JPH0781992B2 - 超音波測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば超音波を用いた相関処理方式を採用
する測定装置に関するものである。

特に、正弦波形を有する第１及び第２の送信信号により
それぞれ励振された送信波を対象物で送信し、上記第１
の送信信号と第２の送信信号に対応する対象物からの第
１及び第２のエコーをそれぞれ相関処理し、これらの相
関処理結果を信号処理するので、S/N比（信号対雑音
比）が良く、送信信号のエネルギー損失が少なく、か
つ、レンジサイドローブのレベルを低くすることができ
る測定装置に関するものである。

なお、ここでは説明の便宜上、測定装置として超音波探
傷装置（超音波非破壊検査装置）を例に上げて説明す
る。

［従来の技術］ 超音波を用いた非破壊検査装置においては、インパルス
方式が多用されている。インパルス方式を採用した従来
例の構成を第17図で参照しながら説明する。

第17図は、例えば『超音波探傷法』日本学術振興会 製
鋼第19委員会編、昭和52年12月20日 日刊工業新聞社刊
第114頁〜第140頁、第173頁〜第174頁 に示された従
来の超音波非破壊検査装置を示すブロック図である。

第17図において、従来の超音波非破壊検査装置は、パル
ス発振回路（１）と、このパルス発振回路（１）に接続
された超音波探触子（２）と、この超音波探触子（２）
に接続された受信回路（３）と、この受信回路（３）に
接続されたCRT等の表示器（４）とから構成されてい
る。

なお、超音波探触子（２）は、鋼材等の試験体Ｓに接触
している。

つぎに、上述した従来例の動作を第18図（ａ）、（ｂ）
及び（ｃ）を参照しながら説明する。

第18図（ａ）〜（ｃ）は、従来の超音波非破壊検査装置
の動作を示す波形図である。

パルス発振回路（１）は、第18図（ａ）で示すような、
振動継続時間が短いパルスを発振する。

超音波探触子（２）は、上記パルスにより駆動されて短
いパルス幅の超音波を試験体Ｓ内に送波する。そして、
試験体Ｓ内で反射された反射エコーを受波し、受信回路
（３）に伝達する。

受信回路（３）は、反射エコーを増幅して表示器（４）
に伝達する。

表示器（４）は、増幅された反射エコーを表示する。第
18図（ｂ）で示すように、反射エコーが時間ｔ＝t₀の位
置に表れている。

この時間t₀は、試験体Ｓ内の反射体まで、超音波が往復
するのにかかった時間であるので、その時間t₀を測定す
ることにより反射体の位置が算出できる。

しかしながら、上述した従来例では、第18図（ｃ）で示
すように、S/N比の悪い環境のもとでは、反射エコーの
レベルが小さく、反射エコーに重畳する雑音レベルが大
きいときには、反射体の位置を正確な精度で検査するこ
とができないという問題点があった。

上述した問題点の解決策は、超音波探触子（２）を駆動
するパルスの振幅を大きくすればよいが、パルス発振回
路（１）を構成する素子の制限や超音波探触子（２）の
耐電力の制限などの理由によりパルスの振幅には上限が
あるので、完全な解決策とはならない。

上述した従来例に対し、S/N比の悪い環境のもとでも、
試験体Ｓ内の反射体の位置を正確な精度で検査すること
ができる相関処理を用いた方法がある。この相関処理を
用いた方法のうち、レンジサイドローブに優れた符号系
列として、相補系列を採用する方法がある。

ここで、相補系列を採用した相関処理を用いる方法の原
理を第19図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）を参照しながら説
明する。

第19図（ａ）〜（ｃ）は、例えば『符号理論』宮川他著
昭和54年６月29日 昭晃堂刊 第474頁〜第492頁に示
された相補系列を採用した相関処理の原理を示す説明図
である。

相補系列は、２値からなる有限長の第１の系列と、２値
からなる有限長で第１の系列と相補の関係にある第２の
系列とからなるものである。

相補の関係とは、第１の系列の自己相関関数と、第２の
系列の自己相関関数とを比較すると、主ローブどうし
と、サイドローブどうしとも同一形状を有しているが、
位相については、主ローブどうしは同相であり、サイド
ローブどうしは逆相の関係にあることをいう。

したがって、第１の系列の自己相関関数と、第２の系列
の自己相関関数との和をとれば、主ローブどうしは強め
合い、サイドローブどうしは相殺されて零になる。

長さが４の相補系列は、例えば、第１の系列 及び第２の系列 と表される。２つの系列の成分aj,bj（ｊ＝0,1,2,3）
は、上記のように正負の符号を割り当てる場合もある
し、正符号に対応して＋１、負符号に対応して−１を割
り当てる場合もある。

そこで、第１の系列の自己相関関数をρａ（ｋ）と表わ
す。第19図（ａ）で示すように、ρａ（ｋ）は、第１の
系列 に対して、その両側に零が連なっている無限長系列とし
て、すなわち、 として取り扱い、 ρａ（ｋ）＝Σaj＋k aj［ｊ＝−∞〜∞］ …式 で定義する。ただし、ajとしては＋１、−１を割り当て
ている。

同様に、第２の系列の自己相関関数をρｂ（ｋ）と表わ
す。ρｂ（ｋ）も無限長系列として取り扱い、bjとして
は＋１、−１を割り当て、 ρｂ（ｋ）＝Σbj＋k bj［ｊ＝−∞〜∞］ …式 で定義する。

