは、周波数決定部５２、周波数切替部５３、範囲決定部５５および表示情報生成部５６の手順または方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

　ＣＰＵ５０１は、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはＤＳＰなどであってもよい。
　メモリ５０２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等の不揮発性または揮発性の半導体メモリであってもよいし、ハードディスク、フレキシブルディスク等の磁気ディスクであってもよいし、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ　Ｄｉｓｃ）等の光ディスクであってもよい。

　また、後述する図５に示された材質ＤＢ（Ｄａｔａｂａｓｅ）５１および測定データ記憶部５４は、メモリ５０２である。

　表示部６は、受信部４が出力した信号または信号処理部５が指示した情報を表示するディスプレイ６０１を備えている。

　ここで、被測定物体１０は、例えばコンクリートであるものとする。超音波測定装置７は、コンクリートの材質に合わせた２種類の周波数の超音波を用いる構成である。２種類の周波数を、第１の周波数、第２の周波数と呼ぶ。信号処理部５は、第１の周波数および第２の周波数を決定し、送信部３は、第１の周波数に対応する超音波の波形および第２の周波数に対応する超音波の波形を生成して送信センサ１から被測定物体１０へ送信させる。

　具体的には、超音波測定装置７は、図３のように２種類の周波数に対応して２つの送信センサ１と２つの送信部３とを備える構成である。つまり、超音波測定装置７は、第１の周波数用の第１の送信センサ１－１および第１の送信部３－１と、第２の周波数用の第２の送信センサ１－２および第２の送信部３－２とを備える。信号処理部５は、第１の周波数を決定して第１の送信部３－１へ指示し、第１の送信部３－１は、信号処理部５が指示した第１の周波数に対応する超音波を第１の送信センサ１－１から送信させる。また、信号処理部５は、第２の周波数を決定して第２の送信部３－２へ指示し、第２の送信部３－２は、信号処理部５が指示した第２の周波数に対応する超音波を第２の送信センサ１－２から送信させる。

　図３の例では第１の送信センサ１－１と第２の送信センサ１－２の２つを使用したが、第１の送信センサ１－１と第２の送信センサ１－２とは構造が同じでよいため、１つの送信センサ１を共用することも可能である。つまり、超音波測定装置７は、図４のように２種類の周波数に対して１つの送信センサ１を共用する構成であってもよい。図４の例では、超音波測定装置７は、送信センサ１および第１の送信部３－１の接続と、送信センサ１および第２の送信部３－２の接続とを切り替えるスイッチ８を備える構成である。信号処理部５は、第１の周波数を決定して第１の送信部３－１へ指示すると共にスイッチ８を第１の送信センサ１－１側に切り替える。スイッチ８の切り替えにより、第１の送信部３－１により生成された第１の周波数に対応する超音波が、第１の送信センサ１－１から送信される。また、信号処理部５は、第２の周波数を決定して第２の送信部３－２へ指示すると共にスイッチ８を第２の送信センサ１－２側へ切り替える。スイッチ８の切り替えにより、第２の送信部３－２により生成された第２の周波数に対応する超音波が、第２の送信センサ１－２から送信される。

　図５は、実施の形態１における信号処理部５の構成例を示すブロック図である。信号処理部５は、受信部４が受信した第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲を決定する範囲決定部５５と、受信部４が受信した第２の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、範囲決定部５５が決定した範囲を表示範囲とした表示情報を生成する表示情報生成部５６とを備えている。信号処理部５は、これらに加えて、混入物の材質に関する材質情報を記憶している材質ＤＢ５１と、材質ＤＢ５１の材質情報を用いて、第１の周波数および第２の周波数を決定する周波数決定部５２とを備えていてもよい。さらに、信号処理部５は、第１の周波数と第２の周波数の出力を切り替える周波数切替部５３と、受信部４が受信した第１の周波数の超音波エコー強度および第２の周波数の超音波エコー強度を記憶する測定データ記憶部５４とを備えていてもよい。

　図６は、実施の形態１における信号処理部５の動作例を示すフローチャートである。図６のフローチャートを参照しながら、図５に示された信号処理部５の各部の動作を説明する。