第19図（ａ）及び（ｂ）から解るように、自己相関関数
ρａ（ｋ）及びρｂ（ｋ）は、主ローブどうしと、サイ
ドローブどうしとは形状が同一で、位相が主ローブどう
しは同相で、サイドローブどうしは逆相である。ゆえ
に、自己相関関数ρａ（ｋ）及びρｂ（ｋ）の和をとる
と、第19図（ｃ）で示すように、サイドローブのレベル
が零となる。

なお、上述したサイドローブは、相関処理を用いた超音
波非破壊検査の分野に適用する場合には、レンジサイド
ローブと呼ばれる。

さて、相補系列の相関処理を用いた他の従来例の構成を
第20図を参照しながら説明する。

第20図は、例えば『IEEE Ultrasonics Symposium Proce
eding』1981 P888〜891に示された他の従来の超音波非
破壊検査装置を示すブロック図である。

第20図において、他の従来の超音波非破壊検査装置は、
信号源（1A）と、信号源（1A）に接続されたデジタル遅
延線（11）と、信号源（1A）及びデジタル遅延線（11）
に接続されたバイポーラ変換器（12）と、このバイポー
ラ変換器（12）に接続されたトランスミッタ（13）と、
同じく信号源（1A）及びデジタル遅延線（11）に接続さ
れたバイポーラ変換器（14）と、トランスミッタ（1
3）、バイポーラ変換器（14）及び超音波探触子（２）
に接続されたアナログ相関器（５）と、このアナログ相
関器（５）に接続された表示器（４）とから構成されて
いる。

なお、超音波探触子（２）は、水中にしんちゅうのター
ゲットＳが配置された水槽に設置されている。また、ア
ナログ相関器（５）は、超音波探触子（２）及びバイポ
ーラ変換器（14）に接続された掛け算器（5a）と、この
掛け算器（5a）に接続された積分器（5b）とから構成さ
れている。さらに、信号源（1A）とデジタル遅延線（1
1）との間、信号源（1A）とバイポーラ変換器（12）及
び（14）との間、デジタル遅延線（11）とバイポーラ変
換器（12）及び（14）との間にはANDゲート等の論理回
路が挿入されている。

つぎに、上述した他の従来例の動作を第21図（ａ）及び
（ｂ）並びに第22図を参照しながら説明する。

第21図（ａ）及び（ｂ）は他の従来例の送信信号を示す
波形図、第22図は他の従来例の送信信号及び超音波探触
子の周波数特性を示す特性図である。

第21図（ａ）及び（ｂ）で示す送信信号Sa（ｔ）及びSb
（ｔ）が、信号源（1A）、デジタル遅延線（11）、バイ
ポーラ変換器（12）及びトランスミッタ（13）により、
超音波探触子（２）に伝達される。

送信信号Sa（ｔ）は相補系列をなす第１の系列 として（＋，＋，＋，−）が用いられ、送信信号Sb
（ｔ）は第２の系列として（＋，＋，−，＋）が用いら
れている。符号＋には正の振幅を有する矩形波を対応さ
せ、符号−には絶対値が同一の負の振幅を有する矩形波
を対応させて、符号の表れる順序にしたがって、上述し
た矩形波が時間軸上に配列されている。

超音波探触子（２）は、上記送信信号Sa（ｔ）により駆
動されて、超音波を水中に送波する。そして、ターゲッ
トＳで反射された反射エコーga（ｔ）を受渡し、アナロ
グ相関器（５）の掛け算器（5a）に伝達する。

一方、上記送信信号Sa（ｔ）と同じ信号が、信号源（1
A）、デジタル遅延線（11）及びバイポーラ変換器（1
4）により、掛け算器（5a）に伝達される。

アナログ相関器（５）では、反射エコーga（ｔ）と送信
信号Sa（ｔ）との相関演算を実行する。すなわち、相関
演算の結果をρａ（ｔ）とすると、つぎのように表され
る。

ρａ（ｔ）＝∫ga（ｔ′）Sa（ｔ′−ｔ）dt′ ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 同様に、次の時間フェーズにおいて、超音波探触子
（２）は上記送信信号Sb（ｔ）により駆動され、アナロ
グ相関器（５）は、反射エコーgb（ｔ）と送信信号Sb
（ｔ）との相関演算を実行する。すなわち、相関演算の
結果をρｂ（ｔ）とすると、つぎのように表される。

ρｂ（ｔ）＝∫gb（ｔ′）Sb（ｔ′−ｔ）dt′ ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 アナログ相関器（５）は、その後、式及びの相関演
算の結果を加算して表示器（４）に伝達し、 ρａ（ｔ）＋ρｂ（ｔ） が表示される。

ところで、一般に、超音波探触子（２）は、第22図で示
すような、周波数応答特性（実線）を有している。一
方、第21図（ａ）及び（ｂ）で示した送信信号Sa（ｔ）
及びSb（ｔ）は、矩形部分のみからなる波形を有してい
るので、第22図で示すような周波数特性（点線）を有し
ている。すなわち、送信信号Sa（ｔ）及びSb（ｔ）は低
周波領域にかなりのエネルギーをもっているのに対し、
超音波探触子（２）は低周波領域では応答しない。

したがって、上述した他の従来例は、送信エネルギーの
大半を超音波探触子（２）により捨てており、効率が悪
いという問題点があった。

上述した相関処理を用いる他の従来例は、S/N比を改善
しているが、上述したように効率が悪いとかなりのレベ
ルの雑音が残り、高精度で試験体Ｓを検査するには、結
局、送信信号の振幅を大きくする必要が生じるという問
題点があった。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したような従来の超音波非破壊検査装置では、S/N
比の悪い環境のもとでは、反射エコーのレベルが小さ
く、反射エコーに重畳する雑音レベルが大きいときに
は、反射体を正確な精度で測定することができないとい
う問題点があった。

また、上述したような他の従来の超音波非破壊検査装置
では、送信エネルギーの大半を超音波探触子により捨て
ており、効率が悪く十分なS/N比が得られないという問
題点があった。

この発明は、上述した問題点を解決するためになされた
もので、S/N比の悪い環境のもとでも反射体を正確な精
度で測定することができ、かつ、送信エネルギーの利用
効率を高くすることができる超音波測定装置を得ること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る超音波測定装置は、以下に述べるような
手段を備えたものである。

（ｉ）．正弦波形を有する第１の送信信号を発生する第
１の送信信号発生手段。

（ii）．正弦波形を有し、上記第１の送信信号と相補の
関係にある第２の送信信号を発生する第２の送信信号発
生手段。

（iii）．上記第１の送信信号により励振されて送信波
を対象物に送信する第１の送信手段。

（iv）．上記第２の送信信号により励振されて送信波を
対象物に送信する第２の送信手段。

（ｖ）．上記第１の送信信号に対応する第１のエコーを
受信する第１の受信手段。

（vi）．上記第２の送信信号に対応する第２のエコーを
受信する第２の受信手段。

（vii）．上記第１のエコーを上記第１の送信信号によ
り規定される第１の参照信号を用いて相関処理する第１
の相関処理手段。

（viii）．上記第２のエコーを上記第２の送信信号によ
り規定される第２の参照信号を用いて相関処理する第２
の相関処理手段。

（ix）．上記第１の相関処理手段により得られる信号と
上記第２の相関処理手段により得られる信号とを加算す
る加算手段。

［作用］ この発明においては、第１の送信信号発生手段によっ
て、正弦波形を有する第１の送信信号が発生され、第２
の送信信号発生手段によって、正弦波形を有し、上記第
１の送信信号と相補の関係にある第２の送信信号が発生
される。

また、第１の送信手段によって、上記第１の送信信号に
より励振されて送信波が対象物に送信され、第２の送信
手段によって、上記第２の送信信号により励振されて送
信波が対象物に送信される。

さらに、第１の受信手段によって、上記第１の送信信号
に対応する第１のエコーが受信され、第２の受信手段に
よって、上記第２の送信信号に対応する第２のエコーが
受信される。

またさらに、第１の相関処理手段によって、上記第１の
エコーが相関処理され、第２の相関処理手段によって、
上記第２のエコーが相関処理される。

そして、加算手段によって、上記第１の相関処理手段に
より得られる信号と上記第２の相関処理手段により得ら
れる信号とが加算されることによりサイドローブが低減
された信号が出力される。

［実施例］ この発明の第１実施例の構成を第１図を参照しながら説
明する。

第１図は、この発明の第１実施例を示すブロック図であ
り、超音波探触子（２）及び表示器（４）は第17図で示
した上記従来装置のものと全く同一である。

第１図において、この発明の第１実施例は、上述した従
来装置のものと全く同一のものと、送信信号発生器（1
B）と、この送信信号発生器（1B）及び超音波探触子
（２）に接続された相関器（5A）と、この相関器（5A）
に接続されメモリを含む加算器（６）とから構成されて
いる。

なお、超音波探触子（２）は送信信号発生器（1B）に接
続され、表示器（４）は加算器（６）に接続されてい
る。

つぎに、上述した第１実施例の動作を第２図、第３図、
第４図及び第５図を参照しながら説明する。

第２図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第１実施例の送信
信号を示す波形図、第３図（ａ）及び（ｂ）はこの発明
の第１実施例の相関演算の結果を示す波形図、第４図は
この発明の第１実施例の相関演算の加算結果を示す波形
図、第５図はこの発明の第１実施例の送信信号及び超音
波探触子の周波数特性を示す特性図である。

送信信号発生器（1B）は、送信信号Sa^＊（ｔ）及びSb^＊
（ｔ）を発生し、超音波探触子（２）に伝達する。

第２図（ａ）及び（ｂ）で示すように、送信信号Sa
^＊（ｔ）は、相補系列をなす第１の系列 として（＋，＋，＋，−）を採用し、送信信号Sb
^＊（ｔ）は第２の系列として（＋，＋，−，＋）を採用
している。符号＋にはsin2πf₀t（０≦ｔ≦Ｔ）を割り
当て、符号−には−sin2πf₀t（０≦ｔ≦Ｔ）を割り当
てて、符号の表れる順序にしたがって、上述した正弦波
が時間軸上に配列されている。ただし、ｔは時間変数、
Ｔは固定時間、f₀は固定周波数である。

超音波探触子（２）は、上記送信信号Sa^＊（ｔ）により
駆動されて、超音波を試験体Ｓに送波する。そして、試
験体Ｓの反射体で反射された反射エコーga^＊（ｔ）を受
波し、相関器（5A）に伝達する。

一方、上記送信信号Sa^＊（ｔ）と同じ信号が、相関器
（5A）に伝達される。

相関器（5A）では、反射エコーga^＊（ｔ）と送信信号Sa
^＊（ｔ）との相関演算を実行する。すなわち、相関演算
の結果をρａ^＊（ｔ）とすると、つぎのように表され
る。

ρａ^＊（ｔ）＝∫ga^＊（ｔ′）Sa^＊（ｔ′−ｔ）dt′ ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 同様に、次の時間フェーズにおいて、超音波探触子
（２）は上記送信信号Sb^＊（ｔ）により駆動され、相関
器（5A）は、反射エコーgb^＊（ｔ）と送信信号Sb
^＊（ｔ）との相関演算を実行する。すなわち、相関演算
の結果をρｂ^＊（ｔ）とすると、つぎのように表され
る。