　ステップＳＴ１１において、周波数決定部５２は、被測定物体１０であるコンクリートに混入されている混入物の材質に関する材質情報を取得する。材質ＤＢ５１は、材質情報として、セメントの種類、骨材の大きさ、および繊維の特徴などを記憶している。セメントに混入される繊維は、コンクリートに障害耐性を与えるものである。

　測定条件の設定時、周波数決定部５２は、材質ＤＢ５１に記憶されている材質情報の一覧を表示部６に表示させる。ユーザは、不図示の入力装置などを使用して、表示部６に表示された一覧の中からこれから超音波測定を行う被測定物体１０の材質情報を選択する操作を行う。入力装置は、ユーザが行った操作の情報を周波数決定部５２へ出力する。周波数決定部５２は、入力装置からユーザが行った操作の情報を受け付け、ユーザが選択操作した材質情報を材質ＤＢ５１から取得する。

　ステップＳＴ１２において、周波数決定部５２は、材質ＤＢ５１から取得した材質情報に基づいて第１の周波数および第２の周波数を決定し、決定した第１の周波数および第２の周波数を周波数切替部５３へ指示する。周波数決定部５２は、第１の周波数として、骨材または繊維などの混入物で超音波エコーが発生しない周波数を決定する。また、周波数決定部５２は、第２の周波数として、第１の周波数より高い周波数、かつ、骨材または繊維などの大きさ以上の変状が鮮明に観測できる周波数を決定する。ここでは、骨材または繊維などの大きさ以下の小さい変状は、コンクリート劣化への寄与が小さいものとし、欠陥ではないものとして扱う。一方、骨材または繊維などの大きさよりも大きい変状は、コンクリート劣化への寄与が大きいものとし、欠陥として扱う。欠陥は、コンクリートの傷または空隙などである。

　周波数決定部５２には、材質情報と第１の周波数と第２の周波数との対応関係を規定したデータが、予め登録されている。周波数決定部５２は、材質ＤＢ５１から取得した材質情報に対応する第１の周波数および第２の周波数を、登録されたデータの中から選択する。
　あるいは、周波数決定部５２には、材質情報をパラメータとして用いて第１の周波数と第２の周波数を算出するための数式が、予め登録されていてもよい。周波数決定部５２は、材質ＤＢ５１から取得した材質情報に含まれる骨材の大きさ等の数値をパラメータとして用いて数式を解き、第１の周波数および第２の周波数を求める。

　ここで、第２の周波数を求める数式の一例を、式（１）に示す。

　Ｆ２＝Ｃ×Ｖ／Ｄ　　　（１）

　　Ｆ２：第２の周波数
　　Ｃ：大きさ１を基準とする調整パラメータ
　　Ｖ：超音波の伝搬速度
　　Ｄ：超音波エコーを発生させたくない混入物の大きさの最大値

　ステップＳＴ１３において、周波数切替部５３は、周波数決定部５２から指示された第１の周波数の超音波を送信するよう第１の送信部３－１へ指示する。また、周波数切替部５３は、第１の周波数の超音波を送信していることを測定データ記憶部５４へ通知する。第１の送信部３－１は、周波数切替部５３から指示された第１の周波数に対応する超音波を、第１の送信センサ１－１からコンクリートへ送信させる。受信センサ２は、第１の送信センサ１－１からコンクリートへ送信されて戻ってきた超音波エコーを受信する。受信部４は、受信センサ２が受信した超音波エコー強度をＡ／Ｄ変換して測定データにし、測定データ記憶部５４へ出力する。測定データ記憶部５４は、周波数切替部５３からの通知に従い、受信部４から受け取った測定データを、第１の周波数の測定データとして記憶する。

　ステップＳＴ１４において、周波数切替部５３は、周波数決定部５２から指示された第２の周波数の超音波を送信するよう第２の送信部３－２へ指示する。また、周波数切替部５３は、第２の周波数の超音波を送信していることを測定データ記憶部５４へ通知する。第２の送信部３－２は、周波数切替部５３から指示された第２の周波数に対応する超音波を、第２の送信センサ１－２からコンクリートへ送信させる。受信センサ２は、第２の送信センサ１－２からコンクリートへ送信されて戻ってきた超音波エコーを受信する。受信部４は、受信センサ２が受信した超音波エコー強度をＡ／Ｄ変換して測定データにし、測定データ記憶部５４へ出力する。測定データ記憶部５４は、周波数切替部５３からの通知に従い、受信部４から受け取った測定データを、第２の周波数の測定データとして記憶する。