ρｂ^＊（ｔ）＝∫gb^＊（ｔ′）Sb^＊（ｔ′−ｔ）dt′ ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 加算器（６）は、その後、式及びの相関演算の結果
を加算して表示器（４）に伝達し、 ρａ^＊（ｔ）＋ρｂ^＊（ｔ） が表示される。なお、加算器（６）は、ρｂ^＊（ｔ）が
求まるまでρａ^＊（ｔ）をメモリに記憶している。

ここで、上述したこの発明の第１実施例の動作原理につ
いて説明する。

第１の と第２の とが相補の関係にあれば、送信信号Sa^＊（ｔ）とSb
^＊（ｔ）とが相補の関係にあり、両者を加算すればレン
ジサイドローブのレベルが原理的には零になる。

送信信号Sa^＊（ｔ）及びSb^＊（ｔ）のそれぞれの自己相
関関数をρａ^＊（τ）及びρｂ^＊（τ）で表わすと、自
己相関関数ρａ^＊（τ）及びρｂ^＊（τ）は、つぎのよ
うに定義される。

ρａ^＊（τ）＝∫Sa^＊（ｔ）Sa^＊（ｔ−τ）dt ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 ρｂ^＊（τ）＝∫Sb^＊（ｔ）Sb^＊（ｔ−τ）dt ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 第３図（ａ）及び（ｂ）で示すように、自己相関関数ρ
ａ^＊（τ）及びρｂ^＊（τ）を比較すると、形状は主ロ
ーブどうし及びサイドローブどうし同一であり、位相は
主ローブどうしが同相、サイドローブどうしが逆相の関
係にある。したがって、自己相関関数ρａ^＊（τ）とρ
ｂ^＊（τ）とを加算すると、第４図で示すように、サイ
ドローブのレベルは零となる。つまり、第１の と第２の とが相補関係にあれば、送信信号Sa^＊（ｔ）とSb
^＊（ｔ）とは同一の関係がある。

第２図（ａ）及び（ｂ）において、sin2πf₀tと−sin2
πf₀tとの配列間隔Ｔ′がＴより大きい場合が示されて
いるが、上述した関係は配列間隔Ｔ′がＴに等しい場合
にも成り立つ。また、sin2πf₀t及び−sin2πf₀tのサイ
クル数３（＝f₀T）の場合が示されているが、上述した
関数はサイクル数に関係なく成り立つ。

上述した関係を超音波を用いた非破壊検査に適用した場
合について考えてみる。

送信信号Sa^＊（ｔ）により超音波探触子（２）を駆動し
たとき、試験体Ｓ内の反射体まで、超音波が往復するの
に要する時間をt₀とすると、反射エコーは、近似的にSa
^＊（ｔ−t₀）と表される。この反射エコーSa^＊（ｔ−
t₀）と、送信信号Sa^＊（ｔ）の相関をとると、 ∫Sa^＊（ｔ−t₀）Sa^＊（ｔ−τ）dt＝ρａ^＊（τ−t₀） ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 が得られる。

同様に、つぎの時間フェーズで、送信信号Sb^＊（ｔ）に
より超音波探触子（２）を駆動したとき、反射エコー
は、近似的にSb^＊（ｔ−t₀）と表される。この反射エコ
ーSb^＊（ｔ−t₀）と、送信信号Sb^＊（ｔ）の相関をとる
と、 ∫Sb^＊（ｔ−t₀）Sb^＊（ｔ−τ）dt＝ρｂ^＊（τ−t₀） ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 が得られる。

上述した相関演算の結果を加算すると、 ρａ^＊（τ−t₀）＋ρｂ^＊（τ−t₀） が得られる。この加算結果は、第４図で示した波形を、
時間軸に沿ってt₀だけ平行移動した波形に等しい。つま
り、τ＝t₀で主ローブをもち、レンジサイドローブのレ
ベルは零である。したがって、主ローブの表れる時間位
置から反射体の位置を知ることができる。

この発明の第１実施例の結果について説明する。送信信
号Sa^＊（ｔ）及びSb^＊（ｔ）の周波数f₀を超音波探触子
（２）の中心周波数の近傍に設定すれば、送信信号Sa^＊
（ｔ）及びSb^＊（ｔ）と、超音波探触子（２）の周波数
応答特性は、第５図で示すような関係になる。送信信号
Sa^＊（ｔ）及びSb^＊（ｔ）は、低周波領域にはほとんど
エネルギーを有していない。そのエネルギーの大半は、
超音波探触子（２）を通過することが解る。したがっ
て、他の従来例に比べて送信エネルギーの利用効率が高
い。

この効果は、他の従来例では矩形部分のみからなる波形
を有する送信信号を用いていたのに対し、この発明の第
１実施例では、正弦波形を有する送信信号を用いたこと
から得られたものである。厳密な意味での正弦波形に限
らない。エネルギーの大半が超音波探触子（２）を通過
できるような正弦波的な振動波形を有する送信信号であ
れば同様の効果が得られる。

つぎに、この発明の第１実施例のレンジサイドローブの
レベルやS/N比の改善効果をみるために、正弦波を有す
る他の送信信号を用いて、つぎに述べる条件の下での動
作を第６図、第７図、第８図及び第９図を参照しながら
説明する。

第６図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第１実施例の他の
送信信号を示す波形図、第７図（ａ）及び（ｂ）はこの
発明の第１実施例の他の反射エコーを示す波形図、第８
図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第１実施例の他の相関
演算の結果を示す波形図、第９図はこの発明の第１実施
例の他の相関演算の加算結果を示す波形図である。

超音波探触子（２）には、周波数5MHz、比帯域60％以上
を有する、いわゆる広帯域探触子と呼ばれるものを用
い、試験体Ｓとして鋼材を用いた。

相補系列は、下記に示す長さが８の系列を用いた。

また、これらの にそれぞれ対応する送信信号Sa^＊＊（ｔ）及びSb
^＊＊（ｔ）は、第６図（ａ）及び（ｂ）で示す信号を用
いた。f₀＝5MHz、f₀T＝1.5、単位波形間の間隔Ｔ′はＴ
に等しく設定した。

まず、送信信号Sa^＊＊（ｔ）によって超音波探触子
（２）を駆動すると、第７図（ａ）で示すような、反射
エコーga^＊＊（ｔ）が測定された。同様に、送信信号Sb
^＊＊（ｔ）によって、第７図（ｂ）で示すような、反射
エコーgb^＊＊（ｔ）が測定された。

反射エコーga^＊＊（ｔ）及びgb^＊＊（ｔ）の波形が送信
信号Sa^＊＊（ｔ）及びSb^＊＊（ｔ）の波形と異なってい
る理由は、超音波探触子（２）の帯域幅が有限であるの
で、超音波探触子（２）のフィルタ作用が働いたことに
よるものである。このフィルタ作用は、送信信号Sa^＊＊
（ｔ）及びSb^＊＊（ｔ）が超音波探触子（２）の送波及
び受波時の２回通過するので、２重に働く。

送信信号Sa^＊＊（ｔ）と、反射エコーga^＊＊（ｔ）との
間の相関演算を行うと、第８図（ａ）で示すような結果
が測定された。同様に、送信信号Sb^＊＊（ｔ）と、反射
エコーgb^＊＊（ｔ）との間の相関演算を行うと、第８図
（ｂ）で示すような結果が測定された。

そして、上述した２つの演算結果を加算すると、第９図
で示すような、加算結果が測定された。レンジサイドロ
ーブのレベルも含めたS/N比は、約−32dBであり、相当
に低い結果が得られた。

さらに、比較のために、上述した送信信号Sa^＊＊（ｔ）
及びSb^＊＊（ｔ）と同一波形の信号により駆動した場合
の、第17図で示したインパルス方式を採用した従来例の
動作を第10図を参照しながら説明する。

第10図（ａ）及び（ｂ）は、従来の超音波非破壊検査装
置の動作を示す波形図である。

なお、超音波深触子（２）及び試験体Ｓは、上述した他
の送信信号を用いた第１実施例の場合と同一である。

第10図（ａ）で示すような信号により、超音波探触子
（２）を駆動した。この信号は、波形及び振幅ピーク値
が送信信号Sa^＊＊（ｔ）及びSb^＊＊（ｔ）と同一であ
る。

そして、第10図（ｂ）で示すような、反射エコーが測定
された。この反射エコーには、雑音が重畳しており、S/
N比が約25dBしか得られていない。

したがって、この発明の第１実施例は、上述したよう
に、第９図及び第10図（ａ）で示す結果を比較するとS/
N比が約7dB改善され、かつ第５図で示すように送信エネ
ルギーの利用効率も高くすることができるという効果を
奏する。

この発明の第２実施例の構成を第11図を参照しながら説
明する。

第11図は、この発明の第２実施例を示すブロック図であ
り、送信信号発生器（1B）、超音波探触子（２）、相関
器（5A）、加算器（６）及び表示器（４）は上記第１実
施例のものと全く同一である。

第11図において、この発明の第２実施例は、上述した第
１実施例のものと全く同一のものと、送信信号発生器
（1B）に入力側が接続され、かつ相関器（5A）に出力側
が接続された参照信号発生器（７）とから構成されてい
る。

つぎに、上述した第２実施例の動作を第12図及び第13図
を参照しながら説明する。

第12図（ａ）及び（ｂ）、並びに第13図は、この発明の
第２実施例の動作を示す波形図である。

なお、実施条件は、上述した第１実施例の場合と同一で
ある。

最初に、送信信号発生器（1B）は、送信信号Sa
^＊＊（ｔ）及びSb^＊＊（ｔ）を発生し、超音波探触子
（２）を駆動する。これらの送信信号Sa^＊＊（ｔ）及び
Sb^＊＊（ｔ）は、上述した第１実施例と同一である。

超音波探触子（２）は、送信信号Sa^＊＊（ｔ）及びSb
^＊＊（ｔ）により駆動されて、超音波を試験体Ｓに送波
し、その反射エコーga^＊＊（ｔ）及びgb^＊＊（ｔ）を受
波して相関器（5A）に伝達する。

一方、参照信号発生器（７）は、送信信号Sa^＊＊（ｔ）
及びSb^＊＊（ｔ）に基づいて参照信号ha（ｔ）及びhb
（ｔ）を発生し、相関器（5A）に伝達する。

これらの参照信号ha（ｔ）及びhb（ｔ）は、送信信号Sa
^＊＊（ｔ）及びSb^＊＊（ｔ）が、送波・受波時のフィル
タ特性を有する超音波探触子（２）を通過したときに得
られる信号である。すなわち、超音波を送波、受波する
ときに超音波探触子（２）が有するフィルタ特性（イン
パルス応答特性）をu₁（ｔ）及びu₂（ｔ）で表わすと、
つぎの式で表される。

ha（ｔ）＝ ∬Sa^＊＊（ｔ′）u₁（ｔ″−ｔ′）u₂（ｔ″ −ｔ）dt′dt″［積分範囲：−∞〜∞］ …式 hb（ｔ）＝ ∬Sb^＊＊（ｔ′）u₁（ｔ″−ｔ′）u₂（ｔ″ −ｔ）dt′dt″［積分範囲：−∞〜∞］ …式 なお、実際に用いた参照信号ha（ｔ）及びhb（ｔ）は、
超音波探触子（２）を送信信号Sa^＊＊（ｔ）及びSb^＊＊
（ｔ）により駆動して、試験体Ｓの底面からの反射エコ
ーを予め測定した信号である。その理由は、試験体Ｓの
底面からの反射エコーは、送信信号Sa^＊＊（ｔ）及びSb
^＊＊（ｔ）による超音波を、フィルタ特性を有する超音
波探触子（２）に、送波及び受波の段階の２回通過させ
た信号に等しいことと、底面からの反射エコーは、高い
S/N比で測定できることである。