　なお、ステップＳＴ１３とステップＳＴ１４の順番は逆でもよい。

　測定データは、測定時刻に対する超音波エコー強度、または、第１の周波数の超音波または第２の周波数の超音波を送信開始した時点からの経過時間に対する超音波エコー強度である。あるいは、測定データは、超音波の送信方向における、測定位置から超音波が到達した位置までの距離に対する超音波エコー強度であってもよい。測定位置は、第１の送信センサ１－１および第２の送信センサ１－２の位置である。第１の送信センサ１－１または第２の送信センサ１－２から超音波が送信された時点から、被測定物体１０で反射されて超音波エコーとして受信センサ２で受信された時点までの時間が分かれば、被測定物体１０内を伝搬する超音波の速度は既知であるので、送信位置から超音波エコーが発生した位置までの伝搬距離が算出可能である。なお、測定データは、超音波エコー強度ではなく、超音波エコー強度を変換した電力値であってもよい。

　ここで、図７～図１４を参照して、範囲決定部５５および表示情報生成部５６における処理例を説明する。
　図７は、超音波測定装置７による超音波測定例を示す図である。図７において、被測定物体１０であるコンクリートの幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向、奥行き方向をＺ方向とする。測定時、第１の送信センサ１－１および第２の送信センサ１－２は、Ｙ方向へ超音波を送信しながら、Ｘ方向へ移動していくものとする。

　図８は、第１の周波数の測定データを示す強度スペクトラムであり、縦軸が超音波エコー強度、横軸が測定時刻またはＹ方向の距離である。
　図９は、第１の周波数の測定データを示す強度画像であり、縦軸が第１の送信センサ１－１のＸ方向における位置、横軸が測定時刻またはＹ方向の距離である。つまり、この強度画像は、図７において被測定物体１０のＸＹ平面を超音波測定した結果である。図９の強度画像では、超音波エコー強度を白黒の濃淡で表現しており、強度が大きいほど白く、強度が小さいほど黒い。

　図１０は、第２の周波数の測定データを示す強度スペクトラムであり、縦軸が超音波エコー強度、横軸が測定時刻またはＹ方向の距離である。
　図１１は、第２の周波数の測定データを示す強度画像であり、縦軸が第２の送信センサ１－２のＸ方向における位置、横軸が測定時刻またはＹ方向の距離である。つまり、この強度画像は、図７において被測定物体１０のＸＹ平面を超音波測定した結果である。図９と同様に図１１の強度画像では、超音波エコー強度を白黒の濃淡で表現しており、強度が大きいほど白く、強度が小さいほど黒い。

　第１の周波数の測定データでは、図８または図９のように、骨材または繊維などの混入物で発生した、スペクトラム幅が小さい超音波エコーは、強度が小さい。一方、混入物の大きさを超える大きな変状部位で発生した、スペクトラム幅が大きい超音波エコーは、強度が大きい。
　これに対して、第２の周波数の測定データでは、図１０または図１１のように、混入物の大きさを超える大きな変状部位だけでなく、混入物でも強度の大きい超音波エコーが発生する。
　従って、混入物の大きさを超える大きな変状部位に対応する測定時刻または距離では、第１の周波数の測定データおよび第２の周波数の測定データの双方ともに大きな超音波エコー強度となる。混入物に対応する測定時刻または距離では、第２の周波数の測定データに比べて第１の周波数の測定データの方が小さな超音波エコー強度となる。

　図１２は、図８に示された第１の周波数の測定データを示す強度スペクトラムと、図１０に示された第２の周波数の測定データを示す強度スペクトラムとを重畳したグラフである。
　ステップＳＴ１５において、範囲決定部５５は、測定時刻または距離に対応するデータ点毎に、第１の周波数の測定データと第２の周波数の測定データとの差分値を算出する。範囲決定部５５は、差分値が判定値以下となるデータ点、つまり図１２に示す第１の周波数の測定データのうちのＡで示す範囲を、混入物の大きさを超える大きな変状部位、つまり欠陥部分であると判定して、この範囲Ａを表示情報生成部５６へ指示する。この範囲Ａは、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲である。
　一方、範囲決定部５５は、差分値が判定値より大きいデータ点、つまり図１２に示す第１の周波数の測定データのうちのＢで示す範囲を、混入物の大きさを超えない小さな変状部位、つまり正常部分であると判定する。