そして、相関器（5A）は、反射エコーga^＊＊（ｔ）及び
gb^＊＊（ｔ）と、参照信号ha（ｔ）及びhb（ｔ）との相
関演算を、変数τを変えながら行う。数式で示すと、つ
ぎのように表される。

∫ga^＊＊（ｔ）ha（ｔ−τ）dt ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 ∫gb^＊＊（ｔ）hb（ｔ−τ）dt ［積分範囲：−∞〜∞］ …式 実際の及び式における積分範囲は、参照信号ha
（ｔ）及びhb（ｔ）がほぼ零とみなして差し支えない有
限範囲に打ち切った。すなわち、参照信号ha（ｔ）及び
hb（ｔ）が零とみなせない大きい値を有する時間幅をT
a、Tbとすると、積分範囲は、上述した及び式にお
いて、それぞれ、 −Ta/2＋τ〜Ta/2＋τ、 −Tb/2＋τ〜Tb/2＋τ とした。

第12図（ａ）及び（ｂ）は、上述した積分範囲における
及び式の相関演算の結果を示している。

最後に、加算器（６）は、及び式の相関演算の結果
を加算する。すなわち、式の相関演算の結果を一旦内
部のメモリに記憶しておき、つぎの時間フェーズで式
の相関演算の結果と記憶しておいた式の相関演算の結
果を加算する。第13図は、加算結果を図示している。

ここで、第９図で示すこの発明の第１実施例の相関演算
の結果と比較すると、第１実施例のレンジサイドローブ
のレベルは約−32dBであるのに対し、この発明の第２実
施例のレンジサイドローブのレベルは第13図で示すよう
に約−48dBであり、レンジサイドローブのレベルが第１
実施例に比べて約16dB改善されている。

この発明の第２実施例は、上述したような構成を備えて
いるので、S/N比の悪い環境のもとでも有効であり、レ
ンジサイドローブのレベルを非常に小さくすることがで
きるという効果を奏する。

なお、上述した第１実施例及び第２実施例においては、
信号を全てデジタル変換し、相関演算や加算処理を計算
機によって行った。

ところで、相関演算を行う手段は種々考えられる。相関
演算を行う手段の２つの具体例を第14図及び第15図を参
照しながら説明する。

第14図は、この発明の相関器の一例を示すブロック図で
ある。

第14図において、相関器（5B）は、超音波探触子（２）
に接続されたタップ付遅延線（50）と、参照信号発生器
（７）及びタップ付遅延線（50）に接続された多数（Ka
個）の掛け算器（51）と、掛け算器（51）に接続された
加算器（52）とから構成されている。

この相関器（5B）は、式がつぎのように変形できるこ
とを利用して、相関演算を実現している。

すなわち、式はつぎのように変形できる。

∫ga^＊＊（ｔ）ha（ｔ−τ）dt［積分範囲：−∞〜∞］ ＝∫ga^＊＊（ｔ＋τ）ha（ｔ）dt［積分範囲：−∞〜
∞］ ≒∫ga^＊＊（ｔ＋τ）ha（ｔ）dt［積分範囲:0〜Ta］ ≒Σga^＊＊（ｋΔｔ＋ｌΔｔ）ha（ｋΔｔ） ［ｋ＝１〜Ka］ …式 ただし、ｋ、ｌは整数、Δｔはサンプリング間隔、Kaは
定数であり、ｔ＝ｋΔｔ、τ＝ｌΔｔ、Ta＝KaΔｔであ
る。

相関器（5B）では、Δｔはタップ付遅延線（50）のタッ
プ間の遅延時間、Kaはタップ総数である。反射エコーga
^＊＊（ｔ）がタップ付遅延線（50）に入力されると、例
えば、ｋ番目のタップの出力は、予めわかっている重み
ha（ｋΔｔ）が、掛け算器（51）により掛け算される。
その後、加算器（52）は、全タップの出力を加算し、そ
の結果は上述した式に等しい。

また、式はつぎのように変形できる。

∫gb^＊＊（ｔ）hb（ｔ−τ）dt［積分範囲：−∞〜∞］ ≒Σgb^＊＊（ｋΔｔ＋ｌΔｔ）hb（ｋΔｔ） ［ｋ＝１〜Kb］ …式 ただし、Tb＝KbΔｔである。

式の相関演算と、式の相関演算は、時間的に別のフ
ェーズで行えばよいので、同一の構成で重みをhb（ｋΔ
ｔ）で置き換えるだけでよい。

また、タップ付遅延線（50）、掛け算器（51）及び加算
器（52）を２系統備えて、それぞれの相関演算を別々に
行っても同様の作用、効果を期待できる。

第15図は、この発明の相関器の他の例を示すブロック図
である。

第15図において、相関器（5C）は、参照信号発生器
（７）に接続されたフーリエ変換器（53）と、このフー
リエ変換器（53）に接続された補正器（54）と、超音波
探触子（２）に接続されたフーリエ変換器（55）と、こ
のフーリエ変換器（55）に接続された補正器（56）と、
補正器（54）及び（56）に接続された掛け算器（57）
と、この掛け算器（57）に接続された逆フーリエ変換器
（58）とから構成されている。

この相関器（5C）は、上述した及び式で示す相関演
算が、各々の信号をフーリエ変換した後掛け算し、さら
に逆フーリエ変換したものに等しいことを利用したもの
である。

つまり、フーリエ変換器（53）は、参照信号発生器
（７）からの参照信号ha（ｔ）及びhb（ｔ）をフーリエ
変換し、またフーリエ変換器（55）は、超音波探触子
（２）からの反射エコーga^＊＊（ｔ）及びgb^＊＊（ｔ）
をフーリエ変換する。

補正器（54）及び（56）は、フーリエ変換された参照信
号ha（ｔ）及びhb（ｔ）並びに反射エコーga^＊＊（ｔ）
及びgb^＊＊（ｔ）を、試験体Ｓの超音波減衰率の周波数
特性について補正する。これは、上述した信号を時間軸
上から周波数軸上に変換して処理しているためである。

掛け算器（57）は、補正された反射エコーga^＊＊（ｔ）
と参照信号ha（ｔ）とを掛け算し、また同様に補正され
た反射エコーgb^＊＊（ｔ）と参照信号hb（ｔ）とを掛け
算する。

逆フーリエ変換器（58）は、上述した２つの掛け算した
結果を逆フーリエ変換する。

この相関器（5C）は、後述する理由により、レンジサイ
ドローブのレベルを零の理想的な状態に近付けることが
できる。

すなわち、補正器（54）及び（56）は、超音波探触子
（２）の周波数応答特性、つまりフィルタ特性も補正す
ることができる。例えば、参照信号ha（ｔ）及びhb
（ｔ）は、及び式で示すように、超音波探触子
（２）の時間応答特性u₁（ｔ）及びu₂（ｔ）に依存して
決まる。そこで、時間応答特性u₁（ｔ）及びu₂（ｔ）を
できるだけデルタ関数に近付くように、周波数軸上で周
波数応答特性について補正すれば、参照信号ha（ｔ）は
送信信号Sa^＊＊（ｔ）に近付き、参照信号hb（ｔ）は送
信信号Sb^＊＊（ｔ）に近付く。したがって、レンジサイ
ドローブのレベルを零の理想的な状態に近付けることが
できる。

ところで、上述した相関器（5C）ではフーリエ変換器
（53）によって参照信号ha（ｔ）及びhb（ｔ）をフーリ
エ変換していたが、参照信号ha（ｔ）及びhb（ｔ）を予
めフーリエ変換した計算結果を適当なメモリに記憶して
おき、必要なときに掛け算器（57）に伝達しても同様の
作用、効果を期待できる。

また、上述した相関器（5C）では２つの補正器（54）及
び（56）を接続したが、掛け算器（57）の後段に１つの
補正器を接続しても所期の目的を達成し得ることはいう
までもない。

上述した相関器（5B）及び（5C）では、反射エコーと参
照信号との相関演算について説明したが、反射エコーと
送信信号との相関演算にも用いることができる。この場
合は、参照信号に対応する部分を送信信号に置き換えれ
ばよい。また、相関器（5B）及び（5C）は、ソフトウエ
アで構成してもよいし、ハードウエアで構成してもよ
い。

なお、各実施例は、つぎに述べる条件のもとでも、上述
したいろいろな効果を奏することが確認できた。

送信信号のサイクル数f₀Tを0.5〜3.0まで0.5毎に変え
て、さらに各サイクル数f₀Tに対してsin波の配列間隔
Ｔ′をf₀T〜f₀T＋2.0まで0.5毎に変えて実施した。

試験体Ｓとして、オーステナイト系ステンレス鋼、チタ
ン合金等の高減衰の金属についても実施した。

さらに、上記第２実施例では参照信号ha（ｔ）及びhb
（ｔ）として試験体Ｓの底面からの反射エコーの実測デ
ータを用いたが、つぎに述べる計算手法から求めたデー
タを用いても同様の動作を期待できる。すなわち、試験
体Ｓ及び超音波探触子（２）を構成する各部材の音響的
材料定数が解れば、例えば『非破壊検査』Vol.30、No.1
0、（昭和56年10月号）、P.762〜767に示された計算手
法を用いて超音波探触子（２）の時間応答特性及びその
フーリエ変換である周波数応答特性を求めることができ
る。

この発明の第３実施例を第16図を参照しながら説明す
る。

第16図は、この発明の第３実施例を示すブロック図であ
り、超音波探触子（２）以外は上記第２実施例のものと
全く同一である。

第16図において、この発明の第３実施例は、上述した第
２実施例のものと全く同一のものと、送信信号発生器
（1B）に接続された送波用の超音波探触子（2A）と、相
関器（5A）に接続された受波用の超音波探触子（2B）と
から構成されている。

この第３実施例では、及び式のu₁（ｔ）は、超音波
探触子（2A）の時間応答特性を用い、u₂（ｔ）は、超音
波探触子（2B）の時間応答特性を用いる。

この発明の第３実施例は、上述した第２実施例と同様の
作用、効果を奏する。

もちろん、送波用の超音波探触子（2A）と、受波用の超
音波探触子（2B）とをこの発明の第１実施例に適用して
もよい。

また、上述した第３実施例では、前記第１の送信手段と
第２の送信手段として、同一で単一の超音波探触子（2
A）を兼用して用いていたが、これら２つの送信手段は
単独にそれぞれ個別に設けても構わない。