　なお、図１２の例では、第１の周波数の超音波エコー強度と第２の周波数の超音波エコー強度とを比較することによって、第１の周波数の超音波エコー強度が大きい範囲Ａ、つまり混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲Ａを決定したが、他の方法によって第１の周波数の超音波エコー強度が大きい範囲Ａを決定してもよい。

　ステップＳＴ１６において、表示情報生成部５６は、測定データ記憶部５４に記憶されている第２の周波数の測定データのうち、範囲決定部５５から指示された範囲Ａを表示範囲として決定し、表示情報を生成する。表示情報生成部５６は、生成した表示情報を、表示部６へ出力する。表示部６は、表示情報生成部５６から受け取った表示情報を表示する。

　図１３は、表示情報生成部５６が生成して表示部６に表示させる強度スペクトラムである。表示情報生成部５６は、図１２に示された第２の周波数の強度スペクトラムのうち、範囲決定部５５により欠陥部分であると判定された範囲Ａの超音波エコー強度を表示範囲にし、それ以外の範囲Ｂの超音波エコー強度を小さくすることによって正常部分と欠陥部分との区別がつくようにして、図１３のような表示情報を生成する。表示部６は、高分解能な第２の周波数の測定データ、つまり鮮明な超音波エコー強度を表示することができる。

　表示情報生成部５６は、強度スペクトラムではなく強度画像を用いて表示情報を生成してもよい。
　図１４は、表示情報生成部５６が生成して表示部６に表示させる強度画像である。表示情報生成部５６は、図１１に示された第２の周波数の強度画像のうち、欠陥部分であると判定された範囲を表示範囲にし、それ以外の範囲を単色で塗りつぶすことによって正常部分と欠陥部分との区別がつくようにして、図１４のような表示情報を生成する。

　なお、コンクリート底面などの境界面においても、第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波ともに、大きな強度の超音波エコーが発生する。コンクリート底面などの境界面は変状部位ではないが、被測定物体１０の特徴部分である。そのため、表示情報生成部５６は、コンクリートの境界面で発生した大きな強度の超音波エコーを、表示範囲に含めてもよい。ただし、図８～図１４においては、コンクリートの境界面で発生した超音波エコーは図示を省略してある。

　また、上記説明では、表示部６が、信号処理部５からの表示情報を表示する例を説明したが、表示部６は表示情報だけでなく、受信部４のＡ／Ｄ変換器４０２の出力をそのまま連続的に表示することも可能である。さらに、場合によっては、送信パルスの送信時刻を起点にする時間区分で表示する範囲を予め定義しておき、表示部６がその範囲におけるＡ／Ｄ変換器４０２の出力を表示することも可能である。

　以上のように、実施の形態１によれば、超音波測定装置７は、被測定物体１０に混入されている混入物で超音波エコーが発生しない第１の周波数の超音波、および第１の周波数より周波数が高い第２の周波数の超音波を被測定物体１０へ送信する送信部３と、被測定物体１０へ送信された第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波が被測定物体１０で反射した第１の周波数の超音波エコーおよび第２の周波数の超音波エコーを受信する受信部４と、受信部４が受信した第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲Ａを決定する範囲決定部５５と、受信部４が受信した第２の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、範囲決定部５５が決定した範囲Ａを表示範囲とした表示情報を生成する表示情報生成部５６とを備える構成である。第１の周波数は、混入物で発生する超音波エコーが小さくなり、欠陥部分で発生する超音波エコーが大きくなる特性であるため、混入物で発生する超音波エコーと欠陥部分で発生する超音波エコーとの判別が可能となる。超音波測定装置７は、この第１の周波数と、第１の周波数より高分解能な第２の周波数とを併用することにより、欠陥部分で発生する超音波エコーを鮮明に表示可能となる。