さらに、上述した第３実施例では、前記第１の受信手段
と第２の受信手段として、同一で単一の超音波探触子
（2B）を兼用して用いているが、これら２つの受信手段
は単独にそれぞれ個別に設けても構わない。

またさらに、上述した第１、第２及び第３実施例では、
前記第１の送信信号発生手段と第２の送信信号発生手段
として、同一で単一の送信信号発生器（1B）を兼用して
用いていたが、これら２つの送信信号発生手段は単独に
それぞれ個別に設けても構わない。

また、上述した第１、第２及び第３実施例では、前記第
１の相関処理手段と第２の相関処理手段として、同一で
単一の相関器（5A）を兼用して用いているが、これら２
つの相関処理手段は単独にそれぞれ個別に設けても構わ
ない。

ところで上記説明では、超音波探傷装置に利用する場合
について述べたが、その他の例えば超音波診断装置等に
も利用できることはいうまでもない。

［発明の効果］ この発明は、以上説明したとおり、正弦波形を有する第
１の送信信号を発生する第１の送信信号発生手段と、正
弦波形を有し、上記第１の送信信号と相補の関係にある
第２の送信信号を発生する第２の送信信号発生手段と、
上記第１の送信信号により励振されて送信波を対象物に
送信する第１の送信手段と、上記第２の送信信号により
励振されて送信波を対象物に送信する第２の送信手段
と、上記第１の送信信号に対応する第１のエコーを受信
する第１の受信手段と、上記第２の送信信号に対応する
第２のエコーを受信する第２の受信手段と、上記第１の
エコーを上記第１の送信信号により規定される第１の参
照信号を用いて相関処理する第１の相関処理手段と、上
記第２のエコーを上記第２の送信信号により規定される
第２の参照信号を用いて相関処理する第２の相関処理手
段と、上記第１の相関処理手段により得られる信号と上
記第２の相関処理手段により得られる信号とを加算する
加算手段と備えたので、S/N比の悪い環境のもとでも反
射体を正確な精度で測定することができ、送信エネルギ
ーの利用効率を高くすることができ、かつ、レンジサイ
ドローブのレベルを小さくすることができるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示すブロック図、第２
図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第１実施例の送信信号
を示す波形図、第３図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第
１実施例の相関演算の結果を示す波形図、第４図はこの
発明の第１実施例の相関演算の加算結果を示す波形図、
第５図はこの発明の第１実施例の送信信号及び超音波探
触子の周波数特性を示す特性図、第６図（ａ）及び
（ｂ）はこの発明の第１実施例の他の送信信号を示す波
形図、第７図（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第１実施例
の他の反射エコーを示す波形図、第８図（ａ）及び
（ｂ）はこの発明の第１実施例の他の相関演算の結果を
示す波形図、第９図はこの発明の第１実施例の他の相関
演算の加算結果を示す波形図、第10図（ａ）及び（ｂ）
は従来の超音波非破壊検査装置の動作を示す波形図、第
11図はこの発明の第２実施例を示すブロック図、第12図
（ａ）及び（ｂ）はこの発明の第２実施例の相関演算の
結果を示す波形図、第13図はこの発明の第２実施例の相
関演算の加算結果を示す波形図、第14図はこの発明の相
関器の一例を示すブロック図、第15図はこの発明の相関
器の他の例を示すブロック図、第16図はこの発明の第３
実施例を示すブロック図、第17図は従来の超音波非破壊
検査装置を示すブロック図、第18図（ａ）〜（ｃ）は従
来の超音波非破壊検査装置の動作を示す波形図、第19図
（ａ）〜（ｃ）は相関演算の原理を示すグラフ図、第20
図は他の従来の超音波非破壊検査装置を示すブロック
図、第21図（ａ）及び（ｂ）は他の従来の超音波非破壊
検査装置の送信信号を示す波形図、第22図は他の従来の
超音波非破壊検査装置の送信信号及び超音波探触子の周
波数特性を示す特性図である。 図において、 （1B）……送信信号発生器、 （２）……超音波探触子、 （４）……表示器、 （5A）……相関器、 （６）……加算器、 （７）……参照信号発生器、 （5B）……相関器、 （50）……タップ付遅延線、 （51）……掛け算器、 （52）……加算器、 （5C）……相関器、 （53）……フーリエ変換器、 （54）……補正器、 （55）……フーリエ変換器、 （56）……補正器、 （57）……掛け算器、 （58）……逆フーリエ変換器、 （2A）、（2B）……超音波探触子である。 なお、各図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】正弦波形を有する第１の送信信号を発生す
   る第１の送信信号発生手段、 正弦波形を有し、上記第１の送信信号と相補の関係にあ
   る第２の送信信号を発生する第２の送信信号発生手段、 上記第１の送信信号により励振されて送信波を対象物に
   送信する第１の送信手段、 上記第２の送信信号により励振されて送信波を対象物に
   送信する第２の送信手段、 上記第１の送信信号に対応する第１のエコーを受信する
   第１の受信手段、 上記第２の送信信号に対応する第２のエコーを受信する
   第２の受信手段、 上記第１のエコーを上記第１の送信信号により規定され
   る第１の参照信号を用いて相関処理する第１の相関処理
   手段、 上記第２のエコーを上記第２の送信信号により規定され
   る第２の参照信号を用いて相関処理する第２の相関処理
   手段、 及び 上記第１の相関処理手段により得られる信号と上記第２
   の相関処理手段により得られる信号とを加算する加算手
   段 を備えたことを特徴とする超音波測定装置。