　また、実施の形態１によれば、超音波測定装置７は、混入物の材質に関する材質情報を記憶している材質ＤＢ５１と、材質ＤＢ５１の材質情報を用いて第１の周波数および前記第２の周波数を決定する周波数決定部５２とを備える構成である。これにより、被測定物体１０であるコンクリートの種別に応じた周波数を用いた超音波測定を行うことができる。

　また、実施の形態１によれば、範囲決定部５５は、第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像と、第２の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像とを比較し、双方の強度が大きい範囲を、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲Ａとして決定する構成である。第１の周波数の測定データにおいて、混入物で発生した超音波エコーは強度が小さい一方、欠陥部分で発生した超音波エコーは強度が大きい。これに対して、第２の周波数の測定データにおいて、混入物で発生した超音波エコーも、欠陥部分で発生した超音波エコーも強度が大きい。従って、第１の周波数の超音波エコー強度と第２の周波数の超音波エコー強度とを比較することにより、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲Ａを精度よく決定することができる。

実施の形態２．
　先立って説明した特許文献１に係る発明は、低い周波数の超音波で被測定物体の内部状態を測定し、その測定によって欠陥が検出されると、その欠陥部分に対して高い周波数の超音波による高分解能な測定を行うというものである。この低い周波数は、分解能は低いが欠陥部分の検出には足りる程度の周波数であるといえる。つまり、この発明の実施の形態１で説明した、骨材または繊維などの大きさを超える変状が鮮明に観測できる第２の周波数として、特許文献１における高い周波数または低い周波数と同程度の周波数が使用される可能性が高い。一方、骨材または繊維などの混入物で超音波エコーが発生しない第１の周波数としては、特許文献１における高い周波数および低い周波数よりも低い周波数が使用される。

　第１の周波数は、周波数が低いため、分解能不足により被測定物体の内部状態を十分に測定できない場合が発生し得る。しかし、第１の周波数の超音波による測定であっても、超音波エコー強度に対して付加情報を与えることによって、第１の周波数の超音波による測定データのみから欠陥部分と正常部分とを判別することが可能である。実施の形態２では、付加情報を用いた超音波測定方法を説明する。

　図１５は、この発明の実施の形態２に係る超音波測定装置７における信号処理部５の構成例を示すブロック図である。信号処理部５以外の構成は、図１～図４に示された構成と同一であるため説明を省略する。
　実施の形態２の信号処理部５は、図５に示された実施の形態１の信号処理部５に対して、材質ＤＢ５１の材質情報を用いて混入物で発生する超音波エコーの強度を推定し、当該強度に応じた閾値を算出する閾値算出部５７と、閾値算出部５７が算出した閾値と第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像とを比較する閾値処理部５８とが追加された構成である。

　図１６は、実施の形態２における信号処理部５の動作例を示すフローチャートである。図１６のフローチャートを参照しながら、図１５に示された信号処理部５の各部の動作を説明する。なお、図１６のステップＳＴ１１～ＳＴ１６における処理は、図６のステップＳＴ１１～ＳＴ１６における処理と略同様であるため、以下では異なる部分のみを説明する。

　ステップＳＴ１２において、周波数決定部５２は、材質ＤＢ５１から取得した材質情報および決定した第１の周波数を閾値算出部５７へ出力する。
　ステップＳＴ２１において、閾値算出部５７は、周波数決定部５２から受け取った材質情報と第１の周波数とに基づき、第１の周波数の超音波を用いて被測定物体１０を測定した場合に骨材または繊維などの混入物で生じる超音波エコーの強度を推定する。そして、閾値算出部５７は、推定した超音波エコー強度に対する閾値を算出し、算出した閾値を閾値処理部５８へ出力する。この閾値は、上述した付加情報であり、骨材または繊維などの混入物で発生した超音波エコーと、混入物より大きい変状である欠陥部分で発生した超音波エコーとを判別するための強度値である。

　閾値算出部５７には、材質情報および第１の周波数をパラメータとして用いて超音波エコー強度を推定するための数式が、予め登録されている。閾値算出部５７は、周波数決定部５２から受け取った材質情報に含まれる骨材の大きさ等の数値および第１の周波数をパラメータとして用いて数式を解き、混入物で生じる超音波エコーの強度を求める。

　ここで、超音波エコー強度を推定するための数式の一例を、式（２）に示す。ただし、式（２）においてセンサ性能の影響分は考慮していない。

　Ｐ（Ｔ）＝Ｒ（Ｔ）×Ｅ×Ｐ０　　　（２）

　　Ｐ（Ｔ）：伝搬時間Ｔ後の超音波エコー強度
　　Ｒ（Ｔ）：コンクリート内を時間Ｔだけ伝搬した場合の減衰量
　　Ｅ：超音波エコーを発生させたくない混入物の最大サイズに対応する反射係数
　　Ｐ０：送信エネルギー

　また、閾値算出部５７には、推定した超音波エコー強度と閾値との対応関係を規定したデータが、予め登録されている。閾値算出部５７は、推定した超音波エコー強度に対応する閾値を、登録されたデータの中から選択する。
　あるいは、閾値算出部５７には、推定した超音波エコー強度をパラメータとして用いて閾値を算出するための数式が、予め登録されていてもよい。閾値算出部５７は、推定した超音波エコー強度をパラメータとして用いて数式を解き、閾値を求める。

　ここで、閾値を算出するための数式の一例を、式（３）に示す。

　Ｓ（Ｔ）＝Ｐ（Ｔ）×Ｍ　　　（３）

　　Ｓ（Ｔ）：時間Ｔの閾値
　　Ｐ（Ｔ）：上式（２）により求まる、伝搬時間Ｔ後の超音波エコー強度
　　Ｍ：大きさ１以上となるマージン係数

　なお、ステップＳＴ２１における閾値の算出処理は、ステップＳＴ２２の処理開始までに終わっていればよいため、ステップＳＴ２１の実施タイミングは、図１６に示されたタイミング以外であってもよい。

　ステップＳＴ２２において、閾値処理部５８は、閾値算出部５７から閾値を受け取り、この閾値と測定データ記憶部５４に記憶されている第１の周波数の測定データとを比較する。閾値処理部５８は、測定時刻または距離に対応するデータ点毎に、第１の周波数の測定データと閾値とを比較し、閾値より大きい強度のデータ範囲と閾値以下の強度のデータ範囲とを示す処理結果を範囲決定部５５へ出力する。

　ステップＳＴ１５において、範囲決定部５５は、閾値処理部５８から処理結果を受け取り、第１の周波数の測定データのうち、閾値より大きい強度と判定されたデータ範囲を、範囲Ａとして表示情報生成部５６へ指示する。

　図１７は、図７に示された超音波測定例における第１の周波数の測定データを示す強度スペクトラムであり、縦軸が超音波エコー強度、横軸が測定時刻またはＹ方向の距離である。また、破線は閾値を示す。
　超音波のエネルギーは、被測定物体１０であるコンクリート内部を伝搬していくにつれて失われていく。そのため、超音波のエネルギーは、測定時刻またはＹ方向の距離に依存して小さくなる。よって、閾値算出部５７は、図１７のように、測定時刻が経過するに従って、またはＹ方向の距離が大きくなるに従って、閾値を小さな値へ変化させることが望ましい。

　一方、コンクリート内部の伝搬で超音波のエネルギーが失われることが予め分かっている場合、受信した超音波エコー強度に対して、伝搬により失われた超音波のエネルギー分の値を補正する処理を行うことが考えられる。具体的には、受信部４が、測定時刻が経過するに従って、またはＹ方向の距離が大きくなるに従って大きくなる補正値を、受信した超音波エコー強度に加算することによって、測定時刻またはＹ方向の距離に依存しない測定データを得ることが可能である。また、例えば、受信部４が、測定時刻が経過するに従って、またはＹ方向の距離が大きくなるに従って増幅器４０１の増幅率を大きくすることによっても、測定時刻またはＹ方向の距離に依存しない測定データを得ることが可能である。あるいは、受信部４が、測定時刻が経過するに従って、またはＹ方向の距離が大きくなるに従って大きくなる係数を、Ａ／Ｄ変換器４０２の出力値であるディジタル値に対して乗算することによっても、測定時刻またはＹ方向の距離に依存しない測定データを得ることが可能である。受信部４がこのような補正処理を行うことによって測定時刻またはＹ方向の距離に依存しない測定データが得られる場合、閾値算出部５７は、閾値を、測定時刻またはＹ方向の距離に依存せずに一定にすることが望ましい。あるいは、受信部４がこのような補正処理を行うことによって測定時刻またはＹ方向の距離に依存して大きい値に変化する測定データが得られる場合、閾値算出部５７は、閾値を、測定時刻またはＹ方向の距離に依存して大きな値へ変化させることが望ましい。

　なお、図示は省略するが、閾値算出部５７は強度画像に対する閾値を算出し、閾値処理部５８はその閾値と強度画像とを比較する閾値処理を行ってもよい。

　以上のように、実施の形態２によれば、超音波測定装置７は、材質ＤＢ５１の材質情報を用いて混入物で発生する超音波エコーの強度を推定し、当該強度に応じた閾値を算出する閾値算出部５７と、閾値算出部５７が算出した閾値と第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像とを比較する閾値処理部５８とを備える構成である。また、実施の形態２の範囲決定部５５は、閾値処理部５８の処理結果に基づいて、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲Ａを決定する構成である。これにより、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲Ａを精度よく決定することができる。

　また、実施の形態２によれば、閾値算出部５７は、測定時刻または第１の周波数の超音波伝搬距離に依存して閾値を変化させるようにしたので、混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲Ａをさらに精度よく決定することができる。

実施の形態３．
　実施の形態３に係る超音波測定装置７の構成は、図１～図１４に示された実施の形態１に係る超音波測定装置７の構成と図面上は同一であるため、図示および説明は省略する。実施の形態１においては、超音波測定装置７は、第１の周波数の超音波および第２の周波数の超音波を用いていた。これらの超音波は、周波数帯域幅が狭い狭帯域パルスである。これに対し、実施の形態３の超音波測定装置７は、狭帯域パルスよりも周波数帯域幅が広い広帯域パルスを用いる構成とする。

　図１８は、実施の形態３に係る超音波測定装置７が用いる超音波の一例を示すグラフであり、縦軸が超音波の周波数、横軸が超音波の振幅である。信号処理部５の周波数決定部５２は、第１の周波数を中心周波数とした広帯域パルスを第１の周波数群とし、送信部３へ指示する。送信部３は、信号処理部５が指示した第１の周波数群に対応する超音波を送信センサ１から送信させる。また、信号処理部５は、第２の周波数を中心周波数とした広帯域パルスを第２の周波数群とし、送信部３へ指示する。送信部３は、信号処理部５が指示した第２の周波数群に対応する超音波を送信センサ１から送信させる。

　なお、信号処理部５は、図１８に示すように第１の周波数群の側波帯と第２の周波数群の側波帯とが重ならないように、第１の周波数群の周波数帯域幅と第２の周波数群の周波数帯域幅とを設定することが望ましい。あるいは、第１の周波数群の側波帯と第２の周波数群の側波帯とが重なる場合、周波数群の主要成分と比べて極めて小さなエネルギーの側帯波にすることが望ましい。
　また、図１８の例において、第１の周波数群は、第１の周波数が中心周波数となっているが、厳密に中心周波数となっている必要はなく、第１の周波数が中心成分となっていればよい。第２の周波数群も同様に、第２の周波数が中心成分となっていればよい。
　さらに、信号処理部５は、超音波測定に用いる周波数の組み合わせとして、第１の周波数群と第２の周波数の組み合わせを選択したり、第１の周波数と第２の周波数群の組み合わせを選択したりすることも可能である。

　以上のように、実施の形態３によれば、送信部３は、第１の周波数を含む周波数帯域の超音波、および第２の周波数を含む周波数帯域の超音波を送信する構成である。実施の形態３の超音波測定では、広帯域周波数成分を用いることから、第１の周波数と同様の特性を持つ複数の周波数を含む第１の周波数群と、第２の周波数と同様の特性を持つ複数の周波数を含む第２の周波数群とを用いることになる。すなわち、第１の周波数と第２の周波数とを含む３つ以上の周波数を用いて超音波測定を行うことができる。実施の形態３の超音波測定は、機能的には２つの周波数を用いる場合と同様であるが、複数の周波数で超音波測定を行うことにより広帯域な測定データを取得することで性能向上が期待でき、より鮮明な表示情報を生成することができる。

　上記説明では、実施の形態１に係る超音波測定装置７において広帯域パルスを用いる例を説明したが、実施の形態２に係る超音波測定装置７においても同様に広帯域パルスを用いることが可能である。

　なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

　この発明に係る超音波測定装置は、混入物で発生する超音波エコーが小さくなり、欠陥部分で発生する超音波エコーが大きくなる特性を持つ第１の周波数と、第１の周波数より高分解能な第２の周波数とを併用するようにしたので、骨材または繊維などの混入物が混入しているコンクリートの内部を観測する超音波測定装置などに用いるのに適している。

　１　送信センサ、１－１　第１の送信センサ、１－２　第２の送信センサ、２　受信センサ、３　送信部、３－１　第１の送信部、３－２　第２の送信部、４　受信部、５　信号処理部、６　表示部、７　超音波測定装置、８　スイッチ、５１　材質ＤＢ、５２　周波数決定部、５３　周波数切替部、５４　測定データ記憶部、５５　範囲決定部、５６　表示情報生成部、５７　閾値算出部、５８　閾値処理部、３０１　信号発生器、３０２　増幅器、４０１　増幅器、４０２　Ａ/Ｄ変換器、５０１　ＣＰＵ、５０２　メモリ、６０１　ディスプレイ。

Claims

　被測定物体に混入されている混入物で超音波エコーが発生しない第１の周波数の超音波、および前記第１の周波数より周波数が高い第２の周波数の超音波を、前記被測定物体へ送信する送信部と、
　前記被測定物体へ送信された前記第１の周波数の超音波および前記第２の周波数の超音波が前記被測定物体で反射した第１の周波数の超音波エコーおよび第２の周波数の超音波エコーを受信する受信部と、
　前記受信部が受信した前記第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、前記混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲を決定する範囲決定部と、
　前記受信部が受信した前記第２の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像のうち、前記範囲決定部が決定した前記範囲を表示範囲とした表示情報を生成する表示情報生成部とを備える超音波測定装置。
　前記混入物の材質に関する材質情報を記憶している材質データベースと、
　前記材質データベースの材質情報を用いて、前記第１の周波数および前記第２の周波数を決定する周波数決定部とを備える請求項１記載の超音波測定装置。
　前記範囲決定部は、前記第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像と、前記第２の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像とを比較し、双方の強度が大きい範囲を、前記混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲として決定することを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。
　前記材質データベースの材質情報を用いて、前記混入物で発生する超音波エコーの強度を推定し、当該強度に応じた閾値を算出する閾値算出部と、
　前記閾値算出部が算出した前記閾値と、前記第１の周波数の超音波エコーの強度スペクトラムまたは強度画像とを比較する閾値処理部と、
　前記範囲決定部は、前記閾値処理部の処理結果に基づいて、前記混入物で発生する超音波エコーより大きな超音波エコーの範囲を決定することを特徴とする請求項２記載の超音波測定装置。
　前記閾値算出部は、前記閾値を、測定時刻が経過するに従って小さな値になるよう変化させることを特徴とする請求項４記載の超音波測定装置。
　前記閾値算出部は、前記閾値を、前記第１の周波数の超音波伝搬距離が大きくなるに従って小さな値になるよう変化させることを特徴とする請求項４記載の超音波測定装置。
　前記受信部は、受信した前記第１の周波数の超音波エコー強度に対して、伝搬により失われた超音波のエネルギー分の値を補正し、
　前記閾値算出部は、前記閾値を、測定時刻が経過するに従って大きな値になるよう変化させることを特徴とする請求項４記載の超音波測定装置。
　前記受信部は、受信した前記第１の周波数の超音波エコー強度に対して、伝搬により失われた超音波のエネルギー分の値を補正し、
　前記閾値算出部は、前記閾値を、前記第１の周波数の超音波伝搬距離が大きくなるに従って大きな値になるよう変化させることを特徴とする請求項４記載の超音波測定装置。
　前記送信部は、前記第１の周波数を含む周波数帯域の超音波、および前記第２の周波数を含む周波数帯域の超音波を送信することを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。
　前記被測定物体はコンクリートであり、前記混入物は骨材または繊維であることを特徴とする請求項１記載の超音波測定装置。